AFM- Atomic Force Microscope 및 dektak

1.     AFM과 dektak

2.     AFM과 dektak 를 이용하여 박막에 대해 연구 할 수 있다.

3.     이론

AFM과 dektak는 재료의 표면, 즉 박막에 대해 연구를 할 수 있게 도와주는 장치이다. 이에 대해 효과적으로 이해하기 위해서는 일련의 개념에 대해서 알 필요가 있어 소개하려고 한다.

 

[그림1] 반도체의 중요성을 보여주는 사진이다.

 

인류의 역사 500백만년을 24시간으로 나타내었을 때 반도체의 등장은 고작 23시59분59초. 등장과 동시에 21세기를 살아가는 우리에겐 없어서는 안되는 존재가 되었다.또한 AI의 시대에 접어들면서 더더욱 고효율 반도체를 우리는 추구하고 있다. 따라서 그림1을 참고하여 웨이퍼 위에 우리는 수많은 회로를 설계하고 새긴다. 이때 반도체의 의미를 되새겨 보면, 반+도체. 즉 다시 말해 특정 상황에 따라 전류가 흐를 수도 흐르지 않을 수도 있다는 뜻이다. 따라서 반도체 8대공정 중 하나인 박막공정을 통해 우리는 반도체가 전기적 성질을 띄게 해주어야 한다.우리들이 일상생활에서 만나는 얇은 막 형태는 물체나 전자레인지에 쓰이는 랩이라든지 알루미늄 호일, 물 위의 기름 막 등이 있다. 이것들은 넓은 의미의 박막이긴 하지만, 우리가 말하고자 하는 박막과는 상당히 다르다, 일반적으로 좁은 의미의 박막은 두께가 약 1나노미터 이하의 인공적으로 만들어진 고체의 박막으로 한정한다. 이처럼 원자의 표면에 최전선에 있는 얇은 막을 박막이라 하고 박막을 이용해 반도체 회로를 설계하고 증착할 수 도 있다. 이 뿐만 아니라, 이차전지의 근간이 되는 전기화학도 이러한 이유로 계면공학 이라고도 칭한다. 이러한 이유로 재료의 박막에 대해 알 필요가 있어 AFM(Atomic Force Microscope)와 dektak를 이용한다.

 

 

[그림2] 박막에 대한 이해를 돕는다.

 

AFM는 Atomic Force microscope의 약자로 그 이름에서도 뜻을 알 수 있듯이 원자의 힘을 이용한 현미경이란 뜻이다(실제로 AFM은 처음 IBM이란 반도체 회사에서 고안이 되었다). AFM은 원자 및 나노 규모의 물질을 측정하고 이를 이미지화 시켜 우리들이 관찰 할 수 있다. 이때 AFM은 독특한 비광학 표면 조사기술 기반으로 이미지를 만든다. 이는 측면 및 높이, 샘플의 표면을 특정하기 위해 물리적인 probe를 활용하여 scanning 한다. 이 미세하게 가공된 매우 날카로운 probe는 표면 감지 원리로 작동한다. 이 probe는 표면을 하나의 원자씩 scanning하고 이미지화 시킨다.

 

[그림3] AFM의 원리에 대한 이해를 돕는다.

 

그러나 방법은 서로 다른 작동 모드에 따라 크게 다르다. 이러한 서로 다른 모드를 소개하기 위해서 일련의 개념에 대해 먼저 간략하게 훑어보려고 한다. 원자는 양의 전하를 띠는 양성자와 음의 전하를 띠는 전자로 구성되어 있다.

 

이러한 이유로 원자간 힘과 원자 내의 힘이 존재한다. 원자간 거리가 너무 가까워지면 척력이 발생해 밀어내는 힘을, 거리가 멀어지면 그만큼 인력이 작용한다. (질량을 갖는 모든 물체는 인력이 존재한다, 만유인력). 이러한 이유로 수소결합을 제외한 원자간 힘, 원자 내의 힘을 반데르 발스 힘이라고 한다.

 

[그림4] 반데르 발스 힘에 대한 이해를 돕는다.

 

 

이와 같은 내용을 바탕으로 AFM의 Contact mode, Non-contact mode, tapping mode에 대해 이야기를 해보려고 한다. Probe 의 끝(tip) 가 시료표면과 매우 가까울 때 척력이 매우 우세하다. 다음과 같은 상황에서는 contact mode를 사용한다. Contact mode는 부드러운 tip를 사용한다. 그래야지만, 시편의 표면의 굴곡 때문에 광검출기에서 나오는 레이저가 굴곡의 영향을 받지 않기 때문이다. Scanning 전체에서 일정한 편향을 유지하기 위함이다. 반면에 non-contact mode에서는 앞선 모드에 비해 시편과 tip사이의 거리가 존재해 척력보단 인력이 우세하다. 이러한 경우 hard한 tip를 사용한다. Soft한 tip을 사용하면 인력에 의해 시편이 손상이 일어날 수 있기 때문이다. 마지막으로는 tapping mode는 샘플 표면과 팁 사이의 접촉을 제한하여 둘다 손상되지 않도록 보호한다. 이때는 tip가 공진 주파수 근처에서 진동하게 된다. 이후 tip는 sin곡선 운동으로 위아래로 움직인다. 따라서 tapping 동작으로 인해 진폭이 일정하게 일어난다는 점을 제외하면 contact mode와 유사한 방식을 띤다. 어찌하였던, 3mode 시료의 표면의 원자와 tip사이의 반데르발스 힘을 이용해 레이저에서 나오는 광원에 영향을 줌으로써 이미지를 형상화 시킬 수 있다.

 

[그림5] 방법에 따른 AFM에 대한 이해를 돕는 그림이다.

 

Dektak는 profilometer의 일종이다. 이때 profile의 뜻을 살펴보면 옆모습으로 라는 뜻을 갖고 있다. 따라서 박막의 옆모습을 이미지화 시키는 장치 정도로 이해할 수 있다. 따라서 Dektak를 이용하면 박막의 계단 높이 혹은 트렌치 깊이를 측정할 수 있다.

 

 

[그림6] dektak 에 대한 이해를 돕는다.

 

Profilometer의 원리는 생각보다 간단하다. 표면과 접촉하는 미세한 tip이 x축을 따라 이동한다. 그러면 표면의 기복으로 인한 팁이 수직 움직임이 포착되어 증폭된다. 다시말해 평탄한 기판위에 제작된 박막과 박막이 형성이 되지 않은 부분과의 높이 차이로 생기는 경계의 형상을 측정한다. 기판면에 수평으로 혹은 단차(높이차이) 경계에 대해서 수직방향으로 tip을 움직여서 그 높이의 변동을 전기신호로 확대하여 측정한다. Tip는 맨 끝의 곡률 반경이 마이크로미터의 다이아몬드로 되어있다. 전기신호 검출방법으로는 저항식, 정전용량식, 유도픽업식등이 존재한다. [그림6]은 유도픽업식 측정기의 구성을 보여준다.

 

 

4.      Reference

1.     Basic Theory Atomic Force Microscopy (AFM), Robert A. Wilson and Heather A. Bullen, Department of Chemistry, Northern Kentucky University

2.     Principles of Atomic Force Microscopy (AFM), Arantxa Vilalta-Clementa, Katrin Gloystein, Nikos Frangis, Physics of Advanced Materials Winter School 2008

3.     이문희 박막공학 두양사 pp3~10, 307~338

4.     황보창권 박막광학 테크미디어 pp152~173