KR101010924B1 - 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한가공방법 - Google Patents

형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한 가공방법에 관한 것으로, 이온소스부(10); 상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔에 특정한 형상을 부여할 수 있는 지정형상의 관통홀(21)을 구비하여 상기 이온빔이 통과하는 경로상에 설치되는 형상개구부(20); 및 상기 형상개구부(20)를 통과한 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달가능하도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔집속부(30);를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 하여, 보다 신속한 가공속도로 미세 가공을 구현할 수 있는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치 및 이를 이용한 가공방법에 관한 것이다.
집속이온, 이온빔, 형상개구, 관통홀

Description

형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한 가공방법{FOCUSED ION BEAM APPARATUS USING OPENING FEATURE AND MACHINING METHOD USING THEREOF}
본 발명은 형상개구를 이용한 집속이온빔 가공장치 및 이를 이용한 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온소스부에서 발생시킨 에너지빔에 특정형상을 부여하여 임의의 형상을 신속하게 가공할 수 있도록 하는 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한 가공방법에 관한 것이다.
일반적으로 이온을 이용한 미세 가공은 이온밀링(Ion Milling)가공, 이온에칭(RIE)가공, 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)가공 등이 있으며, 이러한 이온 가공은 기본적으로 높은 에너지를 가진 이온이 가공대상물의 표면에 가속 충돌하여 가공대상물의 표면원자가 충격력에 의해 중성자, 이차전자, 이차이온들로 분해되며 튀어나오도록 하는 스퍼터링(sputtering)작용을 이용한다.
이온을 이용한 미세 가공 시, 형상을 결정하는 방법은 마스크를 사용하는 방법(Mask Ion Lithography)과, 마스크 없이 가공하는 방법(Maskless Lithograohy)이 있으며, 상기 이온밀링 가공이나 이온에칭 가공은 마스크를 사용하는 이온 가공법이며, 상기 집속이온빔 가공은 마스크 없이 가공하는 방법이다.
상기 이온밀링 가공과 이온에칭 가공은 마스크를 사용하여 대면적을 가공할 수 있으나 그 정밀도와 가공유연성이 떨어지는 반면, 상기 집속이온빔 가공은 이온빔의 사이즈와 세기, 픽셀당 이온빔의 조사시간, 이온빔을 이동시키는 방식 등에 따라 패턴의 크기와 형태를 다양하게 형성시킬 수 있어 정밀도와 가공유연성이 높은 반면, 가공속도가 현저히 느려서 생산용, 산업용으로는 실질적으로 적용되지 못하고 있는 실정이다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 보다 신속한 가공속도로 미세 가공을 구현할 수 있는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치 및 이를 이용한 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 이온소스부(10); 상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔에 특정한 형상을 부여할 수 있는 지정형상의 관통홀(21)을 구비하여 상기 이온빔이 통과하는 경로상에 설치되는 형상개구부(20); 및 상기 형상개구부(20)를 통과한 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달가능하도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔집속부(30);를 포함하여 구성되는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 이온소스부(10)는, 아르곤가스, 수소가스, 헬륨가스와 같은 가스를 이온소스로 사용하여, 상기 형상개구부의 관통홀(21) 전반에 걸쳐 균일한 에너지 밀도로 통과가능한 이온빔을 생성하도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은, 상호 독립된 형상과 크기를 가지는 다수가 이격형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 다수의 관통홀(21)은, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달되면 연속된 하나의 도형을 형성하도록, 상호 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은, 상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비의 합에 비례한 깊이로 가공이 이루어지도록, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향을 따라 다수가 이격형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은, 상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비의 합에 비례한 너비로 가공이 이루어지도록, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향과 직각을 이루는 방향으로 다수가 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가공대상물(1)을 지정위치에 고정시킨 상태로 상기 이온빔과 연동하여 이동가능한 스테이지(미도시)가 구비된 시료처리부(미도시);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은, 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계; 상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 상기 가공대상물(1)의 지정위치에 조사하여 상기 가공대상물(1)을 단순한 원형이 아닌 임의의 형상을 한번에 가공하는 정위치 고속가공단계;를 포함하여 구성되는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법을 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 정위치 고속가공단계는, 상기 이온빔이 조사된 상태에서 상기 이온빔과 가공대상물(1)이 추가의 이동없이 정위치에 정지된 상태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계; 상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 직선경로를 따라 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사하여 다수의 가우시안 형태가 중복된 형태의 윤곽을 가진 형상을 가공하는 직선이동식 고속가공단계;를 포함하여 구성되는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 직선이동식 고속가공단계에서 상기 이온빔의 지정경로의 이동은, 상기 이온빔과 상기 가공대상물(1)이 장착된 스테이지(미도시)를 연동하여 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 직선이동식 고속가공단계는, 상기 이온빔 또는 스테이지(미도시)를 지정방향으로 이동시키면서, 상기 지정방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비에 비례한 깊이로 윤곽을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 직선이동식 고속가공단계는, 상기 이온빔 또는 스테이지(미도시)를 지정방향으로 이동시키면서, 상기 지정방향에 직각되는 방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비에 비례한 너비로 윤곽을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 직선이동식 고속가공단계는, 상기 이온빔 또는 스테이지(미도시)를 지정방향으로 이동시키면서 상기 지정방향과 이에 수직되는 방향에 대한 상기 관통홀의 갯수 및 너비에 비례하는 깊이와 너비를 가지는 특정한 형태의 윤곽을 형성하는 1차가공단계; 및 상기 이온빔 또는 스테이지의 이동방향을 전환하여 상기 1차가공단계의 지정방향과 다른 방향과 이에 수직되는 방향에 대한 상기 관통홀의 갯수 및 너비에 비례하는 깊이와 너비를 가지는 다른 형태의 윤곽을 형성하는 2차가공단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계; 상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 다양한 방향으로 연속되게 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사하여, 상기 가공대상물(1)을 상기 이온빔의 조사위치 및 이동방향에 따라 다른 형상으로 가공하는 가변이동식 고속가공단계;를 포함하여 구성되는 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 가변이동식 고속가공단계에서 상기 이온빔의 지정경로의 이동은, 상기 이온빔과 상기 가공대상물(1)이 장착된 스테이지를 연동하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 이온빔의 방출경로상에 관통홀을 가진 형상개구부를 설치하여 이온빔에 특정한 형태를 부여함으로써, 형상개구부의 관통홀의 형상을 조정, 변경시키는 것에 의해, 이온빔의 형상을 목표로 하는 가공형상을 구현하기에 보다 적합한 형상으로 자유롭게 변형시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 기존에 단순한 원형의 이온빔을 지정경로를 따라 이동시킴으로써 구현가능하던 형상의 가공을, 한 차례의 이온빔 조사에 의해 구현할 수 있으며, 기존에 이온빔을 다수회 중복하여 왕복시킴으로써 구현가능하던 형상 또한, 지정경로를 따라 한차례 이동시킴으로써 구현가능하여, 기존에 비해 보다 간단하면서도 신속하게 미세 가공을 구현할 수 있다는 다른 효과가 있다.
또한, 이온빔이 단순한 원형이 아닌 형상을 가짐에 따라 이온빔을 이동시키는 진행방향에 따라 가공대상물에 가해지는 이온빔의 에너지분포가 다르게 형성되므로, 특정한 형상의 이온빔을 그대로 이용하여서도 다양한 형태의 가공이 가능하며, 이온빔의 진행방향을 가변시키는 것만으로 장비의 교체나 추가없이 다양한 형상의 가공을 효율적으로 수행가능하다는 다른 효과가 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한 가공방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제1실시예를 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제1실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제2실시예를 도시한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제2실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도이며, 도 5는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 실시예에서 가공대상물에 대한 이온빔의 에너지 분포 및 전체적인 윤곽을 도시한 모식도이다.
그리고, 도 6은 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 도시한 모식도이고, 도 7은 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도이며, 도 8, 9는 각각 도 7의 (b), (c)에 도시된 바와 같은 실시예에서 가공대상물에 대한 이온빔의 에너지 분포 및 전체적인 윤곽을 도시한 모식도이고, 도 10는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제4실시예를 도시한 모식도이며, 도 11은 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제4실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도이다.
먼저, 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치에 대해 설명 하기로 한다.
본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치는, 도 1, 도 3, 도 6, 도 10에 도시된 바와 같이 크게 이온소스부(10), 형상개구부(20), 이온빔집속부(30)로 이루어지며, 상기 형상개구부(20)가 상기 이온소스부(10)에서 상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔에 특정한 형상을 부여할 수 있는 지정형상의 관통홀(21)을 구비하여 상기 이온빔이 통과하는 경로상에 설치되고, 상기 이온빔집속부(30)가 상기 형상개구부(20)를 통과한 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달가능하도록 상기 이온빔을 집속시키도록 설치된 구조를 가진다.
상기 이온소스부(10)는, 상온에 해당되는 20~30℃에서 액체상태가 되는 갈륨(Ga)과 같은 성분으로 구성된 액체금속을 텅스텐과 같은 금속재에 묻혀서 고전압을 인가함으로써 이온빔을 발생시키는 일반적인 이온소스부의 구성 및 작동원리에 의해서도 본 발명의 작동원리를 구현가능하나, 아르곤가스, 수소가스, 헬륨가스와 같은 가스를 이온소스로 사용하는 것이 바람직하다.
가스를 이온소스로 사용하면, 이온빔의 방출사이즈가 협소하고 이온빔의 중간부가 가장자리부에 비해 상대적으로 강한 에너지 분포를 가지게 되는 기존의 집속 이온빔 장치와 비교해, 보다 대면적의 방출사이즈로 이온빔을 형성할 수 있어, 상기 형상개구부의 관통홀(21) 전반에 걸쳐 균일한 에너지 밀도로 이온빔을 통과시킬 수 있다.
상기 형상개구부(20)는, 상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔이 상기 관 통홀(21)을 통과하여 상기 관통홀(21)에 대응되는 특정한 형상으로 변형된 상태로 가공대상물측으로 방출가능하도록 한다면 특정한 구조와 형태로 한정되지 않으며, 상기 형상개구부(20)가 구비되지 않은 기존의 집속 이온빔 장치에서 단순한 원형의 이온빔 형상만을 구현가능한 것과 비교해, 상기 관통홀(21)을 원형이 아닌 다른 형상으로 가공하거나, 다수를 특정하게 배치시킴으로써 보다 다양한 형상의 이온빔을 용이하게 형성가능하다.
상기 형상개구부(20)에 다수의 상기 관통홀(21)을 구비함에 있어서는, 도 2, 도 4, 도 5, 도 7 내지 도 9, 도 11에 도시된 바와 같은 가공형상을 고려하여, 도 1, 도 3, 도 6, 도 10에 도시된 본 발명의 제1실시예 내지 제4실시예와 같이 각각의 상기 관통홀(21)을 상호 독립적인 형상과 크기로 형성시키고, 배치시키는 것이 바람직하다.
상기 다수의 관통홀(21)은 가공대상물(1)상의 상호 이격된 다수의 지점을 한번에 가공가능할 정도로 다수가 상호 이격되게 배치될 수도 있으며, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달되면 연속된 하나의 도형을 형성가능할 정도로 상호 인접하게 배치시키면 도 2, 도 4, 도 7, 도 11에 도시된 바와 같이 다양한 실시예를 구현가능하다.
상기 다수의 관통홀(21)을 배치시킴에 있어서, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향을 따라 배열시키면, 상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비의 합에 비례한 깊이를 가지는 형상을 가공할 수 있다.
또한, 다수의 관통홀(21)을 배치시킴에 있어서, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향과 직각을 이루는 방향을 따라 배열시키면, 상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비의 합에 비례한 너비를 가지는 형상을 가공할 수 있다.
본 발명에서 상기 이온빔을 지정방향으로 이동시킨다는 것은, 상기 가공대상물(1)에 대해 지속적으로 변위를 가지도록 상기 이온빔을 직접 이동시키는 것은 물론, 상기 가공대상물(1)을 지정위치에 고정시킨 상태로 이동가능한 구조를 가지는 스테이지(미도시)를 구비한 시료처리부(미도시)를 상기 이온빔 이동장치와 함께 작동시키는 것에 의해 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)에 대해 변위를 지속적으로 가지도록 하는 것을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이 동일한 크기를 가지는 한쌍의 원형 관통홀(21)이 상호 인접하게 이격형성된 구조를 가지는 본 발명의 제1실시예를 이용하여 가공함에 있어서는, 가공대상물(1)의 정위치에 상기 이온빔을 조사하면 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 타원형 또는 가장자리가 둥근 직사각형 평면형상을 구현가능하며, 상기 가공대상물(1)에 대하여 상대적으로 특정방향으로의 이동이 이루어지도록 상기 이온빔을 조사하면 도 2의 (b), (c)에 도시된 바와 같은 평면형상 또한 구현가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이 서로 다른 크기를 가지는 한쌍의 원형 관통홀(21)이 상호 인접하게 이격형성된 구조를 가지는 본 발명의 제2실시예를 이용하여 가공 함에 있어서는, 가공대상물(1)의 정위치에 상기 이온빔을 조사하면 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 물방울형 또는 표주박형 평면형상을 구현가능하며, 상기 가공대상물(1)에 대하여 상대적으로 특정방향으로의 이동이 이루어지도록 상기 이온빔을 조사하면 도 4의 (b) 및 도 5, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같은 형상 또한 구현가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이 3개의 원형 관통홀(21)이 상호 동일한 이격간격을 두고 인접하게 배치된 구조를 가지는 본 발명의 제3실시예를 이용하여 가공함에 있어서는, 가공대상물(1)의 정위치에 상기 이온빔을 조사하면 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 120°의 상대각도를 가지고 방사형으로 연장되는 평면형상을 구현가능하며, 상기 가공대상물(1)에 대하여 상대적으로 특정방향으로의 이동이 이루어지도록 상기 이온빔을 조사하면 도 7의 (b) 및 도 8, 도 7의 (c) 및 도 9에 도시된 바와 같은 형상 또한 구현가능하다.
도 10에 도시된 바와 같이 4개의 원형 관통홀(21)이 상호 동일한 이격간격을 두고 인접하게 배치된 구조를 가지는 본 발명의 제4실시예를 이용하여 가공함에 있어서는, 가공대상물(1)의 정위치에 상기 이온빔을 조사하면 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 90°의 상대각도를 가지고 방사형으로 연장되는 평면형상을 구현가능하며, 상기 가공대상물(1)에 대하여 상대적으로 특정방향으로의 이동이 이루어지도록 상기 이온빔을 조사하면 도 11의 (b), (c)에 도시된 바와 같은 형상 또한 구현가능하다.
다음으로, 본 발명이 다른 기술적 요지로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제1실시예는, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치를 이용하여 구현가능하며, 크게 이온빔 형상부여단계, 이온빔 집속단계, 정위치 고속가공단계로 이루어진다.
상기 이온빔 형상부여단계에서는, 상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하며, 상기 이온빔 집속단계에서는, 상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시킨다.
상기 정위치 고속가공단계에서는, 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 상기 가공대상물(1)의 가공면에 한차례 조사하고, 상기 이온빔이 조사된 상태에서 상기 이온빔과 가공대상물(1)을 정위치에 정지된 상태로 지정시간 유지하는 것에 의해, 도 2의 (a), 도 4의 (a), 도 7의 (a), 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 기존에 지정경로를 따라 이온빔을 이동시키는 과정에 의해서만 구현가능하던 임의의 형상을 간단하고 신속하게 가공하게 된다.
본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제2실시예 또한, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장 치를 이용하여 구현가능한 실시예로, 크게 이온빔 형상부여단계, 이온빔 집속단계, 직선이동식 고속가공단계로 이루어진다.
상기 이온빔 형상부여단계와 이온빔 집속단계에 대해서는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치에 대한 상세한 설명과, 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제1실시예에 대한 상세한 설명에서 구체적으로 기재하고 있는 바와 동일하므로 그 중복설명을 생략하기로 한다.
상기 직선이동식 고속가공단계에서는, 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 직선경로를 따라 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사함으로써, 기존에 집속 이온빔 가공장치를 이용한 형상가공이 단일의 가우시안 형태로만 한정적으로 구현되던 것과 달리, 도 5, 도 8, 도 9에 도시된 바와 같이 다수의 가우시안 형태가 중복된 형태의 윤곽을 가진 형상을 한차례의 직선이동에 의해 간단하고 신속하게 가공하게 된다.
상기 직선이동식 고속가공단계에는, 상기 이온빔을 지정방향으로 이동시키거나 상기 스테이지를 반대방향으로 이동시키는 것에 의해, 상기 지정방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비에 비례한 깊이의 윤곽을 가지는 형상을 가공하게 됨과 동시에, 상기 지정방향에 직각되는 방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비에 비례한 너비의 윤곽을 가지는 형상을 가공하게 된다.
본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제2실시예를 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 진행방향으로 이동시키는 경우, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 보다 큰 직경을 가지는 관통홀(21)에 대응되는 위치에 상대적으로 이온빔의 에너지가 집중되어 분포되어, 최종적으로 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 윤곽을 가지는 형상으로 가공이 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 진행방향으로 이동시키는 경우, 진행방향을 따라 다수의 관통홀(21)이 중첩되게 배치되어 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 에너지가 집중되는 부분과 하나의 상기 관통홀(21)만이 배치되어 상대적으로 에너지가 적게 분포되는 부분으로 구분되며, 최종적으로 도 8의 (b)에 도시된 바와 같은 윤곽을 가지는 형상으로 가공이 이루어지게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 도 9의 (a)에 도시된 바와 같은 진행방향으로 이동시키는 경우, 진행방향에 대해 직각이 되는 방향으로 다수의 관통홀(21)이 상호 인접한 간격을 두고 연속되게 배열된 형태를 가지게 되어 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 관통홀(21)이 차지하는 너비 전반에 걸쳐 에너지가 고르게 분포되어, 최종적으로 도 9의 (b)에 도시된 바와 같은 윤곽을 가지는 형상으로 가공이 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치에 의하면 동일한 구조에 의해서도, 진행방향에 따라 도 8, 도 9에 도시된 바와 같이 다양한 형상으로의 가공이 광범위한 실시예로 구현가능함에 따라, 상기 이온빔을 지정방향으로 이동시키면서 특정한 형태의 윤곽을 형성하는 1차가공단계와, 상기 1차가공단계를 수행한 집속 이온빔 가공장치를 그대로 이용하면서 상기 이온빔의 이동방향만을 상기 1차가공단계의 이동방향과 다르게 전환하여 다른 형태의 윤곽을 형성하는 2차가공단계에 의해, 하나의 가공대상물상 다양한 형상의 가공을 수행하거나, 각각의 가공대상물에 대해 상호 차별되는 형상의 가공을 수행가능하다.
본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제3실시예 또한, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치를 이용하여 구현가능한 실시예로, 크게 이온빔 형상부여단계, 이온빔 집속단계, 가변이동식 고속가공단계로 이루어진다.
상기 이온빔 형상부여단계와 이온빔 집속단계에 대해서는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치에 대한 상세한 설명과, 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제1실시예에 대한 상세한 설명에서 구체적으로 기재하고 있는 바와 동일하므로, 상기 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법의 제2실시예와 마찬가지로 그 중복설명을 생략하기로 한다.
상기 가변이동식 고속가공단계에서는 상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 다양한 방향으로 연속되게 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사함으로써, 기존에 집속 이온빔 가공장치를 이용한 형상가공이 단일의 가우시안 형태로만 한정적으로 구현되던 것과 달리, 다수의 가우시안 형태의 중첩이 가공위치에 따라 다르게 적용된 형태의 윤곽을 가진 형상, 즉, 상기 이온빔의 조사위치 및 이동방향에 따라 상호 구별되는 윤곽을 가진 형상을, 지정경로를 따라 한차례 이동시키는 것에 의해 간단하고 신속하게 연 속하여 가공하게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치와 이를 이용한 가공방법에 의하면, 상기 이온빔의 방출경로상에 상기 관통홀(21)을 가진 형상개구부(20)를 설치하여 상기 이온빔에 특정한 형태를 부여함으로써, 상기 형상개구부의 관통홀(21)의 형상을 조정, 변경시키는 것에 의해, 상기 이온빔의 형상을 목표로 하는 가공형상을 구현하기에 보다 적합한 형상으로 자유롭게 변형시킬 수 있다.
이에 따라, 기존에 단순한 원형의 이온빔을 지정경로를 따라 이동시킴으로써 구현가능하던 형상의 가공을, 한 차례의 이온빔 조사에 의해 구현할 수 있으며, 기존에 이온빔을 다수회 중복하여 왕복시킴으로써 구현가능하던 형상 또한, 지정경로를 따라 한차례 이동시킴으로써 구현가능하여, 기존에 비해 보다 간단하면서도 신속하게 미세 가공을 구현할 수 있다.
그리고, 상기 이온빔의 형상이 단순한 원형이 아닌 경우, 상기 이온빔을 이동시키는 진행방향에 따라 가공대상물에 가해지는 이온빔의 에너지분포가 다르게 형성되므로, 특정한 형상의 이온빔을 그대로 이용하여서도 다양한 형태의 가공이 가능하며, 이온빔의 진행방향을 가변시키는 것만으로 장비의 교체나 추가없이 다양한 형상의 가공을 효율적으로 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
도 1 - 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제1실시예를 도시한 모식도
도 2 - 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제1실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도
도 3 - 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제2실시예를 도시한 모식도
도 4 - 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제2실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도
도 5 - 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 실시예에서 가공대상물에 대한 이온빔의 에너지 분포 및 전체적인 윤곽을 도시한 모식도
도 6 - 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 도시한 모식도
도 7 - 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제3실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도
도 8 - 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 실시예에서 가공대상물에 대한 이온빔의 에너지 분포 및 전체적인 윤곽을 도시한 모식도
도 9 - 도 7의 (c)에 도시된 바와 같은 실시예에서 가공대상물에 대한 이온빔의 에너지 분포 및 전체적인 윤곽을 도시한 모식도
도 10 - 본 발명에 따른 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치의 제4실시 예를 도시한 모식도
도 11 - 본 발명에 따른 집속 이온빔 가공장치의 제4실시예를 이용하여 가공가능한 다양한 실시예를 보이고자 도시한 평면개략도
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
1 : 가공대상물 10 : 이온소스부
20 : 형상개구부 21 : 관통홀
30 : 이온빔집속부

Claims (16)

  1. 이온소스부(10);
    상기 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔에 특정한 형상을 부여할 수 있는 지정형상의 관통홀(21)을 구비하여 상기 이온빔이 통과하는 경로상에 설치되는 형상개구부(20); 및
    상기 형상개구부(20)를 통과한 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달가능하도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔집속부(30);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이온소스부(10)는,
    아르곤가스, 수소가스, 헬륨가스와 같은 가스를 이온소스로 사용하여, 상기 형상개구부의 관통홀(21) 전반에 걸쳐 균일한 에너지 밀도로 통과가능한 이온빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은,
    상호 독립된 형상과 크기를 가지는 다수가 이격형성되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 다수의 관통홀(21)은,
    상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달되면 연속된 하나의 도형을 형성하도록, 상호 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은,
    상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비의 합에 비례한 깊이로 가공이 이루어지도록, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향을 따라 다수가 이격형성되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 형상개구부의 관통홀(21)은,
    상기 이온빔의 지정방향으로의 일회 이동에 의해 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비의 합에 비례한 너비로 가공이 이루어지도록, 상기 이온빔이 상기 가공대상물(1)의 가공면상에서 이동되는 방향과 직각을 이루는 방향으로 다수가 배치되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가공대상물(1)을 지정위치에 고정시킨 상태로 상기 이온빔과 연동하여 이동가능한 스테이지가 구비된 시료처리부;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 형상개구를 이용한 집속 이온빔 가공장치.
  8. 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계;
    상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및
    상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 상기 가공대상물(1)의 지정위치에 조사하여 상기 가공대상물(1)을 다수의 원형이 중복된 형태의 윤곽을 가지는 형상을 한번에 가공하는 정위치 고속가공단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 정위치 고속가공단계는,
    상기 이온빔이 조사된 상태에서 상기 이온빔과 가공대상물(1)이 추가의 이동없이 정위치에 정지된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  10. 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계;
    상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및
    상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물(1)의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 직선경로를 따라 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사하여 다수의 가우시안 형태가 중복된 형태의 윤곽을 가진 형상을 가공하는 직선이동식 고속가공단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 직선이동식 고속가공단계에서 상기 이온빔의 지정경로의 이동은,
    상기 이온빔과 상기 가공대상물(1)이 장착된 스테이지를 연동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 직선이동식 고속가공단계는,
    상기 이온빔 또는 스테이지를 지정방향으로 이동시키면서, 상기 지정방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향으로의 너비에 비례한 깊이로 윤곽을 형성하는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 직선이동식 고속가공단계는,
    상기 이온빔 또는 스테이지를 지정방향으로 이동시키면서, 상기 지정방향에 직각되는 방향을 따라 배치된 상기 관통홀(21)의 갯수 및 상기 관통홀(21)의 지정방향에 직각되는 방향으로의 너비에 비례한 너비로 윤곽을 형성하는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  14. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 직선이동식 고속가공단계는,
    상기 이온빔 또는 스테이지를 지정방향으로 이동시키면서 상기 지정방향과 이에 수직되는 방향에 대한 상기 관통홀의 갯수 및 너비에 비례하는 깊이와 너비를 가지는 특정한 형태의 윤곽을 형성하는 1차가공단계; 및
    상기 이온빔 또는 스테이지의 이동방향을 전환하여 상기 1차가공단계의 지정방향과 다른 방향과 이에 수직되는 방향에 대한 상기 관통홀의 갯수 및 너비에 비례하는 깊이와 너비를 가지는 다른 형태의 윤곽을 형성하는 2차가공단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  15. 이온소스부(10)에서 생성된 이온빔을 관통홀(21)이 구비된 형상개구부(20)를 통과시키며 특정한 형상을 부여하는 이온빔 형상부여단계;
    상기 이온빔 형상부여단계를 거쳐 특정한 형상을 가지는 이온빔이 일정한 형상을 유지하며 가공대상물(1)의 가공면에 도달되도록 상기 이온빔을 집속시키는 이온빔 집속단계; 및
    상기 이온빔 집속단계를 거쳐 특정한 형상으로 상기 가공대상물의 가공면에 도달된 상기 이온빔을 다양한 방향으로 연속되게 이동시키며 상기 가공대상물(1)에 조사하여, 상기 가공대상물(1)을 상기 이온빔의 조사위치 및 이동방향에 따라 다른 형상으로 가공하는 가변이동식 고속가공단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 가변이동식 고속가공단계에서 상기 이온빔의 지정경로의 이동은,
    상기 이온빔과 상기 가공대상물(1)이 장착된 스테이지를 연동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 집속 이온빔 가공장치를 이용한 가공방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR930001433A (ko) * 1991-06-15 1993-01-16 정몽헌 표면적이 증대된 전하저장전극 제조방법
JPH10162769A (ja) 1996-11-28 1998-06-19 Hitachi Ltd イオンビーム加工装置
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