AFM (Atomic Force Microscopy) - 표면 분석

 

 

 AFM (Atomic Forc Microscopy

 

- 원리

- 측정방법

- AFM 종류

- 측정 가능한 parameter

- 한계

 

 원리

 

AFM에서는 *STM과 달리 텅스텐 또는 백금으로 된 탐침 대신 나노 기술로 제조된 Probe를 사용. 이 프로브는 프로브의 substrate 끝에 아주 미세한 힘에서 쉽게 휘어지는 cantilever가 있고, 이 끝에는 탐침(tip)이 부착되어 있다.

Probe tip의 끝을 샘플 표면에 근접시키면 인력 또는 척력이 작용하여 cantilever의 휨이 발생, 이를 레이저로 Detect하여 정보를 제공한다. (보통 표면의 높이 변화)

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나노기술로 제조된 probe 사용, 끝에 조금 튀어나온 부분이 Cantilever

 

 

 측정방법

 

3가지 측정 방법

거리 x 힘(인력,척력)의 그래프

1.     샘플을 긁을 수 있어, 반데르발스 힘이 크게 작용하는 구간 안으로 들어가 측정

2.     Resolution이 좋지 않아, 반데르발스 힘이 적게 작용하는 구간에서 샘플로부터 떨어져서 측정

3.     둘의 단점을 어느정도 보완한 방법. 특정 힘과 주파수로 샘플을 tapping하는 방법. 팁과 샘플 사이에 상호작용하는 힘으로 인한 진폭의 변화를 가져와 데이터를 보여준다. 주로 샘플의 두께(높이)와 phase(표면 물성에 따른 변화)에 대한 정보를 다룬다. Piezo shaker를 사용해서 특정 진동수로 tapping

 

 AFM 종류

 

D-AFM (Directmode-AFM), M-AFM (Multimode-AFM)

자신의 샘플이 주로 크게(직경 1cm 이상) 나오고 표면이 고르지 않아 특정 부위를 찾아서 이미징 해야 한다면 D-AFM

직경 1cm 이하로 잘라도 되는 샘플이라면 M-AFM, 그리고 스펙상 성능은 M-AFM 이 조금 더 좋고 추가로 C-AFM, EFM이나 scanAsyst probe를 이용하고 싶다면 M-AFM을 사용해야 한다.

 

*C-AFM (conductive AFM):

국지적 특성을 측정하여 벌크 특성 값의 측정 정확도를 높일 수 있다. 원자현미경은 국지적 표면 특성을 측정는데 커다란 역할을 수행하고, 나노미터 규모의 전기 탐침을 장착한 전도식 원자현미경을 이용하면 시료 표면의 형상은 물론 전류 분포(전도율)를 동시에 측정할 수 있습니다.

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전도식 원자현미경에서는 전도성 캔틸레버가 시료 표면에 접촉한 채로 스캔하여 형상 지도를 얻음과 동시에 캔틸레버와 시료 간의 전류를 측정합니다. 전도율은 전류 증폭기를 통해 측정됩니다. (캔틸레버를 통한 전류는 피코암페어 단위로 미세할 수 있으므로 전기 노이즈가 펨토암페어 단위인 고성능의 저 노이즈 전류 증폭기를 사용하기도 합니다.)

 

*EFM (Electrostatic Force Microscopy, 정전력 현미경):

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반데르발스 힘 뿐 아닐, 정전기력의 인력도 함께 작용하여 탑침의 움직임에 영향을 주고 이 움직임이 기록됩니다.

표준 EFM: 

Van Der Waals Forces (반데리발스 인력), Coulombic Forces (정전기적 인력)

팁이 시료에 가까울수록 반 데르 발스 힘이 우세

반 데르 발스 힘이 우세한 권역에서 1차 스캔을 통해 형상 이미지를 얻고, 팁과 시료 거리를 변화시켜 정전력이 우세한 권역으로 팁을 이동하고 스캔하여 ERM 이미지를 얻습니다. (AFM의 태핑 방식이라고 생각하면 될거 같습니다.)

 

*Ferroelectric polarization

강유전체, 외부의 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료로, 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔 수 있다.

전기 자극을 주면, 물질 내의 arrange가 일어나

 

*Pyroelectricity

본래 극성을 띠고, 온도변화에 따라 전기 생성

 

 

 측정 가능한 parameter

 

표면 측정뿐 아닌

LFM (Lateral Force Microscope) – 마찰력 분석 (상하가 아닌 좌우로 비비어서)

Force Modulation (힘 변조) – 경도 분석 (시료가 물렁한 부분에서는 캔틸레버의 진폭이 크고 단단한 부분에서는 진폭이 감소. 각 접촉 지접에서 힘의 크기를 변화 시켰을 때 그에 대한 시료의 반응에 따라 시료의 경도 측정)

Phase Image (위상이미지) – 탄성 분석

 

 한계?

 

빛을 이용한 측정 방법은 속도는 매우 빠르지만 파장에 따른 분해능의 한계를 가지며,

전자나 이온빔을 이용한 방식은 진공이라는 작동 환경과 더불어 전도성이라는 작동 조건으로 인해 부도체나 고분자 박막 등을 측정하기 어렵다.

탐침을 이용한 원자현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)방법은 상대적으로 다른 측정 기술에 비해 느린 측정 속도와 탐침의 재현성 문제로 반도체 산업에서 많이 사용되지 않는다.