구조물의 전기 화학적 제조 동안 층의 평형성을유지하고／하거나 원하는 두께의 층을 성취하기 위한 방법및 장치 document_id A220623042839

복수의 접착층으로 3차원 구조물 (예를 들어, 부품, 구성 요소, 소자 등)을 형성하기 위한 기술은 Adam L. Cohen에 의해 발명되었으며 이는 전기 화학적 제조로 알려져 있다. 이것은 EFABTM라는 상품명으로 캘리포니아 버뱅크 소재의 Microfabrica Inc. (이전에 MEMGen® Corporation)에 의해 시판되고 있다. 이 기술은 2000년 2월 22일자로 공고된 미국 특허 번호 6,027,630에 기재되어 있다. 이 전기 화학적 적층 기술은 도금이 발생하게 되는 기판과는 상관 없는 지지 구조물 상에 패턴드 적합 가능 재료를 포함하는 마스크의 이용과 관련되는 고유의 마스킹 기술을 이용하여 재료의 선택적 적층이 이루어진다. 마스크를 이용하여 전기적 적층을 실행하길 원할 때, 마스크의 적합부는 도금 용액의 존재 동안 기판과 접촉하게 되므로 마스크의 적합부와 기판의 접촉으로 선택된 위치에서는 적층이 금지되게 한다. 편리하게, 이들 마스크는 일반적으로 적합성 컨택트 마스크로 불릴 수 있으며; 마스킹 기술은 일반적으로 적합성 컨택트 마스크 도금 프로세스로 불릴 수 있다. 더욱 구체적으로 설명하면, 캘리포니아 버뱅크 소재의 Microfabrica Inc. (이전에 MEMGen® Corporation)에서는, 이런 마스크가 INSTANT MASKSTM으로 알려져 있고 이 프로세스는 INSTANT MASKINGTM 또는 INSTANT MASKTM 도금으로 알려져 있다. 적합성 컨택트 마스크 도금을 이용한 선택적 적층은 단일층의 재료를 형성하는 데에 이용되거나 다중 층 구조물을 형성하는 데에 이용될 수 있다. ''630 특허의 개시는 여기에서 기재하는 바와 같이 참조로 언급되고 있다. 상기 언급된 특허를 이끌은 특허 출원의 제출 후, 적합성 컨택트 마스크 도금과 전기 화학적 제조에 대한 여러 논문이 발표되고 있다: (1) A. Cohen, G.Zhang, F.Tseng, F.Mansfeld, U.Frodis 및 P.Will의 "EFAB: 마이크로스케일 형상을 갖는 기능적 완전 밀집형 금속 부품의 배치 (batch) 제조" 1998년 8월 Austin의 텍사스 대학, 솔리드 프리덤 제조 회보 제9권, P161. (2) A. Cohen, G.Zhang, F.Tseng, F.Mansfeld, U.Frodis 및 P.Will의 "EFAB: 고 종횡비 트루 3차원 MEMS의 고속 저비용 데스크톱 마이크로가공" 1999년 1월, IEEE, IEEE 마이크로 전자 기계 시스템 워크숍 회보 제12권, P244. (3) A.Cohen "전기 화학적 제조에 의한 3차원 마이크로가공" 1999년 3월, 마이크로머신 디바이스 (4) G.Zhang, A.Cohen, U.Frodis, F. Tseng, F.Mansfeld 및 P.Will의 "EFAB: 트루 3차원 마이크로구조의 고속 데스크톱 제작", 1999년 4월 The Aerospace Co., 우주 응용을 위한 마이크로나노 기술에 대한 국제 회의 회보 제2권. (5) F.Tseng, U.Frodis, G.Zhang, A.Cohen, F.Mansfeld 및 P.Will의 "EFAB: 저비용의 자동화 배치 프로세스를 이용한 고 종횡비의 임의 3차원 금속 마이크로구조물", 1999년 6월 고 종횡비 마이크로구조물 기술 (HARMST99)에 대한 3차 국제 워크숍. (6) A. Cohen, U.Frodis, F.Tseng, G.Zhang, F.Mansfeld 및 P.Will의 "EFAB: 임의 3차원 마이크로구조물의 저비용 자동화 전기 화학적 배치 제조" 마이크로가공 및 마이크로제조 프로세스 기술, 1999년 9월, 마이크로가공 및 마이크로제조에 대한 SPIE 1999 심포지움 (7) F.Tseng, G.Zhang, U.Frodis, A. Cohen, F.Mansfeld, 및 P.Will의 "EFAB: 저비용 자동화 배치 프로세스를 이용한 고종횡비의 임의 3차원 금속 마이크로구조물", MEMS 심포지움, 1999년 11월, ASME 1999 국제 기계적 엔지니어링 대회 및 박람회. (8) A.Cohen의 "전기 화하적 제조 (EFABTM)" 2002년 CRC Press Mohamed Gad-El-Hak에 의해 출간된 MEMS 핸드북의 챕터 19. (9) 마이크로제조- 급속 프로토타이핑의 킬러 어플리케이션" 1999년 6월, CAD/CAM Publishing, Inc., 급속 프로토타이핑 레포트의 페이지 1-5. 전기 화학적 적층 프로세스는 상기 특허와 발행물에서 개시된 바와 같이 여러가지 수많은 방법으로 실행될 수 있다. 일 형태로, 이 프로세스는 형성된 구조물의 각 층의 형성 동안 세 개별적인 동작의 실행을 포함한다: 1. 기판의 하나 이상의 원하는 영역 상에의 전기 적층으로 적어도 하나의 재료를 선택적으로 적층한다. 2. 다음에 이전에 선택적으로 적층된 영역과, 이전에 선택적 적층이 이루어지지 않은 기판의 영역 둘 다를 피복하도록 전기적 적층으로 적어도 하나의 부가의 재료를 블랭킷 적층한다. 3. 마지막으로, 제1 및 제2 동작 동안 적층된 재료를 평탄화하여 적어도 하나의 재료를 함유하는 적어도 한 영역과 적어도 하나의 부가 재료를 함유하는 적어도 하나의 영역을 갖는 원하는 두께의 제1층의 평활화된 면을 제조한다. 제1 층의 형성 후에, 하나 이상의 부가의 층은 바로 이전의 층에 인접하여 형성되며 그 이전의 층의 평활화 면에 부착된다. 이들 부가의 층은 제1 내지 제3 동작을 일 회 이상 반복하여 형성되고, 각 후속 층의 형성으로 이전에 형성된 층과 초기 기판을 새롭게 두꺼워진 기판으로 취급한다. 모든 기판의 형성이 완성된 후에, 적층된 재료 중 적어도 하나의 적어도 일부는 일반적으로 에칭 프로세스에 의해 제거되어 형성하고자 하는 3차원 구조물을 노출하게 한다. 이 동작에 관계되는 선택적 전기적 적층을 실행하는 바람직한 방법은 적합성 컨택트 마스크 도금에 의한다. 이 유형의 도금시, 하나 이상의 적합성 컨택트 (CC) 마스크가 먼저 형성된다. CC 마스크는 패턴드 적합성 유전 재료가 부착되거나 형성되어 있는 지지 구조물을 포함한다. 각 마스크의 적합성 재료는 도금되는 재료의 특정 단면과 관련하여 형상된다. 적어도 하나의 CC 마스크가 도금되게 되는 각 고유의 단면 패턴에 필요하다. CC 마스크의 지지체는 통상 선택적으로 전기 도금되게 되며 도금될 재료가 용해되게 하는 금속으로 형성되는 도금형 구조물이다. 이런 보통의 방법으로, 지지체는 전기 도금 프로세스에서 어노드로 작용한다. 다른 방법으로, 지지체는 어노드에서 적층면까지 경로 중에 전기 도금 동안 적층 재료가 통과하게 되는 다공성 또는 천공 재료일 수 있다. 두 방법에서, CC 마스크가 공통 지지체를 공유하는 것이 가능한데, 즉 다중 층의 재료를 도금하기 위한 적합성 유전 재료의 패턴이 단일 지지 구조체의 여러 영역에 위치될 수 있다. 하나의 지지 구조물이 다수의 도금 패턴을 포함할 때, 전체 구조물은 CC 마스크로 언급되고 개별의 도금 마스크는 "서브마스크"로 언급될 수 있다. 본 출원에서 이런 구별은 특정한 지점에서만 이루어진다. 제1 동작의 선택적 적층 실행시, CC 마스크의 적합부가 적층이 발생하게 되는 기판의 선택부 (또는 이전에 형성된 층이나 이전에 적층된 층의 일부)와 정합되게 위치되어 눌려진다. CC 마스크와 기판을 함께 누르는 것은 CC 마스크의 적합부에서의 모든 개구가 도금 용액을 포함하도록 하여 이루어진다. 기판과 접촉하는 CC 마스크의 적합성 재료는 전기 도금의 장벽으로 작용하는 반면 전기 도금 용액으로 충전된 CC 마스크의 개구는 적합한 전위 및/또는 전류가 공급될 때 어노드 (예를 들어, CC 마스크 지지체)로부터 기판의 비접촉부 (도금 동작 동안 캐소드로 작용) 까지 재료를 전달하기 위한 경로로 작용한다. CC 마스크와 CC 마스크 도금의 예를 도 1A-1C에서 나타내었다. 도 1A는 어노드(12) 상에 패턴드 적합성 또는 변형성 (예를 들어, 탄성) 절연체(10)로 이루어진 CC 마스크(8)의 측면도를 나타낸다. 어노드는 두 기능을 갖는다. 도 1A는 또한 마스크(8)와 분리된 기판(6)을 도시한다. 하나는 패턴이 위상적으로 복잡 (예를 들어, 분리된 절연체 재료의 "아일랜드"를 포함) 하기 때문에 일체성과 정렬성을 유지하기 위한 패턴드 절연체(10)의 지지 재료로서 기능한다. 다른 기능은 전기 도금 동작의 어노드로서 기능한다. CC 마스크 도금은 도 1B에서 나타낸 바와 같이, 기판에 대해 절연체를 눌른 다음에 절연체의 애퍼츄어(26a 및 26b)를 통해 재료를 전기 적층함으로써 기판(6) 상에 재료(22)를 선택적으로 적층한다. 적층 후에, CC 마스크는 도 1C에서 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 파괴되지 않게 기판(6)에서 분리된다. CC 마스크 도금 프로세스는 "스루 마스크" 도금 프로세스와는 구분되는데, 이 스루 마스크 (through-mask) 도금 프로세스에서는 마스킹 재료와 기판의 분리가 파괴적으로 발생한다. 스루 마스크 도금에서는, CC 마스크 도금이 재료를 전체 층 위에 선택적으로 동시에 적층한다. 도금된 영역은 하나 이상의 분리된 도금 영역으로 이루어지고 이 때 이들 분리된 도금 영역은 형성되고 있는 하나의 구조물에 속하거나 동시에 형성되고 있는 다수의 구조물에 속할 수 있다. CC 마크스 도금시 개별의 마스크가 제거 프로세스에서는 계획적으로 파괴되지 않기 때문에, 이들은 복수회의 도금 동작시 유용할 수 있다. CC 마스크와 CC 마스크 도금의 다른 예가 도 1D-1F에 도시되어 있다. 도 1D는 패턴드 적합성 재료(10'')와 지지 구조체(20)를 포함하는 마스크(8'')와 분리되는 어노드(12'')를 나타낸다. 도 1D는 또한 마스크(8'')와 분리되는 기판(6)을 도시한다. 도 1E는 기판(6)과 접촉하고 있는 마스크(8'')를 도시한다. 도 1F는 전류를 어노드(12'')에서 기판(6)으로 흐르게 하여 결과된 침전물(22'')을 도시한다. 도 1G는 마스크(8'')에서 제거된 후 기판(6) 상의 침전물(22'')을 나타낸다. 이 예에서, 적당한 전해물이 기판(6)과 어노드(12'') 사이에 위치하고 용액과 어노드 중 하나나 둘 다로부터 인입하는 이온의 흐름은 재료가 적층되는 기판에 마스크의 개구를 통하여 안내된다. 이 유형의 마스크는 어노드리스 INSTANT MASKTM (AIM) 또는 어노드리스 적합성 컨택트 (ACC) 마스크로 언급될 수 있다. 스루-마스크 도금과 달리, CC 마스크 도금은 CC 마스크가 도금이 발생하게 되는 기판의 제조와 완전 별개로 형성되게 한다 (예를 들어, 형성되고 있는 3차원 구조물과 별개로). CC 마스크는 여러 가지 방법으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 광리소그래피 프로세스가 이용될 수 있다. 모든 마스크는 구조물의 제조 동안 보다는 그 이전에 동시에 형성될 수 있다. 이 분리는 3차원 구조물을 제조하기 위해 거의 어느 곳에나 설비될 수 있는 간단한 저비용의 자동화, 자기 함유 및 내부 세정된 "데스크톱 팩토리"를 가능하게 하며, 광리소그래피와 같은 필수의 세정룸 프로세스는 서비스국 등이 실행하도록 남겨둔다. 상술된 전기 화학적 제조 프로세스의 일 예가 도 2A-2F에 도시되어 있다. 이들 도면은 프로세스가 희생 재료인 제1 재료(2) 및 구조적 재료인 제2 재료(4)의 적층을 포함하여 도시하고 있다. 이 예에서 CC 마스크(8)는 패턴드 적합성 재료 (예를 들어, 탄성 유전 재료; 10) 및 적층 재료(2)로 만들어진 지지체(12)를 포함한다. CC 마스크의 적합부는 기판(6)에 대해 눌려지고, 도금 용액(14)은 적합성 재료(10)의 개구(16) 내에 위치된다. 다음에 전원(18)으로부터 전류가 어노드로 2역을 하는 (a) 지지체(12)와 캐소드로 이역을 하는 (b) 기판(6)을 거쳐 도금 용액(14)을 통과하게 된다. 도 2A는 전류의 전달로 도금 용액 내의 재료(2)와 어노드(12)로부터의 재료(2)가 캐소드(6)로 선택적으로 전달되어 여기에 도금되게 된다. 제1 적층 재료(2)를 CC 마스크(8)를 이용하여 기판(6) 상에 전기 도금한 후에, CC 마스크(8)는 도 2B에서 나타낸 바와 같이 제거되게 된다. 도 2C는 제2 적층 재료(4)가 이전에 적층된 제1 적층 재료(2) 위에 뿐만 아니라 기판(6)의 다른 부분 위에도 블랭킷 적층 (즉, 비선택적 적층)되어 있는 것으로 도시하고 있다. 블랭킷 적층은 제2 재료로 이루어진 어노드 (도시 생략)로부터 적당한 도금 용액 (도시 생략)을 통해 캐소드/기판(6)으로 전기 도금하는 것으로 이루어진다. 다음에 전체 두 재료 층이 도 2D에서 나타낸 바와 같이 정확한 두께와 편평성을 성취하도록 평탄화된다. 이러한 모든 층의 프로세스의 반복 이후에, 제2 재료(4)로 형성된 다중 층 구조물(20) (즉, 구조적 재료)이 도 2E에서 나타낸 바와 같이, 제1 재료(2) (즉 희생 재료)에 매립된다. 매립된 구조물은 도 2F에서 나타낸 바와 같이, 원하는 소자, 즉 구조물(20)을 만들어내도록 에칭된다. 예시의 수동적 전기 화학적 제조 시스템(32)의 여러 구성 성분을 도 3A-3C에 나타내었다. 시스템(32)은 몇 개의 서브시스템(34, 36, 38 및 40)으로 이루어진다. 기판 고정 서브시스템(34)은 도 3A 내지 도 3C 각각의 상단부에 도시되어 있으며 몇개의 구성 성분: (1) 캐리어(48), (2) 층이 적층되어 있는 금속 기판(6), 및 (3) 기판(6)을 작동기(44)로부터의 구동력에 응답하여 캐리어에 대해 위 아래로 이동시킬 수 있는 선형 슬라이드(42)를 포함한다. 서브시스템(34)은 또한 층 두께 및/또는 적층 두께를 설정하거나 결정하는 데에 이용될 수 있는 기판의 수직 위치의 차이를 측정하기 위한 표시자(46)를 포함한다. 서브시스템(34)은 서브시스템(36)에 정밀하게 장착될 수 있는 캐리어(48)의 피트(feet; 68)를 더 포함한다. 도 3A의 하반부에 나타낸 CC 마스크 서브시스템(36)은 몇개의 구성 성분: (1) 공통 지지체/어노드(12)를 공유하는 다수의 CC 마스크 (즉, 서브마스크)로 이루어진 CC 마스크(8), (2) 정밀한 X-스테이지(54), (3) 서브시스템(34)의 피트(68)가 장착될 수 있는 프레임(72), 및 (5) 전해질(16)을 함유하기 위한 탱크(58)를 포함한다. 서브시스템(34)는 CC 마스킹 프로세스를 구동하기 위해 적당한 전원에 연결하기 위한 적당한 전기적 연결부 (도시 생략)를 또한 포함한다. 블랭킷 적층 서브시스템(38)은 도 3B의 하반부에 나타내었으며 몇개의 구성 성분: (1) 어노드, (2) 도금 용액(66)을 보유하기 위한 전해질 탱크(64), 및 (3) 서브시스템(34)의 피트(68)가 놓이는 프레임(74)를 포함한다. 서브시스템(48)은 또한 블랭킷 적층 프로세스를 구동하기 위해 어노드를 적당한 전원에 연결하기 위한 적당한 전기적 연결부 (도시 생략)를 포함한다. 평탄화 서브시스템(40)은 도 3C의 하반부에 나타나 있으며 적층물을 평탄화하기 위한 래핑 플레이트 (lapping plate; 52) 및 관련 이동 및 제어 시스템 (도시 생략)을 포함한다. 전기 도금 금속으로부터 마이크로구조물을 형성하기 위한 다른 방법 (즉, 전기 화학적 제조 기술을 이용한) "희생 금속층으로 다중 레벨 깊이의 X 레이 리소그래피에 의한 마이크로구조물의 형성"으로 표제된 Henry Guckel의 미국 특허 번호 5,190,637에 개시되어 있다. 이 특허는 마스크 노출을 이용한 금속 구조물을 형성을 개시하고 있다. 제1층의 일차 금속이 노출 도금 베이스 상에서 전기 도금되어 포토레지스트의 보이드를 채우고, 다음에 포토레지스트가 제거되고 이차 금속이 제1 층위와 도금 베이스 위에서 전기 도금된다. 제2 금속의 노출면은 제1 금속을 노출하는 높이에 까지 가공되어 일차와 이차 금속 둘 다를 지나 연장되는 편평한 균일면을 제조한다. 제2 층의 형성은 포토레지스트층을 제1 층위에 도포한 다음에 제1 층을 제조하는 프로세스를 반복하는 것으로 시작된다. 다음에 이 프로세스는 전체 구조물이 형성되고 이차 금속이 에칭으로 제거될 때 까지 반복된다. 포토레지스트는 도금 베이스나 이전층 위에 주조로 형성되고 포토레지스트의 보이드는 X 레이나 UV 조사를 통해 패턴드 마스크로 포토레지스트의 노출에 의해 형성된다. 현재까지 개시되어 실용화된 전기 도금 제조가 마이크로제조의 능력을 크게 개선시키고, 특히 구조물에 조립될 수 있는 금속층의 개수 및 이런 구조물이 제조될 수 있는 속도와 편의성을 크게 증가시키긴 했지만, 전기 화학적 제조의 상태를 개선할 여지는 여전히 존재한다. 특히, 평탄화 동작의 완성 (즉, 엔드포인트 검출) 및 이와 관련하여 원하는 허용 오차 내 또는 층 두께와 동일한 두께를 갖는 층의 부가와 연관되는 원하는 타겟 구조물 높이의 층 두께의 성취를 결정하기 위한 개선된 기술의 필요성이 대두되고 있다. 또한 이전에 적층된 층에 대해 또는 기판에 대한 적층의 평행성을 결정하기 위한 기술을 개선할 필요가 있다.