KR100402200B1 - 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법 - Google Patents

가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용하여 기판에 나노 구조물을 마스크 없이 형성할 수 있는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법에 관한 것이다.본 발명은 클러스터 생성부를 통하여 소스 가스를 클러스터 상태로 변환한 후에 상기 이온화부를 통하여 이온화시켜서 이온 클러스터를 생성하는 단계; 상기 렌즈부를 통하여 상기 이온 클러스터를 포커싱한 후에 상기 가속부를 통하여 가속시키는 단계; 가속된 이온 클러스터를 상기 주사부를 통하여 미리 정해진 위치의 기판에 주사하여 수 nm∼수십 nm 크기의 힐록(Hillock)을 형성하는 단계를 포함하여, 나노 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법을 제공한다.

Description

가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법{Nano Structuring Process Using Gas Cluster Ion Accelerator}
본 발명은 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경도 물질에 대한 미세 에칭이 가능하면서, 고품질의 표면 평탄화와 산화물 형성을 위한 이온원으로 이용할 수 있는 가스 클러스터 이온 가속기를 사용하여 마스크 없이 나노 구조물을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기존의 단일 원자(monomer atom)를 이용하는 플라즈마(plasma), 이온빔 에칭(ion beam etching)의 경우 낮은 스퍼터링 수율(sputtering yield)와 원치 않는 깊이까지의 이온 침투에 의해 많은 결함(defect)을 형성하여 디바이스(device)의 기능에 역효과를 주는 단점을 가지고 있다.
이에 비해 수백∼수천 개의 구성 원자로 반데르 발스(Van der Waals) 힘에 의해 느슨하게 구성된 nm 크기의 클러스터(cluster)를 이용하면, 클러스터의 큰 크기로 인해 우선 표면 충돌 시 침투 깊이가 적어 깊이 방향으로의 영향이 적고, 표면 방향으로의 운동량, 에너지 전달 및 다중충돌(multi collision)로 인해 표면원자의 스퍼터링 수율(sputtering yield)가 10∼100 정도 높다.
보통, 클러스터(cluster)는 수백∼수천 개의 단원자들로 구성된 거대 분자로서, 단원자가 작은 노즐(nozzle)을 통하여 분사되면, 압력 차에 의해 수렴-확산(converging-diverging) 과정을 통하여 진행해 나가면서 등온 단열 팽창에 의해 응축이 일어나며, 서로 반데르발스(Van-der Waals) 력으로 결합되어 있다.
클러스터의 형성은 듀트론-듀트론(deutron-deutron) 상호 충돌 단면적을 높여 핵융합에 사용되기 위해 개발되기 시작하였고, 분자 단위의 진동 및 회전(molecular vibrational/rotational) 에너지 준위에 대한 연구에 많이 이용되었다.
특히, 대부분의 구성원자들이 표면 쪽에 존재하는 반응성이 매우 높은 점을 이용하는 촉매(catalyst) 즉, 표면 물리 및 가스 센서에서 피검출가스와 모재사이의 상호 작용에 어떠한 역할을 하는가에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다.
1980년대 말 독일 핵물리연구소(Kernforschungzentrum fur Karlsruhe)에서는 콘형 노즐(Conical nozzle), 소닉형 노즐(Sonic nozzle), 라발형 노즐(Laval nozzle) 등의 여러 가지 노즐 형태 중 클러스터의 형성시 노즐 통과 후에 노즐 내부 벽면에서의 마찰에 의해 드래깅(dragging) 현상이 발생하고, 이로 인한 클러스터의 진행 및 충돌을 최소화하는 trumpet nozzle을 electroplating 방식에 의해 개발하고, 반응성 가스인 CO2, SF6클러스터를 이용하여, 고밀도 이온빔(high density ion beam) 발생을 위해 특별히 제작된 cold-pin vacuum system과 plasma electrode focusing system을 제작하여 150∼300 kV 가속기를 제작하였다.
클러스터 이온 전류 밀도 및 가속 에너지를 계산하여 0.3W/cm2정도의 에너지 밀도(power density)에서 표면 침식(surface erosion) 현상이 일어남을 발견하였고, 브린넬 경도(Brinell hardness)가 다른 여러 가지 물질들의 스퍼터링 수율(sputtering yield) 등을 조사하였다.
이러한 표면 침식(surface erosion) 현상을 이용하여 다이아몬드(diamond), 수정(quartz), 실리콘(Si) 등의 초경도 물질 및 반도체 재료에 대한 MEMS 장치 등을 제작하였다. [참조문헌: P.R.W. Henkes and B. Krevet, J. Vac. Sci. Technol. A13(4), Jul/Aug, 2133 (1995);J. Gspann, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B112, 86 (1996)]
그 이후 1993년부터 일본의 Kyoto University에서는 수kV 영역에서는 산소 클러스터 등을 PbO와 같은 박막 성형에 이용하거나, 20∼30kV정도의 아르곤 클러스터를 표면 평탄화(ultra surface smoothing) 용으로 개발하여 현재 상용화를 추진하고 있다.
또한, B10H14과 같은 클러스터를 이용하여 ULSI용 100nm 이하급 ultra shallow junction 형성에 이용하는 등의 여러 가지 응용성을 검토하고 있다.[참조문헌: I. Yamada, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 148, 1(1999)]
그러나, 가스 클러스터를 이용하여 평탄화 처리, 에칭 등에 이용하기 위해서는 클러스터의 가속 정도를 정밀하게 제어하고, 클러스터에 포함된 단원자를 제거하여야 하는데, 이를 위한 장치 개발이 아직 이루어지지 않은 상태이다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 단열 팽창을 이용하여 가스 클러스터를 생성하고, 가스 클러스터의 가속 에너지를 간편하게 조절할 수 있는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용하여, 마스크 없이 나노 구조물을 형성할 수 있는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 클러스터 이온 가속기의 구성을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명에서 노즐의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명에서 스키머의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명에서 리플렉트론의 구조를 설명하기 위한 구성도.
도 5는 CO2가스 압력에 따른 클러스터 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 retarding field analyzer로 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 비행시간측정 방법으로 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 HOPG 위에 CO2cluster를 40kV로 가속하여 충돌시켰을 때 충돌에 의해 유도된 hillock의 AFM 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 프리챔버 12 : 노즐
16 : 스키머 30 : 소스 챔버
32 : 이온화부 34 : 리플렉트론
36 : 클러스터 측정부 52 : 렌즈부
54 : 가속부 56, 58 : 주사부
75 : 타겟
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고압의 소스 가스를 공급받아 클러스터 상태로 변환하여 토출시켜 주는 클러스터 생성부와, 상기 클러스터 생성부를 통과한 클러스터를 이온화시켜 주는 이온화부와, 상기 이온화부에 의하여 이온화된 클러스터의 포커스를 조절하는 렌즈부와, 상기 렌즈부를 통과한 이온화된 클러스터의 크기를 측정하는 클러스터 측정부와, 상기 이온화된 클러스터를 가속시켜 주는 가속부와, 상기 가속부에 의하여 가속된 이온화된 클러스터를 타겟에 주사시켜 주는 주사부로 구성된 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법에 있어서, 상기 클러스터 생성부를 통하여 소스 가스를 클러스터 상태로 변환한 후에 상기 이온화부를 통하여 이온화시켜서 이온 클러스터를 생성하는 단계; 상기 렌즈부를 통하여 상기 이온 클러스터를 포커싱한 후에 상기 가속부를 통하여 가속시키는 단계; 가속된 이온 클러스터를 상기 주사부를 통하여 미리 정해진 위치의 기판에 주사하여 수 nm∼수십 nm 크기의 힐록(Hillock)을 형성하는 단계를 포함하여, 나노 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법을 제공한다.
상기 클러스터 생성부는 고압의 소스 가스를 공급받아 단열 팽창시켜서 가스 클러스터를 생성시켜 주는 노즐과, 상기 노즐에 의하여 생성된 클러스터에 포함된 모노머(monomer)를 제거하기 위하여 클러스터 플럭스 중에서 중앙 부분의 클러스터만을 통과시켜 주는 스키머와, 상기 노즐이 전단에 장착되고, 후단에 상기 스키머가 장착되어 그 내부를 일정한 진공상태로 유지시켜 주는 프리챔버와; 상기 프리챔버에 연결되어 진공 상태를 유지시켜 주는 진공 펌프로 이루어진다.
상기 노즐은 소스 가스를 공급받아 수렴 및 발산 과정을 통하여 단열 팽창시켜 주는 기능을 갖으며, 상기 노즐은 금속, 세라믹 중에서 어느 한 재질로 이루어져, 소닉형(sonic), 라발형(Laval), 콘형(conical), 트럼펫형(trumpet) 중에서 어느 한 형태로 형성된다.
상기 스키머는 내주면의 각도와 외주면의 각도 차이가 ±20도 이내로 형성되며, 상기 노즐과 스키머간의 진공도가 소스 가스가 5bar의 압력에서 70mTorr 이하로 유지된다.
상기 이온화부는 통과하는 클러스터에 20∼300V의 전위와 10∼300mA의 방출 전자 전류를 갖는 전자를 충돌시켜서 이온화시켜 주며, 상기 클러스터 측정부는 이온화된 클러스터가 통과할 때에 전자기 유도 반응에 의하여 클러스터의 크기를 측정할 수 있는 페러데이 컵(Faraday Cup)으로 이루어진다.
상기 클러스터 측정부는 클러스터의 크기를 정확하게 측정하기 위하여 상기 이온화부에서 이온화되어 진행하는 클러스터의 속도와 분포를 균일하게 유지시켜 주기 위한 리플렉트론을 더 포함하여 이루어지며, 상기 리플렉트론은 그라운드단에 연결되는 제 1단 평행판과, 상기 제 1단 평행판 후단에 설치되어 일정 저항치를 갖는 저항에 의하여 일정한 비율로 증가하는 전압이 인가되는 다수의 평행판으로 구성된다.
상기 렌즈부는 3개의 전극으로 된 아인젤 렌즈(Einzel Lens)로 구성되며, 상기 주사부는 서로 평행하게 대향된 10∼100cm 크기를 갖는 2쌍의 편향판이 서로 직교 배치하여 이온화된 가스 클러스터를 X-Y 축상에서 편향시켜 주는 기능을 갖고 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 가스 클러스터의 가속 에너지를 조절을 통하여 이온화율을 효과적으로 증대시키며, 가스 클러스터에 포함된 모노머를 제거하여 스퍼터링 수율을 높여 준다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 가스 클러스터 이온 가속기의 구성을 설명하기 위한 구성도, 도 2는 본 발명에서 노즐의 구조를 설명하기 위한 단면도, 도 3은 본 발명에서 스키머의 구조를 설명하기 위한 단면도, 도 4는 본 발명에서 리플렉트론의 구조를 설명하기 위한 구성도, 도 5는 CO2가스 압력에 따른 클러스터 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프, 도 6은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 retarding field analyzer로 측정한 결과를 나타낸 그래프, 도 7은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 비행 시간 측정(time-of-flight) 방법으로 측정한 결과를 나타낸 그래프, 도 8은 HOPG 위에 CO2cluster를 40kV로 가속하여 충돌시켰을 때 충돌에 의해 유도된 hillock의 AFM 사진이다.
본 발명에 따른 가스 클러스터 이온 가속기는 도 1에 나타낸 바와 같이, 고경도 물질의 정밀한 에칭 등에 필요한 가스 클러스터를 생성하기 위한 것으로, 단열 팽창의 조건에서 고압에서 저압 상태로 가스를 분사하여 클러스터 상태로 변환시켜 주는 클러스터 생성부와; 상기 클러스터 생성부를 통과한 클러스터를 이온화시켜 주는 이온화부(32)와; 상기 이온화부(32)에 의하여 이온화된 클러스터의 포커스를 조절하는 렌즈부(52)와; 상기 렌즈부(52)를 통과한 이온화된 클러스터의 크기를 측정하는 클러스터 측정부(36)와; 상기 이온화된 클러스터를 가속시켜 주는 가속부(54)와; 상기 가속부(54)에 의하여 가속된 이온화된 클러스터를 타겟(75)에 주사시켜 주는 주사부(56, 58)로 구성된다.
상기 클러스터 생성부는 고압의 가스를 공급받아 단열 팽창시켜서 가스 클러스터를 생성시켜 주는 노즐(12)과, 상기 노즐(12)에 의하여 생성된 클러스터에 포함된 모노머(monomer)를 제거하기 위하여 클러스터 플럭스 중에서 중앙 부분의 클러스터만을 통과시켜 주는 스키머(16), 상기 노즐(12)이 전단에 장착되고, 후단에 상기 스키머(16)가 장착되어 그 내부를 일정한 진공상태로 유지시켜 주는 프리챔버(10)와; 상기 프리챔버(10)에 연결되어 진공 상태를 유지시켜 주는 제 1진공 펌프(도면에 미도시함)로 구성된다.
상기 이온화부(32)는 상기 클러스터 생성부의 스키머(16)를 통하여 공급되는 가스 클러스터를 이온화시켜 주는 것으로, 이를 위하여 가속된 전자를 클러스터에 충돌시킴으로써, 클러스터를 이온화시킨다.
상기 노즐(12)은 소닉형(sonic), 라발형(Laval), 콘형(conical), 트럼펫형(trumpet) 중에서 어느 한 종류를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 소닉형 노즐은 가장 간단한 구조를 갖고 있지만 클러스터 형성율이 낮으며, 콘형 노즐은 상기 소닉형 노즐보다는 우수하고 라발형 노즐과 비슷한 클러스터 생성율을 갖고 있지만 0.2mm 이하의 노즐 구멍을 가공하기가 어렵다.
트럼펫형 노즐은 고플럭스(high flux)의 클러스터를 생성할 수 있지만 제작하는데 많은 시간과 비용이 필요하므로 라발형의 노즐이 적당하다.
상기 스키머(16)는 내주면의 각도와 외주면의 각도를 ±20도 이내로 형성해야 하는데, 이유는 공기 역학적으로 충격파의 양향을 적게하기 위해서이다.
상기 클러스터 측정부(36)는 이온화된 클러스터가 통과할 때에 전자기 유도 반응에 의하여 클러스터의 크기를 측정할 수 있는 페러데이 컵(Faraday Cup)으로 구성되며, 상기 페러데이 컵에 의하여 정확한 측정을 위하여, 상기 이온화부(32)에서 이온화되어 진행하는 클러스터의 속도와 분포를 균일하게 유지시켜 주는 리플렉트론(34)을 부가 설치하였다.
상기 이온화부(32)와 클러스터 측정부(36)는 상기 프리챔버(10)에 장착된 스키머(16)에 연결되어 상기 프리챔버(10)의 진동도보다 높은 진공도(동작전 진공도 : 5×10-7Torr, 동작중 진공도 : 1×10-5Torr, 단, 동작 중 진공도는 상기 노즐(12)에 공급되는 가스의 압력이 5bar일 때임)로 유지되는 소스챔버(30) 내에 설치된다.
상기 렌즈부(52)는 3개의 전극으로 된 아인젤 렌즈(Einzel Lens)로 구성되며, 상기 이온화된 클러스터의 포커스를 조절하는데 이용된다.
상기 가속부(54)는 상기 렌즈부(52)에 의하여 포커스가 조절된 이온화된 클러스터를 가속시켜 주는 것으로, 인가되는 50∼150kV의 전압을 이용하여 이온화된 가스 클러스터를 가속시켜 준다.
상기 주사부(56, 58)는 상기 가속부(54)에 의하여 가속된 이온화된 가스 클러스터를 타겟(75)의 일정 위치에 정확하게 주사되도록 주사되는 위치를 조절시켜 주는 것으로, 서로 평행하게 대향된 10∼100cm 크기를 갖는 2쌍의 편향판이 서로 교차되어 X-Y축 상으로 이온화된 가스 클러스터를 편향시켜 준다.
상기 리플렉트론(34)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 이온화부(32)에 의하여 이온화된 가스 클러스터의 크기를 정확하게 측정하기 위해 클러스터의 속도 등을 균일하게 조정하기 위하여 선형으로 변화하는 전압이 인가되는 다단계의 평행판으로 구성된다.
보통 리타딩 필드(retarding field) 방법에 의해 클러스터의 크기 분포를 측정할 때에 리타딩 필드(retarding field)의 균일성이 떨어지기 때문에 본 발명에서는 클러스터의 진행 공간에 균일한 리타딩 필드(retarding field)를 형성해주기 위해 총 13개의 도넛 형태를 갖는 평행판을 설치하였다.
예를 들어, 한 개의 전극을 이용하는 경우 엣지 효과(edge effect)에 의해 급격히 변화하는 전장에 의해 이온들의 진행 방향이 많이 바뀔 수 있기 때문에 클러스터 이온빔의 발산으로 인한 이온 입자들의 분산으로 리타딩된 이온의 측정을 위해서는 큰 크기의 페러데이 컵(faraday cup)이 필요하다. 또한, 상대적으로 큰 질량으로 인해 전장의 영향이 적은 클러스터의 경우에도 진행 방향에 영향을 덜 줄 수 있는 평행한 전장의 형성이 중요하다.
이를 위해서는 본 발명은 중심에 통과공이 형성된 도넛 형태인 13개의 평행판 중에서 첫 번째 단은 접지와 연결되고, 두 번째 단부터 마지막 단까지는 균일한 저항(본 발명에서는 1㏁)을 직렬로 연결하여, 원하는 리타딩(retarding) 전압의 강화를 유도하여 리플렉트론(reflectron) 내부에서의 전압의 기울기가 선형적으로 증가하도록 하였다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 가스 클러스터 이온 가속기의 특성 즉, 클러스터 이온원의 특성을 측정하기 위하여 CO2가스를 소스 가스로 이용하여 가스 압력을 1∼5bar까지 변화하여 클러스터 생성과 크기 분포 등을 조사하였다.
우선 사용된 노즐(12)의 통로 구경(Φthroat)은 현미경으로 측정한 결과 지름이 0.11mm이었고, 후부경(φ2)까지의 거리는 L = 28mm이었다.
상기 통로 구경의 크기를 크게 하면 매우 큰 펌프를 이용하여 소스 가스를 공급해 주어야 하는 문제점이 있기 때문에 기계적으로 가공이 가능한 크기인 0.05mm에서 0.5mm 이내로 형성하는 것이 유리하다.
프리챔버(10)는 메카니컬 부스터 펌프(mechanical booster pump; EH250)와 로터리 펌프(rotary pump; Alcatel D80)를 이용하여 소스 가스 압력 5bar에서 70mTorr까지의 진공도를 유지하였다.
상기 노즐(12)의 후부경(φ2)에서부터 13mm 떨어진 곳에 설치된 스키머(14, Φ=0.5mm)를 사용하여 생성된 클러스터의 진행 방향을 조정(collimation)한 후에, 렌즈부(52), 가속부(54) 앞의 소스챔버(30; 지름 300mm, 높이 400 mm)에 유입시켰고, 터보 펌프(Turbo pump; Alcatel ATP 900)를 이용하여, 베이스 압력(base pressure)을 2x10-7Torr까지 유지하고, 소스 가스 압력 5bar에서 작동 진공 압력은1x10-5Torr까지 유지할 수 있었다.
그리고, 클러스터의 크기를 측정하기 위하여 제작된 소스챔버(30) 내에 설치한 이온화부(32)를 이용하여 전자 충돌을 이용하여 이온화시켰다. 전자 가속 전압은 150V이었고, 이 때 방출된 전자의 전류는 80∼100mA이었다.
소스 가스 CO2의 압력을 1∼5bar까지 변화시켰고, 첫 번째로 상온에서 리플렉트론(34)을 이용하여 클러스터의 크기를 리타딩 필드 아날라이저(retarding field analyzer)방식으로 측정하였다.
상기 리플렉트론(34)의 첫단에 그라운드와 연결하였고, 두 번째단에서 마지막단 까지는 1㏁을 각 단마다 연결하여 일정한 비율로 전압 강화를 형성하여 리플렉트론(34) 내부의 전압 분포는 선형적으로 변화하도록 하였다. 첫 번째단과 두 번째단에는 중앙에 스테인리스스틸로 형성된 메쉬(mesh)를 사용하여 일정한 전압 분포를 형성하였다.
상기 도넛 형태의 원형 평행판들 내부에는 일정한 전기장이 형성되어, 리플렉트론의 균일성을 확립할 수 있다.
이러한 형태의 리플렉트론은 모노머 또는 서로 다른 운동 에너지를 갖는 클러스터를 균일한 리플렉트론 전압과 공간적인 전기장의 균일성을 이용하여 클러스터를 크기에 따라 선택해낼 수 있는 분해능을 높여 준다.
상기와 같은 식으로 하여, 클러스터의 크기를 각각 다른 방법으로 측정하여 도 5∼7에 나타내었다.
도 5는 CO2가스 압력에 따른 클러스터 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프로써, CO2가스를 이용하여 상온에서 가스 압력을 1∼5 bar(1bar=1기압)까지 변화시키면서 생성된 클러스터의 크기를 리플렉트론(34)과 이온 측정부(36)를 사용하여 측정한 클러스터의 크기이다.
이온화 에너지와 같은 크기의 리타딩 전압 리플렉트론(34)의 끝단에 인가하여 측정한 결과로써, 클러스터의 평균 크기는 리타딩 전압에서 클러스터 이온 전류값(y-축)의 반이 되는 전압까지의 차를 클러스터 분자 한 개의 운동 에너지(kinetic energy)로 나누어주는 값이 평균 개수가 된다.
도 6은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 retarding field analyzer로 측정한 결과를 나타낸 그래프로써, CO2가스를 이용하여 가스 압력을 5bar에 고정시키고 온도를 변화시키면서 생성된 클러스터의 크기를 리플렉트론(34)과 이온 측정부(36)를 사용하여 측정한 클러스터의 크기이다.
도 7은 CO2가스 압력 5bar에서 온도에 따른 클러스터 크기를 비행 시간 측정(time-of-flight) 방법으로 측정한 결과를 나타낸 그래프로써, 리타딩 필드(Retarding field)를 이용하는 경우 필드의 불균일성에 의해 정확한 클러스터의 개수를 직접적으로 측정할 수 없기 때문에 클러스터 이온들의 구성 원자 개수에 따라 질량이 달라서 같은 에너지로 가속된 경우라 할 지라도 각각의 속도가 틀려지는 색수차(chromatic abberation) 현상이 발생한다. 이를 이용하여 비행시간(flight time)의 차를 이용하면 정확한 클러스터 크기를 알 수 있다. 도 7에서 보면, CO2가스를 이용하여 가스 압력을 5bar에 고정시키고 온도를 변화시키면서 생성된 클러스터의 크기를 채널트론(channeltron)을 이용하여 측정한 클러스터 크기의 분포를 보여주고 있다. 온도가 감소할수록 평균 클러스터 크기가 증가하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 도 8은 HOPG 위에 CO2클러스터를 40kV로 가속하여 충돌시켰을 때 충돌에 의해 유도된 hillock의 AFM 사진으로써, 클러스터의 생성 및 존재를 확인하는 방법으로 HOPG(highly oriented pyrolytic graphite)위에 CO2클러스터 이온을 가속시켜 표면에 조사(irradiation)한 후 충돌한 부분을 ATM(atomic force microscope)로 측정한 사진이다.
도 5 에서 보듯이 상온에서는 소스 압력 4bar에서부터 클러스터의 형성이 확실히 측정되었으며, 4bar와 5bar에서 클러스터의 평균 크기(mean cluster size)가 증가하는 것을 확인하였다.
도 6 에서는 소스 가스의 압력을 5bar에 고정시키고 노즐(12) 부분을 냉각(cooling)한 후 측정한 클러스터의 크기 분포이다. 온도가 37.2℃, 4.7℃, -19.5℃로 감소할수록 클러스터의 개수가 응축(condensation)에 의해 증가함을 알 수 있었다.
본 발명에서는 보다 정확한 클러스터 크기의 측정을 위해 비행 시간 측정(time-of-flight) 방법을 이용하여 측정하였다. 소스챔버(30)에 부착된렌즈부(52)의 첫단에 200V, 1ms 펄스를 가하고, 그 때의 클러스터 이온들을 40kV로 가속하여 채널트론(channeltron, bias : -3kV)으로 시그널을 10㏁ 저항에 연결하여 측정하였다.
CO2가스의 압력을 5bar에 고정시키고 온도를 변화해가면서 측정하였다. 도 7에서 보는 바와 같이 온도가 각각 333K(60℃), 298K(25℃), 223K(-40℃)에서 측정한 결과, 클러스터 평균 크기(mean cluster size)가 각각 500, 700, 1015개로 측정되었다.
또한, CO2클러스터의 형성을 실제로 확인하기 위하여 40kV로 HOPG 위에 2초 동안 CO2클러스터 이온빔(cluster ion beam)을 조사한 후, 그 표면을 AFM을 이용하여 조사하였다.
도 8a에서 보는 바와 같이 1㎛ x 1㎛ 영역에서 하얀 점들로 보이는 곳이 클러스터가 충동한 것으로, 이를 자세히 보기 위해 150nm x 150nm 영역에서(도 8b) 그 중 한 개를 추적(trace) 측정하여 보면 배경으로 보이는 HOPG 원자 배열 중에 두드러지게 돋은 모습(impact-induced hillock)이 잘 보이고 있음을 알 수 있다.
HOPG 표면보다 1nm높이로 솟아있으며 전체 힐록(hillock)의 크기는 20nm 정도로 측정되어서 수nm의 크기를 가지고 있다고 알려진 클러스터의 실체를 정확히 알 수 있었다.
또한, 이러한 힐록(hillock)의 형성은 국부적으로 초고속도(hypervelocity)를 가지는 클러스터 충돌에 의한 충격파(shock wave) 형성과 탄성 반발(elastic rebound) 및 초급속 냉각을 통해 돌출(protrusion)이 일어난 상황으로 모노머 이온빔(monomer ion beam)에서는 발견되지 않는 클러스터 이온빔(cluster ion beam)의 고유한 충돌 현상이다.이와같이 생성된 표면 나노 돌출 구조(nano-protruision)는 일반적으로 원자나 분자로 이루어진 이온빔에서는 관측되지 않은 것으로 알려져 있다.기존의 단일 원자나 분자 이온빔의 경우는 대부분이 콜리젼 캐스케이드(collision cascade)에 의해 충돌 현상이 일어나지만, 본 발명과 같이 다원자나 다분자로 이루어진 이온화된 클러스터를 이용하는 경우에는 다중충돌 현상에 의해 데미지(damage) 지역이 넓고 클러스터 이온 충돌시 국부적으로 104K, 100GPa정도의 압력이 가해져 충돌 지역이 액체상태로 변화하고, 이렇게 변화된 물질 상태는 플라스틱 디포메이션(plastic deformation)이 발생하여, 주변의 고체 상태와는 다른 압력 변화에 따른 변형을 제거하기 위해 표면 밖으로 분출되고, 짧은 시간(약 10ps) 이내에 급냉되어 위와 같은 수십nm 크기의 뾰족한 힐록(hillock) 구조를 생성시킨다.이렇게 생성된 nm 수준의 힐록(hillock)은 나노 기술 분야에 있어서 매우 중요한 나노 스트럭처링(nano structuring)에 매우 유용하게 되고 HOPG 뿐 만아니라 Si, InP, GaAs 반도체 결정 기판 위에 위와 같이 형성된 nm 크기의 구조물은 양자점으로의 역할을 하거나, 전계 방출용 팁(tip)으로 이용할 수 있다.이는 기존 이온빔을 이용하는 경우 경우 나노 구조를 형성하기 위해 나노 마스크(mask)를 사용하는 방법에 비하여 본원 발명은 마스크없이 나노 구조물을 원하는 형상으로 형성할 수 있는 것을 의미한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 의한 가스 클러스터 이온 가속기는 50kV∼150kV 영역에서는 다이아몬드(diamond) 수정(quartz) 등의 초경도 물질의 미세 표면 가공(surface micromachining)이 가능하며, 10∼40kV정도의 에너지 영역에서는 nm 단위의 초평탄화 가공(ultra smoothing)이 가능하여 ITO, 초전도체, 금속막 등의 표면 평탄화가 가능하고, 고스퍼터링 지수(high sputtering yield)를 이용하여 Cu 등의 기계화학적 광택 작업(chemical mechanical polishing; CMP) 등을 대체할 수 있다.
또한, 수 kV 영역의 클러스터를 이온빔을 이용하는 경우 ULSI급 반도체 구현을 위한 울트라 쉘로우 정션(ultra shallow junction) 형성과 고품위 산화물 형성을 위한 이온원으로 사용 가능하며, 고분자(polymer)의 표면 변형(surface modification), 나노 스트럭처링(nano structuring) 등에 효과가 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 고압의 소스 가스를 공급받아 클러스터 상태로 변환하여 토출시켜 주는 클러스터 생성부와, 상기 클러스터 생성부를 통과한 클러스터를 이온화시켜 주는 이온화부와, 상기 이온화부에 의하여 이온화된 클러스터의 포커스를 조절하는 렌즈부와, 상기 렌즈부를 통과한 이온화된 클러스터의 크기를 측정하는 클러스터 측정부와, 상기 이온화된 클러스터를 가속시켜 주는 가속부와, 상기 가속부에 의하여 가속된 이온화된 클러스터를 타겟에 주사시켜 주는 주사부로 구성된 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법에 있어서,
    상기 클러스터 생성부를 통하여 소스 가스를 클러스터 상태로 변환한 후에 상기 이온화부를 통하여 이온화시켜서 이온 클러스터를 생성하는 단계;
    상기 렌즈부를 통하여 상기 이온 클러스터를 포커싱한 후에 상기 가속부를 통하여 가속시키는 단계;
    가속된 이온 클러스터를 상기 주사부를 통하여 미리 정해진 위치의 기판에 주사하여 수 nm∼수십 nm 크기의 힐록(Hillock)을 형성하는 단계를 포함하여, 나노 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 이온 가속기를 이용한 나노 구조물 형성 방법.
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