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문제 정의
- 확인되어야 한다. 본 연구에서는 먼저 기준이 되는 실리콘과 벌크 다이아몬드에 대해서 30 "에서 10 nA ~ 50 pA 까지 빔파워를 변화시키면서 Ga 이온과 H2O 이온을 써서 각각 길이 20 ㎛의 선폭을 제작한 경우 이때의 선폭, 깊이, 형상, 에치속도와 깊이/선폭비를 확인하여 나노급 선폭을 제작하기 위한 최적 조건을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 FIB를 활용하여 고강도 벌크 다이아몬드의 1차원, 2차원, 3차원적인 나노급 미세가공의 가능성과 이를 산업적으로 활용할 수 있는 가능성을 확인하여 보았다.
- 벌크다이아몬드의 2차원적인 나노급 패턴 가공의 가능성을 확인하는 실험을 진행하였다. 먼저 보석용 0.
제안 방법
- 완성된 패턴어"대해서 FIB에 장착된 e-beam 모드로 그림 3과 같이 선폭을 측정하여 확인하고 틸팅하여두께, 프로화일을 측정하였다. 그림 3은 0.
- 통상의 FIB작동 범위인 30 W에서 다이아몬드 기판에 성공적인 나노급 선형패턴과 트렌치가공이 가능하며 FIB가 다이아몬드 가공에 적합함을 확인하였다. FIB를 이용하여 벌크다이아몬드 기판에 선폭 240 nm의 텍스트 300자와 50-100 nm 최소선폭을 가진 로고의 기록과 재생을 30분 작업시간으로 성공적으로 수행하였다. 기존의 실리콘 기판에 비해서 절연 특성에 의한 국부적 차징효과를 상쇄하는 charge neutralization .
- Type lb의 직경 1.2 mm의 yellow 합성 다이아몬드를 준비하여 표면을 30 7 nA 조건으로 50 四 X 50 ㎛ X 300 颁 의 공간을 가공하여 선폭이 생성되는 면에 평탄화를 실시하였다.
- 투과전자현미경의 박막시편을 벌크 다이아몬드로부터 FIB를 이용하여 만드는 그림 5에 나타낸 공정을 실시하였다. 그림 5에 나타낸 바와 같이 Ga이온을 이용하여 박막형 요소를 가공하기 위해서 다이아몬드 기판에 평탄화를 실시하고, 완성된 평탄면에 30 kV-7 nA 조건으로 후공정의 위치확인을 위해서 X표시를 한 후 후속 FIB 가공 시에 박막요소의 표면 보호를 위해서 100 nm두께의 Pt박막을 FIB에 부착된 증착장비로 성막하였다 (a). 이후 1 网두께의 간격을 두고 양쪽에 깊이 8 四을 목표로 하여 15X 25 ㎛2 의 트렌치를 두 개 가공하였다.
- 이런 이미지로 부터의 측정값을 이용하여 분당에치속도와 두께/선폭 비를 결정하였다. 동일한 방법으로 실리콘 기판에 대해서도 다이아몬드와 같은 이온빔의 공정조건과 이온 소오스를 Ga와 SCE로 하여 실시하여 비교하였다.
- 두 번째로는 확인된 나노급 선폭 가공 조건을 이용하여 실제 보석용 다이아몬드에 개인정보를 정밀하게 기록하는 것을 시도하여 보았다. 고품질의 보석용 다이아몬드는 제품 유통 시 품질확인을 위해서 거들 부에 약 다섯 자리 정도의 고유 숫자를 기록하는 것이 일반적이며 그 크기는 대략 100 ㎛정도이다.
- 마찬가지 방법으로 실리콘 기판에 대해서 상기 방법으로 시편을 준비하여 다이아몬드 시편과 비교할 수 있도록 하였다.
- 벌크 다이아몬드 기판에 대해서 기존의 실리콘기판과 비교하여 dual beam 필드이온빔 가공기를 써서 나노급 선폭을 가진 선형패턴의 형성을 확인하였다. 절연특성이 우수하고 강도가 큰 다이아몬드 기판을 실리콘에 비해서 동일한 공정 하에서 선폭은 크고, 깊이는 더 작게, 에치속도는 비슷한 정도를 보이는 특징이 있었다.
- 벌크다이아몬드의 3차원적인 가공을 확인하는 실험을 진행하였다. 투과전자현미경의 박막시편을 벌크 다이아몬드로부터 FIB를 이용하여 만드는 그림 5에 나타낸 공정을 실시하였다.
- 본 실험에 쓰인 장비는 dual beam FIB로써 SEM 이 장착되어 이온빔과 함께 전자빔을 동시에 사용하여 가공 및 측정이 가능하도록 설계되었다. 또한 G* a를 비롯한 여러 이온소스를 가속시켜 전자소자의 측정과 성분분석[7], 에칭과 증착[8] 기능을 하는 첨단장비로써 10 nm까지의 분해능을 가진 나노급 분석장비이다.
- 시편이 장입된 후 거들의 수직면을 FIB를 이용하여 평탄 부를 만들었다. 평탄부를 가로세로 깊이를 50 ㎛ X 50 四 X 300 nm로 하여 G* a이온을 사용하여 dwell time 1 <zs, 30 W-7 nA 조건으로 진행하였다.
- 앞서의 벌크 다이아몬드의 나노급 이차원적 가공의 가능성을 확인한 후, 더 나아가 벌크다이아몬드의 3차원적 가공의 가능성을 확인하였다. 이러한 시도는 벌크 다이아몬드를 효율적으로 마이크로, 나노급 소재의 기판이나 요소 모듈로 사용하기 위해 필수적인 가공공정으로서 예로 투과전자현미경의 시편을 만드는데도 효과적으로 활용할 수 있다.
- 완성된 선들의 하단부에 Ga 소오스로 트렌치를 만들어서 후에틸트하여 선의 프로파일을 확인할 수 있도록 하였다.
- 완성된 시편을 JEOL-2100F TEM에 장입하고 여기에 장착된 Gatan ENFINA detection electron energy loss spectroscopy(EELS)를 이용하여 다이아몬드의 core-energy-loss spectrum을 200~800 eV 범위까지 확인하였다.
- 완성된 평탄화면에 30 W 조건으로 dwell time = 1 ns, total time = Imin 로 고정하여 20 ㎛길이의 선을 10, 30, 50, 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000 pA의 9가지 조건으로 바꾸며 평행하게 그림 2 (a) 와같이 제작하였다. 이때 절연재료인 다이아몬드 표면에 축적되는 양이온의 국부적 차징효과를 저감하기 위해서 약간의 전자빔을 동시에 주입하는 차지중성화 모드로 진행하였다.
- 제작하였다. 이때 절연재료인 다이아몬드 표면에 축적되는 양이온의 국부적 차징효과를 저감하기 위해서 약간의 전자빔을 동시에 주입하는 차지중성화 모드로 진행하였다.
- 이러한 배경에서 전 세계적으로 가장 많이 보급된 책 중 하나인 「성경」에서 특히 많은 사람들이 알고 있는 영문 주기도문 (Lord's prayer)을 보석용 다이아몬드의 거들에 나노급 각인을 통상의 FIB 조건에서 텍스트의 선폭을 달리하며 실시하면서 가장 적절한 패터닝이 되는 조건을 확인하였다. 주기도문은 영문으로 총 298자로 이루어진 것으로, 가로길이의 1/100이 한 글자의 획을 이루는 선폭이 되도록 하여 많은 양의 텍스트 정보가 실제로 명확히 보석용 다이아몬드에 FIB 로 가공될 수 있는지 확인하였다.
- 5 nA인 경우 (a) Ga 소오스와 (b) SCE 소오스로 가공한 경우의 수직 프로화일을 보이고 있으며 다른 조건에서도 이와 같은 확대 이미지로부터 선폭의 물리적 특성을 판단하였다. 이런 이미지로 부터의 측정값을 이용하여 분당에치속도와 두께/선폭 비를 결정하였다. 동일한 방법으로 실리콘 기판에 대해서도 다이아몬드와 같은 이온빔의 공정조건과 이온 소오스를 Ga와 SCE로 하여 실시하여 비교하였다.
- 그림 5에 나타낸 바와 같이 Ga이온을 이용하여 박막형 요소를 가공하기 위해서 다이아몬드 기판에 평탄화를 실시하고, 완성된 평탄면에 30 kV-7 nA 조건으로 후공정의 위치확인을 위해서 X표시를 한 후 후속 FIB 가공 시에 박막요소의 표면 보호를 위해서 100 nm두께의 Pt박막을 FIB에 부착된 증착장비로 성막하였다 (a). 이후 1 网두께의 간격을 두고 양쪽에 깊이 8 四을 목표로 하여 15X 25 ㎛2 의 트렌치를 두 개 가공하였다. 이때의 이온빔의 조건은 30 W-30 pA를 활용하였다.
- 두께는 8 四을 목표로 가공하였으나 최종적으로는 약 6 四의 깊이가 형성되었다 (b). 이후 다시 FIB를 30 W-1.0 nA 조건으로 남아있는 다이아몬드 벽을 잘라내고 이를 옮길 수 있는 전극을 접근시켰다 (c). 전극 끝과 박막요소를 Pt를 부분적으로 증착하여 용접하고 들어 올려 후속 가공이 가능한 위치로 이동 시켜 박막요소의 중심부가 100 nm가 되도록 FIB로 가공하였다.
- 0 nA 조건으로 남아있는 다이아몬드 벽을 잘라내고 이를 옮길 수 있는 전극을 접근시켰다 (c). 전극 끝과 박막요소를 Pt를 부분적으로 증착하여 용접하고 들어 올려 후속 가공이 가능한 위치로 이동 시켜 박막요소의 중심부가 100 nm가 되도록 FIB로 가공하였다. 이를 구리 그리드에 붙여서 투과 전자현미경으로 미세구조와 성분의 확인이 7]능하도록 하였다.
- 되는 조건을 확인하였다. 주기도문은 영문으로 총 298자로 이루어진 것으로, 가로길이의 1/100이 한 글자의 획을 이루는 선폭이 되도록 하여 많은 양의 텍스트 정보가 실제로 명확히 보석용 다이아몬드에 FIB 로 가공될 수 있는지 확인하였다.
- 33ct 의 라운드 브릴리언트형으로 커트된 SI 급 (slightly included) 샴페인 칼라의 다이아몬드 나석을 준비하였다. 준비된 다이아몬드를 알콜로 표면을 세척 후 바이스형 시편홀더에 테이블과 큐릿을 잡아주게 하여 거들부가 FIB 컬럼에 수직으로 위치하도록 하였다.
- 있는 tilt stage와 Zyvex F100 나노 팀.침이 구비되어 four-point probe로 특정한 부분을 들어 올릴 수 있는 기능이 있고 나노급 패턴의 고배율 관찰이 주사전자현미경을 통하여 가능하도록 디자인 되었다. 그림 1에 실제 실험에 사용된 장비 사진을 나타내었다.
- 진행하였다. 투과전자현미경의 박막시편을 벌크 다이아몬드로부터 FIB를 이용하여 만드는 그림 5에 나타낸 공정을 실시하였다. 그림 5에 나타낸 바와 같이 Ga이온을 이용하여 박막형 요소를 가공하기 위해서 다이아몬드 기판에 평탄화를 실시하고, 완성된 평탄면에 30 kV-7 nA 조건으로 후공정의 위치확인을 위해서 X표시를 한 후 후속 FIB 가공 시에 박막요소의 표면 보호를 위해서 100 nm두께의 Pt박막을 FIB에 부착된 증착장비로 성막하였다 (a).
- 만들었다. 평탄부를 가로세로 깊이를 50 ㎛ X 50 四 X 300 nm로 하여 G* a이온을 사용하여 dwell time 1 <zs, 30 W-7 nA 조건으로 진행하였다. 그림 4에는 평판화와 패터닝이 진행된 위치를 저 배율 전자현미경 이미지에 나타내었다.
- 평탄부에 글자의 최소선폭이 60-480 nm가 되는 크기로 변화시키고 이때 3 W-30 pA로 빔파워 조건을고정시킨 후 Z축 깊이를 50-500 nm로 변화시키면서 주기도문과 기타 패턴을 각인하였다. 이때 조건에 따라 5분에서 20분의 시간이 소요되었다.
대상 데이터
- 확인하는 실험을 진행하였다. 먼저 보석용 0.33ct 의 라운드 브릴리언트형으로 커트된 SI 급 (slightly included) 샴페인 칼라의 다이아몬드 나석을 준비하였다. 준비된 다이아몬드를 알콜로 표면을 세척 후 바이스형 시편홀더에 테이블과 큐릿을 잡아주게 하여 거들부가 FIB 컬럼에 수직으로 위치하도록 하였다.
- 목표선폭 250 nm와 패턴 깊이 500 nm를 선택하였다. 글자 4시 방향으로 차징효과에 의한 미세한 흔들림 현상을 볼 수 있었으나 나노급 이미지임에도 불구하고 명확한 이미지의 관찰이 성공적으로 가능하였다.
- 본 실험에 쓰인 장비는 dual beam FIB로써 SEM 이 장착되어 이온빔과 함께 전자빔을 동시에 사용하여가공 및 측정이 가능하도록 설계된 FEI사의 Dual Beam NanoLab 200 모델을 채용하였다. 이온빔과 전자빔을 발생시킬 수 있는 기능을 가진 장비로서 5가지 이온소오스를 가진 모델로서 2, 3차원적인 가공 시에는 모두 Ga 소오스를 이용하였다.
- NanoLab 200 모델을 채용하였다. 이온빔과 전자빔을 발생시킬 수 있는 기능을 가진 장비로서 5가지 이온소오스를 가진 모델로서 2, 3차원적인 가공 시에는 모두 Ga 소오스를 이용하였다.
이론/모형
- 이때 조건에 따라 5분에서 20분의 시간이 소요되었다. 다이아몬드는 절연체이기 때문에 모두 전자빔을 소량 주입하는 charge neutralization(CN) 모드에서 실시하였다.
- 그림 1. 실험에 사용된 FIB장비의 모습.
성능/효과
- 고품질의 보석용 다이아몬드는 제품 유통 시 품질확인을 위해서 거들 부에 약 다섯 자리 정도의 고유 숫자를 기록하는 것이 일반적이며 그 크기는 대략 100 ㎛정도이다. Nd-YAG 레이저를 써서 다이아몬드의 허리부분인 거들에 각인하는 이 방안은 레이저의 기록 시에 열에너지가 국부적으로 집중되어 열스트레스에 의한 값비싼 다이아몬드에 마이크로 크랙을 발달시킬 우려와, 약 lC)Tg 정도의 중량손실을 가져와서 통상 소수 셋째자리까지의 무게로 평가하는 다이아몬의 총중량에 감소를 초래할 수 있는 문제가 있었다.
- 강도가 큰 다이아몬드에서는 실리콘에 비해 현격히에치 속도가 낮아질 것으로 예상하였으나 결과는 다이아몬드와 실리콘 모두 비슷한 정도로 나타났다. 이러한 원인은 FIB의 특성상 30 “정도의 에너지에서는 비슷한 정도의 에너지가 재료에 전달되어 궁극적으로 단위 시간당 에치 되는 양은 비슷하며, 이때 기판재료의 측성에 따라 선폭과 깊이의 비율이 달라진다는 것을 알 수 있었다.
- 나타내었다. 나노 두께를 가진 시편을 통하여 성공적인 분석이 가능하였으며 290, 305, 325 eV의 피크가 Type lb의 다이아몬드임을 나타내고 있다.
- 따라서 superhard한 다이아몬드 표면에 FIB를 Ga 이온을 써서 나노급 선폭의 기록이 가능하였고 이러한 방안을 보석용 다이아몬드의 품질에 영향을 주지 않으면서도 개인의 소중한 정보를 영구적으로 기록할 수 있는 새로운 산업적 서비스 개발이 가능함을 의미하였다.
- 따라서 실험범위 내에서 최적의 각인조건은 240 nm 의 선폭으로 500 nm의 Z축 깊이는 목표로 세팅하는 조건이 가장 명확한 확인이 가능하였고 나노급 각인이 가능한 공정 윈도우는 240-480 nm의 선폭범위에서 100-500 nm의 Z축 depth 범위라고 예상되었다.
- 모드로 통상의 Ga이온을 써서 30 W -30 pA 조건에서 영구성을 가진 다이아몬드에 나노급기록과 재생이 성공적으로 가능하였다. 또한 FIB를 활용하여 3차원적으로 벌크다이아몬드로부터 필요한 요소를 잘라내어 가공하고 나노급 박막요소를 만드는 것이 가능하였다. 이러한 FIB의 활용은 앞으로 진행될 다이아몬드 기판의 반도체 공정에의 도입이나 MEMS 분야에서의 다이아몬드 기판의 도입 등 산업적인 응용이 기대되었다.
- 기존의 실리콘 기판에 비해서 절연 특성에 의한 국부적 차징효과를 상쇄하는 charge neutralization .모드로 통상의 Ga이온을 써서 30 W -30 pA 조건에서 영구성을 가진 다이아몬드에 나노급기록과 재생이 성공적으로 가능하였다. 또한 FIB를 활용하여 3차원적으로 벌크다이아몬드로부터 필요한 요소를 잘라내어 가공하고 나노급 박막요소를 만드는 것이 가능하였다.
- 특히 다이아몬드의 경우에는 다른 빔전압과 dwell time등을 조절하여 90° 를 갖는 수직단면을 개발하는 것이 필요하다. 미세선을 여러 번 스캔하는 트렌치의 가공결과를 보면 다이아몬드 기판에서도 90° 수직단면을 갖는 조건의 확인을 충분히 가능하다고 판단된다.
- Line width는 120 nm 까지는 불분명한 이미지가 나오는데 이는 통상 70 nm인 이온빔의 직경이 패턴의 최소선폭을 만들기 위해 움직이는데 충분한 에너지가 아님을 알 수 있고, 반면에 480 nm 이상이 되면 drifting 효과로 글자주변부에 이중선이 생기는 현상이 발생하였다. 이러한 결과로서 빔의 직경이 240 nm정도 일 때가 가장 적절한 효율성을 가짐을 알 수 있고 그 이상이 되면 중첩하여 각인이 되어 특히 각인 중에 drift 현상이 두드러져 결과패턴이 흐릿해지는 문제가 발생함을 확인하였다.
- 이러한 원인은 FIB의 특성상 30 “정도의 에너지에서는 비슷한 정도의 에너지가 재료에 전달되어 궁극적으로 단위 시간당 에치 되는 양은 비슷하며, 이때 기판재료의 측성에 따라 선폭과 깊이의 비율이 달라진다는 것을 알 수 있었다.
- 이상에서 알아본 바와 같이 초고강도 다이아몬드를 가공하는데 일반적인 기계적 연마나 절단에 의한 공정에 비해서 FIB를 활용하는 방안은 효과적으로 나노급 미세선과 패턴을 제작하는데 활용될 수 있었고, 더 나아가 나노급 두께를 가지도록 3차원적인 가공도 성공적으로 가능하였다. 이러한 FIB의 활용은 앞으로 진행될 다이아몬드 기판의 반도체 공정에의 도입이나 MEMS분야에서의 다이아몬드 기판의 도입 등 산업적인 응용이 기대되었다.
- 변화를 나타내었다. 전류의 값이 증가함에 따라선 폭이 증가하는 일반적인 경향이 나타나며 SCE를 사용한 경우 모든 기판에서 선폭이 증가하는 현상이 발생하였다. 다이아몬드에서는 통상의 Ga 이온을 쓰는 경우 거의 선이 생기지 않다가 0.
- 깊이를 나타내었다. 전류의 증가에 따라서 SCE 가 Ga소오스에 비해서 깊게 파지며, 다이아몬드 기판에 비해서 실리콘 기판이 깊게 파지는 경향이 있었다. 앞서 보인 선폭의 경우와 반대의 현상으로써 동일한 에너지의 이온빔인 경우는 실리콘의 경우 깊이 방향으로 더 많은 에너지가 전달되는 것으로 판단된다.
- 확인하였다. 절연특성이 우수하고 강도가 큰 다이아몬드 기판을 실리콘에 비해서 동일한 공정 하에서 선폭은 크고, 깊이는 더 작게, 에치속도는 비슷한 정도를 보이는 특징이 있었다. 소오스 종류에 따라 SCE가 통상의 Ga 이온에 비해서 선폭, 깊이, 에치속도를 향상시키는 특성이 있었다.
- 소오스 종류에 따라 SCE가 통상의 Ga 이온에 비해서 선폭, 깊이, 에치속도를 향상시키는 특성이 있었다. 통상의 FIB작동 범위인 30 W에서 다이아몬드 기판에 성공적인 나노급 선형패턴과 트렌치가공이 가능하며 FIB가 다이아몬드 가공에 적합함을 확인하였다. FIB를 이용하여 벌크다이아몬드 기판에 선폭 240 nm의 텍스트 300자와 50-100 nm 최소선폭을 가진 로고의 기록과 재생을 30분 작업시간으로 성공적으로 수행하였다.
후속연구
- 가능하였다. 이러한 FIB의 활용은 앞으로 진행될 다이아몬드 기판의 반도체 공정에의 도입이나 MEMS분야에서의 다이아몬드 기판의 도입 등 산업적인 응용이 기대되었다.
- 가능하였다. 이러한 FIB의 활용은 앞으로 진행될 다이아몬드 기판의 반도체 공정에의 도입이나 MEMS분야에서의 다이아몬드 기판의 도입 등 산업적인 응용이 기대되었다.
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