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Mechanical Properties

나노리소그래피

클로즈드 루프 스캔 시스템을 이용한 진보된 벡터 나노리소그래피

나노리소그래피

일반적으로 원자현미경은 표면에 손상을 주지 않고 이미징하는 데 사용됩니다. 그러나 원자현미경으로 과도한 힘이나 고출력 펄스를 가하여 의도적으로 표면을 변형할 수도 있습니다. 표면을 원자 단위로 변형한 여러 가지 사례가 과학 논문뿐 아니라 신문과 잡지에도 소개된 바 있습니다. 이 기술을 나노리소그래피라고 합니다.

 

나노리소그래피 패턴은 그림 1과 같이 두 가지 방법으로 시료 표면에 새겨집니다. 첫 번째는 시료 표면을 단단한 팁으로 각인하여 기계적으로 변형하는 방법입니다. 두 번째는 팁과 시료 사이에 바이어스 전압을 인가하여 표면의 화학적 특성을 바꾸는 방법입니다. 다양한 점 또는 격자 형태로 각인 패턴을 만들 수 있으며, 전체 이미지를 스캔하는 래스터 나노리소그래피가 널리 사용됩니다.

 

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그림 1. 표면에 패턴을 만들기 위해 (a) 팁으로 표면을 각인하는 방법 및 (b) 바이어스 전압을 인가하여 표면을 변형하는 방법

 

진보된 클로즈드 루프 스캔 시스템을 이용한 벡터 나노리소그래피

나노리소그래피에서 진보된 클로즈드 루프 시스템의 가치는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 나노리소그래피의 안정성과 효율성이 이 시스템에 달려 있다고 해도 과언이 아닙니다. XE 시리즈 원자현미경이 제공하는 최고 성능의 클로즈드 루프 시스템으로 벡터 나노리소그래피를 실현할 수 있습니다.

XE 시리즈 원자현미경의 XY 스캐너에는 위치 감지형 광검출기(PSPD)가 클로즈드 루프 센서로 사용되며, PSPD는 실시간으로 XY 스캐너의 움직임을 감시하며 제어합니다. 이를 통해 XY 방향으로 캔틸레버의 벡터 이동이 가능합니다. 즉, 다른 원자현미경 시스템에서 일반적으로 사용되는 방식인 래스터화는 XE 시리즈 원자현미경에서 지원되기는 하지만 필수 사항은 아닙니다. 벡터 나노리소그래피가 가능한지 여부는 클로즈드 루프 시스템의 성능을 입증하는 궁극적인 척도입니다.

그림 2에서는 벡터 나노리소그래피의 진보된 성능을 보여 줍니다. 그림 2 (b)의 나노리소그래피 이미지는 그림 2 (a)에 나와 있는 벡터를 사용하여 각각 2개의 원과 직선으로 그려졌습니다. 선의 두께는 인가 전압 및 스캔 시 대기 습도와 같은 여러 가지 요인에 좌우됩니다. 래스터화가 아닌 벡터 이동에 의해 직선이 그려졌음에도 불구하고 이미지에 왜곡이 전혀 없습니다. 이는 XE 시리즈 원자현미경에 사용된 클로즈드 루프 시스템의 놀라운 성능을 입증하는 결과입니다.

 

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그림 2. 벡터 나노리소그래피. -5에서 -10 V 사이의 음전압을 인가하여 벡터 방식으로 작성한 이미지입니다. 스캔 속도는 1에서 0.1μm/s 범위로 변화했으며 축적 산화물 높이는 약 2-4nm입니다.

 

XEL - 진보된 나노리소그래피 소프트웨어

XE 시리즈 원자현미경의 나노리소그래피 공정은 XEL 리소그래피 제어 소프트웨어로 통제됩니다. XEL의 편리한 사용자 인터페이스를 사용하면 단순한 그래픽 소프트웨어로 그림을 그리듯이 손쉽게 리소그래피 공정을 제어할 수 있습니다. 마우스 조작만으로 손쉽게 개체를 그리고 크기를 조정하거나 이동할 수 있습니다. 래스터화 및 벡터 나노리소그래피에 사용할 비트맵 이미지를 외부에서 가져올 수 있습니다.

XEL 소프트웨어에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 다양한 리소그래피 모드
• 배경 특성과 개체 특성 분리
• 벡터 모드와 래스터 모드 지원
• 편리한 그래픽 편집기 제공

그림 3은 전압 유도 Si 산화를 통해 작성한 비트맵 이미지 패턴입니다. 팁과 시료 사이에 위치마다 다른 바이어스 전압을 인가하여 PZT 박막의 강유전성 구역을 전환할 수 있습니다. 그림 4 (a)와 그림 4 (b)는 PZT 박막 EFM 이미지의 강유전성 구역 전환을 수행하기 전과 후의 모습입니다. 밝은 부분은 10V, 어두운 부분은 -10V의 바이어스 전압이 인가된 상태입니다.

 

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그림 3. (a) PZT 박막의 강유전성 구역 전환 및 (b) 폴리카보네이트 박막의 나노각인으로 작성한 비트맵 이미지 패턴(스캔 크기 30μm)

 

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그림 4. PZT 박막에서 강유전성 구역 전환을 수행하기 전(a)과 후(b)의 리소그래피 EFM 이미지(스캔 크기 5μm)

 

외부 고전압 리소그래피

XE 시리즈의 나노리소그래피는 시료 표면에 나노 규모로 형태를 새기는 데 사용되는 기법입니다. XE 시리즈 원자현미경을 사용한 일반 나노리소그래피 모드에서 인가 가능한 전압 범위는 -10V ~ +10V입니다. 전압 범위를 더 높여야 하는 특수한 경우를 위해 고전압 나노리소그래피 모드가 개발되었습니다. 외부 고전압 키트를 이용하면 XE 원자현미경을 외부 전압 증폭기에 연결하여 10V 이상의 팁 또는 시료 바이어스 전압으로 실험이나 측정을 수행할 수 있습니다. 고전압 리소그래피에서 인가 가능한 전압 범위는 외부 전압 증폭기에 따라 다릅니다.



응용 분야

• 나노리소그래피 매체 및 기법 개발
• 최소 형상 크기 연구
• 최소 선 간격
• 저항 노출 속도
• 노출 임계치

나노압입

강도란 소재가 자신의 구조와 형태를 유지하면서 외부 압력을 견딜 수 있는 능력을 말합니다. 나노압입은 국소 영역의 강도를 측정하는 XE 모드입니다. 이 모드의 응용 분야로는 하드 코팅(질화티타늄 코팅), 마이크로 전자공학(금속 결합의 안정성), 박막 기술(접착 실패) 및 폴리머 등이 있습니다. 그림 1과 같이 예리한 팁으로 시료를 눌러서 압입을 만들며, 압입의 깊이와 면적은 강도와 상관성이 있습니다. 압입 데이터를 바탕으로 탄성, 접착, 크립 및 마찰 등의 기타 특성을 계산할 수도 있습니다.

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그림 1. 나노압입으로 압입기 팁을 시료에 눌러 국소 영역의 강도 측정

 

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그림 2. 베르코비치 압입기 이미지. XE 시리즈 원자현미경에서 완전 비접촉 모드로 측정한 이미지입니다. 이러한 종류의 이미지는 태핑 원자현미경이나 접촉식 원자현미경으로는 측정할 수 없으며 완전 비접촉 모드로만 측정할 수 있습니다.

 

 압입 자체의 원리는 매우 단순하지만 어려운 점은 분석에 있습니다. 이 기술의 관건은 힘의 캘리브레이션과 깊이(변위)입니다. 캔틸레버의 힘 상수, 팁의 형태 및 팁 접착력과 같은 기타 기계적 특성이 시료에 작용하는 전체 힘을 결정합니다. 따라서 그림 2와 같이 압입기의 형태를 정확하게 이미징할 수 있으면 힘을 안정적으로 교정하는 데 매우 유리합니다.

 XE 시리즈의 완전 비접촉식 원자현미경이 제공하는 독보적인 기능으로만 베르코비치 압입기를 정확하게 이미징할 수 있습니다. 참조 캔틸레버 어레이에 의한 스프링 상수 캘리브레이션(참조 캔틸레버 어레이에 의한 스프링 상수 교정 참조)을 동반한 XE 시리즈 원자현미경의 힘 캘리브레이션은 유례없는 정확도와 신뢰도를 보장합니다. 깊이 감지에 있어서 중요한 요소는 캔틸레버 휨의 정확한 검출과 시스템의 기계적 시뮬레이션입니다.

 

 

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그림 3. 파크시스템스의 캔틸레버 빔을 측정한 SEM 이미지

 그림 3은 ECM 기술로 제작한 파크시스템스의 MEMS 가공 캔틸레버를 측정한 SEM 이미지입니다. 이와 같이 캔틸레버의 구동 부품이 명확하게 규정되므로 기계적 특성을 정확하게 예측할 수 있습니다. 현재 널리 사용되는 압입기는 3면 피라미드 형태의 단결정 천연 다이아몬드 팁을 갖는 베르코비치 압입기입니다. 압입기가 이보다 예리하면 고해상도, 고감도 압입에는 더 유리할 수 있지만 팁 형상이 지나치게 예리하면 시뮬레이션을 통해 정량적인 결과를 얻기가 매우 어려워집니다. 베르코비치 압입기의 장점은 압입기 팁에 손상을 주지 않고 결과를 시뮬레이션하여 힘을 정량적으로 측정할 수 있다는 점입니다. 압입기는 예리한 모서리 중 하나가 빔의 장축에 평행하도록 빔에 부착됩니다. 압입기는 약 1-2초 동안 시료 표면에 지정된 힘을 가합니다. 압입공은 독특한 형상을 가지며, 그림 4와 같이 고정밀 원자현미경으로 특성을 파악할 수 있습니다. 원자현미경은 이러한 미세 영역의 형상을 정확하게 판별할 수 있는 유일한 수단입니다. 또한 XE 시리즈의 완전 비접촉식 원자현미경은 압입 팁을 극히 정확하고 안정적으로 이미징할 수 있습니다.

 

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그림 4. XE 시리즈 원자현미경에서 완전 비접촉 모드로 측정한 나노압입공 이미지를 상하 반전한 모습

 하중력을 압입의 투사된 잔여 면적으로 나누어 강도를 계산합니다. 강도 외에도 하중 제거 곡선의 기울기를 통해 세로 탄성률을 구할 수 있습니다. 그림 5. 에서는 나노압입 주기 동안의 전형적인 하중 및 하중 제거 변위 곡선을 보여 줍니다.

 

 

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그림 5. 나노압입 중의 하중 및 하중 제거 변위 곡선

 

히스테리시스는 변형이 완전히 탄력적이지 않으며 부분적으로 비탄력적임을 나타냅니다. 소재의 상태가 양호하면 변형이 거의 탄력적이므로 하중 곡선과 하중 제거 곡선이 거의 일치합니다. 이와 같이 나노압입은 주로 탄성 및 점탄성을 판정하는 데 사용됩니다.

 

힘 변조 현미경(FMM)

시료 탄성력의 진폭 및 위상 이미징

XE 시리즈의 힘 변조 현미경(FMM)은 접촉식 원자현미경(C-AFM) 모드로 운용되는 원자현미경 이미징 기법을 바탕으로 하며 시료 표면의 탄성, 접착 및 마찰과 같은 기계적 특성 변화를 검출하는 데 사용됩니다.

FMM 모드에서는 원자현미경 팁이 시료 표면에 접촉한 상태로 스캔하며, 일정력 모드 원자현미경과 같이 Z 피드백 루프를 통해 캔틸레버 휨을 일정하게 유지합니다. 또한 '구동 신호'라는 주기적 신호를 바이모르프 압전소자에 전달하여 팁이나 시료를 진동시킵니다. 그 결과로 나타나는 팁의 움직임을 전기 신호로 변환합니다. 이 전기 신호를 AC 성분과 DC 성분으로 분리한 후 분석합니다.

DC 신호는 접촉식 원자현미경과 같이 팁의 휨을 나타냅니다. Z 피드백 루프에서는 이 신호로 팁과 시료 간의 힘을 일정하게 유지하여 형상 이미지를 작성합니다. AC 신호에는 진동으로 인한 팁의 반응이 포함됩니다. AC 신호의 진폭(FMM 진폭)은 시료 표면의 탄성에 민감합니다. 표면이 단단하면 진동이 반사되어 진폭 반응이 커집니다. 반면에 표면이 부드러우면 진폭 반응이 작아집니다. FMM 진폭의 변화를 바탕으로 FMM 이미지를 작성하여 시료의 탄성을 측정할 수 있습니다. 그림 1에서는 FMM을 사용한 진폭 반응의 예를 보여 줍니다.

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그림 1. 캔틸레버의 휨 폭은 시료 표면의 기계적 특성에 따라 달라집니다.

 

 AC 신호의 위상 변이(FMM 위상)도 시료 표면의 탄성에 따라 달라집니다. 따라서 FMM 위상으로 FMM 이미지를 작성할 수 있는데, 이 기법을 위상 검파 현미경(PDM)이라고 합니다. FMM 위상은 FMM 진폭보다 표면의 탄성에 더 민감한 경우가 많습니다. PDM은 강도가 일정한 구역에서 대비를 심화하는 메커니즘을 제공합니다. 그림 1에서는 PDM 원리의 계통도를 보여줍니다.

 FMM은 캔틸레버 변조의 진폭 변화를 바탕으로 시료의 탄성을 매핑한 힘 변조 이미지를 작성합니다. 인가 신호의 주파수는 100kHz 단위로서 추적할 Z 피드백 루프의 설정값보다 빠릅니다. 따라서 그림 1과 같이 시료 탄성의 국지적 변화와 별도로 형상 정보를 측정하여 두 가지 이미지를 동시에 측정할 수 있습니다.

 XE 시리즈에서는 접촉식 원자현미경과 완전 비접촉식 원자현미경의 주요 특성을 결합하여 FMM 이미지를 작성합니다. XE 시리즈 접촉식 원자현미경의 피드백 변수를 사용하여 팁과 시료 간의 접촉력을 조절하는 한편, XE 시리즈 완전 비접촉식 원자현미경의 주파수 스윕, 구동 주파수 및 구동 게인을 사용하여 팁 또는 시료의 진동을 제어함으로써 FMM 이미지의 대비에 영향을 줍니다.

 그림 2에서는 유리섬유-PP(폴리프로필렌) 합성물의 형상 이미지와 FMM 이미지를 보여 줍니다. 유리섬유와 PP 영역 간의 강성 차이를 관찰할 수 있습니다. 그림 3에서는 혼합 폴리머(SIBS 1027 60%+SMA 14 40%)의 형상 이미지와 FMM 이미지를 보여 줍니다. 형상 이미지만 보면 시료의 서로 다른 성분(SIBS와 SMA)이 구분되지 않습니다. 그러나 FMM 이미지에서는 SIBS 영역과 SMA 영역의 서로 다른 강성 특성이 극명하게 드러납니다.

 

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그림 2. 유리섬유-PP 합성물의 (a) 형상 이미지 및 (b) FMM 이미지(스캔 크기 30μm)

 

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그림 3. 혼합 폴리머: SIBS 1027 60% +SMA 14 40%의 (a) 형상 이미지 및 (b) FMM 이미지(스캔 크기 30μm)

 

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