KR100766193B1 - 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법 및 그장치 - Google Patents

전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

제시된 발명은 탐침소재의 끝단에 추를 매달아 에칭과정중 탐침소재의 진직도를 높여 에칭균일도를 향상하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 추가 제거됨에 의해 탐침소재내의 잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 계면을 벗어나 과에칭되는 것을 방지하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 간소한 장비로 안정적이고 원활한 에칭을 유도하여 좋은 품질의 제품을 생산하고 제조시간을 단축하여 생산성을 향상할 수 있다.
고세장비, 탐침, 전기화학 에칭, 드롭-오프(drop-off), 테플론 추

Description

전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법 및 그 장치 {Method for Manufacturing a Micro Probe Tip Using an Electrochemical Etching Technique and Apparatus therefor}
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면들을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.
도 1은 일반적인 전기화학적 에칭기술을 이용한 탐침 제조방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 A-A선 방향에서 보아 스토퍼의 구조를 상세하게 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 제조장치를 이용하여 제조된 텅스텐 탐침의 전자현미경 사진이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 제조장치를 이용하여 제조된 50나노미터 이하의 텅스텐 탐침의 전자현미경 사진들이고,
도 7은 본 발명에 의해 제조된 탐침의 이물질을 제거하기 전후의 사진들이 다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
50 : 용기 52 : 에칭수용액
60 : 양전극 62 : 상부 탐침
64 : 하부 탐침 70 : 음전극
80 : 전원공급기 90 : 스토퍼
100 : 추 102 : 금속테잎
본 발명은 전기화학적 에칭기술을 이용하여 탐침을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탐침소재의 끝단에 추를 매달아 에칭과정중 탐침소재의 진직도(進直度; 직선으로 곧은 정도)를 높여 에칭균일도를 향상하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 추가 제거됨에 의해 탐침소재내의 잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 계면을 벗어나 과에칭되는 것을 방지함으로써 간소한 장비로 안정적이고 원활한 에칭을 유도하여 좋은 품질의 제품을 생산하고 제조시간을 단축하여 생산성을 향상할 수 있는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.
현재 국내외에서 활발하게 연구되고 있는 나노/마이크로 광학, 멤스(MEMS; Micro ElectroMechanical System) 소자의 특성분석 및 이미지 신호처리 분야에서 필수적으로 요구되는 주사터널 현미경과 원자간력 현미경 등의 수요가 해마다 증가하고 있다. 이에 따라, 이러한 현미경에서 핵심적 구성요소인 금속 탐침에 대한 수요도 꾸준히 증가하고 있다. 이때, 사용되는 금속 탐침으로는 텅스텐 탐침이 주로 사용되고 있다.
이러한 텅스텐 탐침을 제조하는 방법으로는 연삭을 이용하는 기계적 방법, 에칭(etching)을 이용하는 화학적 방법, 및 증착을 이용하는 반도체 기술 등이 있다. 이러한 방법들 중에서 에칭을 이용한 화학적 방법은 제조장치 구축의 간단함, 저비용, 간편한 제조과정 등의 이유로 널리 이용되고 있다.
전기화학적 에칭방법은 교류(AC)전압과 직류(DC)전압을 이용하는 2가지 방법으로 분류할 수 있다. 교류전압을 이용하는 방법은 생산율에 있어서는 최대 40%까지 보고된 바 있으나 세장비(細長比)가 낮다라고 단점을 가지고 있다. 반면에, 직류전압을 이용하는 방법은 교류전압에 비해 훨씬 낮은 생산율을 가지지만 고세장비(高細長比)의 탐침을 제조할 수 있는 것으로 알려져 있다.
텅스텐 탐침은 앞서 설명했듯이 주사터널 현미경이나 근접장 현미경 분야에서 주로 사용되며, 몇 번 사용한 후 교체해야 하는 소모품으로서 첨단 기술을 바탕으로 한 나노/마이크로 광학 및 이미지신호 처리 분야에서 연간 많은 수요가 발생되고 있다.
그러나, 현재까지의 전기화학적 에칭을 통한 탐침 제조방법으로는 주사터널 현미경이나 근접장 현미경에 요구되는 나노미터(nm) 크기의 미세한 탐침의 생산효율이 낮고, 생산된 탐침의 재현성(再現性)이 떨어지는 문제로 원활한 텅스텐 탐침의 공급이 어려운 단점이 있었다. 이에, 산업 및 연구 분야에의 활용을 위해 재현성 및 생산율을 높이는 제조기술이 절실히 요구되고 있다.
전기화학적 에칭기술을 이용한 일반적인 탐침 제조방법에 대해 도 1을 참조하여 잠시 살펴보기로 한다. 도 1은 일반적인 전기화학적 에칭기술을 이용한 탐침 제조방법을 설명하기 위한 도면으로, 보는 바와 같이 제조하려는 탐침 재료와 가장 활발한 화학반응을 일으키는 에칭수용액을 결정하고, 그 에칭수용액(10)에 양(+)전극(20)과 음(-)전극(30)을 넣는다.(단계Ⅰ) 이때, 양전극(20)으로는 제조하고자 하는 탐침소재의 금속선이 사용되며, 음전극(30)으로는 금속선의 양전극(20)이 관통하는 환형으로 구성된다. 이러한 양전극(20)과 음전극(30)에 전원을 연결하면, 양전극(20)이 에칭수용액(10)과 화학반응하여 에칭된다.(단계Ⅱ,Ⅲ)
이러한 제조공정에서는 양전극(20)으로 텅스텐 선(wire)이 사용되고, 에칭수용액(10)으로 수산화칼륨(KOH) 수용액이 사용되는 것이 바람직하다. 이때의 화학반응은 다음식과 같다.
(+)전극: W(s) + 8OH- ⇒ WO4 2- + 4H2O + 6e-
(-)전극: 6H2O + 6e- ⇒ 3H2(g)+6OH-
위 화학반응에 의해 에칭수용액(10)과 공기가 만나는 계면(12)에서 양전극(20)인 텅스텐 선의 에칭이 일어난다. 점진적인 에칭에 따라 결국 텅스텐 선은 계면부위에서 절단이 일어나 계면(12)을 기준으로 상부측 탐침(22)과 하부측 탐침(24)으로 제조된다.(단계Ⅳ) 양전극(20)은 통상 상부측을 파지하여 수직으로 설치되는데, 이때 지지되지 않은 하부 탐침(24)은 수용액 용기의 바닥으로 떨어지고, 지지되어 있는 상부 탐침(22)은 그 위치에 그대로 존재하게 된다. 이러한 제조방법을 드롭-오프(drop-off) 방식이라고 한다. 상부 탐침(22)의 경우 드롭-오프가 일어난 후에도 전원공급이 계속되므로 과에칭이 되고, 그 결과 상부 탐침으로 제조된 탐침의 단부가 더 무뎌지게 되어 제품의 품질이 떨어지는 단점이 있었다.
한편, 하부 탐침(24)은 드롭-오프 순간에 용기 바닥으로 떨어짐으로써 과에칭을 피할 수 있기 때문에 하부 탐침(24)에 지지대를 장착하여 하부 탐침(24)을 소자로 이용하기도 한다.
그러나, 이러한 상부 및 하부 탐침들(22,24)은 텅스텐 선 고유의 잔류응력에 의한 굴곡에 의해 에칭과정중 에칭이 이뤄지는 텅스텐 선의 외주면이 환형의 음전극과 모두 동일한 거리에 위치하지 못하고, 즉 환형의 중심을 수직하게 관통하지 못하고, 그 결과 그 외주면에 균일한 전기장이 발생하지 못하여 대칭적인 에칭이 이루어지지 않는 경우가 흔히 발생하며 이로 인해, 제품의 품질이 떨어지고 재현성 부족으로 인한 생산효율의 개선이 이루어지지 못하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 탐침소재의 끝단에 추를 매달아 에칭과정중 탐침소재의 진직도를 높여 에칭균일도를 향상하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 추의 하중이 제거됨에 의해 탐침소재가 고유굴곡상태로 복원되면서 계면을 벗어나 과에칭되는 것을 방지할 수 있는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법을 간단한 장비로 간편하고 효율적으로 실현하기 위한 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법은 용기에 담긴 에칭수용액에 미세 굵기의 금속선의 탐침소재를 수직하게 일정부분 침지하고, 상기 탐침소재를 양전극으로 하여 그 둘레에 음전극을 배치하고 전원공급기로부터 전류를 인가하여 상기 탐침소재를 에칭시켜 탐침을 제조하는 방법에 있어서, 상기 양전극의 하단에 추를 매달아서, 에칭과정에 있어 수직 하방으로 잡아당기는 상기 추의 힘에 의해 상기 양전극의 진직도를 높여 에칭의 균일성을 유도하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 상기 추가 제거됨에 의해 에칭되어 절단된 상부쪽 탐침이 와이어 형태로 롤에 감겨 제품화된 탐침소재를 이용하거나 탐침소재의 준비공정에서 적절한 길이로 자르는 과정에서 발생된 내부잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 위쪽으로 이동하여 상기 에칭수용액으로부터 벗어나 과에칭이 방지되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치는 용기에 담긴 에칭수용액에 미세 굵기의 금속선의 탐침소재를 수직하게 일정부분 침지하고, 상기 탐침소재를 양전극으로 하여 그 둘레에 음전극을 배치하고 전원공급기로부터 전류를 인가하여 상기 탐침소재를 에칭시켜 탐침을 제조하는 장치에 있어서, 상기 양전극의 하단에 부착되는 추를 구비하고, 에칭과정에 있어 수직 하방으로 잡아당기는 상기 추의 힘에 의해 상기 양전극의 진직도를 높여 에칭의 균일성을 유도하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 상기 추가 제거됨에 의해 에칭되어 절단된 상부쪽 탐침이 와이어 형태로 롤에 감겨 제품화된 탐침소재를 이용하거나 탐침소재의 준비공정에서 적절한 길이로 자르는 과정에서 발생된 내부잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 상기 에칭수용액으로부터 벗어나게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탐침소재인 양전극의 하단에 추를 매달아 미세 굵기의 금속선인 탐침소재 내부의 잔류응력에 의한 굴곡이 펴지게 하여 양전극의 둘레표면으로부터 환형의 음전극과의 모든 방향으로의 거리가 동일하도록 함으로써 양전극의 표면에 작용하는 전기장 세기의 균일화를 기한다. 그 결과, 양전극인 탐침소재의 둘레의 모든 구간에서 균일한 에칭이 이루어져 보다 고품질의 제품을 얻을 수 있게 한다. 나아가, 탐침소재에서 드롭-오프가 일어나며 하부 탐침이 분리되어 용기 바닥으로 떨어지는 순간에 지지되어 있는 상부 탐침은 추의 하중이 제거되는 것에 의해 와이어 형태로 롤에 감겨 제품화된 탐침소재를 이용하거나 탐침소재의 준비공정에서 적절한 길이로 자르는 과정에서 발생되는 탐침소재의 고유한 잔류응력에 의해 휘어진 원상태로 복귀되면서 계면 위로 상승하여 에칭수용액으로부터 벗어나 과에칭이 방지된다. 그에 따라, 복잡한 과에칭 방지용의 스위칭회로나 과에칭 방지장치가 불필요하다.
위와 같이, 에칭진행과정중에 미세 굵기의 금속선으로 된 탐침소재 자체가 가지고 있는 미소량의 굴곡을 매달린 추가 직선으로 펴 주는 작용을 함으로써 균일한 에칭을 유도하여 양질의 제품을 제조할 수 있게 한다. 나아가, 탐침소재의 하단에 금속 테잎, 바람직하게는 알루미늄 테잎으로 추를 매닮으로써 에칭이 진행되는 동안 테잎의 금속성분(알루미늄)과 에칭수용액의 화학반응으로 인하여 더 많은 전류를 탐침소재로 공급하여 에칭을 가속화시킴으로써 탐침 제조시간을 대폭 단축할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치의 일실시예를 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 도 2의 A-A선 방향에서 보아 스토퍼의 구조를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 용기(50)에 에칭수용액(52)을 담고, 금속소재를 용기(50)에 수직하게 세워 에칭수용액(52)에 일정부분 침지시켜 양전극(60)으로 하고, 이 양전극(60)이 관통하도록 환형의 음전극(70)을 설치한다. 음전극(70)은 계 면에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하며, 환형의 흑연디스크를 사용하는 것이 좋다. 한편, 양전극(60)으로는 수~수십 ㎛ 굵기의 금속선이 적합하며, 금속선의 재질로는 텅스텐, 금, 은, 이리듐(Ir), 백금, 스테인리스 등이 사용될 수 있다. 양전극(60)은 보다 바람직하게는 위 금속들 중에서도 텅스텐 선이 가장 적합하다. 또한, 에칭수용액(52)으로는 금속선의 에칭에 필요한 수산화 음이온(OH-)을 발생시키는 알칼리 수용액이 사용되며, 예컨대 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등의 수용액이 사용될 수 있다.
양전극(60)과 음전극(70)에는 직류전원을 공급하는 전원공급기(80)가 연결된다. 특히, 양전극(60)과 음전극(70)은 각각 플러스(+)단자(82)와 마이너스(-)단자(미도시)를 통해 전원공급기(80)와 연결되어 전원을 안정적으로 공급받게 된다. 양전극(60)에는 또한 드롭-오프가 일어나는 순간 양전극(60)의 금속선과 음전극(70) 사이에서 일어날 수 있는 충돌을 방지하기 위해 완충작용을 하는 스토퍼(stopper; 90)가 설치된다. 이 스토퍼(90)는 양전극(60)인 금속선의 상부측에 설치되어 드롭-오프시 양전극(60)과 수직한 수평방향으로의 움직임을 규제함으로써 양전극(60)의 절단된 상부측과 일정간격 이격하여 그 둘레에 위치하는 환형의 음전극(70)과의 충돌을 방지한다. 예를 들어, 양전극(60)이 50㎛ 굵기의 금속선이고, 음전극(70)의 내경이 25mm인 환형 디스크인 경우, 이 양전극(60)이 음전극(70)의 중심을 관통하기 때문에 양전극(60)과 음전극(70)과의 거리는 약 12.5mm가 되므로 12mm이하의 움직임을 허용한다면 충돌이 방지될 것이다. 따라서, 스토퍼(90)는 양 전극(60)이 수평방향으로 이동하여 음전극(70)의 내경과 충돌하지 않도록 음전극(70)의 반경보다 작은 정도의 수평방향 움직임을 허락하도록 설계되며, 그 재질로는 테플론(Teflon)이 적합하다. 구체적으로는 스토퍼(90)는 도 3에서 보는 바와 같이 중심부에 환형부(92)가 형성되어 있으며, 이 환형부(92)에서 외측방향으로 환형부(92)를 지지하기 위해 사방으로 4개의 지지팔들(94a~94d)이 마련된 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 음전극(70)의 반경이 12.5mm인 경우 양전극(60)의 금속선이 관통하는 환형부(92)의 반경은 음전극 반경의 대략 절반정도인 5~7mm정도가 적당하다. 물론, 양전극(60)은 환형부(92)의 중심을 관통하도록 설치된다.
양전극(60)의 금속선의 하단에는 추(100)가 설치된다. 이 추(100)는 탐침소재의 양전극(60)과 에칭수용액(52)의 화학반응에 영향을 주지 않도록 에칭수용액(52)과 반응이 일어나지 않는 물질로 제조되며, 바람직하게는 그 재질로 합성수지가 적합하며, 보다 바람직하게는 테플론(Teflon)이 적합하다. 테플론은 재질특성상 산과 고온에 강하기 때문에 본 발명에서 에칭수용액(52)에 의한 부식이나 열에 의한 변형이 발생하지 않으므로 추(100)의 재질로서 바람직하다. 이러한 테플론 추(100)를 양전극(60)의 금속선에 매닮으로써 금속선내에 존재하는 잔류응력에 의한 굴곡을 펴서 양전극(60)의 진직도를 좋게 한다. 그 결과, 양전극(60)의 외주면으로부터 그와 대면하고 있는 음전극(70)의 내주면과의 거리가 모두 동일하게 양전극(60)이 음전극(70)의 중심을 곧게 관통하게 함으로써 에칭이 일어나는 양전극(60) 둘레의 전구간에 균일한 전기장이 발생하여 대칭적인 에칭이 이루어지게 한다. 그에 따라서, 에칭되어 이뤄지는 양전극(60)의 선단부가 대칭적인 형태로 가공되므로 좋은 품질의 탐침을 얻을 수 있다. 나아가, 에칭이 이뤄진 후에는 양전극(60)이 계면부위에서 절단되어 상부 탐침(62)과 하부 탐침(64)으로 분리되면서, 상부 탐침(62)은 아래로 잡아당기고 있던 추(100)의 부하로부터 해제되어 탐침소재가 준비공정에서부터 가지고 있었던 잔류응력에 의해 원상태의 굴곡으로 복귀되면서 계면(54)에 위치하고 있던 상부 탐침(62)의 하단은 계면으로부터 상승하여 계면(54)과의 접촉이 단절되게 된다. 이와 같이, 에칭에 의해 금속선이 상부 탐침(62)과 하부 탐침(64)으로 절단되는 드롭-오프 순간 상부 탐침(62)을 당기고 있는 추(100)의 힘이 해제되면서 상부 탐침(62)의 단부가 에칭수용액(52)으로부터 벗어남으로써 과에칭이 방지된다.
이상 설명한 추(100)는 금속선인 양전극(60)의 하단에 금속테잎(102)으로 매다는 것이 바람직하다. 추(100)를 양전극(60)에 매다는 금속테잎(102)으로는 에칭수용액(52)과 반응할 수 있는 금속이면 되고, 가장 바람직하게는 알루미늄 테잎이 적합하다. 알루미늄 테잎은 에칭수용액(52)으로 수산화칼륨 수용액이 사용될 경우 알루미늄이 수산화칼륨 수용액과 화학반응하여 에칭과정 중의 수산화알루미늄 음이온(AlOH4 -)을 발생시킴에 의해 많은 전류가 금속선의 양전극(60)에 흐르도록 하여 에칭을 가속화시킴으로써 제조시간을 단축하고 생산효율을 좋게 한다.
본 발명은 이와 같이 에칭결과 하나의 금속선이 상부측 부분과 하부측 부분으로 분리되어 2개의 탐침(62,64)으로 제조되는데, 이때 추(100)가 매달려 있는 하부측 탐침(64)부분은 용기(50) 바닥으로 떨어질 때 탐침 단부가 훼손될 우려가 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 본 발명에서는 지지되어 있 는 상부측 탐침(62)부분만을 선택적으로 사용하므로, 하부측 탐침(64)의 손상을 방지하기 위한 별도의 구성이 필요 없다.
이제, 본 발명을 적용한 실제 탐침의 제조시험을 통해 본 발명의 작용효과에 대해 알아보기로 한다. 아래 실시예에서는, 에칭수용액으로서 수산화칼륨 수용액을 그리고 양전극으로서 텅스텐 선을 사용하였다.
[실시예]
용기에 1몰의 수산화칼륨 수용액 200㎖를 넣은 다음, 환형의 흑연 음전극을 수용액 계면위치로 설치하고 선형의 텅스텐 양전극을 음전극의 중심으로 통과시켜 수산화칼륨 수용액에 수직으로 세워 20㎜정도 담궜다. 이때, 텅스텐 양전극으로는 지름 50㎛, 길이 110㎜의 텅스텐 선이 사용되었고, 텅스텐 양전극의 하단에는 알루미늄 테잎으로 테플론 추를 매달았다. 그리고, 드롭-오프 순간 절단된 양전극의 상부측 탐침부분이 음전극의 내주면과 충돌하지 않는 범위내에서 움직이도록 텅스텐 양전극의 계면위쪽에 수평방향으로의 이동을 규제하는 스토퍼를 장착하였다.
위와 같이 설치한 후, 음전극과 양전극에 전원공급기를 연결하여 DC 10V, 0.95A의 직류전원을 인가하였다. 그 결과, 수산화칼륨 수용액의 OH- 이온과 텅스텐 선이 반응하여 텅스텐 선에서 에칭이 일어나며 약 1분 후 수산화칼륨 수용액과 공기가 만나는 텅스텐 선의 계면부위에서 드롭-오프가 발생하였다.
이와 같이 텅스텐 선으로부터 절단된 상부측을 탐침으로서 취하였다. 이러한 방법으로 총 72개의 텅스텐 탐침을 제작하였다.
[비교실시예]
추를 매달지 않는 일반적인 방법으로 DC 20V, 1.5A의 전원을 공급하되 다른 조건은 위 실시예와 동일하게 하여 총 30개의 탐침을 제조하였다. 이 경우 30개의 탐침 중에서 100㎛ 이하의 크기를 갖는 탐침은 2개 뿐이었으며, 그도 하나는 드롭-오프시 발생하는 굽힘응력에 의해 탐침 단부가 휘어져서 제품으로서 사용될 수 있는 것은 단지 1개 밖에 없었다.
아래 표는 테플론 추를 부착한 본 발명(실시예)과 추를 매달지 않은 일반적인 방법(비교실시예)으로 제조한 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
표. 본 발명과 일반적인 방법에 의한 실험결과의 대비표.
탐침크기 탐침개수(생산율[%])
추를 사용한 실험결과 (본 발명) 추를 사용하지 않은 실험결과 (일반적인 방법)
50nm이하 34(47) 2(6)
50-100nm 12(17) 0(0)
100-200nm 6(8) 0(0)
200-300nm 0(0) 3(10)
300-400nm 1(1) 0(0)
400-500nm 2(3) 0(0)
1μm 이상 17(24) 25(84)
위 표에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법을 통해, 위 실시예에서 얻은 72개의 텅스텐 탐침 중에서 100nm 이하의 크기를 갖는 탐침은 46개였으며, 따라서 제품으로 적합한 탐침은 41개로 본 발명의 제조방법은 60%정도의 생산율을 보였다. 이에 비해, 일반적인 방법은 결과적으로 제조된 탐침 30개 중 1개만이 제품으로 적합한 것으로 나타나 약 3%의 저조한 생산율을 보였다.
이상 살펴본 바와 같이, 테플론 추를 이용하는 본 발명의 제조방법과 추를 이용하지 않는 일반적인 제조방법은 그 생산효율에 있어서 현격히 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 DC 10V, 0.95A 하에서 약 1분만에 제조가 이루어졌지만, 일반적인 방법에서는 본 발명과 전원조건을 동일하게 할 경우 5분이상이 지나도 에칭이 완료되지 않는 낮은 에칭율을 보이므로 본 발명과 비슷한 시간에 에칭을 완료하기 위해 DC 20V, 1.5A의 더 높은 전압을 사용할 수 밖에 없었다. 이와 같이, 본 발명은 테플론 추에 의한 에칭의 균일성 향상과 알루미늄 테잎에 의한 에칭전류의 이용효율 상승으로 인해 일반적인 방법에 비해 낮은 전원 공급으로도 안정적이고 생산율이 상당히 증대되며, 보다 우수한 품질의 제품을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명에 따른 제조장치를 이용하여 제조된 텅스텐 탐침의 전자현미경 사진으로, 사진의 탐침(62a)은 약 12의 높은 세장비를 가지고 있다. 통상 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)용 탐침의 세장비가 약 7정도인데 비추어 보면, 이러한 본 발명에 의해 제조된 탐침(62a)의 세장비는 상용으로 출시되고 있는 원자간력 현미경용 탐침에 비교해서도 약 1.7배 정도 더 높은 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 제조장치를 이용하여 제조된 50나노미터(nm) 이하의 텅스텐 탐침의 전자현미경 사진들로, 특히 도 6은 도 5에서 탐침 선단부를 보다 확대하게 촬영한 것이다. 사진에서 보는 바와 같이 50nm 이하의 탐침(62b)의 단부가 휘어짐이 없이 첨예하게 선형으로 제조되어 품질이 양호함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 탐침의 이물질을 제거하기 전후의 사진들이다. 본 발명은 수산화칼륨 수용액 내에서 텅스텐 선이 화학반응이 일어나면서 에칭되는데, 이때 에칭되어 형성된 탐침(62c)의 선단은 왼쪽 사진(Ⅰ)에서 보는 바와 같이 화학반응이 일어나는 동안 생성된 반응물질들(예컨대, 산화물 등)의 부착으로 오염된다. 이렇게 오염된 탐침(62c)을 세척액으로 세척하여 최종적인 탐침을 얻게 된다. 세척액으로, 바람직하게는 아세톤 용액으로 30분 동안 세척하면 오른쪽 사진(Ⅱ)에서 보는 바와 같이 탐침(62c)의 선단은 첨예하고 선명한 상태가 된다.
여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 탐침소재의 끝단에 추를 매달아 에칭과정중 탐침소재의 진직도를 높여 에칭균일도를 향상하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 추가 제거됨에 의해 탐침소재내의 잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 계면을 벗어나 과에칭되는 것을 방지하는 효과가 있다. 이에 따라, 간소한 장비로 안정적이고 원활한 에칭을 유도하여 좋은 품질의 제품을 생산하고 제조시간을 단축하여 생산성을 향상할 수 있다.
특히, 본 발명은 텅스텐 선의 하단에 테플론 추를 매닮으로써 텅스텐 선 자체가 가지고 있는 미소 굴곡을 펴주어 에칭정밀도를 높여 고품질의 탐침을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 테플론 추를 알루미늄 테잎으로 부착함으로써 알루미늄 테잎이 에칭수용액과 화학반응하여 에칭을 촉진시킴으로써 탐침의 제조시간을 단축할 수 있어 생산성을 향상할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하여 탐침을 제조하는 경우, 간단한 장치와 낮은 전원의 공급으로도 우수한 품질의 제품을 빠르게 생산할 수 있다. 따라서, 제조시간의 단축과 품질 향상으로 여기에 개시된 기존 방식에 비해 생산효율을 20배 이상 향상할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 의해 제조된 탐침은 품질이 우수하고 생산성 향상으로 인해 가격 경쟁력면에서도 월등할 것으로 예상된다.

Claims (10)

  1. 용기에 담긴 에칭수용액에 미세 굵기의 금속선의 탐침소재를 수직하게 일정부분 침지하고, 상기 탐침소재를 양전극으로 하여 그 둘레에 음전극을 배치하고 전원공급기로부터 전류를 인가하여 상기 탐침소재를 에칭시켜 탐침을 제조하는 장치에 있어서,
    상기 양전극의 하단에 부착되는 추를 구비하고, 에칭과정에 있어 수직 하방으로 잡아당기는 상기 추의 힘에 의해 상기 양전극의 진직도를 높여 에칭의 균일성을 유도하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 상기 추가 제거됨에 의해 에칭되어 절단된 상부측 탐침이 내부잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 상기 에칭수용액으로부터 벗어나게 하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 추를 상기 금속선의 양전극 하단에 결합시키는 금속테잎을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 금속테잎은 알루미늄 테잎인 것을 특징으로 하는 전 기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 양전극의 상부측에 설치되어 드롭-오프되는 순간 상기 양전극이 상기 음전극과 충돌하지 않는 범위내에서 움직이도록 상기 절단된 상부측 탐침의 이동을 규제하는 스토퍼를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 스토퍼는 상기 양전극이 그 중심을 통과하며 상기 음전극의 직경보다 작은 직경으로 되는 환형부와, 이 환형부에서 외측으로 연장되는 지지팔들로 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 추 및 상기 스토퍼는 테플론(teflon)으로 제조된 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 에칭수용액은 에칭에 필요한 수산화음이온을 발생시 키는 알카리 수용액인 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조장치.
  8. 용기에 담긴 에칭수용액에 미세 굵기의 금속선의 탐침소재를 수직하게 일정부분 침지하고, 상기 탐침소재를 양전극으로 하여 그 둘레에 음전극을 배치하고 전원공급기로부터 전류를 인가하여 상기 탐침소재를 에칭시켜 탐침을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 양전극의 하단에 추를 매달아서, 에칭과정에 있어 수직 하방으로 잡아당기는 상기 추의 힘에 의해 상기 양전극의 진직도를 높여 에칭의 균일성을 유도하고 드롭-오프(drop-off)되는 순간 상기 추가 제거됨에 의해 에칭되어 절단된 상부측 탐침이 내부잔류응력에 의해 고유굴곡상태로 복원되면서 위쪽으로 이동하여 상기 에칭수용액으로부터 벗어나 과에칭이 방지되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 에칭수용액은 수산화칼륨 수용액이 그리고 상기 양전극은 텅스텐 선이 사용되며,
    상기 추를 알루미늄 테잎으로 상기 텅스텐 선에 부착함에 의해, 에칭과정중 상기 알루미늄 테잎이 상기 수산화칼륨 수용액과 화학반응하여 수산화알루미늄 음 이온이 발생되어 많은 전류가 상기 텅스텐 선으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 텅스텐 선이 수평방향으로 이동시 일정범위를 벗어나지 않도록 규제하는 스토퍼를 상기 텅스텐 선의 상부측에 설치하여, 상기 텅스텐 선이 드롭-오프되는 순간 상기 텅스턴 선의 절단된 상부측 탐침 부분이 상기 음전극과 충돌하는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 에칭법을 이용한 마이크로 탐침 제조방법.
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