KR100843247B1 - 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법에 관한 것으로, 그 목적은 기존 초정밀 가공기술과 집속 이온빔을 이용한 가공기술을 병행하여 초정밀 금형의 정밀도, 생산성과 강도는 증가시키는데 반해, 초정밀 금형의 제작을 위한 비용의 증가는 억제할 수 있는 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 공지된 초정밀 가공공정을 통해 소정의 형상으로 가공된 소재의 표면에 비정질 재료 또는 비정질 합금재료를 증착하는 단계(S1); 및 상기 단계(S1)를 거쳐 소재의 표면에 증착된 비정질 박막을 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공하는 단계(S2)로 이루어진 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

비정질 재료, 비정질 합금 재료, 집속 이온빔, 초정밀 금형

Description

비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법{Micro Mold Fabrication Process by Focused Ion Beam using Amorphous Materials}

도 1 은 종래의 가공방법에 따라 핸드폰 렌즈의 제작을 위한 금형을 제작하는 과정을 나타낸 공정도,

도 2 는 본 발명에 따른 가공방법에 따라 핸드폰 렌즈의 제작을 위한 금형의 제작 과정을 나타낸 공정도,

도 3 은 본 발명에 따른 가공방법을 이용한 또 다른 금형가공 과정을 나타낸 공정도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(110) : 소재

(120) : 비정질 박막

본 발명은 초정밀 금형의 가공방법에 관한 것으로, 특히 기계가공 또는 반도 체 식각가공 또는 레이저 가공 또는 전기화학적 가공 등의 기존 가공공정과 병행함으로써 금형의 정밀도와 가공성 및 강도를 높일 수 있도록 하는 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법에 관한 것이다.

최근 반도체 및 정보통신 산업의 급격한 발전으로 인해 정밀 가공 분야에서 새로운 장비 및 보다 정밀한 가공 기술이 요구되면서 초정밀 가공 기술에 대하여 많은 연구가 행해지고 있으며, 이러한 초정밀 가공 기술을 이용하여 광학 부품, 통신 부품, 마이크로 금형 등 실제의 초소형 기기나 부품 등에 직접적으로 응용을 하기 위해서도 많은 연구가 진행되고 있다.

종래의 초정밀 가공 기술로는 기계가공, 방전가공, 레이저 가공, 반도체 식각, 집속 이온빔 가공 등으로 구분할 수 있다. 이때 상기 기계가공은 생산성과 경제성의 이점은 있으나 수십 ㎛이하의 가공이 불가능하고 표면 조도(Ra)가 수백 ㎚수준에 불과하고, 상기 방전가공은 수 ㎛이하의 가공이 불가능하고 표면 조도(Ra)가 수백 ㎚ 수준에 불과하며, 상기 레이저 가공은 가공 결과물의 표면상태가 좋지 않을 뿐만 아니라 표면 조도(Ra)가 수백 ㎚ 수준에 불과하고, 상기 반도체 식각은 실리콘(Si) 소재만 가공이 가능하며 표면 조도(Ra) 또한 100㎚ 수준에 머무는 단점이 있다.

한편 상기 집속 이온빔 가공은 수백 ㎚이하의 가공이 가능하고, 표면 조도(Ra) 또한 수십 ㎚ 이하로 형성할 수 있어 최근 요구되는 나노 단위의 초정밀 가공에 적합한 이점이 있으나, 대상 소재의 재질에 따라 가공성에 심한 차이가 있는 단점이 있다. 일예로 금속성 소재의 경우 재증착이 심하며 가공성이 좋지 않은 반면, 비정질 재료 또는 실리콘의 경우 재층착이 감소되며 가공성이 좋다.

그러나 상기 비정질 재료는 매우 고가의 소재이므로 생산 단가를 증가시키는 단점이 있으며, 상기 실리콘 소재의 경우 강도가 취약하여 손쉽게 파손되므로 금형으로 사용하는데는 무리가 따르는 문제점이 있었다.

도 1은 종래의 가공방법에 따라 핸드폰 렌즈를 제작을 위한 금형을 제작하는 공정을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 다이아몬드 터닝 머신(Diamond Turning Machine:DTM)을 이용하여 소재(10)를 소정의 형상으로 가공한 뒤, 가공된 소재의 표면에 니켈(Ni)(20)을 무전해도금 한다. 이후 소재의 표면에 형성된 니켈(20)을 다이아몬드 터닝 머신을 이용하여 정밀하게 깍아냄으로써 렌즈의 제작을 위한 금형을 제작하게 된다. 그러나 이처럼 제작된 금형의 경우, 렌즈를 찍어내는 가공면(21)에 다이아몬드 터닝 머신의 가공에 의한 마크(mark)(22)가 미세하게 발생되어 표면 조도를 저하시킴으로써 렌즈의 해상력을 향상시킬 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 기존 초정밀 가공기술과 집속 이온빔을 이용한 가공기술을 병행하여 초정밀 금형의 생산성과 정밀도 및 열적, 전기적 특성을 좋게 하는데 반해, 초정밀 금형의 제작을 위한 비용의 증가는 억제할 수 있는 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 기계가공 또는 방전가공 또는 레이저 가공 또는 반도체 식각 중 선택된 어느 하나의 초정밀 가공공정을 이용하여 소정의 형상으로 가공된 소재의 표면에 비정질 재료 또는 비정질 합금재료를 증착하는 단계(S1); 및

상기 단계(S1)를 거쳐 소재의 표면에 증착된 비정질 박막을 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공하는 단계(S2)로 이루어진 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 가공방법은 기계가공 또는 방전가공 또는 레이저 가공 또는 반도체 식각가공 등의 기존 가공공정을 이용하여 소재의 재질에 구분 없이 가공성을 확보하면서도, 기존 가공방법의 단점인 금형의 강도와 정밀도 및 표면 조도를 집속 이온빔과 비정질 물질을 이용하여 보완함으로써 생산성과 정밀도 및 단가를 모두 만족할 수 있도록 한 것이다. 또한 비정질 물질을 사용함으로써 발생되는 열적 및 전기적 특성을 보완하기 위해 비정질 합금재료를 사용하기도 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 가공방법에 따라 핸드폰 렌즈를 제작하기 위한 금형을 제작하는 공정을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초정밀 금형의 가공방법은 크게 비정질 재료 또는 비정질 합금 재료를 소재(110)의 표면에 증착하는 단계(S1)와, 소재(110)의 표면에 증착된 비정질 박막(120)을 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공하는 단계(S2)로 이루어진다.

한편 상기 단계(S1)는 초정밀 가공 공정을 포함하며, 초정밀 가공 공정으로는 공지된 기계가공 또는 방전가공 또는 레이저 가공 또는 반도체 식각가공 등이 될 수 있다. 이러한 초정밀 가공 공정은 앞서 열거된 가공방법에 제한되지 아니하며, 목적으로 하는 형상으로 소재(110)를 가공할 수 있는 가공 공정이 사용될 수 있다. 한편 도 2에는 다이아몬드 터닝 머신(Diamond Turning Machine:DTM)을 이용하여 소재(110)의 상단부 및 측면부가 가공된 상태가 도시되어 있다.

상기와 같이 공지된 초정밀 가공 공정을 통해 대상 소재(110)가 목적으로 하는 형상으로 가공되면, 소재(110)의 표면에 비정질 재료 또는 비정질 합금 재료를 증착하여 소재(110)의 표면에 비정질 박막(120)을 형성하게 된다. 이때 비정질 재료로는 다이아몬드 라이크 카본(Diamond-Like Carbon:DLC)을 사용할 수 있으며, 비정질 합금 재료로 금속이 혼입된 다이아몬드 라이크 카본(Me-DLC)을 사용할 수 있다. 이러한 비정질 합금 물질은 일반 비정질 물질 보다 전기전도도 및 열전도도가 좋은 성질이 있으며, 집속 이온빔을 이용한 가공이 용이한 장점을 갖고 있다. 이러한 비정질 재료 또는 비정질 합금 재료의 증착은 플라즈마 화학증착법 등 공지된 증착법이 사용될 수 있으며, 0.1~1㎛의 두께로 형성된다. 이때 비정질 박막(120)이 0.1㎛ 미만으로 형성되면 표면조도보다 적게 증착될 수 있는 문제점이 있으며, 1㎛를 초과하면 증착시간이 과도하므로, 비정질 박막(120)의 두께는 0.1~1㎛ 사이로 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 소재(110)에 비정질 박막(120)이 증착된 후 실시되는 단계(S2)는 비정질 박막(120)을 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공함으로써 앞서 설명된 초정밀 가공 공정을 통해 가공된 소재(110)의 정밀도 및 표면 조도를 보완할 수 있게 된다. 이러한 집속 이온빔을 이용한 비정질 박막(120)의 가공은 집속 이온빔을 조사하는 집속 이온빔 조사부 및 대상 소재(110)를 고정 및 이송시키는 스테이지를 구비하는 공지된 집속 이온빔 가공장치가 사용될 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 공지된 초정밀 가공 공정기술을 이용하여 대상 소재(110)를 목적으로 하는 형상으로 가공한 뒤, 미흡한 정밀도와 표면 조도 및 강도를 비정질 물질과 집속 이온빔을 이용하여 보완토록 한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 가공방법을 이용한 또 다른 금형가공 공정을 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 표면에 평평하게 마련된 금형 소재(110)의 표면에 비정질 재료 또는 비정질 합금을 증착한 뒤, 집속 이온빔을 이용하여 비정질 박막(120)에 소정의 패턴(121)을 직접형성함으로서 초정밀 금형을 제작할 수도 있으며, 이러한 가공방법 또한 앞서 설명된 비정질 박막(120)을 형성한 뒤 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공하는 방법과 동일한 기술적 사상을 구비한 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 공지된 초정밀 가공 공정기술과 집속 이온빔을 이용한 가공기술을 병행함으로써, 기존 초정밀 가공 공정기술로 구현하지 못하던 정밀도와 표면 조도는 비정질 재료 및 집속 이온빔을 이용하여 보완하고, 집속 이온빔의 좋지 못한 가공성은 기존 초정밀 가공 공정기술이 보완하도록 구성된 것으로, 초정밀 금형의 생산성, 정밀도, 열전도도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있게 되었다. 더욱이 보다 저렴한 비용으로 정밀하고 큰 내구성을 갖는 초정밀 금형을 제공할 수 있게 되었다.

Claims (2)

1. 기계가공 또는 방전가공 또는 레이저 가공 또는 반도체 식각 중 선택된 어느 하나의 초정밀 가공공정을 이용하여 소정의 형상으로 가공된 소재의 표면에 비정질 재료 또는 비정질 합금재료를 증착하는 단계(S1); 및

   상기 단계(S1)를 거쳐 소재의 표면에 증착된 비정질 박막을 집속 이온빔을 이용하여 최종 형상으로 가공하는 단계(S2)로 이루어진 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 비정질 재료로 다이아몬드 라이크 카본(Diamond-Like Carbon:DLC)을 사용하거나, 상기 비정질 합금 재료로 금속이 혼입된 다이아몬드 라이크 카본(Me-DLC)을 사용하는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 활용한 집속 이온빔의 초정밀 금형의 가공방법.

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