이온 밀링 머신

이온 밀링()은 재료 분석 기술 준비에 중요한 특수 물리적 에칭 기술이다. 이온 밀링을 거친 시편은 표면이 훨씬 더 매끄럽고 선명해져 과학자들이 재료를 훨씬 쉽게 연구할 수 있다. 이온 밀은 고에너지 입자를 생성하여 시편 표면의 물질을 제거하는데, 이는 협곡에서 모래와 먼지 입자가 바위를 침식하여 매끄러운 표면을 만드는 것과 유사하다. 다른 기술에 비해 이온 밀링은 표면 손상이 훨씬 적어B. Chapman, A. R. Inamdar, and D. C. Joy. (1999). "Preparation of transmission electron microscopy samples of composite materials". Materials Characterization, 43(1), 53–59. 표면 민감 분석 기술에 완벽하다. 이 글에서는 이온 밀링의 원리, 장비, 응용 분야 및 중요성에 대해 설명한다.

 원리 
이온 밀링은 스퍼터링 및 침식 원리에 따라 작동한다. 스퍼터링은 고에너지 이온이 시료 표면을 충격할 때 발생한다. 이온은 표면의 원자 및 분자와 충돌하여 표면 원자를 떼어낸다. 고에너지 이온이 재료 표면에 직접 향하면 충돌 캐스케이드가 발생한다. 이온은 시편 표면을 충격하고 에너지는 이온에서 표면 원자로 전달된다. 전달된 에너지가 목표 원자의 결합 에너지를 초과하면 표면에서 분리된다. 돌출된 물질은 표면 결합 에너지가 적고 스퍼터링을 통해 더 쉽게 배출된다.R. Behrisch, Sputtering by Particle Bombardment I. Berlin: Springer-Verlag, 1981. 이온 밀링 과정이 계속됨에 따라 시료 표면은 서서히 침식되어 얇고 평평하며 손상 없는 표면을 생성한다. 이온의 입사각, 이온 에너지 및 사용되는 이온 유형을 변경하여 특정 결과를 얻을 수 있다.S. Hofmann and M. Liu. (2003). "Advances in ion milling techniques for high resolution electron microscopy". Micron, 34(2), 117–123.

 장비 
 이온 소스 
이온 소스는 이온 밀링의 기본이다. 이온 소스의 설계 및 작동은 정확한 결과를 얻는 데 중요하다. 가장 일반적으로 사용되는 이온 소스는 무선 주파수(RF) 이온 소스와 직류(DC) 전기장을 사용하여 기체, 일반적으로 아르곤이나 제논과 같은 비활성 기체에서 이온을 생성하고 가속한다. RF장은 높은 수준의 제어 및 효율성을 허용하기 때문에 이온화에 사용된다. RF 이온 소스는 공명기에서 교류 무선 주파수 전기장을 생성하여 효율적으로 이온을 생성할 수 있다. RF는 수 메가헤르츠의 주파수를 사용하며, 이는 대부분의 사용되는 기체에 가장 적합하다. RF장은 기체가 이온화 및 전자 분리 사이클을 반복하게 하여 플라스마를 생성한다. 교류 전기장은 전자를 떼어내고 양이온을 남겨 기체를 이온화한다. 그런 다음 이온은 DC 전기장을 사용하여 플라스마에서 가속된다. DC 전기장이 있는 추출 전극은 전극과 플라스마 영역 사이의 전압 차이로 인해 이온을 시편 쪽으로 가속한다. RF 및 DC장 간의 시너지는 이온 소스 성능 최적화에 중요하다. 이들 장 간의 정확한 조합은 이온 빔에 에너지 및 전류와 같은 필요한 특정 특성을 제공한다.

 시료 홀더 
표면이 균일하게 침식되도록 이온 밀이 작동하는 동안 시편이 제자리에 고정되어야 한다. 시편 자체는 대부분 평평하고 깨끗한 표면을 가져야 한다. 이온 밀링 전에 표면은 상당히 평평해야 하는데, 그 이유는 이 과정이 많은 물질을 제거하지 않기 때문이다. 시편 표면이 더럽거나 그 위에 다른 입자가 있으면 이온 밀은 실제 시편 표면이 아닌 상단층에서 작동한다.

 진공 시스템 
최적의 밀링 결과를 얻으려면 시편이 고진공 환경에 있어야 한다. 진공은 이온 빔을 방해할 수 있는 공기 입자가 거의 없도록 한다. 이 방법으로 에너지 빔의 모든 에너지를 훨씬 적은 에너지 손실로 표면에 전달할 수 있다. A. Howie, D. B. Williams, and M. P. Seah. (1988). "The Royal Microscopical Society and the development of transmission electron microscopy". Microscopy Research and Technique, 9(3), 202–215.

 분석 
이온 밀링 과정을 분석하고 모니터링하는 것은 원하는 결과를 얻고 결과의 품질을 보장하는 데 중요하다. 이온 밀링 중 주요 매개변수를 확인하는 많은 기술과 장비가 있다.

 주사전자현미경 (SEM) 
SEM은 이온 밀링 후 시료의 표면 형태를 분석하는 데 사용된다. SEM 이미징은 물질 제거, 표면 거칠기 및 단면 특징을 평가하는 데 사용된다.

 이차 이온 질량 분석법 (SIMS) 
시료를 밀링한 후 SIMS를 사용하여 원소 및 동위 원소 분석이 수행된다. 1차 이온이 표면을 충격한 후, 표면 충격 중에 2차 이온 및 입자가 방출된다. 과학자들은 밀링에 사용되는 이온과 방출되는 2차 이온을 이해함으로써 재료의 구성에 대한 포괄적인 데이터를 수집할 수 있다. [90]

 X선 광전자 분광학 (XPS) 
XPS는 표면의 화학적 조성을 분석하는 데 사용된다. X선은 시료를 조사하고 방출된 광전자의 에너지를 측정하는 데 사용된다. XPS는 표면 화학을 평가하고 이온 밀링으로 유도된 모든 화학적 변화를 감지할 수 있다. 이 과정은 이온 충격 후 이온 밀링이 표면에 가한 손상의 양을 알려줄 수 있다. C. D. Wagner and G. E. Muilenberg, Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Data for Use in x-Ray Photoelectron Spectroscopy. Eden Prairie, MN: Physical Electronics Division, Perkin-Elmer Corp., 1979.

 현장 모니터링 기술 
현장 모니터링 기술은 이온 밀링 과정을 실시간으로 관찰한다. 현장 모니터링의 한 유형은 광학 방출 분광학 (OES)이다. OES는 이온 밀링 중 빛의 방출을 모니터링하고 플라스마에 대한 정보를 제공한다.M. E. Thompson et al., "Optical Emission Spectroscopy of RF Argon Plasmas for Ion Beam Sputter Deposition," Journal of Vacuum Science & Technology A, vol. 12, no. 3, pp. 453–457, May/Jun. 1994.

 응용 분야 
 전자 현미경 
이온 밀링은 투과전자현미경(TEM)에서 전자 투명성을 위해 시편을 얇게 만드는 데 사용될 수 있다.

 미세전자공학 
이온 밀링이 제공하는 정확하고 손상 없는 표면은 반도체의 정밀한 제조에 완벽하다. 미세전자공학에 이온 밀링을 사용하면 반도체 웨이퍼에 잘 정의된 특징과 패턴을 만들 수 있다."Ion milling," Nanoscience Instruments, https://www.nanoscience.com/techniques/ion-milling/#:~:text=Semiconductor%20Manufacturing%3A%20Ion%20milling%20is,in%20an%20extremely%20controlled%20fashion (accessed Nov. 9, 2023).

 단면 분석 
이온 밀링은 재료의 단면 시료를 만드는 데 사용될 수 있다. 단면은 재료의 계면, 층 구조 및 결함을 보여준다.

 표면 평활화 및 연마 
이온 밀링은 한 번에 몇 개의 원자를 제거할 수 있어 특정 재료의 매끄럽고 연마된 표면을 만들 수 있다. 표면 품질 향상은 광학 또는 반도체와 같이 정밀도를 요구하는 모든 분야에서 중요하다.

 장점 및 한계 
 장점 
 이온 밀링은 재료 제거에 대한 정밀한 제어를 제공한다.
 시편 손상이 적다.
 추가 공정을 위한 표면 개선

 한계 
 두꺼운 시료의 경우 처리 시간이 길다.
 이온 유도 손상 가능성
 특수 장비 및 전문 지식 필요

 결론 
이온 밀링은 재료 공학 및 기계 공학 분야에 혁명을 일으켜 연구자와 과학자들이 첨단 재료 분석을 위한 고품질 시편을 얻을 수 있게 했다. 다양한 산업에서의 응용과 미세전자공학 발전에 기여하는 역할은 현대 연구 개발에 필수적인 도구이다.

 각주 

J. Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. New York, NY: Springer, 2018.

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