WO2016167389A1 - 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법 - Google Patents

나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법 Download PDF

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WO2016167389A1
WO2016167389A1 PCT/KR2015/003830 KR2015003830W WO2016167389A1 WO 2016167389 A1 WO2016167389 A1 WO 2016167389A1 KR 2015003830 W KR2015003830 W KR 2015003830W WO 2016167389 A1 WO2016167389 A1 WO 2016167389A1
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WO
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dimensional structure
control signal
substrate
nanoscale
ion beam
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Application number
PCT/KR2015/003830
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English (en)
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Inventor
안성훈
윤해성
장기환
김은섭
이현택
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서울대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation

Definitions

  • the present invention relates to a nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus and method, and more particularly, nanoscale three-dimensional structure suitable for the production of a three-dimensional structure that requires a variety of micro and nano-scale ultra-precision (Ultra-precision) A manufacturing apparatus and method.
  • the semiconductor process is the most well known technique for producing three-dimensional nanostructures at home and abroad.
  • Many researches have been conducted for the manufacture of various shapes in the semiconductor manufacturing process, but due to the silicon wafer, there are many limitations due to the shape, material, and processing conditions, and most of the processes are performed in a layer-based manner.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art by fusing a variety of ultra-precision processing process to overcome the limitations of the shape, material and processing conditions, and at the same time to produce a nanoscale three-dimensional structure that can use a variety of materials It is an object of the present invention to provide an apparatus and method.
  • Nanoscale three-dimensional structure fabrication apparatus for achieving the above object, Nanoscale three-dimensional structure fabrication apparatus using a nano-focused printing method, comprising: a first working portion for coating a sacrificial layer on a substrate in accordance with a first control signal; A second working unit scanning a focused ion beam according to a second control signal and forming a three-dimensional structure frame by the scanned focused ion beam; A third work unit stacking nanoparticles on the three-dimensional structure frame by using a focused printing method according to a third control signal; A fourth working part for removing the sacrificial layer remaining on the substrate on which the nanoparticles are stacked according to a fourth control signal; A transfer unit for transferring the substrate to any one of the first work unit, the second work unit, the third work unit, and the fourth work unit according to a transfer signal; And a controller configured to store a process plan and to generate the first control signal, the second control signal, the third control signal, the fourth control signal, and the transfer signal according to the process plan.
  • the second working portion the ion beam application chamber in which the substrate is accommodated;
  • An ion source provided in the ion beam application chamber to generate the focused ion beam according to an ion beam generation signal among the second control signals;
  • an aperture and a lens controlling the focused ion beam according to an ion beam control signal among the second control signals to form the three-dimensional structure frame.
  • the control unit may control the second work unit to switch modes between an etching mode for etching the sacrificial layer and a scanning mode for changing a chemical component of the etched interface according to the second control signal.
  • the ion beam application chamber may include a first gate that can be opened and closed, and may open and close the first gate as the substrate is transferred by the transfer unit.
  • the third working part may further include a nano-focused printing chamber in which the substrate is accommodated; A nozzle for injecting nanoparticles onto the three-dimensional structure frame in accordance with the injection signal of the third control signal; And a supply unit supplying nanoparticles to the nozzle according to a supply signal among the third control signals.
  • the supply unit the tank in which the nanoparticles are accommodated; And a valve formed in a path between the tank and the nozzle to apply a shock wave, the inlet of the nozzle being at the end of the low pressure side, and the pressure difference as the bottom of the tank is at the end of the high pressure side.
  • the valve may be opened to accelerate the nanoparticles.
  • the nano-focused printing chamber may include a second gate that can be opened and closed, and may open and close the second gate as the substrate is transferred by the transfer unit.
  • the transfer portion transfers the substrate to provide the fifth working portion in accordance with the transfer signal
  • the controller may further generate the fifth control signal according to the process plan.
  • the fifth working part may perform a flattening operation according to a micro-machining method.
  • the third working part may measure a horizontal position where the nanoparticles are stacked and a vertical thickness of the stacked substrate with respect to the substrate on which the nanoparticles are stacked, and measure the measured position and the thickness of the substrate.
  • the apparatus may further include a sensor configured to output a sensor to the sensor, and the process plan may include a command to generate the fifth control signal according to the position and the thickness.
  • the fourth working part may remove the sacrificial layer using an etchant.
  • the etchant may be plasma.
  • the nanoscale three-dimensional structure manufacturing method for achieving the object the first step of storing a process plan for the production of nanoscale three-dimensional structure using the nano-focused printing method; Coating a sacrificial layer on the substrate; A third step of etching the sacrificial layer by scanning a focused ion beam; A fourth step of generating a three-dimensional structure frame by scanning a focused ion beam to change chemical components of an etched interface of the sacrificial layer; A fifth step of focusing printing nanoparticles on the three-dimensional structure frame; A sixth step of removing the sacrificial layer remaining on the substrate on which the nanoparticles are printed; And a seventh step of determining whether the three-dimensional structure formed on the substrate matches the three-dimensional structure according to the process plan, terminating the process if matching, and proceeding to the second step if not matching.
  • the method may further include an eighth step of performing planarization of the substrate on which the nanoparticles are focused and printed according to the fifth step.
  • planarization operation may be performed according to a micro-machining method.
  • the sixth step may include removing the sacrificial layer using an etchant.
  • the etchant may be plasma.
  • Embodiments of the disclosed technology can have the effect of including the following advantages.
  • the embodiments of the disclosed technology are not meant to include all of them, and thus the scope of the disclosed technology should not be understood as being limited thereto.
  • nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus and method by forming a variety of micro- and nano-scale ultra-precision of the three-dimensional structure for the manufacture of a three-dimensional structure by fusing a variety of ultra-precision processing
  • a variety of micro- and nano-scale ultra-precision of the three-dimensional structure for the manufacture of a three-dimensional structure by fusing a variety of ultra-precision processing
  • FIG. 1 is a view showing a nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view illustrating a second working part in detail of the nanoscale three-dimensional structure fabrication apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating in detail the third working part of the nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a flow chart showing a nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nanoscale three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention.
  • 6 to 10 are views for explaining a nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a photograph of the structure produced by the nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • first working part 200 second working part
  • ion beam application chamber 211 first gate
  • ion source 231 aperture
  • lens 232a first lens
  • nano-focused printing chamber 311 second gate
  • valve 332 tank
  • sacrificial layer 1300 focused ion beam
  • first and second are intended to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms.
  • first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
  • FIG. 1 is a view showing a nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, the nanoscale three-dimensional structure manufacturing apparatus as shown in Figure 1, the first working part 100, the second operation The part 200, the third work part 300, the fourth work part 400, the transfer part 500, the control part 600, and the fifth work part 700 may be included.
  • the first work part 100 receives the first control signal from the controller 600 and coats the sacrificial layer on the substrate according to the received first control signal. That is, the first working part 100 coats a sacrificial layer made of a polymer on a substrate, and a plasma chamber may be used when coating the sacrificial layer, and the first working part 100 may be floating due to the addition of a process for implementing the sacrificial layer. Practical three-dimensional structures, including existing ones, can be printed.
  • the second work unit 200 receives a second control signal from the controller 600, scans the focused ion beam onto the substrate, the sacrificial layer, the nanoparticle structure, and the like according to the received second control signal, and scans the The focused ion beam forms a three-dimensional structure frame.
  • the second working part 200 scans the focused ion beam to etch the sacrificial layer, and then scans the focused ion beam on the interface of the etched sacrificial layer to change the chemical composition of the interface to make the frame of the three-dimensional structure. Will complete.
  • the third work unit 300 receives the third control signal from the controller 600 and stacks the nanoparticles using a focused printing method on the three-dimensional structure frame according to the received third control signal. That is, the third working part 300 is a three-dimensional structure by filling the inside of the frame with nano particles by spraying nanoparticles in a three-dimensional structure frame formed by the second working part 200 by etching and sacrificially changing the sacrificial layer. It forms the basis of the body.
  • the fourth work unit 400 receives the fourth control signal from the controller 600 and removes the sacrificial layer remaining on the substrate on which the nanoparticles are stacked according to the received fourth control signal. That is, the fourth working part 400 leaves only the frame formed by the second working part 200 and the three-dimensional structure body formed by the third working part 300 on the substrate by removing the sacrificial layer.
  • an etchant in particular, a plasma may be chemically used, thereby filling the sacrificial layer unlike the removal of the sacrificial layer by light or heat irradiation.
  • the sacrificial layer can be removed regardless of the components of the nanoparticles, that is, the dosage characteristics.
  • the transfer unit 500 receives a transfer signal from the control unit 600, and transfers the substrate to the first work unit 100, the second work unit 200, and the third work unit 300 according to the received transfer signal. And the fourth working part 400 to be provided to provide the same.
  • the transfer part 500 provides a substrate through one doorway formed in the first work part 100, the second work part 200, the third work part 300, and the fourth work part 400. It may be in the form.
  • the first working part 100, the second working part 200, the third working part 300, and the fourth working part 400 have inlets and outlets on both sides thereof, respectively.
  • the transfer unit 500 is configured to pass the first work unit 100, the second work unit 200, and the first work unit through a linear motion passing through the above passage.
  • the substrate may be provided to the third working part 300 and the fourth working part 400.
  • the controller 600 stores a process plan, and according to the stored process plan, the first control signal for coating the sacrificial layer, the second control signal for scanning the ion beam, and the third control for focusing printing the nanoparticles.
  • Generating a signal, a fourth control signal for removing the sacrificial layer, and a transfer signal for transferring the substrate outputting the generated first control signal to the first working part 100, and outputting the generated second control signal.
  • Output to the transfer unit 500 Input to the transfer unit 500.
  • the fifth working part 700 may receive a fifth control signal from the controller 600 and planarize the substrate on which the nanoparticles are stacked according to the fifth control signal received.
  • the transfer unit 500 transfers the substrate in accordance with the transfer signal to provide the fifth working unit 700
  • the controller 600 controls the height of the structure formed on the substrate according to the process plan. It may further generate a fifth control signal for.
  • the planarization work of the fifth working part 700 may be performed according to a micro-machining method, and the planarization work may be performed on the structure effectively filled regardless of the type of the nanoparticles filled therein. Can be done.
  • the height of the structure is difficult to be controlled to be formed below the height of the sacrificial layer, but may be controlled to be freely formed according to the process plan above the height of the sacrificial layer.
  • the application chamber 210 may include a first gate 211, an ion source 220, an aperture 231, and a lens 232.
  • the ion beam application chamber 210 holds a substrate coated with a sacrificial layer and maintains a vacuum inside the ion beam so that the ion beam can be scanned onto the substrate.
  • the ion beam application chamber 210 may include a first gate 211 that is a vacuum door that can be opened and closed as an entrance and exit for carrying out a substrate coated with a sacrificial layer, and the substrate is transferred by the transfer part 500. Accordingly, the first gate 211 may be opened and closed.
  • the ion source 220 is provided in the ion beam application chamber 210 to generate the focused ion beam according to the ion beam generation signal among the second control signals.
  • the ion source 220 generates ions to etch the sacrificial layer or to change the chemical component of the etched interface of the sacrificial layer.
  • the ion source 220 generates an electric field between the electrodes in contact with the sharp metal tip. Walk out the charged particles.
  • the charged particles collide with the structure by accelerating the voltage by the accelerating power source. Ions can be produced by flowing liquid metal gallium through sharp metal tips and spinning them with the force of an electric field.
  • the diameter of the ion beam may be controlled through the acceleration voltage, the voltage applied to the lens 232, and the aperture 231, and the acceleration voltage and the diameter of the ion beam are proportional to each other.
  • the aperture 231 receives an ion beam control signal from a second control signal for forming a three-dimensional structure frame from the controller 600 and controls the focused ion beam according to the input ion beam control signal.
  • the primary beam is focused on the ion beam generated in the), and may be focused on the lens 232 by controlling the angle of the ion beam generated and spread in the ion source 220.
  • the lens 232 receives the ion beam control signal from the second control signal for forming the three-dimensional structure frame from the control unit 600, and controls the focused ion beam according to the input ion beam control signal, the aperture 231
  • the first lens 231a which focuses the ion beam 250 focused primarily by the aperture 231 and the secondary focusing by the first lens 231a.
  • a second lens 231b for focusing the ion beam 250 again.
  • the first lens 231a may use a focusing lens
  • the second lens 231b may use an objective lens to focus the ion beam focused on the surface of the structure.
  • a deflector (not shown) may be provided to scan the focused ion beam through the objective lens onto the structure surface.
  • the second working part 200 effectively focuses the ion beam generated from the ion source 220 using the aperture 231 and the lens 232 to precisely form the frame of the structure on the coated sacrificial layer. You can do it.
  • control unit 600 controls the second work unit 200 by generating a second control signal according to the process plan, through which the second work unit 200, the etching mode and etching for etching the sacrificial layer. Mode switching can be made between the scanning modes which change the chemical composition of the prepared interface. That is, the controller 600 allows the second working part 200 not only to etch the sacrificial layer but also to change the chemical component of the etched interface through the second control signal, so that when the nanoparticles are subsequently stacked, the interface. It is possible to provide a precise frame by.
  • the focusing printing chamber 310 may include a nozzle 320, a supply unit 330, and a sensor 340.
  • the nano-focused printing chamber 310 accommodates a substrate on which a three-dimensional structure frame is formed by an interface etched on the sacrificial layer, and maintains the interior in a vacuum so that the nanoparticles can be focused on the substrate.
  • the pressure of the nano-focused printing chamber 310 mainly uses a vacuum, but the range may be from 1 Torr which is low vacuum to 760 Torr which is normal pressure.
  • the temperature of the nano-focused printing chamber 310 is preferably 150 degrees Celsius or less, but is not limited thereto.
  • the nano-focused printing chamber 310 may include a second gate 311, which is a vacuum door that can be opened and closed as an entrance and exit for carrying out a frame-formed substrate. As the substrate is transferred by the transfer unit 500, The second gate 311 may be opened or closed.
  • the transfer part 500 when the substrate transfer passage (not shown) is formed between the outlet of the first work portion 100 and the inlet of the second work portion 200 as described above, the substrate is When transferred from the ion beam application chamber 210 to the nano-focused printing chamber 310 or vice versa, the substrate stays in the substrate transfer passage for a while because the atmospheres of the two chambers are different. That is, when the substrate of the ion beam applying chamber 210 is transferred to the nano-focused printing chamber 310, the ion beam applying chamber after the gate of the ion beam applying chamber 210 corresponding to the exit of the first working part 100 is opened. The substrate of 210 is primarily transported to the substrate transport passage.
  • the atmosphere of the substrate transfer passage is set to be the same as the nano-focused printing chamber 310
  • the gate of the nano-focused printing chamber 310 is opened to nano-focused printing Transfer to chamber 310.
  • the substrate can be transferred in the same manner to the reverse case.
  • only one gate may be provided between the ion beam application chamber 210 and the nano-focused printing chamber 310, and at this time, the ion beam application chamber 210 and the nano-focused printing chamber 310 are connected to one gate. It can be disconnected to make the atmospheres different from each other.
  • one gate may be opened to transfer the substrate, and after the substrate transfer, the two chambers may be blocked between the two chambers by the gate.
  • the atmosphere can be different from each other.
  • the nozzle 320 receives the injection signal from the third control signal from the control unit 600 and injects the nanoparticles for filling the three-dimensional structure frame according to the received injection signal.
  • the nozzle 320, the injection port and the nozzle neck, the nozzle neck may be formed so that the inner diameter gradually decreases from the nozzle neck to the injection hole or gradually decreases from the nozzle neck to the injection hole to enlarge, through which the nozzle 320
  • the powder sprayed through may have a predetermined speed, for example, a speed of 300 to 1200 m / sec.
  • the nozzle 320 is provided perpendicular to the substrate, but is not limited thereto.
  • the nozzle 320 may be provided to be inclined with respect to the surface of the substrate so that the powder sprayed from the nozzle 320 may be inclined with respect to the substrate surface.
  • the substrate may be inclined such that the nozzle 320 is perpendicular to the substrate surface and the substrate is inclined with respect to the nozzle 320.
  • the filling efficiency of the nanoparticles may be improved by adjusting the angle formed by the spray direction of the nozzle 320 and the surface of the substrate.
  • the supply unit 330 receives a supply signal of the third control signal from the control unit 600, and supplies the nanoparticles to the nozzle 320 in accordance with the input supply signal. That is, the supply unit 330 is connected to the pipe to supply powder to the nozzle through the pipe, the supply unit 330 according to an embodiment of the present invention is a valve 331 and the tank ( 332).
  • the powder supplied by the supply unit 330 may include a metal, a ceramic, a polymer or a composite material, the particle size of the powder is preferably 0.01 to 10 ⁇ m.
  • a filter unit not shown
  • the powder transported may be suspended in the gas to filter the powder of a predetermined size or more.
  • the valve 331 mounted in the supply unit 330 is formed in the path between the tank 332 and the nozzle 320 to apply a shock wave, and the tank 332 mounted in the supply unit 330 may be nano. It serves to accept the particles.
  • the lower side of the tank 332 becomes a relatively high pressure portion compared to the upper side, and the inlet side of the nozzle 320 becomes the end of the low pressure side in accordance with the maintenance of the vacuum or low vacuum state of the nano-focused printing chamber 310.
  • the bottom surface of the tank 332 becomes the end of the high pressure side.
  • a pressure regulator (not shown) connected to the tank 332 when the pressure difference between the inlet side of the low pressure nozzle 320 and the bottom surface of the high pressure tank 332 is collapsed by the opening of the valve 331.
  • the energy of the decay is transmitted to the nanoparticles, thereby accelerating the nanoparticles and allowing aerosolization.
  • the senor 340 measures the horizontal position where the nanoparticles are stacked and the vertical thickness of the laminated substrate with respect to the substrate on which the nanoparticles are stacked, and outputs the measured position and thickness to the controller 600.
  • the controller 600 generates a fifth control signal according to the position and thickness input from the sensor 340 according to the process plan stored in the controller 600, and the fifth control signal is a fifth work unit ( 700 is input to serve to control the thickness of the planarization operation.
  • Figure 4 is a flow chart showing a nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a flow chart showing a nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to another embodiment of the present invention
  • Figures 6 to Figure 10 is a view for explaining a nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a photograph of the structure produced by the nanoscale three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention 1 to 11, the nanoscale three-dimensional structure manufacturing method of the present invention will be described as follows.
  • a process plan for manufacturing a nanoscale three-dimensional structure using a nano-focused printing method is stored in the control unit 600 (S100).
  • the process plan may be stored in a computer program format, and the controller 600 may generate nanoscale three-dimensional structures of various types by generating first to fifth control signals and transfer signals according to the stored program. You can control the device.
  • the first work part 100 receives the first control signal from the controller 600, and according to the input first control signal, the sacrificial layer 1200 on the substrate 1100 as shown in FIG. 6.
  • the sacrificial layer 1200 may be a polymer material.
  • the second work unit 200 receives a second control signal from the controller 600 and scans the focused ion beam 1300 as shown in FIG. 7 according to the input second control signal to provide a sacrificial layer ( 1200 is etched (S300). That is, as shown in FIG. 7, the cross-sectional shape of the three-dimensional structure according to the process plan of the control unit 600 is in the form of a 'T', and the second working unit 200 is provided from the control unit 600.
  • the sacrificial layer 1200 is etched by the second control signal to form a 'T' shaped space.
  • the second working part 200 receives a second control signal from the controller 600 and scans the focused ion beam according to the input second control signal to adjust the chemical component of the etched interface of the sacrificial layer 1200.
  • a three-dimensional structure frame 1210 having a shape as illustrated in FIG. 8 is generated.
  • the second working part 200 may not remove the three-dimensional structure frame 1210 having a shape as shown in FIG. 8 even when the sacrificial layer removal etchant is subsequently applied by changing the chemical composition of the interface. To remain.
  • the third work unit 300 receives the third control signal from the control unit 600, and focuses and prints the nanoparticles 1400 on the three-dimensional structure frame according to the input third control signal (S500). .
  • the sacrificial layer 1200 coated on the substrate 1100 is illustrated in FIG. 9. The 'T' shaped space is maintained, and the third working part 300 fills the space formed as described above while spraying the nanoparticles 1400 by the focused printing method.
  • the fifth working part 700 receives the fifth control signal from the control part 600 and flattens the substrate 1100 on which the nanoparticles 1400 are focused and printed according to the input fifth control signal. It may be performed (S510).
  • the above-described flattening operation may be performed according to a micro-machining method as shown in FIG. 10, and localized flattening using a tool of such a small scale, that is, more precise three-dimensional by mechanical machining. The structure can be manufactured.
  • the fourth work unit 400 receives the fourth control signal from the controller 600 and removes the sacrificial layer 1200 remaining on the substrate on which the nanoparticles are printed according to the input fourth control signal. (S600).
  • an etchant in particular, plasma may be used.
  • control unit 600 is mounted in the fourth working unit 400, by a sensor (not shown) for detecting the thickness and position of the three-dimensional structure, the three-dimensional structure formed on the substrate according to the process plan In operation S700, it is determined whether or not to match the three-dimensional structure, the process is terminated when the match is matched, and if not, the sacrificial layer 1200 is coated on the substrate 1100 (S700).
  • the nanoscale three-dimensional structure having a 'T' shape may be manufactured by the above-described method.
  • the structure may be overhanged by coating and removing the sacrificial layer 1200. Can be made.

Abstract

본 발명은, 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 나노스케일 3차원 구조 제작 장치는, 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치에 있어서, 제1 제어 신호에 따라 기판 상에 희생층을 코팅하는 제1 작업부; 제2 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 주사하고, 주사된 상기 집속 이온빔에 의하여 3차원 구조 프레임을 형성하는 제2 작업부; 제3 제어 신호에 따라 상기 3차원 구조 프레임 상에 집속 인쇄 방식을 이용하여 나노 입자를 적층하는 제3 작업부; 제4 제어 신호에 따라 상기 나노 입자가 적층된 기판 상에 남아있는 상기 희생층을 제거하는 제4 작업부; 이송 신호에 따라 상기 기판을 상기 제1 작업부, 상기 제2 작업부, 상기 제3 작업부 및 상기 제4 작업부 중 어느 하나에 제공하기 위하여 이송하는 이송부; 및 공정 계획이 저장되고, 상기 공정 계획에 따라 상기 제1 제어 신호, 상기 제2 제어 신호, 상기 제3 제어 신호, 상기 제4 제어 신호 및 상기 이송 신호를 생성하는 제어부를 포함한다.

Description

나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법
본 발명은 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 다양한 마이크로(Micro) 및 나노스케일의 초정밀도(Ultra-precision)가 요구되는 3차원 구조물의 제작에 적합한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에 초정밀 가공기술은 점차 마이크로 정밀도를 갖는 공정에서부터 나노가공에까지 발전되어 왔으며, 이를 위하여 다양한 공정을 융합 및 발전시킴으로써 3차원의 나노 구조를 제작하고자 하는 연구가 진행되어 왔다.
이와 같은 연구 중 국내외적으로 3차원의 나노구조를 제작하기 위한 기술 중 가장 많이 알려진 것은 반도체 공정이다. 반도체 제조공정으로 다양한 형상의 제작을 위하여 많은 연구가 진행되어오고 있으나, 실리콘 웨이퍼에 기반하기 때문에 형상, 재료 및 공정 조건에 의한 제한이 많으며 대부분의 공정이 레이어 기반(Layer-based) 방식으로 진행되어 좁은 공간 내에 3차원 자유 형상(Solid Freeform)을 형성하는 데에 적합하지 못한 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 다양한 초정밀 가공 공정을 융합함으로써 형상, 재료 및 공정 조건 등에 의한 한계를 극복함과 동시에, 다양한 종류의 재료를 이용할 수 있는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치는, 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치에 있어서, 제1 제어 신호에 따라 기판 상에 희생층을 코팅하는 제1 작업부; 제2 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 주사하고, 주사된 상기 집속 이온빔에 의하여 3차원 구조 프레임을 형성하는 제2 작업부; 제3 제어 신호에 따라 상기 3차원 구조 프레임 상에 집속 인쇄 방식을 이용하여 나노 입자를 적층하는 제3 작업부; 제4 제어 신호에 따라 상기 나노 입자가 적층된 기판 상에 남아있는 상기 희생층을 제거하는 제4 작업부; 이송 신호에 따라 상기 기판을 상기 제1 작업부, 상기 제2 작업부, 상기 제3 작업부 및 상기 제4 작업부 중 어느 하나에 제공하기 위하여 이송하는 이송부; 및 공정 계획이 저장되고, 상기 공정 계획에 따라 상기 제1 제어 신호, 상기 제2 제어 신호, 상기 제3 제어 신호, 상기 제4 제어 신호 및 상기 이송 신호를 생성하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 제2 작업부는, 상기 기판이 수용되는 이온빔 적용 챔버; 상기 이온빔 적용 챔버 내에 구비되어 상기 제2 제어 신호 중 이온빔 발생 신호에 따라 상기 집속 이온빔을 발생시키는 이온 소스; 및 상기 3차원 구조 프레임을 형성하기 위해 상기 제2 제어 신호 중 이온빔 제어 신호에 따라 상기 집속 이온빔을 제어하는 조리개와 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 작업부가 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 희생층을 식각하는 식각 모드 및 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시키는 주사 모드 간에 모드 전환을 할 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 이온빔 적용 챔버는, 개폐가능한 제1 게이트를 구비하고, 상기 이송부에 의하여 상기 기판이 이송됨에 따라 상기 제1 게이트를 개폐할 수 있다.
또한, 상기 제3 작업부는, 상기 기판이 수용되는 나노집속 인쇄 챔버; 상기 3차원 구조 프레임 상에 상기 제3 제어 신호 중 분사 신호에 따라 나노 입자를 분사하는 노즐; 및 상기 제3 제어 신호 중 공급 신호에 따라 상기 노즐에 나노 입자를 공급하는 공급부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 공급부는, 상기 나노 입자가 수용되는 탱크; 및 상기 탱크와 상기 노즐 사이의 경로에 형성되어 충격파를 가하는 밸브를 포함하고, 상기 노즐의 입구는 저압 측의 말단이 되고, 상기 탱크의 바닥은 고압 측의 말단이 됨에 따른 압력차가 발생하며, 상기 공급 신호에 따라 상기 밸브가 개방되어 상기 나노 입자가 가속화될 수 있다.
또한, 상기 나노집속 인쇄 챔버는, 개폐가능한 제2 게이트를 구비하고, 상기 이송부에 의하여 상기 기판이 이송됨에 따라 상기 제2 게이트를 개폐할 수 있다.
한편, 제5 제어 신호에 따라 상기 나노 입자가 적층된 기판에 대하여 평탄화하는 제5 작업부를 더 포함하고, 이송부는, 상기 이송 신호에 따라 상기 기판을 상기 제5 작업부에 제공하기 위하여 이송하고, 제어부는, 상기 공정 계획에 따라 상기 제5 제어 신호를 더 생성할 수 있다.
또한, 상기 제5 작업부는, 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 평탄화 작업을 수행할 수 있다.
한편, 상기 제3 작업부는, 상기 나노 입자가 적층된 상기 기판에 대하여 상기 나노 입자가 적층된 수평 상의 위치와 적층된 상기 기판의 수직상의 두께를 측정하고, 측정된 상기 위치 및 상기 두께를 상기 제어부에 출력하는 센서를 더 포함하고, 상기 공정 계획은, 상기 위치 및 상기 두께에 따라 상기 제5 제어 신호를 생성하는 명령을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4 작업부는, 에천트를 사용하여 상기 희생층을 제거할 수 있다.
이 때, 상기 에천트는 플라즈마일 수 있다.
또한, 목적을 달성하기 위한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법은, 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조의 제작에 관한 공정 계획이 저장되는 제1 단계; 기판 상에 희생층을 코팅하는 제2 단계; 집속 이온빔을 주사하여 상기 희생층을 식각하는 제3 단계; 집속 이온빔을 주사하여 상기 희생층의 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시켜 3차원 구조 프레임을 생성하는 제4 단계; 상기 3차원 구조 프레임 상에 나노 입자를 집속 인쇄하는 제5 단계; 상기 나노 입자가 인쇄된 기판 상에 남아있는 상기 희생층을 제거하는 제6 단계; 및 상기 기판 상에 형성된 3차원 구조가 상기 공정 계획에 따른 3차원 구조에 정합하는지 판단하고, 정합하는 경우 공정을 종료하며, 정합하지 않는 경우 상기 제2 단계로 진행하는 제7 단계를 포함한다.
이 때, 상기 제5 단계에 따라 상기 나노 입자가 집속 인쇄된 기판에 대하여 평탄화 작업을 수행하는 제8 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 평탄화 작업은 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 수행될 수 있다.
한편, 상기 제6 단계는, 에천트를 사용하여 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 에천트는 플라즈마일 수 있다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법에 의하면, 다양한 마이크로(Micro) 및 나노스케일의 초정밀도(Ultra-precision)가 요구되는 3차원 구조물의 제작을 위하여 다양한 초정밀 가공 공정을 융합함으로써 형상, 재료 및 공정 조건 등에 의한 한계를 극복함과 동시에, 다양한 종류의 재료를 이용할 수 있는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 및 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 중 제2 작업부를 상세히 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 중 제3 작업부를 상세히 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법에 의해 제작된 구조물의 사진이다.
[부호의 설명]
100: 제1 작업부 200: 제2 작업부
210: 이온빔 적용 챔버 211: 제1 게이트
220: 이온 소스 231: 조리개
232: 렌즈 232a: 제1 렌즈
232b: 제2 렌즈 300: 제3 작업부
310: 나노집속 인쇄 챔버 311: 제2 게이트
320: 노즐 330: 공급부
331: 밸브 332: 탱크
340: 센서 400: 제4 작업부
500: 이송부 600: 제어부
700: 제5 작업부 1100: 기판
1200: 희생층 1300: 집속 이온빔
1400: 나노 입자
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치를 나타낸 도면으로, 도 1에 도시된 바와 같은 나노스케일 3차원 구조 제작 장치는, 제1 작업부(100), 제2 작업부(200), 제3 작업부(300), 제4 작업부(400), 이송부(500), 제어부(600) 및 제5 작업부(700)를 포함할 수 있다.
제1 작업부(100)는, 제어부(600)로부터 제1 제어 신호를 입력받고, 입력받은 제1 제어 신호에 따라 기판 상에 희생층을 코팅한다. 즉, 제1 작업부(100)는, 기판 상에 폴리머(Polymer) 재질의 희생층을 코팅하는데, 이러한 희생층의 코팅 시 플라즈마 챔버가 사용될 수 있으며, 희생층을 구현하는 공정의 추가로 인하여 떠있는 구조를 포함한 실제적인 3차원 구조물이 인쇄가 가능하게 된다.
또한, 제2 작업부(200)는, 제어부(600)로부터 제2 제어 신호를 입력받고, 입력받은 제2 제어 신호에 따라 기판, 희생층, 나노 입자 구조물 등에 대하여 집속 이온빔을 주사하고, 주사된 상기 집속 이온빔에 의하여 3차원 구조 프레임을 형성한다. 여기서, 제2 작업부(200)는, 집속 이온빔을 주사하여 희생층을 식각하고, 식각된 희생층의 경계면에 다시 집속 이온빔을 주사하여 경계면의 화학적 성분을 변화시킴으로써 제작하고자 하는 3차원 구조물의 프레임을 완성하게 된다.
한편, 제3 작업부(300)는, 제어부(600)로부터 제3 제어 신호를 입력받고, 입력받은 제3 제어 신호에 따라 3차원 구조 프레임 상에 집속 인쇄 방식을 이용하여 나노 입자를 적층한다. 즉, 제3 작업부(300)는, 제2 작업부(200)가 희생층을 식각 및 성분 변화시켜 형성한 3차원 구조 프레임 내에 나노 입자를 분사하여 프레임 내부를 나노 입자로 충진함으로써 3차원 구조물 본체의 기초를 형성하게 된다.
또한, 제4 작업부(400)는, 제어부(600)로부터 제4 제어 신호를 입력받고, 입력받은 제4 제어 신호에 따라 나노 입자가 적층된 기판 상에 남아있는 희생층을 제거한다. 즉, 제4 작업부(400)는, 희생층을 제거함으로써 기판 상에 제2 작업부(200)에 의하여 형성된 프레임과 제3 작업부(300)에 의하여 형성된 3차원 구조물 본체만을 남기게 된다. 이 때, 제4 작업부(400)가 희생층을 제거함에 있어서, 화학적으로 에천트(etchant), 특히, 플라즈마를 사용할 수 있으며, 이를 통하여 광 또는 열 조사에 의한 희생층 제거와는 달리 충진된 나노 입자의 성분, 즉, 조사량 특성에 구애받지 않고 희생층을 제거할 수 있다.
한편, 이송부(500)는, 제어부(600)로부터 이송 신호를 입력받고, 입력받은 이송 신호에 따라 기판을 제1 작업부(100), 제2 작업부(200), 제3 작업부(300) 및 제4 작업부(400) 중 어느 하나에 제공하기 위하여 이송한다. 여기서, 이송부(500)는, 제1 작업부(100), 제2 작업부(200), 제3 작업부(300) 및 제4 작업부(400)에 형성된 하나의 출입구를 통하여 기판을 제공하는 형태일 수 있다. 한편, 제1 작업부(100), 제2 작업부(200), 제3 작업부(300) 및 제4 작업부(400)가 각각 양 측에 입구 및 출구를 가지는 방식으로, 제1 작업부(100)의 출구와 제2 작업부(200)의 입구 사이, 제2 작업부(200)의 출구와 제3 작업부(300)의 입구 사이, 제3 작업부(300)의 출구와 제4 작업부(400)의 입구 사이에 각각 통로를 형성한 경우에는, 이송부(500)는, 위의 통로를 관통하는 선형 운동을 통하여 제1 작업부(100), 제2 작업부(200), 제3 작업부(300) 및 제4 작업부(400)에 기판을 제공할 수도 있다.
또한, 제어부(600)는, 공정 계획이 저장되고, 저장된 공정 계획에 따라 희생층을 코팅하기 위한 제1 제어 신호, 이온빔을 주사하기 위한 제2 제어 신호, 나노 입자를 집속 인쇄하기 위한 제3 제어 신호, 희생층을 제거하기 위한 제4 제어 신호 및 기판을 이송하기 위한 이송 신호를 생성하며, 생성된 제1 제어 신호를 제1 작업부(100)에 출력하고, 생성된 제2 제어 신호를 제2 작업부(200)에 출력하며, 생성된 제3 제어 신호를 제3 작업부(300)에 출력하고, 생성된 제4 제어 신호를 제4 작업부(400)에 출력하며, 생성된 이송 신호를 이송부(500)로 출력한다.
한편, 제5 작업부(700)는, 제어부(600)로부터 제5 제어 신호를 입력받고, 입력받은 제5 제어 신호에 따라 나노 입자가 적층된 기판에 대하여 평탄화할 수 있다. 이와 관련하여, 이송부(500)는, 이송 신호에 따라 기판을 제5 작업부(700)에 제공하기 위하여 이송하고, 제어부(600)는, 공정 계획에 따라 기판 상에 형성된 구조물의 높이를 제어하기 위한 제5 제어 신호를 더 생성할 수 있다. 이 때, 제5 작업부(700)의 평탄화 작업은 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 수행될 수 있으며, 이를 통하여 충진된 나노 입자의 종류에 구애받지 않고 효과적으로 충진된 구조물에 대하여 평탄화 작업을 수행할 수 있다. 여기서, 구조물의 높이는, 희생층의 높이 미만으로 형성되도록 제어되기는 어려우나, 희생층의 높이 이상으로는 공정 계획에 따라 자유롭게 형성되도록 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 중 제2 작업부(200)를 상세히 설명한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 작업부(200)는, 이온빔 적용 챔버(210), 제1 게이트(211), 이온 소스(220) 및 조리개(231)와 렌즈(232)를 포함할 수 있다.
이온빔 적용 챔버(210)는, 희생층이 코팅된 기판이 수용되고, 기판 상에 이온빔이 주사될 수 있도록 내부를 진공으로 유지하게 된다. 이 때, 이온빔 적용 챔버(210)는, 희생층이 코팅된 기판의 반출입을 위한 출입구로서 개폐 가능한 진공 도어인 제1 게이트(211)를 구비할 수 있는데, 이송부(500)에 의하여 기판이 이송됨에 따라 제1 게이트(211)를 개폐할 수 있다.
또한, 이온 소스(220)는, 이온빔 적용 챔버(210) 내에 구비되어 제2 제어 신호 중 이온빔 발생 신호에 따라 집속 이온빔을 발생시킨다. 즉, 이온 소스(220)는, 이온을 발생시켜, 희생층을 식각하거나, 희생층의 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시키기 위한 것으로서, 끝 부분이 예리한 금속첨단 부분과 접촉되는 전극 사이에 전계를 걸어 하전입자를 끌어낸다. 이 하전입자는 가속전원에 의한 전압을 가속시켜 구조물과 충돌한다. 이온은 예리한 금속첨단 부분에 액체금속갈륨을 흐르게 하고 전계의 힘으로 이를 방사시켜 생성할 수 있다. 이 때, 가속전압과 렌즈(232)에 인가된 전압 및 조리개(231)를 통하여 이온빔의 지름을 제어할 수 있으며, 가속전압과 이온빔의 지름은 비례한다.
한편, 조리개(231)는, 제어부(600)로부터 3차원 구조 프레임을 형성하기 위한 제2 제어 신호 중 이온빔 제어 신호를 입력받고, 입력받은 이온빔 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 제어하는데, 이온 소스(220)에서 발생된 이온빔을 1차 집속하기 위한 것으로서, 이온 소스(220)에서 발생되어 퍼지는 이온빔의 각도를 제어하여 렌즈(232)로 집속 시킬 수 있다.
또한, 렌즈(232)는, 제어부(600)로부터 3차원 구조 프레임을 형성하기 위한 제2 제어 신호 중 이온빔 제어 신호를 입력받고, 입력받은 이온빔 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 제어하는데, 조리개(231)에서 1차 집속된 이온빔을 재차 집속하기 위한 것으로서, 조리개(231)에서 1차 집속된 이온 빔(250)을 2차 집속시키는 제1 렌즈(231a)와, 제1 렌즈(231a)에서 2차 집속된 이온 빔(250)을 재차 집속시키는 제2 렌즈(231b)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 렌즈(231a)는 집속렌즈를 사용하며, 제2 렌즈(231b)는 제1 렌즈(231a)에서 집속된 이온빔을 구조물의 표면에 초점을 맞추기 위해 대물렌즈를 사용할 수 있다. 한편, 대물렌즈를 통과하여 초점이 맞춰진 이온빔을 구조물 표면에 주사하기 위해 편향기(도시되지 않음)를 구비할 수도 있다. 이와 같은 구조에 의해 제2 작업부(200)는 조리개(231)와 렌즈(232)를 이용하여 이온 소스(220)에서 발생된 이온빔을 효과적으로 집속시켜 코팅된 희생층에 구조물의 프레임을 정밀하게 형성할 수 있게 된다.
여기서, 제어부(600)는, 공정 계획에 따라 제2 제어 신호를 생성함으로써 제2 작업부(200)를 제어하고, 이를 통하여 제2 작업부(200)는, 희생층을 식각하는 식각 모드 및 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시키는 주사 모드 간에 모드 전환을 할 수 있다. 즉, 제어부(600)는, 제2 제어 신호를 통하여 제2 작업부(200)가 희생층을 식각할 뿐만 아니라 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시키도록 함으로써, 이후에 나노 입자가 적층될 경우 경계면에 의한 정밀한 프레임을 제공할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치 중 제3 작업부(300)를 상세히 설명한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 작업부(300)는, 나노집속 인쇄 챔버(310), 노즐(320), 공급부(330) 및 센서(340)를 포함할 수 있다.
나노집속 인쇄 챔버(310)는, 희생층 상에 식각된 경계면에 의한 3차원 구조 프레임이 형성된 기판이 수용되고, 기판 상에 나노 입자가 집속 인쇄될 수 있도록 내부를 진공으로 유지하게 된다. 한편, 나노집속 인쇄 챔버(310)의 압력은 진공을 주로 사용하지만 그 범위는 저진공인 1Torr 내지 상압인 760Torr까지일 수 있다. 또한, 나노집속 인쇄 챔버(310)의 온도는 섭씨 150도 이하인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 이 때, 나노집속 인쇄 챔버(310)는, 프레임이 형성된 기판의 반출입을 위한 출입구로서 개폐 가능한 진공 도어인 제2 게이트(311)를 구비할 수 있는데, 이송부(500)에 의하여 기판이 이송됨에 따라 제2 게이트(311)를 개폐할 수 있다.
이 때, 이송부(500)는, 상술한 바와 같이 제1 작업부(100)의 출구와 제2 작업부(200)의 입구 사이에 기판 이송 통로(도시되지 않음)가 형성된 경우에 있어서, 기판은 이온빔 적용 챔버(210)에서 나노집속 인쇄 챔버(310)로 이송되거나 그 반대의 경우일 때, 두 챔버의 분위기가 상이하므로 기판은 기판 이송 통로에 잠시 머물게 된다. 즉, 이온빔 적용 챔버(210)의 기판이 나노집속 인쇄 챔버(310)로 이송될 경우, 제1 작업부(100)의 출구에 해당하는 이온빔 적용 챔버(210)의 게이트가 개방된 후 이온빔 적용 챔버(210)의 기판이 기판 이송 통로로 1차 이송된다. 또한, 이온빔 적용 챔버(210)의 게이트를 차단한 후 기판 이송 통로의 분위기를 나노집속 인쇄 챔버(310)와 동일하게 설정하고, 나노집속 인쇄 챔버(310)의 게이트를 개방하여 기판을 나노집속 인쇄 챔버(310)로 이송한다. 이 때, 그 반대의 경우도 동일하게 기판을 이송할 수 있다. 한편, 이온빔 적용 챔버(210)와 나노집속 인쇄 챔버(310) 사이에 하나의 게이트만이 구비될 수 있으며, 이 때, 하나의 게이트로 이온빔 적용 챔버(210)와 나노집속 인쇄 챔버(310)를 단절시켜 분위기를 서로 상이하게 할 수 있다. 즉, 이온빔 적용 챔버(210)와 나노집속 인쇄 챔버(310) 사이에 기판을 이송할 때 하나의 게이트를 개방하여 기판을 이송할 수 있으며, 기판 이송 후 게이트로 두 챔버 사이를 차단한 후 두 챔버의 분위기를 서로 상이하게 할 수 있다.
또한, 노즐(320)은, 제어부(600)로부터 제3 제어 신호 중 분사 신호를 입력받고, 입력받은 분사 신호에 따라 3차원 구조 프레임을 충진하기 위한 나노 입자를 분사한다. 여기서, 노즐(320)은, 분사구와 노즐목을 포함하는데, 노즐목은 내부 구경이 노즐목에서 분사구까지 점차 감소하거나 노즐목에서 분사구까지 점차 감소하다가 확대되도록 형성할 수 있으며, 이를 통하여 노즐(320)을 통해 분사되는 분말이 소정 속도, 예를 들어, 300 내지 1200m/sec의 속도를 갖게 할 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 바에 의하면, 노즐(320)이 기판과 수직으로 구비되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 노즐(320)이 기판의 면에 대해 경사지게 구비되어, 노즐(320)에서 분사되는 분말이 기판 면에 대하여 경사지게 적층되게 할 수 있다. 이 때, 노즐(320)을 기판 면에 대해 수직으로 구비하고, 기판을 노즐(320)에 대해 경사지도록 기판을 기울일 수도 있다. 상술한 바와 같이 노즐(320)의 분사 방향과 기판의 면이 이루는 각도를 조정함으로써 나노 입자의 충진 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 공급부(330)는, 제어부(600)로부터 제3 제어 신호 중 공급 신호를 입력받고, 입력받은 공급 신호에 따라 노즐(320)에 나노 입자를 공급한다. 즉, 공급부(330)는 배관에 연결되어 배관을 통해 노즐에 분말을 공급하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공급부(330)는 도 3에 도시된 바와 같이 밸브(331)와 탱크(332)를 포함한다. 이때, 공급부(330)에 의하여 공급되는 분말은 금속, 세라믹, 폴리머 또는 복합재료를 포함할 수 있으며, 분말의 입자 크기는 0.01 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 또한, 노즐(320)과 공급부(330) 사이의 배관에 필터부(미도시)를 추가하여 운반되는 분말을 가스 중에 부유시켜 소정 크기 이상의 분말을 필터링 할 수도 있다.
여기서, 공급부(330) 내에 장착된 밸브(331)는, 탱크(332)와 노즐(320) 사이의 경로에 형성되어 충격파를 가하는 역할을 하고, 공급부(330) 내에 장착된 탱크(332)는 나노 입자를 수용하는 역할을 한다. 이 때, 탱크(332)의 하부 측은 상부 측에 비하여 상대적으로 고압부가 되고, 나노집속 인쇄 챔버(310)의 진공 또는 저진공 상태의 유지에 따라 노즐(320)의 입구 측은 저압 측의 말단이 되고, 탱크(332)의 바닥면은 고압 측의 말단이 된다. 여기서, 저압인 노즐(320)의 입구 측과 고압인 탱크(332)의 바닥면의 압력 차가 밸브(331)의 개방에 의하여 붕괴되는 경우에, 탱크(332)에 연결된 압력 조정기(도시되지 않음)에 의하여 붕괴에 의한 에너지가 나노 입자에 전달되고, 이에 따라 나노 입자가 가속화되며 에어로졸화가 가능해진다.
또한, 센서(340)는, 나노 입자가 적층된 기판에 대하여 나노 입자가 적층된 수평 상의 위치와 적층된 기판의 수직상의 두께를 측정하고, 측정된 위치 및 두께를 제어부(600)에 출력한다. 이에 대응하여, 제어부(600)는, 제어부(600) 내에 저장된 공정 계획에 의하여 센서(340)에서 입력된 위치 및 두께에 따라 제5 제어 신호를 생성하고, 제5 제어 신호는 제5 작업부(700)에 입력되어 평탄화 작업의 두께를 제어하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 나타낸 흐름도이며, 도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노스케일 3차원 구조 제작 방법에 의해 제작된 구조물의 사진으로, 도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 나노스케일 3차원 구조 제작 방법에 대하여 설명하면 하기와 같다.
먼저, 제어부(600)에 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조의 제작에 관한 공정 계획이 저장된다(S100). 여기서, 공정 계획은 컴퓨터 프로그램 형식으로 저장될 수 있고, 제어부(600)는 저장된 프로그램에 따라 제1 제어 신호 내지 제5 제어 신호 및 이송 신호를 생성함으로써 다양한 형태의 나노스케일 3차원 구조를 제작할 수 있도록 장치를 제어할 수 있다.
또한, 제1 작업부(100)는, 제어부(600)로부터 제1 제어 신호를 입력받고, 입력된 제1 제어 신호에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 기판(1100) 상에 희생층(1200)을 코팅한다(S200). 여기서, 희생층(1200)은 폴리머 재질일 수 있다.
한편, 제2 작업부(200)는, 제어부(600)로부터 제2 제어 신호를 입력받고, 입력된 제2 제어 신호에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 집속 이온빔(1300)을 주사하여 희생층(1200)을 식각한다(S300). 즉, 도 7에 도시된 바에 의하면, 제어부(600)의 공정 계획에 따른 3차원 구조의 형태는 그 단면이 ‘T’자 형태이며, 제2 작업부(200)는, 제어부(600)로부터의 제2 제어 신호에 의하여 희생층(1200)을 식각하여 ‘T’자 형태의 공간을 형성한다.
또한, 제2 작업부(200)는, 제어부(600)로부터 제2 제어 신호를 입력받고, 입력된 제2 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 주사하여 희생층(1200)의 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시켜 도 8에 도시된 바와 같은 형태의 3차원 구조 프레임(1210)을 생성한다(S400). 여기서, 제2 작업부(200)는, 경계면의 화학적 성분을 변화시킴으로써 이후에 희생층 제거용 에천트가 적용되는 경우에도 도 8에 도시된 바와 같은 형태의 3차원 구조 프레임(1210)은 제거되지 않고 남아있도록 한다.
한편, 제3 작업부(300)는, 제어부(600)로부터 제3 제어 신호를 입력받고, 입력된 제3 제어 신호에 따라 3차원 구조 프레임 상에 나노 입자(1400)를 집속 인쇄한다(S500). 여기서, 제2 작업부(200)에 의하여 3차원 구조 프레임(1210)이 생성된 후에도 희생층이 제거되기 전에는 도 9에 도시된 바와 같이 기판(1100) 상에 코팅된 희생층(1200)에 있어서‘T’자 형상의 공간이 형성된 형태를 유지하고 있으며, 제3 작업부(300)가 나노 입자(1400)를 집속 인쇄 방식으로 분사하면서 위와 같이 형성된 공간을 충진하게 된다.
이 때, 제5 작업부(700)는, 제어부(600)로부터 제5 제어 신호를 입력받고, 입력된 제5 제어 신호에 따라 나노 입자(1400)가 집속 인쇄된 기판(1100)에 대하여 평탄화 작업을 수행할 수 있다(S510). 여기서, 상술한 평탄화 작업은, 도 10에 도시된 바와 같이 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 수행될 수 있으며, 이러한 초소형 스케일의 공구를 이용한 국부 평탄화, 즉, 기계식 가공에 의하여 더욱 정밀한 3차원 구조를 제작할 수 있다.
또한, 제4 작업부(400)는, 제어부(600)로부터 제4 제어 신호를 입력받고, 입력된 제4 제어 신호에 따라 나노 입자가 인쇄된 기판 상에 남아있는 희생층(1200)을 제거한다(S600). 이 때, 제4 작업부(400)가 희생층(1200)을 제거함에 있어서, 화학적으로 에천트(etchant), 특히, 플라즈마를 사용할 수 있다.
한편, 제어부(600)는, 제4 작업부(400) 내에 장착되고 3차원 구조의 두께 및 위치를 검출하는 센서(도시되지 않음)에 의하여, 기판 상에 형성된 3차원 구조가 상기 공정 계획에 따른 3차원 구조에 정합하는지 판단하고, 정합하는 경우 공정을 종료하며, 정합하지 않는 경우 기판(1100) 상에 희생층(1200)을 코팅하는 단계(S200)로 진행한다(S700).
상술한 방법에 의하여 도 11에 도시된 바와 같이 ‘T’자 형태의 나노스케일 3차원 구조가 제작될 수 있으며, 특히, 희생층(1200)의 코팅 및 제거에 의하여 공중에 떠 있는(Overhang) 구조의 제작이 가능하게 된다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조 제작 장치에 있어서,
    제1 제어 신호에 따라 기판 상에 희생층을 코팅하는 제1 작업부;
    제2 제어 신호에 따라 집속 이온빔을 주사하고, 주사된 상기 집속 이온빔에 의하여 3차원 구조 프레임을 형성하는 제2 작업부;
    제3 제어 신호에 따라 상기 3차원 구조 프레임 상에 집속 인쇄 방식을 이용하여 나노 입자를 적층하는 제3 작업부;
    제4 제어 신호에 따라 상기 나노 입자가 적층된 기판 상에 남아있는 상기 희생층을 제거하는 제4 작업부;
    이송 신호에 따라 상기 기판을 상기 제1 작업부, 상기 제2 작업부, 상기 제3 작업부 및 상기 제4 작업부 중 어느 하나에 제공하기 위하여 이송하는 이송부; 및
    공정 계획이 저장되고, 상기 공정 계획에 따라 상기 제1 제어 신호, 상기 제2 제어 신호, 상기 제3 제어 신호, 상기 제4 제어 신호 및 상기 이송 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 작업부는,
    상기 기판이 수용되는 이온빔 적용 챔버;
    상기 이온빔 적용 챔버 내에 구비되어 상기 제2 제어 신호 중 이온빔 발생 신호에 따라 상기 집속 이온빔을 발생시키는 이온 소스; 및
    상기 3차원 구조 프레임을 형성하기 위해 상기 제2 제어 신호 중 이온빔 제어 신호에 따라 상기 집속 이온빔을 제어하는 조리개와 렌즈를 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2 작업부가 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 희생층을 식각하는 식각 모드 및 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시키는 주사 모드 간에 모드 전환을 할 수 있도록 제어하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 이온빔 적용 챔버는, 개폐가능한 제1 게이트를 구비하고, 상기 이송부에 의하여 상기 기판이 이송됨에 따라 상기 제1 게이트를 개폐하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 작업부는,
    상기 기판이 수용되는 나노집속 인쇄 챔버;
    상기 3차원 구조 프레임 상에 상기 제3 제어 신호 중 분사 신호에 따라 나노 입자를 분사하는 노즐; 및
    상기 제3 제어 신호 중 공급 신호에 따라 상기 노즐에 나노 입자를 공급하는 공급부를 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 나노 입자가 수용되는 탱크; 및
    상기 탱크와 상기 노즐 사이의 경로에 형성되어 충격파를 가하는 밸브를 포함하고,
    상기 노즐의 입구는 저압 측의 말단이 되고, 상기 탱크의 바닥은 고압 측의 말단이 됨에 따른 압력차가 발생하며, 상기 공급 신호에 따라 상기 밸브가 개방되어 상기 나노 입자가 가속화되는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 나노집속 인쇄 챔버는, 개폐가능한 제2 게이트를 구비하고, 상기 이송부에 의하여 상기 기판이 이송됨에 따라 상기 제2 게이트를 개폐하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제5 제어 신호에 따라 상기 나노 입자가 적층된 기판에 대하여 평탄화하는 제5 작업부를 더 포함하고,
    이송부는, 상기 이송 신호에 따라 상기 기판을 상기 제5 작업부에 제공하기 위하여 이송하고, 제어부는, 상기 공정 계획에 따라 상기 제5 제어 신호를 더 생성하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제5 작업부는, 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 평탄화 작업을 수행하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제3 작업부는,
    상기 나노 입자가 적층된 상기 기판에 대하여 상기 나노 입자가 적층된 수평 상의 위치와 적층된 상기 기판의 수직상의 두께를 측정하고, 측정된 상기 위치 및 상기 두께를 상기 제어부에 출력하는 센서를 더 포함하고,
    상기 공정 계획은, 상기 위치 및 상기 두께에 따라 상기 제5 제어 신호를 생성하는 명령을 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 작업부는, 에천트를 사용하여 상기 희생층을 제거하는 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 에천트는 플라즈마인 나노스케일 3차원 구조 제작 장치.
  13. 나노집속 프린팅 방식을 이용한 나노스케일 3차원 구조의 제작에 관한 공정 계획이 저장되는 제1 단계;
    기판 상에 희생층을 코팅하는 제2 단계;
    집속 이온빔을 주사하여 상기 희생층을 식각하는 제3 단계;
    집속 이온빔을 주사하여 상기 희생층의 식각된 경계면의 화학적 성분을 변화시켜 3차원 구조 프레임을 생성하는 제4 단계;
    상기 3차원 구조 프레임 상에 나노 입자를 집속 인쇄하는 제5 단계;
    상기 나노 입자가 인쇄된 기판 상에 남아있는 상기 희생층을 제거하는 제6 단계; 및
    상기 기판 상에 형성된 3차원 구조가 상기 공정 계획에 따른 3차원 구조에 정합하는지 판단하고, 정합하는 경우 공정을 종료하며, 정합하지 않는 경우 상기 제2 단계로 진행하는 제7 단계를 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제5 단계에 따라 상기 나노 입자가 집속 인쇄된 기판에 대하여 평탄화 작업을 수행하는 제8 단계를 더 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 평탄화 작업은 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 수행되는 나노스케일 3차원 구조 제작 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제6 단계는, 에천트를 사용하여 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 나노스케일 3차원 구조 제작 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 에천트는 플라즈마인 나노스케일 3차원 구조 제작 방법.
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