KR20230072780A - 에미터 팁 및 그 제작 방법 - Google Patents

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KR20230072780A
KR20230072780A KR1020210159345A KR20210159345A KR20230072780A KR 20230072780 A KR20230072780 A KR 20230072780A KR 1020210159345 A KR1020210159345 A KR 1020210159345A KR 20210159345 A KR20210159345 A KR 20210159345A KR 20230072780 A KR20230072780 A KR 20230072780A
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김광일
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 에미터 팁과 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 팁 표면에 형성된 산화막을 제거하는 클리닝 공정을 거치지 않고 산화막을 포함한 팁 표면에 금속을 코팅한 이후 전계증발현상을 이용해 선단부의 산화막과 금속층을 제거하며, 이후 열에너지와 인가전압을 통해 면화 현상을 유도하여 최종적으로 정점부에 원자 나노피라미드 구조를 형성함으로써, 쉽고 간단하면서도 안정적으로 팁 제작이 가능하고, 많은 팁 재생성 횟수를 확보할 수 있으며, 부식의 염려가 없어 헬륨, 제논, 네온 등의 이온빔을 포함하고 산소이온빔의 소스로도 사용 가능한 에미터 팁과 그 제작 방법에 관한 것이다.

Description

에미터 팁 및 그 제작 방법{Emitter tip and Manufacturing method thereof}
본 발명은 에미터 팁과 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 팁 표면에 형성된 산화막을 제거하는 클리닝 공정을 거치지 않고 산화막을 포함한 팁 표면에 금속을 코팅한 이후 전계증발현상을 이용해 선단부의 산화막과 금속층을 제거하며, 이후 열에너지와 인가전압을 통해 면화 현상을 유도하여 최종적으로 정점부에 원자 나노피라미드 구조를 형성함으로써, 쉽고 간단하면서도 안정적으로 팁 제작이 가능하고, 많은 팁 재생성 횟수를 확보할 수 있으며, 부식의 염려가 없어 헬륨, 제논, 네온 등의 이온빔을 포함하고 산소이온빔의 소스로도 사용 가능한 에미터 팁과 그 제작 방법에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 디바이스 등의 시료의 관찰이나 각종의 평가, 해석 등을 행하거나, 시료로부터 미세한 박편 시료를 취출한 후, 그 박편 시료를 시료 홀더에 고정하여 TEM(Transmission Electron Microscopy) 시료를 제작하기 위한 장치로서, 집속 이온 빔 장치가 알려져 있다.
집속 이온 빔 장치는 이온을 발생시키는 이온원을 구비하고 있으며, 여기서 발생한 이온을 그 후 집속 이온 빔(FIB： Focused Ion beam)으로 하여 조사하고 있다.
이온원으로서, 예를 들어 플라즈마형 이온원이나 액체 금속 이온원 등이 알려져 있지만, 이들 이온원보다 고휘도이며, 빔 직경이 작은 집속 이온 빔을 발생시킬 수 있는 것으로 가스장 이온원 또는 가스 전계 전리형 이온원(GFIS： Gas Field Ion Source)이 알려져 있다(이후부터는 가스 전계 전리형 이온원으로 칭함). 가스 전계 전리형 이온원은,　선단이　원자　레벨로 첨예화된　에미터 팁과,　에미터 팁의 주위에 헬륨(He) 등의 가스를 공급하는 가스원과,　에미터 팁을 냉각시키는 냉각부와,　에미터 팁의　선단으로부터 멀어진 위치에 배치된 인출 전극을 주로 구비하고 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 가스를 공급한 후,　에미터 팁과 인출 전극 사이에 인출 전압을 인가시킴과 함께　에미터 팁을 냉각(일반적으로 냉각을 하지만, 냉각하지 않는 경우도 있음)하면, 가스가　에미터 팁　선단부의 고전계에 의해 전계 전리하여 이온화되어 가스 이온이 된다. 그러면, 이 가스 이온은 정전위로 유지되어 있는　에미터 팁으로부터 반발하여 인출 전극측으로 인출된 후 적당히 가속되면서 집속됨으로써 집속 이온 빔이 된다.
특히, 가스 전계 전리형 이온원으로부터 발생되는 이온은, 상술한 바와 같이 고휘도이며 광원의 직경이 작고, 에너지의 퍼짐정도도 좁기 때문에, 빔 직경을 작게 집속하여 시료에 조사할 수 있다. 따라서, 관찰 시에 있어서의 고분해능화나 미세한 에칭 가공 등이 가능해진다.
이와 관련하여, 이차 이온 질량분석(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry) 기법은, 수백 eV ~ 십수 keV의 에너지를 가진 이온빔을 고체 시료 표면에 충돌시켜 시료 표면으로부터 스퍼터링(sputtering) 되어 방출된 이차이온의 질량을 선택하여 검출하는 분석법으로, 주로 극미량 성분의 깊이분포를 분석할 수 있어 널리 사용되고 있다. 시료에 조사하는 이온빔은 시료의 높은 스퍼터율(sputter rate)과 높은 이차이온 발생률이라는 장점 때문에 산소 이온빔을 주로 사용하고 있다.
그러나, 종래 에미터 팁의 재료로써 가장 널리 사용되는 텅스텐(W)은 산소 환경에서 부식이 쉽게 이루어진다. 즉, 텅스텐 팁으로 산소 이온빔을 만들거나, 산소에 의한 텅스텐 부식을 고려해야 하는 환경에서 순수한 텅스텐의 사용은 적합하지 않다. 따라서, 산소 이온빔의 소스로 사용 가능하면서도 제작이 간편하고 경제적인 에미터 팁의 개발이 필요한 실정이다.
한국 등록특허공보 제2076956호(2020.02.07.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 팁 표면에 형성된 산화막을 제거하는 클리닝 공정을 거치지 않고 산화막을 포함한 팁 표면에 금속을 코팅한 이후 전계증발현상을 이용해 선단부의 산화막과 금속층을 제거하며, 이후 열에너지와 인가전압을 통해 면화 현상을 유도하여 최종적으로 정점부에 원자 나노피라미드 구조를 형성함으로써, 쉽고 간단하면서도 안정적으로 팁 제작이 가능하고, 많은 팁 재생성 횟수를 확보할 수 있으며, 부식의 염려가 없어 헬륨, 제논, 네온 등의 이온빔을 포함하고 산소이온빔의 소스로도 사용 가능한 에미터 팁과 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 에미터 팁은, 첨예화된 선단을 가지는 에미터 팁으로서, 상기 선단은 선단부를 향해 축경하는 코어부 소재; 상기 코어부 소재의 표면 중 적어도 일부에 형성되는 산화막; 및 상기 산화막을 포함한 상기 코어부 소재의 표면 상에 전체적으로 형성되는 금속층;을 포함할 수 있다.
상기 산화막은 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 제외한 몸통부 영역 상에 형성될 수 있다.
상기 코어부 소재의 최선단부에는 단원자 또는 삼원자가 정점에 위치하는 원자 나노피라미드 구조가 구비될 수 있다.
상기 원자 나노피라미드 구조는 상기 금속층으로부터 연장형성될 수 있다.
상기 원자 나노피라미드 구조를 이루는 원자와, 상기 금속층을 이루는 금속의 원자는 서로 동일한 종류일 수 있다.
상기 금속층은 팁 재생성시 금속 저장소 기능을 수행할 수 있다.
상기 코어부 소재를 이루는 물질은 텅스텐(W)이고, 상기 금속층을 이루는 금속은 이리듐(Ir)일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 에미터 팁 제작 방법은, S10) 선단부를 향해 축경하도록 코어부 소재를 가공하는 단계; S20) 상기 가공된 코어부 소재의 표면 상에 금속을 코팅하여 금속층을 형성하는 단계; S30) 상기 금속층이 형성된 코어부 소재에 전압을 인가하여 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 클리닝하는 단계; 및 S40) 상기 금속층에 열을 가하여 상기 금속층을 이루는 금속 일부를 상기 코어부 소재의 선단부 영역으로 이동시켜, 상기 코어부 소재의 최선단부에 원자 나노피라미드 구조를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 S30) 단계에서는 전계증발 현상(Field evaporation)을 이용하여 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 클리닝하고, 상기 S40) 단계에서는 표면확산 현상(Surface diffusion)을 이용하여 상기 금속 일부를 이동시키고, 면화 현상(faceting)을 이용하여 상기 원자 나노피라미드 구조를 형성할 수 있다.
상기 S10) 단계에서 상기 코어부 소재를 가공할 시 상기 코어부 소재의 표면에 산화막이 형성될 수 있고, 상기 S20) 단계에서는 상기 코어부 소재에 형성된 산화막을 제거하지 않고, 상기 산화막을 포함하는 상기 코어부 소재의 표면 상에 상기 금속을 전체적으로 코팅할 수 있다.
상기 S30) 단계에서는, 상기 코어부 소재의 선단부 영역에 형성된 산화막과 금속층이 제거될 수 있다.
상기 S10) 단계는, 전기화학적 식각 공정을 이용하여 상기 코어부 소재를 가공할 수 있다.
상기 S20) 단계는, 스퍼터링 증착 기법을 이용하여 상기 금속을 코팅할 수 있다.
상기 S40) 단계에서는, 상기 금속층을 950K 이상 1050K 이하 범위에서 가열할 수 있다.
상기 S40) 단계에서는, 상기 금속층에 열을 가하는 것과 함께, 소정의 전압을 인가할 수 있다.
본 발명에 의하면, 쉽고 간단하면서도 안정적으로 팁 제작이 가능하고, 많은 팁 재생성 횟수를 확보할 수 있으며, 부식의 염려가 없어 산소이온빔의 소스로 사용 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 실험 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 에미터 팁을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 에미터 팁의 선단을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 에미터 팁 제작 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 도 4의 제작 방법을 그림으로 도시한 것이다.
도 6은 전기화학적 에칭 공정 후 코어부 소재의 SEM 이미지이다.
도 7은 팁 클리닝 직후 코어부 소재의 FIM(Field ion microscope) 이미지이다.
도 8은 나노피라미드 구조의 FIM 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 에미터 팁과 그 제작 방법에 대한 것으로, 본 발명의 에미터 팁은, 팁(Tip) 기반 고휘도의 안정적인 하전입자 빔 발생 장치(전자현미경, 이온현미경 등)의 소스로 이용 가능하고, 원자 단위의 초미세 팁을 이용한 고분해능 이미징을 필요로 하는 주사탐침현미경(STM: Scanning Tunneling microscope)에 사용되는 팁으로 이용 가능한 에미터 팁에 관한 것이다.
이하에서는, 본 발명의 에미터 팁에 대해 우선 살펴보고, 이후 에미터 팁 제작 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 실험 장치의 개략도로서, 이는 상술한 바와 같이 가스 전계 전리형 이온원(GFIS： Gas Field Ion Source) 장치에 해당할 수 있으며, 도 1은 이온원에 해당하는 에미터 팁(10)이 진공챔버 내에 위치되어 있는 것을 도시한다.
도 2는 도 1의 에미터 팁을 확대하여 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 에미터 팁(10)은 히팅 루프(heating loop)에 부착되어 Y자 형태로 이루어질 수 있으며, 보다 구체적으로는 전체적으로 와이어 형태를 가지되, 소정 지점으로부터 선단부로 진행할수록 축경하는 구조로 이루어질 수 있다.
도 3은 도 2의 에미터 팁의 선단을 확대하여 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 일 예에 따른 에미터 팁(10)은 그 선단(10_A)의 최선단부가 원자 레벨로 첨예화된 구조로 이루어져, 단원자 또는 삼원자가 정점에 위치하는 원자 나노피라미드 구조가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 에미터 팁의 선단은, 크게 코어부 소재(100)와, 산화막(200)과, 금속층(300)을 포함할 수 있다.
코어부 소재(100)는 에미터 팁(10)의 심부에 해당하는 구성으로서, 선단부를 향해 점차 축경하는 형태로 이루어져 최선단부의 곡률반경이 대략 수십 nm 정도의 스케일로 이루어질 수 있으며, 코어부 소재(100)는 일 예로서 텅스텐(W)으로 구성될 수 있다.
코어부 소재(100)는 도시된 바와 같이, 선단부 영역(100_B)과, 몸통부 영역(100_C)으로 구분될 수 있으며, 선단부 영역(100_B)은 최선단부(100_A)로부터 반대측으로 소정 거리만큼의 영역에 해당하고, 몸통부 영역(100_C)은 선단부 영역(100_B)을 제외한 나머지 영역에 해당할 수 있다. 이는 후술하는 클리닝 공정에 의해 산화막(200)과 금속층(300)이 제거되는 영역과 그렇지 않은 영역에 의해 구분되어질 수 있는데, 클리닝되는 부분이 선단부 영역(100_B)에 대응되고, 클리닝되지 않는 부분이 몸통부 영역(100_C)에 대응될 수 있다.
산화막(200)은 코어부 소재(100)의 표면 중 적어도 일부에 형성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이 코어부 소재(100)를 가공할 시 코어부 소재(100)의 표면에 산화막(200)이 전체적으로 자연 형성될 수 있다. 이때, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 에미터 팁(10)의 경우, 산화막(200)이 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)을 제외한 몸통부 영역(100_C)의 표면 상에 형성될 수 있다. 산화막(200)은 절연층으로서 이온빔 또는 전자빔을 생성할 시 터널링 현상을 방해하는 요소로 작용하나, 본 발명은 이와 같이 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)에 산화막이 존재하지 않기 때문에 에미터 팁(10)의 최선단부에서 안정적으로 하전입자 빔을 생성할 수 있다. 한편, 선단부 영역(100_B)이 아닌 몸통부 영역(100_C)의 표면에는 산화막이 존재할 수 있는데, 몸통부 영역(100_C)의 표면에 산화막이 존재하는 것은 하전입자 빔 생성에 방해가 되지 않으므로, 이를 모두 제거하는 것에 비해 제조상 편리한 이점이 있다.
금속층(300)은 산화막(200)을 포함한 코어부 소재(100)의 표면 상에 전체적으로 형성될 수 있다. 즉, 도 3을 참조하면, 코어부 소재의 몸통부 영역(100_C)에서는 금속층(300)이 산화막(200)의 표면 상에 형성되고, 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)에서는 코어부 소재(100)의 표면 상에 금속층(300)이 직접 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 산화막(200) 표면에 금속층(300)이 형성된 경우, 산화막(200)층은 금속층(300)의 기판 역할을 수행할 수 있다.
나아가, 본 발명의 팁(10)은, 코어부 소재(100)의 최선단부(100_A)에 단원자 또는 삼원자가 정점에 위치하는 원자 나노피라미드 구조(P)가 구비될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 에미터 팁(10)은 그 최선단부의 정점이 원자 수준으로 첨예화된 구조로 이루어질 수 있다. 도 3을 참조하면, 원자 나노피라미드 구조(P)는 정점이 단원자로 구성되어 있으며, 그 아래는 3원자, 10원자, ? 형태로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 원자 나노피라미드 구조(P)는 금속층(300)으로부터 연장형성된 구조로 이루어질 수 있으며, 이는 다시 말해 원자 나노피라미드 구조(P)는 금속층(300)을 이루는 금속과 동일한 금속으로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 후술하는 바와 같이 원자 나노피라미드 구조(P)는 몸통부 영역(100_C)에 형성된 금속층(300)에 열과 전압을 가하여 금속 원자들이 최선단부로 이동되어 형성되는 것으로서, 원자 나노피라미드 구조(P)를 이루는 원자와 금속층(300)을 이루는 금속의 원자는 서로 동일한 종류로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서 금속층(300)을 이루는 금속의 종류로는, 최선단부에 원자 나노피라미드 구조(P)를 형성 가능한 면심입방(FCC)구조를 가지는 귀금속류, 예를 들어 납(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등이 적용될 수 있다. 이때 본 발명은 금속층(300)의 금속으로서 이리듐(Ir)을 채택할 수 있는데, 이리듐(Ir)은 코어부 소재(100)인 텅스텐(W)과의 결합에너지가 높아 다른 귀금속들 대비 더 높은 전계에서도 텅스텐(W)과의 결합구조가 붕괴되지 않고 유지될 수 있고, 이에 따라 가장 높은 밝기를 구현할 수 있기 때문에, 금속층으로서 적용 가능한 다양한 귀금속들 중 이리듐(Ir)을 채택하는 것에 이점이 있다.
이하에서는 상술한 에미터 팁(10)을 제작하는 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 에미터 팁 제작 방법을 나타낸 플로우 차트이고, 도 5는 도 4의 제작 방법을 그림으로 도시한 것으로서, 본 발명은 크게 코어부 소재 가공 단계(S10), 금속 코팅 단계(S20), 클리닝 단계(S30), 및 원자 나노피라미드 구조 형성 단계(S40)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 선단부를 향해 점차 축경하도록 코어부 소재(100)를 가공하고(S10), 가공된 코어부 소재(100)의 표면 상에 금속을 코팅하여 금속층(200)을 형성하고(S20)(도 5(a) 참조), 금속층(200)이 형성된 코어부 소재(100)에 전압을 인가하여 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)을 클리닝하며(S30)(도 5(b) 참조), 금속층(300)에 열과 전압을 가하여 금속층(300)을 이루는 금속 일부를 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)으로 이동시켜, 코어부 소재의 최선단부(100_A)에 원자 나노피라미드 구조(P)를 형성(S40)(도 5(c) 참조)함으로써, 에미터 팁(10)을 제작할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 코어부 소재(100)는 텅스텐(W)으로 이루어지고, 금속층(300)의 금속은 이리듐(Ir)으로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 우선 코어부 소재 가공 단계(S10), 즉 선단부를 향해 점차 축경하도록 코어부 소재(100)를 가공하는 단계는, 일 예로서 전기화학적 식각 공정이 적용될 수 있다. 본 단계(S10)에서는 코어부 소재(100)인 금속선, 예를 들어 텅스텐 와이어의 선단부를 전해액에 침지시켜 선단부의 곡률반경을 약 20nm 이하로 식각할 수 있으며, 그에 따라 일 예로서 지름이 200 내지 300 μm이고 길이가 10 내지 12 mm 인 코어부 소재(100)를 제작할 수 있다.
도 6은 전기화학적 에칭 공정(S10) 후 코어부 소재의 SEM 이미지로서, 보다 구체적으로는 코어부 소재의 선단부를 나타내는 것으로, 최선단부의 곡률반경은 대략 20 nm로 형성됨을 확인할 수 있다.
본 단계(S10)에서는 전기화학적 식각과 동시에 또는 직후에 코어부 소재(100)의 표면에 산화막이 자연적으로 형성될 수 있다. 본 발명은 이와 같이 형성된 산화막을 제거하지 않고 다음 단계를 진행할 수 있다.
즉, 다음 단계인 금속 코팅 단계(S20)에서는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 코어부 소재(100)의 표면에 전체적으로 형성된 산화막(200)층을 제거하지 않고 산화막(200)을 포함하는 코어부 소재(100)의 표면 상에 금속(300)을 전체적으로 코팅할 수 있다.
종래에는 대부분 1차적으로 뾰족한 금속선 팁을 제작한 이후 금속선 팁에 형성된 산화막을 제거하는 것이 일반적인데, 산화막층을 완벽히 제거하기 위해서는 약 1200K이상의 충분히 높은 가열 온도가 주어져야 하고, 이러한 산화막 제거 열처리 과정에서 팁의 끝부분이 뭉툭해지는(blunting) 결과를 가져올 수 있으며, 이 경우 해당 팁을 폐기해야 하는 문제가 있다. 이에 비해 본 발명은 산화막(200)층을 기판으로 하여 산화막(200)의 표면 상에 그대로 금속을 코팅함으로써, 종래 열처리를 통해 산화막을 제거하는 공정을 생략함에 따라 위와 같은 문제를 해결할 수 있고, 동시에 제작상 편이성을 극대화할 수 있다.
본 발명은 본 단계(S20)에서 금속을 코팅함에 있어, 분자층 증착법(MLD, Molecular Layer Deposition), 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition), 단일 혹은 다수 소스의 열 진공 증착법(Thermal Evaporation), 스퍼터링 증착법(Sputtering), 화학기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 및 개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD, initiated Chemical Vapor Deposition) 등을 적용할 수 있다. 이때 본 발명은 이들 중 스퍼터링 증착법을 채택할 수 있다. 스퍼터링 증착법은 시료의 전체에 코팅을 시키는 방법으로, 플라즈마 상의 양이온을 타겟과 충돌시켜서 타겟으로부터 비산되는 물질을 시료에 증착하는 원리를 가지며, 이러한 스퍼터링 증착법에 의할 경우 팁의 모든 부분에 타겟 금속을 쉽게 증착 할 수 있으며, 사용법이 매우 쉽고 편리한 이점이 있다.
또한, 스퍼터링 증착법에 의할 경우, 증착 두께 또한 쉽게 조절 가능한 이점이 있다. 즉, 팁 전체에 타겟 금속을 일정 두께 이상 증착하게 되면 팁 전체에 형성된 금속층이 팁 재생성시 타겟 금속의 저장소 역할을 하도록 할 수 있으며, 이는 특정 위치에만 금속을 증착하는 다른 방법들과 비교하여 간단할 뿐 아니라, 타겟 금속의 저장소를 특정 위치에 별도로 만들 필요가 없어 공정적으로도 매우 간편하다.
이와 같이, 코어부 소재(100)의 표면에 형성된 산화막 표면(200) 상에 금속을 코팅하여 금속층(300)을 형성한 이후(도 5(a)), 도 5(b)에 도시된 바와 같이 코어부 소재(100)에 전압을 인가하여 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)을 클리닝할 수 있다(S30).
본 클리닝 단계(S30)는 전계증발(Field Evaporation) 현상을 이용한 것으로, 전계증발 현상은 팁 선단부의 표면 원자들이 큰 전기장 조건에서 증발되어 표면에서 떨어져 나가는 현상을 가르킨다. 코어부 소재(100), 즉 팁에 높은 전압을 인가하게 되면 전계 증강(Field enhancement)에 의해 팁의 선단부에는 가장 높은 전계가 인가되게 되고, 그에 따라 선단부 영역에 위치하는 산화막과 금속층은 증발되고 코어부 소재 예를 들어 텅스텐 원자 구조만 남게 될 수 있다. 이때 팁에 인가하는 전압은 약 10 kV 일 수 있다.
도 7은 팁 클리닝 직후 코어부 소재의 FIM 이미지로서, 도시된 바와 같이 코어부 소재인 텅스텐의 원자구조를 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 클리닝 단계에서 코어부 소재의 선단부 영역의 산화막과 금속층이 증발되어 제거되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 코어부 소재의 선단부 영역(100_B)을 클리닝한 이후(도 5(b)), 도 5(c)에 도시된 바와 같이 금속층(300)에 열과 전압을 가하여 원자 나노피라미드 구조(P)를 형성할 수 있다(S40).
본 단계(S40)는 금속 원자의 표면확산 현상(surface diffusion)과 면화 현상(faceting)을 이용한 것으로, 줄 히팅(Joule heating) 방식으로 금속층(300)에 열에너지와 전위차를 전달하게 되면, 산화막 표면(200) 상에 존재하는 금속층(300)의 금속 원자들, 예를 들어 이리듐 원자(Ir_A)들이 표면확산 현상으로 인해 팁의 최선단부(정점부)로 이동하게 되며, 이와 같이 이동한 이리듐 원자들은 표면 에너지 차이로 인해 정점부에서 면화 현상을 일으키게 되어 최종적으로 이리듐 나노피라미드 구조(P)가 형성될 수 있다.
본 단계(S40)에서는, 금속층을 약 1000K의 온도, 보다 구체적으로 950K 이상 1050K 이하의 온도로 가열해줄 수 있으며, 이와 같이 약 1000K의 온도에서 가열하게 되면 산화막은 증발되지 않고 산화막 표면에 존재하는 금속층의 원자들만 표면확산을 통해 팁의 정점부로 이동하게 될 수 있다.
이때, 본 단계(S40)에서는 상술한 바와 같이 금속층(300)에 열을 가하는 것과 함께, 금속층(300)에 소정의 전압을 인가할 수 있다. 전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 원자들 이동의 방향성을 제어할 수 있게 되며, 이에 따라 보다 안정적으로 나노피라미드 구조를 형성할 수 있다. 이때 금속층에 인가하는 전압은 약 4.0 kV 내지 6.0 kV의 범위일 수 있다.
도 8은 나노피라미드 구조의 FIM 이미지로서, 도 8(a)는 단일 원자 팁이 형성된 것을 나타내고, 도 8(b)는 전계증발을 통해 단일 원자를 증발시킨 결과 3개의 원자가 나타난 것을 나타내고, 도 8(c)는 전계증발을 통해 3개의 원자를 증발시킨 결과 7개의 원자가 나타난 것을 나타내며, 도 8(d)는 더 높은 전기장 내에서 나노피라미드의 구조를 나타낸다. 이 경우 10원자의 형상이 FIM 이미지에 나타나야 하지만, 모서리부분의 3개 원자가 증발되어 7 원자형상이 나타난 것이다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 면화현상을 통해 원자 나노피라미드 구조가 잘 형성됨을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 산화막을 제거하지 않고 팁 전체에 금속을 증착하고, 산화막을 제거하기 위해 가열 공정을 수행하지 않고 전계증발 현상을 이용하여 팁의 선단부를 클리닝하며, 열에너지를 통해 면화현상을 유도하여 최선단부(100_A) 정점을 첨예화함으로써, 기존 방법들 대비 공정이 쉽고 간단하면서도 안정적으로 팁 제작이 가능한 이점이 있다.
보다 구체적으로, 금속 예를 들어 Ir 증착을 팁의 특정 부위에만 수행하지 않고, 쉽게 사용가능한 스퍼터 장비로 팁 전체에 걸쳐 증착하게 되므로 공정의 난이도가 낮은 이점이 있다. 이 과정에서, 팁 전체에 걸쳐 Ir을 증착하게 되어 타겟 금속의 저장소로 이용 가능함에 따라 많은 재생성 횟수를 확보할 수 있고, Ir 증착 두께를 늘려 재생성 횟수를 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 코어부 소재 예를 들어 W 표면에서 Ir이 이동할 수 있을 정도의 열만 가함으로써, 기존과 같이 산화막층을 제거하기 위해 높은 열을 가하지 않아도 됨에 따라 팁이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 종래 산화막층을 제거하기 위해 두 공정 이상의 과정이 필요한 것에 반해, 본 발명은 전계증발 현상만을 이용하여 W 표면을 클리닝하기 때문에 제작 프로세스를 단순화할 수 있다.
또한, 팁의 표면이 Ir로 이루어짐에 따라 부식의 염려 없이 산소이온빔의 소스로 사용할 수 있고, 동시에 Ir과 W이 높은 에너지로 결합됨으로써 높은 전압을 인가할 수 있어 높은 밝기를 구현할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
10: 에미터 팁
10_A: 선단
100: 코어부 소재
100_A: 최선단부
100_B: 선단부 영역
100_C: 몸통부 영역
200: 산화막
300: 금속층
P: 원자 나노피라미드 구조
Ir_A: 이리듐 원자

Claims (15)

  1. 첨예화된 선단을 가지는 에미터 팁으로서,
    상기 선단은
    선단부를 향해 축경하는 코어부 소재;
    상기 코어부 소재의 표면 중 적어도 일부에 형성되는 산화막; 및
    상기 산화막을 포함한 상기 코어부 소재의 표면 상에 전체적으로 형성되는 금속층;을 포함하는, 에미터 팁.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 제외한 몸통부 영역 상에 형성되는, 에미터 팁.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코어부 소재의 최선단부에는 단원자 또는 삼원자가 정점에 위치하는 원자 나노피라미드 구조가 구비되는, 에미터 팁.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원자 나노피라미드 구조는 상기 금속층으로부터 연장형성되는, 에미터 팁.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 원자 나노피라미드 구조를 이루는 원자와, 상기 금속층을 이루는 금속의 원자는 서로 동일한 종류인, 에미터 팁.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 금속층은 팁 재생성시 금속 저장소 기능을 수행하는, 에미터 팁.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어부 소재를 이루는 물질은 텅스텐(W)이고,
    상기 금속층을 이루는 금속은 이리듐(Ir)인, 에미터 팁.
  8. 에미터 팁 제작 방법으로서,
    S10) 선단부를 향해 축경하도록 코어부 소재를 가공하는 단계;
    S20) 상기 가공된 코어부 소재의 표면 상에 금속을 코팅하여 금속층을 형성하는 단계;
    S30) 상기 금속층이 형성된 코어부 소재에 전압을 인가하여 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 클리닝하는 단계; 및
    S40) 상기 금속층에 열을 가하여 상기 금속층을 이루는 금속 일부를 상기 코어부 소재의 선단부 영역으로 이동시켜, 상기 코어부 소재의 최선단부에 원자 나노피라미드 구조를 형성하는 단계;
    를 포함하는, 에미터 팁 제작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 S30) 단계에서는 전계증발 현상(Field evaporation)을 이용하여 상기 코어부 소재의 선단부 영역을 클리닝하고,
    상기 S40) 단계에서는 표면확산 현상(Surface diffusion)을 이용하여 상기 금속 일부를 이동시키고, 면화 현상(faceting)을 이용하여 상기 원자 나노피라미드 구조를 형성하는, 에미터 팁 제작 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 S10) 단계에서 상기 코어부 소재를 가공할 시 상기 코어부 소재의 표면에 산화막이 형성될 수 있고,
    상기 S20) 단계에서는 상기 코어부 소재에 형성된 산화막을 제거하지 않고, 상기 산화막을 포함하는 상기 코어부 소재의 표면 상에 상기 금속을 전체적으로 코팅하는, 에미터 팁 제작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 S30) 단계에서는,
    상기 코어부 소재의 선단부 영역에 형성된 산화막과 금속층이 제거되는, 에미터 팁 제작 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 S10) 단계는, 전기화학적 식각 공정을 이용하여 상기 코어부 소재를 가공하는, 에미터 팁 제작 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 S20) 단계는, 스퍼터링 증착 기법을 이용하여 상기 금속을 코팅하는, 에미터 팁 제작 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 S40) 단계에서는, 상기 금속층을 950K 이상 1050K 이하 범위에서 가열하는, 에미터 팁 제작 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 S40) 단계에서는, 상기 금속층에 열을 가하는 것과 함께, 소정의 전압을 인가하는, 에미터 팁 제작 방법.
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