KR20160116238A - 마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법이 개시된다. 이는 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 이용하여 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침 제작이 가능하기 때문에 마스크 패턴의 간격 및 크기의 제한을 받지 않으며, 마이크로 탐침 간의 간격에 상관없이 탐침의 높이 조절이 가능함으로써, 적용하고자 하는 어플리케이션에 맞게 제작이 가능하다.

Description

마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법{Micro Probe Tip Structure and Method of manufacturing the same}
본 발명은 마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 번의 DRIE 공정 및 RIE공정을 통해 넓은 간격을 갖는 탐침 제작이 가능한 마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 탐침은 작은 면적과 접촉될 수 있는 특성을 가지므로 전극 패턴이나 생물학적 세포 등에 활용될 수 있는 전자소자이다. 특히, 마이크로 탐침은 미세 크기를 가지는 생물학적 요소인 세포에 전기적 자극을 가하거나 세포에서 발생된 전기 에너지를 수집할 수 있는 수단으로 활용될 수 있다.
도 1 및 도2는 종래의 마이크로 탐침 제조에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 패턴화된 마스크층(30)을 형성하기 위해, 포토리소그래피 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이어서, 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 이용하여 마스크층(30)에 대한 선택적 식각을 수행하면 기판(10) 상에 패턴화된 마스크층(30)을 얻을 수 있다.
마스크층(30) 형성 후 마스크층(30)을 식각 마스크로 이용하여 기판(10)에 대해 이방성 식각을 실시하여 기둥 상부(20)를 형성하고, 이렇게 형성된 기둥 상부(20)를 등방성 식각을 통해 마이크로 탐침(40)을 형성한다. 여기서 이방성 식각은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정이 이용될 수 있으며, 등방성 식각은 RIE(Reactive Ion Etching) 공정이 이용될 수 있다.
하지만 이러한 종래의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 이용하여 마이크로 탐침(40) 제작시, 도 1에서와 같이 기둥 상부(20)들 사이의 간격이 좁은 경우는 기둥 상부(20)의 상위 부분이 식각되지만, 기둥 상부(20)들 사이의 간격이 넓은 경우는 기둥 상부(20)의 하위 부분이 식각되어, 마이크로 탐침(40) 제작 시 탐침간의 간격과 크기에 따른 제한 조건이 발생된다. 즉, 탐침의 간격을 넓혀 제작할 때 탐침이 제작되지 않는 문제가 발생된다.
또한, 도 2에서와 같이 종래의 마이크로 탐침 제작 공정을 이용하여 TGV(Through Glass. Via)와 결합 공정시 패턴간 간격이 좁으면 유리 리플로우(Reflow)(50)와 비아 컨택(60) 부분이 손상되는 문제가 발생되기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 마스크 패턴의 간격 및 크기에 제한을 받지 않으며, 마이크로 탐침 간의 간격 조절이 가능한 마이크로 탐침 제조가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 통해 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침을 제작할 수 있는 마이크로 탐침 구조물 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로 탐침 구조물은 하나 이상의 비아홀을 가지는 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상에 형성된 하나 이상의 마이크로 탐침; 상기 하나 이상의 비아홀에 충진된 비아 컨택; 및 상기 하나 이상의 탐침과 상기 비아 컨택을 연결하는 연결부;를 포함한다.
상기 유전체 기판은 상기 하나 이상의 비아홀 부위를 제외하고 리플로우되어(relowed) 충진된 글라스일 수 있다. 상기 마이크로 탐침은: 상기 기둥부; 상기 첨예부; 및 상기 기둥부와 상기 첨예부의 표면의 일부 또는 전부에 형성된 도전층;을 포함할 수 있다.
상기 기둥부의 높이는 상기 기판에서 상기 첨예부가 제조되는 깊이에 따라 변경될 수 있다.
상기 도전층이 상기 연결부에 의해 정해진 비아 컨택과 연결될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로 탐침 구조물의 제조방법으로서: (a) 기판의 일면 제1 비등방성 식각하여 각각 탐침이 될 소정 높이를 가지는 하나 이상의 기둥 상부를 형성하는 단계; (b) 제1 등방성 식각을 통해 상기 하나 이상의 기둥 상부에 언더컷을 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 기판을 제2 비등방성 식각하여 상기 하나 이상의 기둥 상부와 일체가 되는 기둥 하부들을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 단계 (b)에서 상기 언더컷에 의해 상기 하나 이상의 기둥 상부는 언더컷 상부구조와 하부구조를 갖게 되고, 상기 언더컷 상부구조를 제거하는 단계를 더 진행할 수 있다.
상기 단계 (a) 전에 수행되는, 상기 기판의 타면 측에 하나 이상의 비아 컨택을 가지는 유전체 기판을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 유전체 기판을 형성하는 것은: 상기 기판의 타면을 식각하여 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥을 형성하는 단계; 글라스를 리플로우하여 상기 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥들 사이를 채우는 단계; 상기 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥을 제거함으로써 하나 이상의 비아홀을 형성하는 단계; 및 상기 하나 이상의 비아홀에 비아 컨택을 충진하는 단계;를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 이용하여 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침 제작이 가능하기 때문에 마스크 패턴의 간격 및 크기의 제한을 받지 않으며, 마이크로 탐침 간의 간격 조절이 가능함으로써, 적용하고자 하는 어플리케이션에 맞게 제작이 가능하다.
또한, 반도체 소자 제작 공정 기술을 이용하여 웨이퍼 단위의 공정이 가능하여 생산단가를 절감할 수 있고, 탐침의 높이 및 간격 조절이 용이하여 생체, 화학 센서분야 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도2는 종래의 마이크로 탐침 제조에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 16은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 마이크로 탐침 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물을 도시한 단면도이다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 실험예에 따른 실험 결과를 나타내는 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1 실시예
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 탐침 구조물은 기판(100), 유전체 기판(200), 비아 컨택(300), 마이크로 탐침(600)을 포함한다.
기판(100)은 반도체 재질 또는 절연성 재질을 가짐이 바람직하다. 다만, 식각이 용이하고, 고온에서 유전체 기판(200)의 형성에 유리한 재질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 예컨대, 상기 기판(100)은 실리콘 재질로 구성될 수 있다.
상기 기판(100)상에 유전체 기판(200)이 형성된다. 상기 유전체 기판(200)은 절연성 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이나, 리플로우(reflow) 공정이 가능한 재질이라면 사용가능하다. 즉, 유전체 기판(200)의 형성을 위해 원재질을 1차 용해하여 기판(100)으로부터 함몰된 부위를 충진할 수 있는 재료라면 유전체 기판(200)으로 사용가능하다 할 것이다. 예컨대, 상기 유전체 기판(200)으로는 글라스 계열의 재료가 사용될 수 있다.
또한, 유전체 기판(200) 사이의 이격공간에는 하나 이상의 비아홀(102)이 형성되며, 유전체 기판(200)은 하나 이상의 비아홀(102) 부위를 제외하고 글라스 계열의 재료가 리플로우되어 충진된다.
유전체 기판(200)상의 하나 이상의 비아홀(102)에는 도전성 재질을 충진하여 비아 컨택(300)이 형성될 수 있다. 따라서, 인접한 비아 컨택(300)들은 유전체 기판(200)에 의해 상호간에 전기적으로 분리된다. 상기 비아 컨택(300)은 도전성 재질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이나, 비교적 높은 전도도를 가지고, 함몰된 부위에 충진이 용이한 금속 재질로 구성됨이 바람직하다. 예컨대, 상기 비아 컨택(300)은 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있다.
상기 유전체 기판(200) 상부에는 마이크로 탐침(600)이 배치된다. 상기 마이크로 탐침(600)은 유전체 기판(200) 상에 형성된 첨예부(401), 기둥부(402) 및 첨예부(401)와 기둥부(402)의 표면의 일부 또는 전부에 형성된 도전층(500)을 포함한다. 여기서, 기판(100), 첨예부(401) 및 기둥부(402)은 동일 재질을 갖는다.
첨예부(401)는 기둥부(402) 상부에 위치하며, 뾰쪽한 형상을 가질 수 있다. 또한, 기둥부(402)은 유전체 기판(200) 상에 형성되며, 기둥부(402)의 높이는 상기 기판(100)에서 상기 첨예부(401)가 제조되는 깊이에 따라 변경될 수 있다. 즉, 형성되는 마이크로 탐침(600)의 높이는 기판(100)에서 첨예부(401)를 제조하는 식각 공정에 의해 식각되는 깊이에 따라 조절될 수 있다.
또한, 형성된 도전층(500)은 마이크로 탐침(600)의 각각에 형성되며, 상기 마이크로 탐침(600)은 도전층(500)의 연결부에 의해 정해진 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 도전층(500)에 의해 비아 컨택(300)과 연결된 마이크로 탐침(600)을 중심으로 상기 비아 컨택(300)과 대향되는 유전체 기판(200) 표면은 도전층(500)에 대해 노출된다. 이를 통해 하나의 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결되는 마이크로 탐침(600)은 인접한 위치에 형성된 마이크로 탐침(600)과 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 도전층(500)은 도전성 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이나, 생체 세포와 적합성을 가진 재질이 사용됨이 바람직하다. 예컨대, 금속 재질로는 티타늄, 크롬 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으며, 도전성 산화물로는 ITO(indium-tin-oxide) 또는 IZO(indium-zinc-oxide) 등이 사용될 수 있다.
도 4 내지 도 16은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 마이크로 탐침 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 기판(100)의 타면을 식각하여 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥(101)을 형성한다. 비아홀을 위한 기둥(101)은 전형적인 식각공정을 통해 수행된다.
즉, 기판(100) 상에 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝이 수행된다. 이어서, 패턴화된 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 식각 공정을 수행한다. 이를 통해 기판(100) 상에 비아홀을 위한 기둥(101)이 형성된다. 이후에 잔류하는 포토레지스트는 제거된다.
또한, 상기 기판(100)은 식각 공정이 용이한 재질로 선택된다. 따라서, 상기 기판(100)은 부도체 또는 반도체일 수 있다. 예컨대, 식각 공정에 따른 공정 변수가 일반적으로 알려진 실리콘 재질이 기판(100)으로 선택될 수 있다.
비아홀을 위한 기둥(101) 간의 간격은 도 4에서와 같이 패턴 간의 간격이 좁아 유리 리플로우(Reflow)와 비아 컨택(300) 부분이 손상되는 종래의 문제를 방지하기 위해 소정의 거리만큼 이격되게 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(100)상의 비아홀을 위한 기둥(101) 표면에 절연 기판(110)을 배치시킨다. 상기 절연 기판(110)은 기판(100)보다 낮은 융점을 가지고, 유전체 또는 부도체의 특성을 가짐이 바람직하다. 예컨대, 상기 기판(100)이 실리콘인 경우, 상기 절연 기판(110)은 유리 기판임이 바람직하다.
또한, 상기 기판(100)과 절연 기판(110)은 접합 공정을 통해 물리적인 접합이 수행될 수 있다. 접합은 다양한 방법을 통해 수행되는바, 양극 접합 공정을 통해 수행될 수 있다. 즉, 기판(100)과 절연 기판(110) 사이에 소정의 전압이 인가되고, 소정의 온도에서 외력을 가하면 접합이 수행된다. 온도의 범위는 선택되는 기판(100)들의 재질에 따라 달리 설정된다. 예컨대, 기판(100)이 실리콘 기판이고, 절연 기판(110)이 유리 기판인 경우, 약 300℃ 내지 500℃의 온도에서 800V 정도의 전압을 인가하고, 400N 정도의 외력을 인가하여 실리콘과 유리의 접합을 유도할 수 있다.
도 6을 참조하면, 기판(100)에 접합된 절연 기판(110)을 가열하고, 절연 기판(110)의 일부가 비아홀을 위한 기둥(101)들 사이를 충진하도록 한다. 예컨대, 절연 기판(110)이 유리인 경우, 유리는 특정 온도 이상에서 유동성을 가지고, 절연 기판(110)이 비아홀을 위한 기둥(101)들 사이에 리플로우(Reflow)된다.
상기 유리 등의 절연 기판(110)을 가열하여 리플로우시키는 공정은 다수개의 단계들로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 단계에서는 상온에서 약 1000℃까지 약 3시간에 걸쳐 승온된다. 이어서 제2 단계에서는 약 1000℃에서 약 5시간 가량 유지되며, 마지막 제3 단계에서는 약 1000℃에서 상온까지 약 3시간에 걸쳐 강온된다. 이를 통해 기판(100)에는 절연 기판(110)의 일부가 채워진다.
도 7을 참조하면, 절연 기판(110)의 표면에 대한 평탄화 공정이 수행된다. 따라서, 절연 기판(110)의 일부는 상부로부터 제거되고, 상기 절연 기판(110)의 돌출 부위가 노출될 때까지 진행된다. 따라서, 기판(100)을 충진하는 절연 기판(110)의 일부만이 잔류하게 된다. 상기 도 7에서는 잔류하는 절연 기판(110)의 일부의 각 요소들이 분리된 것으로 도시되나, 이는 단면도 상으로 나타나는 현상이며 평면도 상에서는 잔류하는 절연 기판(110)의 일부가 소정의 패턴을 가지고 연속된 형상으로 나타난다. 즉, 절연 기판(110)의 돌출 부위는 독립된 아일랜드 형상을 가지거나, 특정의 배선의 형상을 가지며, 비아홀을 위한 기둥(101)들 사이를 충진하는 절연 기판(110)의 일부는 상호간에 연결된 형상으로 제공될 수 있다. 따라서, 이를 유전체 기판(200)이라 명명한다. 또한, 유전체 기판(200)은 절연 기판(110)과 동일 재질임이 명확하다.
도 8을 참조하면, 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥(101)을 제거함으로써 하나 이상의 비아홀(102)을 형성한다. 비아홀을 위한 기둥(101)의 제거는 통상의 식각 공정을 통해 달성된다. 또한, 상기 비아홀을 위한 기둥(101)의 제거는 유전체 기판(200)과 실질적으로 동일한 깊이로 진행됨이 바람직하다.
도 9를 참조하면, 하나 이상의 비아홀(102)에 비아 컨택(300)을 충진 한다. 이를 통해 도 10에서와 같이 비아 컨택(300)이 형성된다. 또한, 비아 컨택(300)은 식각이 이루어진 기판(100)의 표면과 접하며 형성된다.
도 10을 참조하면, 충진된 비아 컨택(300) 표면에 대해 도 7에서와 같이 평탄화 공정이 수행된다. 따라서, 비아 컨택(300) 일부는 상부로부터 제거되고, 충진 된 비아 컨택(300)의 일부만이 잔류하게 된다.
도 11을 참조하면, 기판(100)의 배면에 마스크층(103)이 형성된다. 상기 마스크층(103)의 재질에 대한 특별한 한정은 없다. 다만, 기판(100)의 재질과 상이한 식각 메커니즘을 갖는 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 예컨대, 상기 기판(100)이 실리콘 재질인 경우, 마스크층(103)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물일 수 있다. 또한, 상기 도 11에서 마스크층(103)의 형성은 상기 도 10에 도시된 기판(100)의 배면에서 이루어진 것이다. 다만, 도 11에서는 용이한 이해를 위해 도 10에 개시된 구조물을 뒤집어서 표현한 것에 불과하다.
계속해서, 마스크층(103) 상부에 포토레지스트 패턴(104)이 형성된다. 먼저, 마스크층(103) 상부에 포토레지스트를 스핀 코팅으로 도포하고, 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 패터닝을 수행한다. 따라서, 국부적으로 마스크층(103)의 표면을 노출시키는 포토레지스트 패턴(104)이 형성된다.
도 12를 참조하면, 포토레지스트 패턴(104)을 식각 마스크로 이용하여 노출된 마스크층(103)에 대한 식각을 수행한다. 오픈된 마스크층(103)은 제거되고, 하부의 기판(100)의 표면은 노출된다. 또한, 포토레지스트 패턴(104) 하부의 마스크층(103)은 잔류한다. 식각을 통해 기판(100)의 일부가 노출되면, 잔류하는 포토레지스트 패턴(104)은 제거된다. 따라서, 기판(100) 상의 일부 영역에는 패터닝된 마스크층(103)이 잔류한다.
이어서, 마스크층(103)을 식각 마스크로 이용하여 기판(100)에 대한 제1 비등방성 식각이 수행된다. 특히, 상기 제1 비등방성 식각은 제1 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 기판(100) 배면을 소정 깊이까지 식각함이 바람직하다. 예컨대, 기판(100)이 실리콘이며, 마스크층(103)이 실리콘 산화물인 경우, 에천트로 SF6이 이용된다. 연속적인 식각이 지속될 경우, 식각되는 부위의 측면이 손상을 받으므로 C4F8과 같은 폴리머를 도핑하고, 식각되는 부위의 측면을 보호한다. 이어서, 폴리머를 식각하고, SF6을 에천트로 이용하여 식각을 수행한다. 이와같이 측면의 보호, 식각의 수행 등의 반복 동작을 통해 기판(100) 표면에 수직 프로파일을 갖고, 소정의 깊이만큼 식각된 기둥 상부(400)를 형성할 수 있다.
즉, 기판(100)의 표면 일부에 대한 식각을 통해 기판(100)의 표면은 리세스되며, 마스크층(103)에 의해 잔류하는 부위는 수직 프로파일을 갖고, 소정의 깊이만큼 식각된 기둥 상부(400)로 형성된다. 상기 도 12에서 상기 기둥 상부(400)는 유전체 기판(200)과 동일한 위치에 형성되고, 유전체 기판(200)이 가지는 폭과 동일하거나, 좁은 폭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 식각된 기둥 상부(400)의 높이에 따라 마이크로 탐침(600)의 높이가 결정될 수 있다. 즉, 제1 비등방성 식각에 의해 식각되는 깊이를 조절함에 따라, 형성되는 마이크로 탐침(600)의 높이 조절이 가능하다.
도 11의 단계는 하나의 단계로 대체될 수 있다. 즉, 별도의 마스크층(103)의 도입없이 기판(100) 상에 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 상기 도 12와 같은 형상을 얻을 수 있다. 즉, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 기둥 상부(400)를 직접 형성할 수도 있다.
도 13을 참조하면, 하나 이상의 기둥 상부(400)에 대한 식각을 통해 기둥 상부(400)에 언더컷을 발생시킨다. 언더컷을 발생시키기 위해서는 상기 도 12에 개시된 기둥 상부(400)에 대해 제1 등방성 식각이 수행된다. 상기 제1 등방성 식각은 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있으며, 특히, 제1 등방성 식각은 제1 RIE(Reactive Ion Etching)공정을 이용하여 기둥 상부(400)를 식각할 수 있다. RIE 식각을 이용할 경우, 비교적 매끄러운 표면과 이웃하는 첨예부(401) 형상과 크기가 동일한 다수의 첨예부(401)를 얻을 수 있다. RIE공정은 에천트인 SF6를 상기 도 12의 구조물에 공급함을 통해 달성될 수 있다. 특히, 기둥 상부(400)들 사이의 간격이 좁은 경우, 기둥 상부(400)의 상위 부분의 식각이 수행되며, 간격이 넓은 경우, 기둥 상부(400)의 하위 부분의 식각이 수행된다. 본 발명에 따른 기둥 상부(400)들 사이의 간격은 유전체 기판(200)과 동일 위치에 넓게 형성되어 있는바, 식각 수행시 기둥 상부(400)의 하위 부분의 식각이 수행될 수 있으며, 발생된 언더컷 하부에는 식각한 소정의 깊이를 뺀 나머지의 기판(100)이 잔류한다.
또한, 발생된 언더컷에 의해 하나 이상의 기둥 상부(400)는 언더컷 상부구조(410)와 언더컷 하부구조(420)를 갖는다. 언더컷 상부구조(410)와 언더컷 하부구조(420)는 기판(100)으로부터의 리세스에 의해 잔류하는 기둥 상부(400)의 식각을 통해 형성된 것이므로, 언더컷 상부구조(410)와 언더컷 하부구조(420)는 기판(100)의 재질과 동일함은 자명하다 할 것이다.
도 14를 참조하면, 기판(100)을 제2 비등방성 식각하여 상기 하나 이상의 기둥 상부(400)와 일체가 되는 기둥 하부(430)들을 형성한다. 기둥 하부(430)를 형성하기 위해 제2 비등방성식각이 수행되며, 특히, 제2 비등방성식각은 제2 DRIE 공정을 이용하여 식각함이 바람직하다. 제2 DRIE 공정 방식은 상기 도 12의 제1 DRIE 공정에서 설명된 바와 동일한 방식으로 수행되는바, 중복된 기재를 피하기 위해 도 12의 DRIE 공정 방식에 대한 상세한 내용 설명은 생략키로 한다.
제2 DRIE 공정을 수행함에 따라 마스크층(103)에 의해 잔류하는 부위는 수직 프로파일을 가지는 기둥 하부(430)가 형성된다. 따라서, 제2 DRIE 공정에 의해 기둥 하부(430)를 제외한 기판(100)의 구성물이 제거되고 기둥 하부(430)가 형성된다.
도 15를 참조하면, 기판의 식각을 통해 첨예부(401) 및 기둥부(402)가 형성된다. 첨예부(401) 및 기둥부(402)를 형성하기 위해서는 도 14에 개시된 구조물에 대해 제2 등방성 식각이 수행된다. 상기 제2 등방성 식각은 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있으며, 특히, 제2 등방성 식각은 제2 RIE 공정을 이용하여 기판(100)을 식각할 수 있다. 제2 RIE 공정 방식은 상기 도 13의 제1 RIE 공정에서 설명된 바와 동일한 방식으로 수행되는바, 중복된 기재를 피하기 위해 도 13의 RIE 공정 방식에 대한 상세한 내용 설명은 생략키로 한다.
제2 RIE 공정이 수행됨에 따라 언더컷 상부구조(410)와 기둥 하부(430)의 기판의 잔류된 부위가 모두 제거될 수 있다. 마스크층(103) 및 언더컷 상부구조(410)가 모두 제거됨으로써, 첨예부(401)가 형성되며, 기둥 하부(430)의 기판의 잔류된 부위가 모두 제거됨으로써 기둥부(402)가 형성된다. 또한, 기판의 잔류된 부위가 모두 제거됨으로써, 유전체 기판(200) 및 비아 컨택(300)의 표면이 노출된다. 그리고 상기 도 15에서 마이크로 탐침(600)은 유전체 기판(200) 상에 형성됨이 바람직하다. 또한, 유전체 기판(200)이 가지는 폭보다 좁은 폭을 가지고, 유전체 기판(200)의 하부 일부가 노출되도록 형성됨이 바람직하다.
도 16을 참조하면, 마이크로 탐침(600)이 형성된 유전체 기판(200)의 일부 및 비아 컨택(300) 상에 연결부(501)를 포함하는 도전층(500)을 형성한다. 따라서, 도전층(500)은 마이크로 탐침(600)의 전면을 감싸고, 마이크로 탐침(600) 사이에 노출된 비아 컨택(300) 표면을 도포하는 양상으로 형성된다. 또한, 도전층(500)은 유전체 기판(200)의 일부 노출된 표면상에도 형성된다. 따라서, 상기 도전층(500)에 의해 마이크로 탐침(600)과 비아 컨택(300)이 전기적으로 연결된다.
도전층(500)의 재질은 도전성 재질이라면 특별한 한정이 없을 것이나, 하부의 유전체 기판(200) 또는 마이크로 탐침(600)과의 접합성을 고려하여 선택될 수 있다. 즉, 도전층(500)은 ITO, IZO 또는 AZO 등의 도전성 산화물로 구성될 수 있으며, 일반적인 금속으로 구성될 수 있다. 이외에도 상기 도전층(500)은 금속물의 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 텅스텐 또는 이의 합금으로 1차 도전층이 형성되고, 1차 도전층 상부에 금 또는 이의 합금으로 2차 도전층이 형성되어 적어도 2층의 도전물로 형성될 수도 있다.
도전층(500) 형성 후 도전층(500)의 일부를 제거하여 유전체 기판(200)의 표면 일부를 노출시킨다. 상기 도 16의 구조물에 포토레지스트를 도포하고 통상의 리소그래피 공정을 이용하여, 유전체 기판(200)의 표면 중 일부 표면을 오픈한다. 또한, 잔류하는 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 식각 공정을 수행한다. 이를 통해 유전체 기판(200) 상에 형성된 일부 도전층(500)은 제거된다. 따라서, 유전체층(200)의 일부 표면은 노출된다.
결국, 유전체 기판(200) 상에 형성된 각각의 마이크로 탐침(600)은 그 상부에 도포된 도전층(500)이 상기 연결부에 의해 정해진 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결된다. 비아 컨택(300)은 유전체 기판(200)을 관통하므로 유전체 기판(200)에 형성된 마이크로 탐침(600)은 유전체 기판(200)의 배면과 전기적으로 연결된다.
또한, 도전층(500)의 분리 공정을 통해 각각의 마이크로 탐침(600)들은 인접한 마이크로 탐침(600)과 전기적으로 절연된 상태를 유지할 수 있다. 이는 유전체 기판(200)을 관통하는 비아 컨택(300) 상에 배선 공정을 이용하여 개별적으로 마이크로 탐침(600)을 전기적으로 제어할 수 있음을 의미한다.
또한, 마이크로 탐침(600)의 높이는 마이크로 탐침(600) 간의 간격에 상관없이 높이 조절이 가능하다. 이는 본 발명에 따른 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 수행하여 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침(600) 제작이 가능함으로써, 마이크로 탐침(600) 간의 간격에 상관없이 탐침의 높이 조절이 가능하다. 즉, 제1 비등방성 식각에 의해 식각되는 깊이에 따라 마이크로 탐침(600)의 높이가 결정된다.
제2 실시예
도 17은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물을 도시한 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 탐침 구조물은 기판(100), 유전체 기판(200), 비아 컨택(300), 마이크로 탐침(600)을 포함하며, 기본적인 구성은 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 제1 실시예와 중복된 기재는 생략키로 한다.
상기 기판(100)상에 유전체 기판(200) 및 비아 컨택(300)이 형성된다.
제2 실시예에서는 제1 실시예와 달리 상기 유전체 기판(200)이 아닌 비아 컨택(300) 상에 마이크로 탐침(600)이 배치된다. 마이크로 탐침(600)은 비아 컨택(300) 상에 형성된 첨예부(401)와 기둥부(402) 및 첨예부(401)와 기둥부(402)의 표면의 일부 또는 전부에 형성된 도전층(500)을 포함한다.
첨예부(401)는 기둥부(402) 상부에 위치하며 뾰쪽한 형상을 가질 수 있다. 기둥부(402)은 비아 컨택(300) 상에 형성되며, 기둥부(402)의 높이는 제1 실시예와 같이 상기 기판(100)에서 상기 첨예부(401)가 제조되는 높이에 따라 변경될 수 있다. 형성되는 마이크로 탐침(600)의 높이는 기판(100)에서 첨예부(401)를 제조하는 식각 공정에 의해 식각되는 깊이에 따라 조절될 수 있다.
또한, 형성된 도전층(500)은 마이크로 탐침(600) 및 비아 컨택(300) 표면에 형성되며, 상기 마이크로 탐침(600)과 비아 컨택(300)은 서로 전기적으로 연결된다. 여기서, 유전체 기판(200) 표면은 상기 도전층(500)에 대해 노출되어 하나의 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결되는 마이크로 탐침(600)은 인접한 위치에 형성된 마이크로 탐침(600)과 전기적으로 분리될 수 있다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 탐침 구조물의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 제1 실시예의 도 10까지는 동일한 공정을 가진다. 따라서, 기판(100)에 유전체 기판(200)이 형성되고, 유전체 기판(200) 사이에 형성된 이격 공간은 비아 컨택(300)이 형성된다.
도 18을 참조하면, 기판(100)의 배면에 마스크층(103)을 형성하고, 마스크층(103) 상부에 포토레지스트 패턴(104)을 형성한다. 마스크층(103)의 재질과 포토레지스트의 패턴 방식은 제1 실시예와 동일 할 수 있다.
도 19를 참조하면, 포토레지스트 패턴(104)을 식각 마스크로 이용하여 노출된 마스크층(103)에 대한 식각을 수행하고, 식각을 통해 기판(100)의 일부가 노출되면 제1 비등방성 식각을 통해 기판(100) 배면을 소정 깊이까지 식각하여 기둥 상부(400)를 형성한다. 특히, 상기 제1 비등방성 식각은 제1 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 기판(100) 배면을 소정 깊이까지 식각함이 바람직하다.
상기 기둥 상부(400)는 제1 실시예와 달리 비아 컨택(300)과 동일한 위치에 형성된다. 또한, 상기 식각된 기둥 상부(400)의 높이에 따라 마이크로 탐침(600)의 높이가 결정될 수 있다. 즉, 제1 비등방성 식각에 의해 식각되는 깊이를 조절함에 따라, 형성되는 마이크로 탐침(600)의 높이 조절이 가능하다.
도 20을 참조하면, 제1 실시예와 같은 방식으로 하나 이상의 기둥 상부(400)에 대한 식각을 통해 기둥 상부(400)에 언더컷을 발생시킨다. 상기 제1 등방성 식각은 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있으며, 특히, 제1 등방성 식각은 제1 RIE(Reactive Ion Etching)공정을 이용하여 기둥 상부(400)를 식각할 수 있다.
도 21을 참조하면, 도 14와 동일하게 기판(100)을 제2 비등방성 식각하여 상기 하나 이상의 기둥 상부(400)와 일체가 되는 기둥 하부(430)들을 형성한다. 여기서, 제2 비등방성식각은 제2 DRIE 공정을 이용하여 식각함이 바람직하다. 따라서, 제2 DRIE 공정을 수행함에 따라 마스크층(103)에 의해 잔류하는 부위는 수직 프로파일을 가지는 기둥 하부(430)가 형성된다. 따라서, 제2 DRIE 공정에 의해 기둥 하부(430)의 기판의잔류된 부위가 모두 제거되고 기둥 하부(430)가 형성된다.
도 22를 참조하면, 도 15와 동일하게 기판의 제2 등방성 식각을 통해 첨예부(401) 및 기둥부(402)가 형성된다. 제2 RIE 공정이 수행됨에 따라 언더컷 상부구조(410)와 기둥 하부(430)의 잔류된 기판(100)이 모두 제거된다. 언더컷 상부구조(410)가 모두 제거됨으로써, 첨예부(401)가 형성되며, 기둥 하부(430)의 기판의 잔류된 부위가 모두 제거됨으로써 기둥부(402)가 형성된다. 또한, 기둥 하부(430)의 기판의 잔류된 부위가 모두 제거됨으로써, 유전체 기판(200) 및 비아 컨택(300)의 표면이 노출된다.
도 23을 참조하면, 마이크로 탐침(600)이 형성된 유전체 기판(200)의 일부 및 비아 컨택(300) 상에 도전층(500)을 형성한다. 따라서, 도전층(500)은 마이크로 탐침(600)의 전면을 감싸고, 마이크로 탐침(600) 사이에 노출된 유전체 기판(200) 표면을 도포하는 양상으로 형성된다. 또한, 도전층(500)은 비아 컨택(300)의 일부 노출된 표면상에도 형성된다. 따라서, 상기 도전층(500)은 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결된다.
도전층(500) 형성 후 구조물에 포토레지스트를 도포하고 통상의 리소그래피 공정을 이용하여 유전체 기판(200)이 형성된 영역을 오픈한다. 또한, 잔류하는 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 식각 공정을 수행한다. 이를 통해 유전체 기판(200) 상에 형성된 도전층(500)은 제거된다. 따라서, 마이크로 탐침(600)은 그 상부에 도포된 도전층(500)으로 인해 비아 컨택(300)과 전기적으로 연결되고, 각각의 마이크로 탐침(600)들은 인접한 마이크로 탐침(600)과 전기적으로 절연된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 마이크로 탐침(600)의 높이는 제1 실시예와 같이 마이크로 탐침(600) 간의 간격에 상관없이 높이 조절이 가능하다. 이는 본 발명의 따른 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 수행하여 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침(600) 제작이 가능함으로써, 마이크로 탐침(600) 간의 간격에 상관없이 탐침의 높이 조절이 가능하다. 즉, 제1 비등방성 식각에 의해 식각되는 깊이에 따라 마이크로 탐침(600)의 높이가 결정된다.
실험예
도 24 및 도 25는 본 발명의 실험예에 따른 실험 결과를 나타내는 이미지이다.
도 24를 참조하면, 도 24와 같이 마이크로 탐침을 제조하기 위해 마스크의 크기를 60μm로 하였고, 제1 DRIE 공정을 수행하여 50μm의 깊이로 기판을 식각하였으며, 제1 RIE 공정을 1min30sec x 3동안 수행하였다. 제2 DRIE 공정은 유전체 기판이 노출될 때 까지 진행하였으며, 제2 RIE 공정은 30sec 동안 수행하였다. 실험 결과 마이크로 탐침 간의 간격이 190μm인 마이크로 탐침의 높이가 150μm로 형성되어, 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침과 TGV(Through Glass. Via)가 성공적으로 결합된 것을 확인할 수 있다.
도 25를 참조하면, 도 25는 도 24의 마이크로 탐침 제조에서 제1 DRIE 공정에 따른 식각 깊이의 조건을 달리하여 실험한 실험 결과를 나타내는 이미지이다. 마스크의 크기는 60μm로 동일하게 하였고, 제1 DRIE 공정에 따라 기판이 식각되는 깊이를 110μm로 식각하였으며, 제1 RIE 공정은 1min30sec x 2동안 수행하였다. 제2 DRIE 공정은 유전체 기판이 노출될 때 까지 진행하였으며, 제2 RIE 공정은 30sec 동안 수행하였다. 실험 결과 마이크로 탐침 간의 간격이 190μm인 마이크로 탐침의 높이가 90μm로 형성되어, 제1 DRIE 공정에 의해 식각되는 깊이에 따라 마이크로 탐침의 높이를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 두 번의 DRIE 공정 및 RIE 공정을 이용하여 넓은 간격을 갖는 마이크로 탐침 제작이 가능하기 때문에 마스크 패턴의 간격 및 크기의 제한을 받지 않으며, 마이크로 탐침 간의 간격에 상관없이 탐침의 높이 조절이 가능함으로써, 적용하고자 하는 어플리케이션에 맞게 제작이 가능하다.
또한, 반도체 소자 제작 공정 기술을 이용하여 웨이퍼 단위의 공정이 가능하여 생산단가를 절감할 수 있고, 탐침의 높이 및 간격 조절이 용이하여 생체, 화학 센서분야 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 기판 200 : 유전체 기판
300 : 비아 컨택 400 : 기둥 상부
401 : 첨예부 402 : 기둥부
500 : 도전층 501 : 연결부
600 : 마이크로 탐침

Claims (9)

  1. 하나 이상의 비아홀을 가지는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상에 형성된 하나 이상의 마이크로 탐침;
    상기 하나 이상의 비아홀에 충진된 비아 컨택; 및
    상기 하나 이상의 탐침과 상기 비아 컨택을 연결하는 연결부;를 포함하는, 마이크로 탐침 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 상기 하나 이상의 비아홀 부위를 제외하고 리플로우되어(relowed) 충진된 글라스인 것인, 마이크로 탐침 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 탐침은:
    상기 기둥부;
    상기 첨예부; 및
    상기 기둥부와 상기 첨예부의 표면의 일부 또는 전부에 형성된 도전층;을 포함하는 것인, 마이크로 탐침 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기둥부의 높이는 상기 기판에서 상기 첨예부가 제조되는 깊이에 따라 변경되는 것인, 마이크로 탐침 구조물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도전층이 상기 연결부에 의해 정해진 비아 컨택과 연결된 것인, 마이크로 탐침 구조물.
  6. 마이크로 탐침 구조물의 제조방법으로서:
    (a) 기판의 일면 제1 비등방성 식각하여 각각 탐침이 될 소정 높이를 가지는 하나 이상의 기둥 상부를 형성하는 단계;
    (b) 제1 등방성 식각을 통해 상기 하나 이상의 기둥 상부에 언더컷을 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 기판을 제2 비등방성 식각하여 상기 하나 이상의 기둥 상부와 일체가 되는 기둥 하부들을 형성하는 단계;를 포함하는, 마이크로 탐침 구조물의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 상기 언더컷에 의해 상기 하나 이상의 기둥 상부는 언더컷 상부구조와 하부구조를 갖게 되고,
    상기 언더컷 상부구조를 제거하는 단계를 더 진행하는 것인, 마이크로 탐침 구조물의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단계 (a) 전에 수행되는, 상기 기판의 타면 측에 하나 이상의 비아 컨택을 가지는 유전체 기판을 형성하는 것을 더 포함하는, 마이크로 탐침 구조물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유전체 기판을 형성하는 것은:
    상기 기판의 타면을 식각하여 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥을 형성하는 단계;
    글라스를 리플로우하여 상기 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥들 사이를 채우는 단계;
    상기 하나 이상의 비아홀을 위한 기둥을 제거함으로써 하나 이상의 비아홀을 형성하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 비아홀에 비아 컨택을 충진하는 단계;를 포함하는 것인, 마이크로 탐침 구조물의 제조방법.
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