KR100934876B1

KR100934876B1 - Ｌｉｇａ공정의 도금방법

Info

Publication number: KR100934876B1
Application number: KR1020080010260A
Authority: KR
Inventors: 이호영; 서수정
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2010-01-06
Also published as: KR20090084216A

Abstract

본 발명은 미세구조물을 형성하기 위한 몰드를 제조하는 LIGA공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LIGA공정의 도금을 보다 신속하고 효율적으로 수행하도록 하는 LIGA공정의 도금방법 및 도금장치에 관한 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 LIGA공정용 도금방법은, 사진공정에 의해 레지스트 구조물을 형성하고, 이 레지스트 구조물의 표면을 도금한 후에 레지스트 구조물을 제거함으로써 몰드를 형성하며, 상기 몰드를 이용하여 미세구조물을 사출하는 LIGA공정에 있어서, 분산입자가 현탁된 도금액 내에 상기 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물을 배치하고, 상기 레지스트 구조물을 제1 및 제2 전극 중에서 어느 일측에 접속하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 전극에 전류를 인가함으로써 도금액 내의 이온입자들에 의해 분산입자들을 함께 상기 레지스트 구조물의 표면에 공석시키는 단계를 포함한다.

LIGA, 복합도금

Description

ＬＩＧＡ공정의 도금방법{PLATING METHOD FOR LIGA PROCESS}

일반적으로 리가(LIGA, 이하에서 'LIGA'라 지칭함)공정이라 함은 X-선을 이용한 사진공정(lithography), 전기도금공정(electroforming) 및 사출공정(molding) 등의 세 가지 단계로 이루어진 미세한 가공 기술을 의미하며, 독일어 Lithographie, Galvanoformung 및 Abformung의 첫 글자를 인용한 약자이다.

여기서, X-선을 이용한 사진 공정(lithography)은 X-선용 마스크를 통하여 레지스트(resist)에 X-선을 조사하고 현상하여 미세한 레지스트 구조물(resist structure)을 제작하는 공정이다. 그리고 전기 도금 공정(electroforming)은 제작된 미세한 레지스트 구조물에서 레지스트가 제거된 부분에 전기 도금을 이용하여 금속을 성장시켜 채운 후 나머지 레지스트를 제거하여 미세한 금속 구조물(metal structure)을 제작하는 공정이다. 또 사출 공정(molding)은 제작된 미세한 금속 구 조물을 몰드(mold)로 이용하여 다양한 형상의 미세구조물을 사출하는 공정이다.

이러한 LIGA 공정의 장점은 레지스트를 노광할 때, 투과성이 우수한 X-선(1~10 Å 범위의 파장)을 광원으로 사용함으로써 수 μm의 폭을 유지하면서도 수백 μm의 높이를 가질 수 있는 레지스트 구조물을 제작할 수 있다는 것이다. 또한 제작된 레지스트 구조물의 벽면에 대한 조도가 30 nm의 범위로 매우 작으므로 광학 부품을 제작하는 데 응용할 수 있다. 이러한 레지스트 구조물을 이용하여 도금에 의한 금속 구조물을 제작할 때 레지스트 구조물과 반대 형상의 금속 구조물을 얻을 수 있으며, 이때 정밀도는 레지스트 구조물과 거의 일치한다.

한편, 이러한 LIGA공정의 전기도금공정은 사진공정에 의해 형성되는 레지스트 구조물의 표면에 금속을 전기도금법에 의해 도금하는데, 도금속도가 빠르지 않아 전체적인 LIGA 공정의 작업시간이 오래 걸리고, 이에 대량생산이 양호하지 못한 단점이 있었다. 또 종래의 전기도금공정에 의해 형성된 금속구조물은 강성, 강도, 경도, 내마모성, 내열성, 내식성, 윤활성, 연마성, 비점착성 등의 물성이 취약하여 몰드로서의 사용수명이 매우 짧을 뿐만 아니라 정밀한 미세구조물의 제작이 어려운 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, LIGA공정 중의 도금속도를 단축시킴으로써 LIGA공정 전체의 공정시간을 단축함과 더불어 제조비용을 절감할 수 있는 LIGA공정용 도금방법 및 도금장치를 제공하는 데 목적이 있다.

또 본 발명에 의해 성형되는 금속 구조물의 재질특성을 향상시킴으로써 몰드로서의 사용수명 연장뿐만 아니라 보다 정밀한 미세구조물 형성에 기여할 수 있는 LIGA공정용 도금방법 및 도금장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 LIGA공정용 도금방법은, 사진공정에 의해 레지스트 구조물을 형성하고, 이 레지스트 구조물의 표면을 도금한 후에 레지스트 구조물을 제거함으로써 몰드를 형성하며, 상기 몰드를 이용하여 미세구조물을 사출하는 LIGA공정에 있어서,

분산입자가 현탁된 도금액 내에 상기 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물과 제1 및 제2 전극을 배치하고, 상기 레지스트 구조물을 상기 제1전극에 접속하는 단계; 및

상기 제1 및 제2 전극에 전류를 인가함으로써 도금액 내의 이온입자들과 함께 분산입자들을 상기 레지스트 구조물의 표면에 공석(codeposition)시키는 단계를 포함한다.

분산입자가 현탁되어 있는 도금액 내의 이온입자들은 분산입자를 감싸면서 이온구름(ionic clouds)을 형성하며, 이렇게 형성된 이온구름 및 분산입자들은 레지스트 구조물을 제1 전극에 접속한 후에 제1 및 제2 전극에 전류가 인가되면 전기영동의 원리에 의해 레지스트 구조물의 금속시드층(metal seed)으로 이동하고, 이들 이온구름 및 분산입자들은 확산, 환원, 흡착단계 등을 순차적으로 거쳐 레지스트 구조물의 표면에 이온입자 및 분산입자들이 함께 공석됨으로써 기지금속(matrix, 제1상) 내에 분산입자(제2상)들이 분산된 형태의 복합도금층을 형성한다. 이에 따라 도금액의 이온입자들 뿐만 아니라 도금액 내에 현탁된 분산입자들이 함께 레지스트 구조물의 표면에 공석됨에 따라, 도금공정이 신속하게 진행된다. 그 결과 금속 구조물(즉, 몰드)이 신속하고 정밀하게 제조됨으로써 전체 LIGA공정의 공정시간이 대폭 단축될 뿐만 아니라 제조비용도 대폭 절감된다.

분산입자로는 비금속 또는 금속물질 모두 가능하며, 미세한 분말 및/또는 미세한 섬유상 형태로 이루어진다. 여기서 분산입자의 종류에 따라 금속구조물(즉 몰드)은 강성, 강도, 경도, 내마모성, 내열성, 내식성, 윤활성, 연마성, 비점착성 등 물성이 향상됨으로써 사용수명이 연장된다. 분산입자는 SiC, B₄C, Cr₂₃C₆, TaC/Ta₂C, TiC, WC, ZrC, Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Cr₃B₂, TaB₂, TiB/TiB₂, BN, Si₃N₄, TaSi_2,Al, Si, C 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

도금액에 현탁된 분산입자는 전기영동에 의해 레지스트 구조물의 표면으로 이동할 때 바닥에 가라앉지 않을 정도의 크기로 이루어짐이 바람직하다. 이에 의해 전해도금 시 분산입자들이 바닥에 가라앉아버림으로써 도금속도가 낮아지는 현상을 방지할 수 있다.

분산입자의 크기는 10 nm 내지 100 μm 정도가 바람직하고, 도금액 내에 함유되는 분산입자의 농도는 10 내지 100 g/ℓ가 바람직하다. 또 분산입자는 도금액과 반응하지 않는 동시에, 도금액에 용해되지 않은 물질로 이루어짐이 바람직하다.

한편, 본 발명의 LIGA공정용 도금장치는,

분산입자들이 현탁된 도금액이 충전된 도금조;

상기 도금조 내에 배치되는 제1 및 제2 전극; 및

상기 도금조의 제1 및 제2 전극에 전류를 인가하는 전원부를 포함하고,

상기 제1전극에 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물이 접속되는 것을 특징으로 한다.

상기 도금조는 내부에 분산입자와 도금액의 현탁상태를 일정하게 유지시키는 교반기를 가질 수 있다.

그리고 도금조는 내부로 분산입자가 현탁된 도금액을 재순환시키는 순환기구를 더 포함하고, 순환기구는 도금조의 측면에 배치된 임시저장통 및 상기 임시저장통으로부터 도금조로 분산입자가 현탁된 도금액을 되돌리는 배관 및 순환펌프를 가진다.

본 발명은, 미세구조물의 형성을 위한 LIGA공정에 이용되는 도금공정을 매우 신속하게 진행할 수 있고, 이에 금속 구조물(즉, 몰드)의 제조가 신속하고 정밀하게 이루어짐으로써 전체 LIGA공정의 공정시간이 대폭 단축될 뿐만 아니라 제조비용 또한 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의해 성형되는 금속 구조물의 재질특성이 향상됨으로써 몰드로서의 사용수명 연장뿐만 아니라 보다 정밀한 미세구조물 형성에 기여할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIGA공정의 도금방법을 도시한 공정도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 도금방법은 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물(10)을 도금조(20) 내에 배치하는 레지스트 구조물 배치단계(S1), 상기 레지스트 구조물(10)에 도금을 수행하는 도금단계(S2), 상기 도금이 완료된 후에 상기 레지스트 구조물(10)을 제거함으로써 몰드(15)를 완성하는 레지스트 구조물 제거단계(S3)를 포함한다.

[레지스트 구조물 배치단계(S1)]

도 2에 나타난 바와 같이, 도금조(20) 내에는 미세한 분말 또는 미세한 섬유상의 분산입자가 현탁된 도금액이 충전되어 있다. 또 도금조(20) 내에는 제1 및 제2 전극(21, 22)이 배치되어 있다. 여기서, 분산입자는 SiC(내마모성/윤활성 향상), B₄C(강도/내마모성 향상), Cr₂₃C₆,(강도/내마모성 향상), TaC/Ta₂C(강도/내마모성 향상), TiC(강도/내마모성 향상), WC(강도/내마모성 향상), ZrC(강도/내마모성 향상), Al₂O₃(연마/내마모성/윤활성 향상), Cr₂O₃(연마/내마모성/윤활성 향상), Fe₂O₃(연마/내마모성/윤활성 향상), SiO₂(연마/내마모성/윤활성 향상), ZrO₂(내열성 향상), Cr₃B₂(강도/내마모성/윤활성 향상), TaB₂(내열성 향상), TiB/TiB₂(내열성 향상), BN(고온/내마모성/윤활성 향상), Si₃N₄(절연성 향상), TaSi₂(내열성 향상), Al(합금성분), Si(합금성분), C(합금성분, 윤활성 향상) 중에서 그 용도에 따라 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 이 분산입자는 도금액과 반응하지 않음과 더불어 도금액에 용해되지 않는 재질로 이루어진다. 본 실시예에서는 분산입자로는 99.5%의 순도를 가진 알루미늄입자를 사용하였다. 알루미늄입자의 크기는 10~75 μm였고, 알루미늄입자의 농도는 20~100 g/ℓ이었다.

한편, 도 3에 나타난 바와 같이 도전성 기판(11)의 표면에 적층된 레지스트층을 사진공정(lithography)에 의해 소정 패턴으로 식각함으로써 레지스트 구조물(10)을 형성한다. 그리고 이 레지스트 구조물(10)의 식각된 부분에는 도금공정을 위한 금속시드층(metal seed layer, 12)이 형성되고, 이 금속시드층(12)은 레지스트층의 식각 전 또는 후에 형성될 수 있다.

이와 같이 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 음극인 제1전극(21)에 접속된다.

[도금단계(S2)]

본 실시예에서 도금액으로는 고속도금용 고농도 설파민산니켈 전해질을 주요성분으로 하는 용액을 사용하였다. 그 구체적인 조성은 아래 표 1과 같다.

설파미니산니켈 도금용액의 조성 및 함량

구분	설파민산 니켈 (Ni(NH₂SO₃)₂4H₂O)	붕산(H₃BO₃)	염화니켈(NiCl₂·6H₂O)
함량(g/ℓ)	400~500	35~40	2~5

전원부(24)를 통해 도금조(20)의 제1 및 제2 전극(21, 22)에 전류를 인가하면, 도 4에 나타난 바와 같이 이온입자들로 형성된 이온구름(ionic clouds, 27) 및 분산입자(28)들은 전기영동의 원리에 의해 레지스트 구조물(10)의 금속시드층(12)으로 이동한다.

구체적인 도금 공정 조건은 아래와 같았다.

설파민산니켈 도금의 공정조건

구분	전류밀도 (A/dm²)	pH	온도 (℃)	교반속도 (rpm)	도금시간 (min)
조건	12~17	4~5	55~65	400~800	60

한편 도 2를 참고하여 도금장치를 좀 더 자세히 설명하면 아래와 같다.

도금장치는 분산입자들이 현탁된 도금액이 충전된 도금조(20), 상기 도금조(20) 내에 배치된 제1 및 제2 전극(21, 22), 상기 제1 및 제2 전극(21, 22)으로 전류를 인가하는 전원부(24)을 포함한다. 도금조(20)는 약 4ℓ의 작업용적을 가진 셀로 제작하였다.

제1전극(21)에는 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물(10)의 기판(11) 및 금속시드층(12)이 접속된다. 전원부(24)를 통하여 전류를 공급할 수 있다.

한편 도금조(20)는 내부에 분산입자와 도금액의 현탁상태를 일정하게 유지시키는 교반기(29)를 가지고, 또한 도금조(20)는 도금액을 순환시키는 순환기구(40)를 더 포함할 수 있다. 순환기구(40)는 도금조(10)의 측면에 배치된 임시저장통(41), 임시저장통(41)과 도금조(10) 사이에 연결된 순환배관(42), 상기 순환배관(42)에 설치된 순환펌프(43)를 포함한다.

이러한 순환기구(40)에 의해 도금액이 연속적으로 도금조(10)로 순환됨에 따라 분산입자는 도금액 내에 균일하게 분산되고, 이에 의해 분산입자는 복합도금층(14)의 기지금속에 균일하게 분산될 수 있다.

그리고 이러한 이온구름(27) 및 분산입자(28)들은 확산, 환원, 흡착단계 등을 차례로 거쳐 레지스트 구조물(10)의 표면에 공석됨으로써 기지금속 내에 분산입자(28)들이 분산된 형태의 복합도금층(14)이 형성된다(도 5).

[레지스트 구조물 제거단계(S3)]

상술한 공정 S1, S2를 거쳐 레지스트 구조물(10)의 표면에 복합도금층(14)이 형성된 후에는 상기 레지스트 구조물(10)을 제거한 후에 평탄화작업을 함으로써 도 6에 예시된 바와 같이 소정 형상의 몰드(15)가 완료된다.

이러한 공정을 거쳐 형성된 복합도금층 형성 공정에서 알루미늄입자의 농도 및 크기에 따른 복합도금층 형성 속도를 조사하여 아래 표 3과 같은 결과를 얻었다.

	복합도금층의 형성속도(μm/min)
크기＼농도	20 g/ℓ	30 g/ℓ	40 g/ℓ	50 g/ℓ	100 g/ℓ
10 μm	7.62	8.42	8.19	4.61	6.37
30 μm	8.29	7.54	7.67	8.40	7.59
50 μm	8.37	11.43	12.98	12.04	11.26
75 μm	3.06	3.15	3.89	11.47	7.06

10 μm 크기의 알루미늄입자의 경우, 입자가 첨가되어 복합도금될 경우 입자가 첨가되지 않은 경우에 비하여 도금속도는 항상 크다. 입자농도가 증가함에 따라 도금속도는 감소하는 경향을 보였다. 30 μm 크기의 알루미늄입자의 경우, 실험범위 내에서는 입자농도에 관계없이 거의 일정한 도금속도를 보였다. 50 μm의 크기의 알루미늄입자의 경우, 입자농도 40 g/ℓ까지는 입자농도가 증가함에 따라 도금속도가 증가하였고, 40 g/ℓ 이상의 입자농도에서는 도금속도가 감소하였다. 75 μm크기의 알루미늄입자의 경우, 입자농도가 증가함에 따라 도금속도는 완만히 증가하는 경향을 보였다. 가장 높은 도금속도를 보인 것은 50 μm의 크기의 알루미늄입자를 40 g/ℓ의 농도로 사용하였을 경우이다.

이상 본 발명을 특정 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 범위 안에서 다양한 변형예를 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 특정 실시예가 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 그 권리범위가 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIGA공정용 도금방법을 도시한 공정도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIGA공정용 도금장치를 도시한 구성도이다.

도 3은 본 발명에 이용되는 레지스트 구조물을 예시적으로 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 도금방법에 의해 레지스트 구조물의 표면이 도금되는 과정을 원리적으로 도시한 개념도이다.

도 5는 본 발명의 도금방법에 의해 레지스트 구조물의 표면에 복합도금층이 형성된 상태를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 도금방법에 의해 형성된 금속구조물(몰드)을 예시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

10: 레지스트 구조물 20: 도금조

21, 22: 제1 및 제2 전극 24: 전원부

Claims

사진공정에 의해 레지스트 구조물을 형성하고, 이 레지스트 구조물의 표면을 도금한 후에 레지스트 구조물을 제거함으로써 몰드를 형성하며, 상기 몰드를 이용하여 미세구조물을 사출하는 LIGA공정에 있어서,

분산입자가 현탁된 도금액 내에 상기 사진공정에 의해 형성된 레지스트 구조물과 제1 및 제2 전극을 배치하고, 상기 레지스트 구조물을 상기 제1전극에 접속하는 단계; 및

상기 제1 및 제2 전극에 전류를 인가함으로써 도금액 내의 이온입자들에 의해 분산입자들을 함께 상기 레지스트 구조물의 표면에 공석시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항에 있어서,

상기 분산입자가 분말 및/또는 섬유상 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항에 있어서,

상기 분산입자는 SiC, B₄C, Cr₂₃C₆, TaC/Ta₂C, TiC, WC, ZrC, Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Cr₃B₂, TaB₂, TiB/TiB₂, BN, Si₃N₄, TaSi_2,Al, Si, C 중에서 선택 되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 도금액에 현탁된 분산입자는 전기영동에 의해 레지스트 구조물의 표면으로 이동할 때 바닥에 가라앉지 않을 정도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 분산입자의 크기가 10 nm 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 도금액 내에 함유되는 분산입자의 농도가 10 내지 100 g/ℓ인 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 분산입자가 상기 도금액과 반응하지 않음과 더불어 도금액에 용해되지 않는 물질인 것을 특징으로 하는 LIGA공정용 도금방법.
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