[논문]SU-8 레진을 이용한 이광자 흡수 광조형 공정에서 고강성 3 차원 마이크로 형상 제작을 위한 공정 변수 분석

손용; 임태우; 이신욱; 공홍진; 박상후; 양동열

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Two-photon stereolithography (TPS) is recognized as a useful process for the fabrication of three-dimensional microstructures. Recently, the need for a two-photon curable resin with high strength increases as 3-D moicrostructures of high aspect ratio or large scale of several hundreds micrometers ar...

Two-photon stereolithography (TPS) is recognized as a useful process for the fabrication of three-dimensional microstructures. Recently, the need for a two-photon curable resin with high strength increases as 3-D moicrostructures of high aspect ratio or large scale of several hundreds micrometers are required for applications of nano/micro devices in IT/BT. In this work, process parameters of TPS employing the SU-8 which is a representative two-photon curable resin with high strength have been studied for the precise fabrication of 3-D microstructures with high strength. The pre-baking and post-baking processes are studied and the parameter study of the SU-8 in TPS is conducted. Through this work, very small roughness of 12 nm and the minimum aspect ratio of ${\sim}1$ which provides a precise accumulation of layers could be obtained. Using the conditions studied in this work, some 3-D examples are fabricated.

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문제 정의

실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 정밀한 고강성 3차원 형상 제작을 위하여 이광자 흡수 물질 (TPA material)과 광발산제 (photo acid generator; PAG) 가 혼합된 SU-8 레진의 공정 특성 분석 및 정밀화를 수행하였다. 이러한 SU-8 레진을 이용한 형상 제작 공정에 대한 연구를 통해 표면 조도가 우수한 형상을 제작하여 정밀 형상 제작에 유리함을 보였고 세 장비가 큰 형상을 제작하여 고강성이 필요한 형상 제작에도 유리한 공정임을 확인하였다.
본 연구에서는 기존 연구에 의한 열처리 공정을 기본으로 하는 실험을 통하여 이광자 흡수 광조형 공정에 적합한 pre-baking 과 post-baking 에 대한 연구를 수행하였다. 열처리 공정의 첫 번째 단계인 pre-baking 단계는 레진의 솔벤트를 증발시켜주는 역할을 하는 단계로서 레진의 밀도가 증가함에 따라 액상 상태에서 고상 상태로 변하게 된다.
세 장비가 높은 형상을 기존 이광자 흡수 광조형 공정에서 주로 쓰이는 SCR500 레진과 SU-8 레진을 본 연구에서 연구한 공정조건을 이용하여 제작 비교하여 SU-8 이 갖는 강성에 대해 평가하였다.
본 연구에서는 고강성 SU-8 레진을 이용한 이광자 흡수광조형 공정을 이용하여 3차원 마이크로 형상 제작을 위하여 열처리 공정 및 레이저 조사 공정에 대한 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 내렸다

제안 방법

갖는 펨토초 레이저 (femto-second laser)이며 작동 주파수는 80MHz, 사용 파장은 780nm 이다. 1.2nm 분해능을 갖는 갈바노(gal.,ano) 스캐너와 O.lnm 분해능을 갖는 압전소자 스테이지 (piezoelectric stage)를 이용하여 3축을 제어하고 1ms 의반응 속도를 갖는 갈바노셔터를 이용하여 레이저의 on/off 를 제어하였다. 외각선을 적층하여 제작하는 3차원 형상의 정밀화를 위하여 단위 복셀의 세장비가 낮게 제작되는 개구수 (numerical aperture; NA) 1.
솔벤트를 이용하였다. 가교되지 않은 부분을 충분히 녹여내기 위하여 PGMEA 용액이 담긴 유리용기 안에 10분 동안 넣어 두었고 이후 가교 되지 않은 부분을 녹인 PGMEA 와 이물질을 제거하기 위하여 IPA (isopropyl alcohol)로 씻어 주었다.
열처리 공정의 첫 번째 단계인 pre-baking 단계는 레진의 솔벤트를 증발시켜주는 역할을 하는 단계로서 레진의 밀도가 증가함에 따라 액상 상태에서 고상 상태로 변하게 된다. 열처리 공정은 레진 전체에 걸쳐 균일한 솔벤트함유량을 유지하기 위하여 2단계 (65℃ & 95℃)3] 온도 증가 구간을 사용하였으며, 커버 글라스와 레진이 만나는 부분을 가열하여 레진 내부 솔벤트부터 증발시키기 위해 핫플레이트 (hot plate)를 이용하였다.
앞선 실험으로부터 구한 pre-baking 과 postbaking 온도조건을 평가하기 위하여 사각형 블록 형상을 제작 후 표면을 관찰하였다. AFM (atomic force microscopy) 장비를 이용하여 표면조도를 측정한 결과 Fig.
펨토초 레이저를 이용한 이광자 흡수 광조형 공정에 의한 형상 제작 단계의 공정을 각 복셀 조사 간격을 30nm로 두고 레이저 출력과 조사 시간두 가지의 공정변수를 통해 분석하였다.
본 연구에서 연구한 SU-8 레진의 이광자 흡수 광조형 공정을 이용하여 정밀한 고강성의 3 차원 형상을 제작해 보았다. Fig.
1) 이광자 흡수 광조형 공정에 적합한 SU-8 레진의 열처리 조건에 따른 형상정 밀도에 대한 분석을 통하여 표면조도 12.5nm의 정밀한 제작조건을 도출 하였다.

대상 데이터

1은 이광자 흡수 광조형 공정 시스템의 개념도로 이광자홉수 광경화가 일어나는 국부적 인영 역을 3차원으로 제어하여 정밀한 3차원 형상을 제작할 수 있다. 사용된 레이저는 80fs의 펄스 폭을 .갖는 펨토초 레이저 (femto-second laser)이며 작동 주파수는 80MHz, 사용 파장은 780nm 이다.
사용된 레이저는 80fs의 펄스 폭을 .갖는 펨토초 레이저 (femto-second laser)이며 작동 주파수는 80MHz, 사용 파장은 780nm 이다. 1.
본 연구에서 사용한 레진은 SU-8 2000 (Microchem Corp.)이며 적절한 이광자 흡수 물질 (TPA material)과 광발산제(PAG)를 첨가하여 이광자 흡수광조형 공정에 적합한 SU-8 레진으로 사용하였다. 레진은 두께 150 ㎛의 커버글라스 기판 위에 놓여지게 된다.
이후 경화되지 않은 레진을 제거하는 현상 단계에서는 PGMEA (propylene glycol methyl ether acetone) 솔벤트를 이용하였다. 가교되지 않은 부분을 충분히 녹여내기 위하여 PGMEA 용액이 담긴 유리용기 안에 10분 동안 넣어 두었고 이후 가교 되지 않은 부분을 녹인 PGMEA 와 이물질을 제거하기 위하여 IPA (isopropyl alcohol)로 씻어 주었다.

이론/모형

lnm 분해능을 갖는 압전소자 스테이지 (piezoelectric stage)를 이용하여 3축을 제어하고 1ms 의반응 속도를 갖는 갈바노셔터를 이용하여 레이저의 on/off 를 제어하였다. 외각선을 적층하여 제작하는 3차원 형상의 정밀화를 위하여 단위 복셀의 세장비가 낮게 제작되는 개구수 (numerical aperture; NA) 1.4인 대물렌즈 (objective lens)를 이용 하였다."

성능/효과

이에 따라 본 연구에서는 정밀한 고강성 3차원 형상 제작을 위하여 이광자 흡수 물질 (TPA material)과 광발산제 (photo acid generator; PAG) 가 혼합된 SU-8 레진의 공정 특성 분석 및 정밀화를 수행하였다. 이러한 SU-8 레진을 이용한 형상 제작 공정에 대한 연구를 통해 표면 조도가 우수한 형상을 제작하여 정밀 형상 제작에 유리함을 보였고 세 장비가 큰 형상을 제작하여 고강성이 필요한 형상 제작에도 유리한 공정임을 확인하였다.
5(a)처럼 post-baking 시간이 적게 되면 산 (*) H에 의해 형성된 형상이 충분히 경화하지 못하여 현상과정에서 현상액에 의해 뜯겨 나가는 현상이 나타나 표면이 매우 거칠어짐을 알 수 있고 Fig. 5(b)처럼 post-baking 시간이 증가하면 열에너지에 의해 강한 가교를 이루어 현상 시 안정적인 형상을 이루어 표면 거칠기가 향상됨을 알 수 있다. 따라서 충분한 가교를 통한 표면 거칠기 향상을 위한 post-baking 조건 또한 Fig.
제작 후 표면을 관찰하였다. AFM (atomic force microscopy) 장비를 이용하여 표면조도를 측정한 결과 Fig. 7과 같이 post-baking 시간이 15 분이 하일 때는 충분한 가교를 이루지 못하여 현상 시 현상용액에 의해 표면이 뜯겨나가 매우 거친 표면 조도 (Ra)값이 나왔지만 15분 이상부터 Ra 값이 수렴하면서 표면조도가 향상됨을 알 수 있다.
이 형상은 두께가 얇고 높은 형상이어 서 고강성의 레진에 의해서만 제작 가능한 형상이다. SU-8 레진올 본 연구에서 연구한 Fig. 6과 같은 온도 공정과 레이저 파워 12mW, 단위 조사 시간 1ms 조건을 이용하여 제작한 결과 형상의 왜곡 없이 강하고 정밀한 3 차원 마이크로 형상을 제작할 수 있음을 알 수 있다.
2) 공정변수에 따른 선폭, 높이 실험 결과 최소 레이저 파워 i2mW 와 조사 시간 1ms 조건을 이용하여 선폭 240nm선 높이 250nm인 세장비 가약 1인 단일선형상을 얻을 수 있어 복잡한 3 차원 형상적층 시 매우 유리함을 보였다.
3) 임의의 3차원 고세장비 구조물 예제 제작을 통하여 고강성 3차원 형상의 정밀한 제작이 가능함을 확인 하였다.
결과 Fig. 10(a), (b)와 같이 레이저 출력 12mW 에서부터 안정적인 선형상이 제작되었으며 레이저 출력 12mW, 단위 조사 시간 1ms에서 최소 선폭 240 nm, 최소선 높이 250 nm 를 얻을 수 있었고 조사 시간이 증가함에 따라선 폭 및 선 높이가 증가하다가 수렴하는 것을 알 수 있다.

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