KR100788796B1 - 집속이온빔과 ｍｒｆ를 이용한 나노 구조물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시편(2) 표면의 일부분에 집속이온빔을 조사하여 집속이온빔이 조사된 시편(2)에 이온을 주입하는 제 1 단계; 자기 유변 유체를 이용하여 상기 시편(2)의 미세형상을 가공하는 제 2 단계로 이루어지는 나노 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 집속이온빔 공정을 통해 마스크 없이 이온을 주입하고, 이를 MRF 공정을 통해 나노 구조물을 연마하는 2단계의 나노 구조물 제조공정을 수행함으로써, 종래보다 제조공정이 단축되고, 이온 주입량에 따라 나노 패턴, 렌즈 형상의 3차원 가공을 보다 용이하게 넓은 대면적에 대해 적용할 수 있는 효과가 있다.

나노 구조물, 제조방법, MRF, 집속이온빔, FIB, 자기 유변 유체

Description

집속이온빔과 ＭＲＦ를 이용한 나노 구조물의 제조방법{Manufacture Method of Nano-Structures by Using Focused Ion Beam and Magneto-Rheological Fluid}

도 1은 일반적인 시편을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 집속이온빔이 조사된 시편을 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 자기 유변 유체로 연마된 시편을 나타내는 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 시편 4 : 이온 주입부

6 : 이온 비주입부

본 발명은 나노 구조물의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집속 이온빔을 조사하여 시편의 기계적 물성치를 변화시키고, 상기 시편을 자기 유변 유체(Magneto-Rheological Fluid : MRF)를 이용하여 미세형상을 가공하는 나노 구조 물의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 집속이온빔(Focused Ion Beam : FIB)은 미세하게 오버랩(Overlap)시킨 이온빔을 이용하여 반도체, 금속 고분자 재료 등의 시료를 가공하는 장치로서, 본래 전자현미경 관찰을 할 때 특정 부위의 단면 가공 또는 시료를 두께 100㎚ 정도로 박판화 하기 위한 시료의 전 처리 장치로서 이용하여 왔으며, 빔 사용은 직선 가공에 한정되어 왔다.

최근 집속이온빔 장치는 이온 빔의 스폿(spot) 직경이 약 6㎚까지 미세화 되어 나노 크기의 가공을 할 수 있게 되었다. 또한, 가공형상 기능으로서는 직선, 사각형, 원형과 자유곡선 등 임의의 형상 가공뿐만 아니라 화상 데이터인 비트맵 데이터에 의한 가공 등과 같은 임의의 한 점에 대한 빔 조사 시간을 제어할 수 있는 기능이 부가되었다. 아울러, 가공 시료를 화면 중심 위치에 추적해 놓는 유-센트릭(U-Centric)기구 등이 구비되어 있는 차세대 3차원 형상을 가진 마이크로 나노 금형의 제작 장치가 사용되고 있다.

이러한 일례로서, 대한민국특허 제 0503002호는 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 가공방법을 개시하고 있다.

또한, 대한민국특허 제 0370659호는 금속막 또는 반도체막 표면의 여러 군데에 집속이온빔을 조사하여, 상기 집속이온빔의 초점이 맺히는 부분에서는 상기 금속막 또는 반도체막이 제거되고, 상기 집속이온빔의 상호겹침 부분에서는 집속이온 빔의 방사선 효과에 의해 금속막 또는 반도체막의 원자구조 결합이 분리되어 나노결정체가 형성되도록 하는 나노결정체 형성방법을 개시하고 있다.

그러나, 전술한 나노 구조물의 제조방법은 나노 구조물의 제조 시 공정 시간이 많이 소요되고, 나노 패턴, 렌즈 형상 등의 3차원 가공에 능동적으로 대처할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 시편에 집속이온빔을 조사하여 시편에 이온을 주입하고, 이를 자기 유변 유체를 이용하여 가공함으로써, 수 내지 수십 ㎚ 범위의 정밀한 성형이 가능하고, 나노 구조물의 제조 공정을 단축시키며, 이온 주입량을 조절하여 나노 패턴, 렌즈 형상 등의 3차원 가공을 보다 용이하게 넓은 대면적에 대해 적용할 수 있는 나노 구조물의 제조방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

본 발명은 시편 표면의 일부분에 집속이온빔을 조사하여 집속이온빔이 조사된 시편에 이온을 주입하는 제 1 단계; 자기 유변 유체를 이용하여 상기 시편의 미세형상을 가공하는 제 2 단계로 이루어지는 나노 구조물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제 1 단계는 시편에 집속이온빔(Focused Ion Beam : FIB)을 조사하여 집속이온빔이 조사된 시편에 이온을 주입하는 단계로서, 상기 집속이온빔 은 시료에 대한 분해능이 우수하여, 마스크 없이도 시료에 대한 나노 수준의 분해가 가능하다. 따라서, 상기와 같은 집속이온빔을 이용하여 시편을 스캔함으로써, 시편을 나노 수준의 정밀도로 스캔할 수 있다. 또한, 집속이온빔 장치의 우수한 분해능을 이용하여 시편의 소정 부위를 선택적으로 스캔할 수 있으므로 시편에 다양한 패턴을 용이하게 형성할 수 있다. 이때, 상기 집속이온빔은 갈륨 이온 등을 포함하여 조사될 수 있다.

상기 시편은 나노 구조물의 패턴이 형성될 수 있는 토대로 제공되는 것으로서, 나노 구조물의 패턴이 형성될 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 Si, SiO₂, Al₂O₃, GaN, GaAs, 글래시 카본(Glassy Carbon), SiC, SiN 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것이 좋다.

필요에 따라, 상기 시편의 두께는 1 내지 500㎛로 형성될 수 있다.

또한, 시편의 형상은 어떠한 형상이어도 무방하지만, 바람직하게는 원형이거나 다각형, 예컨대 정방형 또는 직각형으로 형성될 수 있다.

일반적으로 정방형과 같은 다각형의 시편을 여러 장 동시에 양면-연마기 등으로 연마할 경우에는 각 시편의 형상이 비대칭으로 형성되거나, 모서리 부분이 손상되는 경우가 종종 발생하는 바, 원형 시편에 비하여 다각형 시편에서 높은 정밀도의 표면 특성을 얻는 것은 곤란하지만, 본 발명에 따른 제조방법은 자기 유변 유체를 이용하는 자기 유변 유체 연마기를 이용할 수 있으므로 높은 정밀도의 표면 특성을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 제 2 단계는 상기 자기 유변 유체를 이용하여 상기 시편의 미세형상을 가공하는 단계로서, 상기 집속이온빔이 조사된 시편은 이온이 주입되어 기계적 물성치가 변화되는 바, 이온이 주입된 시편과 이온이 주입되지 않는 시편의 재료는 자기 유변 유체를 이용한 연마법에 의해 제거율의 차이가 발생한다. 이때, 상기 이온이 주입된 이온 주입부와 이온이 주입되지 않은 이온 비주입부의 소재제거율(Material Removal Rate : MRR)은 약 1 : 5 내지 1 : 20배의 비율이 된다.

여기서, 자기 유변 유체란 자기장을 인가하면 자기력선 방향으로 배열되는 2 내지 10 미크론의 입자, 예컨대 카르보닐 아이언(Carbonly Iron : 이하, "CI"라고 한다)과 물 및 계면활성제로 이루어져 있고, 자기장이 걸릴 때 경화되거나 형상이 변경되는 유체를 의미하며, 워터 베이스트(Water Based), 실리콘 베이스드(Silicone Based) 또는 하이드로카본 베이스드(Hydrocarbone Based) 자기 유변 유체가 있고, 특정적으로는 MRF-241ES[LORD Corporation, US]를 사용하는 것이 좋다. 상기 자기 유변 유체의 연마 과정으로는 기계적 연마과정과 화학적 연마과정이 있으며, 상기 기계적 연마과정은 CI와 연마제로 사용되어지는 SiC, C, Al₂O₃에 의해 기계적으로 가공되고, 상기 화학적 연마과정은 연마제인 BaCO₃, CeO₂ 등에 의해 화학적으로 가공된다. 이때, 자기 유변 유체를 이용한 연마기를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

3축 CNC 제어 공작 기계의 상부 스핀들에 매그니트 툴(magnet tool)을 부착 하고, NC 조절기를 사용하여 회전 휠과 매그니트 툴이 서로 일정 거리 이내에 위치하도록 위치를 결정하고, 스테이지에 피가공물(실리콘)이 고정되면 스테이지가 움직여서 피가공물과 매그니트 툴과의 거리를 결정한다. 이때, z축에 스핀들 및 매그니트 툴이 부착된다.

여기서, 상기 매그니트 툴은 전자석이 사용되기도 하지만 전자석에서 발생하는 열로 인해 점도의 변화가 발생하므로 영구자석이 사용될 수 있다.

또한, 매그니트 툴의 표면 아래에는 전자석이 장착되어 있으며, 피가공물과 매그니트 툴의 정점 사이의 갭에서는 자력이 최대가 되는 구배 자계(Gradient Magnetic-Field)가 생성된다. 이러한 구배 자계에 자기 유변 유체 연마제를 공급하면 구배 자계의 영향으로 매그니트 툴의 표면에 연마제가 부착되며, 이로 인하여 피가공물이 연마된다.

본 발명에 따른 나노 구조물의 제조방법은 집속이온빔을 시편에 조사하는 제 1 단계와 상기 시편을 자기 유변 유체 연마법을 이용하여 미세형상을 가공하는 제 2 단계의 제조 공정으로 이루어지는 바, 나노 구조물의 3차원 가공을 용이하게 수행할 수 있으므로 광통신 기술, 반도체, 바이오 산업, 기능성 센서 등의 분야의 미세 채널 형성에 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 집속이온빔이 조사된 시편을 나타내는 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 자기 유변 유체로 연마된 시편을 나타내는 단면도로서 함께 설명한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 구조물의 제조방법은 시편(2) 표면의 일부분에 집속이온빔을 조사하여 집속이온빔이 조사된 시편(2)에 이온을 주입하는 제 1 단계; 자기 유변 유체를 이용하여 상기 시편(2)의 미세형상을 가공하는 제 2 단계로 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 1 단계는 집속이온빔을 조사하여 시편(2)에 이온을 주입하는 단계로서, 이온을 주입받은 시편, 예컨대 이온 주입부(4)는 이온을 주입받지 않은 시편, 예컨대 이온 비주입부(6) 보다 기계적 물성치, 예컨대 경도, 마찰계수, 표면 거칠기가 상승된다. 이때, 상기 시편에 주입되는 이온은 갈륨 이온이 사용될 수 있다.

이때, 상기 집속이온빔의 이온 조사량은 5×10¹³ 내지 5×10¹⁶ ions/cm²의 범위로 사용될 수 있고, 집속이온빔의 가속전압은 5 내지 30 KV의 범위로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 시편(2)은 나노 구조물의 패턴이 형성되는 것으로서, 실리콘이 사용될 수 있고, 그 두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 1 내지 500㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 그 표면은 이온빔을 통하여 이온을 주입받은 이온 주입부(4)와 이온을 주입받지 않는 이온 비주입부(6)로 구성된다.

이때, 상기 제 1 단계 수행 전에는 가공하려는 나노 구조물의 가공 형상에 따라 집속이온빔의 미세조정을 통해 빔의 최적 조건을 설정하고, 드웰 타임, 오버랩, 스캔 방식을 결정하는 단계가 수행될 수 있다.

상기 드웰 타임은 빔이 한 픽셀에 머무르는 시간을 의미하며, 일반적으로 0.3 내지 1,000 μsec의 범위를 갖지만, 짧은 드웰 타임의 경우에는 정확한 빔 조사가 이루어지지 않고 옆 픽셀로 이동을 해서 오차가 발생할 수 있고, 원하지 않은 영역에 빔이 조사 될 수 있으므로 바람직하게는 150 내지 1,000 μsec의 범위를 갖는 것이 좋다.

또한, 빔의 조사 간격을 넓게 하여 라인 패턴이나 도트(dot) 패턴을 성형 할 수 있다. 이때는 빔 전류에 비례하는 빔 직경을 고려하여 빔 직경보다 빔 조사 간격이 넓게 형성된다.

이때, 가공하는 나노 구조물의 형상에 따라 빔 조사 간격은 빔 직경과 동일하거나 좁게 형성될 수도 있다.

상기 스캔 방식은 디지털로 제어되는 방식에서 디지털 신호를 아날로그로 바꾸어 신호를 보내주는 벡터 스캔 방식과 디지털 방식으로 제어되는 빔 조사의 특성을 이용하여 오버랩의 조절로 패터닝을 유연하게 하는 래스터 스캔 방식을 사용할 수 있으며, 벡터 스캔 방식은 원형 가공 등의 가공을 보다 정확히 가공 할 수 있다.

본 발명에 따른 제 2 단계는 상기 집속이온빔이 조사된 시편(2)을 자기 유변 유체를 이용한 연마법을 이용하여 시편(2)의 미세형상을 가공하는 단계로서, 이온 주입부(4)에서는 작은 양의 실리콘이 제거되고, 이온 비주입부(6)에서는 이온 주입부(4)보다 상대적으로 많은 양, 예컨대 5 내지 20배 정도의 실리콘이 제거된다.

상기 제 1 단계 및 제 2 단계 사이에는 나노 구조물의 가공 형상에 따라 자기 유변 유체 연마기(미도시)의 공정변수인 rpm, 시편(2)과 매그니트 툴(미도시)의 간격, 가공 방향들을 설정하는 단계가 수행될 수 있다.

상기 rpm이 빨라지고, 시편(2)과 매그니트 툴의 간격이 좁아질수록 가공량은 많아지지만 재료의 스크래치 등의 표면 거칠기는 거칠어진다. 또한, 자기 유변 유체 연마기의 가공 방향에 따라 갈륨 이온이 주입되는 영역을 가공할 때는 미 가공 영역이 남아 있을 수 있다. 따라서, 이런 문제점을 제어하기 위해 한 방향의 가공이 아닌 양쪽 방향의 휠 가공 또는 회전 가공이 필요하다.

특정 양태로서, 본 발명에 따른 나노 구조물 제조방법은 자기 유변 유체만을 사용, 예컨대 연마제를 사용하지 않을 경우 매그니트 툴과 시편 사이와의 거리가 8mm이고, 매그니트 툴의 회전속도가 200rpm이며, 가공시간이 10분이면 평균 283nm가 가공되지만, 매그니트 툴과 시편 사이와의 거리가 4mm이고, 매그니트 툴의 회전속도가 200rpm이며, 가공시간 10분이면 평균 951nm가 가공된다.

본 발명에서 사용되는 시편(2)과 마그니트 툴의 간격은 약 5 mm, 약 300 rpm을 사용하지만 가공하려는 구조물의 크기나 형상, 필요로 하는 가공 후 표면 거칠기에 따라 이런 공정 변수를 변화시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 집속이온빔 공정을 통해 마스크 없이 이온을 주입하고, 이를 MRF 공정을 통해 나노 구조물을 연마하는 2단계의 나노 구조물 제조공정을 수행함으로써, 종래보다 제조공정이 단축되고, 이온 주입량에 따라 나노 패턴, 렌즈 형상의 3차원 가공을 보다 용이하게 넓은 대면적에 대해 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 시편 표면의 일부분에 집속이온빔을 조사하여 집속이온빔이 조사된 시편에 이온을 주입하는 제 1 단계; 자기 유변 유체를 이용하여 상기 시편의 미세형상을 가공하는 제 2 단계로 이루어지는 나노 구조물의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 시편은 Si, SiO₂, Al₂O₃, GaN, GaAs, 글래시 카본, SiC, SiN 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 집속이온빔은 갈륨 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 집속이온빔의 이온 조사량은 5×10¹³ 내지 5×10¹⁶ ions/cm²이고, 집속이온빔의 가속전압은 5 내지 30 KV인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 단계 수행 전에 가공하려는 나노 구조물의 가공 형상에 따라 집속이온빔의 미세조정을 통해 빔의 최적 조건을 설정하고, 드웰 타임, 오버랩, 스캔 방식을 결정하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 드웰 타임이 150 내지 1,000 μsec의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 단계 및 제 2 단계 사이에 나노 구조물의 가공 형상에 따라 자기 유변 유체 연마기의 공정변수인 rpm, 시편과 매그니트 툴의 간격, 가공 방향들을 설정하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조방법.

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