KR100323693B1 - 미세 구조물 제조방법 - Google Patents
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Abstract
마이크로머시닝(micromachining) 공정을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 미세 구조물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 절연층이 형성된 기판상에 사진 묘화 공정 및 식각 공정으로 소정 형상을 갖는 희생층을 형성하고, 희생층의 일부분이 노출되도록 희생층 및 절연층상에 소정 형상을 갖는 씨드층을 형성한다. 그리고, 노출된 희생층상에 후막 감광막을 도포하여 마스크 정렬기 등으로 노광 및 현상하여 도금틀을 형성하고, 씨드층상에 금속층을 선택적으로 도금한 후, 희생층 및 도금틀을 동시에 제거하여 움직이는 금속 구조물을 릴리즈시켜 미세 구조물을 완성한다. 그러므로, 높은 종횡비를 가지고, 양산성 및 제조 원가를 절감하며, 단순화할 수 있는 미세 구조물을 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로머시닝(micromachining) 공정을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 미세 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 일관 공정에 기반한 미세 구조물(microstructures)제작 기술의 발전으로, 유용한 각종 센서 및 액튜에이터, 광학 부품, 고주파(radio frequency)부품 등이 초소형으로 실리콘 등의 기판상에 집적된 형태로 제작되고 있다.
이때, 미세 구조물의 제작 방식은 크게 두 가지로 나뉘어질 수 있다.
첫 번째 방법은 기판을 습식 식각 또는 깊은 실리콘 반응성 이온 식각(deep silicon reactive ion etch) 등의 기술과 양극 접합(anodic bonding) 등의 기술을 조합하여 3차원 구조물을 만드는 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 방법이고, 두 번째 방법은 수 마이크로미터 정도의 두께를 갖는 다결정 실리콘과 같은 반도체나 금속을 희생층 위에 증착하고 형상한 후, 그 희생층을 식각 선택도를 이용하여 제거함으로써, 움직일 수 있는 미세 구조물을 구현하는 표면 마이크로머시닝(surface micromachining) 방법이다.
그러나, 다결정 실리콘과 같은 반도체를 미세 구조물의 재료로 사용하는 표면 마이크로머시닝 방법은 증작되는 구조물의 두께가 공정상의 문제로 제한되기 때문에 구조물의 폭 대 높이비인 종횡비(aspect ratio)가 낮은 값으로 제한되는 단점이 있다.
최근 널리 응용되고 있는 정전기력을 이용한 미세 액튜에이터(micro actuator)에서는 구조물의 종횡비에 의해서 구동 전압 및 출력이 결정되고, 구조물의 벽면(sidewall)을 감지 전극으로 사용하는 용량형 센서에서는 종횡비와 구조물의 두께 또는 높이에 정비례해서 감도가 높아지기 때문에 고감도의 용량형 센서를 위해서는 높은 종횡비(high aspect ratio)를 갖는 구조물의 제작 방법이 매우 중요하다.
또한, 액튜에이터가 액튜에이터 위에 집적된 기능요소를 구동시키기 위한 셔틀(shuttle)의 기능을 하는 경우에는 그 기능요소를 지지할 수 있도록 액튜에이터 구조물의 기계적 강성을 크게 하는 것이 바람직하다.
그리고, 구동/감지 방향으로는 변위가 용이하고 이 방향 이외의 축 방향(cross axis)으로는 변위가 충분히 억제할 수 있도록 높은 종횡비를 유지하는 것 역시 고 정밀도의 센서나 액튜에이터의 성능을 향상시키는데 중요한 문제가 된다.
그러므로, 종래에는 이러한 높은 종횡비를 얻기 위하여 LIGA 방법을 사용하였다.
LIGA 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 싱크로트론(synchrotron)에서 얻는 뢴트겐 선 또는 X 선을 조사하여 여러 차례에 걸친 도포 등의 방법으로 수십에서 수백 마이크로미터 두께를 갖는 PMMA와 같은 X선에 감응하는 레지스트(resist)를 형상(patterning)하고, 형상된 레지스트를 도금틀(mold)로 하여 도금한 후, 그 레지스트를 제거함으로써, 원하는 높은 종횡비를 갖는 구조물을 제작하는 방법이다.
그러나, LIGA 방법은 고가의 X선 광원이 필요하고, 특수 제작되는 고가의 X선 마스크가 필요하며, 여러 차례의 도포 등으로 인하여 양산성을 떨어뜨리는 단점들이 있다.
또한, 종래의 LIGA 방법은 단순히 X선 조사로 생성되는 도금틀에 미세 구조물로 쓰이는 금속을 도금한 후, 그 도금틀을 유기 용액으로 녹여내거나 산소 플라즈마(plasma)로 식각(ashing)해 내는 방법을 이용한다.
그러나, 이 방법은 미세 구조물 전체가 기판에 고정되어 있는 경우에는 매우 실용적이지만, 일부의 구조물은 일정 방향으로 움직이는 자유도를 갖고 나머지는 기판에 고정되어야 하는 다양한 센서나 액튜에이터 등을 구현하기 위해서는 추가적인 공정이 불가피하게 된다.
상기 종래의 미세 구조물 제조방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 종래 기술은 고가의 X선 광원이 필요하고, 특수 제작되는 고가의 X선 마스크가 필요하며, 여러 차례의 도포 등으로 인하여 양산성이 저하되고, 제조 원가가 상승한다.
둘째, 종래 기술은 단순히 X선 조사로 생성되는 도금틀에 미세 구조물로 쓰이는 금속을 도금한 후, 그 도금틀을 제거하기 때문에 일부의 구조물이 일정 방향으로 움직이는 자유도를 가져야 하는 경우에는 추가 공정이 필요하므로 공정이 복잡하다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 높은 종횡비를 갖는 미세 구조물 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 사진 묘화 공정을 이용하여 양산성 및 제조 원가를 절감하는 미세 구조물 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세 구조물의 움직이는 부분과 고정부를 동시에제작하여 공정을 단순화할 수 있는 미세 구조물 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1는 종래 기술에 따른 미세 구조물의 제조 공정을 보여주는 구조단면도
도 2는 본 발명에 따른 미세 구조물의 제조 공정을 보여주는 구조단면도
도 3a는 콤 형태의 미세 구조물을 보여주는 사시도
도 3b는 도 3a의 콤 부분의 단면도 및 평면도의 치수를 보여주는 도면
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 미세 구조물의 제조공정을 보여주는 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 절연층
3 : 희생 금속층 4,5 : 씨드 금속층
7 : 도금틀 8,9 : 금속층
10 : 간극
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 미세 구조물 제조방법은 절연층이 형성된 기판상에 소정 형상을 갖는 희생층을 형성하는 단계와, 희생층의 일부분이 노출되도록 희생층 및 절연층상에 소정 형상을 갖는 씨드층을 형성하는 단계와, 노출된 희생층상에 도금틀을 형성하는 단계와, 씨드층상에 금속층을 도금하는 단계와, 희생층 및 도금틀을 제거하는 단계로 이루어진다.
이와 같은 제조 공정 단계에 의해 마이크로미터 수준의 구조물 평면 치수 조절 정밀도 및 수십 마이크로미터 이상의 구조물 두께를 형성하여 높은 종횡비를 갖도록 구현 할 수 있다.
본 발명은 희생층 패턴과 씨드층 패턴을 사진 묘화 공정 및 식각 공정으로 형성하고, 자외선 영역의 파장을 갖는 반도체 일관 공정용 사진 묘화 장치를 이용하여 도금틀을 형상(patterning)한다. 또한, 이종의 금속을 이용하여 특정한 부분에서만 선택적으로 도금이 진행되도록 구조물 형성을 선택적/자체 정렬 방식(self aligned method)으로 시행하고, 희생층 및 도금틀을 동시에 제거하여 도금된 미세 구조물의 움직이는 영역을 릴리즈(release)시킨다.
이와 같이 사진 묘화 공정을 사용하여 미세 구조물의 움직이는 부분과 고정부를 동시에 제작함으로써, 양산성 및 제조원가가 절감되고, 공정이 단순화된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.
본 발명에 따른 미세 구조물 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 종래와 본 발명의 실시예에 대한 미세 구조물의 공정 방법을 비교해 보면 도 1 및 도 2와 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에서는 X 선을 발생시키는 싱크로트론을 이용하여 후막 X 선 레지스트에 다이아프램 형태로 특수 제작된 노광 마스크를 통하여 원하는 패턴을 전사(transform)하고 이를 현상(develop)하여 도금틀을 제작하는 방식이지만, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 후막 감광제인 SU-8 등을 도포한 기판을 자외선 파장 영역의 노광기 및 반도체 일관 제조 공정에서 널리 쓰이는 포토마스크를 통하여 패턴을 전사한 후, 현상(develop) 공정을 수행하여 도금틀을 형성하는 방식이다.
정전기력이 구동/감지 방식으로 이용되는 측방향 구동(side drive) 액튜에이터나 센서의 경우에는 구동력(actuation force)이나 감도의 척도인 정전용량(capacitance)이 미세 구조물의 측벽면의 높이 t, 수평 방향의 치수-측벽 간의 간극 g, 탄상체 지지부(flexural spring)의 폭의 비인 종횡비에 비례하게 된다.
도 3b에 표시된 치수를 참조하여 이 관계를 식으로 표시하면 다음과 같다.
구동력 : F ∝
정전용량 : C ∝
따라서, 종횡비를 나타내는를 크게 할수록 액튜에이터의 구동력을 크게 하거나 구동 전압을 낮출 수 있고, 감지되는 정전용량을 크게 함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.
그러므로, 본 발명에서는 선택적 도금 기법과 희생층 선택적 식각 기술을 결합하여 도금틀을 제거함으로써, 기판으로부터 릴리즈(release)되어 움직일 수 있는 미세 구조물과 기판에 고정된 미세 구조물의 제작을 동시에 구현할 수 있는 제조방법을 제안한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 미세 구조물의 제조 공정을 보여주는 공정단면도 및 사시도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 절연층(2)이 형성된 기판(1)상에 희생층으로 이용되는 희생 금속층(3)을 필요한 두께만큼 증착한 후 사진 묘화 공정, 습식 또는 건식 식각으로 형상한다.
여기서, 희생 금속층(3) 패턴을 리프트-오프(lift-off) 방법으로 제작할 수도 있다.
그리고, 희생 금속층(3)은 후 공정에서 미세 구조물로 사용될 금속을 도금할 때, 희생 금속층(3)상에는 도금이 진행되지 않는 도금 선택도를 갖는 금속을 사용한다.
예를 들면, 니켈을 구조물용 금속으로 이용할 경우, 희생 금속층(3)은 알루미늄을 사용하면 된다.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이 구조물 금속을 도금할 때 씨드(seed)로 쓰이는 씨드 금속층(4,5)을 증착하고 사진 묘화 공정과 식각 공정을 거쳐 형성한다.
여기서, 씨드 금속층(4, 5)은 희생 금속층(3)을 식각하는 릴리즈 공정에서, 희생 금속층(3)의 식각용 화학 약품에 식각되지 않는 물질을 사용해야 한다.
또한, 씨드 금속층(4)의 패턴은 희생 금속층(3)의 식각을 위해 희생 금속층(3)을 완전히 덮지 않도록 희생 금속층(3)의 일부를 노출시켜야 한다.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이 전면에 후막 감광막을 도포하고, 마스크 정렬기 등을 이용하여 노광한 후, 현상하여 도금틀(7) 형상을 만든다.
여기서, 도금틀(7) 패턴은 후 공정인 릴리즈 공정시에 희생 금속층(3)을 식각하기 위해 식각액이 공급될 수 있도록 희생 금속층(3)을 완전히 덮지 않게 최소한의 오버레이(overlay)를 두도록 설계하여야 한다.
예를 들어, 씨드 금속층(4)과 도금틀(7) 패턴 사이를 약간 떨어지도록 형성하여 희생 금속층(3)이 일부 노출되도록 한다.
이어, 도 4d에 도시된 바와 같이 구조물로 쓰이는 금속층(8,9)를 전해 도금(electroplating)으로 증착한다.
이때, 구조물 금속층(8,9)은 씨드 금속층(4,5)이 있는 특정한 영역에서만 진행되며, 씨드 금속층(4,5)이 증착되지 않고 도금틀이 없는 희생 금속층(3)상에서는 도금이 진행되지 않게 된다.
이 희생 금속층(3)은 도금 진행시, 기판 전면에 걸쳐 공통 전극으로도 활용된다.
그리고, 도 4e에 도시된 바와 같이 희생 금속층(3)을 식각하여 움직이는 구조물인 금속층(9)을 릴리즈(release)시키고 동시에 도금틀(7)을 제거한다.
이때, 움직이는 구조물 금속층(9) 아래의 희생 금속층(3)이 제거되면, 그 금속 구조물은 자유로이 움직일 수 있는 간극(10)이 확보되며, 추가적인 도금틀 제거 공정 없이 미세 구조물을 완성하게 된다.
이어, 희생 금속층(3)의 식각액을 세척해 낸 후, 건조하여 최종적인 미세 구조물을 완성하다.
본 발명의 효과는 선택적 도금을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 움직이는 미세 구조물을 구현하여 측방향 구동 미세 액튜에이터의 구동 전압을 낮추거나 구동력을 증가시킬 수 있고, 측벽면을 감지부로 이용하는 정전 용량형 센서의 감도를 높이게 된다.
특히, 본 발명은 높은 종횡비를 갖는 금속 구조물의 도금틀을 사진 묘화 공정으로 행하여 양산성을 제고할 수 있고, 희생층 식각시 도금틀과 희생층을 동시에 제거하여 공정 수를 줄이고 제조 단가를 낮출 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (5)
- 절연층이 형성된 기판상에 하기의 도금이 진행되지 않는 도금 선택도를 갖는 금속으로 이루어지고 소정 형상을 갖는 희생층을 형성하는 단계;상기 희생층의 일부분이 노출되도록 상기 희생층 및 절연층상에 소정 형상을 갖는 씨드층을 형성하는 단계;상기 씨드층에 대해 일정 간격 떨어져 형성되고 상기 희생층 표면의 일부가 노출되도록 상기 희생층상에 도금틀을 형성하는 단계;상기 씨드층상에 금속층을 도금하는 단계; 그리고,상기 희생층 및 도금틀을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 희생층 패턴과 상기 씨드층 패턴은 사진 묘화 공정 및 식각 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 씨드층은 상기 희생층 제거를 위한 에천트(etchant)에 식각되지 않는 금속인 것을 특징으로 하는 미세 구조물 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도금틀은 후막 감광막인 것을 특징으로 하는 미세 구조물 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속층의 도금은 전해도금(electroplating)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 제조방법.
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Also Published As
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| KR20000074405A (ko) | 2000-12-15 |
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