[논문]AFM 기반 Pulse 를 이용한 전기화학적 가공

이정민; 김선호; 박정우

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.11.1631

AFM 기반 Pulse 를 이용한 전기화학적 가공
Localized Oxidation of (100) Silicon Surface by Pulsed Electrochemical Processes Based on AFM 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.11=no.302, 2010년, pp.1631 - 1636

이정민 (조선대학교 기계설계공학과) , 김선호 (조선대학교 기계설계공학과) , 박정우 (조선대학교 기계설계공학과)

초록
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본 연구는 AFM 을 이용하여 nano scale 의 Lithography 를 구현하는 것이다. 외부의 pulse generator 를 통하여 전류를 통전 시키는 방법을 수정함으로써, 일정 습도를 유지한 상태의 AFM 내부에서 Si-wafer 의 표면과 Tip의 사이에 전원을 인가하고 pulse generator 에서 임의로 pulse 폭의 변화를 준다. Si-wafer 표면에서 물 분자가 Tip과 wafer 사이의 직접적인 전류의 이동조절로 인해 전기 화학적 반응을 적절히 제한하여 산화물을 생성시키는 방법이다. 이렇게 생성된 산화물은 불산 처리를 통하여 산화물을 식각시켜 미세 그루브를 구현 할 수 있다. 본 연구를 통한 나노 패턴 생성 기법은 나노 머시닝 기술의 진보에 잠재적 가능성을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we demonstrate a nano-scale lithograph obtained on localized (100) silicon (p-type) surface using by modified AFM (Atomic force microscope) apparatuses and by adopting controlling methods. AFM-based experimental apparatuses are connected to a customized pulse generator that supplies electricity between the conductive tip and the silicon surface, while maintaining a constant humidity throughout the lithography process. The pulse durations are controlled according to various experimental conditions. The electrochemical reaction induced by the pulses occurs in the gap between the conductive tip and silicon surface and result in the formation of nanoscale oxide particles. Oxide particles with various heights and widths can be created by AFM surface modification; the size of the oxide particle depends on the pulse durations and the applied electrical conditions under a humid environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 AFM 을 이용한 국부적인 나노 산화 방식에 초 단파 펄스를 이용하여 미세 패터닝(patt-erning)을 수행 함으로 써 매우 정밀한 산화 구조물을 생성하는 프로세스를 개발하고자 한다.
본 연구에서는 펄스를 사용하여 AFM 에 의한 기계적 Lithography(Mechanical Nanolithography) 을 수행하는 방법에 있어서, 산화막을 생성하는 방법에 대한 메커니즘을 고찰하였다.

제안 방법

AFM 에 탐침과 실리콘 웨이퍼 샘플을 장착하고, AFM 의 헤드 모듈(HM)주위에 온도 및 습도 측정 기구를 설치하였다. 예비실험에 의하면, 본 연구의 실험 조건에서 내부습도 60%~65%의 영역에서는 산화물을 확인할 수가 없었기 때문에 내부습도를 70%~75% 상태로 유지한 후 탐침과 실리콘 웨이퍼 샘플을 근접시키고 펄스 전원 공급기에서 전원을 공급한다.
실리콘 웨이퍼 세척 전 실험부분의 확인을 위해 자체 개발한 PCD(Poly crystalline diamond)(40) 미세 공구를 이용해 기계적으로 가공하여 Fig. 2와 같이 직경 약 35 µm 의 사각형 형상을 실리콘 웨이퍼 표면에 마킹하였다.
실리콘 웨이퍼 세척은 표면의 오염물질 및 유기물 질이 산화 반응에 직접적인 영향을 미치는 것을 방지 하기 위하여, H₂SO₄(98%)와 H₂O₂(30%) 를 1: 0.9 비율로 혼합해 만든 수용액에 3 시간 동안 침지 시키는 Piranha cleaning 세척 후 초음파 세척기에서 순수세척 (3 분), 아세톤 세척(3 분), 순수세척(3 분)순으로 수행 하였다. 이후 자연산화 막 제거를 위하여 HF(48% ~ 51%)용액을 이용해 만든 5%의 DHF(Diluted Hydrofluoric)용액에서 1 분 동안 침지한 후 흐르는 물에 약 1 분간 세척 하였다.
실험 수행 시 scan rate는 1 µm/s 을 유지하였고, 비 접촉 상태에서의 팁 - 샘플 간격을 임의로 입력하였을 경우 실시간 feedback 이 지원되지 않기 때문에 nano stage 의 Hysterysis 또는 외관에 의하여 발생하는 미소한 위치변동에 따른 비정상적인 팁-샘플 간의 충돌/접촉을 피하기 위하여 약 0.2µm 를 초과하지 않도록 탐침과 실리콘 웨이퍼 표면 사이의 간격은 통전 시 0.197 µm 로 유지하였다.
실험 후 산화물 생성 확인을 위해 Mikromasch 사의 측정용 NSC36C 켄틸레버(0.95N/m, 105kHz) 을 이용하여 scan rate 0.3Hz~0.5Hz 으로 실시하였다.
예비실험에 의하면, 본 연구의 실험 조건에서 내부습도 60%~65%의 영역에서는 산화물을 확인할 수가 없었기 때문에 내부습도를 70%~75% 상태로 유지한 후 탐침과 실리콘 웨이퍼 샘플을 근접시키고 펄스 전원 공급기에서 전원을 공급한다. 이와 동시에 탐침은 실리콘 웨이퍼 샘플의 표면을 주어진 경로를 따라 이동하고, 펄스 전원 공급기에서 공급되는 전원에 의해 이동 경로상에 전기 화학적 반응이 발생되어 국부적인 산화 구조물을 생성시킨다. 이때 실험 환경의 습도에 따라 산화물 생성 여부가 결정되기 때문에 습도를 유지하는 것은 매우 중요하다.
이후 자연산화 막 제거를 위하여 HF(48% ~ 51%)용액을 이용해 만든 5%의 DHF(Diluted Hydrofluoric)용액에서 1 분 동안 침지한 후 흐르는 물에 약 1 분간 세척 하였다. 이후 다시 초음파를 이용한 순수세척(3 분)과 표면 수분 제거를 위한 10 분간의 자연건조를 실시하였다.
2µm 폭을 가지는 산화물이 실리콘 웨이퍼 표면상에 생성되었다. 주변 환경 온도는 29 ~ 32˚C, 습도 70 ~ 75%를 유지한 환경에서 실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험은 AFM 기반의 펄스를 전기화학적 가공을 응용한 (100) 실리콘 웨이퍼(Si-Wafer) 표면의 국부적 산화 실험으로써 Fig. 1과 같이 기본적으로 펄스를 인가할 수 있는 펄스 전원 공급기(Pulse generator)와 펄스의 상태를 측정할 수 있는 Oscilloscope 가 기본적으로 구성된다.
사용된 AFM 은 PSIA 사의 XE-100 을 사용하였으며, 실리콘 웨이퍼는 (100) p-type (Silicon technology corporation, 1~10Ω•cm)를, 켄틸레버는 도전성이 부여된 NSC36 Ti-Pt 코팅 켄틸레버(Mikromasch, 3.5N/m, 75kHz) 를 사용하였다.
샘플의 세척 시 초 순수 제조를 위해 Human RO 180 초순수 제조기(Human Corporation, 5MΩ•cm)를 사용하였고 초음파 세척을 위해 200W 급 초음파 세척 장치(KODO NXPC-2010, 40kHz)를 사용하였다.
펄스 전원 공급기는 HP 사의 8116A (50MHz, 16V p-p)를 사용하였고 실험 시 펄스의 확인을 위해 DSO1024A 오실로스코프(Agilent Technologies, 200MHz, 2GSa/s)를 사용하였다. 전압 및 전류의 측정을 위해 N2863 전압 프로브(Agilent Technologies, 300V)와 CT-2 전류 프로브 (Tektronix, 1mV/mA. 50Ω)을 오실로스코프에 연결하여 사용하였다. 샘플의 세척 시 초 순수 제조를 위해 Human RO 180 초순수 제조기(Human Corporation, 5MΩ•cm)를 사용하였고 초음파 세척을 위해 200W 급 초음파 세척 장치(KODO NXPC-2010, 40kHz)를 사용하였다.
펄스 전원 공급기는 HP 사의 8116A (50MHz, 16V p-p)를 사용하였고 실험 시 펄스의 확인을 위해 DSO1024A 오실로스코프(Agilent Technologies, 200MHz, 2GSa/s)를 사용하였다. 전압 및 전류의 측정을 위해 N2863 전압 프로브(Agilent Technologies, 300V)와 CT-2 전류 프로브 (Tektronix, 1mV/mA.

성능/효과

AFM 기반의 펄스 전기화학적 가공을 응용한 (100)실리콘 웨이퍼 표면의 국부적 산화 구조물 생성에 대한 실험결과 nano scale 의 산화물을 생성할 수가 있었다. 적용한 실험조건에 의하면 펄스의 Duty factor가 500ns ~ 150 µs 으로 변함에 따라 산화물의 높이 0.
8 은 전압과 Hz 가각각 5V, 5 kHz 로 일정하게 유지 될 때 인가된 시간의 증가에 따른 산화물의 높이 변화에 대한 그래프이다. 실험결과 Duty factor가 증가함에 따라 산화물의 높이와 폭 또한 증가하는 것을 알 수 있었다.
35µm 까지 변동됨을 확인 하였다. 이를 통해 AFM 기반의 펄스 전기화학 공정에서 보다 정밀한 산화 구조물 생성을 제어할 수 있는 새로운 파라메터를 제시할 수 있었다.
적용한 실험조건에 의하면 펄스의 Duty factor가 500ns ~ 150 µs 으로 변함에 따라 산화물의 높이 0.4nm ~ 3nm, 폭 0.17µm ~0.35µm 까지 변동됨을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 단위(nano-scale)의산화 구조물 패턴을 생성하는 리소그래피 방법은 어떤 방법인가?	이러한 AFM 을 이용한 국부적 나노 산화 방식은초 미세 탐침을 이용하여 나노 단위(nano-scale)의산화 구조물 패턴을 생성하는 리소그래피 방법이다.(29~36) 이와 같은 나노 스케일의 산화 구조물 패턴을 형성하기 위한 양극유도산화 방식은 water bridge 를 생성할 수 있는 습한 환경에서 AFM 의 초미세 도전성 탐침(conducting tip)과 샘플 사이에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 산화물을 패턴을 형성하는 전기 화학적 나노 가공 방법이다.(37) 지금까지 연구 결과에 의하면 10 V/m 를 인가하였을 때 발생되는 전기장은 GaAs,(37) silicon nitride,(33,38) silicon carbide,(39) 심지어 고온의 초 전도체 또한 국부적 산화물 패턴을 형성시킨다.
	SPM이 발명된 이유는?	현재 나노 가공 기술 중에 하나인 Scanning probe lithography(SPL)는 Scanning probe microscope(SPM) 을사용하는 리소그래피(lithography) 기술 중의 한가지 방법이다. 고체 표면을 원자 단위로 관찰하기 위하여 발명된 SPM 은 나노 과학 및 나노공학 연구의 필수적인 장치로써 초 미세 탐침(micro cantilever probe)의 기계적 움직임을 통하여 초 미세 탐침과 표면 사이에서 위치 함수의 상호관계를 이용해 이미지를 생성한다.
	SPM이 이미지를 생성하는 과정은?	현재 나노 가공 기술 중에 하나인 Scanning probe lithography(SPL)는 Scanning probe microscope(SPM) 을사용하는 리소그래피(lithography) 기술 중의 한가지 방법이다. 고체 표면을 원자 단위로 관찰하기 위하여 발명된 SPM 은 나노 과학 및 나노공학 연구의 필수적인 장치로써 초 미세 탐침(micro cantilever probe)의 기계적 움직임을 통하여 초 미세 탐침과 표면 사이에서 위치 함수의 상호관계를 이용해 이미지를 생성한다.

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표제어: PCR

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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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