[논문]이온빔 몬테 카를로 시물레이션 프로그램 개발 및 집속 이온빔 공정 해석

김흥배

doi:10.7736/kspe.2012.29.4.479

[국내논문] 이온빔 몬테 카를로 시물레이션 프로그램 개발 및 집속 이온빔 공정 해석
Development of Ion Beam Monte Carlo Simulation and Analysis of Focused Ion Beam Processing 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.4, 2012년, pp.479 - 486

김흥배 ((주)쎄크)

Abstract ▼ AI-Helper

Two of fundamental approaches that can be used to understand ion-solid interaction are Monte Carlo (MC) and Molecular Dynamic (MD) simulations. For the simplicity of simulation Monte Carlo simulation method is widely preferred. In this paper, basic consideration and algorithm of Monte Carlo simulation will be presented as well as simulation results. Sputtering caused by incident ion beam will be discussed with distribution of sputtered particles and their energy distributions. Redeposition of sputtered particles that are experienced refraction at the substrate-vacuum interface additionally presented. In addition, reflection of incident ions with reflection coefficient will be presented together with spatial and energy distributions. This Monte Carlo simulation will be useful in simulating and describing ion beam related processes such as Ion beam induced deposition/etching process, local nano-scale distribution of focused ion beam implanted ions, and ion microscope imaging process etc.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 3차원 몬테 카를로 시물레이션 코드 “iMC”를 개발하였고, 자세한 시물레이션 방법에 대해 본 절에서 논의한다.
본 연구에서는 윈도우 기반의 3차원 몬테 카를로 프로그램을 개발하였으며, Fig. 4 에 시물레이션 결과가 보여지고 있다.
본 연구에서는 이온빔 몬테 카를로 시물레이션 프로그램을 개발하고 이온빔에 의한 1 차 효과와 2 차 효과에 대한 분석을 수행하였다. 이온에 의해 탈락한 원자들의 공간 및 에너지 분포와 반사된 이온들의 공간 및 에너지 분포에 대한 분석을 수행하였다.
이러한 재증착 문제는 이온과 모재의 종류 그리고 입사 에너지 등과 같은 가공 변수에 따라 높은 정도로 분석이 이루어진다면 문제를 해결하는데 도움이 되리라고 기대한다. 특히 본 연구에서는 탈락원자의 진공 계면에서의 굴절을 시도하였다. 탈출 원자들은 굴절을 경험하여 한 방향으로 치우친 분포가 아닌 고른 분포를 유지하는 경향을 확인하였다.
또한 스퍼터되는 원자들은 모재와 진공의 계면에서 속도차이로 인해 굴절(Refraction)을 경험하게 되고 최종적으로 탈출 분포가 변화된다. 현재까지 이러한 굴절 현상을 고려한 몬테 카를로 프로그램은 없었으므로 본 연구를 통하여 구현하였다. 다음절에서 몬테 카를로 해석에 대해 설명한다.

제안 방법

반사 이온들의 방향 및 에너지 특성을 정확히 계산하는 것이 이차 스퍼터링을 분석하는데 중요하므로 몬테 카를로 해석을 수행하여 반사이온들의 특성을 분석하기로 한다. 또한 스퍼터되는 원자들은 모재와 진공의 계면에서 속도차이로 인해 굴절(Refraction)을 경험하게 되고 최종적으로 탈출 분포가 변화된다.
몬테 카를로 방법은 에너지를 가지고 입사하는 이온의 모재와의 상호작용을 해석하기 위해 사용하는 가장 편리한 시뮬레이션 방법이다. 본 연구에서는 개발된 프로그램을 이용하여 이온의 입사에 대한 모재원자의 탈락과 입사이온의 모재 내부로의 분포를 시뮬레이션 하였다.
이온빔 몬테 카를로 시물레이션 코드 “iMC”를 개발하였다.
본 연구에서는 이온빔 몬테 카를로 시물레이션 프로그램을 개발하고 이온빔에 의한 1 차 효과와 2 차 효과에 대한 분석을 수행하였다. 이온에 의해 탈락한 원자들의 공간 및 에너지 분포와 반사된 이온들의 공간 및 에너지 분포에 대한 분석을 수행하였다.

데이터처리

개발된 몬테 카를로 프로그램을 이용하여 이온의 산란, 즉 전방 및 후방 산란에 대한 정보를 입사각도를 변경하면서 계산하였다. 탈락 원자의 경우 입사이온으로부터 에너지를 받아 모재 내부를 진행하다가 탈락하기 때문에 일반적으로 작은 에너지를 가진다.
따라서 반사 이온들은 에너지가 높은 것이 특징이며, 특히 입사 각도에 따라 반사 이온들의 에너지 특성이 달라지는 특성이 있다. 이러한 특성을 개발된 몬테 카를로 프로그램으로 분석하였으며, Fig. 7에 결과가 보여지고 있다. 입사 각도가 0도인 수직 입사의 경우 대부분의 입사 이온들은 모재 내부를 더 많이 이동하면서 에너지를 잃어버리고 상대적으로 작은 확률로 외부로 탈출하게 된다.
프로그램은 OpenGL 기반의 그래픽 기반 라이브러리를 이용하여 최종결과를 가시화하였다. 입사각도, 입사에너지, 이온 및 모재의 종류와 같은 초기 입력을 입력하면 스퍼터율과 같은 텍스트 정보와 이온 분포 등의 그래픽 정보를 결과로 볼 수 있다.

성능/효과

또한 입사한 이온들은 입사각도가 증가할수록 높은 반사계수를 보였으며, 이는 입사각도가 증가할수록 많은 수의 입사이온들이 반사하기 때문이다. 반사이온들의 특성은 스퍼터 된 원자들보다 높은 에너지 특성을 보였으며, 입사각도가 높아질수록 반사 이온들은 입사할 때의 에너지를 대부분 그대로 유지하며 반사되는 것으로 파악되었다. 이러한 특성은 높은 입사 각도를 가진 가공물의 측면 하단부에 이차 가공을 발생시키게 된다.
입사이온에 의한 모재 원자의 특성은 작은 에너지를 가지고 모재로부터 탈출하는 특성을 보이며 이로 인하여 모재와 진공의 계면에서 굴절 (Refraction)을 경험하였으며, 입사 각도에 따라 탈락원자들의 분포는 큰 차이를 보였다. 이러한 탈락원자는 이온빔 가공 중의 재증착 문제를 유발한다.
특히 본 연구에서는 탈락원자의 진공 계면에서의 굴절을 시도하였다. 탈출 원자들은 굴절을 경험하여 한 방향으로 치우친 분포가 아닌 고른 분포를 유지하는 경향을 확인하였다.

후속연구

본 연구결과를 이용하면 우선 이온빔을 이용한 정밀한 가공 방법에 대한 연구를 수행할 수 있을 것이라 기대된다. 현재까지 이루어진 대부분의 연구는 첫째, 이온빔의 정확한 직경을 모르는 상태에서 연구가 되었으며, 둘째, 보조가스에 의한 이온빔의 산란과 산란에 의한 빔 직경의 변화 등을 전혀 고려하지 않았고 셋째, 이로 인하여 국부적으로 이온주입 된 영역을 정확히 알지 못하는 상태에서 이루어졌다.
연구 계획으로 이온빔을 이용한 국부 이온주입 (Ion implantation)과 및 에칭 공정을 이용하여 나노 단위의 구조물을 정밀하게 생성할 수 있는 연구를 진행 할 계획이다. 이온빔과 보조 가스를 이용한 증착 및 에칭 공정에서 이온빔과 가스의 산란문제, 이온빔의 모재 내부에서의 분포, 이차전자의 발생 등을 고려한 연구가 진행될 예정이다.
이러한 2 차 효과를 정밀하게 고려하려면 이온과 모재의 상호작용에 대한 연구가 선행되어야 한다. 일반적으로 이체 충돌(Binary collision) 개념을 사용한 몬테 카를로(Mente Carlo) 방법과 분자 동력학(Molecular dynamics)을 이용한 방법이 주로 사용되고 있다.
현재까지 이루어진 대부분의 연구는 첫째, 이온빔의 정확한 직경을 모르는 상태에서 연구가 되었으며, 둘째, 보조가스에 의한 이온빔의 산란과 산란에 의한 빔 직경의 변화 등을 전혀 고려하지 않았고 셋째, 이로 인하여 국부적으로 이온주입 된 영역을 정확히 알지 못하는 상태에서 이루어졌다. 이러한 이온빔 관련 공정변수 들을 정확히 파악하지 못하는 상태에서는 정밀한 연구가 이루어지기 어려우므로 본 연구의 결과가 필수적이라 하겠다. .
이러한 탈락원자는 이온빔 가공 중의 재증착 문제를 유발한다. 이러한 재증착 문제는 이온과 모재의 종류 그리고 입사 에너지 등과 같은 가공 변수에 따라 높은 정도로 분석이 이루어진다면 문제를 해결하는데 도움이 되리라고 기대한다. 특히 본 연구에서는 탈락원자의 진공 계면에서의 굴절을 시도하였다.
연구 계획으로 이온빔을 이용한 국부 이온주입 (Ion implantation)과 및 에칭 공정을 이용하여 나노 단위의 구조물을 정밀하게 생성할 수 있는 연구를 진행 할 계획이다. 이온빔과 보조 가스를 이용한 증착 및 에칭 공정에서 이온빔과 가스의 산란문제, 이온빔의 모재 내부에서의 분포, 이차전자의 발생 등을 고려한 연구가 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중 분자 동력학 방법의 장점은 무엇인가?	일반적으로 이체 충돌(Binary collision) 개념을 사용한 몬테 카를로(Mente Carlo) 방법과 분자 동력학(Molecular dynamics)을 이용한 방법이 주로 사용되고 있다. 이중 분자 동력학 방법은 이온과 모재와의 상호작용을 시간의 함수로 정확하게 계산할 수 있다는 장점이 있으나 계산시간이 다소 많이 소비된다는 문제가 있다.7 몬테 카를로 방법은 통계적인 방법으로 계산시간이 빠르고 통계적으로 신뢰할 만한 결과를 볼 수 있다는 장점이 있다.
	이온빔을 이용한 가공공정 중 1차적인 효과는 무엇이 있는가?	이온빔을 이용한 가공공정 중에는 1차적인 효과와 2차적인 효과로 나뉘어지는데, 1차적인 효과에는 에너지를 가진 이온들에 의해 발생되는 스퍼터링과 정밀가공에서 문제점으로 지적되고 있는 재증착(redeposition) 이다.
	2차적인 효과를 고려한 연구가 미흡한 원인은 무엇인가?	많은 연구자들 의해 이온의 입사와 탈락한 원자들에 의한 재증착은 1 차적인 범위 내에서 주로 연구가 이루어졌으며, 2차적인 효과를 고려한 연구가 다소 미흡한 실정이다. 이러한 원인은 일반적인 이온빔의 사용은 2차 효과를 무시해도 되는 영역에서 주로 이루어져 왔거나 2차 효과를 고려하지 않도록 회피하여 사용되어 왔기 때문이다. 또한 2차 효과는 1차 효과에 비해 그 영향이 작기 때문이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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