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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 서브마이크로미터 단위의 수직적인 구조의 간격, 높이뿐만 아니라 기울어진 구조에 따른 마찰특성을 비교, 분석하고자 한다. 일정한 크기를 갖는 서브마이크로 구조를 만들기 위해 정밀 가공이 가능한 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 사용하였으며, 간격, 높이, 각도에 차이를 두어 총 7개의 시편을 제작하였다.
제안 방법
- 08 N/m과 28 nN/m 이었다. LFM 신호는 콜로이드 탐침의 구형 입자가 구조물의 중앙 부분을 스캔할 때 측정하였다. 수직하중을 200 nN에서 1100 nN까지 300 nN 단위로 증가시켜 4개 조건의 수직하중에서 측정하였으며, 미끄럼 속도는 12 μm/sec로 하였다.
- 일정한 크기를 갖는 서브마이크로 구조를 만들기 위해 정밀 가공이 가능한 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 사용하였으며, 간격, 높이, 각도에 차이를 두어 총 7개의 시편을 제작하였다. 그 후 원자현미경의 LFM(lateral force microscope) 방식으로 하중에 따른 마찰력을 측정하고, 구조가 없는 실리콘과 비교하여 평가하였다. 또한 미세구조의 더욱 효과적인 마찰 거동을 구하기 위해 콜로이드 탐침(colloidal probe)을 사용하였다.
- 그 후 원자현미경의 LFM(lateral force microscope) 방식으로 하중에 따른 마찰력을 측정하고, 구조가 없는 실리콘과 비교하여 평가하였다. 또한 미세구조의 더욱 효과적인 마찰 거동을 구하기 위해 콜로이드 탐침(colloidal probe)을 사용하였다.
- 5). 또한 상대적으로 큰 팁 반경으로 미세구조에서 발생할 수 있는 접촉압력을 구현할 수 있는 콜로이드 탐침을 사용하였다. 일반적인 원자력현미경 탐침은 약 15~20 nm로 매우 작은 팁 반경을 가지기 때문에 높은 접촉 압력이 발생하여 실제 미세 구조물에서 탐침 선단부의 변형과 심한 마모가 발생할 경우, 신뢰성 있는 마찰 실험을 실시하기가 어렵다.
- 또한 신호 값에 대한 신뢰성을 높이기 위해 표면구조가 없는 부분을 대상으로 동일한 시험을 실시하여 구조 유무에 따른 마찰 특성의 차이점을 파악하였다. 표면 구조가 있는 실리콘 표면을 지날 때 얻어진 LFM신호들의 평균값과 구조가 없는 표면을 지날 때 획득한 LFM 신호들의 평균값의 비율을 “마찰력 비” (ratio of friction force)로 정의하여 Fig.
- 콜로이드 구형 입자가 구조의 선단부 모서리를 지나는 과정에 매우 높은 LFM 신호가 관찰되며 모서리를 벗어나 편평한 상부 표면만을 접촉하여 지나는 동안은 LFM 신호가 감소하고 후단부 모서리의 영향을 받으며 지나는 구간에선 매우 낮은 LFM 신호가 감지되었다. 본 연구에서는 미세 구조물의 형태가 마찰 특성에 미치는 영향을 LFM 신호의 피크(peak)값과 골짜기(valley) 값의 차이(Fp-Fv신호 값, peak-to-valley friction force)를 통하여 정량적으로 평가하였다.
- 본 연구에서는 서브마이크로 구조물의 마찰 특성을 알아보기 위해 원자력 현미경(SmartSPM, AIST-NT, USA)을 LFM 방식으로 마찰거동을 조사하였다(Fig. 5). 또한 상대적으로 큰 팁 반경으로 미세구조에서 발생할 수 있는 접촉압력을 구현할 수 있는 콜로이드 탐침을 사용하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 표면 위에 집속이온빔으로 서브마이크로미터 구조물을 간격, 높이, 각도에 차이를 주어 제작하였고, 콜로이드 탐침을 사용해 LFM 방식으로 조사하여 미세구조물의 표면 마찰특성을 파악하였다. 그 결과 서브마이크로 구조에 따라 마찰특성의 차이를 보였다.
- 수직하중을 200 nN에서 1100 nN까지 300 nN 단위로 증가시켜 4개 조건의 수직하중에서 측정하였으며, 미끄럼 속도는 12 μm/sec로 하였다.
- 실리콘 웨이퍼 표면의 서브마이크로 구조는 간격(Pitch), 높이(height), 각도(tilt angle)에 차이를 두어 7개의 시편을 제작하였다(Fig. 1).
- 집속이온빔은 전류밀도(beam density), 가속전압(accelerating voltage), 조리개 사이즈에 따른 빔의 크기(beam size)에 따라 정밀가공 식각에 주요한 영향을 미치고, 그 외에도 드웰시간(dwell time), 스캔방법(scan mode), 오버랩(overlap) 정도, 가공패턴의 크기에 따라 미세구조의 표면제작에 영향을 준다[9]. 이온 빔의 식각과 증착에 영향을 미치는 이러한 요소들을 고려해 실리콘웨이퍼 표면에 서브마이크로미터 구조를 만들기 알맞은 가공조건을 결정하였다(Table 1).
- 집속이온빔을 이용해 만든 실리콘의 미세구조는 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-6700F, JEOLLtd, Japan)을 이용해 확인하였다.
- 첫 번째, 구조 간격에 따른 실리콘 표면 특성을 비교하기 위해 제작된 구조의 간격은 각각 585±11 nm, 780±10 nm, 949±12 nm로 대략 200 nm 간격의 차이를 두었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼(Si wafer)표면에 LMIS(liquid metal ion source)방식의 Ga+를 이온 원으로 하는 집속이온빔 장치(SMI3050, SII Nanotechnology, Japan)를 사용하여 서브 마이크로 구조물을 제작하였다. 집속이온빔은 나노/마이크로 급의 다양한 형상과 높이, 피치의 패턴을 정밀가공 할 수 있어 식각(Etching), 증착(deposition)을 이용한 회로수정, 단면 분석, 투과전자현미경(TEM)용 시료제작이 가능하고 MEMS와 같은 초소형 구조물의 가공에 활용되고 있다[8].
- 사용한 콜로이드 탐침은 직경이 10±1 µm인 보로실리게이트 구(9010, Duke, Thermo Scientific, USA)를 팁이 없는 실리콘 캔틸레버(AIOAL-TL, length 157.3 μm, width 34 μm, thickness 2.7 μm, Budget Sensors, Bulgaria) 끝 단 중심축에 가깝게 자외선 경화 접착제(DHUV-7020, Daeho AT, South Korea)를 사용해 고정하였다(Fig. 6).
- 따라서 본 연구에서는 서브마이크로미터 단위의 수직적인 구조의 간격, 높이뿐만 아니라 기울어진 구조에 따른 마찰특성을 비교, 분석하고자 한다. 일정한 크기를 갖는 서브마이크로 구조를 만들기 위해 정밀 가공이 가능한 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 사용하였으며, 간격, 높이, 각도에 차이를 두어 총 7개의 시편을 제작하였다. 그 후 원자현미경의 LFM(lateral force microscope) 방식으로 하중에 따른 마찰력을 측정하고, 구조가 없는 실리콘과 비교하여 평가하였다.
이론/모형
- 6). 제작한 콜로이드 탐침의 수직 스프링 상수(normal spring constant)와 횡방향 스프링 상수(lateral spring constant)는 사용한 원자력현미경인 Smart SPM에 탑재된 Sader method를 이용한 측정모듈을 이용해 결정하였으며, 각각 7.08 N/m과 28 nN/m 이었다. LFM 신호는 콜로이드 탐침의 구형 입자가 구조물의 중앙 부분을 스캔할 때 측정하였다.
성능/효과
- 하중이 증가함에 따라 마찰력 비는 증가하여 구조를 가진 실리콘 표면이 구조가 없는 실리콘 표면보다 높은 마찰력을 가지나 하중이 800 nN 이상으로 증가하면 일정해지는 경향을 보였다.
- 45° 기울어진 구조는 콜로이드 탐침이 미끄러지는 방향과 반대 방향으로 구조가 기울어져 있으므로 모든 하중 조건에서 135° 기울어진 구조의 경우보다 Fp-Fv신호 값이 클 것으로 예상되었으나, 낮은 하중인 200 nN에서는 오히려 신호 값이 작았다.
- 9(c)에서는 45°, 135° 기울어진 구조의 마찰력을 구조가 없는 표면과 비교하여 제시하였다. 결과를 보면, 기울어진 구조는 기울어진 각도에 상관없이 시험이 진행된 전체 하중 범위에서 1 보다 낮은 것을 확인하였다. 이는 기울어진 구조가 있는 표면이 없는 표면에 비해 마찰력이 감소한다는 것을 알 수 있다.
- 낮은 하중에서는 간격, 높이에 상관없이 구조가 있는 표면에서 더 낮은 마찰력 비를 보였으며, 높은 하중에서는 구조가 있는 표면에서 더 높은 마찰력 비를 보였다. 경사진 구조물의 마찰력 비는 수직 구조물보다 전반적으로 작게 나타나는 것으로 보아 서브마이크로 단위의 경사진 구조와 수직한 구조에서의 마찰력에서 차이가 있음을 확인하였다.
- 구조의 간격이 증가하고, 높이가 감소하며, 45°경사가 있을 때 Fp-Fv신호 값이 커지는 결과를 나타냈다.
- 그러나 하중이 증가함에 따라 45° 기울어진 구조의 Fp-Fv 신호 값이 135° 기울어진 구조의 경우보다 급격히 증가하여 1,100 nN의 하중에서는 45° 기울어진 구조의 Fp-Fv신호 값이 135° 기울어진 구조의 신호 값보다 대략 4배 컸다.
- 두 번째, 높이에 따른 특성을 비교하기 위해 제작된 구조의 높이는 각각 481±3 nm, 953±6 nm, 1441±6 nm로 대략 500 nm 높이의 차이를 두었고, 간격은 780±10 nm, 각도는 0o로 일정하다.
- 구조의 간격이 증가하고, 높이가 감소하며, 45°경사가 있을 때 Fp-Fv신호 값이 커지는 결과를 나타냈다. 또한 서브마이크로 구조가 없는 실리콘 표면과 비교했을 때 낮은 하중과 높은 하중에 따라 마찰 특성이 다르게 나타났다. 낮은 하중에서는 간격, 높이에 상관없이 구조가 있는 표면에서 더 낮은 마찰력 비를 보였으며, 높은 하중에서는 구조가 있는 표면에서 더 높은 마찰력 비를 보였다.
- 서브마이크로 구조물의 간격, 높이, 각도에 따라LFM 신호를 측정해 본 결과 각 시편의 마찰력 값에 현저한 차이가 있음이 확인되었다. Fig.
- 7에 의하면 구조물의 기하학적 형상이 마찰력에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 콜로이드 구형 입자가 구조의 선단부 모서리를 지나는 과정에 매우 높은 LFM 신호가 관찰되며 모서리를 벗어나 편평한 상부 표면만을 접촉하여 지나는 동안은 LFM 신호가 감소하고 후단부 모서리의 영향을 받으며 지나는 구간에선 매우 낮은 LFM 신호가 감지되었다. 본 연구에서는 미세 구조물의 형태가 마찰 특성에 미치는 영향을 LFM 신호의 피크(peak)값과 골짜기(valley) 값의 차이(Fp-Fv신호 값, peak-to-valley friction force)를 통하여 정량적으로 평가하였다.
후속연구
- 이는 집속이온빔의 공정 파라미터를 결정하고, 설계된 패턴을 초정밀 수준으로 가공해 표면 마찰을 줄여 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한 에너지 절감 효과를 달성함으로써, 미세구조시스템의 신뢰성과 성능을 향상시키는 효과가 기대된다.
- 서브 마이크로 구조물의 간격, 높이, 각도에 따른 실리콘 표면의 마찰거동 특성 변화의 연구 결과는 특정한 마찰 특성을 가진 표면을 설계하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 패턴에 의한 최적의 표면 설계를 위해 구조물의 차이에 따른 윤활 특성에 대해서도 추가적인 연구가 요구된다[11].
- 서브 마이크로 구조물의 간격, 높이, 각도에 따른 실리콘 표면의 마찰거동 특성 변화의 연구 결과는 특정한 마찰 특성을 가진 표면을 설계하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 패턴에 의한 최적의 표면 설계를 위해 구조물의 차이에 따른 윤활 특성에 대해서도 추가적인 연구가 요구된다[11]. 이는 집속이온빔의 공정 파라미터를 결정하고, 설계된 패턴을 초정밀 수준으로 가공해 표면 마찰을 줄여 내구성을 향상시킬 수 있다.
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