| 고객문의 |

좋은 AFM 이란?

goodman

 AFM을 구매하기 위해 장비를 평가할 때에는, 연구의 목적과 실험 용도에 따라 AFM 장비의 여러가지 중요한 특성들을 고려해야 합니다. AFM의 성능에 관한 자세한 기술적 설명을 담은 목록들은 고객들이 고려해야 할 평가항목들과 질문의 수를 확대할 뿐, 정작 AFM을 어떻게 선정해야 할지 더욱 곤란하게 만들곤 합니다. 각각의 구매자들이 고려해야 할 가장 중요한 항목들은 다음과 같습니다:

  • 연구용 장비인가, 산업용 장비인가?
  • 여러 명의 사용자가 번갈아 가며 사용할 것인가?
  • 이 장비 하나로 내가 필요로 하는 다양한 옵션들을 지원하는가?
  • 초보자들도 쉽게 사용할 수 있는가?
  • 장비를 다루는데 익숙한 고급 사용자들도 유용하게 이용할 수 있을만큼 용도가 다양한가?

이 질문들의 답을 구하고 적절한 장비들의 목록이 만들어지면, 고객들은 각 AFM 장비들이 자신들의 전반적인 필요조건들을 만족시킬 수 있는지에 대한 기본적인 비교를 해야만 합니다.

㈜파크시스템스는 그런 고객들을 위해 "어떤 AFM이 좋은 AFM인가요?"에 대한 종합적인 답을 보여 드립니다.

 

기본

 역사적으로 AFM은 시료의 상대적의 크기를 알아내는데 적절한 기구임이 인정되어 왔으나, 시료의 절대적 크기를 정확하게 알아내는 데에는 많은 어려움이 있었습니다. 연구분야나 산업계에서 측정해야 하는 시료들이 작아지면 작아질수록 AFM을 이용하여 시료 표면 구조의 절대적 크기를 정밀히, 반복적으로 측정해야 할 필요성이 점점 커지고 있습니다.

나노미터 스케일의 측정을 위해서는 측정결과의 정확도와 신뢰도 외에도, 여러가지 다양한 옵션과 모드들을 유연하게 사용할 수 있는지가 해상도만큼이나 중요합니다. AFM을 구매하거나 업그레이드 해야할 때 고객의 다양한 응용분야의 필요와 상관없이, AFM 성능은 아래 설명된 7가지 속성들에 크게 영향을 받는다.

  • Noise Floor (노이즈 플로어)
  • XY Scan Flatness (XY 스캔의 평평성)
  • XY Scan Linearity (XY 스캔의 선형성)
  • Tip Life (탐침의 수명)
  • Thermal Drift (온도 드리프트)
  • Available SPM Modes (가능한 SPM 모드)
  • Option Compatibility (옵션과의 호환성)
 

노이즈 플로어

noise-zero-scan
그림 1. 노이즈 플로어는 탐침을 시료 표면에 위치시킨 후 게인 0.5 와 0 nm X 0 nm의 스캔 크기, 256 x 256 픽셀의 조건 설정후 "제로 스캔"을 수행함으로써 측정한다. 이 스캔의 어떤 한 지점에서의 신호가 이 장비의 노이즈 플로어와 대응된다.

 아주 작은 주변 환경의 진동조차도 AFM의 측정 결과에 노이즈를 만들게 되는데, 이는 매우 작은 미세구조를 측정하거나 평평한 시료 표면의 특성을 측정하는데 어려움을 줄 수 있습니다. 기준 노이즈 혹은 노이즈 플로어를 측정할 때, 사용자는 탐침을 시료 표면에 위치시킨 후 "제로 스캔"(그림 1 참조)을 수행하여 장비의 특성을 확인합니다. 좋은 AFM은 주변 환경의 각종 진동 요인으로부터 보호되어 0.5 A 이하의 노이즈 플로어를 얻을 수 있어야 합니다.

  • 0 nm x 0 nm 스캔, 한 지점에 정지시킨 후 측정접촉모드
  • 게인값은 0.5로 설정
  • 256 x 256 픽셀
 

XY 스캔의 평평성

z run-out
그림 2. Z 런아웃, 혹은 면외운동은 측정 결과에서 시료의 기울기에 따른 보정(1차 평면 교정)이외에 어떠한 소프트웨어적 보정도 추가하지 않은 스캔 단면의 P-V(Peak to Valley) 높이입니다. 시료는 옵티칼 플랫(기준 거울)이거나 AFM 표준 교정 시료의 평평한 부분입니다.
 모든 AFM에서 가장 중요한 부품은 스캐너입니다. 이는 스캐너의 성능이 AFM으로 측정하는 이미지의 정확성을 결정하기 때문입니다. 그러므로, AFM 측정 이미지가 왜곡되는 것을 피하기 위해서는, 고차 혹은 비선형 배경 곡률같은 스캐너의 성능으로 인한 인위적 결과가 없는지, 있다면 어느 정도인지 아는 것은 매우 중요합니다.

 따라서, AFM을 사려는 고객들은 평평한 시료를 이미징할 때 면외운동을 최소화하는 설계를 가진 스캐너를 찾아야 합니다. 좋은 AFM 스캐너는 스캔 속도(그림3참고), 스캔 크기, 스캔 오프셋(그림 4)과 상관없이 Z 면외운동을 수 나노미터 단위 내로 조절합니다.
 
xy-plane-motion-100
그림 3. 좋은 AFM은 100um 크기를 각기 0.5, 1, 2 Hz의 다른 속도로 스캔할 때에도 면외 운동이 약 +/- 2nm 정도이며 0.5 nm 이하의 반복성을 보입니다. 반복성은 두개 혹은 그 이상의 스캔에서 평균들값들의 최대 변위로 정의합니다. 이 테스트는 X와 Y 방향 모두에서 수행할 수 있습니다.
xy-plane-motion-40
그림 4. 좋은 AFM의 40 um 크기를 스캔 할 때 (0, 0), (25um, 25um), (25um, -25um), (-25um, 25um) 그리고, (-25um, -25um)의 각기 다른 오프셋에서도 면외운동이 약 +/- 2nm 정도이며 0.5 nm이하의 반복성을 보입니다. 반복성은 두개 혹은 그 이상의 스캔에서 평균들값들의 최대 변위로 정의합니다. 이 테스트는 X와 Y 방향 모두에서 수행할 수 있습니다.
 

XY 스캔의 선형성

xy-linearity-mismatching
그림 5. X-Y 선형성은 빠른 스캔 축의 방향을 바꾼 후 두 개의 직교 스캔을 맞추어 봄으로써 평가합니다. 이 테스트는 무작위로 뽑은 오프셋 좌표에서 40x 40 um 크기로 실행할수 있습니다.
xy-linearity-matching
그림 6. 좋은 AFM이라면 뛰어난 XY 스캔 선형성을 보여주며 두 개의 직교스캔을 매치했을 때 눈에 띄는 어긋남이 없어야 합니다.

 

XY 스캔의 선형성은 AFM으로 측정한 결과 이미지의 정확성을 결정하는 아주 중요한 특성입니다. 만약 튜브 스캐너처럼 X방향과 Y방향의 움직임이 서로 상관관계에 있다면, X방향으로의 움직임은 스캐너의 Y방향 움직임에 직접적으로 영향을 끼치게 됩니다. XY 스캔의 선형성은 그림5에 보여지는 것처럼 두 개의 직교 스캔을 사용하여 그 후의 이미지를 비교하면서 측정합니다. 이 두 이미지의 어긋남이 X방향과 Y방향 움직임이 얼마나 선형적인지를 보여줄 것입니다.

 

이런 이유로, AFM을 사려는 사람들은 X와 Y 스캔 선형성을 최대화 시키는 설계를 가진 스캐너를 찾아야만 합니다. 좋은 AFM 스캐너는 무작위로 뽑은 좌표에서(그림6참고), 스캔속도(그림7참고), 스캔 크기 그리고 스캐너 오프셋(그림8참고)에 상관없이 XY 스캐너의 선형성이 0.05%보다 작아야 합니다

 

xy-orthogonal-scan-01
그림 7. 좋은 AFM은 1Hz, 2Hz의 서로 다른 스캔속도 에서도 두 개의 직교성 스캔을 비교했을 때 어긋남이 없어 훌륭한 XY 스캔 선형성을 보여준다.
xy-orthogonal-scan-02
그림 8. 좋은 AFM은 (0, 0), (25um, 25um), (25um, -25um), (-25um, 25um) and (-25um, -25um)의 다른 XY 오프셋에서 두 개의 직교성 스캔을 비교했을 때 어긋남이 보이지 않아 훌륭한 XY 스캔 선형성을 보여준다.
 

탐침 수명

탐침의 수명은 일정하게 고화질 이미지를 안정적으로 얻기 위해서 중요한 요소입니다. 탐침이 시료와 접촉하여 끝이 뭉툭해지면 AFM의 분해능이 떨어질 뿐 아니라 이미지의 질적인 하락을 일으킵니다. 표면이 부드러운 시료들은 탐침이 시료에 접촉하게 되면 탐침 뿐만 아니라 시료 표면에도 손상이 가기 때문에 높이 측정의 부정확성을 초래하게 됩니다. 따라서, 탐침을 보존하는 것은 고분해능의 정확한 결과를 얻어내는데 있어 매우 중요합니다.

 

탐침의 수명을 실험하는 가장 좋은 방법중의 하나는 단단한 시료로 뾰족뾰족하고 날카로운 미세 돌출 구조들을 가지고 있는 CrN의 표면을 AFM을 이용하여 측정하는 것입니다. 만약 탐침이 손상되어 뭉툭해진다면 이 탐침은 날카로운 돌출 구조들의 바닥면에 닿지 못하게 되고, 이로 인해 이미지가 선명하지 못하고 흐릿하게 됩니다. 좋은 AFM은 그림 9에 보여지는 것처럼 똑같은 시료 표면의 거칠기(그림10참고)를 유지하면서 CrN 시료를 100 번 측정한 후에도 탐침을 날카롭게 보존할 수 있어야 합니다.

 

tip-wearing-experiment-CrN
그림 9. 탐침 검사기라고도 불리우는, CrN 시료를 사용하여 손쉽게 탐침의 마모 실험을 할 수 있습니다. 좋은 AFM은 100 번의 스캔 후에도 탐침의 날카로움을 보존할 수 있습니다. 만약 탐침의 수명이 길지 않다면, 마모되거나 손상된 탐침 끝으로 인해 날카로운 삼각 돌기들이 흐릿하게 보여지게 됩니다.
tip-sharpness-value
그림10. 좋은 AFM은 탐침을 온전하게 보존하여 일정한 시료 표면의 거칠기를 얻을 수 있습니다.
 

온도 드리프트

AFM 탐침은 장비 내부의 기계장치들이 온도의 영향으로 인해 늘어나거나 줄어듦으로 인해 원치 않는 움직임을 보일 수 있습니다. 1 um보다 작은 시료들을 정확하게 측정하기 위해서는 온도 드리프트라고 불리우는 이 원치 않았던 움직임은, 반드시 최소화되어야만 합니다. X방향과 Y방향의 온도 드리프트 정도는 시료 표면의 특징적인 구조의 위치를 표시하고 여러 번 반복 스캔한 후에 이 위치에서 어떠한 편차가 생겼는지를 측정하여 구할 수 있습니다. 좋은 AFM이라면 보통 온도 드리프트 비율이 1.5 nm/minute/℃.보다 작습니다.

xy-drift-Si-wafer
그림 11. XE-100으로 측정한 이미지의 예는, 실리콘 웨이퍼 위에 있는 작은 나노입자를 기준점으로 하여 2 x 2 um, 256 x 256 pixels, 1 Hz의 스캔속도로 여러 번의 반복 측정한 것입니다. 이 스캔은 XE-100에 새로운 시료와 새로운 탐침을 장착하여 바로 행해진 것이므로, 이 전에 어떠한 시스템 예열도 없었습니다. 여기서 측정된 X 방향으로의 드리프트율은 0.738nm/min이고 Y방향으로의 드리프트율은 0.523 nm/min입니다.
 

사용 가능한 SPM 모드

1980년대에 개발된 이후, AFM은 나노크기의 계측 및 연구를 하는데 있어 가장 강력한 도구가 되었습니다. 최근에 이르러서는 사용자들의 관심 연구분야와 특정 시료의 특성에 따라 AFM으로 다양한 물리적 성질들을 파악할 수 있는 기능적 도구로 발전하고 있습니다. 그 중에서도 중요한 부분들은 다음과 같은 물성을 측정할 수 있는 SPM 모드입니다.

  • 기본 이미징
  • 화학적 특성
  • 유전체/압전체
  • 힘 측정
  • 전기적 특성
  • 액체내 이미징
  • 자기적 특성
  • 역학적 특성
  • 광학적 특성
  • 열적 특성
 

옵션 호환성

좋은 AFM이라면 여러가지 다양한 상황과 시료환경에서도 실험 결과를 얻기 위해 반드시 다양한 종류의 옵션들과 호환이 가능해야 합니다. 그중에서도 중요한 옵션들은 다음과 같습니다.

  • Low coherence를 위한 SLD 광원 
  • 가열 & 냉각 시료 스테이지 
  • 액상 측정용 용기
  • Live cell chamber
  • 자동화된 XY 시료 스테이지
  • 신호 접속용 외부 모듈
  • 순차적 이미징을 자동화시키는 스텝 앤 스캔 기능
  • 자기장 조절이 가능한 자기장 발생기
 

What is a Good AFM