[논문]배분력의 정량적인 분석을 통한 단결정실리콘의 나노패턴 연성가공법 연구

최대희; 전은채; 윤민아; 김광섭; 제태진; 정준호

doi:10.7736/kspe.2016.33.1.11

배분력의 정량적인 분석을 통한 단결정실리콘의 나노패턴 연성가공법 연구
Study on Ductile Machining Technology for Manufacturing Nano-Patterns on Single Crystal Silicon through Quantitative Analysis of Thrust Force 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.1, 2016년, pp.11 - 16

최대희 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공) , 전은채 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공) , 윤민아 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공) , 김광섭 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공) , 제태진 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공) , 정준호 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스 전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Lithography techniques are generally used to manufacture nano-patterns on silicon, however, it is difficult to make a V-shaped pattern using these techniques. Although silicon is a brittle material, it can be treated as a ductile material if mechanically machined at extremely low force scale. The manufacturing technique of nano-patterns on single crystal silicon using a mechanical method was developed in this study. First, the linear pattern was machined on the silicon with increasing thrust force. Then, the correlation between measured cutting force and machined pattern was analyzed. Based on the analysis, the critical thrust force was quantitatively determined, and then the silicon was machined at a force lower than the critical thrust force. The machined pattern was observed using SEM and AFM to check for the occurrence of brittle fractures. Finally, the sharp V-shaped nano-pattern was manufactured on the single crystal silicon.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

또한 취성 파괴가 발생하는 현상에 대한 정성적인 분석만 했을 뿐 취성 파괴가 발생할 때의 배분력 및 절삭력에 대한 정량적인 분석은 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 배분력 및 절삭력을 분석함으로써 SEM, AFM 등의 추가적인 측정과정 없이 연성가공여부를 파악했으며 이를 바탕으로 실리콘 위에 취성 파괴가 없는 V형의 나노패턴을 가공하는 방법에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 단결정 실리콘을 연성가공 하기 위해 임계 배분력을 정량적으로 분석하고 이를 통해 단결정 실리콘 위에 취성 파괴가 없는 나노패턴을 가공하기 위한 연구를 진행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 장비는 Anton Paar Inc.의 나노스크래치 테스터로서 배분력과 패턴 길이를 제어하여 소재 표면을 긁는 기능을 가지고 있다. 크게 두 가지 실험방법을 제공하는데 첫 번째는 ‘progressive method’로써 배분력을 0에서부터 특정 힘까지 선형적으로 증가시키면서 가공하며, 두 번째는 ‘constant method’로써 특정 힘을 일정하게 유지하면서 가공한다.

성능/효과

(1) 특정 형상의 압입자로 소재표면을 긁는 나노스크래치 테스터는 나노급의 가공장비로서 사용할 수 있다.
(2) 단결정 실리콘을 가공한 결과 특정 배분력 이상에서 취성 파괴가 발생했으며 취성 파괴가 발생할 때 절삭력이 불안정한 것을 확인하였다.
(3) SEM, AFM등의 추가적인 과정없이 절삭력을 분석함으로써 연성가공 여부를 파악할 수 있음을 발견했다.
(4) 최초 취성 파괴가 발생하는 지점의 배분력을 ‘임계 배분력’ 이라고 정의했으며 임계 배분력의 55%에 해당하는 배분력으로 단결정 실리콘을 가공하여 나노급의 패턴을 제작하였다.
(5) SEM, AFM을 통해 패턴표면 및 단면에 취성 파괴가 없는 선명한 V형 패턴이 가공되었음을 확인하였다.

후속연구

재현성을 확인하기 위해 같은 조건으로 다수의 실험을 반복함으로써 평균 임계 배분력을 구했다. 그러나 Fig. 4의 1지점처럼 임계 배분력 직전의 하중으로 가공된 패턴주변 역시 연성가공이 이루어 졌다고 판단하기는 무리가 있기에 고품질의 나노패턴을 얻기 위해서는 적절한 배분력을 선정해 줄 필요가 있다.
9(b)와 같이 경사각이 -45°에 해당하여 칩의 배출이 용이하지 않아 버가 발생된 것으로 판단된다. 추후 연구에서는 공구의 경사각이 버발생에 미치는 영향을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단결정 실리콘은 주로 어디에 사용되는가?	단결정 실리콘은 반도체 산업과 나노포토닉스산업에서 많이 사용되는 소재이다. 기존에 단결정 실리콘에 패턴을 새기기 위한 방법으로는 리소그래피 공정이 많이 사용되고 있다.
	기존에 단결정 실리콘에 패턴을 새기기 위한 방법은?	단결정 실리콘은 반도체 산업과 나노포토닉스산업에서 많이 사용되는 소재이다. 기존에 단결정 실리콘에 패턴을 새기기 위한 방법으로는 리소그래피 공정이 많이 사용되고 있다. 기존의 방법으로는 직사각형 또는 U자 형태의 패턴 단면을 얻기가 쉬운 반면에 날카롭고 다양한 각도의 V자 형태의 패턴을 만들기 위해서는 복잡한 공정이 요구된다.
	리소그래피 공정의 장단점은 무엇인가?	기존에 단결정 실리콘에 패턴을 새기기 위한 방법으로는 리소그래피 공정이 많이 사용되고 있다. 기존의 방법으로는 직사각형 또는 U자 형태의 패턴 단면을 얻기가 쉬운 반면에 날카롭고 다양한 각도의 V자 형태의 패턴을 만들기 위해서는 복잡한 공정이 요구된다.1-5 만약 기계적 가공법을 이용해 단결정 실리콘을 가공한다면 공구모양에 따라서 날카로운 V형태의 패턴을 쉽게 만들 수 있다.

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