Development of a Novel Fabrication Process for Multi-layered Microstructures using a Micro Milling and Deep X-ray Lithography

마이크로 밀링과 X-선 리소그래피 공정을 이용한 다층 마이크로 구조물 제작 공정 개발

Development of a Novel Fabrication Process for Multi-layered Microstructures using a Micro Milling and Deep X-ray Lithography

김종현^1,2,,*, 장석상², 임근배^1,3,*

Jong Hyun Kim^1,2,,*, Suk Sang Chang², and Geunbae Lim^1,3,*

1 포항공과대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, POSTECH) 2 포항공과대학교 포항가속기연구소 (Pohang Accelerator Laboratory, POSETECH) 3 포항공과대학교 융합생명공학과 (Department of Integrative Bioscience and Biotechnology, POSTECH)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-54-279-1568

*These authors equally contributed as corresponding authors

Manuscript received: 2013.10.7 / Revised: 2014.2.10 / Accepted: 2014.2.17

Conventional machining technologies such as a milling process have limitations in accuracy to fabricate microstructures. Deep X-ray lithography using the synchrotron radiation is a promising micromachining process with an excellent accuracy, whereas there are difficulties in the fabrication of multi-layered structures. Therefore, it is mainly used for fabricating simple mono- layered microstructures with a high aspect ratio. In this study, a novel technology for fabricating multi-layered microstructures is proposed by combining two processes. In advance, an X-ray resist material is cut and machined into various shapes and heights by the micro milling process.

Subsequent X-ray irradiation process facilitates the fabrication of multi-layered microstructures.

The proposed technology can overcome the limitation of the pattern accuracy in conventional milling process and the difficulty of the multi-layered machining in x-ray process. The usefulness of the proposed technology is demonstrated in this study by applying the technique in the realization of various multi-layered microstructures.

Key Words: Deep X-ray lithography (X-선 사진식각공정), Micro milling (마이크로 밀링), Multi layer (다층 구조), Microstructures (마이크로 구조물), Pattern alignment (형상 정렬)

1. 서론

최근 들어 수많은 부품 및 소자들이 초소형화 및 정밀화됨에 따라 초정밀 가공 및 부품 제작에 관한 연구 또한 더욱 활발하게 진행되고 있다. 이 러한 초정밀 가공법으로는 전통적인 절삭 가공 방 법인 마이크로 밀링(micro milling),¹ 선반 가공, 미 세 방전 가공(micro electro discharge machining)² 등

이 있고, 마이크로 나노 시스템 제작을 위한 초소 형 머시닝(micro machining),³ 광조형 기술(stereo lithography),⁴ MEMS(Micro-electro-mechanical system)⁵ 등의 리소그래피(lithography) 기반 기술 등도 많이 연구, 개발되고 있다. 초정밀 가공 기술은 각종 정 밀 부품뿐 아니라 광학, 화학, 생명공학 등 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있으며 향후 응용 분야 가 더욱 증가할 것이 예상된다.

리소그래피 공정(lithography, 독일어로 LIthographie) 과 금속 전주 도금 공정(electroforming, 독일어로 Galvanoformung) 및 이에 기반한 대량 성형 공정 (molding, 독일어로 Abformung)을 독일어의 머리말 을 조합하여 리가(LIGA) 공정이라고 일컫는데,^6,7 수µm에서 수mm 두께에 달하는 정밀한 초미세 구 조물 혹은 소자를 제작하는 기술로서 알려져 있 다.⁸ 리가 공정은 방사광 가속기에서 발생하는 짧 은 파장의 X-선을 이용하여 정밀 가공에 이용하므 로 일반적인 기계 가공을 이용하였을 경우보다 훨 씬 정밀하고, 표면 조도가 우수한 부품들의 가공 이 가능하다.^9-11 일반적인 자외선 리소그래피(UV photolithography) 기술을 이용하여 초소형 크기의 정밀 부품 혹은 센서 등을 제작할 때 패턴 두께 혹은 구조물의 고폭비(aspect ratio)가 제약적인 데 반하여 X-선을 이용할 경우 보다 높은 고종횡비 (high aspect ratio)의 구조물의 제작이 가능하기 때 문에 정밀 부품의 가공기술로써 보다 적합하다 할 수 있다.

이러한 X-선 기반의 마이크로 형상 가공 기술 은 위에서 언급한 장점이 있는 반면 기본적으로 X-선 공정에서 선택적으로 X-선을 차폐하여 구조 물을 제작하기 위한 X-선 마스크(X-ray mask)가 광 학적으로 불투명하기 때문에 다층 구조의 정밀 형 상을 제작하기에는 어려움이 있다.^12,13 본 논문에 서는 일반적인 리가 공정을 이용할 경우 어려움이 있는 다층 구조의 마이크로 구조물(multi-layered microstructures)을 절삭 가공 방식인 마이크로 밀링 공정과 리가 공정을 융합하여 구현하는 공정을 개 발하고자 하였다. 또한, X-선 공정 시 마스크의 불 투명함으로 인한 패턴의 정렬에 대한 어려움도 이 러한 두 가지 가공 기술을 융합하여 해결하고자 하였다. 이에 따라 기존의 리가 공정에서 구현하 지 못한 다양한 형상 제작의 구현을 시도하였고, 고종횡비 및 우수한 표면 조도를 지니는 X-선 공 정의 특징을 유지하면서 공정 자유도를 향상시키 고자 하였다.

2. 다층 마이크로 구조물의 제작 실험 2.1 다층 마이크로 구조물 제작 원리

언급한 바와 같이 X-선을 이용한 마이크로 구 조물 제작 공정에서도 일반적인 UV 공정과 마찬 가지로 빛을 선택적으로 차폐하기 위한 마스크가

요구된다. UV 공정에서 유리 혹은 석영 재질의 기 판 위에 크롬(Chrome)과 같은 얇은 금속 박막을 패터닝(patterning)함으로써 선택적으로 UV 를 차단 하는 역할을 하는 포토 마스크(photo mask)처럼, X- 선 마스크는 X-선을 선택적으로 차폐할 수 있어야 한다. X-선은 UV와는 달리 짧은 파장으로 인한 물 질과의 상호 작용이 적고, 투과성이 매우 높은 성 질이 있다. 이러한 이유로 X-선을 차폐하기 위한 물질로는 X-선과의 산란효과가 높아서 X-선이 쉽 게 투과하지 못하는 텅스텐(tungsten), 혹은 금 (gold)과 같은 중금속 기반의 물질이 주로 사용된 다. 반대로, X-선을 잘 투과시키기 위한 마스크 기 판으로는 실리콘 산화막(SiO2) 혹은 실리콘 질화막 (Si₃N₄)과 같은 멤브레인(membrane)이 주로 사용된 다. 근래에 들어서는 복잡한 공정이 요구되는 멤 브레인 대신 베릴륨(beryllium) 혹은 흑연(graphite) 기판이 사용되기도 한다.¹⁴ 이 때 사용되는 X-선 마스크 기판은 광학적으로 불투명하므로, UV 공정 에서 사용되는 현미경을 이용한 광학식 정렬은 X- 선 공정에서는 불가능하게 되고, 이에 따라 X-선 을 이용한 마이크로 패턴 제작에 있어서 다층 구 조를 제작하기 위해서는 많은 제약이 따른다.

본 논문에서는 X-선을 이용하여 다층 구조의 마이크로 구조를 제작하기 위하여 Fig. 1과 같은 방법을 이용하고자 하였다. 먼저 마이크로 밀링을 이용하여 제작하고자 하는 기판의 두께를 적당하 게 가공한다. 이후 기판을 X-선 마스크와 결합하 여 X-선 노광 공정을 수행한다. 패턴을 정렬하기 위하여 광학적인 정렬이 불가능하므로, 정렬이 필 요한 경우에는 기판과 마스크의 동일한 위치에 밀 Fig. 1 Fabrication concept of multi layered micro- structures using a micro milling and deep x-ray lithography

링을 이용한 정렬용 홀(align hole) 가공을 함께 수 행하고, 정렬용 핀(align pin)을 이용하여 결합한다.

이러한 방법을 이용하면 일반적인 X-선 가공에서 는 불가능한 마스크-기판의 정렬을 수행할 수 있 다. 이후 X-선 노광 공정 및 현상을 실시하여 다 층 구조의 마이크로 패턴들을 구현한다.

2.2 X-선 마스크의 설계 및 제작

본 연구에서 X-선 마스크는 여러 형태의 다층 구조물을 제작하기 위하여 원형, 직사각형 및 기 타 미세 형상 등 다양한 크기와 구조를 지니도록 설계하였다. 마스크 기판 물질은 실리콘 산화막과 같은 멤브레인 막을 이용하는 대신, X-선 투과도가 매우 우수하면서도 비용이 저렴한 폴리이미드 필 름(polyimide film)을 이용하였다.^15,16 사용한 마스크 기판 물질인 200 µm 두께의 폴리이미드 필름에 대 한 X-선 투과도(X-ray transmittance)를 Fig. 2에서 보 여주고 있다.

폴리이미드 필름의 경우 휘어지는 성질이 있으 므로 실리콘(silicon) 기판에 접착한 후 일반적인 UV 공정을 이용하여 마스크 패턴 제작을 수행한 다. 먼저 폴리이미드 필름을 4인치 실리콘 웨이퍼 (wafer)에 접착하였다. 이후 폴리이미드 필름 표면 에 전주 도금 공정에서 활용하기 위한 도금 씨앗 층(seed layer)으로써 티타늄/금(Ti/Au) 층을 20 nm/100 nm 두께로 진공 증착하였다. 해당 기판에 음성 감광재의 일종인 SU-8 3010(MicroChem Corp.) 을 회전 도포하고, UV 노광 및 현상을 수행하여 마이크로 패턴을 형성 후, 전주 도금을 통하여 금 층(Gold layer)을 약 14 µm 두께로 형성하였다. 도

금이 완료된 마스크는 실리콘 기판으로부터 분리 하였고, 이를 X-선 노광 공정에서 활용하였다. Fig.

3은 제작한 X-선 마스크와 현미경으로 확대된 패 턴 형상을 보여준다.

2.3 기판의 제작

X-선 공정에서 주로 사용되는 감광재는 PMMA (polymethyl methacrylate)라고 불리는 아크릴 수지이 다. UV 공정과는 달리 액상상태가 아니라 박판 (sheet) 형태로도 활용이 가능한데, 본 연구에서는 두께 1.1 mm의 PMMA 박판을 실험 재료로 활용하 였다. 기판과의 접합을 위하여, 액상 형태의 PMMA 용액(PMMA 950C9, MicroChem corp.)을 티 타늄 혹은 흑연 기판 위에 회전 도포한 후 1.1mm 두께의 PMMA 박판을 위치시키고, 두 물질의 계 면에 MMA (methyl methacrylate) 용액을 주입하여

5000 10000 15000 20000 25000 30000 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Transmittance

Photon energy (eV)

Polyimide (200um)

Fig. 2 X-ray transmittance of a polyimide film with 200um thickness

Fig. 3 Photograph of the fabricated x-ray mask and its microscopic view

Fig. 4 Pre-patterned PMMA structures on the graphite substrate using the micro-milling

PMMA 박판을 접합한 후에는 표면을 마이크로 밀링을 이용, 두께 가공을 실시하였다. 1.1 mm 두 께의 PMMA 를 0.3 mm, 0.5 mm 내지 0.7 mm 깊이 등 다양한 깊이로 절삭 가공하였다. 500 µm 엔드밀 (end mill)을 사용하였고, 따라서 500 µm 정도의 최 소 직경을 지니는 다양한 패턴을 깊이를 달리하면 서 가공할 수 있었다. Fig. 4는 밀링 가공 후의 PMMA 감광재 및 기판을 보여준다.

2.4 X-선 노광 공정 및 제작

X-선 마스크를 이용하여 X-선 노광 공정을 실 시하였다. X-선을 기반으로 한 리가 공정은 국내 유일의 방사광 가속기인 포항 가속기연구소(Pohang Light Source)의 9D 엑스선 나노/마이크로 머시닝 빔라인(XNMM, nano/micromachining beamline)에서 수행하였다. 두께 가공된 PMMA 위에 X-선 마스 크를 부착하고, 마스크와 감광재를 진공 흡착용 폴리이미드 필름으로 덮어준다. 마스크 및 기판 내부에 진공을 가함으로써 마스크와 기판이 서로 진공 접착되고, 이후 빔라인에서 X-선 노광을 실 시하였다.

일반적으로 고에너지 X-선의 경우 X-선이 감광 재를 투과한 후 기판과의 충돌로 인하여 2차 형광 (secondary radiation) 및 형광 X-선(florescent X-ray) 등을 유발하여 형상 정밀도를 약화시킬 수 있다.¹⁷ 반면 저에너지 X-선의 경우 감광재 상부에 누적 노광됨으로써 기판의 변형 및 열팽창을 야기하기 도 한다. 그러므로 정확한 형상 가공을 위해서는 이를 적절히 조절하여야 한다. 고에너지 X-선을 제거하기 위해서 빔라인에 설치된 전반사를 이용 한 거울 조정기(double mirror system)를 이용하였다.

고정밀 표면 가공된 실리콘 면에 니켈(nickel) 층이 200 nm 두께로 증착된 X-선 반사 거울에 X-선을 0.3도 각도로 입사시키면 약 10 keV 이상의 X-선은 반사되지 못하고, 그 이하의 에너지를 지니는 X- 선만이 전반사를 하게 된다. 이러한 방법으로써 고에너지의 X-선을 제거하고, 약 10keV 이하의 X- 선을 조사하였다. 반면 저에너지 영역의 X-선은 수십 마이크론 두께의 알루미늄(aluminum) 필터를 이용하여 제거하였다. 본 논문에서 사용한 X-선의 파장 대역을 Fig. 6에서 보여주고 있다.

X-선 노광을 완료한 후 현상 공정을 실시하였 다. 현상액은 60 Vol. % diethylene glycol mono buthylether, 20 Vol. % morpholine, 5 Vol % 2-

aminoethanol과 15 Vol. %의 초순수(deionized water) 를 혼합하여 제작하였다. 상온에서 약 10시간 이 상 현상을 실시하여 X-선이 조사된 영역을 모두 제거하였고, 다양한 마이크로 패턴을 얻을 수 있 었다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 7에 제작된 마이크로 구조물의 주사전자현 미경(Scanning electron microscopy, SEM) 사진이 나 타나 있다. Fig. 1에서 언급한 것처럼 마이크로 밀 링 공정을 이용, 감광재가 여러 단차를 지니도록 세로 방향의 선형 패턴을 절삭 가공한 이후, X-선 공정을 수행하였다.

Fig. 5 Photograph of the X-ray experiment after installing the x-ray mask and the substrate

0 10k 20k 30k

0.0 5.0x10¹² 1.0x10¹³ 1.5x10¹³

Flux(photons/sec/mrad/0.1%BW)

Photon energy (eV)

Spectra of PLS 9D Spectra to sample

Fig. 6 Spectra of PLS 9D beamline and irradiated spectra to sample using double mirror system

Fig. 7 SEM images of the fabricated multi-layered microstructures

밀링 가공시 발생하기 쉬운 버(burr)가 Fig. 7의 패턴 가장자리에 나타났으나 심각한 수준은 아니 었다. 그러나, 향후 금속 기판에 마이크로 밀링 가 공 시에는 이러한 문제가 영향을 미칠 수 있으므 로 이를 최소화하기 위한 고찰이 추가적으로 요구 된다. 또한 밀링에 의한 단차 가공은 마이크로 밀 링의 공정 특성 및 가공 정밀도에 따른 한계가 존 재한다. 엔드밀(end mill) 크기가 제한적이므로 엔드 밀 직경 이하의 피치(pitch)를 지니는 마이크로 구 조물의 제작은 용이하지 않았다.

그러나 Fig. 7에서 알 수 있듯이 다양한 단차를 가진 마이크로 구조물을 성공적으로 제작 가능함 을 알 수 있다. 이러한 형상은 일반적인 리가 공 정을 이용할 경우에는 구현할 수 없는 형상이며, 또한 여타의 다른 가공 방법을 이용할 경우에도 제작하기 어려운 구조이다. 전통적 절삭 가공 방 식인 밀링 공정을 이용할 경우에는 리소그래피 공 정 기반의 정밀도 확보가 어렵고, 리가 가공만을 활용할 경우에는 이러한 다단 형상의 복잡한 구조 를 제작할 수 없다. 따라서, 본 연구에서 제시한 방법을 이용할 경우 매우 복잡한 다층 구조의 마 이크로 구조물 제작이 가능함을 알 수 있다.

일반적인 다층 마이크로 구조물을 이용하기 위 해서는 보다 다양한 형태의 제작이 요구된다. 이

를 위해서는 기본적으로 X-선 마스크와 기판 혹은 감광재간의 정렬이 필수적이다. 그러나, X-선 마스 크의 특성상 마스크 기판이 투명하지 않기 때문에 현미경 등을 이용한 광학식 정렬은 가능하지 않다.

따라서, 일반적인 광학식 정렬 방식 대신, 정렬용 핀을 이용하여 다층 마이크로 구조물 제작 실험을 수행하였다.

먼저, X-선 마스크를 제작하기 전 마스크 기판 에 마이크로 밀링을 이용한 정렬용 홀을 제작한다.

X-선 마스크 제작 시에는 제작된 정렬용 홀을 기 준으로 하여 X-선 마스크를 제작한다. 마이크로 밀링을 이용하여 PMMA감광재 가공시에도 X-선 마스크와 동일 위치, 동일 크기의 정렬용 홀을 PMMA감광재에 가공한다. 이후 X-선 실험 시, 마 스크와 감광재에 정렬용 핀을 삽입 및 결합하여 노광을 진행한다. 이 경우 마이크로 밀링 공정과 X-선 마스크 내부의 마이크로 패턴 간에 정렬이 가능하게 된다. Fig. 8는 이러한 방법을 이용한 마 스크와 감광재의 정렬 방법을 보여준다.

Fig. 9는 제안한 방법을 이용하여 구현한 다층 마이크로 구조물을 보여준다. 마이크로 기어(micro gear)의 샤프트(shaft) 구조나 마이크로 링(micro ring) 구조에서 각각의 높이를 다르게 하면서 정렬 Fig. 8 Concept of alignment using the mechanical align

pins

가공이 가능함을 Fig. 9를 통해서 알 수 있다. 일반 적으로 X-선을 이용한 고종횡비 마이크로 구조물 제작 시에 정렬 공정에서의 어려움 때문에 복잡한 형상의 다층 구조의 구현에 어려움이 있어왔다.

본 연구에서 제안한 방법을 이용할 경우 이러한 정렬 공정에서의 어려움을 해결할 수 있기 때문에 다양한 다층 마이크로 구조물의 제작에 활용이 가 능할 것이다.

Fig. 10은 이러한 예로써 높이가 다른 미세 채 널을 제작한 사진이다. 좌측 사진은 미세 채널 (micro channel) 형상 가공 시에 채널 높이가 각기 다른 구조를 제작하였고, 우측 사진은 동일한 채 널 내에서 다양한 높이를 지닌 복잡한 형상을 구 현한 것이다. 채널의 너비와 두께 내지 깊이를 자 유롭게 조절하면서 다양한 구조를 구현할 수 있으 므로, 이러한 공정을 활용할 경우, 미세 유체 시스 템(micro-fluidic system)과 같은 분야로의 응용을 기 대할 수 있다.

4. 결론

본 연구에서는 전통적 절삭 가공 기술인 밀링 공정과 차세대 초정밀 가공 기술 중의 하나인 X- 선 리소그래피 공정을 융합하여 기존 공정으로는 제작할 수 없는 고종횡비 다층 마이크로 구조물 제작 공정을 개발하였다. 이를 이용하여 X-선 리

작의 어려움과 일반적인 마이크로 밀링 공정이 지 니는 정밀도의 한계를 동시에 극복하고, X-선 공정 이 지니는 고종횡비 구조의 제작 및 패턴 정밀도 를 확보하면서 다층 마이크로 구조물을 제작할 수 있었다. 또한, X-선 마스크 및 감광재 간 정렬 공 정을 기계적인 정렬용 핀을 이용하여 수행함으로 써, 정렬이 요구되는 복잡한 다층 마이크로 구조 물을 성공적으로 제작하였다. 제안한 공정 기법은 증대하는 초소형 부품 및 마이크로 구조물의 수요 에 대응한 복잡한 형상의 초정밀 부품 및 마이크 로 소자 제작 기술로 활용될 수 있다.

후 기

본 연구에서 포항방사광가속기에서의 실험은 미래창조과학부와 포항공대의 지원을 받아 수행되 었습니다.

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Fig. 9 SEM images of the multi-layered microstructures with complicated shapes

Fig. 10 SEM images of the multi-layered micro channels with different heights or shapes

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