We present a fabrication process for three-dimensional (3D) microstructures using multi-step electrochemical etching of metal foils. The conventional electroplating process for 3D metallic microstructures is complex, expensive, and time-consuming. In this thesis, we propose a multi-step electrochemical metal foil etching process which offers advantages of simple, cost-effective, and fast process with uniform and well-controlled material property.
In this study, we performed single-step electrochemical etching of 2D cantilever array and multi-step electrochemical etching of 3D micro probe array using aluminum-foils of 4.5cm × 7cm × 0.2mm. We decided the electrochemical etching potential of 15 V and the electrolyte temperature of 10 °C through preliminary electrochemical etching experiments. In the electrochemical etching of 2D cantilever array, the average depth etch rate and the average bias etch rate were measured as 1.50 ± 0.10 μm/min, and 0.77 ± 0.03 μm/min, respectively. Based on single-step etching results, we designed and fabricated 3D micro probe array for two-step electrochemical etching. After the first electrochemical etch step for the tip formation, we performed the second electrochemical etch step for the cantilever fabrication. The fabricated probe array showed the height and lateral dimension errors of 15.5 ± 5.8 % and 3.3 ± 0.9 %, respectively. The surface roughness was improved from 154.7 ± 52.7 nm on the bare aluminum-foil to 37.4 ± 9.6nm on the fabricated micro probe array.
In this thesis, we proposed and demonstrated the multi-step electrochemical aluminum-foil etching process for a simple, cost-effective, and timesaving 3D metallic microstructure fabrication applicable to semiconductor probe cards, micro cantilever sensors, and biological electrode arrays.
본 논문에서는 알루미늄 박판의 다단 전해식각을 통한 3차원 마이크로 구조물 제작방법을 제안하였다. 본 방법은 3차원 금속 마이크로구조물의 제작방법으로 기존에 많이 쓰이고 있는 도금 방법에 비해 공정이 간단하고, 경제적이며, 빠르다는 장점이 있다.
본 연구에서는 2차원 외팔보 열의 1단 전해식각 실험과 3차원 마이크로 프로브 열을 제작하기 위한 2단 전해식각 실험을 수행하였다. 먼저, 전해식각의 전압 및 온도 공정 조건을 결정하기 위한 기초 실험을 통해 본 연구의 실험 조건으로 전압 15V, 전해액의 온도는 10℃로 결정하였다. 1단 전해식각 실험을 통해 본 알루미늄 박판의 평균 깊이 방향 전해식각 속도와 측면 방향 전해식각 속도는 각각 1.50 ± 0.10 μm/min, 그리고 0.77 ± 0.03 μm/min 였다. 앞선 실험 결과를 바탕으로, 2단 전해식각을 통한 3차원 마이크로 프로브 열을 설계하고 제작하였다. 첫번째 전해식각을 통하여 프로브 팁 형상을 제작하였고, 두번째 전해식각을 통하여 3차원 프로브 외팔보 형상을 제작하였다. 본 방법으로 제작된 프로브 열은 설계한 치수에 비하여 구조물의 높이치수는 15.5 ± 5.8 %, 측면 치수는 3.3 ± 0.9 %의 오차를 보였다. 표면처리하지 않은 초기 알루미늄과 완성된 3차원 마이크로 프로브의 표면 조도는 각각 154.7 ± 52.7 nm 에서 37.4 ± 9.6 nm 로 3차원 마이크로 프로브의 표면 조도가 초기 알루미늄의 조도에 비해 크게 개선되었음을 보았다.
결론적으로, 본 연구에서는 제안된 알루미늄 박판의 다단 전해식각을 이용하여 3차원 마이크로 구조물을 성공적으로 제작하였으며, 제안된 제작 방법은 간단하고, 경제적이며, 공정에 적은 시간을 들일 수 있다는 장점을 가짐을 입증했다. 본 방법은 반도체 칩 검사용 프로브, 마이크로 외팔보 센서, 생물학적 신호 측정을 위한 전극열과 같은 3차원 금속 구조물의 제작에 적용될 수 있다.
