[논문]AFM 가공 모드 분석 및 AE 모니터링

안병운; 이성환

[국내논문] AFM 가공 모드 분석 및 AE 모니터링
Characterization of AFM machining mode and Acoustic Emission monitoring 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.10 = no.211, 2008년, pp.41 - 47

안병운 (한양대학교 기계공학과) , 이성환 (한양대학교 대학원 메카트로닉스시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to obtain machining characteristics during AFM (Atomic force Microscope) machining of silicon wafers and to monitor the machining states using acoustic emission. As in micro scale machining, two distinct regimes of deformation, i. e. ploughing regime and cutting regime were observed. First, the transition between the two regimes are investigated by analyzing the "pile-up" during machining. As far as in process monitoring is concerned, in the ploughing repime, no chips have been formed and related AE RMS values are relatively low, In the mean time, in the cutting regime, the RMS values are significantly higher than the ploughing regime, with apparent chip formation. From the results, we found out that the proposed scheme can be used for the monitoring of nanomachining, especially for the characterization of nanocutting mode transition.

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문제 정의

이에 본 논문에서는 AFM 가공 시 획득한 실험적 결과의 데이터 분석을 통해 나노 영역에서의 가공 모드(ploughing /cutting) 특성과 가공 모드 변환에 대한 메커니즘 연구를 진행하였다. 또한 AFM 가공 모드에 따른 재료의 물리적 변화를 분석하기 위하여 센서 민감도가 우수하며 실시간 공정 모니터링이 가능한 음향 방출 센서를 적용 하여, 절삭 깊이에 따른 특이 신호 검출을 통해 AFM 가공 모드를 판정하였다.
그러므로 절삭 깊이에 비해 비교적 작은 pile-叩 이 발생하여 Ploughing 모드와는 상반된 특징이 나타난다. 이에 각 가공 모드에서 발생되는 pile-up 을 측정하여 가공 모드의 변환지점 분석을 수행하고자 한다.
가공을 진행하였다. 실험을 통해 가공재료의 나노 단위의 손상거동 및 가공 모드 판별방식에 대한연구를 진행하였다. AFM 가공 모드와 모드 변환지점에 대한 분석을 위해 pile-up 을기준으로 실험적 결과 데이터를 이용하여 분석 하였으며, 마이크로/ 나노 트라이볼로지 관점의 마찰력과 최소 칩 형성절삭 깊이에 대한 이론적 검증을 진행하였다.

가설 설정

1과 같이 Rabinowicz, 가 제안한 모델을 적용하였다. 이 모델은 scratching 후 홈의 깊이가 일정하고 재료가 normal load 이하에서 항복을 일으킨다고 가정하였다. 하중이 작용하는 부분의 면적 Ai 과 마찰력이 작용하는 부분의 면적 Ap 를 계산하여 마찰계수를 계산하였다.

제안 방법

또한 AFM 가공 모드에 따른 재료의 물리적 변화를 분석하기 위하여 센서 민감도가 우수하며 실시간 공정 모니터링이 가능한 음향 방출 센서를 적용 하여, 절삭 깊이에 따른 특이 신호 검출을 통해 AFM 가공 모드를 판정하였다. 최종적으로 실험적 데이터와 이론적 검증 그리고 실시간 센서 모니터링 결과에 대한 상호 비교 분석을 통해 신뢰성 있는 AFM 가공 메커니즘 연구방법을 제시하였다.
또한 AFM 가공 모드에 따른 재료의 물리적 변화를 분석하기 위하여 센서 민감도가 우수하며 실시간 공정 모니터링이 가능한 음향 방출 센서를 적용 하여, 절삭 깊이에 따른 특이 신호 검출을 통해 AFM 가공 모드를 판정하였다. 최종적으로 실험적 데이터와 이론적 검증 그리고 실시간 센서 모니터링 결과에 대한 상호 비교 분석을 통해 신뢰성 있는 AFM 가공 메커니즘 연구방법을 제시하였다.
이 모델은 scratching 후 홈의 깊이가 일정하고 재료가 normal load 이하에서 항복을 일으킨다고 가정하였다. 하중이 작용하는 부분의 면적 Ai 과 마찰력이 작용하는 부분의 면적 Ap 를 계산하여 마찰계수를 계산하였다.
3 의 (b)와 같은 나노스테이지를 구동시켜 스크래치 실험을 수행하였다. 스크래치 결과를 측정하는 장비 는 30KV에서 3nm의 image res이니tion 을 가지는 기존의 SEM(Scanning Electron Microscope)를 대신하여 저온에서 전자를 방출하여 시료 표면의 손상을 최소화하며, 15KV에서 Inm 의 image resolution 을 가지는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi UHR S-4800)을이용하여 측정하였다.
AFM 가공모드 변환 시 발생되는 물리적 현상을 실시간으로 모니터링하기 위하여 나노 단위의 민감도를 모유하고 있는 AE 센서를 적용하였다. Fig.
샘플링속도는 1MHz이며, 센서에 의해 획득한 전기 신호는 PAC-1220 Pre-Amp 에서 40dB 증폭되고, PAC-AEDSP-32 Board 에서 2차 증폭된 후 신호처리 하였다.
절삭 깊이는 AFM 의 시스템에서 Z 축의 Force 의 변화에 따라 감소 및 증가하게 된다. AFM 캔틸레버에 Force 를 30~ 100砰까지 단계적으로 부여하여 절삭 깊이 4~23nm까지의 AFM 가공을 수행하였다.
현상을 기준으로 구분할 수 있다. 이에 AFM 을 이용하여 절삭 깊이의 변화에 따른 Pileup 의변화를 측정하였다. 하지만 AFM 3D image/profile 의 분석만으로는 ploughing 모드와 cutting 모드를 구별할 수 있는 가장 큰 특징인 chip 형성의 유무를 확인할 수 없다.
AFM 가공 결과를 AFM 측정 모듈을 이용하여 측정하였다. 측정 위치는 Fig.
측정 위치는 Fig. 5에서 표시된 것처럼 scratching 방향으로 세 지점을 측정하여 측정 위치에 따른 오차를 최소화하고자 하였다. 측정 결과 모든 절삭 깊이에서 스크래치와 pile-up 이 측정되었으며, 절삭 깊이와 pile-up 의 반비례적 관계를 파악할 수 있었다.
측정 결과 모든 절삭 깊이에서 스크래치와 pile-up 이 측정되었으며, 절삭 깊이와 pile-up 의 반비례적 관계를 파악할 수 있었다. 측정 결과를 이용한 정량적 가공 모드 분석을 위해 pile-up 과절삭 깊이의 비를 기준 13'15으로 AFM 가공 모드 변환 지점을 분석하였다. 분석 결과를 Fig.
AFM 가공에서 실험적 데이터인 pile-叩 을 이용하여 가공 모드 구분 및 변환지점에 대한 분석을 진행하였다. 이에 최소 칩 형성절삭 깊이 및 마찰 계수를 계산하여 실험적으로 분석된 가공 모드 변환지점에 대하여 이론적 검증을 진행하였으며 , 그 결과를 Fig.
진행하였다. 이에 최소 칩 형성절삭 깊이 및 마찰 계수를 계산하여 실험적으로 분석된 가공 모드 변환지점에 대하여 이론적 검증을 진행하였으며 , 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
AFM(nano) 가공에서의 가공 모드에 따른 특성을 파악하기 위해 AE 센서를 이용하여 실시간 가공 공정모니터링을 진행하였다. 센서를 이용한 실시간 공정 모니터링은 ploughing 모드와 cutting 모드에서 발생하는 물리적 변화에 대한 특이 신호를 획득/분석/처리하여 AFM 가공모드 판별 기준을 결정할 수 있다.
AE 센서를 이용하여 AFM 가공중 실시간으로 획득한 신호를 AE RMS 를 이용하여 분석을 진행하였다. 대표적인 AE 신호를 Fig.
본 연구는 Si wafer(lOO)를 가공 재료로 하여 AFM(nano) 가공을 진행하였다. 실험을 통해 가공재료의 나노 단위의 손상거동 및 가공 모드 판별방식에 대한연구를 진행하였다.
AFM 가공 모드와 모드 변환지점에 대한 분석을 위해 pile-up 을기준으로 실험적 결과 데이터를 이용하여 분석 하였으며, 마이크로/ 나노 트라이볼로지 관점의 마찰력과 최소 칩 형성절삭 깊이에 대한 이론적 검증을 진행하였다. 또한 극미세 가공에 적합한 센서 (AE 센서)를 이용하여 AFM 가공의 가공 모드 및 모드 변환 시 발생되는 물리적 현상을 측정하여 실험적/이론적 분석 방법과 비교하여 다음과 같은 결론은 얻었다.
(2) 칩 형성을 위한 최소 절삭 깊이에 대한 이론적 계산값과 FE-SEM 에 의해 측정된 결과치를 비교 분석하여 AFM 가공모드를 구분하였다. 또한 가공모드 변환 시 발생되는 물리적 변화를 AE 센서로 측정 후, RMS 분석을 통해 AFM 가공공정 실시간 모니터링 시스템에 대한 가능성을 제시하였다.
또한 가공모드 변환 시 발생되는 물리적 변화를 AE 센서로 측정 후, RMS 분석을 통해 AFM 가공공정 실시간 모니터링 시스템에 대한 가능성을 제시하였다.
AFM 가공에서의 가공 모드별 특성 및 모드변환 지점 분석을 위해 가공 파라메타 중절삭 깊이만을 변화시키면서 실험을 진행하였다. 절삭 깊이는 AFM 의 시스템에서 Z 축의 Force 의 변화에 따라 감소 및 증가하게 된다.

대상 데이터

3의 (a) 는 Auto-Probe M5 와 cantilever 의 형상을 나타내고 있고, 실험 전후의 tip 의 형상의 변화는 없다. 실험에 사용된 cantilever 는 force constant 가 non-contact silicon (diamond tip) type 을 사용하여 실험을 하였다. Table 1에서 실험에 사용된 cantilever type 을 설명하고 있다.

데이터처리

하지만 AFM 3D image/profile 의 분석만으로는 ploughing 모드와 cutting 모드를 구별할 수 있는 가장 큰 특징인 chip 형성의 유무를 확인할 수 없다. 따라서 FE-SEM 을 이용하여 가공된 표면을 측정하여 AFM 측정 결과와 비교 분석하였으며, 그 결과를 table 2 에 나타내었다. 절삭 깊이에 따른 SEM image 를보면 절삭 깊이가 4.
실험을 통해 가공재료의 나노 단위의 손상거동 및 가공 모드 판별방식에 대한연구를 진행하였다. AFM 가공 모드와 모드 변환지점에 대한 분석을 위해 pile-up 을기준으로 실험적 결과 데이터를 이용하여 분석 하였으며, 마이크로/ 나노 트라이볼로지 관점의 마찰력과 최소 칩 형성절삭 깊이에 대한 이론적 검증을 진행하였다. 또한 극미세 가공에 적합한 센서 (AE 센서)를 이용하여 AFM 가공의 가공 모드 및 모드 변환 시 발생되는 물리적 현상을 측정하여 실험적/이론적 분석 방법과 비교하여 다음과 같은 결론은 얻었다.

이론/모형

된다. AFM 가공에 의해 소성변형된 면적과 마찰계수를 수식적으로 구하기 위해서 Fig. 1과 같이 Rabinowicz, 가 제안한 모델을 적용하였다. 이 모델은 scratching 후 홈의 깊이가 일정하고 재료가 normal load 이하에서 항복을 일으킨다고 가정하였다.
본 연구에서 사용된 AFM 은 TM Microscopes 사가 개발한 Auto-Probe M5 를 이용하여 실험을 하였고, 프로그램은 Data Acquisition 과 Nanolithography software 를 사용하였다. Fig.

성능/효과

2nm에서는 스크레치 형상과 pile-叩 만이 나타남을 볼 수 있다. 하지만 절삭 깊이가 7시Onm에서는 chip 이 부분적으로 발생 됨을 시각적으로 확인할 수 있으며, 10nm 이상에서는 chip 형성이 뚜렷하게 나타났다. 이와 같은 AFM 측정 결과와 SEM 사진 분석을 통해서 나노 가공영역에서 ploughing 모드와 cutting 모드가 절삭 깊이의 증가에 따라 순차적으로 발생하는 사실을 확인할 수 있다.
하지만 절삭 깊이가 7시Onm에서는 chip 이 부분적으로 발생 됨을 시각적으로 확인할 수 있으며, 10nm 이상에서는 chip 형성이 뚜렷하게 나타났다. 이와 같은 AFM 측정 결과와 SEM 사진 분석을 통해서 나노 가공영역에서 ploughing 모드와 cutting 모드가 절삭 깊이의 증가에 따라 순차적으로 발생하는 사실을 확인할 수 있다.
5에서 표시된 것처럼 scratching 방향으로 세 지점을 측정하여 측정 위치에 따른 오차를 최소화하고자 하였다. 측정 결과 모든 절삭 깊이에서 스크래치와 pile-up 이 측정되었으며, 절삭 깊이와 pile-up 의 반비례적 관계를 파악할 수 있었다. 측정 결과를 이용한 정량적 가공 모드 분석을 위해 pile-up 과절삭 깊이의 비를 기준 13'15으로 AFM 가공 모드 변환 지점을 분석하였다.
이론적 검증 결과 ploughing 모드에서 보다 cutting 모드에서 AFMtip 과 재료 사이에서 발생하는 마찰이 증가함을 알 수 있다. AFM 가공모드특성에 대한 실험적 데이터를 이용한 분석과 이론적 분석 결과를 통해 절삭 깊이 7~l0nm에서 가공 모드가 변환되는 것을 확인하였다.
마찰이 증가함을 알 수 있다. AFM 가공모드특성에 대한 실험적 데이터를 이용한 분석과 이론적 분석 결과를 통해 절삭 깊이 7~l0nm에서 가공 모드가 변환되는 것을 확인하였다.
(1) Si wafer(lOO)의 경우 AFM/FE-SEM 측정 결과를 통해 칩의 발생 영역을 확인하였고, 나노 가공에서 발생되는 가공데이터의 pile-up 분석을 통하여 pile-叩 이 ploughing 모드와 cutting 모드의 변환과 직접적으로 연계됨을 확인하였다

후속연구

AFM 을이용한 나노가공 기술이 실제 나노 소자 제작 기술에 적용되기 위해서는 보다 다양한 시도와 연구를 통하여 재현성과 신뢰성 있는 동작성 (선폭제어), In-process 모니터링 기법, 다양한 가공 database 의 확보 등이 반드시 필요하다. 아울러 물리적인 측면에서는 가공 가능한 범위의 크기 규모, 가공 공정이 시편에 미치는 영향 등 다양한 부가적인 연구가 필요하다. 추후 이러한 연구가 진행되어 문제점이 해결된다면, AFM 을 이용한 나노 가공 기술은 나노소자 제작에 있어 중요한 기법 중 하나가 될 수 있을 것이며, 따라서 현재의 반도체 공정을 대체하고 기타 다양한 형태의 나노 가공에 활용될 수 있는 효율적인 차세대 가공 기술이 될 것으로 기대할 수 있다.
아울러 물리적인 측면에서는 가공 가능한 범위의 크기 규모, 가공 공정이 시편에 미치는 영향 등 다양한 부가적인 연구가 필요하다. 추후 이러한 연구가 진행되어 문제점이 해결된다면, AFM 을 이용한 나노 가공 기술은 나노소자 제작에 있어 중요한 기법 중 하나가 될 수 있을 것이며, 따라서 현재의 반도체 공정을 대체하고 기타 다양한 형태의 나노 가공에 활용될 수 있는 효율적인 차세대 가공 기술이 될 것으로 기대할 수 있다. 한편 다니 구찌가 제안한 4바와 같이 급속한 기술 발전 및 산업계의 요구로 인하여 초정밀 가공의 정의 자체가지속적으로 변화되고 있으며, 다양한 가공 재료들이 사용되고 있다.
(3) 본 연구 수행을 위해 진행한 실험적 데이터를 이용한 분석과 이론적 검증, 그리고 실시간 센서 모니터링을 이용한 신호처리 및 분석 방법은 Si wafer (100) 이외의 재료에도 적용할 수 있는 방법이며, 따라서 향후 본 논문에서 제시한 연구 방법을 통해 다양한 재료의 나노단위 가공에 대한 가공 모드(ploughing/cutting)와 모드 변환 지점에 대한 분석을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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