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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 미세입자의 기계-화학적 연마가공 등 다양한 트라이볼로지적 응용을 위하여 근원적인 이해가 요구되는 미세입자-표면간의 접촉 계면에서의 극미세스케일에서의 마찰현상에 초점을 두고 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 기계화학적 연마가공 등 미세입자의 다양한 트라이볼로 지적 응용을 위해 필수적인 마찰특성 및 나노 역학적 특성 고찰을 위하여 연마입자와 재료표면간 접촉 강성 및 마찰거동의 변화를 원자현미경을 이용하여 실험적으로 살펴보았다. 실험결과로부터, 수 마이크로미터의 직경을 갖는 미세입자를 이용한 경우에도 원자 스케일 스틱슬립 현상을 확인할 수 있었으며, 따라서 원자 스케일 스틱슬립 마찰현상이 접촉하여 상대운동 하는 미세시스템에 주는 영향이 현재의 예측보다 더 크고 중요하게 고려되어야 할 것으로 파악되었다.
- )이 사용되었다. 마찰력은 AFM의 마찰신호(lateral signal)을 측정하였으며, 접촉재료변화에 따른 횡방향 접촉강성의 변화는 프로브 팁을 시편표면에 접촉시킨 상태에서 AFM 스캐너에 신호발생기를 이용하여 팁이 시편 표면에서 슬립이 발생하지 않는 범위에서 횡방향으로 변위를 주면서 접촉하중을 증가시키면서 측정하였다. 모든 실험은 대기압, 상온, 35-50% RH하에서 행하였다.
- 마찰력은 AFM의 마찰신호(lateral signal)을 측정하였으며, 접촉재료변화에 따른 횡방향 접촉강성의 변화는 프로브 팁을 시편표면에 접촉시킨 상태에서 AFM 스캐너에 신호발생기를 이용하여 팁이 시편 표면에서 슬립이 발생하지 않는 범위에서 횡방향으로 변위를 주면서 접촉하중을 증가시키면서 측정하였다. 모든 실험은 대기압, 상온, 35-50% RH하에서 행하였다. AFM 캔틸레버 및 팁으로는, 코팅하지 않ebare tip (uncoated tip), 팁 대신 구형의 실리카 콜로이드 입자를 부착한 콜로이드 프로브 (colloidal probe) 등 2종류의 팁을 갖는 캔틸레버가 사용되었다.
- AFM 캔틸레버 및 팁으로는, 코팅하지 않ebare tip (uncoated tip), 팁 대신 구형의 실리카 콜로이드 입자를 부착한 콜로이드 프로브 (colloidal probe) 등 2종류의 팁을 갖는 캔틸레버가 사용되었다. 콜로이드 프로브는 현미경과 마이크로스테이지(micro-stage)를 이용하여 자체 제작하였다. Fig.
- 한편, 다양한 재료표면에 대해 하중에 따른 마찰력과 횡방향 접촉강성을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 모든 실험은 대기압, 상온, 35-50% RH하에서 행하였다. AFM 캔틸레버 및 팁으로는, 코팅하지 않ebare tip (uncoated tip), 팁 대신 구형의 실리카 콜로이드 입자를 부착한 콜로이드 프로브 (colloidal probe) 등 2종류의 팁을 갖는 캔틸레버가 사용되었다. 콜로이드 프로브는 현미경과 마이크로스테이지(micro-stage)를 이용하여 자체 제작하였다.
- 실험을 위한 시편으로는 CMP 슬러리에 사용되는실리카(SiQ) 입자와 HOPG(highly oriented pyrolitic graphite), Cu, Ni, poly-silicon 등이 실리콘웨이퍼에코팅된 다양한 재료표면을 이용하였다.
이론/모형
- 미세입자-표면간 마찰현상 및 횡방향 접촉강성의 변화 등 나노역학적 특성을 고찰하기 위하여, 상용 AFM(Nanoscope Ⅲ, Digital Instruments Co.)이 사용되었다. 마찰력은 AFM의 마찰신호(lateral signal)을 측정하였으며, 접촉재료변화에 따른 횡방향 접촉강성의 변화는 프로브 팁을 시편표면에 접촉시킨 상태에서 AFM 스캐너에 신호발생기를 이용하여 팁이 시편 표면에서 슬립이 발생하지 않는 범위에서 횡방향으로 변위를 주면서 접촉하중을 증가시키면서 측정하였다.
- 각 캔틸레버는 서로 다른 치수를 가지므로 서로 다른 수직 및 횡방향 강성을 갖는다. 실험에 사용된 캔틸레버의 수직방향과 횡방향 강성의 측정 및 마찰력의 교정 (calibration)은 기존의 방법들을 이용하여 수행되었다[15-17]. Table 1에 실험에 사용된 콜로이드 프로브의 측정을 통하여 얻은 수직 및 횡방향 강성데이터를 일부 제시하였다.
성능/효과
- 반면, 하중의 변화에도 프로브와 표면간의 접촉강성이 큰 변화 없이 작을 경우에는 접촉계면에서 슬립이 상대적으로 잘 발생하여 마찰력의 크기에 큰 변화가 발생하지 않게 된다. 그러나, 접촉강성이 작은경우 시스템의 전체적인 횡방향 강성이 작아짐으로써 마찰신호에 원자 스케일 스틱슬립이 상대적으로 크게 나타나게 됨을 확인할 수 있다.
- 또한 접촉하는 재료 및 시스템의 수직 및 횡방향 강성을 명확히 측정하고 이러한 접촉상황에서 마찰변화가 크지 않은 최적의 접촉강성을 유지할 수 있도록 적절한 압력 범위를 찾아 적용하는 것이 연마효율 및 연마표면품위향상에 중요한 요소가 될 것임을 알 수 있었다.
- 살펴보았다. 실험결과로부터, 수 마이크로미터의 직경을 갖는 미세입자를 이용한 경우에도 원자 스케일 스틱슬립 현상을 확인할 수 있었으며, 따라서 원자 스케일 스틱슬립 마찰현상이 접촉하여 상대운동 하는 미세시스템에 주는 영향이 현재의 예측보다 더 크고 중요하게 고려되어야 할 것으로 파악되었다.
- 2의 콜로이드 프로브를 이용한 결과는 그러한 일반적인 생각이 바뀌어야 한다는 것을 보여준다. 이러한 결과로부터 원자스케일 에서의 스틱슬립 마찰거동은 마이크로스케일 에서도 보편적으로 나타날 수 있으며, 따라서 시스템에 주는 영향은 현재의 예측보다 더 크고 중요하게 고려되어야 할 것이라고 결론지을 수 있다.
- 제시된 결과에서 HOPG의 격자간격과 잘 일치하는 명확한 원자스케일 스틱 슬립(stick-slip) 거동을 확인할 수 있다.
- 제시된 데이터는 Cu의 경우 하중의 폭넓은 변화에도 마찰력에 거의 변화가 없고 또한 접촉강성도 거의 변화하지 않음을 보여주는 반면, Ni의 경우는 하중에 따라 Cu의 경우와 상대적으로 비교해볼때 변화가 나타남을 보이고 있다.
후속연구
- 따라서, 미세입자의 대표적 응용사례인 기계-화학적 연마공정에서 연마효율 및 연마표면 품위향상을 위해서는 미세입자와 접촉하는 재료 및 시스템의 강성에 따라 최적의 접촉강성을 유지할 수 있는 하중/압력 범위를 찾아 적용하는 것이 중요한 요소가 될 것이다.
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