KR20030082030A

KR20030082030A - 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원의 제조방법

Info

Publication number: KR20030082030A
Application number: KR1020020020532A
Authority: KR
Inventors: 김은규; 박용주; 김태환; 강승언; 추동철; 오현주; 현정우
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2003-10-22

Abstract

본 발명은 코일형 액체금속 저장소와 액체금속 공급로가 형성된 에미터를 제공하는 것을 특징으로 하는 최적화된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원은 에미터를 식각하여 액체금속 공급로가 형성된 에미터 제조 단계, 코일형 액체금속 저장소 제작 단계 및 액체금속 적재 단계의 최적화된 3단계 공정을 포함한다. 본 발명에 따라 결정 방향성을 갖는 텅스텐 선에 전기화학적 교류식각법에 의해 에미터를 제작할 때 표면에 형성되는 액체금속 공급로는 액체금속의 양을 조절하는 기능을 하며 이로 인해 이온빔의 안정성을 한 단계 높일 수 있고, 코일형 액체금속 저장소는 에미터와 저장소의 표면 불순물을 동시에 제거할 수 있도록 하며 제작공정을 가장 최적화시킬 수 있는 특징을 갖게 한다.

Description

액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법{Fabrication Method of Coil Type Liquid Ion Source with Liquid Metal Supply Course Line Formed}

본 발명은 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 코일형 액체금속 저장소와 액체금속로가 형성된 에미터를 특징으로 하는 최적화된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법에 관한 것이다.

1978년 개발된 액체금속 이온원은 집속 이온빔 장치의 핵심으로서 이온빔을 사용하는 다양한 응용기술을 개발할 수 있도록 한 원동력이라 할 수 있다. 마이크로미터 이하의 미세가공, 집적회로 수정, 시료의 분석, 투과 전자 현미경(TEM)의 박막 시료 제작 등에 이용되는 집속이온빔 장치의 핵심으로서 액체금속 이온원은 기타 이온원에 비해 높은 전류 안정성, 고전류밀도, 낮은 에너지 퍼짐 및 결손을 특징으로 하고 있다. 최근 들어 액체금속 이온원을 이용한 집속이온빔 장치는 차세대 반도체 소자 제작 등 더욱더 다양한 분야로 그 응용 가능성을 넓혀가고 있다.

일반적으로, 액체금속(Ga) 이온원은 액체금속 저장소와 이온빔 발생을 위한 에미터(emitter)로 구성된다.

액체금속 이온원 제작에 있어서 가장 중요한 점은 빔의 특성을 향상시키는 점과 공정 단순화에 의한 제작비의 절감에 있다. 먼저 액체금속 이온원의 빔 특성은 높은 전류의 안정성, 고전류밀도, 낮은 에너지 퍼짐 및 결손으로 요약된다.

기존의 이온원의 에미터 형태는 주로 바늘 형태와 모세관 형태가 있다. 모세관 형태는 낮은 전류에서는 잘 작동되지 않을 뿐만 아니라 노즐 끝에서 액체 돌기가 커서 방출 전류량 ∼10 ㎂ 이하에서는 지속되지 않으며 방출 전류의 불안정성을 가져온다. 그래서 모세관 형태보다는 바늘 형태의 에미터가 쓰여지고 있다.

바늘 형태에서는 돌기의 크기가 모세관 형태보다 상대적으로 작으며 바늘 끝에 돌기가 계속해서 형성되기 때문에 이온 방출을 원활하게 하여 전류 안정성이 우수하기 때문에 많이 사용되고 있다.

도 5에서는 직접 가열 방식의 이온원의 액체금속 저장소 형태를 보여주고 있다. (a)의 헤어핀 형태는 제작 방법이 단순한 반면 액체금속의 양이 적어 사용기간이 짧고 안정성이 좋지 않다. (b)의 호일 형태는 바늘 끝으로 액체금속을 원활하게 이동시켜 주고 전류 안정성이 크기 때문에 개선된 형태이나 바늘의 굵기, 리본 구멍의 크기 및 바늘의 굵기와 구멍의 차이에 따라 안정성이 변화됨이 보고되었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 액체금속 이온원의 단점을 개선하여 용이한 가열성과 많은 저장능력을 가지면서도 우수한 빔 안정성을 보이면서제작 공정이 단순한 액체금속 이온원의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 액체금속 공급로가 형성된 에미터 제작을 위한 전기화학적 교류식각 시스템의 구성도.

도 2는 에미터 표면에 형성된 액체금속 공급로의 현미경 상.

도 3은 코일형 액체금속 이온원의 모식도.

도 4는 액체금속 적재 시스템이 개략도.

도 5는 이온원 형태의 모식도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 원통형 스테인레스 전극

2 : 식각용액

3 : 에미터

4 : 교류전압 전원장치

5 : 액체금속 공급로

6 : 액체금속 이온원 가열전극

7 : 액체금속 저장소

8 : 지지대

9 : 초고진공 챔버

10 : 액체금속

11 : 도가니

12 : 도가니 가열 코일

13 : 정전류 전원장치

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 연구를 거듭한 결과, 전기화학적 교류식각법으로 액체금속 공급로를 에미터에 형성시킴으로써 액체금속의 공급과 수요를 항상 적절하게 유지시켜 빔의 안정성을 더욱 높일 수 있고, 코일형 액체금속 저장소를 제공함으로써 제작 공정을 더욱 단순화시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 코일형 액체금속 저장소와 액체금속 공급로가 형성된 에미터를 제공하는 것을 특징으로 하는 최적화된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원은 액체금속 공급로 형성을 위한 에미터 식각 단계, 코일형 액체금속 저장소 제작 단계 및 액체금속 적재 단계의 최적화된 3단계 공정으로 제작된다.

이하에서 본 발명의 상기 액체금속 이온원의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.

1. 액체금속 공급로 형성을 위한 에미터 식각 단계

에미터는 도 1의 식각 시스템에 교류전압을 가해서 식각하는 전기화학적 교류식각법을 이용하여 제작한다.

텅스텐 와이어를 전기화학적 교류식각법을 사용하여 바늘 형태의 에미터를만든다. 식각 용액은 특정 조성, 예를 들어 KOH:CuSO₄:H₂O = 640 g:0.25 g:1000 ml의 전해용액을 사용하고, 음극은 원통형 스테인레스 전극을 사용한다.

바람직하게는, 에미터 식각은 ① 텅스텐 와이어의 굵기를 적절하게 하기 위한 예비에칭 ② 끝을 뾰족하게 하기 위한 포인팅 ③ 끝의 형태를 테일러콘의 형성에 적절하도록 하기 위한 블런팅의 순서대로 에칭을 실시하여 수행한다.

양극에 텅스텐 와이어를 장착하고 교류전압 전원장치로 교류 전원을 가해 예비에칭을 하는데 이 단계는 텅스텐 와이어의 굵기를 적절하게 조절하기 위해서 하는 것이다. 표면 상태를 매끄럽게 하기 위해서는 예비에칭시 높은 전압을 가하고 거칠게 하기 위해서는 낮은 전압을 가한다.

포인팅(pointing)은 텅스텐 와이어의 끝 부분을 일정 범위, 예를 들어 약 0.5 내지 1 mm 정도 용액 속에 잠기게 하여 일정 전압을 걸어준 후, 끝이 예리하게 에칭되어 용액의 표면과 떨어져 전원이 끊어질 때까지 에칭을 실시하는 것이다.

블런팅(blunting)은 포인팅시와 같은 전압을 인가한 후, 텅스텐 와이어를 일정 길이로 잠기게 한 후 에칭을 실시하는 것이다. 테일러콘 형성에 적합하도록 형태를 조절하는 것이다. 테일러콘은 액체금속, 예를 들어 갈륨이 에미터 끝 부근에 반각이 일정 각도, 예를 들어 49.3°인 원뿔 모양의 형태로 만들어진 것을 의미한다.

이와 같은 전기화학적 교류식각법에 의해 에미터를 제작하면 제작된 에미터 표면에 액체금속 공급로의 역할을 하는 홈이 생성된다. 도 2는 에미터 표면에 형성된 액체금속 공급로의 현미경 상이다.

2. 코일형 액체금속 저장소 제작 단계

이 공정은 상기 공정을 통해 준비된 에미터에 코일형 액체금속 저장소를 설치하는 공정이다. 도 3에 도시한 형태로 에미터는 액체금속 저장소의 중앙을 관통하도록 설치되고 에미터 끝 부분이 저장소의 외부로 약 1 내지 1.5 ㎜ 돌출되도록 위치를 조절하고 전기용접으로 고정시킨다.

도 5에 도시된 (c)의 코일 형태는 상기한 바와 같은 헤어핀 형태의 용이한 가열성과 호일 형태의 많은 저장능력을 갖고 있으면서도 제작이 용이하도록 이온원을 제작한 것이다. 호일 형태로 갈륨 이온빔을 방출하기 위해서는 5 kV 이상의 전원을 인가하여야 하지만, 본 발명에서 사용된 바와 같은 코일 형태는 3 kV 정도에서 이온빔이 발생하며, 낮은 히터 전류에서도 안정적으로 빔이 작동된다.

3. 액체금속(Ga) 적재 단계

2번 공정을 통해 제작된 액체금속 적재 전의 액체금속 이온원과 액체금속을 담는 도가니를 초고진공 챔버 내에 장착한다. 초고진공 내에서 액체금속 이온원에 고전류, 예를 들어 2A를 흘려 에미터와 액체금속 저장소 표면의 불순물을 제거하고, 가열전류에 의해 충분히 가열된 도가니에 액체금속 이온원의 액체금속 저장소와 에미터 부분을 삽입한다.

액체금속, 액체금속 저장소 및 에미터가 열평형 상태에 이르러 액체금속이 코일로 스며들어 충분한 양이 적재되면 액체금속 이온원이 완성된다. 도 4에 이러한 공정을 위한 시스템 개략도가 도시되어 있다.

에미터 표면에 형성된 액체금속 공급로는 텅스텐의 결정 방향과 낮은 교류전압에서 나타나는 식각 효과로서 생성되는데 식각 전압의 제어로 액체금속 공급로의 형성을 조절하는 것이 가능하다. 교류 전압이 높은 상태에서 식각을 하면 공급로의 역할을 하는 홈이 텅스텐 표면에 형성이 잘 되지 않지만 교류전압이 낮은 상태에서는 텅스텐 표면에 홈이 잘 형성된다.

도 2에 공급로의 역할을 하는 홈이 도시되어 있다. 에칭에 의하여 만들어진 바늘의 표면을 보면 끝 방향으로 가느다란 홈이 파여져 있는 것을 볼 수 있는데, 이 홈 때문에 액체 금속이 바늘에 잘 부착됨은 물론 이 홈을 따라 쉽게 이동할 수 있다. 이 홈의 크기가 표면의 저항에 관계하여 액체 금속의 흐름에 영향을 준다.

홈이 작을 경우 흐름 저항은 크다. 흐름 저항이 작을수록 I-V 데이터가 급격한 기울기로 나타나고 너무 작으면 액체 돌기가 자주 붕괴한다. 흐름 저항이 너무 크면 마찬가지로 액체 돌기가 제대로 형성되지 않아 빔의 안정성이 매우 나빠진다. 공급로 기능을 하는 홈은 에미터 정점에 형성되는 돌기에서 이온빔을 발생시켜 액체금속이 소모됨에 따라 모세관 현상에 의해 액체금속의 공급을 조절할 수 있는 기능을 하게 된다.

또한, 코일형 액체금속 저장소를 사용하는 경우 표면 불순물 제거시 에미터와 액체금속 저장소의 불순물을 동시에 제거할 수 있으며 단순한 구조로 인해 제작공정이 단순해지고 많은 양의 액체금속을 저장할 수 있어 긴 수명을 갖게 된다.

본 발명을 아래의 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 예시하고자 한 것으로 본 발명은 이에 의해 제한되지 않는다.

<실시예 1> 액체금속 공급로 형성을 위한 에미터 식각 단계

도 1의 식각 시스템을 사용하여 전기화학적 교류식각법으로 에미터를 제작하였다.

식각 용액으로서, KOH:CuSO₄:H₂O = 640 g:0.25 g:1000 ml의 전해용액을 사용하고, 음극으로서 직경 30.11 ㎜의 원통형 스테인레스 전극을 사용하였다. 양극에 에미터로서 직경 0.369 ㎜, 길이 25 mm의 텅스텐 와이어를 장착하고, 텅스텐 와이어의 끝 부분을 용액에 5 mm 잠기게 한 후, 자체 제작한 교류전압 전원장치(Tip etching power supply; AC 10V)로 2V(Vrms)의 교류 전원을 가해 예비에칭을 실시하였다.

예비에칭 실시 후에, 2 V(Vrms)의 교류전압으로 포인팅 에칭을 실시하였는데, 포인팅은 텅스텐 와이어를 1 mm 정도 용액에 잠기게 한 후 팁 끝을 예리하게 만들어 준다. 블런팅 에칭은 같은 교류전압으로 텅스텐 와이어를 4 mm 정도 잠기게 한 후 30초 정도 실시하였다. 이 모든 과정을 거쳐 에미터 표면에 액체금속 공급로의 역할을 하는 홈을 생성시켰고, 이온빔 방출시 에미터에 테일러콘이 잘 형성되도록 만들었다 (도 2 참조).

<실시예 2> 코일형 액체금속 저장소 제작 단계

직경이 100 ㎛ 인 텅스텐 필라멘트를 사용하여 코일형 액체금속 저장소를 만들었고, 실시예 1에서 제작한 에미터를 상기 코일형 액체금속 저장소의 중앙을 관통하여 끝 부분이 저장소의 외부로 1 ㎜ 돌출되도록 설치하고 액체금속 가열전극에액체금속 저장소를 전기용접으로 고정시켰다.

<실시예 3> 액체금속 적재 단계

실시예 2에서 제조한 액체금속 적재 전의 액체금속 이온원과 액체금속 Ga을 담는 도가니를 도 4에 도시한 바와 같이 세이꼬 세이끼(Seiko Seiki)사에서 만든 초고진공 챔버 내에 배치하였다. 정전류 전원장치 (DAEDO Electronics 제품 (30V, 30A))를 사용하여 초고진공 내에서 액체금속 이온원에 2A의 전류를 흐르게 하여 에미터와 액체금속 저장소 표면의 불순물을 제거하고, 10A의 가열 전류에 의해 충분히 가열된 도가니에 액체금속 이온원의 액체금속 저장소와 에미터 부분을 삽입하였다. 액체금속 (Ga), 액체금속 저장소 및 에미터가 열평형 상태에 이르러 액체금속 (Ga)이 코일로 스며들어 충분한 양이 적재됨으로써 액체금속 이온원을 제조하였다.

도 5에서 (a) 형태와 (b) 형태를 볼 때 (c) 형태와 달리 액체금속이 저장소에 많이 적재될 수 없다는 것을 알 수 있다. (c) 형태는 필라멘트 코일 안에 액체금속이 들어가게 만들어 많은 양이 적재될 수 있다. 그리고 필라멘트 안에 있는 액체금속이 에미터로 잘 이동하게 만들어 에미터 끝 부분의 테일러콘 형성을 유지시켜 빔의 안정성이 좋다.

본 발명에 따르면, 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원은 텅스텐 와이어의 식각시 교류전압의 크기에 따라 텅스텐 표면에 생기는 홈의 형성에 의해 액체 금속의 공급을 조절할 수 있는 액체금속 공급로의 형성으로 인해 더욱 더 안정적인 이온빔을 발생시킬 수 있고, 코일형 액체금속 저장소는 단순한 구조로인해 액체금속 이온원 제작 공정 전체를 단순화 및 최적화시킬 수 있고, 표면 불순물 제거시 에미터와 액체금속 저장소의 불순물을 동시에 제거할 수 있으며, 많은 양의 액체금속을 저장할 수 있어 긴 수명을 갖게 된다.

Claims

액체금속 이온원의 제조 방법에 있어서,

전기화학적 식각 공정에 의해 에미터를 식각하여 액체금속 공급로가 형성된 에미터를 제조하는 단계,

코일 형태의 액체금속 저장소를 제공하는 단계 및

초고진공 챔버에서 액체금속 저장소에 액체금속을 적재하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체금속 공급로가 형성된 코일형 액체금속 이온원의 제조 방법.
제1항에 있어서, 액체 금속이 갈륨인 방법.
제1항에 있어서, 액체금속 저장소가 텅스텐 필라멘트로 제조된 것인 방법.
제1항에 있어서, 에미터가 텅스텐 와이어로 제조된 것인 방법.
제1항에 있어서, 에미터 식각 공정이 예비에칭, 포인팅 에칭 및 블런팅 에칭의 순서로 실시되는 것인 방법.