KR100503002B1

KR100503002B1 - 집속이온빔에 의한 3차원 초미세 형상 가공방법

Info

Publication number: KR100503002B1
Application number: KR10-2003-0048408A
Authority: KR
Inventors: 이종항
Original assignee: 이종항
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-07-21
Also published as: KR20050008341A

Abstract

본 발명은 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 집속이온빔을 이용하여 기존의 기계가공 보다 정확하고 미세한 가공도 가능하도록 개선한 집속이온빔에 의한 3차원 형상을 미세하게 가공할 수 있는 집속이온빔을 이용한 3차원 초미세 형상 가공방법에 관한 것이다.

본 발명은 집속이온빔 장치에 있어서, 시편(50)이 놓여지는 시료대(40)의 X-Y 스테이지(41,42) 위 또는 아래중 어느 한 곳에 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축으로 구성되는 제어기(60)가 설치되고, 상기 제어기(60)는 이를 제어하도록 된 제어수단에 연결되어 상기 제어기가 집속이온빔의 충돌각도를 일정하게 제어하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔에 의한 3차원 초미세 형상 가공방법.

Description

집속이온빔에 의한 3차원 초미세 형상 가공방법 {Manufacturing method of the 3 dimensional ultra small scale profile by focused ion beam }

본 발명은 집속이온빔에 의한 3차원 형상을 미세하게 가공할 수 있는 집속이온빔을 이용한 3차원 초미세 형상 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 집속이온빔을 이용하여 기존의 기계가공 보다 정확하고 미세한 가공도 가능하도록 개선한 것이다.

일반적으로 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 가공은 레이저와 같이 집속된 고 에너지 빔에 의하여 공작물의 재료 표면을 제거하는 것으로, 집적된 이온 에너지의 충격력에 의하여 이온이 표면에 충돌하여 표면원자를 제거(sputtering)하는 것이다. 이러한 FIB 장치는 제조 공정 상에서 파티클(particle)의 발생원, 구조 등을 분석하는데 널리 사용된다.

또한, 상기한 집속이온빔(FIB) 가공은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

첫째, 집속된 이온빔의 직경이 크면 에너지가 크기 때문에 가공량(제거량)이 크며, 직경이 작으면 가공량도 작아지는 특성이 있다.

둘째, 가공시 집속이온빔과 표면과의 충돌각도의 차이에 따른 제거량의 변화(도2 참조), 또한 제거된 재료의 제거방향에 따라 가공량이 달라지는 특성이 있다.

셋째, 이온빔의 축방향 에너지(충돌되는 방향)가 공간적으로 가우시안(Gaussian) 분포를 하기 때문에 가공 후에는 표면에 가우시안 형상의 윤곽을 나타나게 되는 특성이 있다.

이같은 특성으로 인하여 집속이온빔 가공시 미세 그루브와 같이 직각의 형상 가공에서는 직각도와 같은 형상공차를 맞추기가 어렵다.

그리고 3차원 형상의 가공시 도 3에 나타낸 바와 같이 공간상에서 집속이온빔의 에너지분포 변화로 인한 가공된 프로파일 형상 특성(재료 특성에 따라 달라짐)으로 인해 정확한 치수가공이 곤란하게 만드는 문제점이 있다.

이와 같은 가공특성과 가공원리는 집속이온빔에 의한 미세한 3차원의 형상의 가공을 어렵게 만드는 요인이 되었다.

따라서 종래에는 집속이온빔에 의한 3차원의 미세 가공은 일반적인 가공과 SEM(Scanning Electron Microscope) 측정을 병행하면서 여러 회의 반복적인 수작업을 통하여 가공하게 되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 감안 해소하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 수작업에 의한 3차원 미세 가공을 기존의 가공기계 및 집속이온빔 장치를 연계하여 보다 정확하게 가공할 수 있는 집속이온빔을 이용한 3차원 초미세 형상 가공방법을 제공하고자 하는데 있는 것이다.

본 발명의 집속이온빔 장치는 액체금속원(10)(Liquid Metal Ion Source, LMIS)과, 상기 액체금속원(10)의 앞쪽에 설치되는 추출장치(Extractor) 및 정전렌즈(Electrostatic Lens)(20)와, 방출된 이온원을 장치 특성에 적합하도록 방출 이온들을 집속시키거나 원하지 않은 이온들은 제거하는 칼럼(30)(Ion Beam Column)이 구비된다.

상기 칼럼(30)은 먼저 방출된 이온들이 공간상에서 퍼지므로(Spreading) 이들 방출이온을 걸러주기 위한 조리개(32)(Aperture)와, 이온량을 측정하기 위한 패러데이컵(34)(Faraday Cup)과, 이온들을 가속시켜 운동량을 증가시키는 정전렌즈(36)(Electronstatic Lens; Condensing Lens and Objective Lens)가 구비되어 있다.

그리고 이온원에서 사용되는 합금 재료들에서 도중에 필요 없는 이온을 제거하기 위한 필터(Magnetic Mass Filter)와, 이온 광학계의 수차보정을 위한 Octopole Stigmator 및 이온빔축의 기계적인 조정을 위한 정렬장치(Alignment System)가 구비되어 이온의 집속성능을 개선시켜 주도록 되어 있다.

그리고 상기한 이온원과 칼럼(30)의 하단 시료대(40)에 고정되는 시편을 온라인으로 측정하기 위한 이온현미경(Scanning Ion microscope, SIM)과, 이온과의 화학작용에 의한 Micro Deposition장치와, 10^-9Torr 이상의 진공중에서 운용되는 진공펌프와, 각종 전원장치 및 장치운용을 위한 제어장치가 함께 제공된다.

상기 시료대(40)에는 X·Y·Z 방향으로 이송이 가능한 다수의 스테이지가 구비되어 상기 스테이지 위에 피삭재인 시편(50)을 고정시키도록 되어 있다.

상기 시료대(40)의 X-Y 스테이지(41,42)(또는 테이블)위 또는 아래 중에서 어느 한 곳에 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축으로 구성되는 제어기(60)가 설치되고, 상기 제어기(60)에는 이를 제어하도록 된 제어수단이 연결되어 상기 제어수단을 통해 제어기(60)와 함께 시료대(40)를 제어하면서 집속이온빔의 충돌각도를 일정하게 제어하도록 구성되고 있다.

도3은 집속이온빔과 시료 표면간의 충돌각도를 일정하게 유지하기 위한 제어기의 구성을 나타내고 있는 것으로, 상기 제어기(60)는 피삭재를 설치할 수 있는 시료대(40)의 아랫쪽에 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축을 고정되게 설치하고, 그 아래에는 X-Y 스테이지(41,42)을 설치하여 제어기(60)와 연결시킨다. 그리하면 기계장치의 구성으로 집속이온빔의 충돌각도를 일정하게 제어가 가능하게 된다.

상기한 제어기(60)는 가공시 일정한 충돌각도를 유지할 수 있도록 구성하기 위해 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축을 모두 조합하여 수직 회전이 가능한 Rotation 축(61)에 결합되어 이들이 동일하게 구동 및 제어하도록 구성할 수 있는 것이며, 필요에 따라서는 제어기의 틸팅(Tilting) 또는 스위블링(Swiveling)축 중의 한가지만이 X-Y 테이블에 수직한 회전이 가능한 Rotation 축(61)에 조합하여 집속이온빔의 충돌각도가 일정하도록 제어할 수 있는 것이다.

도3c는 피삭재를 회전하면서 가공하는 것을 나타낸 참고도이고, 도3d는 일정한 충돌각도를 유지하기 위해 피삭재를 틸팅 또는 스위블링 수단이 구비된 제어기를 이용하여 제어하는 것을 나타낸 참고도이다.

그리고 본 발명에서는 집속이온빔의 가우시안 분포 특성으로 인한 가공영역의 가공량 차이(Sputtering Yield)는 다음과 같은 방식으로 대처한다.

먼저 본 발명의 집속이온빔을 이용한 3차원 초미세 형상을 가공하고자 하는 경우에는 먼저, 피삭재(공작물)인 시편(50)을 시료대(40)에 고정되게 설치한 다음 시편(50)이 고정된 시료대(40)의 X-Y 스테이지(또는 테이블)에 설치되는 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축으로 구성되는 제어기(60)와 연결되는 제어수단을 이용하여 가공하고자 하는 피삭재의 집속이온빔 충돌각도(a,b,c)가 일정하도록 제어한다.(도4, 도5 참조)

이때 필요한 데이터는 집속이온빔의 가우시안 분포 특성으로 인한 가공영역의 가공량 차이에 따른 가공 프로파일은 사전 실험을 통해 그 실험 결과를 기록 저장하였다가 이 데이터를 이용하여 가공조건에 따른 가공 윤곽에 대한 하나의 데이터베이스를 구축하는 것이 바람직하다.

그리하면 상기 데이터베이스는 최종가공(Finishing machining)시 가공량을 제어하는데 아주 유용하게 이용되어질 수 있는 것이다.

한편, 집속이온빔에 의한 가공에서는 가공량이 매우 작으므로 잔존시간(Dwell Time)을 이용하여 가공량을 제어할 필요가 있다.

상기한 제어방법에 있어,

가공깊이의 정확한 제어는 다음 식과 같이 X축과 Y축은 화소수 및 중첩가공을 적용하며, Z축의 경우는 잔존시간(Dwell Time)에 가중계수(Weighting Factor)를 적용한다.

즉, X축, Y축, Z축의 제어는 다음의 식

을 이용하여 가공위치에 따라 잔존시간과 픽셀의 크기를 제어한다.

특히, 3차원가공시 가공깊이가 달라지면 잔존시간량을 제어하는 가중계수(Weight Factor, WF)를 제어[(a)WF=1.0 -> (b)WF=2.0 -> (c)WF=3.0]하여 가공깊이에 따른 가공량을 정확히 제어하여 준다.

단, 보다 정확한 가공을 위해서는 이온빔의 직경을 작게 하면 가능하나 가공능률이 저하된다. 따라서 일반적인 기계가공과 같이 이온빔의 직경을 크게 하여 황삭가공한 후 이온빔의 직경을 작게하여 정삭가공을 수행하면 된다.

한편, 미세가공은 다음과 같은 방법을 이용하면 보다 정확한 가공이 가능하게 된다.

목표로 하는 피삭재의 가공영역에 대하여 먼저 가공에 필요한 집속이온빔의 직경을 결정한다. 이때 가공량이 많은 경우는 황삭가공으로서 가공량을 증가시키기 위하여 집속이온빔의 직경을 크게 한다.

그러나 정삭가공으로서 가공량을 정확하게 하여 최종 마무리 가공을 할 경우에는 집속이온빔의 직경을 작게하여 가공한다. 이때는 화소(Pixel) 수를 이용한다.

도 6와 같이 필요한 가공영역을 집속이온빔의 직경으로 나누어 화소 수를 계산한 후 화소 수와 화소의 중첩가공(Overlapping)을 적용한다. 이때 가우시안 분포를 갖는 집속이온빔으로 인하여 중첩가공을 이용하면 정확한 가공이 가능하게 된다.

또한 X축과 Y축의 제어는 필요한 가공영역을 집속이온빔의 직경으로 나누어 화소 수를 계산한 후 이 화소 수와 화소들의 중첩(Overlapping)가공은

을 이용한다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 3차원 형상을 갖는 미세한 가공이 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 집속이온빔과 일정한 제어기를 연계하여 집속이온빔의 충돌각도가 일정하도록 제어함으로써 기존의 기계가공 보다 정확한 가공이 이루어질 수 있게 된다.

따라서 종래처럼 기계 가공과 SEM(Scanning Electron Microscope) 측정을 병행하면서 수 회 반복적인 수작업을 병행하는 번거러움이 없이 용이하게 가공할 수 있는 이점이 있게 된다.

또한 가공량이 많은 경우는 집속이온빔의 직경을 크게 하여 가공량을 증가시키고, 최종 마무리 가공을 할 경우에는 집속이온빔의 직경을 작게 하고, 필요한 가공영역은 가우시안 분포를 갖는 집속이온빔을 이용하여 중첩가공을 이용하면 정확한 가공이 이루어질 수 있게 되는 이점이 있는 것이다.

도1은 본 발명이 적용된 집속이온빔 장치의 개략적인 구성을 나타낸 예시도,

도2는 종래의 충돌각도의 차이에 따른 제거량의 변화 및 제거된 재료의 제거방향관계를 나타낸 참고도,

도3은 본 발명에 따른 제어기의 구성을 나타낸 것으로,

도3a, 3b는 집속이온빔과 시료 표면간의 충돌각도를 일정하게 유지하기 위한 제어기의 구성을 나타낸 예시도, 일측면도,

도3c는 피삭재를 회전하면서 가공하는 것을 나타낸 참고도,

도3d는 일정한 충돌각도를 유지하기 위해 피삭재를 제어기를 이용하여 제어하는 것을 나타낸 참고도,

도4는 공간상에서 집속이온빔의 에너지분포 변화로 인한 가공된 프로파일형상 특성을 나타낸 선도,

도5는 본 발명이 적용된 가공깊이에 따른 잔존시간(Dwell Time) 제어에 의한 3차원 미세가공 상태를 나타낸 참고도,

도6은 피삭재의 가공조건을 나타낸 예시도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 액체금속원(Liquid Metal Ion Source, LMIS)

20 : 추출장치(Extractor) 및 정전렌즈(Electrostatic Lens)

30 : 칼럼(Ion Beam Column)

40 : 시료대

50 : 시편

60 : 제어기

Claims

액체금속원(10)과, 상기 액체금속원(10)의 앞쪽에 설치되는 추출장치 및 정전렌즈(20)와, 방출된 이온들이 공간상에서 퍼지므로 이들 방출이온을 걸러주기 위한 조리개(32), 이온량을 측정하기 위한 패러데이컵(34), 이온들을 가속시켜 운동량을 증가시키는 정전렌즈(36)가 구비되어 방출된 이온원을 장치 특성에 적합하도록 방출 이온들을 집속시키거나 원하지 않은 이온들은 제거하는 칼럼(30)과, 상기 이온원과 칼럼(30)의 하단 시료대(40)에 놓여지는 시편을 온라인으로 측정하는 이온현미경(SIM)과, 이온과의 화학 작용에 의한 Micro Deposition장치와, 10^-9Torr 이상의 진공중에서 운용되는 진공펌프와, 각종 전원장치 및 장치운용을 위한 제어장치가 구비되는 집속이온빔 장치에 있어서, 시편이 놓여지는 시료대(40)의 X-Y 스테이지(41,42)에 틸팅(Tilting) 및 스위블링(Swiveling)축으로 구성되는 제어기(60)가 설치되고, 상기 제어기(60)는 이를 제어하도록 된 제어수단과 연결되어 상기 제어기(60)을 이용하여 집속이온빔의 충돌각도를 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔에 의한 3차원 초미세 형상 가공방법.
제1항에 있어서,

가공깊이의 정확한 제어는 다음 식과 같이 X축과 Y축은 화소수 및 중첩가공을 적용하며, Z축의 경우는 잔존시간(Dwell Time)에 가중계수(Weighting Factor)를 적용한다.

X축, Y축, Z축의 제어는 다음의 식

으로 되고,

X축과 Y축의 제어는 필요한 가공영역을 집속이온빔의 직경으로 나누어 화소 수를 계산한 후 이 화소 수와 화소들의 중첩(Overlapping)가공은

으로 되는 것을 특징으로 하는 집속이온빔에 의한 3차원 초미세 형상 가공방법.