[논문]승화성 나노 탄환입자와 표면위의 나노 고체입자의 충돌에서의 운동에너지 전달 특성

최민석; 이진원

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.7.595

승화성 나노 탄환입자와 표면위의 나노 고체입자의 충돌에서의 운동에너지 전달 특성
Characteristics of Kinetic Energy Transfer in Collisions Between Fragile Nanoparticle and Rigid Particle on Surface 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.7 = no.346, 2014년, pp.595 - 600

최민석 (포항공과대학교 기계공학부) , 이진원 (포항공과대학교 기계공학부)

초록
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충돌시 부서져 사라지는 승화성 나노 탄환입자로 표면 위에 붙어있는 고체 나노입자를 가격하는 과정에서 탄환입자로부터 목표입자로의 운동에너지 전달특성을 분자동역학 전산모사 방법을 이용하여 해석하였다. 탄환입자는 이산화탄소로 이루어져있으며 탄환의 크기, 온도 및 발사속도를 바꿔가며 전산모사를 수행하였다. 탄환입자로부터 목표입자에 전달되는 운동에너지 전달비율은 탄환 속도와 크기에 관계없이 일정하였지만 탄환의 온도에 따라 민감하게 변하였는데, 이는 온도에 따른 탄환입자의 결합력의 변화에서 기인하는 것이었다. 동일조건의 아르곤 탄환에 비하여 이산화탄소 탄환의 에너지 전달효율은 약 2 배 정도이며, 여기에서 이산화탄소 탄환의 높은 세정성능이 비롯됨을 최초로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of kinetic energy transfer during a collision between a rigid target particle on a surface and a fragile bullet particle moving at a high velocity were analyzed using molecular dynamics simulation. Bullet particles made of $CO_2$ were considered and their size, temperature, and velocity were varied over a wide range. The fraction of kinetic energy transferred from the bullet particle to the target particle was almost independent of the former's size or velocity; however, it was sensitively dependent on its temperature, which can be attributed to the change in the bullet rigidity with temperature. This fraction was nearly twice as high for $CO_2$ bullets as for Ar bullets. This result explains the reason for the more superior cleaning performance of $CO_2$ bullets than Ar bullets with regard to contaminants in the 10 nm size range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구의 목표는 이산화탄소로 이루어진 나노 탄환입자와 나노 고체입자의 충돌 시에 탄환입자로부터 오염입자로의 운동에너지 전달률을 분자동역학방법을 통해 파악하는 것이다.
(x × y × z)로 되어있으며, x 방향과 z 방향은 주기적 경계조건을 주었고 위쪽 y 방향으로는 반사 경계조건을 주었다. 전체 영역을 x 방향으로 길게 잡은 이유는, 이 거리가 짧은 경우 충돌 후의 탄환입자의 파편이 이동하고 있는 오염입자의 움직임을 방해할 수 있기 때문에 이러한 영향을 최소화하기 위해서이다.

제안 방법

초기에 탄환입자와 오염입자는 일단 전부 면심입방구조로 배치하고, 평판은 다이아몬드 격자구조를 이루도록 하였다. 계산의 용이함을 위해 면심입방구조를 사용하였다. 오염입자를 평판에 서서히 부착시키는 동안 평판과 오염입자는 Nosé-Hoover 서모스탯을 이용하여 300K 로 일정온도를 유지하였으며, 이 때 오염입자의 부착에너지는 약 200ε_Ar 이다.
무차원 탄환 지름(D_b*)은 10~16 범위이며, 탄환을 구성하는 입자 개수는 탄환 지름에 맞추어 조정하였다. 평판은 탄환과 동일한 수밀도를 가지도록 하여 22440 개의 Si 원자로 구성하였으며, 평판의 질량은 4 × 10⁹amu = 6.
본 연구에 쓰인 레나드-존스 포텐셜의 이산화탄소, 실리콘 및 오염입자에 대한 특성변수 값들은 Table 1 에 정리하였으며, 이 수치들은 기존에 연구된 아르곤 탄환에 대한 연구결과와의 비교를 위해 아르곤의 특성값(Table 2)을 기준으로 전부 무차원화하였다.^(14~16) 서로 다른 종류의 분자들의 경우 Lorentz-Berthelot mixing rule 을 이용하여 포텐셜을 계산하였다.
분자동역학 방법을 이용하여 부서지기 쉬운 이산화탄소 탄환입자와 평판 위에 붙어있는 단단한 오염입자 사이에 정면충돌하는 동안의 운동에너지 전달과정을 전산 모사하였다. 운동에너지 전달률은 탄환속도나 크기에 따른 변화는 거의 없었지만 오직 탄환입자의 온도에 따라서는 큰 차이를 보였는데, 이는 온도에 따른 탄환입자의 결합력의 변화 때문이다.
6 × 10^-15g 정도로 매우 크게 설정하여 움직임이 거의 없도록 구현하였다. 시뮬레이션에서 오염입자의 구조 형태에 따른 세정 결과 차이가 거의 없기 때문에, 계산시간 단축을 위해 실제 반도체 내에 존재하는 폴리머 형태 등의 다양한 구조를 지닌 오염입자를 단순화하여 같은 크기 내에서 적절한 결합력 및 적절한 부착에너지를 지닌 가상 LJ 분자를 이용하였다. 오염입자의 지름(D_c*)은 탄환지름의 변화폭의 중간 크기인 13 (4.
오염입자의 부착이 끝난 후, 전체 계는 다시 20000 타임 스텝 동안 서모스탯을 이용하여 온도를 일정하게 유지시킨다. 이 과정에서 오염입자와 평판의 온도는 300K 로 유지시키며, 탄환입자의 온도는 생성조건의 변화를 고려하여 36K, 108K의 두 가지 경우를 고려하였다. 탄환입자는 오염입자의 중심을 향해 45° 각도로 발사하고, 이 이후에는 평판만 300K 로 일정온도를 유지시킨다.
탄환입자와 오염입자 사이의 에너지 전달은 탄환이 부서지는 과정 중 초반의 짧은 시간 내에 일어나기 때문에, 탄환의 단단한 정도는 오염입자에 대한 에너지 전달에 영향을 줄 수 있다. 이러한 가능성을 검증하기 위해 이산화탄소 탄환을 이용하여 서로 다른 두 탄환온도 T_b* = 0.3(36 K)와 0.9(108 K) 조건에서 계산해보았다. 동일한 조건하에서 탄환온도가 낮은 경우엔 높은 경우보다 전달되는 오염입자의 최대 운동에너지 양은 훨씬 증가하는 것을 볼 수 있다(Fig.
이산화탄소 탄환입자에 대한 본 연구의 결과를 기존의 아르곤 탄환을 이용한 Choi 등⁽¹²⁾의 연구결과와 비교해 보았다. 아르곤 탄환은 높은 온도에서는 생성하기 어렵기 때문에 실험이나 해석에서 36K (T_b*=0.
탄환입자와 오염입자를 이루는 분자들의 움직임을 분자동역학 전산모사를 통해 계산하였다. 각 분자들 사이의 작용력은 아르곤과 이산화탄소 분자들의 거동을 모사하기에 적합한 레나드-존스 포텐셜, 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
평판과 오염입자 조건은 그대로 둔 채로 서로 다른 3 가지 탄환발사속도(V_b* = 3.0, 3.5, 4.0)와 4 가지 탄환크기(D_b* = 10, 12, 14, 16)를 가진 36K의 이산화탄소 탄환입자를 이용한 경우에 대한 전산모사를 수행하였다. 충돌 후 오염입자의 운동 특성은 탄환의 속도에 따라 크게 변하지만[Fig.
평판은 탄환과 동일한 수밀도를 가지도록 하여 22440 개의 Si 원자로 구성하였으며, 평판의 질량은 4 × 109amu = 6.6 × 10-15g 정도로 매우 크게 설정하여 움직임이 거의 없도록 구현하였다.

대상 데이터

시뮬레이션에서 오염입자의 구조 형태에 따른 세정 결과 차이가 거의 없기 때문에, 계산시간 단축을 위해 실제 반도체 내에 존재하는 폴리머 형태 등의 다양한 구조를 지닌 오염입자를 단순화하여 같은 크기 내에서 적절한 결합력 및 적절한 부착에너지를 지닌 가상 LJ 분자를 이용하였다. 오염입자의 지름(D_c*)은 탄환지름의 변화폭의 중간 크기인 13 (4.4 nm)이며, 20amu 인 LJ 분자들 2056 개로 이루어져있다. 오염입자의 수밀도는 탄환입자의 약 2 배정도이고, 포텐셜 우물 깊이 ε* 는 10 이며, 이 값은 오염입자가 Al 이나 Cu 입자보다 약간 부드러운 입자임을 나타낸다.

이론/모형

(14~16) 서로 다른 종류의 분자들의 경우 Lorentz-Berthelot mixing rule 을 이용하여 포텐셜을 계산하였다. 식 (2)의 미분에 의한 입자들의 속도와 가속도 계산은 Leap frog algorithm 을 이용하였고,⁽¹⁷⁾ 적분 time step 은 0.
식 (2)의 미분에 의한 입자들의 속도와 가속도 계산은 Leap frog algorithm 을 이용하였고,(17) 적분 time step 은 0.002τAr (약 4.32 × 10-15s)로 설정하여 계산하였다.

성능/효과

(1) 세정유체를 이용하는 습식공정에서는 유체유동이 부착입자에 작용하는 항력으로 오염입자를 제거하는데, 표면과 오염입자 사이의 접촉면적당 부착력은 입자의 크기에 반비례하는 반면 유동에 의한 항력은 입자의 단면적에 비례하기 때문에, 나노 입자에 있어서는 이러한 세정방식은 오염입자가 작아질수록 비효율적이 된다.^(2~6)
운동에너지 전달률은 탄환속도나 크기에 따른 변화는 거의 없었지만 오직 탄환입자의 온도에 따라서는 큰 차이를 보였는데, 이는 온도에 따른 탄환입자의 결합력의 변화 때문이다. 아르곤 탄환과 비교하여 동일온도 조건에서 이산화탄소 탄환의 에너지 전달효율은 약 2배 정도이며, 여기에서 이산화탄소 탄환의 높은 세정성능이 비롯됨을 확인하였다.
5). 아르곤 탄환입자를 이용했을 시의 F_K는 약 0.066~0.073 으로서, 이산화탄소 탄환 108K 의 조건보다는 약간 낮은 값을 나타내었고, 같은 온도인 36K 조건에서의 이산화탄소 탄환의 전달률과 비교한 경우엔 약 60% 정도의 값을 나타내었다.
오염입자가 평판으로부터 떨어지기 위해 필요한 속력은 탄환입자의 파편에 의한 총 인력이 커질수록 높아야 하며, 최종적으로 떨어지는 시점까지의 이동거리는 탄환입자가 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 바꿔 말하면, 매우 작은 탄환입자를 이용하여 세정하는 경우엔 충분한 발사속도를 가질 수 있다면 짧은 시간, 짧은 거리 범위 내에서 오염입자를 제거할 수 있음을 의미한다.
바꿔 말하면, 매우 작은 탄환입자를 이용하여 세정하는 경우엔 충분한 발사속도를 가질 수 있다면 짧은 시간, 짧은 거리 범위 내에서 오염입자를 제거할 수 있음을 의미한다. 탄환의 크기와 속도에 관계없이 F_K 는 거의 일정한 값을 나타내었으며 (0.112-0.115), 오염입자를 제거하기 위해선 탄환의 크기보단 탄환의 속도가 더욱 중요한 요소임을 알 수 있는데, 이는 큰 탄환입자를 저속으로 쏜 경우엔 (D_b* = 16, V_b* = 3.0) 작은 탄환을 고속으로 쏜 경우(D_b* = 10, V_b* = 4.0)에 비해 운동에너지는 2.3 배나 높아지지만 오염입자는 오히려 작은 운동에너지를 가진 탄환입자의 조건에서 떨어진다는 사실로부터 이를 유추할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드블래스트란 무엇인가?	재래의 가공기술 중 하나인 샌드블래스트는 모래와 같은 고체입자를 표면에 고속으로 충돌시켜 그 충격력으로 표면을 가공하는 방법인데, 최근 반도체 분야에서 웨이퍼 위에 부착된 나노크기의 오염입자를 제거하기 위해 개발되고 있는 저온입자세정법도 개념적으로는 이와 동일하다.
	반도체가공의 수율을 좌우하는 것은 무엇인가?	반도체가공의 수율은 표면오염에 의해 좌우되고, 앞으로 5 년 이내에 DRAM 혹은 플래시 메모리장치들의 생산에서 반드시 제거하여야 할 오염입자의 크기가 10nm 수준까지 낮아져야 한다.(1) 세정유체를 이용하는 습식공정에서는 유체유동이 부착입자에 작용하는 항력으로 오염입자를 제거하는데, 표면과 오염입자 사이의 접촉면적당 부착력은 입자의 크기에 반비례하는 반면 유동에 의한 항력은 입자의 단면적에 비례하기 때문에, 나노 입자에 있어서는 이러한 세정방식은 오염입자가 작아질수록 비효율적이 된다.
	입자빔 기법에 사용되는 탄환 입자는 어떤 특성을 가져야 하는가?	나노 크기의 오염입자를 효과적으로 세정할 수 있는 대안 중 하나로 개발되고 있는 입자빔 기법에서는 충돌 시 부서지는 탄환입자를 고속으로 표면상의 오염입자에게 분사하여 오염입자가 고속으로 표면상에서 움직이다가 표면에서 탈착되도록 하는 것이다. 표면에 이차적 오염이 발생하지 않도록 충돌 후에는 완전히 부서져서 기체로 바뀌어 제거되는 승화성 탄환을 이용하여야 하며, 일반적으로 기체나 액체를 고속 팽창시켜 탄환입자를 만드는데, 대체로 아르곤, 질소, 이산화탄소 등이 많이 쓰이고 있다.(7~9)

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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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