Recently, the need for the effective fabrication process related with the nanotechnology (NT), the biotechnology (BT), and the information technology (IT) has been enormously increased to develop 3D nano/micro devices and highly integrated system.
The direct writing process using femto-second laser (DWFL) is one of the effective 3D nano/micro processes. DWFL is maskless, simple and cost effective for the fabrication of 2D and 3D nano/micro-structures. The additive process of DWFL (namely, two-photon stereolithography process; TPS) has strong merits for the direct fabrication of 2D and 3D microstructures with sub-100-nm resolution. However, the TPS has some limitations; for example, the resolution and the fabrication speed of additive process are insufficient for nano-scale applications. Some of the limitations can be ameliorated by using the subtractive process of DWFL.
In this thesis, the concept of the 3D hybrid process is proposed that employs the strengths of both additive and subtractive processes in the DWFL technique. As one of the 3D hybrid processes, a multi-directional ablation process is investigated for the realization of the 3D hybrid process; focal guiding system is designed and fabricated considering the main specifications of the femto-second laser writing system, and the characteristics of ablation as a function of working distance (the distance between the mirror and the structure) are studied. The effectiveness of the proposed process is demonstrated in several applications, including a micro-pinhole, and a micro-tube with micro-holes in various directions.
최근 반도체, 디스플레이, 휴대폰, 바이오칩 등과 같은 기계/전자/바이오의 다양한 산업이 급속한 발전을 이루어져 옴에 따라, 나노/마이크로 크기의 새로운 극미세 형상 가공기술이 꾸준히 요구되고 있다.
예컨대, 3차원 광 결정 (Photonic crystals), 마이크로 렌즈어레이 (micro lens array) 등과 같이 고 기능성을 가지는 3차원 단위 소자의 개발과 함께, 바이오 분야의 랩온어칩 (LoC; Lab on a Chip), 전기 전자 분야의 SoC (System on Chip) 등과 같이 다양한 단위 소자들을 통합한 고집적 시스템의 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다. 더욱이, 마이크로 단위에서 광학 시스템을 구현하기 위해서는 3차원 나노/마이크로 제작기술이 더욱 요구되게 된다. 대표적 극미세 형상 가공기술에는 증착 (deposition), 포토리소그래피 (photo-lithography), 소프트리소그래피 (soft-lithography), 등의 MEMS(Microelectromechanical systems) 이 있으며, 이러한 패터닝 공정을 반복함으로써 다양한 형상 및 마이크로 시스템을 제작할 수 있다. 보다 복잡한 3차원 형상 제작을 위한 방법으로 홀로그래픽 리소그래피, Self-assembly, Direct Laser Writing 방법 등이 있다. 이중 DLW 공정은 임의의 3차원 형상제작에 매우 유리한 공정이며 고화(Additive) 및 식각(Subtractive) 공정으로 적용될 수 있는 장점이 있다. 대표적인 고화방식인 이광자 흡수 광조형 공정을 이용하면 기존 MEMS 공정으로 제작하기 어려운 복잡한 3차원 형상도 하나의 단일 공정으로 수 백 nm 이하의 정밀도를 가지도록 제작할 수 있다.
대표적인 식각방식인 레이저 어블레이션 공정은 고출력 레이저를 이용하여 다양한 재료에 미세패턴을 제작할 수 있으며, 레이저 스케닝을 통한 패턴제작이 가능하다. 고화방식과 식각방식의 장점을 모두 가지는 하이브리드 시스템을 개발하면 기존의 고화방식과 식각방식의 공정의 효율을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 3차원 고화 및 식각 공정을 연계한 하이브리드 공정을 제안하였으며, 이를 구현하기 위한 요소공정으로써 다방향 어블레이션 공정 개발에 대한 연구를 수행하였다. 다방향 어블레이션 공정 개발을 위해 Mirror system을 설계 및 제작하였으며, 이를 이용하여 이광자 흡수 광조형 공정을 통해 만든 3차원 형상에 다방향 어블레이션 공정을 적용시켜보았다.