[논문]집속이온빔을 가공 시스템 설계 및 제작

박철우; 이종항; 최진형; 유성만

문제 정의

그리고 SIMION 시뮬레이터를 활용하여 이온빔 집 속기 구의 설계에 필요한 각종 설계 데이터를 얻어 시스템에 적 용함으로서 가공 장치의 최적화를 도모하고자 한다.
본 논문에서는 이러한 나노급 가공이 가능한 집속이온 빔장치의 국산화를 목적으로 연구개발을 시도한 일부 결과들을 보고한다. 또한, 본 연구에서 시도한 집속이온빔 기구는 높은 빔 차단능력과 가변 빔 전류 능력을 갖고 있는 Einzel 렌즈 기구를 적용하였으며, 이를 적용한 집속이온빔 장치를 설계 및 제작하였다.

제안 방법

경통부 설계에 필요한 데이터들을 얻기 위하여 각종 데이터들을 SIMION 시뮬레이터에 입력한다. SIMION 시뮬레이터에 입력된 데이터는 이온빔의 경로에 기여도가 큰 근축 영역은 좀 더 메쉬 크기를 세밀하게 입력하고, 전압이 가해지 는 전극 부분과 그렇지 않은 곳을 구별하였다. 장치도 는 5,000시, 000개의 픽셀을 가지고 실척보다 10배 확대하여 입 력흐였다.
각 실험에 입사되는 이온빔은 중심축에서 평행한 방향으로 상하로 일정한 간격으로 떨어진 입사한 빔과 중심축의 한 점에서 일정한 각의 변화를 가지고 입사한 구면 입사빔으로 구분하고, 입사에너지 변화가 있는 경우와 없는 경우로 구분하여 측정한다.
경통부 설계에 필요한 데이터들을 얻기 위하여 각종 데이터들을 SIMION 시뮬레이터에 입력한다. SIMION 시뮬레이터에 입력된 데이터는 이온빔의 경로에 기여도가 큰 근축 영역은 좀 더 메쉬 크기를 세밀하게 입력하고, 전압이 가해지 는 전극 부분과 그렇지 않은 곳을 구별하였다.
셋째로, 장치 전체를 통과하는 이온빔을 고려하여 집속렌즈와 대물렌즈의 전압을 변화시키며, 집속이온빔의 위치를 관찰한다. 또한 디플렉터의 전압을 변화 시켜 집속된 이온빔이 중심축에서 떨어지는 거리를 측정한다. 또한 조리개의 크기와 위치의 변화에 따른 집속이온빔의 변화도 관찰한다.
또한 디플렉터의 전압을 변화 시켜 집속된 이온빔이 중심축에서 떨어지는 거리를 측정한다. 또한 조리개의 크기와 위치의 변화에 따른 집속이온빔의 변화도 관찰한다.
본 논문에서는 이러한 나노급 가공이 가능한 집속이온 빔장치의 국산화를 목적으로 연구개발을 시도한 일부 결과들을 보고한다. 또한, 본 연구에서 시도한 집속이온빔 기구는 높은 빔 차단능력과 가변 빔 전류 능력을 갖고 있는 Einzel 렌즈 기구를 적용하였으며, 이를 적용한 집속이온빔 장치를 설계 및 제작하였다.
모의실험 방법은 입력된 장치도에 전압 조건을 부여하고, 입사이온빔의 조건을 결정하여 실행했다. 장치의 기하학적 변수는 장치도를 변화시키고, 전기적 변수인 전압은 모의실험 중에서 변화를 주며, 최종적으로 입사 이온의 변수인 이온의 종류, 전하량, 질량, 에너지, 입사 위치, 입사방법(평행입사와 구면입사)을 이온빔 조건에 입력하여 모의실험을 수행한다.
이때 입사 이온빔의 초기 위치는 조리개로 한다. 셋째로, 장치 전체를 통과하는 이온빔을 고려하여 집속렌즈와 대물렌즈의 전압을 변화시키며, 집속이온빔의 위치를 관찰한다. 또한 디플렉터의 전압을 변화 시켜 집속된 이온빔이 중심축에서 떨어지는 거리를 측정한다.
실제 제작된 이온빔 장치를 이용하여 샘플 이미지를 보기 전에 모의실험한 결과를 바탕으로 집 속할 전압과 가속전압 및 이온빔의 궤적을 찾아보았다.
이온빔 가속전압이 12kV와 15kV, 일 때 집속렌즈에 3kV의 전압을 인가하고, 대물렌즈에 4kV와 6kV로 인가하여 이온빔이 집속되는 좌표를 계산하였다.
모의실험 방법은 입력된 장치도에 전압 조건을 부여하고, 입사이온빔의 조건을 결정하여 실행했다. 장치의 기하학적 변수는 장치도를 변화시키고, 전기적 변수인 전압은 모의실험 중에서 변화를 주며, 최종적으로 입사 이온의 변수인 이온의 종류, 전하량, 질량, 에너지, 입사 위치, 입사방법(평행입사와 구면입사)을 이온빔 조건에 입력하여 모의실험을 수행한다.
본 연구에서의 모의실험은 크게 3가지로 구분해서 수행한다. 첫째로, 집속렌즈 부분에서 이온빔을 조리개에 집속시키는 조건을 찾기 위해서 집속렌즈의 3단 중 끝단은 GND 전압을 인가하고, 중앙의 한 곳에 전압을 바꾸어 가면서 집속지점을 확인한다. 입사이온빔의 위치는 이온빔 발진부의 끝단을 기준으로 한다.

이론/모형

수십 나노급의 형상을 가공할 수 있는 집속이온빔가공장 치의 설계에 필요한 데이터를 얻기 위하여 SIMION 시뮬레이터를 이용하였다.

성능/효과

5는 가속전압을 12kV로 인가할 때의 이온빔의 집 속 초점과 시료 대에 도달했을 때의 좌표값을 계산할 결과이다. 가속전압 12kV를 인가할 때, 집속렌즈 3kV, 대물렌즈 4kV의 전압을 인가하면, 이온빔은 X축으로부터 19㎛를 벗어나며, Y축으로부터는 437.7mm의 위치에 집속되는 결과를 얻을 수 있었다.
결국 이온빔의 집속에 영향을 미치는 것은 대물렌즈의 인가전압이 높을수록 이온들이 근축(X축)으로부터 이탈된 거리가 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 Fig.
또한, 12kV의 가속전압에서 대물렌즈에 6kV의 전압을 인 가하면 이온빔이 경통 내부에 집속되는 것을 알 수 있다. 그리고 가속전압을 15kV로 인가할 경우 대물렌즈에 4kV를 인가하면 이온빔이 집 속되지 않음을 알 수 있었다. 즉, 이와 같은 데이터로 경통을 설계하면 시료대 위치에서 이온을 검출할 수 없음을 의미한다.
따라서 대물렌즈에 인가하는 전압을 증가시키면 이온빔의 초점거리가 짧아지는 것을 알 수 있었다.
모의실험 결과를 보면 12kV와 15kV를 인가한 실험에서는 초점과 시료 대에서 이온빔의 집속을 계산할 수 있다. 그러나 12kV와 15kV에서는 근축상의 데이터와 Y축 상의데이터가 일치해야만 실질적인 이미지를 볼 수 있다.
이온빔을 나노급으로 집속시키기 위해서는 이온원의 선택이 중요하다. 선택기준은 첫째, 이온빔의 발생영역이 매우 작 아야 하며, 둘째, 장시간의 동작에서 안정적인 성능을 유지해야 한다. 셋째, 높은 에너지로 가속시킬 수 있어야 하며, 이때 에너지 퍼짐 특성이 매우 작아야 하고, 넷째, 이온빔의 세기가 커야 한다는 것이다.
선택기준은 첫째, 이온빔의 발생영역이 매우 작 아야 하며, 둘째, 장시간의 동작에서 안정적인 성능을 유지해야 한다. 셋째, 높은 에너지로 가속시킬 수 있어야 하며, 이때 에너지 퍼짐 특성이 매우 작아야 하고, 넷째, 이온빔의 세기가 커야 한다는 것이다. 이와 같은 특성을 가지고 있는 이온 빔으로서 가장 적합한 이온원이 갈륨을 이용한 액체 금속 이온원(LMIS, liquid metal ion source)이다.
시뮬레 이 션결과, 대물렌즈에 인가하는 전압을 증가시키면 이온빔의 초점거리가 감소하였으며, 이 결과들을 적용하여 50마이크로미터 크기의 메쉬 샘플을 측정한 결과 선명한 이 미지들을 얻을 수 있었다.

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