In this dissertation, three-dimensional microstructure technology for microfluidic systems and integrated inductors has been studied. Several key micromachining techniques, which provide essentials in three-dimensional microstructure fabrication, are developed in order to overcome process limits in the current planar integrated circuit (IC) technology and enlighten the IC technology to take advantage of various three-dimensional microstructures with integrated circuits. These techniques have been utilized to improve the state-of-the-art of several application fields.
First, three-dimensional lithography with conventional tools and materials has been developed to fabricate three-dimensional solenoid integrated inductors, which could not be easily fabricated by the current IC technology in spite of their superior device performance. The fabricated monolithic solenoid inductors have shown quality (Q) factors of over 20 at GHz frequencies with inductance of several nH. The three-dimensional lithography has also been used to fabricate three-dimensional single-body microfluidic components. An ink drop of 10microns in the printed diameter has been successfully ejected from the fabricated three-dimensional orifice plate assembly, which indicates an unprecedented printing resolution of 2400dpi (dots per inch).
Second, another three-dimensional technique has been devised, which truly integrates real three-dimensional metallic microstructures. Based on this method, a new concept of "On-Circuit Passives" has been developed. In this concept, passive electrical components are integrated over a standard integrated circuit. Thus, the passive elements do not need additional area and the electrical performance is enhanced due to the monolithic feature and the minimized parasitic effects to the substrate. This concept has been verified by the levitated inductors, which are levitated by several tens of microns right on the substrate. The fabricated levitated inductors have shown excellent radio-frequency (RF) performance, e.g., Q-factor of 57 at 10GHz with an inductance of 1.8nH.
The most important point of this three-dimensional microstructure technology is that we can take abundant advantages of the three-dimensional structure itself without using peculiar methods requiring special tools or materials, because only easily-accessible, IC-compatible methods have been utilized here for implementing three-dimensional microstructures. Therefore, the three-dimensional microstructure technology can give the present IC technology an impact, and various application fields in integrated circuits and Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) will find many fruitful revolutions using this technology.'
이 학위논문에서는 미소유체 시스템과 집적 인덕터를 위한 3차원 미소구조체 기술에 대해 연구하였다. 3차원 미소구조체를 자유자재로 제조할 수 있는 몇 가지 핵심이 되는 마이크로머시닝 기술을 개발하였는데, 이들은 기존의 평면 집적 회로 기술이 가지고 있는 기술적 장벽을 극복하고 다양한 3차원 미소구조체를 집적 회로와 함께 구현하여 3차원 미소구조체가 가지는 많은 장점들을 이용할 수 있게 해준다.
첫번째로, 기존의 반도체 사진 공정에서 사용하고 있는 장비와 재료를 이용한 3차원 반도체 사진 공정을 고안하여, 좋은 성능에도 불구하고 기존의 집적 회로 기술로 구현하지 못했던 쏠레노이드 인덕터를 모놀리딕 방식으로 집적하였다. 또한 이 기술을 이용하여 제조된, 한 몸체로 이루어진 3차원 오리피스판 어셈블리를 통해 직경10미크론을 갖는 잉크 방울을 성공적으로 분사였는데 이것은 지금까지 없었던 2400dpi급의 초고해상도 잉크젯 프린팅에 해당하는 결과이다.
두번째로, 또 하나의 3차원 기술을 고안하였는데, 이 기술은 진정한 의미의 3차원 금속 미소구조체를 실현시켰다. 이 기술에 기초하여 온-칩 수동 소자에서 한걸음 더 나아간 온-써키트 수동 소자의 개념을 제안하였는데, 이 개념은 수동 소자를 기판으로부터 수십미크론 높이에 띄워 집적할 수 있게 해주므로, 수동 소자를 위한 추가의 면적이 필요하지 않고, 모놀리딕 형태이면서 기판과 최소한의 기생 효과를 갖기 때문에 매우 우수한 성능을 갖는 고주파용 수동 소자를 제조할 수 있다. 이 개념을 뒷받침하기 위해 고주파용 온-써키트 인덕터를 제작하였고 기가헤르쯔의 주파수 영역에서 60에 가까운 Q-factor 를 얻을 수 있었다. 이 미소구조체 기술의 가장 중요한 점은 이 기술이 어느 한 분야에 국한된 것이 아니라 일반적이고 포괄적인 3차원 미소구조체 구현에 관한 것이라는 점이다. 그러므로 이 기술은 기존의 집적 회로 기술에 큰 영향을 줄 것으로 예상되며, 미소유체 시스템과 집적 인덕터 분야 뿐만 아니라 집적 회로와 미소기전 시스템의 다양한 분야에 적용되어 우수한 결과를 도출할 것으로 예상된다.
