[논문]집속이온빔(Focused Ion Beam)에 의한 단결정 다이아몬드 공구의 마이크로/나노스케일 절삭공구 형상 제작

백승엽; 장성민

doi:10.7736/kspe.2014.31.3.207

집속이온빔(Focused Ion Beam)에 의한 단결정 다이아몬드 공구의 마이크로/나노스케일 절삭공구 형상 제작
Fabrication of Micro/nanoscale Cutting Tool Geometry of Single Crystal Diamond Tool by Focused Ion Beam 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.3, 2014년, pp.207 - 213

백승엽 (인덕대학교 기계설계과) , 장성민 (조선이공대학교 선박해양 기계과)

Abstract ▼ AI-Helper

A study was carried out to fabricate the cutting tool geometry with micro/nanoscale on the single crystal diamond tool by using the FIB. The FIB technique is an ideal tool for TEM sample preparation that allows for the fabrication of electron-transparent foils. The FIB is appropriate techniques to sample and subsequently define the chemical composition and the structural state of mineral inclusion on the micro/nanoscale. The combination of FIB with a SEM allows for 3D information to be obtained from samples including 3D imaging. Cutting strategies were demonstrated to improve the performance of cutting tool geometry and to generate high aspect ratio micro cutting tool. A finely focused beam of 30keV Ga+ ions was used to mill cutting tool shapes for various micro patterns. Therefore FIB sputtering is used to shape a variety of cutting tools with dimensions in the $1-5{\mu}m$ range and cutting edge radii of curvature of under 50nm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 회절광학소자를 만들기 위해서는 초정밀가공기와 공구 및 가공공정이 필수적으로 뒷받침되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 회절광학소자를 만들기 위해서 서브 마이크로급 패턴가공용 서브마이크로급 cutting edge width를 가지는 단결정 다이아몬드 절삭공구 제작이 필요하고 이러한 공구를 개발하기 위해서 연삭가공과 집속이온빔(FIB) 가공공정 연구를 수행하였다.
본 연구에서 개발하고자 하는 초정밀 다이아몬드 공구는 3차원 자유곡면 표면에 서브마이크로급 패턴가공을 하기 위한 가공공구로서 STAVAX 재료 표면에 무전해 니켈도금을 한 금형 재료를 이용하여 F-theta lens를 제작하고 그 표면 위에 회절 광학소자(diffractive optical element)를 제작하는 것이다. Fig.
1은 서브마이크로급 패턴 가공을 위하여 제작 가능한 공구 형상을 보여주고 있다. 본 연구에서는 가공하고자 하는 패턴 형상에 따라서 몇가지 type의 초정밀 절삭공구를 제작하였다.
본 연구에서는 연삭 작업을 통해서 1.5um급의 절삭날 폭(cutting edge width)을 가지는 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. Fig.
광학성능이 우수한 회절광학소자를 만들기 위해서는 패턴에 대한 일정한 피치(pitch)가 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 피치 3um와 절삭깊이는 최소 0.3um 이상의 마이크로 패턴을 가공하기 위해서 최소 1.5um급의 cutting edge width를 가지는 다이아몬드 절삭 공구가 필요하다.
본 연구에서는 회절광학소자를 개발하기 위해서 서브마이크로급 패턴 가공용 초정밀 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. 연삭가공과 집속이온빔(FIB) 가공을 수행하여 마이크로/나노 스케일을 갖는 단결정 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다.
연삭 가공으로 cutting edge width를 1um 이하로 가공을 하는 것은 현실적으로 한계가 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 FIB 가공을 통해서 cutting edge width를 1um이하로 제작하고 공구의 길이도 폭과 높이의 비를 1:5정도로 제작할 수 있는 공정 연구를 수행하였다.

제안 방법

레스터 스캔(raster scan) 방식은 일정한 간격으로 한 방향으로 빔을 이동시키면서 가공하는 공정이고, 벡터 스캔(vector scan) 방식은 이동 경로의 시작점과 끝점을 정의해서 연속적으로 빔이 이동하면서 가공하는 방식이다.^19-22 본 연구에서는 가공시간을 고려하여 빔의 전류(beam current)를 높여서 벡터 스캔(vector scan) 방식으로 가공을 수행하고 난 후 이온빔을 정밀하게 제어하기 위해서 빔 전류(beam current)를 낮추고 레스터 스캔(raster scan) 방식으로 FIB 밀링가공을 수행하였다.
5um급의 cutting edge width를 갖는 다이아몬드 공구 제작 과정을 보여주고 있다. 단결정 다이아몬드를 인서트에 silver blazing을 한 후 라운드 연삭 휠을 이용하여 가공을 수행한 후 반대 면에서 평면 연삭 휠을 이용하여 가공을 수행하여 다이아몬드 공구를 제작하였다.
리프트 오프 (lift off) 공정은 기판 위에 레지스트 패턴을 먼저 형성하고 잔여층을 제거한 후 이를 증착 마스크로 사용하여 금속을 선택적으로 증착하고 화학용액(chemical solution) 등을 이용해 레지스트만 선택적으로 제거하여 금속패턴을 얻는 방식이다. 리프트 오프(lift off) 공정을 다이아몬드 공구 표면에 적용하여 FIB 밀링(milling) 가공을 수행하였다. 다이아몬드 표면 위에 니켈을 150nm 두께로 코팅하였다.
본 연구에서는 연삭가공과 집속이온빔을 이용하여 서브마이크급 절삭날 폭(cutting edge width)을 갖는 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다.
연삭 가공으로 제작된 V-type의 다이아몬드 공구를 이용하여 FIB가공을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 회절광학소자를 개발하기 위해서 서브마이크로급 패턴 가공용 초정밀 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. 연삭가공과 집속이온빔(FIB) 가공을 수행하여 마이크로/나노 스케일을 갖는 단결정 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. 절삭날 폭(Cutting edge width)은 1.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 Fig. 10과 같이 다이아몬드 표면 위에 백금(Pt)을 증착시키고 FIB 밀링을 수행하였다.
하지만 집속이온빔(FIB)은 가우시안(Gaussian) 빔의 형태를 가지기 때문에 다이아몬드 공구의 엣지(edge) 부분이 라운드가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 반도체 공정에서 주로 사용되고 있는 리소그래피 공정 기술 중에서 리프트 오프(lift-off) 공정을 적용하여 다이아몬드 공구 표면에 10nm두께의 크롬과 150nm 두께의 니켈을 e-beam 증착장비를 이용하여 코팅을 하였다. 코팅된 다이아몬드 공구 위에 FIB 가공을 수행한 결과 절삭날(Cutting edge)가 예리한 것을 확인하였다.
연삭가공과 집속이온빔(FIB) 가공을 수행하여 마이크로/나노 스케일을 갖는 단결정 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. 절삭날 폭(Cutting edge width)은 1.5um와 0.3um급의 다이아몬드 절삭공구를 제작하였다. 또한 절삭날의 sharpness가 있어야 절삭공구로서의 역할을 할 수 있다.

대상 데이터

시편은 단결정 다이아몬드를 사용하였으며, 챔버 내의 진공도는 8×10-5Pa 이하를 유지하고 있다.

성능/효과

10과 같이 다이아몬드 표면 위에 백금(Pt)을 증착시키고 FIB 밀링을 수행하였다. 그 결과 백금(Pt)을 증착시켰을 때가 그렇지 않을 경우보다 공구의 상단 폭과 하단 폭의 두께가 줄어든 것을 알 수 있다.
13은 다이아몬드 공구를 최대한 틸팅(tilt angle: 58)을 하여 FIB 가공을 수행한 결과이다. 다이아몬드 절삭공구로서 가지고 있어야 할 측면 여유량을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
코팅된 다이아몬드 공구 위에 FIB 가공을 수행한 결과 절삭날(Cutting edge)가 예리한 것을 확인하였다. 또한 다이아몬드 공구의 상단부와 하단부가 거의 균일하게 가공된 것을 알 수 있었다. 향후에는 코팅된 다이아몬드 공구 표면에 수십 마이크로의 절삭깊이를 가질 수 있도록 집속이온빔(FIB) 가공을 수행한 후 다시 연삭 가공을 하여 예리한 절삭날(Cutting edge)을 얻을 수 있는 연구를 진행할 계획이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 반도체 공정에서 주로 사용되고 있는 리소그래피 공정 기술 중에서 리프트 오프(lift-off) 공정을 적용하여 다이아몬드 공구 표면에 10nm두께의 크롬과 150nm 두께의 니켈을 e-beam 증착장비를 이용하여 코팅을 하였다. 코팅된 다이아몬드 공구 위에 FIB 가공을 수행한 결과 절삭날(Cutting edge)가 예리한 것을 확인하였다. 또한 다이아몬드 공구의 상단부와 하단부가 거의 균일하게 가공된 것을 알 수 있었다.

후속연구

이러한 결과는 공정연구를 통해서 충분히 절삭공구의 형상을 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 다이아몬드 공구의 상단부와 하단부가 거의 균일하게 가공된 것을 알 수 있었다. 향후에는 코팅된 다이아몬드 공구 표면에 수십 마이크로의 절삭깊이를 가질 수 있도록 집속이온빔(FIB) 가공을 수행한 후 다시 연삭 가공을 하여 예리한 절삭날(Cutting edge)을 얻을 수 있는 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온빔의 특징은 무엇인가?	이에 관련 기술 및 장비산업은 활용 범위를 확대하고 있고 급속하게 성장하고 있다.1 이온빔은 전자 및 광자빔과는 다른 물리적 특성으로 인하여 특별한 사용 영역을 가지고 있다. 특히 이온빔은 이온원(Ion source)에서 나온 이온들을 가속하고 원하는 모재 (Substrate) 위에 집속하여 충돌시키는 운동량 전달을 통한 스퍼터링(Sputtering)이 가공 원리이므로 모재 위에 포토레지스트(Photoresist) 없이 직접 가공이 가능하다.2,3 대칭 원통형 마이크로 부품의 제작은 시제품 제조측면에서 아주 중요한 과제이다.
	집속이온빔 가공 시 사용되는 레스터 스캔 방식과 벡터 스캔 방식은 무엇인가?	7은 집속이온빔 가공을 할 때 레스터 스캔 (raster scan) 방식과 벡터 스캔(vector scan) 방식에 대한 원리를 보여주고 있다. 레스터 스캔(raster scan) 방식은 일정한 간격으로 한 방향으로 빔을 이동시키면서 가공하는 공정이고, 벡터 스캔(vector scan) 방식은 이동 경로의 시작점과 끝점을 정의해서 연속적으로 빔이 이동하면서 가공하는 방식이다.19-22 본 연구에서는 가공시간을 고려하여 빔의 전류(beam current)를 높여서 벡터 스캔(vector scan) 방식으로 가공을 수행하고 난 후 이온빔을 정밀하게 제어하기 위해서 빔 전류(beam current)를 낮추고 레스터 스캔(raster scan) 방식으로 FIB 밀링가공을 수행하였다.
	몰드 및 마스터의 제작에는 어떠한 방법이 사용되는가?	4후처리 전착 공정을 갖는 원통 표면에 미세 접촉 인쇄술은 서브마이크로급의 해상도를 가지는 소형 3D형상을 생성하고,5 초기의 원통형 형상으로부터 설계가 시작된다.6 몰드 및 마스터(master)의 제작에는 charged particle lithography, deep reactive etching, micro machining 등의 여러 가지 방법이 사용되고 있다.7-10 회절광학 소자, 홀로그램, 3차원 디스플레이는 광정보처리 연구 분야의 근간을 이루는 구성요소들이다.

참고문헌 (22)

Ivor, I. and Julius, J. M., "The Physics of Micro/Nano-fabrication," Plenum Press, 1992.
Kaesmaier, R. and Loschner, H., "Ion Projection Lithography: Progress of European MEDEA & International Program," Microelectron. Eng., Vol. 53, No. 1, pp. 37-45, 2000.

상세보기
Frey, L., Lehrer, C., and Ryssel, H., "Nanoscale Effects in Focused Ion Beam Processing," Appl. Phys. A, Vol. 76, No. 7, pp. 1017-1023, 2003.

상세보기
Jackman, R. J., Brittain, S. T., Adams, A., Whitesides, G. M., and Prentiss, M. G., "Design and Fabrication of Topologically Complex, Three-Dimensional Micro- Structures," Science, Vol. 280, pp. 2089-2091, 1998.

상세보기
Brittain, S. T., Schueller, O. J. A., Wu, H. K., Whitesides, S., and Whitesides, G. M., "Microorigami: Fabrication of Small, Three-Dimensional, Metallic Structures," J. Phys. Chem. B, Vol. 105, No. 2, pp. 347-350, 2001.

상세보기
Maxwell, J., Larsson, K., Boman, M., Hooge, P., Williams, K., and Coane, P., "Rapid Prototyping of Functional Three Dimensional Microsolenoids and Electromagnets by High-Pressure Laser Chemical Vapor Deposition," Proc. Solid Freeform Fabrication Symp., pp. 529-536, 1998.
Tseng, A. A., "Recent Developments in Micromilling using Focused Ion Beam Technology," J. Micromech. Microeng, Vol. 14, No. 4, pp. R15-R34, 2004.

상세보기
Orloff, J., "Handbook of Charged Particle Optics," CRC Press, Boca Raton, pp. 129-160, 2009.
Kim, H. B., Hobler, G., Steiger, A., Lugstein, A., and Bertagnolli, E., "Level Set Approach for the Simulation of Focused Ion Beam Processing on the Micro/Nano Scale," Nanotechnology, Vol. 18, No. 26, pp. 265307-265313, 2007.

상세보기
Kim, H. B., Hobler, G., Steiger, A., Lugstein, A., and Bertagnolli, E., "Full Three-Dimensional Simulation of Focused Ion Beam Micro/Nanofabrication," Nanotechnolgoy, Vol. 18, No. 24, pp. 245303-245311, 2007.

상세보기
Reyntjens, S. and Puers, R., "A Review of Focused Ion Beam Applications in Microsystem Technology," J. Micromech. Microeng., Vol. 11, No. 4, pp. 287-300, 2001.

상세보기
Sugiyama, M. and Sigesato, G., "A review of Focused Ion Beam Technology and its Applications in Transmission Electron Microscopy," J. Elec. Microscopy, Vol. 53, No. 5, pp. 527-536, 2004.

상세보기
Tseng, A. A., "Recent Developments in Nanofabrication using Focused Ion Beams," Small, Vol. 1, No. 10, pp. 924-939, 2005.

상세보기
Adams, D. P. and Vasile, M. J., "Accurate Focused Ion Beam Sculpting of Silicon using a Variable Pixel Dwell Time Approach," J. Vac, Sci. Technol. B, Vol. 24, No. 2, pp. 836-843, 2006.

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Adams, D. P., Vasile, M. J., and Mayer, T. M., "Focused Ion Beam Sculpting Curved Shape Cavities in Crystalline and Amorphous Targets," J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 24, No. 4, pp. 1766-1775, 2006.

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Vasile, M. J., Niu, Z., Nassar, R., Zhang, W., and Liu, S., "Focused Ion Beam Milling: Depth Control for Three-Dimensional Micro Fabrication," J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 15, No. 6, pp. 2350-2354, 1997.

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Nassar, R., Vasile, M. J., and Zhang, W., "Mathematical Modeling of Focused Ion Beam Microfabrication," J. Vac. Sci. Tehcnol. B, Vol. 16, No. 1, pp. 109-115, 1997.
Fu, Y. and Bryan, N. K. A., "Fabrication of Three-Dimensional Microstructures by Two Dimensional Slice by Slice Approaching via Focused Ion Beam Milling," J. Vac. Sci. Tehcnol. B, Vol. 22, No. 4, pp. 1672-1678, 2004.

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Ward, J. W., Utlaut, M. W., and Kubena, R. L., "Computer Simulation of Current Density Profiles in Focused Ion Beams," J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 5, No. 1, pp. 169-1743, 2007.
Harriott, L. R., "Beam-size Measurement in Focused Ion Beam Systems," J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 8, No. 2, pp. 899-901, 1990.

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Ben Assaya, G., Vieu, C., Gierak, J., Sudraud, P., and Corbin, A., "New Characterization Method of Ion Current-Density Profile Based on Damage Distribution of Ga+ Focused-Ion Beam Implantation in GaAs," J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 11, No. 6, pp. 2420-2426, 1993.

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Park, J. J. and Kim, S. D., "The Effects of Fib Scan Method on Au Etching Profile," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 367-368, 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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