[논문]이온빔 기술 리뷰

이태호

doi:10.9766/kimst.2011.14.6.1107

[국내논문] 이온빔 기술 리뷰
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韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.6, 2011년, pp.1107 - 1113

이태호 (한국과학기술정보 연구원 ReSeat 프로그램)

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In this paper, ion beam technology was investigated through the published papers. Ion beam technology is mainly used by the focused ion beams. There are two different types of application methods. One method is to remove the material from the substrate, the other one is to deposit the materials on the surface of the substrate or specimen. Based on the literature review there are 1.5 times more published research papers related to the deposition than those of the removal.

주제어

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문제 정의

이러한 상황에서 세계 여러 나라의 기술과 연구 개발 상황을 체계적으로 분류 조사하는 것은 매우 중요한 일이다. 이런 관점에서 집속 이온빔의 연구, 개발 및 발달 상황을 정리하며 이온빔의 응용으로 삭마형 가공과 이온 증착 기술 에 대하여 조사하고자 한다.

제안 방법

ISI Web of Knowledge 플랫폼에서 Web of science를 활용하여 1986년부터 현재(2010.9)까지 발표된 이온빔에 관한 학술 정보를 조사하였다. “이온 빔 밀링”을 제목에서 검색 결과 202편이 검색되었으며 토픽으로 검색한 결과는 657편이 검색되었다.
렌즈의 정전기 강도 제어와 직경 5 nm에서 5 μm 이온빔 크기를 효과적으로 조정하기 위하여 침(probe)의 전류 강도를 수 십 pA에서 수 nA로 조정하였다[5].
Giannuzi 등은 갈륨 저장소를 뾰족한 텅스텐 바늘에 접촉하도록 위치시켜, 갈륨이 바늘을 적시면서 텅스텐 팁으로 흘러가게 하였다^[5]. 반경이 5～10 nm인 갈륨 콘을 형성시키기 위해서 10⁸V/cm 이상의 전기장을 인가하여 전기장에 의해서 갈륨이 이온화되고 전기적 방출이 발생하도록 하였다. 형성된 이온은 가속 전기장에 의해 집속 이온빔의 형태로 가속되었다.
삭마형 가공으로 볼 수 있는 밀링과 머시닝 에칭이 40%이고, 증착 형인 주입, 증착과 보조증착에 관한 것이 60%이었다. 스퍼터링은 삭마나 증착에 모두 관계되므로 이를 제외하고 비교하였다.
1989년 Kirk 등이 집속 이온빔을 사용하여 시료 단면을 가공하는 새로운 기법을 발표하였다^[4]. 집속 갈륨 이온빔을 시료 표면에 수직으로 조사하여 시편에서 스퍼터링(sputtering)을 일으키고, 이렇게 하여 생긴 트렌치(trench)를 연속적으로 얇은 시편조각(slice) 양단으로부터 안쪽으로 수 마이크론씩 절단하여 가공하였다. 가공할 부위에 집속 갈륨이온을 사용하여 스퍼터링을 통한 밀링을 하면 스퍼터링으로 일부는 재 증착이 일어나기도 한다.

대상 데이터

“이온 빔 밀링”을 제목에서 검색 결과 202편이 검색되었으며 토픽으로 검색한 결과는 657편이 검색되었다.

성능/효과

가공기법의 소분류대로 토픽에서 검색한 결과 “이온 빔 머시닝”은 91편, “이온빔 에칭”은 1,107편, “이온빔 주입”은 452편, “이온 빔 증착"은 897편 등이 검색되었다.
문헌 검색을 통하여 기술의 연구 개발 상황을 보면 삭마형 가공 기술에 비하여 증착형 가공기술에 관한 논문이 약 1.5배 정도 많았다. 삭마형 가공기술은 주로 이온빔 밀링이고, 흡착형은 이온빔 보조 증착이 이온빔 증착 보다 많아, 이온빔 단독으로 증착하는 것보다는 보조 증착으로 다른 기법과 같이 수행하는 것이 많음을 알 수 있었다.
5배 정도 많았다. 삭마형 가공기술은 주로 이온빔 밀링이고, 흡착형은 이온빔 보조 증착이 이온빔 증착 보다 많아, 이온빔 단독으로 증착하는 것보다는 보조 증착으로 다른 기법과 같이 수행하는 것이 많음을 알 수 있었다.
이 연구는 마이크론 단위 레벨까지 이온빔을 사용할 수 있는 가능성을 보여준 것으로, 물체의 개구(aperture) 직경은 150 μm에 최소 빔 직경은 3.5 μm이었고 빔 에너지는 60 keV이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온빔의 가공 기술은 무엇에 사용되고 있는가?	이온빔의 가공 기술은 광학 분야에도 많이 활용되고 있다. 특히 마이크로 제어가 가능한 이온빔을 이용하면 비구면(aspheric) 표면 형상의 렌즈 가공도 가능하여 반도체 레이저에 부착하는 반사경(reflector) 등의 정밀 가공에 이 방법을 사용하고 있다.
	집속이온빔은 어떤 용도에 적합한가?	집속이온빔(FIB : Focused Ion Beam)은 재료 표면을 미세한 주사선의 형태로 주사(scanning)함으로써 표면 성질을 개질하거나 시료의 특정 부위에 선택적으로 주사하여 시료를 분석하는 용도에 적합하다. 그러므로 입자 빔을 작게 집속시켜 조사하여 재료의 특정 부위를 연구하는 데에 사용되기 시작하였다.
	이온빔 증착은 무엇을 개선시키는가?	많은 경우에 제 2의 이온 소스를 사용하는 이온 보조 증착이나 화학 증발 증착과 병행하여 운용한다. 이온빔 증착은 특히 금속 산화물이나 금속 질화물 피막을 형성하여 소재의 안정성(stability), 밀도, 유전성(dielectric)과 광학적 특성을 개선시키는데 유용하다[14].

참고문헌 (19)

R. L. Seliger and W. P. Fleming, "Focused Ion Beam in Micro-fabrication", Journal pf Physics, 45, pp. 1416-1422, 1974.
V. E. Krohn and G. R. Ringo, "Ion Source of High Brightness using Liquid Metal", Applied Physics Lett, 27. pp. 479-518, 1975.

상세보기
J. Melngaills, "Critical Review : Focused Ion Beam Technologies and Applications", J. Vac. Sci. Technol. B5, pp. 469-495, 1987.
E. C. G. Kirk et al, "Cross-sectional Transmission Electron Microscopy of Precisely Selected Regions from Semiconductor Devices, Inst Phycs Conf Ser, 100, pp. 501-506, 1989.
A. Giannuzzi, F. A. Stevie., "A Review of Focused Ion Beam Milling Techniques for TEM Specimen Preparation", Micron, 30, pp. 197-204, 1999.

상세보기
Vladimir Matias, et al, "Coated Conductors Textured by Ion Beam Assisted Deposition", Physica C 460-462, pp. 312-315, 2007.

상세보기
J. Fu, et al, "A Study of Angular Effects in Focused Ion Beam Milling of Water Ice", Journal Micromech., Microeng. 18, pp. 1-8, 2008.
R. Anderson and S. J. Klepeis, "Combined Tripod Polishing and FIB Method for Preparing Semiconductor Plan View Specimen", Material Research Society Symposium Proceedings, 480 Pittsburgh PA, p. 187, 1997.
http://ionbeammilling.com/(이온빔 밀링 회사).
M. Kitamura, E. Koike, N. Tkasu, T. Nishimura, "Focused Ion Beam Machining for Optical Microlens Fabrication", Japan Journal of Applied Physics, 41, pp. 4019-4021, 2002.

상세보기
T. Masuzawa, Y. Yishida, H. Ikeda, K. Oguchi, H Yamagishi and Y. Yakabayashi, "Development of a Local Vacuum System for Focused Ion Beam Machining", Review of Scientific Instrument, 80, pp. 0737081-5, 2009.
http://www.vanderbilt.edu/exploration/print/pdfs/news/news_shutter2.pdf(이온빔 주입).
http://www.spirecorp.com/spire-biomedical/surfacemodification-technology/ion-beam-assisted-deposition.php.
http://www.4waveinc.com/ibd.html(증착).
http://www.rare-metal.com/en/bigclassmemo.aspx?id40 (이온빔 코팅).
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-reflective_coating#Index-matching(무반사 코팅).
http://www.fabtech.org/images/uploads/Companies/Carl_Zeiss/zeiss_9_him_column_300.gif.
http://www.laseroptik.de/index.php?Coating_Guide:Prod._Methods:Ion_Beam_Sputtering(이온빔 스퍼터링).
Y. Iijima et al, Physica C 426, p. 899, 2005.

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