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전도식 원자현미경

시료 표면의 국지적 전도율 차이에 의한 전기적 특성 관찰

그 동안 벌크 특성 측정은 소재 가공에 있어 중요한 정보를 제공해 왔습니다. 하지만 최근에는 기술적인 진보로 인해 벌크 특성 측정만으로는 더 이상 소재의 특성을 적절하게 기술할 수 없게 되었습니다. 특히 소자의 규모와 CD가 소형화 일로를 걸어 온 반도체, 태양전지 및 하드 드라이브 산업에서 이러한 현상이 두드러집니다. 이러한 분야에서는 국지적 특성을 측정하여 벌크 특성 값의 측정 정확도를 높일 수 있습니다. 원자현미경은 국지적 표면 특성을 측정하는 데 커다란 역할을 수행합니다. 나노 미터 규모의 전기 탐침을 장착한 전도식 원자현미경을 이용하면 시료 표면의 형상은 물론 전류 분포(전도율)를 동시에 측정할 수 있습니다.

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그림 1. Schematic diagram of the XE-series Conductive AFM system

 

전도식 원자현미경의 작동 원리는 팁과 시료 간에 바이어스 전압을 가하여 터널링 전류를 측정하는 주사형 터널링 현미경(STM)과 유사합니다. 두 모드 간의 가장 큰 차이점은 사용되는 탐침의 종류입니다. STM에서는 첨예하게 가공된 금속 와이어/팁을 사용하는 반면 전도식 원자현미경에서는 전도성 캔틸레버를 사용합니다. 전도식 원자현미경에서는 전도성 캔틸레버가 시료 표면에 접촉한 채로 스캔하여 형상 지도를 얻음과 동시에 캔틸레버와 시료 간의 전류를 측정합니다(그림 1). 시료의 표면 형상은 캔틸레버의 휨 신호를 통해 파악되지만, 전도율은 전류 증폭기를 통해 측정됩니다(그림 2). 캔틸레버를 통한 전류는 피코암페어 단위로 미세할 수 있으므로 전기 노이즈가 펨토암페어 단위인 고성능의 저 노이즈 전류 증폭기를 사용하기도 합니다.

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그림 2. The topography of a DRAM surface (left) and the Conductive AFM image (right) acquired simultaneously. The contrast on the Conductive AFM image indicates differences in the electrical property of the raised dots. (Scan Size: 3 μm × 3 μm )

 

파크시스템스는 측정하는 전류의 수준에 따라 적절한 전기 노이즈를 갖는 다양한 전류 증폭기를 제공합니다. 3가지 전도식 원자현미경 모드를 사용할 수 있으며, 각 모드는 사용되는 전류 증폭기에 따라 명명됩니다. 이러한 모드는 '내부 전도식 원자현미경', '가변 증폭 전도식 원자현미경(VECA)' 및 '극저노이즈 전도식 원자현미경(ULCA)'입니다. 내부 전도식 원자현미경은 내장 증폭기를 사용하며 최대 10μA의 전류 범위와 1pA의 노이즈 수준으로 일반 시료를 측정합니다. VECA는 게인 설정을 변경할 수 있으며 0.3pA의 노이즈 수준으로 전도율 범위를 최대 10μA까지 조정할 수 있습니다[1](그림 3). ULCA는 극저노이즈 회로 설계를 채택하여 노이즈 수준을 0.1pA 미만으로 줄였으며, 이는 절연성이 높은 시료에서 변화를 관찰하기에 충분한 수준입니다.

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그림 3. Conductive AFM data of an integrated circuit acquired by the VECA.  
The wide dynamic range of VECA enables measurement of both 
highly conducting and highly insulating areas.
The image on the right is a scanned enlargement of the center portion of the left image.

 

시료 특성을 자세히 조사하기 위해 전도식 원자현미경으로 표면의 IV 관계를 측정할 수 있습니다. 원자현미경 캔틸레버 탐침의 접촉 크기는 수십 나노에서 수 나노미터까지 다양하며, 거시적 규모에서는 볼 수 없는 전기 특성의 국지적 변화를 IV 곡선을 통해 관찰할 수 있습니다(그림 4).

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Figure 4. The Conductive AFM data (left) of Nickel Silicide on Silicon Nitride substrate.
Two IV curves (right) are measured on the marked positions 
in the acquired Conductive AFM image.

 

Specifications

  Internal Conductive AFM VECA ULCA
 Maximum Current 10 μA 10 mA[2] 100 pA
 Gain Fixed Variable (103 – 1011 V/A) Fixed (1011 V/A)
 Noise level 1 pA 0.3 pA[1] < 0.1 pA
 Bias range -10 V – 10 V (0.001 V increment)
 Spatial resolution Limited by the tip size of the cantilever
 Recommended probe  

[1] The noise level of the VECA at the gain of 109 V/A. The noise level may be changed by the gain.
[2] The maximum current range of the VECA at the gain of 103 V/A. The maximum current range decreases according to the gain value.

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