宮崎 英樹 物質材料硏究機構 材料硏究所 1. 들어가며 과학기술의 발전으로 예로부터 작은 것을 만드는 기술에 의해 유지되어 왔다. 그러나 현재는 미세구조물이라고 하면, 반도체 프로세스로 만드는 것이라고 생각하는 게 거의 상식이다. 이제 눈으로 보면서 손으로 조립하는 우리들이 친숙하게 해 온 방법은 도움이 되지 않는 것일까? 주사전자현미경(SEM) 하에서 본 작은 세계에서도 큰 세계와 마찬가지로 한 개 한 개의 부품을 가져와서 늘어놓기도 하고 조립도 할 수 있다. 또 그런 기술은 이미 연구현장에서는 중요한 역할을 하고 있으며, 최근 크게 주목을 받고 있다. 본고에서는 필자 등이 해 온 여러 가지 시도를 통해서 SEM 안에서 어떤 것들이 가능한지, 그때 무엇이 문제가 되는지를 소개하고자 한다. 2. SEM 관찰 하에서의 머니퓰레이션 기술 가. 각종 머니퓰레이션 기술 속에서의 위치 미소물체를 한 개 한 개 조작·배열하는 기술을 그림1에 정리했다. 광학현미경 관찰 하에서의 머니퓰레이션은 특히 의학 분야에서 아주 일반적인 방법으로 인식되어, 연구뿐 아니라 임상 현장에서도 널리 이용되고 있다. 그러나 현미경 분해능의 원리적 한계로 2㎛정도 이하의 물체에 대한 취급은 곤란하다. 레이저 머니퓰레이션은 비접촉으로 물체를 조작할 수 있는 흥미로운 기술이지만, 마찬가지로 관찰분해능의 제약을 받는다. 원자간력현미경(AFM)을 이용하면 수 십 nm의 미립자를 자유자재로 2차원 배열할 수 있다. 그러나 한 개의 프로브로 관찰과 조작을 하기 때문에 관찰하면서 조작할 수 없어 3차원 구조물의 구축에도 적합하지 않다. 주사터널현미경의 경우는 한 개 한 개의 원자까지도 배열할 수 있지만 AFM과 같은 결점이 있다. 이 가운데 SEM하 머니퓰레이션 기술은 1㎛ 전후의 물체를 3차원적으로 실시간으로 보면서 조작할 수 있다는 점에 특징이 있다. 필자 등은 빛의 파장 정도 크기의 미립자를 한 개 한 개 배열·적층하여 새로운 광학기능을 가진 재료를 창출하는 것을 목표로 하고 있다. SEM하 머니퓰레이션 기술은 그것을 위한 최적의 방법이다. SEM 속에서의 머니퓰레이션의 역사는 의외로 길다. 1970년대 초두에 이미 현재의 기술과 비교해도 손색이 없는 SEM용 머니퓰레이터가 개발되었으며, 일본 내에서도 몇몇 생물시료의 해부사례가 보고되었다. 90년대에는 마이크로 디바이스의 가공·조립을 목적으로 하여 머니퓰레이터가 활발하게 개발되었다. 그리고 지난 수년 동안 물리학과 재료과학 분야에서는 SEM관찰 하에서의 조립작업을 이용한 중요한 성과가 연이어서 보고되었다. 나. 필자 등의 머니퓰레이션 시스템 필자 등은 전계방사형SEM(日立 S4200)에 森下·畑村 에 의해 개발된 압전소자 구동의 마이크로 머니퓰레이터(NanoRobotⅡ)를 부착하여 사용하고 있다(그림 2). 이 머니퓰레이터는 시료 스테이지와 플로브 구동부로 구성되어 있고, 독자적인 조미동(粗微動) 기구에 의해 시료 스테이지 위의 15mm입방 안의 임의의 점에 플로브 끝을 10nm의 정밀도로 위치를 정할 수 있다. 이것을 1000배에서 10만배 정도의 비디오 레이트 SEM영상을 관찰하면서 조이스틱으로 조종한다(그림 3A). 시료 스테이지 위에는 입자를 산포한 기판을 부착시켜 둔다(그림 3B, 주름처럼 보이는 것이 입자). 기판 위의 입자를 끝이 입자경과 같은 정도로 뾰족한 플로브(바늘)를 대면 부착시켜서 들어올릴 수 있다. 필자 등의 광학기능 연구에는 고정도의 구조가 필요하므로, 한 개 한 개의 형상과 크기를 SEM 화상 위에서 계측하여 가장 적합한 입자를 선별(그림 3C), 화면에 겹쳐 표시한 CAD데이터와 일치하도록 배치해 나간다(그림 3D). 지금까지 세라믹스를 비롯해 고분자·유리·금속 등 다양한 재질, 최대 20㎛에서 최소 70nm정도까지의 다양한 사이즈, 공·와이어·테트라포드·평판(平板) 등 여러 가지 형상의 물체를 다룰 수 있다는 것을 확인했다. 다. SEM하 머니퓰레이션에서 중요한 점 SEM용 머니퓰레이터는 앞으로 점점 더 보급되어 갈 터인데, 머니퓰레이터가 있다고 해서 자유로운 머니퓰레이션이 금새 가능하게 되는 것은 아니다. 지금까지 개발이 보고된 머니퓰레이터도 실제로 뭔가에 도움이 되고 있다는 사례는 거의 없다. 필자 등은 플로브를 무엇으로 만들면 좋을지, 애초에 왜 부착하는 것인지, 어떻게 하면 그것을 제어할 수 있는지, 다루는 물체 사이즈는 무엇으로 제한되는 것인지, 하나하나의 문제에 매달려 현실적인 요구에 응할 수 있는 기술을 구축해 왔다. 그 가운데서 얻은 주요 몇몇 견해를 본 항에서 소개하겠다. ⒜ 플로브 : 유리 막대를 가열 연신한 바늘에 금을 코팅하여 사용하였다. 전해 연마한 금속 플로브는 끝이 소성 변형되기 쉬워 즉시 작업을 속행하지 못하게 되지만, 유리는 부드러워서 장시간 작업할 수 있다. ⒝ 역학 : 플로브에서 입자가 들어올려지는 것은 중력이 사이즈의 3승에 비례하여 작아져, 정전력이나 팬델월스력(力) 등의 부착력이 지배적이 되기 때문이다. 그러한 힘을 기술하는 이론도 있는데, 입자 개개의 부착력을 SEM 관찰 하에서 실측해 보니 그러한 이론으로는 도저히 기술할 수 없는 복잡한 것이었다. 입자는 계면에서 ‘부착’이라기보다는 ‘접합’되었고, 들어올리거나 놓거나 하려면 한쪽 계면을 파괴하는 일이 중요하다. 플로브에 압력을 가하면 입자는 정전력으로 날아들어 붙을 것 같지만, 대개는 계면의 파괴 때문에 어떤 기계적인 작용이 필요하다. 일반적으로는 플로브의 조작궤도의 사용을 적절하게 분별하는 것만으로 입자를 자유롭게 들어올리거나 놓거나 할 수 있다. 또한 가속전압의 조절, 플로브 끝 지름의 조절, 플로브에 대한 전압인가, 기판 최표면에 대한 고분자 박막 코팅으로 작업하기 편한 상황을 실현하고 있다. 플로브에 대한 전압인가는 부착력의 증강에는 유효하지만 전자궤도에 영향을 주어 화상이 열화되므로 사용하고 싶지 않는 수단이다. ⒞ 대전(帶電) : 입자에는 도전성 코팅을 하지 않는다. ㎸오더에서 가속된 전자는 몇 ㎛이하의 입자라면 대부분 관통하므로 절연성 입자의 경우도 관찰에 지장을 줄 정도의 대전은 일어나지 않는다. 기판에는 도전성 혹은 전자투과성이 필요하지만, 필자 등의 경우에는 광투과성도 필요하다. 보통은 두께 수 백 nm의 SiN 멤블렌이나 유리기판에 ITO를 증착한 도전성 기판을 이용한다. 부착력은 대전에 민감하다. 미소한 물체나 얇은 막의 대전은 가속전압에 의해 크게 변한다. 따라서 가속전압을 주의 깊게 선택하면 작업에 아주 좋은 조건을 찾게 되는 경우가 많다. 광학측정의 형편상, 유리 위의 ITO도 허락되지 않을 때에는 1㎸정도의 저가속 전압으로 작업한다. ⒟ 산포방법 : 입자를 한 개 한 개 고립시켜서 산포하려면 적절한 용매에 현탁시켜서 기판 위에 떨어뜨려 건조시키는 것이 간단하다. 이때 용매의 청정도가 중요하다. 현탁상태에서 시판되고 있는 입자에는 응집을 막기 위해 용매에 이온이 가해져 있다. 그대로 적하·건조하면 마지막에 마른 입자·기판 사이나 입자·입자 사이의 계면에 소금이 응집하여 메니스커스 상태로 굳어진다. 그렇게 되면 입자는 강하게 고착하여 벗겨지지 않는다. 따라서 용매를 고순도로 치환시켜 사용한다. ⒠ 컨터미네이션 : 컨터미네이션이란 SEM 관찰에 따라 생기는 시료 오염을 말하는 것으로, 진공 속의 잔류 가스나 시료에서 유래하는 탄화수소계 분자가 전자빔 조사로 시료 표면에서 중합하여 생성된다고 생각되어진다. 필자 등의 시스템에서는 이것이 다룰 수 있는 물체 사이즈를 제한시키며, 현재 가장 큰 문제이다. 머니퓰레이션에서는 같은 장소에서 장시간 작업하므로, 컨터미네이션의 석출을 무시할 수 없다. 석출속도는 배율의 2승에 비례하므로, 미소한 물체를 다룰수록 문제가 된다. 필자 등의 시스템의 진공도는 10-7 Torr대 후반으로, 여유를 가지고 다룰 수 있는 최소 사이즈는 500 nm정도이다. 100nm에서는 고배율 관찰의 시간을 짧게 제한하고 있는데, 그래도 석출을 무시할 수 없는 경우가 많다. 또 이러한 문제에도 불구하고 노이즈가 많은 비디오 레이트 영상을 보면서 하는 작업이므로 SEM 본래의 분해능에서의 관찰은 불가능하다. 머니퓰레이션용 SEM을 선택할 때에는 분해능에 여유를 가질 필요가 있다. 3. SEM관찰 하에서 조립한 구조물과 실시한 작업의 예 지금까지 조립한 구조물과 실시한 작업의 예를 그림4에 나타내었다. 그림 4A~C는 포토닉 결정이라고 하는 빛의 파장 사이즈의 셀로 만든 주기구조물이다. A는 폴리비닐톨루엔 입자의 단층결정으로, 1변의 공의 수가 다른 것을 몇 개인가 만들고, 공이 늘어날수록 결정 특유의 광전반 모드가 성장하는 모양을 실험적으로 조사했다. 그림 5에는 A에 제시한 91개의 공으로 된 결정에 대해 측정한 포토닉 밴드 구조(결정 안을 빛이 어떤 상태로 전달되어 가는지를 나타낸 그림. 자세한 것은 인용 문헌을 참조)를 ●로 표시했다. ·표시는 무한개의 공으로 된 이상적인 결정에 대한 계산결과로, 그림 속 E의 밴드를 제외하고 둘은 비교적 잘 일치하고 있다. 이런 점에서 공의 수가 100개 정도가 되면 거의 ‘결정’이라고 부를 수 있다는 것을 알았다. B는 이 방법으로 세계 최초로 실현된 세라믹스 입자로 된 다이아몬드형 포토닉 결정이다. 처음에 폴리스틸렌과 실리카 공을 교대로 늘어놓고, 산소 플라즈마 처리하면 폴리스틸렌이 제거되고, 실리카 공의 다이아몬드 격자가 남는다. C는 반도체 프로세스로 제작한 InP제의 평판부품을 적층하여 만든 우드파일형 포토닉 결정이다. 20층이라는 실제 디바이스에서 필요로 하고 있는 층수를 처음으로 실현했다. 그림 4D~I는 기타의 작업 예이다. D는 테트라포드상 ZnO위스카를 이동하고 있는 모습, E는 SEM 관찰 하에서 액체(저증기압 오일)에 접촉한 모습이다. 마크로의 세계처럼 메니스커스가 가능하다. F는 AFM칩을 이용하여 W제 바늘 끝에 작용하는 부착력을 측정하고 있는 모습, G는 시료 스테이지에 최고온도 500℃의 포토플레이트를 부착하고 벤더 입자를 이용하여 직경 10㎛의 금와이어를 SEM 관찰 하에서 접합한 예이다(왼쪽 : 용융 직전, 오른쪽 : 접합 후). H는 화상 트래킹을 이용한 GaAs제 미소전자 디바이스의 자동 플로빙, I는 밴더 미립자의 탐색에서 배열까지의 일련의 작업을 화상인식과 역제어로 완전자동화한 예이다. 4. 앞으로의 전망 포토닉 결정 분야에서는 SEM 관찰 하에서의 미세구조물의 조립기술은 계통적인 특성평가와 새로운 구조를 시작하기 위한 방법으로 널리 인지되어가고 있다. 20년쯤 전에는 사람 손으로 만들었던 전자회로가, 현재는 광학현미경 하에서 화상인식을 기초로 한 초고속 자동실장기술로 대량생산되고 있고, 또 SEM이 일반적인 검사장치로서 공장에 도입되고 있는 현실을 감안하면, SEM 하에서의 조립이 시작(試作)에 그치지 않고 대량생산기술로서 발전할 가능성도 없다고는 할 수 없다. 적어도 머니퓰레이터가 SEM의 표준적인 옵션이 되는 날은 머지않아 올 것이다. 필자 등의 시스템은 10년 이상 전에 만들어진 것으로, 액추에이터도 그 제어 시스템도 전용으로 개발된 것이다. 그러나 그 후, 진공용 콤팩트로 고정된 액추에이터를 쉽게 입수할 수 있게 되었으므로, 동등한 장치를 구축하기는 이제는 비교적 용이하다. 그림 4A~C에서 소개한 것과 같은 완성도 높은 구조물을 만들 수 있게 될 때까지 필자 등은 머니퓰레이터 자체의 개발보다도 훨씬 긴 시간을 들여서 2.3절에서 기술한 하나하나의 내용들을 밝혀 왔다. 광학현미경 하에서의 머니퓰레이션 기술도 무수한 노하우로 구성된 기술체계이다. SEM 관찰 하 머니퓰레이션 기술도 현실적인 요구에 대한 대응을 착실하게 거듭하면서 체계적으로 발전시켜 나갈 필요가 있다. (Ceramics Japan)