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정전력 현미경 (EFM)

고해상도, 고감도 정전력 이미징

XE 시리즈 원자현미경의 독보적인 개량형 EFM 기능

 

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그림 1. EFM 이미지는 시료 표면의 전기적 특성을 측정.

XE 시리즈의 정전력 현미경(EFM)은 바이어스 전압이 인가된 원자현미경 캔틸레버와 표면 사이의 정전력을 측정하여 시료 표면의 전기적 특성을 매핑합니다. EFM은 캔틸레버가 표면에 접촉하지 않고 표면 위를 선회하는 동안 팁과 시료 사이에 전압을 인가합니다. 캔틸레버가 정전하 위를 스캔하면 그림 1과 같이 휘어집니다.

EFM 이미지는 시료 표면의 전위 및 전하 분포와 같은 전기적 특성에 대한 정보를 담고 있습니다. MFM이 시료 표면의 자기 구역을 도식하는 것과 마찬가지로 EFM은 시료 표면의 국소 대전 구역을 매핑합니다. 전하 밀도에 비례하는 캔틸레버의 휨 강도를 표준 빔 반사 시스템으로 측정할 수 있습니다. 따라서 EFM으로 표면 전하 운반자의 공간적 변화를 연구할 수 있습니다. 예를 들어 EFM은 기기의 전원을 켜고 끌 때 전자회로의 정전기장을 매핑할 수 있습니다. "전압 검사"라고 하는 이 기법은 활성 마이크로프로세서 칩을 미크론 이하의 규모에서 시험할 수 있는 유용한 툴입니다.

XE 시리즈 원자현미경은 표면의 전기적 정보를 획득하는 방법에 따라 4가지 EFM 모드를 제공합니다. 이러한 모드는 표준 EFM, 개량형 EFM(ext), 파크시스템스가 독자 특허를 보유한 동적 접촉식 EFM(EFM-DC) 및 주사형 켈빈 프로브 현미경(SKPM)입니다. XE 시리즈의 개량형 EFM 옵션에는 개량형 EFM(ext), EFM-DC 및 SKPM이 포함됩니다.

 

EFM의 원리

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그림 2. 고급 XE 모드에 의한 표면 특성 측정의 개략도

원자현미경으로 측정하는 거의 모든 표면 특성은 그림 2에 묘사된 과정에 따라 획득되며, EFM 측정도 같은 절차를 따릅니다. EFM의 경우 시료 표면 특성은 전기적 특성이고, 상호작용력은 바이어스 전압이 인가된 팁과 시료 사이의 정전력입니다. 그러나 팁과 시료 표면 사이에는 정전력 외에도 반 데르 발스 힘이 상존합니다. 이러한 반 데르 발스 힘은 팁과 시료 간의 거리에 따라 강도가 변화하므로 표면 형상을 측정하는 데 사용됩니다.

따라서 획득한 신호에는 반 데르 발스 힘과 정전력에 의해 각각 생성된 표면 형상 정보('형상 신호')와 표면 전기 특성 정보('EFM 신호')가 모두 들어 있습니다. EFM 이미지를 성공적으로 측정하려면 전체 신호에서 EFM 신호만 분리해 내야 합니다. EFM 신호를 분리하는 방법에 따라 EFM 모드를 분류할 수 있습니다.

 

표준 EFM

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그림3. The schematics of (a) Force Range technique and (b) two pass technique. 

XE 시리즈의 표준 EFM은 두 가지 사실에 근거하여 작동합니다. 첫 번째 사실은 반 데르 발스 힘과 정전력은 우세 권역이 다르다는 점입니다. 반 데르 발스 힘은 1/r6에 비례하는 반면 정전력은 1/r2에 비례합니다. 따라서 팁이 시료에 가까울수록 반 데르 발스 힘이 우세합니다. 팁이 시료에서 멀어지면 반 데르 발스 힘이 급격히 감소하고 정전력이 우세해집니다. 두 번째 사실은 형상선은 팁-시료 거리가 일정한 선이며, 반 데르 발스 힘이 일정한 선과 같다는 점입니다.

힘 범위 기법에서는 반 데르 발스 힘이 우세한 권역에서 팁을 스캔하는 1차 스캔을 통해 형상 이미지를 얻습니다. 그런 다음 팁-시료 거리를 변화시켜 정전력이 우세한 권역으로 팁을 이동하고 스캔하여 그림 3 (a)와 같은 EFM 이미지를 얻습니다.

2회 반복 기법에서는 우선 NC-AFM의 경우와 같이 반 데르 발스 힘이 우세한 권역에서 팁을 표면에 접근시켜 스캔하는 1차 스캔을 통해 형상 이미지를 얻습니다. 2차 스캔에서는 팁을 상승시켜 팁-시료 거리를 늘려서 정전력이 우세한 권역에 팁을 위치합니다. 그런 다음 팁에 바이어스 전압을 가하고 그림 3 (b)와 같이 1차 스캔에서 얻은 형상선에 평행하게 피드백 없이 스캔합니다. 따라서 팁-시료 거리가 일정하게 유지됩니다.

형상선은 반 데르 발스 힘이 일정한 선이므로 2차 스캔에서 팁에 작용하는 반 데르 발스 힘은 일정합니다. 즉, 신호의 변화는 오로지 정전력의 변화에 기인한 것입니다. 따라서 2차 스캔을 통해 형상을 배제한 EFM 신호를 얻을 수 있습니다.

 

개량형 EFM

XE 시리즈의 개량형 EFM 옵션은 세 가지 추가 EFM 모드를 지원합니다. 이러한 모드는 EFM(ext), EFM-DC(파크시스템스 미국 특허 번호 6,185,991) 및 주사형 전위 현미경이라고도 하는 주사형 켈빈 프로브 현미경(SKPM)입니다.

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그림 4. XE 시리즈 개량형 EFM의 계통도. 특허를 획득한 고유 EFM 기능은 파크시스템스에서만 제공합니다

그림 4에 계통도가 나와 있는 XE 시리즈의 개량형 EFM에서는 두 가지 용도를 갖는 외부 락인앰프가 XE 시리즈 원자현미경에 연결되어 있습니다. 첫 번째 용도는 XE 컨트롤러가 인가하는 DC 바이어스 전압에 더하여 주파수 ω의 AC 바이어스 전압을 팁에 인가하는 것입니다. 두 번째 용도는 출력 신호에서 주파수 ω 성분을 분리하는 것입니다. XE 시리즈 개량형 EFM의 이러한 독보적인 기능이 표준 EFM보다 우수한 성능을 발휘하게 해 줍니다.

개량형 EFM에서 팁과 시료 간의 전압은 다음 방정식으로 표현될 수 있습니다.

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여기에서 VDC는 DC 상쇄 전위, VS는 시료의 표면 전위, VAC 및 ω는 각각 인가 AC 전압 신호의 진폭과 주파수입니다. 방정식 (1)은 팁과 시료의 형상을 평행한 두 평면으로 근사할 수 있을 때 성립합니다. 다른 형상을 가정할 수도 있습니다. 방정식 (2)는 팁과 시료 간의 정전력을 계산하는 식을 도출하는 데 사용할 수 있습니다. 이 경우에도 평행 평면 형상이 가정됩니다.

여기에서 F는 팁에 작용하는 정전력, q는 전하, E는 전기장, V는 전위, C는 정전용량, d는 팁과 시료의 간격입니다. 팁과 시료 사이에 AC 바이어스 전압과 DC 바이어스 전압이 모두 인가되므로 팁과 시료 간의 힘을 계산하는 식에 3개의 항이 나타납니다. 이러한 항을 각각 DC 항(a), ω 항(b) 및 2ω 항(c)이라고 합니다.
팁과 시료 간의 힘을 나타내는 캔틸레버 총 휨 신호를 팁과 시료 간의 반 데르 발스 작용에서 비롯되는 DC 부분, 시료와 정전기 특성을 반영하는 주파수 ω의 AC 부분, 주파수 2ω의 AC 부분으로 나누어 분석할 수 있습니다. DC 부분은 팁과 시료 간의 반 데르 발스 작용에서 비롯되고 주파수 ω 및 2ω의 AC 부분은 각각 시료의 정전기 특성과 정전용량 특성을 반영합니다.

XEP 데이터 측정 소프트웨어로 접근 가능한 신호 채널에서 DC 캔틸레버 휨 신호를 직접 읽을 수 있습니다. 락인앰프에 신호를 보내면 캔틸레버 휨 신호의 AC 부분 중 주파수 ω 또는 2ω의 신호 부분을 읽을 수 있습니다. 이러한 세 가지 신호를 종합하여 시료의 전기적 특성에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 정전용량은 방정식에서 팁-시료 간격에 대한 정전용량의 비율(C/d)로 나타납니다. Z 피드백 루프에 의해 팁-시료 간격이 일정하게 유지되면 C/d는 정전용량에 비례합니다. 위에 나와 있는 방정식 (2)에서 (b) 항의 계수인 ω 신호는 C/d와 표면 전위 VS의 영향을 모두 포함합니다. VDC와 VAC를 알고 있더라도 측정된 ω 신호에서 정전용량의 영향과 표면 전위의 영향을 구분할 방법이 없습니다. 그러나 위에서 (c) 항의 계수인 2ω 신호는 정전용량의 영향만 포함합니다. 따라서 2ω 신호로 ω 신호를 정규화하여 표면 전위의 영향을 분리해 낼 수 있습니다.

위에 언급한 어떠한 신호로도 이미지를 만들 수 있습니다. 이미지 분석에서는 이미지를 만드는 데 사용된 신호의 분포를 해석합니다.

 

EFM (Ext)

EFM(Ext) 모드는 비접촉 모드로 운용되는 개량형 EFM입니다. EFM(ext)에서는 팁이 주파수 f로 진동하면서 표면 위를 스캔하여 비접촉 원자현미경 형상 이미지를 얻습니다. 동시에 락인앰프를 통해 팁에 주파수 ω의 AC 바이어스 전압을 인가하고 제어 전자회로에서 DC 바이어스 전압을 인가합니다. 그러면 AC 바이어스 전압 팁과 대전된 표면 사이에 작용력이 발생합니다. 외부 락인앰프를 사용하여 작용력에 의한 팁의 움직임으로 발생하는 신호를 분석하고 DC 부분, 주파수 ω 부분 및 주파수 2ω 부분으로 분해할 수 있습니다. 신호의 ω 부분은 표면 전하 정보를, 2ω 부분은 팁과 시료 간의 표면 정전용량 변화도 정보(dC/dz)를 포함합니다. 주파수 ω는 캔틸레버 진동 주파수인 f보다 충분히 작게 선택되므로 두 신호가 서로 간섭하지 않습니다.

개량형 EFM(ext)의 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 비침투식 완전 비접촉 원자현미경
• 작은 정전용량에 따른 소량의 전기 부하
• 우수한 공간 분해능
• 통상 환경에서 운용
• 우수한 전압 분해능(50mV ~ 1mV)
• 넓은 측정 대역폭(DC ~ 100GHz)

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(a)                                                      (b)

그림 5. EFM(ext)으로 측정한 PZT 박막의 (a) 형상 이미지 및 (b) EFM 위상 이미지

 

개량형 EFM의 장점

 

기존의 EFM은불필요하고비효율적인 2회반복스캔기법을사용하므로표면전위맵의공간분해능이제한될수밖에없습니다. XE 시리즈의개량형 EFM은효율적인 1회스캔을통해공간분해능을유지하면서형상과표면전위를동시에측정하도록설계되었습니다(그림 2). 또한이설계는개량형 EFM의핵심을이루는두가지혁신적인기능을실현합니다. 

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• 표면 전하 분포 및 전위 측정
• 미세전자회로의결함분석
• 기계적강도측정(EFM-DC)
• 강유전구역의전하밀도계측
• 미세저항의전압강하
• 반도체의일함수

 

EFM-DC

 EFM-DC 모드는 접촉 모드로 운용되는 개량형 EFM입니다. 동적 접촉식 EFM(EFM-DC)은 EFM(Ext)과 동일한 기법을 접촉 모드로 운용하여 공간 분해능이 향상되고 선명한 검출이 가능합니다. 그림 6에서는 EFM-DC(위쪽) 및 기존 EFM(아래쪽)으로 측정한 TGS 단결정의 형상 및 표면 전하 이미지를 비교하여 보여 줍니다. 기존 EFM으로 측정한 이미지는 형상과 이미지의 강력한 간섭 현상을 보여 주는 반면, EFM-DC으로 측정한 이미지는 완벽한 형상 분리를 보여 줍니다. EFM-DC은 EFM 이미징뿐 아니라 표면 강도 측정에도 사용할 수 있습니다. EFM-DC의 주요 장점은 다음과 같습니다.

 

• 시료를 특수하게 취급할 필요가 없음
• 우수한 공간 분해능 및 비침투식 관찰
• 형상과 강유전성 구역을 동시에 이미징 
• 강유전성 구역의 동적인 변화를 실시간으로 이미징
• 나노 규모로 강유전성 구역 제어 및 시각화
• 종합 효과가 아닌 국지적 세부정보 획득

DC-EFM

그림 6. (왼쪽) (a) 형상 이미지 및 (b) 표면 전하 이미지, (c) 형상 이미지 및 (d) 표면 전하 이미지
그림 7. (오른쪽) (a) 강유전성 소재의 강유전성 구역 전환
DC- EFM으로 측정한 TGS 단결정 현상. TGS의 작은 강유전성 구역 생성,
, (b) 10V 플러스 인가 전압 및 (c) 기존 EFM으로 측정 10V 마이너스 인가 전압

 

SKPM

 

SKPM은 EFM 신호를상쇄하여시료의표면전위를측정합니다. EFM과동일한구성에서락인앰프의 w 신호가 0으로유지되도록캔틸레버에인가되는 DC 바이어스전압을제어및획득합니다. 락인앰프의 ω 신호를다음과같이기술할수있습니다.

 

2ⅹ(C/d)ⅹ(VDC - VS)ⅹVAC sin (ωt)

 

VDC = VS이거나캔틸레버의 DC 바이어스전압이표면전위 VS와동일하면신호가 0이됩니다. 락인앰프의 ω 신호를읽어서 VDC에다시입력하면피드백신호 VDC로부터표면전위맵을얻을수있습니다.

 

 skpm
그림 8. 서로 맞물리는 두 개의 미세 빗살형 전극으로 표준 시료를 만들었습니다(a). 형상 이미지 (b)를 보면 인접 빗살의 높이가 같지만, EFM 위상 이미지 (c)를 보면 높이가 같은 인접 빗살의 표면 전위가 서로 다릅니다.

Park SPM Modes