KR20220090517A - 레이저 지원 재료 상변화 및 배출 마이크로 가공 방법 - Google Patents

레이저 지원 재료 상변화 및 배출 마이크로 가공 방법 Download PDF

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Abstract

재료를 용용하여 기화시키기 않고 액체 재료를 배출하도록 강도, 펄스 폭 및 펄스 속도가 설정된 펄스 레이저를 사용하여 재료 조각의 커팅 표면에 피쳐를 커팅하는 LAMPE(레이저 지원 재료 상변화 및 배출)라고 불리는 마이크로 가공 방법을 개시한다. 실리콘의 경우 배출 가능한 실리콘 산화물을 생성한다. 일반 전해연마 전위보다 높은 전위를 사용하여 묽은 산 용액으로 커팅 표면을 전기 디버링하여 커팅 표면에서 버(Burr)를 제거한다. MALL(레이저 미세 가공 라미네이트)의 다중 라미나 어셈블리는 MEMS를 사용할 수 있다. MALL 공정에서는 먼저 LAMPE 미세 가공 공정을 사용하여 MEMS(micro-electromechanical system)의 개별 레이어를 제작한다. 다음으로, 제작된 미세구조 라미네이트를 스택 어셈블링하고 접합하여 MEM 시스템을 제작한다. MALL MEMS 제조 프로세스는 더 큰 재료 섹션 및 통합, 더 큰 설계 유연성, 저비용 제조, 신속한 개발 및 통합 패키징을 가능하게 한다.

Description

레이저 지원 재료 상변화 및 배출 마이크로 가공 방법
본 발명은 일반적으로 MEMS(Micro-Electromechanical Systems) 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저 지원 마이크로 가공 방법(laser-assisted micro-machining process)에 관한 것이다.
이 출원은 2019년 11월 8일에 출원된 미국 임시특허 출원 번호 62/932,914와 관련되어 있으며 우선권을 주장한다.
마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)은 의료, 소비자 전자 제품, 자동차 및 에너지와 같은 분야에서 많은 응용 분야를 가지고 있다. 그러나 새로운 MEMS 장치의 개발은 MEMS를 제조하는 데 사용되는 리소그래피 기반 마이크로 가공 공정의 몇 가지 제한 사항으로 인해 크게 방해를 받아왔다. 첫째, 이러한 프로세스는 포토리소그래피 시스템(photolithography systems), 마스크 정렬기(mask aligners), 증착 및 에칭 도구와 같은 값비싼 마이크로 가공 도구에 대한 액세스가 필요하다. 또한, 이러한 프로세스는 프로세스 개발 시간이 길다. 리소그래피 기반 마이크로 가공 공정과 관련된 높은 장비 소유 비용과 긴 개발 시간으로 인해 연구 개발 및 소량 MEMS 생산에 적합하지 않다.
둘째, 제조 재료는 실리콘 및 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물과 같은 관련 재료로 크게 제한된다. 제조 재료 선택의 제한은 설계 및 제조할 수 있는 MEM 시스템의 다양성을 제한한다. 예를 들어, 자성 MEMS(magnetic MEMS)는 잠재적으로 고강도, 극성 및 긴 작동 거리와 같은 정전기/압전 액추에이터에 비해 뚜렷한 이점을 가질 수 있다. 그러나 자성 MEMS를 제조하는 것은 리소그래피 기반 MEMS 제조 공정과 자성 재료의 비호환성으로 인해 어렵다[1]. 또한, MEMS 장치의 성능은 제한된 제조 재료 선택으로 인해 손상된다. 예를 들어, 스프링 강은 MEMS용 고성능 마이크로 스프링을 만드는 데 탁월한 선택이지만 스프링 강은 리소그래피 기반 MEMS 제조 공정과 호환되지 않기 때문에 일반적으로 실리콘이 사용된다.
마지막으로 MEMS 설계 및 제조 과정에서 다양한 재료와 해당 제조 프로세스를 통합하는 것이 가장 어려운 작업인 경우가 많다[2]. 리소그래피 기반 제조 공정에서 MEM 시스템은 재료의 연속적인 증착 및 패터닝에 의해 모놀리식 방식(monolithic fashion)으로 제조된다. 각 재료 층은 이전에 증착된 재료와 호환되어야 하는 고유한 프로세스를 사용하여 증착되고 패턴화 된다. 그러나 이러한 공정을 통합하는 것은 재료 비호환성, 열적 제약(예: 고분자 부품은 LPCVD 실리콘 증착과 같은 고온 처리 단계를 거칠 수 없음) 및 중간 구조의 기계적 안정성으로 인해 어렵다. 요약하면, 기존의 리소그래피 기반 MEMS 제조 공정은 비용이 많이 들고 제조 재료의 선택이 제한적이며 다양한 재료의 통합이 어렵다.
레이저 마이크로 가공은 기존 마이크로 가공 공정에 대한 매력적인 대안이다. 그러나 MEMS 제조에 레이저 마이크로 가공의 적용은 드릴 구멍[1], [2], 밀링 미세 트렌치[3] 및 밀리미터 규모 구조[3]-[5]로 제한되었다. 이러한 응용의 한계는 레이저 마이크로 가공 방법의 두 가지 제한 사항으로 인한 것이다.
첫째, MEMS를 제조하려면 측면 피쳐 크기(lateral feature size)가 작은(일반적으로 10㎛ 이하) 높은 종횡비(aspect ratio)(일반적으로 10:1 이상) 미세구조를 제작해야 한다. 그러나 레이저 마이크로 가공은 종횡비가 낮고 피쳐 크기가 큰 구조를 생성한다. 따라서 레이저 미세가공의 적용은 직경이 40~50마이크로미터 정도인 낮은 종횡비의 구멍이나 패터닝 표면을 천공하는 것으로 제한되었다.
둘째, 레이저 마이크로 가공 부품은 가공 부품 주변의 마이크로 버(burr)와 파편으로 인해 어려움을 겪는다. 이러한 결함은 수십 미크론 정도이므로 이러한 레이저 마이크로 가공 부품은 MEMS 제조에 적합하지 않다. 섬세한 MEMS 미세 구조 부품에서 이러한 마이크로 버를 제거하는 것은 어려운 일이다. 초음파 처리 및 물리적 스크럽(physical scrub)과 같은 방법은 취약한 특성으로 인해 MEMS 구조에 실용적이지 않다. 버의 크기가 MEMS 부품의 크기와 같기 때문에 에칭 프로세스는 종종 버와 함께 MEM 구조를 용해시키는 결과를 낳는다. 이러한 이유로 레이저 마이크로 가공 공정은 버를 제거하기 위해 물리적 스크럽 또는 초음파 처리를 사용할 수 있는 패턴이 있는 표면, 구멍 및 트렌치와 같은 단단한 부품을 제조하는 데 주로 사용되었다.
높은 종횡비와 작은 측면 모양을 가진 마이크로 가공 부품을 생산하는 레이저 마이크로 가공 공정을 갖는 것은 매우 유리할 것이다. 또한 심층 반응성 이온 에칭(DRIE)과 같은 기존의 마이크로 가공 공정에 필적하는 깨끗한 부품을 생산하기 위해 레이저 마이크로 가공 부품의 버를 제거하는 전기 디버링 공정(electro-deburring process)을 갖는 것이 유리할 것이다.
본 발명은 레이저 지원 상변화 및 배출((laser-assisted material phase-change and expulsion)(LAMPE) 마이크로 가공이라고 하는 레이저 마이크로 가공 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 MEMS를 제조하기 위한 (레이저 미세가공 라미네이트의 다중 라미나 어셈블리)(multi-lamina assembly of laser-micro-machined laminates)(MALL)이라고 하는 새로운 MEMS 제조 공정에 관한 것이다. MALL 공정에서는 먼저 LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하여 MEMS(micro-electromechanical system)의 개별 레이어를 제작한다. 다음으로, 제작된 미세구조 라미네이트를 스택 어셈블링하고 접합하여 MEM 시스템을 제작한다. MALL MEMS 제조 프로세스는 더 큰 재료 섹션 및 통합, 더 큰 설계 유연성, 저비용 제조, 신속한 개발 및 통합 패키징을 가능하게 한다.
본 발명의 목적은 10:1만큼 큰 종횡비를 갖는 회절-제한 측면 피쳐를 생성하기 위한 레이저 지원 재료 상변화 및 배출(LAMPE) 미세가공 공정이라고 하는 레이저 미세가공 공정이다. 이러한 기능은 이전에는 기존의 레이저 마이크로 가공 공정을 사용하여 달성할 수 없었다.
본 발명의 다른 목적은 LAMPE 마이크로 가공 또는 레이저 마이크로 가공 금속 부품으로부터 마이크로 버를 제거하기 위한 전기 디버링 공정(electro-deburring process)이다. 이러한 마이크로 버(micro-burrs)는 레이저 마이크로 가공 중에 용융 금속이 응고되어 형성되며 이러한 부품이 MEMS(Micro-Electromechanical System) 제조에 적용되는 것을 방해한다. 개시된 공정 및 그 적용은 이러한 버를 제거하고 기존의 DRIE(심층 반응성 이온 에칭) 공정을 사용하여 생산된 부품에 필적하는 MEMS 제조에 적합한 깨끗한 부품을 생산한다. 마이크로-밀링 공정을 사용하여 생성된 금속 부품을 디버링하기 위한 전기 디버링 공정의 적용이 추가로 개시되어 있으며, 이로써 MEMS 제조에서의 적용도 가능하게 된다.
본 발명의 또 다른 목적은 작은 측면 형상과 높은 종횡비(10:1) 형상을 신속하게 생성하기 위해 실리콘 마이크로 가공을 위한 LAMPE 공정을 적용하는 것이다. 이 과정에서 레이저를 사용하여 실리콘을 산화(상변화 유도)하고, 부분적으로 기화된 실리콘에 의해 생성된 압력을 사용하여 새로 형성된 입상 실리콘 산화물을 제거한다.
본 발명의 또 다른 목적은 회절-제한 측면 피쳐(diffraction-limited lateral features) 및 초고 종횡비 피쳐(ultra-high aspect ratio features)를 생성하기 위한 다이아몬드 마이크로 가공을 위한 LAMPE 공정의 적용이다. 따라서 이 공정은 MEMS(Micro-Electromechanical) 시스템용 다이아몬드 부품을 제조하는 데 활용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 MEMS를 제조하기 위한 레이저 마이크로 가공 라미네이트의 다중 라미나 어셈블리(multi-lamina assembly of laser micro-machined laminates)(MALL)라고 하는 새로운 MEMS 제조 프로세스이다. 이 프로세스에서는 먼저 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 MEMS의 개별 레이어를 제작한다. 둘째, LAMPE 마이크로 가공 부품에서 마이크로 버를 제거하기 위해 전기 디버링 공정이 사용된다. 셋째, 개별 레이어를 스택 조립 및 접합하여 MEMS를 제작한다. 종종 선택적인 네 번째 단계는 희생층(sacrificial layer)을 용해하여 MEMS에서 독립형 미세 구조를 만드는 데 사용된다. 작은 피쳐와 높은 종횡비를 필요로 하지 않는 MEMS의 경우, 전기 디버링 공정과 함께 전통적인 레이저 마이크로 가공 공정을 사용하여 MEMS 층을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 MEMS의 대량 제조를 위해 MALL을 이용하는 롤-투-롤 MEMS 제조 공정(roll-to-roll MEMS fabrication process)이다. 이 공정에서 MEMS의 개별 레이어는 레이저 마이크로 가공을 사용하여 동시에 제작된다. 롤러 세트를 사용하여 이러한 레이어들은 함께 가져와져서 본딩되어 MEMS를 형성한다.
본 발명의 또 다른 목적은 LAMPE 미세가공 공정을 위한 도구 경로(toolpath)를 생성하는데 사용되는 포스트 프로세서(post-processor)이다. 이 포스트 프로세서는 LAMPE 마이크로 가공을 보장하기 위해 원하는 프로세스 변수와 설정 값을 포함하는 도구 경로 프로그램을 생성한다.
본 발명의 또 다른 목적은 LAMPE 마이크로 가공을 위한 초박형 금속 호일(10 마이크로미터 두께 미만)을 제조하는 방법 및 MEMS 제조에 적용하는 것이다. 이 공정에서 금속이 전착되는 기재 필름으로 수용성 필름을 사용한다. 금속 기판 필름을 레이저 마이크로 가공 및 적층하고 수용성 필름을 제거하여 MEMS를 제작한다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 SOI(silicon-on-insulator) 기판에 MEMS를 제조할 때 LAMPE 마이크로 가공 공정을 적용하는 것이다. 이 공정에서는 먼저 SOI 웨이퍼의 소자층을 패터닝하기 위해 LAMPE 마이크로 가공이 사용된다. 다음으로, 매립된 산화물은 불화수소산(HF) 에칭을 사용하여 용해되어 독립형 MEMS 구조를 생성한다.
도 1a는 높은 종횡비 구조의 제조를 보여주는 LAMPE 마이크로 가공 공정의 개략도이다.
도 1b는 시트의 용융 영역을 강조한 이미지이다. 용융된 물질이 아래로 배출된다.
도 2a-2b는 PLA 및 LAMPE 마이크로 가공에서 생성된 측면 피쳐 크기(feature size)(FS)의 비교를 보여준다. 이 부품은 전기 디버링 공정을 사용하여 세척되었다. (a)는 펄스 레이저 절제(PLA) 마이크로 가공에서 생성된 측면 피쳐이고, (b)는 LAMPE 마이크로 가공에서 생성된 측면 피쳐이다.
도 3은 달성 가능한 최소 피쳐 크기를 보여주기 위해 LAMPE 미세가공을 사용하여 제작된 크레이터를 보여준다. 구멍의 지름은 5㎛이다.
도 4a-4b는 LAMPE 마이크로 가공 크레이터의 전기 디버링을 보여준다. (a)는 전기 디버링 전이고, (b)는 전기 디버링 후이다.
도 5a-5f는 재료 용융 및 배출을 확인하기 위해 다양한 피치 거리에 따른 펄스 노출을 보여준다. (a) & (b)는 피치 = 20㎛, (c) & (d)는 피치 = 10㎛, (e) & (f)는 피치 = 5㎛이다.
도 6a-6b는 LAMPE 마이크로 가공을 사용한 고종횡비 마이크로 가공을 보여준다. (a)는 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 100㎛ 두께의 구리 시트에 10㎛ 너비의 미세 슬릿을 제작했고. (b)는 마이크로 슬릿의 치수를 보여주는 확대 이미지이다.
도 7은 재응고된 용융 배출물을 보여주는 LAMPE 마이크로 가공 구리판 뒷면의 SEM 이미지를 보여준다.
도 8은 인산에서 구리의 분극 곡선의 선행 기술 그래프이다.
도 9a-9b는 마이크로 버(micro burrs)를 제거하기 위한 LAMPE 마이크로 가공 부품의 전기 디버링을 보여준. (a)는 전기 디버링 전, (b)는 전기 디버링 후이다.
도 10a-10b LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 제작된 고종횡비 맞물린 핑거로, (a)는 맞물린 핑거를 보여주는 저배율 이미지, (b)는 10:1 종횡비를 보여주는 핑거 확대 이미지이다. 측면 형상 크기는 10㎛이다.
도 11a-11b는 20ns 길이의 레이저 펄스를 사용하는 실리콘의 PLA(pulsed laser ablation)를 보여준다. (a)는 5.6μJ 펄스에 의해 생성된 절제 프로파일로, 크레이터의 지름은 9.51㎛, 깊이는 3.29㎛이다. (b)는 56μJ 펄스에 의해 생성된 절제 프로파일로, 크레이터의 지름은 18.6㎛, 깊이는 6.8㎛이다.
도 12는 실리콘의 레이저 지원 산화를 보여주는 단면 이미지를 보여준다. 보여준 바와 같이, 레이저 지원 산화는 효과적인 광학 침투 깊이를 상당히 증가시킬 수 있다.
도 13은 산화된 실리콘을 확인한 광학현미경 사진이다. 삽입된 도에 표시된 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 이미지는 산화규소의 존재를 추가로 확인한다.
도 14a-14b는 실리콘의 LAMPE 미세가공을 사용하여 제작된 고종횡비 미세구조의 예를 보여준다. (a)는 조작된 맞물린 핑거 구조를 보여주는 저배율 이미지, (b)는 핑거 사이의 거리를 보여주는 고배율 이미지이다.
도 15a-15b 및 도 16은 다중 라미나 어셈블리의 개략도를 보여준다.
도 17a-17b는 콤-드라이브 액추에이터(comb-drive actuator)의 개략도를 보여준다. 디자인 매개변수를 보여준다.
도 18a-18b는 구리의 LAMPE 마이크로 가공을 사용한 콤-드라이브 장치 레이어의 제조를 보여준다. (a)는 LAMPE 마이크로 가공 부품에 존재하는 마이크로 버를 보여주는 광학 현미경 이미지, (b)는 핑거 사이에 존재하는 마이크로 버를 보여주는 확대 이미지이다. 이러한 버로 인해 두 핑거 세트 사이에 단락이 발생한다.
도 19a-19b는 핑거 사이의 마이크로 버를 제거하기 위한 LAMPE 마이크로 가공 콤 드라이브 구조의 전기 디버링을 보여준다. (a)는 전기 디버링 전, (b)는 깨끗한 빗살 모양 핑거를 보여주는 전기 디버링 후이다.
도 20은 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 제작된 콤 드라이브 액추에이터의 레이어를 보여준다. 소자는 구리층을, 기판층은 산화알루미늄층을 사용하였다.
도 21a-21b에서 (a)는 콤 드라이브 액추에이터의 조립 및 접합 레이어를 보여주고, (b)는 레이저 절단을 사용하여 적층된 층에서 잘라낸 장치이다.
도 22는 제작된 콤 드라이브 액추에이터의 SEM 이미지를 보여준다.
도 23A-23B는 제작된 콤 드라이브 액추에이터의 특징을 보여준다. (A) 정전기 빗살 사이의 거리는 10㎛이다. (B) 마이크로빔의 폭은 20㎛이다.
도 24a-24b는 레이저 미세가공을 사용하여 실리콘에서 2.5D 구조를 제작하는 것을 보여준다. (a) 레이저 미세가공을 사용하여 패턴화된 실리콘 질화물 마스크 레이어이고, (B)는 2.5D 구조를 제작하기 위한 KOH 이방성 에칭이다.
도 25a-25b는 마이크로 밀링 후 2.5D 구조의 제작을 보여준다. (a) 마이크로 밀링 후 전기 디버링을 사용하여 제작된 정사각형 리세스. 이 방법을 사용하여 100㎛ 정도의 작은 피쳐 크기를 제작할 수 있다. (b) 마이크로 밀링 방법은 리세스 깊이에 대한 높은 수준의 제어를 제공한다. 도는 깊이 5㎛, 10㎛ 및 15㎛로 제작된 리세스를 보여준다.
도 26은 견고한 프레임을 사용하여 초박형 금속박을 레이저로 미세가공하고 조작하는 방법을 보여준다. 첫째, 창은 단단한 프레임에 마이크로 가공되고, 다음으로 이 프레임에 10㎛의 얇은 금속 호일을 적층하고, 마지막으로 레이저 마이크로 가공을 수행하여 미세 구조를 만든다.
도 27은 12.5㎛ 두께의 접착층을 사용하여 제작된 기판과 프리스탠딩 구조 사이의 12.5㎛ 간격을 보여준다.
도 28은 집속된 레이저 빔의 강도 프로파일을 보여준다. 빔 스폿 직경은 I0 = 21.2㎿/㎠이다.
도 29는 MALL MEMS 제작 프로세스에 대한 프로세스 흐름도를 보여준다.
도 30은 개별 MEMS 레이어의 제작을 보여준다.
도 31은 레이어 재료에 따른 LAMPE 마이크로 가공 공정을 결정하는 데 사용되는 흐름도를 보여준다.
도 32는 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 금속 층을 제조하는 데 사용되는 순서도를 보여준다.
도 33은 실리콘의 마이크로 가공에서 LAMPE를 사용하기 위한 순서도를 보여준다.
도 34a-34d에서 (a)는 정렬 핀을 사용한 개별 라미나 시트의 미세 조립을 보여준다. (b)는 정렬 구멍 내부에 삽입된 정렬 핀, (c)는 정렬 핀과 정렬 구멍 사이의 간격, (d)는 정렬된 정렬 마크의 SEM 이미지로 2㎛까지 정렬 정확도를 보여준다. 삽입 부분은 마크 정렬의 검은 조명 광학 이미지를 보여준다.
다수의 도면이 본 발명의 이해를 돕기 위해 도시되어 있지만, 본 발명의 보호범위는 이들 도면에 도시된 것으로 한정되지 않는다.
1. 레이저 지원 재료 상변화 및 배출(LAMPE) 마이크로 가공
1.1 소개
금속을 사용하여 MEMS 제조를 가능하게 하는 것은 광범위한 기계적 및 전기적 특성을 제공하기 때문에 유리하다. 또한, 이러한 특성은 합금 공정에 의해 조정될 수 있다. 금속을 사용하여 MEM 시스템을 제작할 수 있는 능력은 MEMS 설계에 새로운 패러다임을 제공한다. 또한 MEMS 제조에 사용되는 금속박(metal foils)은 비용이 저렴하고 롤 성형 공정을 사용하여 제조하기 쉽다[61]. 불행히도, 기존의 습식 및 건식 에칭 공정은 등방성이며 MEMS를 만드는 데 필요한 높은 종횡비의 미세 구조를 제조하는 데 적합하지 않다.
거시적 규모에서 레이저는 금속판 절단에 널리 사용된다. 이 과정에서 레이저를 사용하여 금속을 녹이고 고압 에어 제트를 사용하여 용융 물질을 배출한다. 그러나 고압 제트는 레이저 마이크로 가공 구조의 섬세한 특성으로 인해 마이크로 스케일에서 사용할 수 없다. 이러한 이유로 레이저 마이크로 가공은 기화를 사용하여 재료를 제거한다. 그러나 기화 공정은 일반적으로 낮은 종횡비의 마이크로 가공을 초래한다.
기화를 이용한 펄스 레이저 절제 마이크로 가공에서 낮은 종횡비는 여러 가지 이유 때문이다. 첫째, 절제 프로세스 동안, 기화된 재료는 절제 영역 위에 플라즈마를 생성한다. 이 플라즈마는 레이저 광을 흡수하여 절제에 사용할 수 있는 에너지를 줄인다. 절제 크레이터의 깊이가 증가함에 따라 플라즈마에 의한 레이저 흡수가 중요해지고 대상에 사용할 수 있는 레이저 에너지가 더 이상 재료를 처리하기에 충분하지 않다. 이 현상은 PLA 레이저 마이크로 가공 공정을 사용하여 달성할 수 있는 마이크로 가공의 최대 깊이를 제한한다.
또한 종횡비는 재료의 광학적 침투 깊이에 따라 달라진다. 금속의 경우 흡수 계수 α > 105㎝-1[55] 및 광학 침투 깊이 1/α은 수 나노미터 정도이다. 따라서 일반적인 레이저의 경우 레이저 에너지가 표면의 매우 얇은 층에 국한되어 레이저가 표면 열원으로 작용한다. 등방성 열전도로 인해 금속의 표면 가열로 인해 모든 방향에서 동일한 온도 구배가 발생하여 약 1:1의 애블레이션 프로파일(ablation profile) 종횡비가 생성된다. 그러나 가우시안 강도(Gaussian intensity)의 레이저의 특수한 경우 분포는 가우시안 빔의 중심에서 높은 강도로 인해 너비보다 더 큰 애블레이션 프로파일의 깊이를 초래한다.
마지막으로, 재료 기화는 또한 제거된 영역 주변에 큰 용융 풀(melt-pool)을 생성한다. 이 용융된 물질은 고압의 탈출 증기에 의해 이동되어 절제 영역의 폭이 증가한다.
1.2 LAMPE 마이크로 가공
본 발명은 재료의 광학적 침투 깊이 및 열 확산 길이를 상당히 초과하는 높은 종횡비 구조를 생성하기 위한 레이저 마이크로 가공 재료 시트에 대한 새로운 접근 방식에 관한 것이다. 이 접근 방식은 LAMPE(레이저 지원 재료 상변화 및 배출) 프로세스를 활용하여 작은 측면 피쳐를 유지하면서 높은 종횡비를 달성한다. 이 과정에서 저에너지 레이저 출력을 사용하여 먼저 재료의 상변화를 유도한 다음 재료의 부분 기화로 인해 레이저-재료 계면에서 형성된 증기 기포에 의해 생성된 압력을 사용하여 변경된 재료를 배출한다.
배출된 액체 금속은 LAMPE 마이크로 가공 부품의 가장자리에서 다시 응고된다. 이들 재응고된 액체 금속 버는 그 다음 여기에 개시된 전기 디버링 공정을 사용하여 제거될 수 있다. 이 공정은 LAMPE 마이크로 가공 부품의 치수에 큰 영향을 미치지 않으면서 버를 선택적으로 전기화학적으로 에칭하기 위해 날카로운 버와 가장자리에서 높은 전류 밀도를 활용한다. 작은 측면 피쳐를 가진 높은 종횡비 구조가 필요하지 않은 MEM 시스템의 경우 전기 디버링 공정과 함께 기존의 PLA(펄스 레이저 절제) 마이크로 가공을 MALL MEMS 제조에 사용할 수 있다. 전기 디버링 공정은 섹션 1.5.1에 설명되어 있다. LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하여 회절 제한 스폿 크기보다 작은 측면 피쳐 크기 및 레이저 빔의 광학 침투 깊이를 훨씬 초과하는 초 심충 구조를 제조할 수 있다.
레이저 지원 재료의 상변화 및 배출 프로세스를 달성하려면 레이저 출력을 신중하게 설정해야 한다. 이 수준 미만의 레이저 출력은 재료의 부분적인 기화를 초래하지 않으며 배출도 발생하지 않는다. 이 레벨보다 높은 레이저 출력은 큰 용융 풀(melt-pool)과 완전한 기화를 생성하여 피쳐 크기를 증가시킨다.
LAMPE 마이크로 가공은 금속, 실리콘 및 다이아몬드와 같은 광범위한 재료에 사용할 수 있다. 금속 시트의 LAMPE 마이크로 가공에서 먼저 레이저 빔을 사용하여 재료를 용융(즉, 상변화 유도)한 다음 액상 금속을 시트 후면을 통해 배출한다. 결과적으로 회절 제한 스폿 크기만큼 작고 초점이 맞춰진 빔의 레일리(Rayleigh) 길이만큼 깊은 피쳐를 생성한다. 이러한 작은 피쳐 크기와 높은 종횡비는 재료를 제거하기 위해 기화를 사용하는 기존의 레이저 마이크로 가공을 사용하여 달성할 수 없다.
유사하게, 실리콘의 LAMPE 마이크로 가공에서 저에너지 레이저 펄스는 실리콘을 산화시키는 데 사용된(즉, 상변화 유도). 새로 형성된 실리콘 산화물은 낮은 흡수 계수로 인해 레이저 광을 투과하여 그 아래에 있는 실리콘을 추가로 산화시켜 실리콘의 광학적 침투 깊이를 훨씬 넘어서는 산화를 가능하게 한다. 형성된 실리콘 산화물은 재료의 부분적 기화로 인해 레이저-재료 계면에서 형성된 증기 기포에 의해 생성된 압력을 이용하여 웨이퍼 후면을 통해 세분화되고 배출된다.
마찬가지로 다이아몬드의 LAMPE 마이크로 가공에서는 먼저 레이저를 사용하여 다이아몬드를 그라파이트로 변환(즉, 상변화 유도)한 다음 그라파이트를 이산화탄소로 산화시켜 새로 형성된 그라파이트를 제거한다. 다이아몬드의 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 다이아몬드의 매우 높은 종횡비 가공이 달성된다.
LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하면 측면 피쳐가 1㎛만큼 작고 종횡비가 최대 20:1인 버가 없는 부품을 제조할 수 있다. 이러한 피쳐는 DRIE(심층 반응성 이온 에칭)와 같은 기존의 리소그래피 기반 마이크로 가공 공정을 사용하여 생성된 피쳐와 비교할만하다. LAMPE 마이크로 가공 방법은 Rayleigh 길이가 재료의 광학 침투 깊이를 훨씬 초과하기 때문에 빔의 회절 제한 스폿 크기 및 종횡비보다 작은 측면 피쳐 크기를 초래할 수 있다.
LAMPE 마이크로 가공 공정은 레이저 절제 마이크로 가공보다 몇 가지 장점이 있다. 첫째, LAMPE 마이크로 가공에 필요한 레이저 출력은 기화를 사용한 레이저 마이크로 가공에 필요한 출력보다 훨씬 낮다. 낮은 전력 요구 사항은 용융 엔탈피가 기화 엔탈피보다 작기 때문이다. 또한, 도 1A-1B에 표시된 증기 플라즈마의 부재는 레이저 흡수를 일으키지 않으며 전체 레이저 출력을 재료 처리에 사용할 수 있다. 둘째, 용융 중 재료에 가해지는 열적 및 기계적 충격은 기화 중에 재료에 가해지는 열적 및 기계적 충격이 적다. 결과적으로 LAMPE 마이크로 가공에서의 열영향부(heat-affected zone)(HAZ)는 기화에서의 HAZ보다 작다.
1.3 PLA와 LAMPE 마이크로 가공의 차이점
펄스 레이저 어블레이션을 이용한 기존 레이저 마이크로 가공과 LAMPE 마이크로 가공 공정의 차이점은 다음과 같습니다.
(1) 기존의 PLA(pulsed laser ablation) 미세 가공에서는 기화를 이용하여 물질을 제거하고 레이저 미세가공 후 타겟의 질량을 줄였다. 그러나 LAMPE 마이크로 가공 공정에서는 금속이 녹고 레이저-재료 계면에서 형성된 증기 기포에 의해 생성된 압력을 사용하여 액체-금속이 시트 후면을 통해 배출된다. 이 배출된 액체 금속은 마이크로 가공 부품의 가장자리에서 다시 응고된다. 따라서 타겟의 질량은 변하지 않는다. LAMPE 마이크로 가공에서 재료는 전기 디버링 공정을 사용하여 제거된다.
(2) 기화 엔탈피가 용융 엔탈피보다 높기 때문에 PLA 마이크로 가공에 필요한 레이저 플루언스가 LAMPE 마이크로 가공 공정에 필요한 레이저 플루언스보다 높다. LAMPE 마이크로 가공을 위한 낮은 플루언스 요구사항은 레이저 소스의 비용을 상당히 줄여준다.
(3) 기존 PLA 레이저 마이크로 가공 공정은 펄스 조사 지점을 중첩하여 래스터 스캐닝(raster scanning)하여 2.5D 구조를 제작하는 데 사용할 수 있다[62][63]. 그러나 LAMPE 마이크로 가공 공정은 재료 시트를 마이크로 가공하는 데 국한된다.
(4) PLA 마이크로 가공은 절제 영역 주변에 큰 용융 풀(melt-pool)이 형성되기 때문에 회절 제한 스폿 크기보다 큰 측면 피쳐를 생성한다. 그러나 섹션 3.4에서 볼 수 있듯이 LAMPE 마이크로 가공은 회절 제한 스폿 크기만큼 작은 측면 피쳐를 생성할 수 있다. 도 2는 PLA 및 LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하여 생성된 측면 피쳐 크기를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, PLA 마이크로 가공에서 생성되는 최소 피쳐 크기는 28㎛이고 LAMPE 마이크로 가공 공정에서 생성되는 피쳐 크기는 8μm이다.
(5) 기존의 레이저 마이크로 가공에서 기화된 재료는 절제 영역 위에 플라즈마를 생성한다. 이 플라즈마는 레이저 빔을 흡수하여 기화에 사용할 수 있는 에너지를 줄이고 도달 가능한 마이크로 가공 깊이를 제한한다. 대조적으로, LAMPE 마이크로 가공에서는 증기 플라즈마가 형성되지 않으며 종횡비는 레이저 빔의 레일리(Rayleigh) 길이에 의해서만 제한된다.
1.4 LAMPE 마이크로 가공의 측면 피쳐 크기
달성 가능한 최소 기능 크기는 집중된 빔 스폿 크기와 레이저 펄스 지속 시간에 따라 다르다. 기존의 펄스 제거 공정에서 재료는 기화를 통해 제거되어 재료 격자에 큰 용융 풀(melt-pool), 플라즈마 플룸(plasma plume) 및 열 충격(thermal shock)이 발생하다. 결과적으로 최소 피쳐 크기는 이론적 한계보다 훨씬 크다[64][65][66][62]. 그러나 레이저 지원 재료 상변화 및 배출(LAMPE) 마이크로 가공을 사용하면 이론적 한계에 필적하는 피쳐 크기를 달성할 수 있다. 또한 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 이전보다 훨씬 높은 종횡비를 달성할 수 있다.
도 3은 10마이크로미터 빔 스폿 크기가 사용될 때 LAMPE 마이크로 가공 방법을 사용하여 5㎛의 최소 달성 가능한 피쳐 크기를 보여준다. 이 피쳐는 구리 타겟에 파장 532㎚ 및 펄스 지속 시간 20㎱의 단일 펄스 레이저를 조사하여 생성된다. 펄스 에너지는 5.6μJ 이며, 이는 외부 감쇠기를 사용하여 561μJ 의 원래 펄스 에너지를 그것의 1% 값으로 줄여 설정한 것이다. 구리 타겟의 반사율, R = 0.47; 따라서 재료 가공에 사용할 수 있는 유효 에너지는 3.2μJ이다. 개구수 NA = 0.65인 현미경 대물렌즈를 사용하여 레이저 빔의 초점을 맞춘다. 집중된 빔 스폿 직경은 1 1㎛이며 가우스 분포 중심에서 최대 강도를 I 0 = 71.5GW/㎠로 제공한다. 표 1은 LAMPE 마이크로 가공 공정에 사용된 레이저 조건을 요약한 것이다.
[표 1] LAMPE 마이크로 가공을 위한 레이저 매개변수
Figure pct00001
레이저가 재료를 녹이고 배출하는 데 사용되기 때문에 LAMPE 마이크로 가공에서 작은 피쳐 크기가 가능하므로 펄스 어블레이션 공정에 존재하는 기화의 단점이 제거된다. 배출된 액체 금속은 구멍 가장자리에서 다시 응고되고 이 작업(섹션 1.5.1)에서 개발된 전기 디버링 공정을 사용하여 제거할 수 있다. 도 3-4는 재응고된 금속을 제거하기 전과 제거한 후의 LAMPE 가공 구멍을 보여준다.
재료가 대부분 녹고 부분적으로만 기화된다는 점에 유의해야 한다. 이 가설은 다양한 피치 거리로 일련의 도트 어레이 가공(dot array machining)을 수행함으로써 경험적으로 검증될 수 있다. 도 5a-5f는 20㎛, 10㎛ 및 5㎛의 피치 거리에서 마이크로 가공된 도트 어레이를 보여준다. 도 5A에서 가공된 점은 멀리 떨어져 있고 녹은 금속은 강제로 위쪽으로 배출되어 크레이터를 만든다. 도트 패턴이 겹침에 따라 재료를 제거하기 위한 증발을 포함하는 펄스 레이저 삭마 공정(the pulsed laser ablation)은 오목한 부분 또는 2.5D 미세가공을 초래한다[63]. 그러나 LAMPE 마이크로 가공 공정은 도 5C와 같이 재응고된 슬래그(slag)를 생성한다. 이 슬래그는 단순히 녹은 물질의 이동과 점들이 겹쳐질 때 재응고되어 형성된다. 이러한 발견은 LAMPE 미세가공 공정에서 기화가 최소화되고 미세가공 공정이 액체-금속 배출에 의해 지배된다는 것을 확인시켜준다.
1.5 LAMPE 고종횡비 미세가공
이전 섹션에서 짧은 레이저 펄스를 사용하여 재료를 녹이고 부분적으로 증발시키고 배출할 수 있음을 확인했다. 분석 모델은 공정 개발과 함께 레이저 지원 용융 및 배출을 달성하는 데 필요한 펄스 지속 시간 및 임계 펄스 에너지 E LAMPE를 경험적으로 추정하는 데 사용할 수 있다.
도 1a-1b는 높은 종횡비(HAR) 구조를 제조하기 위해 LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하는 개략도를 보여준다. 높은 종횡비 가공은 레이저 펄스를 사용하여 라미네이트의 수직면을 점차적으로 녹이고(도 1b 참조) 아래쪽으로 밀어냄으로써 달성된다. 레이저 펄스 에너지는 녹고 배출되며 기화되지 않는 것을 보장하기 위해 E LAMPE로 설정된다. LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용한 금속판의 고종횡비(HAR) 가공은 거시적 규모에서 사용되는 두꺼운 금속판의 레이저 절단과 유사하다. 거시적 규모의 금속 레이저 절단에서는 레이저를 사용하여 금속을 녹이고(기화하지 않음) 고압 공기 분사를 사용하여 녹은 물질을 배출하다. 그러나 LAMPE 마이크로 가공 공정에서는 재료의 부분적인 기화로 인해 레이저-금속 계면에 형성된 증기 기포에서 발생하는 압력에 의해 금속이 사출된다. 배출된 물질은 도 7과 같이 시트 뒷면에서 다시 응고된다.
도 6a-6b는 100㎛ 두께의 구리 시트에 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 제작한 10㎛ 너비의 미세 경광부(wide micro-slights)를 보여준다. 고종횡비(HAR) 구조는 외부 감쇠기를 사용하여 원래의 펄스 에너지 561μJ을 10% 값으로 줄여 설정한 56μJ의 펄스 에너지를 사용하여 제작된다. 구리 타겟의 반사율, R = 0.47; 따라서 재료 가공에 사용할 수 있는 유효 에너지는 32μJ이다. 레이저 빔은 100mm 초점 거리 렌즈를 사용하여 집속되며 집속된 빔 스폿 직경은 12.98㎛이다. [표 2]는 LAMPE 마이크로 가공 공정에 사용된 레이저 조건을 요약한 것이다.
LAMPE 마이크로 가공 공정에서 배출된 금속은 마이크로 가공 부품의 가장자리에서 재응고되어 마이크로 버(micro-burrs)를 생성하다. 도 7은 마이크로 버를 표시하는 LAMPE 마이크로 가공 동판 뒷면의 SEM 이미지를 보여준다. 이러한 마이크로 버는 MEMS 제작에 적합하도록 레이저 마이크로 가공 부품에서 제거되어야 한다. 다음 섹션에서는 이러한 마이크로 버를 제거하기 위해 개발된 전기 디버링 공정에 대해 설명한다.
[표 2] LAMPE 마이크로 가공 고종횡비(HAR) 피쳐에 대한 레이저 매개변수
Figure pct00002
1.5.1 LAMPE 마이크로 가공 금속층의 전기 디버링
LAMPE 마이크로 가공 공정은 높은 종횡비로 작은 측면 피쳐를 생성할 수 있다. 그러나 마이크로 가공 부품은 다시 응고된 마이크로 버로 인해 어려움을 겪는다. 이러한 버는 MEMS를 만드는 데 두 가지 어려움을 제기한다. 첫째, 일반적인 MEM 시스템에서 미세구조 부품은 서로 매우 가깝고(일반적으로 5㎛ ~ 10㎛ 정도), 종종 다른 전위로 유지된다. 예를 들어, 정전식 콤 드라이브 액츄에이터에서 빗살 핑거는 정전기 인력을 증가시키기 위해 서로 가깝게 유지되고 바이어스 전압이 핑거 사이에 인가된다. 돌출된 버는 이 핑거 사이에 전기 접촉을 생성할 수 있다. 둘째, 날카로운 금속 돌출부는 전계 배출 전자를 생성하여 공기의 유전 파괴를 일으켜 MEM 시스템에 손상을 줄 수 있다[69].
MEMS 미세구조에서 버를 제거하는 것은 두 가지 이유로 인해 어렵다. 첫째, 물리적 스크럽 및 연마 제트와 같은 거시적 디버링 공정은 크기가 작고 섬세한 특성으로 인해 MEMS 구조에 사용할 수 없다. 둘째, 거시적 규모에서 에칭 공정은 부품의 치수에 큰 영향을 미치지 않고 버를 에칭할 수 있다. 그러나 MEMS 부품에서 버(burr)와 피쳐(feature)는 동일한 오더(order)이며 이러한 방법은 부품의 상당한 에칭을 초래하다.
LAMPE 마이크로 가공 공정에서 생성된 버에는 두 가지 흥미로운 특성이 있다. 첫째, 이 버는 날카로운 특징과 넓은 표면적을 가지며 둘째, 마이크로 가공 부품의 가장자리에 위치한다. 버(Burr) 근처에서 전류밀도가 높은 이유는 첫째, 버가 날카로운 퍼처를 가지고 있고, 둘째, 버가 전류밀도가 높은 가장자리에 위치하기 때문이다. 그 결과, 전기장과 이용 가능한 물질 수송 속도가 버에서 높기 때문에 높은 에칭 속도가 발생한다. 전지 전압이 전해 연마 전압 이상으로 증가하면 버에서 에칭 속도가 크게 증가한다. 그러나 다른 영역의 에칭 속도는 에칭 속도의 포화로 인해 동일하게 유지된다. 이 현상을 이용하면 마이크로 부품의 치수에 큰 영향을 주지 않고 버를 선택적으로 에칭할 수 있다.
도 9a-9b는 5V에서 30초 동안 14M 인산에서 구리의 전기 디버링을 수행하는 것을 보여준다. 특정 응용 분야에서, 표면 산화를 방지하기 위해 전기 디버링 후 금을 전기도금할 수 있다. 도 3-11은 LAMPE 미세가공을 사용하여 제작된 높은 종횡비의 맞물린 핑거를 보여준다. 이러한 작은 피쳐와 높은 종횡비는 이전에는 DRIE(심층 반응성 이온 에칭)를 통해서만 달성할 수 있었다. 작은 측면 피쳐와 높은 종횡비가 필요하지 않은 MEMS의 경우 전기 디버링 공정과 함께 기존의 PLA(펄스 레이저 절제) 마이크로 가공을 MALL MEMS 제조에 사용할 수 있다.
1.6 실리콘의 LAMPE 마이크로 가공
실리콘은 MEM 시스템 제작을 위한 기계적 재료로 널리 사용된다[71]. 일반적으로 실리콘의 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)는 MEMS를 제작하는 데 사용된다[72]. 그러나 DRIE 도구는 고가이며 고가의 에칭 가스가 필요하다. LAMPE 마이크로 가공 공정은 고종횡비(HAR) 미세구조 실리콘 라미네이트 제조를 위한 매력적인 대안이다. 도 11a-11b는 실리콘의 펄스 레이저 삭마를 보여준다. 또한 MALL 프로세스와 함께 이러한 LAMPE 마이크로 가공 실리콘 라미네이트를 사용하여 MEM 시스템을 만들 수 있다.
LAMPE 공정에서 실리콘은 먼저 레이저를 사용하여 실리콘 산화물로 변환되고(즉, 상변화 유도), 다음으로, 실리콘의 부분적인 기화로 인한 실리콘 계면에 형성된 증기 기포로부터 발생된 압력을 이용하여 입상 실리콘 산화물이 웨이퍼 후면에서 배출된다.
실리콘에 산소 환경에서 저출력 레이저를 조사하면 삭마(ablation) 현상 없이 실리콘 산화물로 변환된다. SiO 2의 흡수 계수는 α < 1㎝-1[55]이다. 따라서 광학 침투 깊이는 lα > 1㎝이다. 실리콘 산화물의 흡수 계수가 낮기 때문에 새로 형성된 실리콘 산화물은 많은 비율의 레이저 에너지를 투과시켜 아래의 실리콘을 더욱 산화시킨다. 이러한 방식으로, 실리콘의 광학적 침투 깊이보다 훨씬 긴 고종횡비 구조가 산화될 수 있다. 도 12는 실리콘의 레이저 지원 산화를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 산화 길이는 광학 침투 깊이를 훨씬 초과한다. 실리콘의 산화는 도 13과 같이 광학현미경과 EDS(Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy) 이미지를 사용하여 확인할 수 있다.
웨이퍼의 바닥에 도달할 때까지 실리콘의 연속적인 산화가 발생한다. 산화된 실리콘은 과립 형태이며 실리콘 웨이퍼에 느슨하게 결합되어 있다. 결과적으로, 부분적으로 기화된 실리콘에 의해 생성된 작은 반동 압력(recoil pressure)은 웨이퍼 바닥에서 입상 실리콘 산화물을 밀어내기에 충분하여 결과적으로 마이크로 가공이 발생하다.
달성 가능한 최대 종횡비는 두 가지 요소에 의해 제한된다. 첫째, 산화된 규소는 입상 형태로 존재하고 입상 산화물의 유효 흡수 계수는 광 산란으로 인해 벌크 규소 산화물보다 크다. 둘째, 산화규소는 웨이퍼 바닥까지 산화가 도달한 경우에만 배출된다. 결과적으로 두꺼운 웨이퍼의 경우 웨이퍼 후면에 도달하기 전에 산화를 멈추기 위해 감쇠가 상당할 수 있으며 결과적으로 마이크로 가공이 발생하지 않는다. LAMPE 마이크로 가공의 종횡비는 HF 증기에서 마이크로 가공을 수행하여 추가로 증가할 수 있다. HF 증기는 기체 SiF 4를 형성하여 산화규소의 선택적 제거를 촉진할 수 있다.
도 14a-14b는 실리콘의 LAMPE 미세가공을 사용하여 제작된 고종횡비 미세구조의 예를 보여준다. (a)는 조작된 맞물린 핑거 구조를 보여주는 저배율 이미지, (b)는 핑거 사이의 거리를 보여주는 고배율 이미지이다.
2. MALL MEMS 제작
우리는 레이저 마이크로 가공 라미네이트(MALL)의 다중 라미나 어셈블리를 사용하여 MEMS를 제작하는 새로운 접근 방식을 개시한다. 도 15a-15b는 MALL 제작 프로세스의 개략도를 보여준다. 이 프로세스에는 두 단계를 구비한다. 첫째, MEMS의 개별 레이어는 레이저 마이크로 가공을 사용하여 제조된다. 둘째, 이러한 레이어는 스택 조립 및 결합되어 MEM 시스템을 구성하다. 이전 섹션에서는 LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용하여 미세 구조 층을 제조하는 방법을 설명했다. 이 섹션에서는 MEMS를 제작하기 위한 이러한 미세 구조 레이어의 다중 라미나 어셈블리 및 본딩에 대해 설명한다.
다웰 핀(dowel pins)과 정렬 구멍(alignment holes)을 사용한 라미네이트의 기계적 정렬은 정밀 매크로 제작에 널리 사용되며 미세 구조 라미네이트를 정렬 및 접합하는 데 사용된다. 도 16은 정렬 핀 및 정렬 구멍 조립 공정의 개략도를 보여준다. 이 방법을 사용하여 2.5㎛를 초과하는 정렬 정확도를 보여준다. 다중 라미나 조립 공정은 섹션 4-1에 설명되어 있다.
2.1 콤 드라이브 액츄에이터의 MALL 제작
MEMS 장치 제조에 MALL의 적용을 보여주기 위해 콤 드라이브 액추에이터의 제조가 제시된다. 콤 드라이브 액추에이터는 구조 재료로 구리를 사용하여 제작된다. 콤 드라이브 액추에이터는 서로 맞물린 빗살 구조가 광학 셔터[21], 마이크로 그리퍼[83], 마이크로 엔진[84], 가속도계[22], 공진기[23] 및 전기 기계 필터[24]와 같은 많은 MEM 시스템에서 필수적인 빌딩 블록이기 때문에 선택되었다. 구리를 사용하여 서로 맞물린 빗살 구조를 제작하는 능력은 이러한 MEM 시스템의 비용을 크게 줄일 수 있다. 게다가, 콤 핑거를 제조하는 것은 작은 측면 피쳐를 갖는 높은 종횡비 구조를 필요로 하기 때문에 도전적이다. 이전에는 리소그래피 기반 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 사용하여 실리콘만으로 비슷한 기능과 종횡비를 가진 빗살무늬 핑거를 제작할 수 있었다[28]. 그러나 본 발명의 공정은 LAMPE 미세가공 공정을 사용하여 금속으로부터 이러한 구조를 제조할 수 있다.
2.1.1 콤 드라이브 액츄에이터 설계
도 17a-17b는 콤 드라이브 액추에이터의 설계를 보여준다. 도 18a-18b는 콤 드라이브 장치 층의 제작을 보여준다.
2.1.2 콤 드라이브 액츄에이터 제작
콤 드라이브 액추에이터의 제작은 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 LAMPE 마이크로 가공 방법을 사용하여 장치의 개별 레이어를 제작하는 것이다. 도 19a-19b는 빗살형 장치 구조를 포함하는 LAMPE 마이크로 가공 구리 시트의 광학 현미경 이미지를 보여준다. 도 19a에서 볼 수 있듯이 마이크로 가공 부품은 탄소 침전물과 마이크로 버로 인해 어려움을 겪는다. 마이크로 버는 두 세트의 빗살 사이에 전기적 접촉을 일으키므로 제거해야 하다.
섹션 1.5.1.에서 설명된 전기 디버링 공정을 사용하여 마이크로 버는 제거된다. 전기 디버링(Electro-deburring) 공정은 인산에서 수행되며 LAMPE 마이크로 가공 부품을 양극으로 사용하고 다른 구리 시트를 음극으로 사용하다. 전기 디버링은 5V에서 30초 동안 수행된다. 도 19b는 마이크로 버를 제거한 후 빗살 모양 구조의 SEM 이미지를 보여준다.
100㎛ 두께의 산화알루미늄 시트를 마이크로 가공하여 절연 기판으로 사용한다. 산화알루미늄 기판을 미세가공하기 전에 50㎛ 두께의 stage-B 에폭시 접착 필름이 기판에 접착된다. 이 접착층은 나중에 구리 소자층을 산화알루미늄 기판층과 접합하는 데 사용된다. 도 20은 콤 드라이브 액추에이터의 제작된 레이어를 보여준다. 모든 레이어에 대해 정렬 구멍이 장치 구조와 함께 가공된다. 이러한 정렬 구멍은 이후에 다중 라미나 조립에 사용된다. 레이어(층)가 접합되면(도 21a), 레이저 절단을 사용하여 라미네이트 구조에서 장치를 잘라낸다(도 21b).
도 22는 제작된 콤 드라이브 액추에이터를 보여준다. 콤 드라이브 핑거 사이의 간격은 10㎛이고 빔 스프링의 두께는 20㎛이다(도 23a-23b). 핑거 사이의 간격은 구리 층의 두께를 줄임으로써 더 줄일 수 있다.
2.2 MALL MEMS 제작에 대한 논의
MALL 제작 프로세스의 다양한 측면이 아래에서 논의된다.
2.2.1 2.5D 구조 제작
기존의 마이크로 가공은 DRIE(심층 반응성 이온 식각) 및 이방성 습식 식각 공정[82][117]을 사용하여 MEMS 구조를 제작한다. 이러한 공정을 통해 에칭 깊이를 제어할 수 있으므로 2.5차원(2.5D) 구조를 제작할 수 있다. 그러나 LAMPE 마이크로 가공 공정은 마이크로 가공 레이어로 제한된다.
이러한 한계를 극복하기 위한 한 가지 접근 방식은 기존의 펄스 절제 레이저 마이크로 가공 공정을 사용하여 폴리머로 제작된 2.5D 구조를 사용하는 것이다. 또 다른 접근 방식은 레이저 마이크로 가공과 실리콘 이방성 에칭 공정을 통합하는 것이다. 이 접근 방식에서는 먼저 레이저 마이크로 가공을 사용하여 질화 규소 마스크 층을 제거한 다음(도 24a), 수산화 칼륨 에칭[2]을 수행하여 2.5D 구조를 생성한다(도 24b). 세 번째 접근 방식은 미세 밀링을 사용하는 것이다. 이어서 전기 디버링 공정(섹션 1.5.1)을 통해 2.5D 구조를 생성한다. 마이크로 밀링은 5㎛의 작은 수직 형상(피쳐)을 제공하다. 그러나 측면 방향에서 달성할 수 있는 최소 형상(피쳐)은 50㎛로 제한된다. 도 25a-25b는 다양한 깊이의 마이크로 밀링 2.5D 리세스를 보여준다.
MALL 공정에서 MEMS 구조는 얇은 재료 시트로 제작되고 수동으로 조립되거나 롤투롤(roll-to-roll) 적층된다. 일반적으로 두께가 20㎛ 이상인 호일은 수동 조립 및 롤투롤 적층 공정에 사용할 수 있다. 적층체의 두께가 감소함에 따라 이러한 초박형 적층체의 취급이 어려워진다.
두께가 20㎛ ~ 5㎛인 시트가 필요한 MEM 장치의 경우 강성 또는 유연한 프레임을 사용할 수 있다. 도 26은 프레임으로 지지되는 10㎛의 얇은 미세 구조를 보여준다. 이 구조를 제작하기 위해 먼저 200㎛ 두께의 실리콘 기판에 윈도우를 마이크로 가공한다. 다음으로 10㎛ 두께의 은박을 실리콘 기판에 접합한다. 마지막으로, 장치 구조는 접합된 은박에 레이저 마이크로 가공된다. 5㎛ ~ 1㎛ 정도의 두께를 가진 금속 호일을 필요로 하는 MEM 시스템의 경우 원하는 금속을 물 또는 용매에 용해되는 필름 위에 전착시킬 수 있으며 이러한 라미네이트를 사용하여 MEMS를 제작할 수 있다.
2.2.2 라미네이트 간의 간격
MALL 공정에서 프리스탠딩 구조와 기판 사이의 간격은 접착층의 두께에 따라 다르다. 이 작업은 12.5㎛ 두께의 접착층을 사용하여 12.5㎛만큼 작은 갭을 제조할 수 있음을 보여준다. 도 27은 이 구조와 기판 사이에 12.5㎛ 간격으로 제작된 캔틸레버(cantilever)를 보여준다. 갭을 더 줄이려면 접착층을 라미네이트에 직접 스핀 코팅하면 된다. 이 스핀 코팅된 층은 매우 작은 갭(간격)을 만들기 위한 희생 층으로 사용된다.
2.2.3 정렬 정확도
운동학적 커플링[123]과 수동 기계적 정렬 피쳐[124]을 활용하여 정렬 정확도가 향상된다.
2.3 MALL을 이용한 MEMS 양산
DRIE(Deep Reactive Ion Etching)에서는 많은 장치를 병렬로 제작할 수 있어 부품 생산 속도가 빨라진다. 그러나 MALL에서 사용되는 레이저 직접 쓰기 미세가공(laser direct write micromachining) 공정은 직렬 공정이며 MEMS는 한 번에 하나의 장치로 제작된다. 그 결과 MALL 공정에서 부품 생산율이 낮다. MALL 공정은 소량 생산에 적합하며 초기 투자가 적다. 그러나 100만 달러 이상의 투자의 경우 DRIE 공정의 부품 생산 속도가 크게 증가한다.
부품 생산 속도는 다음 변경 사항을 구현함으로써 높아진다.
1. 롤투롤 적층 공정을 사용하여 조립을 자동화한다.
2. 검류계 스캐너 미러를 사용하여 라미네이트 위에 레이저를 전달하여 레이저 마이크로 가공 및 롤-투-롤 라미네이션 프로세스를 통합한다. 이 시스템에서 장치의 개별 레이어를 동시에 제작하고 제조업체 MEM 시스템에 적층할 수 있다. 롤투롤 적층 공정과 함께 레이저 마이크로 가공을 사용하면 패턴을 공간적으로 오프셋하여 정확한 정렬을 보장할 수 있으므로 레이어 정렬이 필요하지 않다.
3. 여러 개의 레이저 빔을 사용하여 여러 장치를 병렬로 제작한다. 이러한 다중 빔은 다른 레이저 소스에서 나오거나 단일 고출력 레이저 빔에서 분할될 수 있다.
4. 고출력 레이저 및 엠보싱, 마이크로 밀링, 나이프 절단, 와이어 EDM과 같은 기타 정밀 제조 방법을 사용하여 높은 가공 속도로 큰 피쳐를 가공하고 작은 피쳐에는 낮은 에칭 속도의 레이저 마이크로 가공을 예약한다.
5. 라미네이션 프로세스에 패키지 레이어를 포함하여 MEMS 패키징을 롤투롤 라미네이션 프로세스와 통합한다. 이러한 패키지 레이어는 엠보싱, 마이크로 밀링 및 기타 기존 제작 도구를 사용하여 제작할 수 있다.
기존 MEMS 제조에서 150㎜ 웨이퍼 시설에서 300㎜ 웨이퍼 시설로 업그레이드하는 데 상당한 비용이 든다. 그러나 MALL 제조에서 병렬 제조를 위해 추가 레이저를 추가하는 것은 쉽고 비용은 증가한다. 따라서 MALL의 부품 생산률은 DRIE와 매칭될 수 있다.
2.4 MALL을 이용한 MEMS의 테이블 탑(Table-Top) 제조
미세 전자 기계 시스템은 의료, 자동차 및 소비자 전자 제품에 많은 잠재적인 응용 프로그램을 가지고 있다. 불행히도 장비 소유 비용이 높기 때문에 MEMS에 대한 연구는 주로 마이크로 가공 시설을 갖춘 산업 및 대학으로 제한되었다. 위에서 볼 수 있듯이 MEMS 연구에서 더 큰 과학 커뮤니티를 참여시키는 데 있어 주요 장애물은 마이크로 가공 도구를 조달하는 데 필요한 상당한 자본 투자이다. 또한, 실리콘 웨이퍼, 포토레지스트, 현상액 및 에칭액과 같은 장비 유지 관리 및 소모품의 높은 비용은 과학 커뮤니티의 많은 부분에 대한 MEMS 제조의 접근을 더욱 방해한다.
이에 반해 MALL 공정은 레이저 미세가공 시스템을 활용하는데 3가지 장점이 있다. 첫째, 마이크로머시닝에 필요한 스핀코터, 마스크 얼라이너, 노광시스템, DRIE 시스템 등의 도구 세트를 단일 장비로 대체한다. 둘째, 레이저 마이크로 가공 시스템의 비용은 기존 마이크로 가공 도구보다 훨씬 적다. 셋째, 소모품은 전해연마액과 금속박에 국한된다. 이러한 재료의 비용은 장치당 0.0015달러로 기존 MEMS 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼보다 훨씬 저렴하다.
레이저 마이크로 가공 시스템의 주요 비용은 레이저 소스에서 발생한다. 레이저 소스의 비용은 평균 출력에 따라 다르다. 고출력 레이저는 고강도 펌핑 소스가 필요하므로 레이저 비용이 증가한다. 예를 들어, 이 작업에 사용된 다이오드 펌핑 레이저는 발광 다이오드(LED) 어레이를 사용하여 레이저 매체를 펌핑한다. 이러한 다이오드 어레이는 고가일 뿐만 아니라 설치 면적이 큰 특수 고전류 전원 공급 장치 및 냉각 시스템을 필요로 하다.
LAMPE 마이크로 가공 공정은 280㎽(표 3.2) 범위의 평균 출력이 필요하므로 상당히 낮은 출력의 레이저가 필요하다. 저출력 레이저는 덜 강렬한 펌핑 소스가 필요하다. 결과적으로 비용이 적게 들고 설치 공간이 작다. 저비용 레이저 시스템은 저비용 기계 제작과 함께 저비용 테이블 탑용 MEMS 제조 시스템을 개발하는 데 사용할 수 있다. 테이블 탑용 MEMS 제조는 MEMS 제조 비용을 절감하고 신속한 프로토타이핑을 가능하게 하여 MEMS 제조를 대중화하고 새로운 미세 전자 기계 시스템의 개발을 가속화할 수 있다.
2.5 이전 작업과의 비교
DRIE는 작은 측면 피쳐와 높은 종횡비에 바람직하지만 제조 재료 선택에 부족하다. DRIE 후 LIGA 공정은 작은 측면 피쳐와 높은 종횡비에 바람직하지만 독립형 미세 구조를 생성하는 데 부족하고 값비싼 X선 소스가 필요하다.
여기에 공개된 MALL 프로세스는 PCB-MEMS, 라미네이트 MEMS 및 팝업북 MEMS에서 사용되는 유사한 라미네이션 프로세스를 사용한다. 그러나 MALL 프로세스와 다른 라미네이트 PCB-MEMS, 라미네이트 MEMS 및 팝업북 MEMS 프로세스 사이에는 두 가지 주요 차이점이 있다. 이러한 차이점은 다음 섹션에서 설명한다.
2.5.1 높은 종횡비 및 작은 측면 피쳐
기존의 MEMS 제조 공정에서 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)는 높은 종횡비와 작은 측면 피쳐를 갖는 구조를 제조하는 데 사용된다. 일반적으로 종횡비가 10:1만큼 크고 측면 피쳐(형상)이 5 - 10㎛만큼 작은 구조는 DRIE를 사용하여 마이크로 가공할 수 있다[20]. 맞물린 콤 핑거 및 빔 스프링과 같은 MEMS 장치 평면과 평행한 방향으로 이동할 수 있는 MEMS 구조를 제조하려면 높은 종횡비 가공이 필요하다. 이러한 구조는 콤 드라이브 액추에이터[21], 가속도계[22], 공진기[23], 전기 기계 필터[24]와 같은 많은 MEMS에서 일반적이다.
PCB-MEMS에서 MEM 시스템의 개별 레이어는 포토리소그래피를 사용하여 제조된 다음 습식 에칭이 수행된다. 그러나 습식 에칭 공정은 등방성이므로 종횡비가 낮다. 유사하게, 적층 MEMS에서 개별 층은 스탬핑, 레이저 절단 및 전기 주조와 같은 다양한 공정을 사용하여 제조된다[6]. 이러한 프로세스는 DRIE보다 더 큰 기능과 제한된 종횡비를 가진 구조를 생성한다. 따라서 이러한 MEMS의 성능은 DRIE를 사용하는 기존의 마이크로 가공 공정을 사용하여 생산된 MEMS와는 거리가 멀다[4][25][26][27][11]. 또한, 낮은 종횡비 구조는 장치 평면 방향으로의 움직임을 제한하고 움직임은 장치에 수직인 방향으로 제한된다. 결과적으로 PCB-MEMS 및 적층 MEMS의 적용은 MEMS RF 스위치[4] 및 마이크[11]와 같이 구조가 적층 평면에 수직으로 이동하는 MEM 시스템으로 제한되었다.
MALL 공정에서 MEM 시스템의 개별 레이어는 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 제작된다. LAMPE 마이크로 가공 공정은 10:1의 큰 종횡비와 10㎛의 작은 피쳐를 가진 미세 구조 라미네이트를 제조할 수 있다. 작은 측면 피쳐를 유지하면서 이러한 높은 종횡비는 PCB-MEMS, 라미네이트 MEMS 및 팝업북 MEMS 제조 공정에서 달성할 수 없다. 사실, 전통적으로 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE)[28]을 통해서만 이러한 높은 종횡비와 작은 측면 피쳐를 얻을 수 있었다. LAMPE 미세가공을 사용하여 제작된 작은 피쳐와 큰 종횡비 구조는 DRIE에서 생산된 구조와 비슷하다. 따라서 MALL 제조 공정은 DRIE를 사용하여 제조된 MEMS에 필적하는 MEMS를 제조할 수 있다.
2.5.2 6자유도를 가진 프리스탠딩(Freestanding) 구조
기존의 MEMS 제작에서 표면 미세가공[48][49][50]은 독립형(free-standing) 미세구조를 제작하는 데 사용된다. 먼저, 희생층을 기판에 증착하고 포토리소그래피 및 에칭을 사용하여 패터닝한다. 다음으로, 구조 층이 증착되고 희생 층 위에 패터닝된다. 마지막으로 희생층을 제거하여 독립형 미세 구조를 만든다. 희생층과 구조층을 증착하는 데 사용되는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 증착 프로세스는 증착된 재료의 두께와 구조와 기판 사이에 생성되는 갭에 대한 높은 수준의 제어를 허용한다.
적층 공정에서 유사한 얇은 프리스탠딩 구조를 제작하는 것은 어려운 일이다. 어려움은 두 가지 이유 때문이다. 첫째, 적층체의 두께가 감소함에 따라 이러한 초박막층의 취급 및 미세가공이 어려워진다. 둘째, 프리스탠딩 구조를 포함하는 층과 기판 사이에 패터닝되고 샌드위치되는 스페이서 층을 사용하여 프리스탠딩 구조가 생성된다. 스페이서 층의 두께는 프리스탠딩 구조와 기판 사이의 간격을 결정하다. 이 간격과 프리스탠딩 구조의 크기가 감소함에 따라 초박형 스페이서 층을 조작하고 패터닝하는 것이 어려워진다. 그 결과, PCB-MEMS 및 적층 MEMS의 적용은 미세유체 소자[51][52] 및 광학 MEMS[7]와 같은 프리스탠딩 구조가 없는 MEMS 또는 프리스탠딩 구조와 MEMS 마이크로폰 및 전자기 스위치와 같은 기판[4][11][8][25][27]과 같은 기판 사이의 간격이 큰 MEMS를 제조하는 것으로 크게 제한되었다.
MALL에서 사용되는 레이저 마이크로 가공 공정을 사용하면 B-단계 에폭시 접착제 층을 손쉽게 패턴화할 수 있다. 패터닝된 접착층을 스페이서 층, 택 본딩 공정 및 높은 정렬 정확도로 사용하여 이 작업은 구조 사이의 간격이 12.5㎛(도 5-6 참조)만큼 작은 프리스탠딩 구조를 제작하는 방법을 보여준다. 유사하게, 이 작업은 조작을 위해 단단한 프레임에 초박막 필름을 접착하고 LAMPE 마이크로 가공을 수행하여 10㎛(도 5-5 참조)만큼 얇은 프리스탠딩 구조를 제작하는 방법을 보여준다. 이러한 미세 구조는 6개의 자유도(DOF) 이동을 허용하는 작은 피쳐와 만족스러운 종횡비로 제작할 수 있다.
2.6 MALL MEMS 제작의 장점
MALL 제조 공정은 더 큰 재료 선택 및 통합, 낮은 제조 비용, 신속한 개발 및 통합 패키징과 같은 기존의 리소그래피 기반 MEMS 제조 공정에 비해 몇 가지 이점을 제공하다. 이러한 이점은 다음 섹션에서 자세히 설명한다.
2.6.1 더 많은 제작 재료 선택
리소그래피 기반 MEMS 제조 공정에 사용되는 제조 재료는 대부분 실리콘으로 제한된다. 반면에 MALL 공정은 금속, 세라믹, 폴리머 및 복합 재료와 같은 광범위한 재료로 제작할 수 있다. 광범위한 재료를 사용하여 MEMS를 제작할 수 있는 능력은 이러한 시스템의 기능과 성능을 크게 향상시킨다. 예를 들어, 자기, 압전, 초전, 열전 및 초전도 재료와 같은 흥미로운 특성을 가진 재료를 사용하여 새로운 MEM 시스템을 설계할 수 있다.
MEM 시스템 제조에 금속을 적용하는 것은 특히 큰 관심거리이다. 금속은 광범위한 기계적 및 전기적 특성을 제공하며 이러한 특성은 합금 공정을 사용하여 조정할 수 있다. 또한 롤 포밍 공정으로 인해 금속 호일을 만드는 데 필요한 비용과 에너지가 실리콘 웨이퍼보다 훨씬 적다.
2.6.2 호환되지 않는 재료로 제작
기존의 마이크로 가공 공정에서 MEMS는 재료 층의 연속적인 증착 및 패터닝에 의해 층별로 제조된다. 각 재료 층은 고유한 프로세스를 사용하여 증착되고 패턴화되며 이 프로세스는 이전에 증착된 재료와 호환되어야 하다. 이러한 공정의 통합은 재료의 비호환성과 열적 제약으로 인해 어려운 경우가 많다. 그러나 MALL 제작 공정에서는 MEMS의 개별 레이어를 별도로 제작하고 스택 조립 및 접합하여 시스템을 구성하다. 그 결과, 제조 공정이 호환되지 않는 재료를 어떤 순서로든 결합하여 MEMS를 제조할 수 있다.
2.6.3 저비용 제작
MEMS 제조의 높은 비용은 두 가지 이유 때문이다. 첫째, 노출 시스템, 마스크 정렬기, 화학 기상 증착(CVD) 및 심층 반응성 이온 에칭(DRIE) 시스템과 같은 마이크로 가공 도구에 대한 대규모 자본 투자이다. 둘째, 포토레지스트, 현상액, 에칭 용액 및 가스, 실리콘 웨이퍼와 같은 원자재 및 화학 물질의 높은 비용이다. 대조적으로, MALL 공정은 레이저 마이크로 가공 시스템과 전기화학적 에칭 도구를 필요로 하며, 이는 기존 마이크로 가공 도구보다 소유 비용이 훨씬 저렴하다. 마찬가지로 MALL 제작에 사용되는 원료는 금속 호일, 폴리머 및 세라믹이다. 이러한 재료는 기존 MEMS 제조 공정에 사용되는 실리콘 웨이퍼보다 훨씬 비용 효율적이다.
2.6.4 신속한 개발
MALL MEMS 제조 프로세스는 아래에서 논의되는 바와 같이 신속한 재료 통합, 프로세스 개발, 빠른 설계 및 프로토타입 반복을 허용함으로써 신속한 개발을 가능하게 한다.
2.6.4.1 신속한 재료 통합
기존의 리소그래피 기반 제조 공정에서 MEM 시스템은 층별로 제조된다. 각 층을 제조하려면 화학 기상 증착(CVD), 스핀 코팅 포토레지스트, 레지스트 노출 및 현상, 습식 또는 건식 에칭과 같은 일련의 증착 및 패터닝 단계가 포함된다. 각 층에 대한 제조 공정은 최적화되어야 하고 이전에 증착된 재료와 호환되어야 하다. 이 단계별 프로세스 최적화 및 통합은 시간이 많이 소요된다. 더욱이, 기존의 MEMS 제조에서는 MEMS 칩과 패키지가 별도로 제조되고 이후 단계에서 통합된다. 이러한 칩과 패키지의 통합은 개발 시간을 더욱 증가시킨다.
MALL 제조 공정에서 개별 레이어는 최소한의 공정 개발로 독립적으로 제조될 수 있으며 MEMS를 만들기 위해 쉽게 접합될 수 있다. 결과적으로 장치 개발 시간이 크게 단축된다. 또한, MALL에서 사용하는 레이저 마이크로 가공 시스템은 밀링, 몰딩, 엠보싱 등의 다른 매크로 가공 장비와 나란히 존재할 수 있으며 유사한 CAD(Computer-Aided Design) 및 CAM(Computer Aided Manufacturing) 도구를 활용하여 MEMS 및 패키징의 통합 설계, 동시 제작 및 신속한 통합을 가능하게 한다.
기존의 MEMS 제조에서 3차원 MEMS 설계는 일련의 2차원 리소그래피 마스크로 변환되어 후속적으로 제조에 사용된다. 그러나 MALL에서는 통합 CAD/CAM 설계 도구에서 레이저 마이크로 가공 도구 경로를 직접 내보낼 수 있다. 하나의 환경에서 MEMS의 설계, 제조 및 유한 요소 분석(FEA)을 통합하면 설계, 시뮬레이션 및 프로토타이핑을 빠르게 반복할 수 있다.
2.6.4.2 신속한 프로세스 개발
DRIE에서는 원하는 MEMS 구조를 식각하기 위해 어느 정도의 공정 개발이 필요하다. 에칭 프로세스 매개변수는 일련의 에칭 사이클을 수행하고 에칭 매개변수를 변경함으로써 결정된다. 각 에칭 사이클은 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 필요로 하며 종종 프로세스가 수동으로 수행된다. 결과적으로 프로세스 개발에 상당한 시간이 걸린다.
그러나 MALL 공정에서는 일련의 마이크로 가공 테스트를 수행하여 레이저 출력, 펄스 주파수, 공급 속도 및 펄스 지속 시간과 같은 다양한 레이저 마이크로 가공 매개변수를 단일 사이클에서 테스트할 수 있다. 결과적으로 프로세스 개발 시간이 상당히 단축된다. 신소재나 신판 두께에 대한 레이저 마이크로 가공 공정 개발 시간은 약 6시간이다.
2.6.4.3 신속한 설계 반복
MALL에서 PLA 또는 LAMPE 마이크로 가공의 마이크로 가공 속도는 장치 영역(또는 디자인)과 무관하다. 결과적으로 프로세스 개발 없이 많은 디자인을 테스트할 수 있다. 그러나 DRIE에서 식각률은 로딩 효과로 인해 소자 면적에 따라 달라진다[113][72]. 결과적으로 각 MEMS 설계에 대해 새로운 DRIE 프로세스 매개변수 세트를 결정해야 하며, 이는 설계 반복을 크게 방해하고 장치 개발 시간을 증가시킨다.
2.6.5 최초의 프로토타입 제작까지의 매우 짧은 시간
MALL MEMS 제작 프로세스는 첫 번째 프로토타입 제작에 필요한 시간을 크게 단축한다. 이 사실은 이 섹션에서 제작된 콤 드라이브 액추에이터의 예를 사용하여 설명된다. 생성 주기 개념의 첫 번째 단계는 장치를 설계하고 원하는 제작 재료를 선택하는 것이다. 설계와 재료가 완성되면 다음 단계는 주어진 두께의 재료 시트를 마이크로 가공하는 데 필요한 레이저 마이크로 가공 매개변수를 결정하는 것이다.
공정 매개변수를 결정하기 위해 다양한 너비의 수평 및 수직 라인을 포함하는 마이크로 가공 패턴이 테스트 패턴으로 사용된다. 이 테스트 패턴의 여러 인스턴스는 다양한 레이저 출력, 레이저 주파수, 공급 속도 및 펄스 지속 시간으로 마이크로 가공된다(이 작업에서 펄스 지속 시간은 20㎱로 고정됨). 이러한 마이크로 가공 패턴을 주사형 전자현미경으로 검사하여 가장 작은 특징을 갖는 패턴을 결정하고 이 패턴에 해당하는 레이저 마이크로 가공 설정을 장치 마이크로 가공에 사용한다. 신소재나 판 두께에 대한 레이저 마이크로 가공 공정 개발 시간은 약 6시간이다. 결정된 레이저 마이크로 가공 매개변수는 빗살 모양 구조를 만드는 데 사용된다. 디자인에 따라 이 프로세스는 몇 분에서 한 시간 정도 걸릴 수 있다. 이 추정치를 위해 전체 장치를 마이크로 가공하는 데 1시간이 걸린다고 가정한다.
다음 단계는 전기 디버링을 수행하는 것이다. 전기 디버링의 경우 필요한 전해액에 대한 정보는 여기에서 얻을 수 있다[90]. 레이저 마이크로 가공 부품이 양극으로 사용되고 동일한 금속의 다른 조각이 음극으로 사용된다. 전해연마 전압에 대한 정보는 참고문헌[90]에서도 얻을 수 있다. 섹션 1.5.1에서 논의된 바와 같이, 전기 디버링 전압은 선택적인 에칭 버를 보장하기 위해 전기 연마 전압보다 커야 하다. 새로운 재료에는 어느 정도의 공정 개발이 필요할 수 있지만 전기 연마 전압보다 높은 전압은 전기 디버링을 초래한다. 종종 양극에 기포가 나타나기 시작할 때까지 전압을 높이고 이 전압에서 전기 디버링을 수행하는 가장 쉬운 옵션이다. 일반적으로 30초면 버가 완전히 제거된다. 이 추정치를 위해 전해연마 공정은 총 1시간이 소요될 것으로 가정한다.
마지막 단계는 개별 장치 레이어를 정렬하고 적층하는 것이다. 이 실험은 Dupont FR1500 및 3M 열 접착 필름 583을 사용했다. 이러한 접착 필름은 매우 잘 연구되었으며 프로세스 개발이 필요하지 않다. 따라서 총 1시간(핸들링 30분, 접착제 경화 사이클 30분)에 접합이 가능하다.
첫 번째 프로토타입 제작에 필요한 총 시간은 약 10시간이다. 제조 재료가 동일하게 유지되는 경우 새 MEMS 장치를 프로토타이핑하는 데 약 4시간이 걸린다는 점에 유의해야 하다.
2.6.6 통합 패키징
MEMS의 패키징은 열악한 환경에서 시스템을 보호하는 데 필수적이다. 또한 특정 MEM 시스템에서 패키징은 MEMS 시스템과 외부 환경 간의 인터페이스 역할도 한다. MEMS 칩을 제조하는 데 사용되는 미세 제조 공정은 MEMS 패키지를 제조하는 데 사용되는 매크로 제조 공정과 호환되지 않는다. 결과적으로 MEMS 다이와 패키지가 독립적으로 제작된 다음 나중에 통합된다. 이 통합 프로세스는 까다롭고 개발 시간과 비용을 증가시킨다. 종종 MEMS 패키징 비용은 MEMS 칩 제조 비용보다 높다.
MALL에서는 제조 공정 및 재료가 매크로 제조 공정과 호환된다. 그 결과, MEMS 층과 패키징 층을 동시에 제조할 수 있다. 또한 이러한 층을 단일 단계로 적층할 수 있으므로 통합 패키징이 있는 MEM 시스템을 제작할 수 있다. 그러나 라미네이션 공정은 패키징 층을 접착하기 위해 폴리머 접착 필름을 사용한다. 이러한 고분자 필름은 물 분자를 투과할 수 있다[115][116]. 따라서 MALL 통합 포장은 밀봉이 필요한 포장 MEMS에 사용할 수 없다.
3. 세부 프로세스 설명
MALL MEMS 제작공정의 상세한 공정설명은 다음과 같다.
3.1 MALL MEMS 제작에 필요한 도구
다음은 MALL MEMS 제작에 필요한 도구 목록이다.
1. 레이저 마이크로 가공 시스템. Oxford Laser Ltd[56]의 레이저 마이크로 가공 시스템이 선호된다.
2. 소자의 피쳐 크기에 따라 MEMS 소자를 제작하는 동안 검사하기 위해 주사형 전자현미경이나 고해상도 광학현미경이 필요하다. 저배율 실체 현미경은 빠른 검사에도 유용하다.
3. 전기 디버링 공정을 수행하기 위해서는 케미컬 후드와 전압원이 필요하다.
4. 임계점 건조기가 필요할 수 있다. 금속으로 제작된 MEMS의 경우 장치를 이소프로판올(IPA)에 담그고 열판에서 건조하면 충분하다. 그러나 실리콘으로 제작되고 작은 피쳐를 포함하는 MEMS의 경우 임계점 건조기가 바람직하다.
5. 핫 플레이트는 웨이퍼를 빠르게 건조시키는 데 유용하다.
6. 더 높은 온도에서 경화되어야 하는 특정 접착제에는 온도 조절기가 있는 토스터 오븐이 필요하다. 특히 특정 MEM 계전기에 사용되는 Dupont FR1500 접착제는 섭씨 185도에서 베이킹해야 하다. 또 다른 예시적인 접착제는 3M 열 접착 필름 583이며, 이는 용매 활성화 또는 압력 활성화가 가능하며 베이킹이 필요하지 않다.
7. 레이저 마이크로 가공 후 섬세한 시트의 조작을 용이하게 하기 위해 진공 핀셋이 바람직하다.
8. MEMS 장치에 따라 장치 테스트에 추가 도구가 필요할 수 있다. 예를 들어, MEM 릴레이 또는 기타 간단한 장치는 반도체 매개변수 분석기를 사용하여 테스트할 수 있다. 장치의 전기 테스트를 위해 프로브 스테이션이 필요할 수도 있다.
9. 특정 MEMS 장치의 경우 탁상용 정밀 밀링 머신이 유용할 수 있다. MEM 릴레이의 하단 레이어는 탁상용 정밀 밀링 머신을 사용하여 제작할 수 있다. LAMPE 마이크로 가공에 유용한 주요 도구는 Oxford 레이저 마이크로 가공 시스템이다[56]. 이 시스템은 아래에 자세히 설명되어 있다.
3.1.1 레이저 마이크로 가공 시스템
이 시스템은 1) 레이저 소스, 2) 초점 광학 장치, 3) 모션 시스템의 세 가지 주요 구성 요소로 구성된다. 이러한 구성 요소는 다음 섹션에서 설명한다.
3.1.1.1 레이저 소스
레이저 소스는 레이저 마이크로 가공 시스템의 중요한 구성 요소이며 처리할 수 있는 재료의 크기와 유형을 결정한다. 레이저 마이크로 가공에 사용되는 레이저에는 펄스 레이저와 연속파(cw) 레이저의 두 가지 유형이 있다. 펄스 레이저는 연속파 레이저에 비해 두 가지 장점이 있다. 첫째, 짧은 레이저 펄스를 통해 타겟에 가해지는 에너지를 미세하게 제어할 수 있다. 이는 작은 피쳐를 가공하는 데 필수적이다. 둘째, 개별 펄스의 피크 전력은 레이저의 평균 전력보다 수십 배 더 높다. 결과적으로 펄스 레이저는 훨씬 낮은 평균 출력으로도 재료를 절제할 수 있다.
이 작업에 사용된 레이저 소스는 Q-스위치 주파수 2배 Nd:YAG DPSS(diode-pumped solid-state) 레이저이다. 레이저의 파장은 532nm이고 펄스 지속 시간은 20ns이다. 레이저 빔의 모드는 TEM00이고 빔 품질은 M 2 < 1.2이다. 레이저의 평균 출력 Pavg는 2 ~ 6.5W이며 펄스 주파수에 따라 다르다. 5K㎐ 펄스 반복률에서의 평균 전력은 2.8W이다. 5K㎐ 펄스 반복률에서의 펄스 에너지는 561μJ이다. 평균 전력이 6.5W 미만인데도 피크 전력은 대략 수 킬로와트 정도이다. 레이저 펄스의 피크 전력은 재료의 제거를 담당한다. 5K㎐ 펄스 반복률에서 피크 전력은 28㎾이다. 표 3은 이 작업에 사용된 레이저에 대해 계산된 매개변수 값을 요약한 것이다.
[표 3] 레이저 소스의 다양한 매개변수 값
Figure pct00003
3.1.1.2 빔 전달 및 초점 광학 장치
레이저 빔은 일련의 거울, 렌즈 및 기타 광학 요소를 사용하여 대상 물질에 전달된다. 먼저, 광원에서 배출된 레이저 빔은 빔 확장기를 사용하여 확장된다. 빔 확장 후 레이저 빔의 직경은 10㎜이다. 그런 다음 빔은 가변 감쇠기를 통과하도록 허용되며, 이 감쇠기는 레이저 빔을 감쇠하고 대상에 덤핑되는 에너지를 제어하는 데 사용된다. 마지막으로 레이저 빔은 렌즈나 현미경 대물렌즈를 사용하여 대상에 초점을 맞춘다.
집중된 빔의 직경
이 작업에 사용된 레이저의 경우 파장 λ = 532nm, 빔 웨이스트(또는 조리개 직경) d = 10㎜, 초점 거리 f = 100㎜이다. 계산된 초점 스폿 크기 2ω0 = 12.98㎛. 집속된 빔 스폿 크기 2ω0은 레이저 마이크로 가공에서 달성 가능한 최소 형상 크기를 결정하는 중요한 매개변수이다. 렌즈 외에 현미경 대물렌즈도 빔의 초점을 맞추는 데 사용할 수 있다. 일반적으로 무한 보정(infinity-corrected) 대물렌즈는 레이저 마이크로 가공과 이미징을 동시에 수행할 수 있고 추가 광학 부품을 쉽게 삽입할 수 있기 때문에 바람직하다. 무한 보정(infinity-corrected) 대물렌즈에서 빛은 광축과 평행하게 효과적으로 이동한다. 결과적으로 광학 필터, 편광판 및 빔 스플리터와 같은 추가 광학 부품을 튜브 렌즈 사이에 삽입할 수 있다. 무한 보정(infinity-corrected) 대물렌즈로 이미지를 생성하려면 이미지의 초점을 맞추기 위해 튜브 렌즈를 사용해야 한다.
집중된 빔의 강도
5K㎐에서 레이저 펄스의 피크 전력은 28W이고 집중된 빔 스폿의 직경은 ω = 12.98㎛이다. 따라서 펄스 강도는 21.2GW/㎠이다. 도 28의 우측 y축은 펄스 주파수에 따른 펄스 강도 Ip의 변화를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 가우시안 빔의 중앙 피크의 강도는 레이저 펄스의 평균 강도의 2배이다. 5K㎐ 펄스 주파수에서 레이저의 피크 전력은 P = 28KW이다(표 2.1). 빔 중심의 최대 강도는 I 0 = 2I p = 42.4GW/㎠이다. 도 28은 레이저 빔의 강도 프로파일을 보여준다.
레일리 길이
이 작업에 사용된 레이저의 경우 파장 λ = 532㎚, 빔 웨이스트(또는 조리개 직경) d = 10㎜, 초점 거리 f = 100㎜이다. 집속된 레이저 빔의 결과 레일리 길이는 Z R = 850㎛이다.
3.1.1.3 모션 시스템
2축 스테이지는 레이저 마이크로 가공을 수행하기 위해 레이저에 대해 타겟을 이동하는 데 사용된다. 각 축에 대해 분해능은 0.250㎛, 반복성은 0.750㎛, 정확도는 +/-2㎛이다. 도달 가능한 최대 속도는 250㎜/s이고 최대 도달 가능한 가감속은 10,000㎜/s2이다. 마이크로 가공 MEMS 부품의 최대 도달 속도에 대한 실제 제한은 작은 크기와 스테이지의 제한된 가속/감속으로 인해 1㎜/s 이하로 제한된다는 점에 유의해야 한다.
레이저 마이크로 가공 공정에서 피쳐 크기는 타겟에 덤프되는 레이저 에너지에 따라 다르다. 이 덤핑된 에너지는 펄스 에너지와 연속적인 레이저 펄스 노출 사이의 중첩을 변경하여 제어된다. 작은 기능이 필요한 MEMS의 경우 2축 스테이지를 사용하는 대신 검류계 스캐너를 사용하는 것이 바람직하다. 검류계는 훨씬 더 높은 이송 속도를 제공할 수 있으므로 타겟에 버려지는 에너지를 미세하게 제어하여 작은 피쳐를 제작할 수 있다. 또한, 높은 이송 속도는 마이크로 가공 속도를 증가시킬 수 있다. 일반적인 2축 검류계 미러는 100㎐에서 작동할 수 있다[60]. 스캔 거리가 1㎜라고 가정하면 100㎜/s의 이송 속도를 쉽게 달성할 수 있다.
3.2 MALL MEMS 제작에 필요한 재료
다음은 MALL 제작에 필요한 재료 목록이다.
1. MALL MEMS 제작에 사용되는 주재료는 금속 호일이다. 이 금속 호일은 https://www.mcmaster.com/에서 구할 수 있다.
2. 이 작업에 사용된 주요 접착층은 Dupont FR1500, 3M 열접착 필름 583, 스카치 양면 테이프이다. 이러한 접착제는 해당 공급업체로부터 공급받을 수 있다.
3. 전기 디버링(Electro-deburring) 공정용 전해질. 구리의 경우 황산구리 또는 인산을 사용할 수 있다.
4. 다웰 핀(Dowel pins) 또는 게이지 핀을 맞춤 핀(alignment pins)으로 사용한다.
3.3 MALL MEMS 제작을 위한 MEMS 설계 절차
Fusion 360은 MEMS 설계에 사용될 수 있다. 이 소프트웨어는 CAD(Computer Aided Design)와 CAM(Computer Aided Manufacturing)을 통합하는 이점을 제공하며 MALL MEMS 설계에 매우 적합하다. MALL 공정은 적층 공정이기 때문에 MEMS 시스템을 레이어 형태로 설계하는 것이 유리하다. 설계가 완료되면 Fusion 360 프로그램의 CAM 인터페이스를 사용하여 레이저 공구 경로용 g-코드를 내보낼 수 있다. 이 g-code 프로그램은 레이저 마이크로 가공을 수행하는 데 사용된다.
MEMS 장치 설계에 따라 두 가지 다른 레이저 도구 경로를 내보내는 것이 좋다. 첫 번째 도구 경로는 작은 피쳐 크기가 필요하지 않은 영역의 일부이며 고출력 레이저를 사용하여 높은 미세가공 속도로 재료를 제거할 수 있다. 두 번째 도구 경로는 작은 기능을 갖고 LAMPE 마이크로 가공 방법이 필요한 MEMS 설계 부분을 위한 것이다.
3.4 MALL MEMS 제조 공정에 대한 단계별 가이드 및 공정 흐름도
도 29의 공정 흐름도는 MALL MEMS 제조 공정을 설명한다.
프로세스 단계는 다음과 같다.
1. LAMPE 마이크로 가공 또는 레이저 마이크로 가공을 사용하여 MEMS의 개별 레이어를 제작한다.
2. MEMS의 개별 레이어를 정렬하고 본딩한다.
3. 희생층을 녹인다.
4. 레이저 커팅을 이용하여 장치를 다이스(dice)한다.
3.4.1 개별 MEMS 레이어의 제작
MEMS 장치는 재료 레이어로 구성된다. 각 레이어에는 측면 피쳐 크기, 종횡비 및 지오메트리(2D, 2.5D 또는 3D)와 같은 피쳐를 가진다. 이러한 피쳐에 따라 다른 제조 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 측면 피쳐가 100㎛보다 큰 소자층의 경우 마이크로 밀링, 와이어 EDM 및 엠보싱 등과 같은 기존 제조 공정을 사용할 수 있다. 100㎛-25㎛ 범위의 피쳐를 가진 소자층의 경우 레이저 마이크로 가공 공정을 사용할 수 있다. 피쳐가 10㎛보다 작고 종횡비가 10:1보다 큰 소자층의 경우 LAMPE 마이크로 가공 공정을 사용할 수 있다. 도 30의 흐름도는 개별 MEMS 레이어를 제조하는 프로세스를 보여준다.
3.4.2 MEMS 레이어의 LAMPE 마이크로 가공
이 작업에서 레이저 미세가공은 Oxford Laser Ltd[56]에서 시판되는 레이저 미세가공 시스템을 사용하여 수행된다. 다음은 LAMPE 마이크로 가공에 사용되는 일반적인 단계이다.
1. 재료 포일은 클립을 사용하여 스테이지에 고정된다. 두께가 최대 20μm인 재료 포일의 경우 핀셋을 사용하여 조작할 수 있다. 다만, 20㎛ 이하의 두께는 금속박을 단단한 틀로 부착하여 조작이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.
2. 레이저 소스 선택: 금속의 경우 레이저 마이크로 가공 공정은 일반적으로 레이저 파장과 무관하다. 이는 금속에 의한 레이저의 흡수가 UV, Vis 및 IR 범위에서 낮기 때문이다. 레이저의 펄스 지속 시간은 작은 피쳐 크기를 얻는 데 필수적이다. 방정식 또는 표를 사용하여 원하는 피쳐 크기에 필요한 펄스 폭을 결정할 수 있다. 종종 레이저 펄스 폭은 고정되어 있으며 사용자는 펄스 전력만 제어할 수 있다.
3. 초점 광학 장치 선택: 피쳐 크기에 따라 원하는 렌즈 또는 대물렌즈가 설치된다. 레이저 마이크로 가공 시스템에는 샘플 검사를 위한 디지털 카메라가 장착되어 있다. 다음으로, 이미징 시스템에서 검사하여 샘플을 렌즈의 초점면으로 가져온다.
4. 레이저 출력 선택 및 공정 개발: 이 계산된 레이저 출력 부근에서 일련의 출력 테스트를 사용하여 최소 피쳐 크기를 제공하는 출력의 정확한 값을 결정할 수 있다. 이 값에서 레이저 마이크로 가공을 수행해야 하다. 피쳐 크기는 샘플이 초점면에 있는 정도에 따라 달라진다. 일반적으로 전원 테스트를 수행하기 전에 최상의 초점을 결정하기 위해 일련의 초점 테스트를 수행하다. 레이저 마이크로 가공 공정 중에 레이저 마이크로 가공 부품이 떨어지지 않는 경우 두 번째 패스가 필요할 수 있다.
도 30의 순서도를 사용하여 레이어 재료에 따른 LAMPE 마이크로 가공 방법을 결정할 수 있다.
3.4.2.1 금속의 LAMPE 마이크로 가공
도 31의 순서도에 설명된 단계에 따라 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 금속 층을 제작한다.
두께가 10㎛ 미만인 금속 필름을 가공하려면 재료의 흡수 계수와 상관없이 초단파 펄스 레이저를 사용하는 것이 좋다. 초단파 펄스 레이저 마이크로 가공에서 펄스당 마이크로 가공 깊이는 재료의 광학 침투 깊이와 같다. 높은 펄스 에너지와 반복률(100KHz)은 스팟당 충분한 펄스 조사로 이어지며, 그 결과 가공 깊이는 10㎛ 정도가 된다.
전기 디버링(Electro-deburring)
전기 디버링을 수행하는 단계는 다음과 같다.
1. 전해질 선택: 전해질 선택은 디버링 금속에 따라 다르다. 전기 디버링 공정은 전해 연마 및 전기 도금 공정과 유사하므로 전해액의 선택은 전해 연마 또는 전기 도금에 사용되는 것과 동일하다. 다양한 금속에 사용할 수 있는 전해질에 대한 많은 연구가 있다. 이 작업에서 구리는 MEMS 제조에 사용된다. 구리의 경우 전해액으로 14M 인산이 사용된다.
2. 전기 디버링 설정: 레이저 마이크로 가공 구리 부품은 양극에 연결되고 다른 구리 시트는 음극에 연결된다. 두 전극 모두 4M 인산 용액에 담근다.
3. 전기 디버링 전압 선택: 버를 제거하려면 올바른 전압을 설정하는 것이 중요하다. 도 28에서 볼 수 있듯이 전기 디버링 전압은 버 제거를 보장하기 위해 전기 연마 온도보다 높아야 하다. 전해 연마 공정은 잘 연구되었으며 주어진 금속 및 전해질에 대한 전해 연마 전압 값은 문헌에서 찾을 수 있다. 전기 디버링 전압은 이 값보다 높아야 하다. 이 작업에서 레이저 마이크로 가공 부품의 전기 디버링은 5V에서 30초 동안 수행된다. 일반적으로 전기 디버링 전압은 양극에서 기포가 형성되기 시작하는 전압보다 약간 낮다.
4. 일부 MEMS 장치의 경우 금속의 산화를 방지하기 위해 금 전기도금이 바람직할 수 있다.
5. 전기 디버링 후 레이저 마이크로 가공 부품을 탈이온수로 헹군 다음 이소프로판올로 헹굴 수 있다. 세척된 레이저 마이크로 가공 부품은 실온에서 공기 건조하거나 오븐 내부에서 섭씨 85도에서 건조할 수 있다.
3.4.2.2 실리콘의 LAMPE 마이크로 가공
아래 순서도는 실리콘의 LAMPE 마이크로 가공을 설명한다.
아래 순서도에 설명된 단계에 따라 LAMPE 마이크로 가공을 사용하여 금속 층을 제작한다.
실리콘의 LAMPE 마이크로 가공에서 종횡비를 더 높이려면 HF 증기 환경에서 LAMPE 마이크로 가공을 수행한다. HF 증기는 새로 형성된 SiO2와 반응하여 무색 기체의 사불화규소 SiF4를 형성하며, 이는 효율적으로 제거된다. 이제 재료가 제거됨에 따라 초점을 점차적으로 아래쪽으로 이동하여 마이크로 가공의 깊이를 더 늘릴 수 있다.
3.4.3 다층 조립 및 접합
MALL 공정의 두 번째 단계는 LAMPE 마이크로 가공 라미네이트를 스택 어셈블링(stack assemble) 조립하여 MEM 시스템을 제작하는 것이다. 많은 MEMS의 경우 몇 마이크로미터보다 나은 정렬 정확도가 바람직하다. 다웰 핀과 정렬 구멍을 사용한 라미네이트의 기계적 정렬은 정밀 매크로 제작에 널리 사용된다. 이 방법은 미세 구조 라미네이트를 정렬하고 접합하는 데 사용된다. 이 방법을 사용하여 2.5㎛를 초과하는 정렬 정확도를 시연된다.
도 34a-34d는 정렬 핀 및 정렬 구멍 조립 프로세스의 개략도를 보여준다. 정밀한 핸드 조립은 긴 작업 거리(working distance)와 큰 초점 심도를 가진 접안렌즈가 없는 실체 현미경으로 수행된다[85]. 현미경은 멀티 렌티큘러 기술을 사용하여 진정한 깊이 인식을 제공하여 손과 눈의 협응을 돕는다. 결과적으로 마이크로 어셈블리 프로세스를 촉진한다.
508㎛ 직경의 정밀 연마 정렬 핀 4개가 정렬에 사용된다. 정렬 핀과 정렬 구멍 사이의 간격은 정렬 정확도를 결정하므로 최소화해야 하다. 주어진 정렬 핀에 대해 먼저 일련의 구멍이 마이크로 가공된다(도 34a). 그 후, 정렬 핀이 삽입되고 핀과 구멍 사이의 간격이 측정된다(도 34b). 마지막으로, 정렬 구멍을 마이크로 가공하는 데 사용되는 최소 간격(도 34c)을 제공하는 구멍에 대한 레이저 마이크로 가공 설정이다.
정렬 정확도를 특성화하기 위해 정렬 표시가 있는 두 개의 레이어를 조립하고 접합한다. 접합된 층은 후면에서 조명되고 정렬 표시는 광학 현미경을 사용하여 연구된다. 도 34d의 삽입도는 2개의 정렬된 마크를 통해 투과하는 이면조사된 광을 나타낸다. 슬릿의 폭은 10㎛이고, 정렬된 두 마커 사이의 겹침은 75% 이상이다. 그 결과 얼라인먼트 정확도가 2.5㎛보다 우수하다는 결론을 내릴 수 있다. 라미네이트에 수동 정렬 기능을 생성하여 정렬 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다[86][87][88].
정렬된 층은 Dupont FR1500 및 3M 열접착 필름 583 접착 시트를 사용하여 접합된다. 접착을 위해 Dupont FR1500은 장치 설계에 따라 185℃에서 5-20분 동안 경화된다. 유사하게, 3M 열접착 필름(583)은 압력을 이용하거나, 용매를 적용하거나, 120℃에서 가열함으로써 접합될 수 있다. 일부 장치에서는 먼저 접착 시트를 한 층에 택 본딩한 다음 다른 층을 부착하고 적층을 위한 완전한 경화를 수행하는 것이 바람직하다. 택 본딩을 위해 FR1500 시트를 120℃에서 10분간 경화시키고, 3M 열접착 필름 583을 압력 또는 용매 활성화시킨다.
적층 단계는 다음과 같다.
1. 라미네이션 공정을 위해 먼저 접착층을 기재층에 가접착(tack bond)한다. Dupont FR1500 점착층을 택 본딩하기 위해 120℃에서 경화를 진행한다.
2. 접착제가 기판에 가접착(tack bond)되면 지지층이 제거되고 상단 장치 층이 부착된다. 정렬 핀은 정렬에 사용된다. 높은 정렬 정확도가 필요한 장치의 경우 정렬 정확도를 향상시키기 위해 직경 500㎛의 정렬 핀이 사용된다. 그러나 높은 정렬 정확도가 필요하지 않은 장치의 경우 더 두꺼운 정렬 핀(예: 1.5mm 직경의 맞춤핀)을 사용하여 조립 프로세스를 단순화할 수 있다.
3. 정렬되면 라미네이트 구조를 맞춤형 정렬 고정 장치 사이에 끼우고 종이 클립을 사용하여 고정하고 완전 경화를 위해 오븐 내부에 넣는다. 오븐의 온도는 185℃로 설정하고, 장치와 접착층 두께에 따라 5~20분간 베이킹을 한다.
4. 적층 공정 후, 레이저 절단을 사용하여 적층 구조에서 MEMS 장치를 잘라낼 수 있다. 단, 디바이스 개발 중에는 이 단계가 필요하지 않다.
3.4.4 MEMS 장치 테스트
장치를 테스트하는 실제 단계는 장치의 실제 설계에 따라 다르다. 다음은 많은 MEMS 장치에 공통적인 일반적인 단계이다.
1. 장치 제작 후 광학현미경으로 장치를 검사하여 장치의 무결성을 확인하는 것이 좋다.
2. MEMS 장치는 매우 취약하므로 취급에 주의해야 하다. 공기를 불어 건조하거나 먼지 입자를 제거하지 말하야 한다. 장치가 파손될 수 있다.
3. 전기 테스트의 경우 프로브 스테이션 프로브를 사용하여 전기 연결을 만든다. 와이어 본더도 사용할 수 있다. 구리로 만든 장치의 경우 100℃에서 금 볼 본딩을 사용하는 것이 매우 효과적이다.
4. 요약
요약하면, 여기에 공개된 MALL MEMS 제조 공정은 MEMS 제조에 사용되는 기존의 미세 제조 공정을 대체할 수 있다. MALL 프로세스는 광범위한 재료로 MEMS 제조를 가능하게 하여 MEMS 설계, 기능 및 응용 분야의 새로운 패러다임을 강화한다. 또한, MALL 제조에서 소자당 제조 비용은 금속 호일과 같은 저가 제조 재료를 사용하기 때문에 낮다. 이에 반해, 기존의 미세가공에서는 제조 재료가 실리콘으로 크게 제한되어 MEMS의 설계, 기능 및 적용이 제한되고 장치당 제조 비용이 증가한다.
MALL의 개발 시간과 비용은 장치 계층의 독립적인 개발과 손쉬운 통합으로 인해 줄어든다. MALL 프로세스는 개발 비용이 저렴하기 때문에 유일무이하고 수요가 적은 MEMS 시장에 매우 적합하다. 대조적으로, 기존의 마이크로 가공에서 새로운 MEMS 장치를 생성하려면 다양한 재료 증착/식각 공정을 개발하고 통합해야 하므로 개발 시간과 비용이 증가한다. 따라서 장치당 제조원가는 낮지만 장치당 총비용은 크다. 이러한 한계로 인해 MEMS 제품의 상용화는 막대한 수요가 높은 개발 비용을 상쇄할 수 있는 시장에 크게 제한되었다.
MALL 제작의 도구 및 재료 비용은 약 $25,000이며 이는 더 넓은 과학 커뮤니티에서 사용할 수 있다. 이러한 MEMS 제조의 대중화는 새로운 MEMS 시스템의 개발을 촉진할 수 있다. 전통적으로 새로운 MEMS 장치의 연구 및 개발은 장비 소유 비용이 높기 때문에 일부 산업 및 대학에 국한되었다.
본 발명의 특징을 이해하는 데 도움이 되도록 여러 설명 및 예시가 제시되었다. 당업자는 본 발명의 정신을 벗어남이 없이 수많은 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이들 각각의 변경 및 변형은 본 발명의 범위 내에 있다.
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Claims (25)

  1. 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법에 있어서,
    각 레이어가 커팅 표면을 가진 복수의 레이어의 물체를 생성하는 단계;
    표면 재료를 용융하여 상기 재료를 기화시키지 않고 배출하거나 상기 표면 재료를 산화시키도록 설정된 강도, 펄스 폭 및 펄스 속도를 가진 펄스 레이저를 사용하여, 각 레이어의 상기 커팅 표면에서 복수의 피쳐를 커팅하는 단계;
    통상의 전해연마 전위보다 높은 전위를 사용하여 묽은 산 용액으로 상기 커팅 표면을 전해 연마하여 상기 커팅 후 각 레이어의 상기 커팅 표면에서 버(burrs)를 제거하는 단계;
    상기 물체를 형성하도록 상기 복수의 레이어를 스택 어셈블링(stack assembling)하는 단계를 포함하는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이어가 금속인 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속이 구리인 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 표면에서 대략 56 uJ의 상기 레이저 펄스 에너지가 대략 32 uJ의 유효 에너지를 생성하는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 레이저는 532nm의 파장과 100mm의 초점 거리의 렌즈를 가지는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 레이저는 대략 12.98 um의 빔 스폿 직경을 가지는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 레이어는 금속 합금인 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이어는 금속, 세라믹, 중합체 및 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 레이어가 자기, 압전, 초전, 열전 또는 초전도인 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 스택 어셈블링 동안 상기 레이어의 정렬을 달성하기 위해 상기 레이어에 복수의 정렬 구멍이 있는 복수의 정렬 핀을 사용하는 단계를 더 포함하는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 버를 제거하는 단계는 인산(phosphoric acid)에서 30초 동안 약 5볼트에서 수행되는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  12. 제1항에 있어서, 각 레이어는 커팅 동안 기판에 접합되거나 기판 상에 전기 도금된 금속 호일인 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상이한 레이어들이 비호환성 물질을 포함하는 레이저 마이크로 가공 및 조립 방법.
  14. 레이저 마이크로 가공 방법으로서,
    재료의 커팅 표면에, 상기 재료를 용융하여 기화시키지 않고 액체 재료를 배출하도록 설정된 강도, 펄스 폭 및 펄스 속도를 가진 펄스 레이저를 사용하여, 복수의 피쳐를 커팅하는 단계;
    노멀 전해 연마(normal electro-polishing) 전위보다 높은 전위를 사용하여, 묽은 산 용액으로 상기 커팅 표면을 전해 연마하여 상기 커팅 후에 상기 커팅 표면에서 버(burrs)를 제거하는 단계를 포함하는 레이저 마이크로 가공 방법.
  15. 제15항에 있어서, 상기 커팅 표면이 금속인 레이저 마이크로 가공 방법.
  16. 제16에 있어서, 상기 금속이 구리인 레이저 마이크로 가공 방법.
  17. 제17항에 있어서, 상기 표면에서 대략 56 uJ의 레이저 펄스 에너지가 대략 32 uJ 유효 에너지를 생성하는 레이저 마이크로 가공 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 레이저는 532nm의 파장과 100mm의 초점 거리의 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로 가공 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 레이저는 대략 12.98 um의 빔 스폿 직경을 갖는 것인 레이저 마이크로 가공 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 커팅 표면이 금속 합금인 레이저 마이크로 가공 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 커팅 표면이 금속, 세라믹, 중합체 및 복합 재료로 이루어진 군에서 선택되는 레이저 마이크로 가공 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 커팅 표면이 자기, 압전, 초전, 열전 또는 초전도인 레이저 마이크로 가공 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 버를 제거하는 단계는 인산(phosphoric acid)에서 30초 동안 약 5볼트에서 수행되는 레이저 마이크로 가공 방법.
  24. 커팅 표면과 후면을 갖는 실리콘 웨이퍼의 레이저 마이크로 가공 방법으로서,
    커팅된 실리콘을 입상 실리콘 산화물로 산화시키도록 설정된 강도, 펄스 폭 및 펄스 속도를 갖는 펄스 레이저를 사용하여 상기 커팅 표면으로부터 로부터 상기 웨이퍼를 통해 후면으로 상기 웨이퍼 상의 복수의 피쳐를 커팅하는 단계;
    실리콘의 부분적인 기화로 인해 상기 커팅 동안 형성된 증기 버블로부터 압력 하에 상기 웨이퍼의 후면으로부터 상기 입상 실리콘 산화물을 배출하는 단계를 포함하는 마이크로 가공 방법.
  25. 실리콘 웨이퍼를 위한 레이저 마이크로 가공 방법으로서,
    커팅된 실리콘을 입상 실리콘 산화물로 산화시키도록 설정된 강도, 펄스 폭 및 펄스 속도를 갖는 펄스 레이저를 사용하여 상기 웨이퍼의 커팅 표면 상의 복수의 피쳐를 커팅하는 단계;
    상기 커팅 후에 상기 웨이퍼를 불화수소산 증기에 노출시켜 상기 입상 실리콘 산화물을 기체 불화규소로 전환함으로써 상기 입상 실리콘 산화물을 제거하는 단계를 포함하는 레이저 마이크로 가공 방법.
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