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KR100429839B1 - 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법 - Google Patents

일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 실리콘층 및 산화물층 또는 질화물층을 포함하여 다층으로 형성된 기판 상에 유로층을 형성시키는 단계; 상기 유로층 상에 덮개층 및 에너지 공급부를 순차적으로 형성시키는 단계; 상기 덮개층 또는 기판 하부에 상기 유로층의 일부가 노출되도록 상기 덮개층 또는 상기 기판 하부를 선택적으로 제거하여 유체 입력구 및 출력구를 형성시키는 단계; 및 상기 유체 입력구 또는 출력구를 통하여 불소를 포함하는 기상의 등방성 식각 물질을 이용하여, 상기 유로층을 선택적으로 제거하여 유체 이동부를 형성시키는 단계;를 포함하는 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법을 제공한다. 따라서, 공정이 간단하며, 소비전력이 작아서 제작 단가를 낮출수 있으며, 일반 산업 분야는 물론, 생물학, 의학 분야에서 기계적으로 작동하는 밸브가 필요없이 정밀한 유량 제어가 가능하다.

Description

일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법{Manufacturing method of micro device by monolithic process}
본 발명은 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 제조 공정에 의해 부품을 정렬 및 접합시키는 공정이 필요없이 일체형으로 제조하는 마이크로 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 의해 제조되는 마이크로 소자를 나타낸 개략적인 단면도로서 구체적으로는 마이크로 펌프를 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 마이크로 펌프의 경우에는 유체가 주입되는 입력구(13), 유체가 토출되는 출력구(17), 상기 유체가 통과하는 밸브(14, 16) 및 이러한 유체가 저장되는 챔버부(15)를 포함한다. 그리고, 상기 유체의 입출력을 조절하기 위하여 에너지 공급부(18)로서, 예를 들어 마이크로 히터를 상기 챔버부(15)에 대응되는 영역에 형성시킨다.
상기 마이크로 펌프의 구동 원리는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같다. 즉, 도 2a에서와 같이 상기 에너지 공급부(18)인 마이크로 히터에 의해 열을 가하게 되면, 챔버부(15) 영역의 버블이 팽창하게 되고, 팽창된 버블의 압력에 의해 챔버부(15) 내의 유체가 출력 밸브(16)로 배출된다. 여기서, 버블이 팽창하는 경우 유체 입력 밸브(14)로도 유체가 방출되지만, 구조상 출력 밸브(16)로 빠져나가는 유량이 더 많다.
그리고, 에너지 공급부(18), 즉 히터에 의한 가열량이 줄어들면 버블이 축소되어 유체가 챔버부(15)로 유입되는데, 이 경우 그 구조상 입력 밸브(14)로 들어오는 유량이 출력 밸브(16)로 유입되는 유량보다 상대적으로 많게 된다.
그러나, 종래 기술에 의해 상기 마이크로 펌프를 제작하는 경우, 유체가 이동하는 밸브(14, 16) 및 챔버부(15)에 유체의 이동을 위한 에너지를 제공하는 에너지 공급부(18)를 각각 따로 제조하게 된다. 그리고, 상기 부품들을 정렬(allign)한 뒤 서로 접합(bonding)시켜야 하므로 제작상의 불편한 점이 있으며, 또한 접합 공정시 마이크로 핀홀(micro pin hole)이 발생할 수 있어 유체의 제어가 어려운 문제점이 있다. 즉, 이와 같이 핀홀이 형성된 경우에는 버블의 팽창시 유체에 힘이 제대로 전달되지 못하여 더욱 많은 소비전력이 필요하게 되며, 유체가 원하는 출력 밸브(16) 및 배출구(17)로 이동하지 않는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여, 마이크로 소자의 제조 방법에 있어서 별도의 정렬 및 접합 공정이 요구되지 않으며, 소비전력이 작아서 제작 단가를 낮출수 있는 일체형 마이크로 소자의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 종래 기술에 의한 마이크로 소자에 관한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 마이크로 펌프의 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 일괄 공정에 의해 제조된 마이크로 소자를 나타낸 사시도이다.
도 4는 상기 도 3의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개하여 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 의한 마이크로 소자의 제조 방법에 대한 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 기판 12... 덮개부
13... 유체 입력구 14... 유체 입력 밸브
15... 챔버부 16... 유체 출력 밸브
17... 유체 배출구 18... 에너지 공급부
19... 홈 20... 실리콘층
21... 산화실리콘층 22... 보호층
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는(가) 실리콘층 및 산화물층 또는 질화물층을 포함하여 다층으로 형성된 기판 상에 유로층을 형성시키는 단계;(나) 상기 유로층 상에 덮개층 및 에너지 공급부를 순차적으로 형성시키는 단계;(다) 상기 덮개층 또는 기판 하부에 상기 유로층의 일부가 노출되도록 상기 덮개층 또는 상기 기판 하부를 선택적으로 제거하여 유체 입력구 및 출력구를 형성시키는 단계; 및
(라) 상기 유체 입력구 또는 출력구를 통하여 불소를 포함하는 기상의 등방성 식각 물질을 이용하여, 상기 유로층을 선택적으로 제거하여 유체 이동부를 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 실리콘층; 및 산화물층 또는 질화물층;을 포함하여 다층으로 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계;는 상기 유로층 주변의 상기 기판 상부 영역을 제거하거나, 상기 유로층의 근접 영역에 홈을 형성시킴으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 유체 이동부는 유체 입력 밸브, 챔버부 및 유체 출력 밸브를 포함하며, 상기 (나) 단계;의 에너지 공급부는 상기 챔버부에 대응되는 상기 덮개층 상에 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계의 상기 에너지 공급부는 금속 화합물 또는 폴리 실리콘을 포함하여 형성시키며, 상기 덮개층은 산화물, 질화물 또는 금속막을 포함하여 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계;의 덮개층은 압전체를 포함하여 형성시키며, 상기 (라) 단계의 상기 불소를 포함하는 기상의 등방성 식각 물질은 XeF2인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 마이크로 소자의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 의한 마이크로 소자의 제조 방법에 의해 제조된 마이크로 펌프의 일실시예를 나타낸 사시도이다. 또한, 도 4는 상기 도 3의Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절개한 단면도를 나타내었다. 여기서는 유체가 이동하는 유체 이동부의 근접부에 홈을 형성하여 제조한 것을 나타내었다. 본 발명에서는 유체가 이동하는 유체 이동부 및 유체 이동을 위한 에너지를 공급하는 에너지 공급부 등을 일체형으로 제작한 것을 특징으로 한다.
도면에 나타낸 바와 같이, 유체 입력구(13), 입력 밸브(14), 챔버(15), 출력 밸브(16) 및 유체 배출구(17) 등의 유로가 기판(11) 및 덮개부(12) 내에 형성되어 있다. 상기 챔버부(15) 상에는 유체의 흐름을 유도하기 위한 에너지 공급부(18)가 포함된다. 여기서, 상기 에너지 공급부(18)는 상기 유로와 별도로 제작하여 상호 정렬 및 접합시킨 것이 아니라 하나의 공정 과정에서 일괄적으로 형성시킨 것이다.
이러한 본 발명에 의한 마이크로 소자의 제조 방법을 도 5a 내지 도 5f를 참고하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 의한 마이크로 소자의 제조 방법에 관한 도면이다.
본 발명에서는 SOI(silicon on insulator) 기판을 이용하거나 실리콘 웨이퍼를 폴리싱(polishing)하여 SiO2막을 형성시켜 사용한다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 먼저 실리콘(20) 및 산화 실리콘(21)을 포함하는 기판(11)에서 상기 실리콘층을 예를 들어, RIE(reaction ion etcher)를 이용하여 유체가 이동할 유체 이동부(14, 15, 16) 부분을 제외하고 제거한다. 여기서는 유체가 이동할 부분과 이동시 벽이 될 부분을 구별하는 것이다. 도 5a에 나타낸 평면도에서는 대량 생산을 고려하여 유로의 경계면 부위에 홈(19)을 형성한 실시예를 나타내고 있다. 이러한 홈(19)을 형성시키는 공정인 일반적인 반도체 공정 기술을 이용하여 마스크 형성, 포토 레지스트 도포, 노광, 현상 및 에칭 과정을 거친 것이다.
다음으로, 도 5b와 같이 에칭 공정이 끝난 뒤 상기 기판(11) 상에 산화물, 질화물 또는 금속막 등을 예를 들어, PECVD 공정에 의해 등방성으로 형성시킨다. 이는 유체가 이동할 경우 유체의 경로에 대한 덮개부(12)를 형성하기 위한 것이다. 이후 공정에서 유로가 되는 부분을 선택적으로 제거하게 되므로, 상기 유로 형성부 및 덮개부(12)에 형성된 물질이 상호 식각 물질에 대해 식각 선택성에 차이가 있는 물질을 사용해야 한다. 예를 들어, 유로가 실리콘으로 형성된 경우에는 특히 XeF2가 식각 물질로 유용하므로 이러한 물질에 대해 식각이 되지 않는 산화물, 질화물 또는 금속막으로 덮개부(12)를 형성시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 5c에 나타낸 바와 같이 상기 덮개부(12) 상의 상기 유체 이동 통로 중 챔버부(15)가 형성된 위치와 대응되는 부분에 에너지 공급부(18)를 형성시킨다. 여기서, 상기 에너지 공급부(18)는 유체를 원하는 위치로 이동시키기 위한 에너지 즉, 열 또는 압력을 공급하게 된다. 이러한 에너지 공급부(18)는, 예를 들어 금속 화합물 또는 폴리 실리콘 등을 형성시켜 발열부로 이용한다. 상기 에너지 공급부(18)는 열에 의한 버블의 팽창 및 수축으로 유체를 이동시킬 수 있게 발열 물질로 형성시킬 수 있으며, 상기 발열 물질 대신 압전체를 형성시켜 압력을 가할 수도 있다.
다음으로, 도 5d에 나타낸 바와 같이 유체의 입력구(13) 및 배출구(17)가 형성될 부분에 홀을 형성시킨다. 상기 유체 입력구(13) 또는 배출구(17)를 위한 홀들은 상기 기판(11)의 상부나 하부에 선택적으로 형성시킬 수 있다. 도 5d에서는 입력구(13)는 기판(11) 하부에, 배출구(17)는 기판(11) 상부에 형성시킨 일실시예를 나타내고 있다. 여기서 상기 입력구(13) 또는 배출구(17)가 형성된 부분 등에 유체의 이동시 벽으로 작용할 부분이 이후 공정에서 사용될 식각 물질에 의해 손상을 입을 우려가 발생할 수 있다. 이 경우에는, 도 5e에 나타낸 바와 같이 유체 이동시 벽으로 작용할 부분의 에칭을 방지하기 위해 보호층(22)을 형성시킨다. 예를 들어, XeF2는 Si에 대한 식각 선택성이 매우 높으므로 유체의 이동 경로의 벽이 될 부분에는 산화물, 질화물 또는 금속막을 형성하여 보호한다.
마지막으로 도 5f에 나타낸 바와 같이 유체의 이동 경로가 될 부분인 입출력 밸브(도 3의 14, 16) 및 챔버부(도 3의 15)에 형성된 실리콘을 선택적으로 제거한다. 상기에서 이미 밝혔듯이 실리콘이 형성된 경우에는 실리콘에 대한 식각 선택성(selectivity)이 뛰어난 XeF2를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 마이크로 소자의 제조에 있어서 소자의 각 부분들의 별도의 정렬 및 접합 공정이 요구되지 않아 공정이 간단하며, 또한 소비전력이 작아서 제작 단가를 낮출수 있는 장점이 있다. 이와 같이 제조된 소자는 일반 산업 분야는 물론, 생물학, 의학 분야에서 기계적으로 작동하는 밸브가 필요없이 정밀한 유량 제어가 요구되는 경우 매우 유용하다.

Claims (8)

  1. (가) 실리콘층 및 산화물층 또는 질화물층을 포함하여 다층으로 형성된 기판 상에 유로층을 형성시키는 단계;
    (나) 상기 유로층 상에 덮개층 및 에너지 공급부를 순차적으로 형성시키는 단계;
    (다) 상기 덮개층 또는 기판 하부에 상기 유로층의 일부가 노출되도록 상기 덮개층 또는 상기 기판 하부를 선택적으로 제거하여 유체 입력구 및 출력구를 형성시키는 단계; 및
    (라) 상기 유체 입력구 또는 출력구를 통하여 불소를 포함하는 기상의 등방성 식각 물질을 이용하여, 상기 유로층을 선택적으로 제거하여 유체 이동부를 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일괄 공정에 의한 마이크로 소자의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (가) 단계;는 상기 유로층 주변의 상기 기판 상부 영역을 제거하거나, 상기 유로층의 근접 영역에 홈을 형성시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 이동부는 유체 입력 밸브, 챔버부 및 유체 출력 밸브를 포함하며, 상기 (나) 단계;의 에너지 공급부는 상기 챔버부에 대응되는 상기 덮개층 상에 형성시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 (나) 단계;의 상기 에너지 공급부는 금속 화합물 또는 폴리 실리콘을 포함하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (나) 단계;의 상기 덮개층은 산화물, 질화물 또는 금속막을 포함하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (나) 단계;의 상기 덮개층은 압전체를 포함하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (라) 단계의 상기 불소를 포함하는 기상의 등방성 식각 물질은 XeF2인 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법.
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