반도체 재료 및 소자를 위한 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 원자 힘 현미경-적외선 분광법의 구현

Corey M. Efaw; Suemy Batista; Nolan H. Olaso; Benjamin R. Bailey; David Estrada; Elton Graugnard; Paul H. Davis

doi:10.3791/71517

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방법 논문

반도체 재료 및 소자를 위한 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 원자 힘 현미경-적외선 분광법의 구현

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DOI:

10.3791/71517

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2026년 8월 21일

Corey M. Efaw¹ , Suemy Batista¹ , Nolan H. Olaso¹ , Benjamin R. Bailey¹ , David Estrada¹ , Elton Graugnard¹ , Paul H. Davis¹

¹Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University

이 논문에서

요약

본 프로토콜은 반도체 재료 및 소자의 나노스케일 화학적 특성 분석을 위한 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 원자간력 현미경-적외선 분광법을 설명하며, 여기에는 적외선 스펙트럼 획득 및 패턴 표면과 공정 관련 오염 물질의 화학적 매핑이 포함됩니다.

초록

원자 힘 현미경(AFM)은 재료 및 소자의 나노스케일 전기적, 자기적, 기계적, 열적, 전기화학적 및 전기기계적 특성을 분석하는 데 널리 사용되지만, 화학적 식별을 직접적으로 제공하지는 않습니다. 반면, 적외선(IR) 분광법은 진동 특성을 통해 화학 결합을 탐지하지만, 전통적으로 광학 회절로 인해 공간 해상도가 마이크론 스케일로 제한됩니다. 광열 AFM-IR 분광법(AFM-IR)은 AFM과 IR 분광법을 결합하여, IR 흡수 후의 국소적 광열 팽창을 측정함으로써 나노스케일의 화학적 특성 분석을 가능하게 합니다. 본 논문은 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 AFM-IR 프로토콜과 이를 반도체 재료 및 소자에 적용하는 방법을 제시합니다. 해당 프로토콜에서는 기기 준비, 프로브 선택 및 튜닝, AFM 지형 이미지 촬영, IR 레이저 정렬 및 최적화, 국소 IR 스펙트럼 획득, 그리고 선택된 진동 모드의 화학적 매핑 과정을 설명합니다. 특히 반도체 특성 분석을 위한 태핑 모드 AFM-IR의 실제 구현에 중점을 둡니다. 프로브 선택, 공진 튜닝 및 IR 빔 정렬을 포함하여 데이터 품질에 영향을 미치는 요인들을 다룹니다. 대표적인 예시를 통해 패턴 구조 내 물질 조성 구분, 반도체 기판 위 증착 물질 평가 및 공정 후 잔류 포토레지스트 오염 식별을 위한 AFM–IR의 활용법을 입증합니다. 본 프로토콜은 나노미터 수준의 공간 해상도로 국소화된 지형 및 화학 정보의 획득을 가능하게 하며, 반도체 연구 및 제조 과정에서 발생하는 특성 분석 과제에 AFM–IR을 어떻게 적용할 수 있는지 보여줍니다. 신규 사용자를 돕기 위해 AFM–IR 개발에 대한 간략한 개요와 일반적으로 사용되는 IR 광원 및 이미징 모드의 비교 분석도 함께 제공합니다.

서론

첨단 분석 방법은 반도체 연구, 개발 및 제조에서 필수적인 역할을 합니다. 상온 조건, 클린룸 환경, 불활성 기체 글로브박스 또는 진공 상태에서 수행 가능한 원자간력 현미경(AFM)은 반도체 산업에서 널리 활용되고 있습니다. 가용한 AFM 모드들은 반도체 재료 및 소자의 나노스케일 지형 매핑과 표면 전위, 전기 저항, 도펀트 프로파일링 및 특정 위치의 전류-전압(I–V) 측정을 포함하여 동일 위치에서의 전기적, 자기적, 기계적, 압전(즉, 전기기계적) 및 열적 측정을 결합하여 제공합니다¹^,²^,³^,⁴^,⁵. 하지만 AFM은 풍부한 물성 정보를 제공할 수 있음에도 불구하고, 화학적 조성 정보는 직접적으로 제공하지 못합니다. 반면, 적외선(IR) 흡수 분광법은 시료에 존재하는 화학 결합이나 포논 모드를 탐색하지만, 아베 회절 한계와 중적외선 빛의 파장(~2.5–25 µm 또는 400–4,000 cm⁻¹)으로 인해 전통적으로 마이크론 스케일의 공간 분해능으로 제한되어 왔습니다⁶^,⁷^,⁸. 나노스케일 화학 식별을 위해 AFM을 근접장 IR 현미경 및 분광법과 결합한 광열 AFM–IR⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³의 개발은 이러한 한계를 해결합니다⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. AFM–IR은 중적외선(MIR) 광원을 일반적으로 금속 코팅된 나노스케일(~20 nm) AFM 프로브 팁에 집중시킴으로써, AFM 지형 데이터와 IR 분광 데이터를 동일 위치에서 동시에 획득할 수 있게 합니다 (그림 1)⁶^,⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹.

원자 힘 현미경 도식, 캔틸레버, IR 레이저, 포토다이오드, 광 여기.
그림 1. 광열 원자 힘 현미경–적외선 분광법(AFM–IR)의 모식도. 집속된 펄스 적외선(IR) 빔이 시료 표면의 국소적인 광열 팽창을 유도합니다. 그 결과로 발생하는 캔틸레버의 진동은 AFM 굴절 레이저와 위치 민감형 포토다이오드를 사용하여 검출되며, 이를 통해 나노 규모에서 시료의 지형 정보와 화학적 정보를 동시에 획득할 수 있습니다. Dazzi 및 Prater⁷의 그림 1A를 허가 하에 수정함. Copyright 2017 American Chemical Society. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

초기 AFM–IR 구현 방식은 광대역 IR 광원을 사용했으며, 때로는 표준 AFM 캔틸레버 대신 특수 열 민감성 프로브를 함께 사용하였습니다²²^,²³. 이후 연구자들은 더 높은 피크 전력을 제공하는 펄스 IR 광원을 도입하였으며²⁴, 반복률 조절이 가능한 경우 시료의 광열 여기(photothermal excitation)에 대한 캔틸레버 응답의 공명 증폭(resonance enhancement, RE)을 가능하게 하여¹¹^,¹⁵^,²⁵^,²⁶, 단분자층 수준에 근접하는 검출 민감도를 구현하였습니다²¹. 나노스케일 IR 분해능을 처음으로 입증한 AFM–IR 시스템은 자유 전자 레이저와 IR 투과성 기판을 통한 상향식(bottom-up) 에바네센트파 조명을 사용하였습니다⁹. 그 직후, 파장 조절이 가능한 광학 매개 변수 발진기(OPO)²⁴^,²⁸ 또는 양자 캐스케이드 레이저(QCL)¹¹^,²¹와 같은 탁상형 레이저 광원을 이용한 하향식(top-down) 조명 방식이 도입되었습니다¹⁰²⁷. 하향식 조명은 IR 투과성 기판의 필요성을 없애 시료 준비를 단순화하고 더 두꺼운 시료의 분석을 가능하게 하므로, 이러한 구성은 현재 대부분의 상용 AFM–IR 시스템의 기초가 되고 있습니다⁷^,⁸^,¹⁵^,¹⁶. 이후의 발전을 통해 시료 표면의 선택된 지점에서 IR 스펙트럼을 획득하고 특정 진동 모드의 화학적 매핑을 수행할 수 있게 되었습니다⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁵^,²⁴^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³². 그 결과, AFM–IR은 생물학 및 약물 전달⁶^,²⁵^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷, 고분자 특성 분석⁶^,¹²^,²⁶^,³⁸^,³⁹, 나노입자 식별²⁶^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³, 그리고 반도체 연구⁷^,⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶^,⁴⁷^,⁴⁸^,⁴⁹ 등 광범위한 분야에 적용되어 왔으며, 현재는 접근 가능한 파장 범위를 확장하여 조사할 수 있는 진동 모드와 재료 시스템의 다양성을 넓히는 데 집중하고 있습니다⁸^,²⁸^,⁵⁰.

IR 산란형 주사 근접장 광학 현미경(IR s-SNOM)¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹ 및 팁 강화 라만 산란(TERS)⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶와 같은 관련 기술들은 각각 탄성 또는 비탄성 산란광을 검출합니다. 이와 대조적으로, AFM–IR은 AFM 프로브 캔틸레버를 사용하여 IR 여기 후 시료 표면에서 발생하는 광열 팽창을 캔틸레버 공진의 품질 계수(Q factor)를 통해 변환 및 증폭합니다⁶^,⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,³¹^,⁶⁷. 그 결과로 발생하는 프로브의 진동은 캔틸레버 뒷면에서 반사되어 위치 민감 검출기(position-sensitive detector)에 도달하는 AFM 굴절 레이저의 움직임을 측정함으로써 검출됩니다(그림 1). 이러한 검출 경로는 시료의 지형 변화를 측정하는 데에도 사용되기 때문에, AFM–IR에서는 지형 응답과 IR 흡수 응답을 분리하는 방법이 필요합니다. 이러한 분리는 초기에 컨택 모드 AFM을 사용하여 달성되었습니다. IR 펄스에 의해 시료가 여기된 후, 시료의 광열 팽창에 대한 프로브의 응답은 나노초에서 마이크로초 시간 단위로 빠르게 감쇠하며, 이는 수 kHz의 속도로 AFM 데이터를 획득할 때의 밀리초 단위 유효 프로브 체류 시간보다 훨씬 빠릅니다⁶^,⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁵⁰^,⁶⁷. 각 데이터 포인트(즉, AFM 이미지 픽셀)에서 발생하는 이러한 시간 가변 광신호, 즉 링다운(ringdown)은 캔틸레버 컨택 공진 주파수를 중심으로 하는 주파수 밴드패스 필터를 거쳐 푸리에 변환될 수 있습니다. 이때 결과 진폭은 시료의 국소적 광열 응답에 비례합니다(그림 2A, 2B)⁶^,⁷^,⁸^,¹⁵^,³¹^,⁶⁷^,⁶⁸. 그러나 시료 강성의 변화는 프로브의 컨택 공진 주파수를 이동시킬 수 있으며, 이는 광열 팽창 신호를 시료 표면의 기계적 거동 변화와 혼동시킬 수 있습니다. 컨택 모드 AFM–IR의 민감도를 향상시키기 위해 공진 강화(RE) AFM–IR이 개발되었습니다. 이 모드에서는 레이저 펄스 반복률을 프로브의 컨택 공진 주파수에 맞게 조정하여 캔틸레버의 기계적 공진을 위상 일치 증폭시키며, 이를 통해 링다운 감쇠를 연속파 진동으로 변환합니다(그림 2C, 2D)⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,²¹. 이 접근법은 캔틸레버 공진의 Q factor에 비례하여 신호 대 잡음비(S:N)를 상당히 개선합니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²¹. 위상 고정 루프(PLL)를 통합하면 캔틸레버 공진을 지속적으로 모니터링할 수 있으며, 선택한 IR 파수에서 시료 응답을 매핑하는 동안 레이저 펄스 반복률을 변화하는 공진 주파수에 맞출 수 있습니다. 이를 통해 측정된 RE AFM–IR 신호가 시료 표면 전체에서 기계적 특성 및 그에 따른 컨택 공진 주파수의 변화와 관계없이, 진동 모드의 IR 흡수 계수에 계속 비례하도록 보장할 수 있습니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,³⁷^,⁶⁹.

주파수 및 시간 영역 분석을 위한 진동 신호 그래프와 FFT 분석 차트.
그림 2. 서로 다른 AFM–IR 작동 모드를 사용하여 얻은 대표적인 시간 영역 및 주파수 영역 응답. (A) 컨택 모드 AFM–IR 동안 시료의 광열 여기 후에 나타나는 시간 영역 캔틸레버 링다운 응답. (B) (a)의 링다운 신호에 대한 고속 푸리에 변환(FFT)으로, 다중 컨택 공진 모드를 보여줌. (C) 부드러운 캔틸레버(k = 0.3 N/m)를 사용한 공진 강화 컨택 모드 AFM–IR 중에 획득한 시간 영역 응답. (D) 공진 강화 신호의 FFT로, 레이저 펄스 반복률에 해당하는 선택된 컨택 공진(365 kHz)에서의 증폭을 보여줌. 약 730, 1095 및 1460 kHz의 피크는 고차 조파에 해당함. (E) 단단한 캔틸레버(k = 40 N/m)를 사용하여 획득한 시간 영역 태핑 모드 AFM–IR 신호. (F) 태핑 모드 AFM–IR 응답의 FFT. 토포그래피 획득은 약 250 kHz의 구동 공진을 사용하여 수행되었으며, 광열 응답은 약 1.3 MHz의 차이 주파수(f₂ − f₁)에 해당하는 헤테로다인 펄스 반복률을 사용하여 약 1.55 MHz에서 검출됨. 패널 (A, B)는 Mathurin et al.¹⁶의 그림 3에서 허가를 받아 수정됨. Copyright 2022 AIP Publishing. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

AFM–IR 기술의 다음 주요 발전은 헤테로다인 검출(heterodyne detection)의 구현이었으며⁷⁰, 이를 통해 태핑 모드(tapping-mode) AFM과 AFM–IR을 결합하여 부드럽거나, 끈적거리거나, 약하게 부착된 시료를 이미징할 수 있게 되었습니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. 간헐적 접촉 모드(intermittent-contact mode)라고도 불리는 태핑 모드에서는 프로브를 캔틸레버 공진 주파수 또는 그 근처에서 진동시켜 시료 표면과 간헐적으로 접촉하게 함으로써, 횡방향 힘을 줄이고 시료 및 프로브의 손상 가능성을 최소화합니다. 따라서 접촉 모드(contact-mode) 작동과 비교했을 때, 태핑 모드는 기계적으로 부드럽거나, 부착력이 약하거나, 이미징 중에 표면 변형이 일어나기 쉬운 시료에 특히 유리합니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. 태핑 모드 AFM–IR에서 레이저 펄스 반복률은 두 캔틸레버 공진 주파수의 차이로 설정되며, f_laser = Δf = f₂ − f₁로 정의됩니다. 하나의 공진 주파수는 시료의 지형(topography)을 획득하는 데 사용되고(f_tap), 두 번째 공진 주파수는 IR 흡수로 인해 발생하는 광열 응답(photothermal response)을 모니터링합니다(f_demod) (그림 2E, 2F)⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷¹^,⁷². 공진 강화 접촉 모드 AFM–IR과 마찬가지로, PLL을 사용하여 스캐닝 중에 레이저 펄스 반복률과 Δf 사이의 동기화를 유지함으로써, 표면 전체의 팁-시료 상호작용 전위 변화로 인해 발생하는 캔틸레버 공진 주파수의 미세한 변동을 보정할 수 있습니다⁸^,¹⁶. 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR에서의 캔틸레버 응답(진동 진폭, Z)은 f_tap, f_demod, Δf 및 선택된 복조 공진의 Q 인자에 따라 달라집니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹:

과학적 모델링 및 분석을 위한 식 Z ∝ Δf/f_demod² × f_tap × Q_demod.

따라서 다른 요인들이 유사할 때(예: f₁과 f₂의 Q 인자가 비슷할 때), 더 강성이 높은 프로브를 사용하고, 더 높은 공진 주파수(f_tap = f₂)에서 태핑 모드로 작동시키며, 더 낮은 공진 주파수(f_demod = f₁)에서 광열 응답을 복조함으로써 S:N비를 향상시킬 수 있습니다. 태핑 모드 AFM–IR은 부드럽거나 끈적거리는 시료, 또는 약하게 부착된 시료의 분석을 가능하게 할 뿐만 아니라, 컨택 모드 구현 방식에 비해 시료의 기계적 특성 변화에 대한 민감도가 낮고, 수평 해상도가 약 2배 향상되며(~20 nm 대비 ~10 nm), 표면 민감도는 약 10~20배 향상됩니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹.

학계 및 산업 파트너와의 협력을 통해, 태핑 모드 AFM–IR은 패턴 웨이퍼의 증착 및 재료 제거 공정 평가⁴⁴^,⁴⁵, 원치 않는 핵 생성 지점 식별⁴⁴, 잔류 포토레지스트 검출⁴⁵, 그리고 와이드 밴드갭 반도체 소자의 컨택 패드 공정 조건 최적화⁴⁵에 사용되어 왔습니다. 본 프로토콜에서는 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR을 설명하며, 선택된 위치에서 나노스케일 IR 스펙트럼을 획득하는 방법과 고정된 IR 파수에서의 진동 모드 이미징을 통해 화학 종의 공간적 분포를 매핑하는 응용 방법을 보여줍니다. AFM–IR은 편광 의존 측정⁸^,¹⁶^,⁷³^,⁷⁴^,⁷⁵^,⁷⁶을 통해 분자 배향과 관련된 정보 또한 제공할 수 있으나, 이러한 응용은 본 프로토콜 및 제공된 대표 예시의 범위를 벗어납니다.

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프로토콜

본 프로토콜은 동물 또는 인간 세포주나 피험자를 사용하지 않습니다. 다른 AFM–IR 구현 모드들이 논의되기는 하지만, 본 프로토콜은 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 AFM–IR에 특화되어 있음에 유의하십시오.

1. 실험 설정

참고: 본 태핑 모드 AFM–IR 프로토콜은 가능한 한 일반적인 적용을 목적으로 작성되었습니다. 하지만 설정 및 작동 방법은 사용되는 시스템의 제조사와 모델, 그리고 관련 하드웨어(예: IR 광원, AFM 플랫폼 및 관련 기기)와 소프트웨어에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적인 AFM–IR 시스템의 개략적인 블록 다이어그램은 그림 3을 참조하십시오. 본 연구에 사용된 시스템은 재료 표에 기재되어 있습니다.

레이저 광원, 정렬 광학계, 피드백 루프, 포토다이오드 설정을 보여주는 AFM-IR 분광법 도식도.
그림 3전형적인 AFM-IR 시스템의 일반적인 도식적 블록 다이어그램. 해당 도식은 AFM-IR 측정 중에 사용되는 적외선 레이저 광원, 가시광 정렬 레이저, 정렬 광학계, 셔터, 집광 광학계, AFM 프로브 어셈블리, 포토다이오드 검출기, 락인 증폭기, AFM 컨트롤러, 시료 스테이지 및 환경 퍼지 인클로저를 보여준다. 약어: AFM = 원자간력 현미경; MIR = 중적외선; OAP = 오프액시스 포물면 거울. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

IR 빔 경로와 기기 인클로저에 약 4 L/min의 속도로 퍼지 가스 흐름을 개시하십시오. 사용 가능한 경우 초고순도(99.999%) N₂를 퍼지 가스로 사용하고, N₂를 사용할 수 없는 경우에는 압축 건조 공기를 사용하십시오.⁸.
참고: 퍼징(Purging)은 대기 중의 H2를 대체합니다.₂O 및 CO₂ 적외선(IR) 스펙트럼 영역에서 흡수하는 물질들입니다. 기기 설정 중에 퍼지 가스의 유량을 낮게 유지하면 데이터 수집 직전에 필요한 퍼지 시간을 단축할 수 있습니다(단계 1.25 참조).
레이저 사용자 매뉴얼을 참조하여 필요한 레이저 칠러 냉각수 조성을 확인하십시오.
참고: 본 연구에 사용된 광대역 광학 파라메트릭 발진기(OPO) 광원(APE Carmina)은 다음과 같은 조건에서 작동합니다. 22°C 증류수와 Innovatek Protect IP 농축액을 3:1 비율로 혼합하여 사용합니다. MIRcat QCL 양자 폭포 레이저는 다음과 같은 파장에서 작동합니다. 21°C 증류수에 10% 이소프로필 알코올을 사용하여, 두 칠러 모두 약 450 mL의 용량, 최대 4 L/min의 유량 및 ±의 공칭 온도 안정성을 갖추고 있습니다.0.1°CAFM-IR 측정 동안, 두 냉각기는 20%의 펌프 드라이브로 작동하며 통상적으로 ±의 온도 안정성을 달성합니다.0.01°C ~ ±0.03°C 15분에서 1시간 이상.
IR 광원을 켜기 전에 적절한 냉각제가 순환하고 있는지 확인하십시오.
참고: 레이저는 과도한 열을 제거하고 안정적인 작동 온도를 유지하여 출력 파워, 파장, 모드 품질 및 빔 포인팅의 안정성을 확보하기 위해 냉각기가 필요한 경우가 많습니다. 냉각기 냉각제는 부식 및 조류 성장을 방지함으로써 부품의 수명을 유지하는 데 도움을 줍니다.
레이저 전원 공급 장치, AFM 컨트롤러, IR 광원 및 관련 기기(예: 레이저 칠러 및 락인 증폭기)의 전원을 켭니다.
모든 장비를 제조업체의 권장 사항에 따라 예열하십시오(일반적으로 15~60분).
Analysis Studio v3.17 AFM 제어 소프트웨어를 실행하십시오.
Setup 드롭다운 메뉴에서 Hardware Configuration 메뉴를 엽니다.
Active Config 드롭다운 메뉴에서 AFM–IR 시스템에 적합한 기기 구성을 선택하여 올바른 시스템 구성 파일을 로드하십시오.
Initialize 아이콘을 클릭하고, 시작 오류 메시지가 표시되지 않는지 확인하여 IR 광원, AFM 컨트롤러 및 락인 증폭기 간의 통신 상태를 확인하십시오.
참고: 설정이 잘못된 경우 기기 업체로부터 지원을 받아야 할 수 있습니다.
AFM 스캔 창의 드롭다운 메뉴에서 계획된 측정에 적합한 실험 구성(예: Tapping AFM-IR 모드)을 선택하십시오.
Analysis Studio 툴바에서 New 아이콘을 선택하여 모든 데이터가 저장될 새 프로젝트를 생성하십시오. File 메뉴의 Save As 옵션을 사용하여 원하는 프로젝트 파일 이름을 지정하십시오.
시료, 조명 기하 구조 및 이미징 모드와 호환되는 AFM–IR 프로브를 선택하십시오. Bruker nanoIR3 AFM–IR 시스템을 이용한 대부분의 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR 측정에는 금 코팅된 TnIR-D-10 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브를 사용하십시오.
참고: 고강성 태핑 모드(tapping-mode) AFM-IR 프로브의 공칭 팁 반경은 20 nm, 용수철 상수는 42 N/m, 공진 주파수는 320 kHz입니다. 더 낮은 캔틸레버 강성이 필요한 부드러운 시료의 경우에는 금 코팅된 TnIR-A-10 저강성 태핑 모드 AFM-IR 프로브를 사용할 수 있습니다. 저강성 태핑 모드 AFM-IR 프로브의 공칭 팁 반경은 20 nm, 용수철 상수는 3 N/m, 공진 주파수는 75 kHz입니다. 적절한 프로브 선택 및 관련 고려 사항에 관한 자세한 내용은 고찰(Discussion) 섹션을 참조하십시오.
선택한 프로브를 AFM 헤드에 장착하십시오(그림 4A, 4B).
참고: 상단 조사(top-down illumination) 방식에 사용되는 AFM-IR 프로브는 일반적으로 캔틸레버와 기판에 얇은 Au 또는 Pt 코팅이 되어 있습니다. 이 코팅은 프로브의 IR 흡수를 최소화하고 더 평탄한 스펙트럼 응답을 생성하며, 피뢰침 효과(lightning-rod effect)를 통해 프로브 끝단에서의 국소 전기장을 강화함으로써 광열 신호의 국소화와 파장 독립적 증폭을 증가시킵니다.⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹.
AFM-IR 시스템 샘플 척과 호환되는 자성 시료 디스크에 샘플을 장착하고, 양면 탄소 테이프, 은 페이스트, 매니큐어, 순간접착제 또는 에폭시를 사용하여 샘플을 고정하십시오.
참고: 전기적 AFM 모드나 후속 전자 현미경 분석을 수행할 예정이라면 카본 테이프나 실버 페이스트와 같은 전도성 접착제를 사용하십시오.
AFM Probe 창에서 Load 아이콘을 선택하여 Load Tip Wizard 창을 엽니다.
프로브와 샘플의 관심 영역(region of interest)이 광학 시야 내에 보이는지 확인하십시오.그림 4C, 4D).
참고: 샘플 척에는 직경 약 25mm까지의 샘플을 거치할 수 있으나, AFM-IR 측정은 중앙의 6mm × 8mm 영역에서만 가능합니다. 관심 영역은 사용자가 AFM-IR로 분석하고자 하는 대상에 따라 달라지지만, 시각적 마커와 샘플 도식도를 함께 사용하여 측정 부위를 구분하고 식별하십시오.
Probe Focus 창의 위/아래 화살표를 사용하여 프로브 정점(apex)에서 가장 가까운 캔틸레버 가장자리가 선명하게 보일 때까지 광학 초점을 조절한 후, Next를 클릭하십시오.
Center Crosshairs 창에서 캔틸레버의 원위단에 위치한 프로브 팁 바로 위에 십자선을 배치하여 광학 시야의 중앙에 프로브 팁이 오도록 한 다음, Next를 클릭하십시오.
Sample Focus 창의 위/아래 화살표를 사용하여 시료 표면의 특징이 명확하게 보일 때까지 광학 초점을 조정하십시오.
Sample XY Navigation 스테이지 제어 화살표와 광학 현미경 뷰를 사용하여 관심 영역이 프로브 팁 아래에 위치할 때까지 샘플을 이동시킨 후, Next를 클릭하십시오.
스탠드오프 거리(Standoff distance)를 최소 다음 값으로 설정하십시오. 100 µm 그리고 Approach Only를 선택하십시오.
참고: Approach Only를 클릭하면 팁이 시료 표면의 Standoff 거리 이내로 접근하며, Load Tip Wizard 창이 자동으로 닫힙니다.
AFM 레이저 정렬 제어 노브를 사용하여 캔틸레버 뒷면에 닿는 AFM 레이저를 프로브 팁 바로 위에 위치시키고, 레이저 합계 전압(laser-sum voltage)을 최대화하십시오(그림 4C).
1. 레이저를 캔틸레버의 측면 중앙에 맞추십시오.
2. 레이저를 프로브 팁 상단의 캔틸레버 정점 근처에 위치시키십시오.
3. 최대 레이저 합산 전압이 달성될 때까지 레이저 위치를 조정하십시오.
  참고: 고강성 태핑 모드(tapping-mode) AFM-IR 프로브를 사용할 때 레이저 합계 전압이 5V를 초과하는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우, 프로브가 손상되었거나 제대로 장착되지 않았을 가능성이 있습니다.
광검출기 정렬 조절 노브를 조정하여 반사된 레이저 빔이 위치 민감성 광다이오드의 중심에 오도록 맞추십시오.
1. 편향 신호가 0에서 ±0.1 V 이내가 될 때까지 정렬을 조정하십시오.
2. 편차(Deflection) 판독값의 판독 필드 중앙에 녹색 표시등이 나타나는지 확인하십시오.그림 4E).
기기 외함을 닫으십시오.
퍼지 가스 유량을 약 7 L/min으로 높이고, 챔버 내부 습도가 8% 미만으로 떨어질 때까지 퍼지를 계속하십시오.
이후 측정 과정 전반에서 낮아진 습도 수준을 유지하기 위해 퍼지 가스 유량을 약 4 L/min로 줄이십시오.
참고: 퍼지 가스 유량을 줄이면 AFM 이미징 노이즈를 유발할 수 있는 난류가 최소화됩니다. IR 흡광도가 더 강하게 나타나는 시료는 일반적으로 잔류 습도에 덜 민감합니다. 일부 상황에서는 약 10% 정도의 높은 습도 수준도 허용될 수 있으며, 이 경우 난류를 최소화하면서 퍼지 시간을 단축하고 가스 소모량을 줄일 수 있습니다.

표면 분석을 위한 원자 힘 현미경 설정 및 레이저 정렬 다이어그램과 굴절 그래프.
그림 4. Analysis Studio v3.17이 구동되는 nanoIR3-s AFM–IR 시스템의 기기 설정, 프로브 정렬 및 캔틸레버 튜닝. (A) AFM 헤드 핸들, 슬라이더 핸들 및 헤드 위치 조정 구성 요소를 보여주는 AFM 헤드 어셈블리. (B) TnIR-D-10 AFM–IR 프로브가 미리 장착된 프로브 홀더. (C) 캔틸레버 위에 AFM 굴절 레이저를 배치하고 반사 빔을 위치 민감 광검출기(position-sensitive photodiode)의 중심에 맞추는 데 사용되는 정렬 컨트롤. (D) 레이저 정렬 전의 시료와 AFM 프로브의 광학 이미지로, 낮은 레이저 합계(laser-sum) 신호를 보여줌. (E) 레이저 정렬 후의 광학 이미지로, 5 V 이상의 레이저 합계 신호와 0에 가까운 캔틸레버 굴절을 보여줌. (F) 지형도 획득(Drive Mode)에 사용되는 TnIR-D-10 프로브의 1차 공진 주파수(f₁)가 약 240 kHz에서 나타나는 대표적인 튜닝 곡선. (G) 광열 검출(Detection Mode)에 사용되는 고주파 공진(f₂)이 약 1550 kHz에서 나타나는 대표적인 튜닝 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 프로브 튜닝

구동 및 검출 모드(Drive and Detection Mode)에 사용할 프로브 공진 주파수를 결정하기 위해 캔틸레버 튜닝을 두 번 수행합니다(그림 4F, 4G).
참고: 아래 절차를 따르면 지형 분석(구동 모드) 및 IR 검출(검출 모드) 공진에 대해 충분히 분리된 공진 피크를 생성하는 캔틸레버 튜닝을 보장할 수 있습니다.
1. AFM Scan 창의 드롭다운 메뉴에서 Tapping AFM–IR 모드가 선택되었는지 확인합니다.
2. 튜닝 포크 아이콘을 클릭하여 Cantilever Tune 창을 엽니다.
구동 모드(Drive Mode) 캔틸레버 튜닝을 수행합니다.
1. Drive Mode 튜닝 패널에서 프로브의 공칭 공진 주파수를 중심으로 약 100 kHz의 주파수 스윕 범위를 설정한 다음(그림 4F), 녹색 Start 화살표를 클릭합니다.
  참고: 공칭 공진 주파수는 일반적으로 AFM 프로브가 담긴 상자에 기재되어 있습니다.
2. 태핑 모드 지형 이미징에 사용할 공진 피크를 식별합니다. 눈에 띄는 숄더가 없는 독립적인 가우시안 형태의 두드러진 피크를 선택하십시오. 이러한 기준에 부합하는 주파수 스윕 범위 내에서 진폭이 가장 높은 피크가 일반적으로 가장 적합합니다.
3. 스윕 범위를 약 10 kHz로 줄여 피크 주파수가 명확하게 분해될 때까지 선택한 공진 주파수를 정밀하게 조정합니다.
  참고: 구동 모드 주파수를 공진 피크보다 약간 낮게 설정하여, 피크 진폭 대비 자유 공간 진동 진폭이 약 5% 감소하도록 합니다(그림 4F). 이 오프셋은 접근 중에 발생하는 인력성 반데르발스 상호작용을 보정하는 데 도움이 되며, 태핑 모드 이미징 중에 척력 상호작용 영역 내에서 작동하도록 촉진합니다.
4. 피크 진폭이 약 9 V에 도달할 때까지 구동 모드 강도(Drive Mode Strength)를 조정합니다.
  참고: 구동 모드 강도는 일반적으로 0.2%–5%입니다.
검출 모드(Detection Mode) 캔틸레버 튜닝을 수행합니다.
1. Detection Mode 튜닝 패널에서 중심 주파수를 구동 모드 주파수의 약 6배로 설정합니다.
2. 검출 모드 스윕 범위를 약 500 kHz로 설정하고(그림 4G), 녹색 Start 화살표를 클릭합니다.
3. 검출 모드 주파수 스펙트럼에서 눈에 띄는 숄더가 없는 가장 두드러진 독립적인 가우시안 형태의 공진 피크를 선택합니다. 이러한 기준에 부합하는 주파수 스윕 범위 내에서 진폭이 가장 높은 피크가 일반적으로 가장 적합합니다.
4. 스윕 범위를 약 10–20 kHz로 줄여 공진 피크가 명확하게 분해될 때까지 선택한 검출 모드 주파수를 정밀하게 조정합니다.
5. 피크 진폭이 약 9 V에 도달할 때까지 검출 모드 강도(Detection Mode Strength)를 조정합니다.
  참고: 검출 모드 강도는 일반적으로 5%–50%입니다.
6. 검출 모드 주파수를 선택한 공진의 최대 진폭 지점으로 설정합니다.
  참고: 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR에서 구동 및 검출 모드 공진의 선택은 이미징 및 스펙트럼 획득 중 측정되는 IR 응답에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 최적의 선택은 AFM 프로브 캔틸레버 공진 피크와 최대 디더-피에조 주파수 및 컨트롤러 대역폭을 포함한 기기 하드웨어의 성능 또는 제한 사항 모두에 따라 달라집니다. 본 프로토콜과 그림 4F, 4G에서는 지형 획득(구동 모드)에 f₁을, IR 검출(검출 모드)에 f₂를 사용합니다. 구동 및 검출 공진 선택 시의 고려 사항(구동 및 검출 모드 주파수의 순서를 바꾸는 것이 더 바람직한 경우 포함)은 Discussion 섹션을 참조하십시오.
녹색 Accept Cantilever Tune 체크 표시 아이콘을 클릭하여 구동 및 검출 모드 설정을 저장합니다.

3. AFM (표면 형상) 이미지 촬영

AFM Probe 창에서 녹색 Engage 아이콘을 클릭하여 프로브를 시료 표면에 접촉시킵니다.
주의: 접촉 과정 전반에 걸쳐 Microscope 창의 실시간 비디오 피드를 모니터링하십시오. 레이저 스팟이 프로브 캔틸레버를 벗어나거나, 캔틸레버가 과도하게 휘어지거나(광검출기 굴절 ≥ ~5 V), 접촉 중 캔틸레버가 부러지는 경우 즉시 프로브를 후퇴시키십시오.
Laser Sum 신호가 자유 공간 값 근처로 유지되고 Z Position 모니터의 변동이 ±0.2 µm 미만(즉, Z Position 상태 표시줄 표시등이 한 칸 이하로 변동)인지 확인하여 프로브 접촉이 성공했는지 검증합니다.
프로브 접촉에 성공한 후, NanoIR 창의 IR Imaging Enabled 체크박스를 해제하여 IR 이미징을 비활성화합니다.
AFM Scan 창에서 Scan 아이콘을 선택하여 AFM 스캔을 시작합니다.
Feedback이 On(라디오 버튼)으로 설정되어 있는지 확인합니다.
태핑 모드 진폭 Setpoint를 8 V 미만으로 설정합니다.
참고: 일반적으로 자유 공간 진폭의 약 70%–90%에 해당하는 진폭 setpoint(단계 2.2.4와 같이 9 V Drive Mode 자유 공간 진폭인 경우 약 6–8 V)로 작동하면 양호한 지형 추적이 가능합니다. Setpoint를 더 낮게 설정하면 종횡비가 높은 구조의 추적 성능은 향상될 수 있으나, 프로브 및/또는 시료가 손상될 위험이 증가합니다.
트레이스(trace)와 리트레이스(retrace)의 중첩이 가장 잘 이루어지도록 게인을 설정하여 피드백 게인을 최적화합니다. 지형 이미지 및/또는 에러 채널에 피드백 노이즈가 나타날 때까지 게인을 높인 다음, 증가한 노이즈가 사라질 때까지 게인을 낮춥니다.
참고: 일반적인 게인 값은 I(적분) 게인의 경우 3–5, P(비례) 게인의 경우 5–7입니다.
관심 대상 구조에 적절한 스캔 크기(너비 및 높이)를 선택합니다.
참고: 본 연구에서는 5–20 µm의 스캔 크기를 사용했습니다. AFM–IR 시스템의 최대 XY 스캔 크기는 50 µm입니다. 팁 반경 컨볼루션(convolution)으로 인한 제한 내에서 해당 구조를 분해할 수 있는 충분한 픽셀 해상도를 제공하면서 관심 구조를 완전히 포함하는 스캔 크기를 선택하십시오.
실용적인 획득 시간을 유지하면서 허용 가능한 트레이스-리트레이스 중첩을 제공하는 스캔 속도를 선택합니다.
참고: 트레이스 라인과 리트레이스 라인 사이의 간격이 넓을수록 프로브가 시료의 지형을 정확하게 추적하지 못하는 것입니다. 일반적으로 이 간격은 스캔 속도가 빠를수록 증가합니다. 그러나 프로브 스캔 속도가 느릴수록 데이터 획득 시간이 길어집니다. 일반적으로 0.5–2 Hz의 스캔 속도가 획득 속도와 노이즈 사이의 적절한 균형을 제공합니다. 일반적인 5–20 µm 스캔 크기의 경우, 이는 약 10–20 µm/s의 프로브 속도에 해당합니다. 프로브 속도는 스캔 크기의 2배(트레이스 및 리트레이스 이동 고려)에 스캔 속도를 곱하여 계산합니다. 이러한 범위의 예외가 있을 수 있으며, 예를 들어 매우 거친 시료(예: Rq > 30 nm)는 <10 µm/s의 프로브 속도로 스캔해야 할 수 있고, 원자 수준으로 평탄한 시료(예: Rq < 1 nm)는 >20 µm/s의 프로브 속도에서도 잘 추적될 수 있습니다.
수평(X 및 Y) 픽셀 해상도를 선택합니다.
참고: AFM–IR 시스템에서 지원하는 최대 이미지 크기는 1024 × 1024 픽셀입니다. 픽셀 해상도는 스캔 크기를 라인당 픽셀 수로 나눈 값입니다. 그러나 물리적 해상도는 프로브 팁 반경에 의해 제한됩니다. 예를 들어, 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브의 공칭 팁 반경은 20 nm입니다. 따라서 수평 픽셀 간격을 ~20 nm보다 상당히 작게 설정하면 오버샘플링이 발생하고 S:N 비가 악화될 수 있으며, 물리적 해상도는 거의 또는 전혀 개선되지 않을 수 있습니다.
필요에 따라 X 및 Y piezo Offset을 적용하여 스캔 영역 내의 관심 영역을 중심으로 맞춥니다.
선택한 스캔 크기, 스캔 속도 및 픽셀 해상도에 대해 트레이스와 리트레이스가 중첩되고 에러 신호가 최소화되는지(즉, 단계 3.7에서 설명한 대로 노이즈 증가가 나타나기 직전까지 피드백 게인을 증가시킴) 확인하며, 진폭 setpoint와 피드백 게인을 반복적으로 조정하여 이미지 품질을 최적화하면서 스캔을 계속합니다.
이미징 파라미터가 최적화된 후, 전체 영역을 계속 스캔하여 IR 분석을 위한 관심 영역의 이미지를 캡처합니다.
참고: 대표 결과(Representative Results)에 표시된 것처럼, 스캔할 영역은 특정 시료의 요구 사항(예: 오염 물질의 지점 선택적 IR 스펙트럼 분석, 특정 화학적 작용기의 공간적 분포에 대한 IR 매핑 등)에 따라 달라집니다.
지형 맵이 완성되고 관심 지점이 확인되면 AFM Scan 창의 Stop 아이콘을 선택하여 스캔을 중지합니다.
참고: 원하는 경우(예: 이후에 IR 맵 대신 IR 지점 스펙트럼만 수집하되, IR 스펙트럼과 지형적 특징의 상관관계를 확인하고자 하는 경우), Microscope 창 툴바에서 Capture: Last Frame을 선택하여 AFM 지형 이미지를 저장하십시오.

4. IR 레이저 정렬 및 최적화

AFM 지형 이미지에서 적외선(IR) 활성이 예상되는 관심 특징을 식별하십시오.
참고: 관심 있는 IR 활성 특성의 식별은 그 범위에 따라 반복적인 과정이 될 수 있습니다. a priori 시료 조성에 대한 지식뿐만 아니라, 지형적 특징과 식별 가능한 IR 활성 특징 사이의 대응 관계(또는 그 부재)에 대한 지식이 필요합니다. 따라서, [그림/사진]에 나타낸 고반사 기판 위의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 블랭킷 필름과 같은 IR 정렬 시료를 제작하는 것이 유용할 수 있습니다. 그림 5.
현미경 창의 라이브 비디오 피드에 있는 포인트 앤 클릭 내비게이션 기능을 사용하여 프로브를 선택한 특징 부위로 이동시키십시오.
NanoIR 창에서 Align 아이콘을 클릭하여 Load Tip Wizard 창을 엽니다. 이렇게 하면 IR 레이저 경로와 동일 선상에 있는 가시 정렬 레이저가 활성화됩니다.그림 5A, 5B).
Center Align Laser 창의 IR 초점 조정(Adjust IR Focus) 위아래 화살표를 사용하여 IR 초점을 조정함으로써, 가장 작고 원형에 가까운 가시 레이저 스팟이 생성되는 초점 위치를 찾으십시오.그림 5B).
참고: 반사율이 높은 시료를 사용하면 레이저 빔이 캔틸레버에 닿지 않을 때 가시광선 레이저 빔을 더 쉽게 확인할 수 있습니다.
Align Laser Navigation 화살표를 사용하여 캔틸레버 뒷면의 가시 정렬 레이저를 프로브 팁 바로 위에 오도록 중심을 맞추십시오.
마침을 클릭하여 로드 팁 마법사 창을 닫으십시오.
참고: 단계 4.3-4.6은 거친 정렬(coarse alignment)만을 수행합니다. 샘플로부터 측정 가능한 광열 응답을 확보하기 위해, 이후 단계에서 IR 빔을 사용하여 빔 정렬 및 초점의 최종 최적화를 수행합니다.그림 5C, 5D).
관심 대상의 알려진 IR 활성 진동 모드에 해당하는 IR 파수를 선택하십시오.
참고: 예상되는 화학 조성 및 그에 해당하는 IR 흡수 띠에 대한 사전 지식이 있으면 최적화 과정이 수월해질 수 있습니다. 예를 들어, 카르보닐(C=O)기는 일반적으로 1720–1730 cm⁻¹ 부근에서 강한 IR 흡수를 나타냅니다.⁻¹.
IR 광원을 활성화하기 전에 모든 필수 레이저 안전 절차가 갖추어졌는지 확인하십시오.
주의: 적외선(IR) 복사는 눈에 보이지 않으며 심각한 안구 손상을 일으킬 수 있습니다. 적외선 광원을 켜기 전, 표지판, 안전 인터록, 셔터, 외함 제어 장치 및 필요 시 레이저 안전 보호경 착용을 포함하여 모든 적용 가능한 레이저 안전 요구 사항을 준수하십시오. 광대역 OPO 광원은 클래스 4 레이저 시스템이며, QCL 광원은 클래스 3B 레이저 시스템입니다. AFM–IR 시스템은 빔 튜브가 레이저 빔을 포함하고 있으며, AFM–IR 외함이 열릴 때 안전 인터록이 셔터를 작동시키므로 설치된 상태에서는 클래스 2에 해당합니다. 셔터는 전원 손실 시 닫히도록 설계되어 있으므로, 인터록을 해제하거나 유지보수 또는 빔 재정렬 중에 셔터를 강제로 연 경우가 아니라면 일반적인 작동 중에는 레이저 안전 보호경이 필요하지 않습니다. 보호경이 필요한 경우에는 Schott-glass 적외선 레이저 안전 보호경과 같이 전체 적외선 레이저 범위를 보호할 수 있는 적외선 레이저 안전 안경을 사용하십시오.
NanoIR 창의 가용한 감쇠 수준 드롭다운 메뉴에서 가용 중성 밀도 필터 휠 조합을 바탕으로 원하는 입사 IR 출력을 선택하십시오.
참고: 과도한 IR 출력은 민감한 재료에 열적 손상을 줄 수 있습니다. AFM–IR 시스템의 폴리머 기반 시료의 경우, IR 출력을 약 20% 미만으로 유지하십시오.
NanoIR 창에서 레이저 듀티 사이클(Duty Cycle)을 설정하십시오.
참고: 광대역 OPO 광원의 경우 50%의 듀티 사이클(duty cycle)을 사용하십시오. QCL의 경우 10% 미만, 통상적으로 2%~4%의 듀티 사이클을 사용하십시오. QCL 작동 시, 듀티 사이클과 중성 밀도 필터링(neutral-density filtering)이 입사 IR 파워를 공동으로 결정하며, 파워는 듀티 사이클에 따라 선형적으로 조절됩니다. 소프트웨어는 선택한 듀티 사이클 및 펄스 반복률에 맞추어 QCL 펄스 지속 시간을 40ns에서 500ns까지 20ns 간격으로 자동 조정합니다.
NanoIR 창의 Optimize 아이콘을 클릭하여 IR Optimize 창을 엽니다.
IR Optimize 창 상단의 슬라이더 바를 조정하여 다음보다 더 넓은 영역을 선택하십시오. 200 µm × 200 µm 그리고 Scan을 클릭하여 IR 빔을 래스터 스캔합니다.
필요한 경우, 가시광선 정렬 빔과 IR 빔 간의 차이를 보정하기 위해 IR 초점을 조정하십시오. 이를 위해 'Tools'를 클릭하고 'Focus Capture'를 선택하십시오. 초점 캡처 횟수(예: 5회)와 초점 시작 및 종료 지점을 설정한 다음, 'Focus Capture'를 클릭하여 빔 정렬과 초점을 동시에 최적화하십시오.
참고: 적절하게 정렬된 빔은 대략 가우시안 응답 프로파일을 생성해야 합니다. 그림 5C 선택한 파수에서 시료가 IR 비활성 상태이거나, IR 정렬 및 초점이 제대로 최적화되지 않았을 때 얻어지는 빔 최적화 맵을 보여줍니다. 그림 5D 약 40–의 스폿 크기를 갖는 대표적인 최적화된 빔을 보여줍니다.50 µm 그리고 배경값보다 약 3 mV 높은 광열 응답을 보였습니다. 빔 스팟 크기는 < 100 µm 광열 응답이 ~인 > 백그라운드보다 0.5 mV 높은 수준이면 일반적으로 허용 가능하나, 이는 정확한 입사 빔 크기, 모드 품질, 발산각, 파장뿐만 아니라 빔 경로 설계(예: 집광 광학계, 중성 밀도 필터 등)에 따라 달라집니다. 광열 응답의 크기는 시료 자체의 IR 흡수 강도에도 크게 의존하며, 이는 진동 중 결합의 쌍극자 모멘트 변화 정도와 프로브의 근접장 응답 영역 내에 존재하는 해당 결합의 수에 따라 결정됩니다.
광범위한 스펙트럼 범위에 걸쳐 스펙트럼 또는 화학적 맵을 획득하려는 경우에는 추가적인 파수(wavenumber)에서 빔 최적화를 반복하십시오.
참고: 빔 정렬과 초점은 파장의 함수로 인해 달라질 수 있습니다. 따라서 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 스펙트럼이나 화학적 맵(chemical map)을 획득하려는 경우에는 여러 파수(wavenumber)에서 빔 정렬과 초점을 최적화하십시오.⁸.
확인(OK)을 클릭하여 IR Optimize 창을 닫고 설정을 저장하십시오.
NanoIR 창에서 Pulse Tune 아이콘을 클릭하여 Laser Pulse Tune 창을 엽니다.
프로브 튜닝 과정에서 확인된 공칭 차이-주파수 펄스율(nominal difference-frequency Pulse Rate)을 중심으로 약 100–200 kHz의 튠 범위(Tune Range)를 설정하십시오.
참고: 공칭 펄스 반복률은 |f₂ − f₁|과 같으며, 여기서 f₁과 f₂는 선택된 구동 및 검출 공진 주파수입니다.
Acquire를 클릭하여 선택한 펄스 반복률(Pulse Rate)의 조정 범위(Tune Range)에 걸쳐 레이저 펄스 반복률을 스윕하십시오.
드라이브 및 검출 모드 공진을 선택할 때, 프로브 튜닝(Probe Tuning)의 단계 2.2.2 및 2.3.3과 유사하게 유의미한 숄더(shoulder)가 없는 뚜렷하고 고립된 가우시안 형태의 공진 피크가 관찰되는지 확인하십시오.
참고: 위의 기준을 충족하는 명확한 공명 피크가 관찰되지 않을 경우, 스윕 범위를 최대 1,000 kHz까지 넓히십시오.
식별된 공명 피크를 선택하십시오. 선택한 레이저 펄스 반복률(주파수) 범위 내에서 선택 기준에 부합하면서 진폭이 가장 높은 피크가 일반적으로 가장 적절하며, 이는 가장 강한 헤테로다인 증폭 적외선(IR) 흡수 응답을 생성할 것입니다.
스캔할 튜닝 범위(Tune Range)를 50 kHz 이하로 줄이십시오.
공진 피크의 최댓값을 찾아 선택된 펄스 반복률을 정밀하게 조정하십시오.
Auto-Tune 항목에서 PLL을 활성화하십시오.
참고: PLL은 선택된 캔틸레버 고유 모드 간의 차이 주파수로 레이저 펄스 반복률을 유지하여, 측정 중 발생하는 공진 주파수 드리프트를 보정합니다.¹⁵.
해당 최소 및 최대 허용 주파수를 설정하여, 선택한 공진 주파수 주변의 PLL 대역폭을 ±30 kHz 이하로 설정하십시오.
PLL 임계값을 펄스 튜닝(pulse-tune)에서 관찰된 노이즈 레벨보다 약간 높게 설정하십시오(~노이즈의 1.1배).
확인을 클릭하여 Laser Pulse Tune 창을 닫고 설정을 저장하십시오.
참고: 최적화된 펄스 반복률이 초기 프로브 튜닝 시 얻은 값과 상당히 다를 경우, 레이저 정렬을 다시 확인하십시오.
도구 선택 > 메인 메뉴에서 IR 배경 보정(IR Background Calibration)을 선택하십시오.
New를 클릭하여 배경 스펙트럼 I₀(ṽ)을 획득합니다.
펄스율(Pulse Rate)과 듀티 사이클(Duty Cycle)이 IR 최적화 과정에서 설정한 값과 일치하는지 확인하십시오.
스펙트럼 분해능(cm⁻¹)을 설정하십시오.⁻¹/pt) 샘플 획득을 위해 계획된 값과 동일하게 설정합니다.
참고: 달성 가능한 최대 분광 해상도는 IR 광원에 따라 달라집니다.<1 cm⁻¹ MIRcat QCL 및 ~20 cm 용⁻¹ (협대역 모드로 작동하는 APE Carmina의 반치폭(FWHM)). 분광 해상도를 선택할 때 추가로 고려해야 할 사항으로는 예상되는 진동 선폭 및 분광 특성의 간격(알려진 경우), 합리적인 데이터 수집 시간(해상도에 비례하여 증가함), 그리고 원하는 신호 대 잡음비(S:N, 분광 해상도가 높아질수록 감소함)가 있습니다. 고체 시료 분석용 상용 FTIR 분광계는 일반적으로 사용자가 1, 2, 4, 8 또는 16 cm⁻¹의 해상도를 선택할 수 있도록 제공합니다.⁻¹, 4 cm 크기의⁻¹ 해상도는 일반적으로 사용되는 설정입니다.
시료 측정에 의도한 전체 스펙트럼 범위를 포함하는 시작 및 종료 파수를 선택하십시오.
출력을 100%로 설정하십시오.
배경 설정을 5회 획득 평균값으로 설정하십시오.
Acquire를 클릭하여 평균 배경 스펙트럼을 획득하십시오.
참고: 양질의 배경 스펙트럼은 제조사가 제공하는 IR 레이저 출력 대 파장 스펙트럼의 형태를 반영해야 합니다. 레이저의 데이터 시트 또는 매뉴얼을 참조하십시오. AFM-IR 챔버가 적절하게 퍼지(purge)되지 않은 경우, 배경 스펙트럼에 추가적인 흡수 특성이 나타날 수 있습니다(예: 물은 일반적으로 약 1250에서 2000 cm⁻¹ 사이의 일련의 흡수 피크로 관찰됨).⁻¹, 최대값은 ~1550 및 ~1700 cm⁻¹에서 나타남⁻¹및 약 300 cm의 넓은⁻¹ 3750 cm⁻¹를 중심으로 한 넓은 반치폭(FWHM)의 흡수 peak⁻¹, 반면 CO는₂ 일반적으로 ~2325 cm⁻¹에서 넓은 흡수 띠로 관찰됩니다.⁻¹). H₂의 대표적인 기상 IR 스펙트럼은 NIST Chemistry WebBook(https://webbook.nist.gov/chemistry/)을 참조하십시오.₂O 및 CO₂⁸².
Save를 클릭하여 배경 스펙트럼을 저장하고 배경 수집(Collect Background) 창을 자동으로 닫으십시오.
참고: IR 스펙트럼 획득 과정에서 소프트웨어는 파장/파수(즉, 레이저 출력 스펙트럼)에 따른 레이저 출력 전력의 변동을 보정하기 위해, 측정된 광열 응답을 IR 배경 보정 파일로 자동으로 나눕니다.

분광법 설정, 흡수 분석 및 스펙트럼 피팅 결과가 포함된 광 여기 도식도.
그림 5. IR 레이저 정렬 및 최적화 워크플로우. (A) 가시광 정렬 레이저의 초점이 맞지 않고 캔틸레버 중심에서 벗어난 AFM 프로브의 광학 이미지. (B) 초점 및 위치 최적화 후, 가시광 정렬 레이저가 프로브 팁 바로 위의 캔틸레버 중심에 위치한 모습. (C) 최적화되지 않은 빔 정렬 및 초점 조건에서 1730 cm⁻¹로 튜닝되고 11.39% 출력으로 필터링된 Carmina OPO를 사용하여 200 µm × 200 µm 영역을 래스터 스캔한 예시. 선택된 파수에서 샘플이 사실상 IR 비활성이었거나 IR 초점이 팁-샘플 인터페이스와 제대로 정렬되지 않았으며, 이에 따라 국소적인 고강도 광열 응답이 검출되지 않았다. (D) 프로브 팁 주변의 동일한 200 µm × 200 µm 영역에서 최적화된 빔의 래스터 스캔 결과로, 중심이 맞고 대략 가우시안 형태의 레이저 프로파일(스팟 크기 40–50 µm)과 최대 강도가 약 3 mV인 강한 광열 응답을 보여준다. (E) 1730 cm⁻¹에서 프로브 팁으로의 IR 빔 정렬을 최적화한 후, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 정렬 샘플로부터 2 cm⁻¹/point 분해능으로 획득한 대표적인 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR 원시 스펙트럼. y축은 검출 모드 주파수에서 빔-바운스 포토다이오드에 측정된 밀리볼트 신호의 광열 AFM–IR 응답에 해당한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

5. IR 스펙트럼 획득

이전에 획득한 AFM 지형 이미지에서 관심 대상인 특징부를 확인한 다음, Microscope 창의 포인트 앤 클릭 내비게이션 기능을 사용하여 Imaging View의 선택된 특징부 위에 AFM 프로브를 위치시킵니다.
사용 가능한 레이저 범위와 관심 있는 예상 진동 모드(알고 있는 경우)를 바탕으로 NanoIR 창에서 원하는 스펙트럼 획득 범위(Start 및 End, cm⁻¹)를 정의합니다.
참고: 여기에서 사용된 APE Carmina는 5–15 µm (~670–2000 cm⁻¹) 범위를 커버하며, MIRcat QCL은 755–1005, 955–1425, 1425–1835, 2635–3000 cm⁻¹를 커버하는 4개의 칩을 가지고 있습니다. 여기에 표시된 패턴 실리콘 웨이퍼 및 폴리머 시료의 경우, 관심 있는 대략적인 스펙트럼 범위는 1000–1800 cm⁻¹입니다.
NanoIR 창의 Spectra Resolution(cm⁻¹/point)을 IR 배경 보정(IR Background Calibration) 중에 사용한 값과 일치하도록 설정합니다.
NanoIR 창의 드롭다운 메뉴에서 원하는 IR 레이저 Power를 선택합니다.
참고: 입사 IR 전력 고려 사항에 대한 자세한 내용은 단계 4.9의 참고 사항 및 Discussion 섹션을 참조하십시오.
NanoIR 창에서 획득할 스펙트럼 수를 지정합니다.
참고: 기본값은 스펙트럼 1개이지만, 여러 개의 스펙트럼을 획득하면 스펙트럼 간의 변동성을 평가할 수 있으며, 사후 처리 과정에서 스펙트럼을 수동으로 공동 평균화(co-averaging)하여 S:N비를 개선할 수 있습니다.
S:N비 개선을 위해 스펙트럼 평균화가 필요한 경우, Co-average Spectra 체크박스가 선택되었는지 확인하고 NanoIR 창의 드롭다운 메뉴에서 원하는 스펙트럼 공동 평균 횟수를 지정합니다.
참고: S:N비는 공동 평균 횟수의 제곱근에 비례하여 개선되는 반면, 획득에 필요한 시간은 선형적으로 증가하므로 공동 평균 횟수를 늘리는 것에 따른 효율 감소 지점이 존재합니다.
NanoIR 창의 Acquire를 클릭하여 IR 스펙트럼 획득을 시작합니다.
원하는 경우, Analysis Studio의 File 드롭다운 메뉴에서 Export를 선택하여 획득한 스펙트럼을 내보내고 저장합니다.
참고: 스펙트럼 내보내기에 사용 가능한 파일 형식에는 CSV, TSV 및 이미지(TIFF, GIF, BMP, PNG 또는 JPEG)가 포함됩니다. IR 스펙트럼 XY 데이터(즉, IR 파수에 따른 IR 진폭) 외에도, CSV 또는 TSV 파일에는 사용자가 선택한 IR 전력 백분율, 빔 형상 계수, PLL 주파수가 포함되며, 원시 광열 응답을 스케일링하고 레이저 출력 전력 스펙트럼을 보정하는 데 사용된 IR 배경 보정 데이터가 포함됩니다(단계 4.35 참조). 이미지 파일에는 메타데이터가 포함되지 않습니다.
필요에 따라 추가 위치에서 획득 과정을 반복합니다.
참고: 파라미터 선택 예시 및 AFM–IR 스펙트럼 해석에 대해서는 Results and Discussion 섹션을 참조하십시오.

6. IR (진동 모드) 매핑

단계 5에서 획득한 IR 스펙트럼을 바탕으로, NanoIR 창의 IR 파수를 관심 있는 진동 모드의 진폭 최대값으로 설정하십시오.
참고: 대표 결과에 나타난 것과 같이, 진폭이 높고 재료 간 대비가 가장 뚜렷한 진동 모드(스펙트럼 피크, 즉 하나의 재료 성분에서만 발견되거나 훨씬 더 강하게 나타나는 피크)를 선택하십시오 (예: 그림 6 및 9의 PMMA 1730 cm⁻¹ 카르보닐 신축 진동, 그림 7의 SiO₂ 1120 cm⁻¹ Si–O 신축 진동, 또는 그림 8의 포토레지스트 잔류물 1600 cm⁻¹ 방향족 신축 모드). 피크 할당을 위해 IR 상관 도표, 기발표된 또는 자체 획득한 IR 스펙트럼, 또는 NIST Chemistry WebBook과 같은 공개 spectral 데이터베이스를 참조할 수 있습니다⁸².
NanoIR 창에서 IR Imaging Enabled 체크박스를 선택하십시오.
AFM Scan 창의 Scan 아이콘을 클릭하여 AFM 스캔을 시작하십시오. 그러면 AFM 지형 이미지와 그에 해당하는 IR 진폭 맵의 동시 획득이 시작됩니다.
참고: 일반적으로 IR 맵핑에는 단계 3에서 AFM 지형 이미지를 획득할 때 사용했던 것과 동일한 AFM Scan 파라미터를 사용할 수 있습니다. 파라미터 선택 예시와 AFM–IR 화학 맵의 해석에 대해서는 대표 결과 및 고찰 섹션을 참조하십시오.
Microscope 창 도구 모음에서 Capture: End of Frame을 선택하여 AFM 지형 이미지와 IR 맵핑 데이터를 저장하십시오.
참고: 저장된 AFM 지형 및 IR 맵핑 데이터는 Analysis Studio의 File 드롭다운 메뉴에서 Export를 선택하여, 이후 오프라인 후처리 및 데이터 분석을 위해 이미지(TIFF, GIF, BMP, PNG 또는 JPEG) 또는 Gwyddion (*.gsf) AFM 데이터 파일로 내보낼 수 있습니다. 데이터 획득 파라미터에 관한 메타데이터는 Analysis Studio 프로젝트 파일에서 확인할 수 있으나, 내보낸 이미지 또는 AFM 데이터 파일에는 포함되지 않습니다. AFM 지형 데이터와 달리, IR 맵은 CAFM/TUNA, KPFM 또는 MFM과 같은 다른 비지형 SPM 모드와 유사하게 후처리(예: 평면 맞춤 또는 평탄화) 없이 획득된 그대로 표시하는 것이 일반적입니다.

SiO2 상의 PMMA에 대한 FTIR 스펙트럼 및 AFM 이미지; 고분자 분석, 적외선 분광법 결과.
그림 6. 패턴화된 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA)의 AFM–IR 분광법 및 화학적 매핑. 열 산화된 Si/SiO₂ 기판 위에 Teneo Nabity NPGS 전자빔 리소그래피 (EBL) 시스템을 사용하여 PMMA를 패턴화하였다. 측정은 CnIR-B-10 프로브와 14.75% IR 출력으로 필터링되고 프로브의 접촉 공진에 해당하는 약 782 kHz의 레이저 펄스 반복률로 조정된 MIRcat QCL을 이용한 공진 강화 접촉 모드 AFM–IR을 사용하여 수행되었으며, 굴곡 설정값은 2 V(약 4 nN 하중)로 유지되었다. (A) 시료의 PMMA (주황색) 및 SiO₂ (파란색) 영역에서 획득한 AFM–IR 스펙트럼. 스펙트럼은 2 cm^-1/point의 분광 해상도로 동일한 위치에서 연속적으로 수집한 5회 측정값의 평균을 나타낸다. 스펙트럼은 Origin v10.0.5.157에서 10포인트 롤링 윈도우의 3차 Savitzky–Golay 필터를 사용하여 평활화하였으며, PMMA 스펙트럼은 명확성을 위해 수직으로 오프셋 처리하였다. 삽입도는 카르보닐 (C=O) 작용기가 강조된 PMMA 분자 구조를 보여준다. (B) PMMA 카르보닐 흡수 밴드에 해당하는 1730 cm^-1에서 획득한 AFM–IR 화학적 맵. 맵은 0.5 Hz의 스캔 속도와 30 nm 픽셀 해상도(500 × 500 픽셀)로 획득한 15 µm × 15 µm 영역을 포함한다. 접촉 공진 주파수의 변화를 추적하기 위해 이미지 획득 전 과정에서 위상 고정 루프 (PLL)가 활성화되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이산화규소 위 질화규소 단면, SEM 및 AFM 분석; IR 스펙트럼 및 진폭 매핑.
그림 7. 패턴화된 실리콘 구조 위 폴리피롤(PPy)의 영역 선택적 증착(ASD)에 대한 AFM–IR 특성 분석. 측정은 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR 및 TnIR-D-10 프로브를 사용하여 수행되었습니다. Carmina OPO는 IR 출력을 4.15%로 필터링하고 레이저 펄스 반복률을 약 258 kHz로 조정하였으며, 이는 광열 IR 응답 신호의 헤테로다인 증폭을 위한 드라이브 및 검출 모드 주파수 간의 차이에 해당하며, PLL 대역폭은 ±25 kHz로 설정되었습니다. (A) SiO₂ 트렌치에 인접하여 SiN으로 덮인 실리콘 리지를 보여주는 패턴화된 웨이퍼의 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. (B, C) 다음의 대표적인 패턴 영역을 나타내는 256 × 256 픽셀 AFM 지형 이미지: (B) 약 40 nm 픽셀 해상도의 10 µm × 10 µm 영역 및 (C) 약 20 nm 픽셀 해상도의 5 µm × 5 µm 영역. (D) 2 cm^-1/point의 스펙트럼 해상도로 SiO₂ 및 SiN 영역에서 획득한 원시 AFM–IR 스펙트럼으로, 약 1120 cm^-1에서 특징적인 Si–O 신축 모드를 보여줍니다. (E) 1120 cm^-1에서 획득한 AFM–IR 화학 지도. 신호 강도의 증가는 더 강한 Si–O 흡수에 해당합니다. (F) PPy 증착 후 샘플 지형 위에 겹쳐진 1120 cm^-1에서의 AFM–IR 응답의 3차원 렌더링. SiO₂ 트렌치 내에서 국소적 증착이 관찰됩니다. (E) 및 (F)에 표시된 5 µm × 5 µm IR 지도의 픽셀 해상도는 약 20 nm(256 × 256 픽셀)입니다. 지도는 0.5 Hz의 스캔 속도로 획득되었습니다. 기초 데이터 및 그림은 CC BY 4.0 라이선스에 따라 Thelven 등⁴⁴의 그림 6에서 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

접촉 지점(사이트 A, B, C)이 표시된 IR 분광 분석 도식; IR 강도 대 파수의 그래프.
그림 8포토레지스트 제거 공정의 AFM-IR 분석. 측정은 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM-IR과 TnIR-D-10 프로브를 사용하여 수행되었습니다. Carmina OPO의 IR 출력을 4.15%로 필터링하고 레이저 펄스 반복률을 약 266 kHz로 조정하였으며, 이는 광열 IR 응답 신호의 헤테로다인 증폭을 위한 드라이브(Drive) 모드와 검출(Detection) 모드 주파수의 차이에 해당합니다. 이때 PLL 대역폭은 ±25 kHz로 설정되었습니다.A) a의 AFM–IR 화학 맵 20 µm × 20 µm 50 nm 픽셀 해상도(400 × 400 픽셀)와 0.3 Hz의 스캔 속도로 획득한 영역이며, IR 레이저는 1600 cm⁻¹로 조정됨^-1포토레지스트의 특성인 방향족 고리 진동에 해당합니다. 잔류 오염이 의심되는 영역은 점선 외곽선으로 표시되었습니다. 급격한 지형 변화로 인한 프로브 추적 불량으로 발생한 수평 줄무늬는 Gwyddion v2.69의 scar-correction 기능을 사용하여 제거하였습니다. (B) 1cm 해상도에서 획득한 AFM-IR 스펙트럼^-1( 에서 표시된 위치로부터의 포인트 해상도A). 지점 A는 포토레지스트에 해당하고, 지점 B는 오염된 접촉 영역에 해당하며, 지점 C는 명목상 깨끗한 Ga₂O₃ 표면에 해당합니다. 음영 처리된 영역은 1600 cm⁻¹에서의 시료 광열 응답을 기반으로 화학 지도를 생성하는 데 사용된 스펙트럼 범위를 나타냅니다.^-1스펙트럼은 Gwyddion v2.69의 FFT 후처리 필터를 사용하여 평활화되었습니다. 기초 데이터와 도표는 CC BY 4.0 라이선스에 따라 Pieczulewski 등의 논문 그림 6에서 허가를 받아 수정 및 보완되었습니다.⁴⁵. 이 그림의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

분광법 다이어그램과 이미지는 펄스 튜닝, 진폭, Q 인자 및 신호 잡음 분석을 보여줍니다.
그림 9접촉 공명 선택이 공명 강화 접촉 모드 AFM-IR 성능에 미치는 영향. 단일 EBL 패턴 PMMA-on-Si/SiO₂ 샘플을 대상으로 공진 강화 접촉 모드 AFM-IR과 굴곡 설정값 2 V(약 4 nN 하중)로 유지된 CnIR-B-10 프로브를 사용하여 측정을 수행하였으며, MIRcat QCL은 IR 출력이 17.85%가 되도록 필터링되었습니다. QCL 펄스 반복률은 관찰된 서로 다른 접촉 공진 주파수에 대응하도록 변경하였으며, PLL 대역폭은 ±30 kHz로 설정하였습니다.A1730 cm⁻¹의 PMMA 카르보닐 흡수 밴드에 레이저를 맞추어 Si/SiO₂ 기판 위의 PMMA에서 얻은 접촉 공명 스윕(Contact-resonance sweep)^-1. (B) 177 kHz 및 1139 kHz의 레이저 펄스 반복률을 사용하여 획득한 AFM-IR 스펙트럼. 스펙트럼은 동일한 위치에서 수집한 5회 연속 획득 값의 평균을 나타내며, 1730 cm⁻¹의 높이로 정규화함^-1 카보닐 피크이며, 명확성을 위해 수직으로 오프셋 처리하였다. (C) 측정된 공진 피크로부터 계산된 상대적 Q 인자. (D) PMMA 카르보닐 피크 강도와 루트 평균 제곱(RMS) 기선 노이즈의 비율로 계산된 상대 신호 대 잡음비(S:N ratio). (E, F) 단일 시료로부터 0.8 Hz의 스캔 속도로 획득한 AFM-IR 화학 맵 원본 데이터 15 µm 입력하신 텍스트가 없습니다. 번역할 원문 내용을 제공해 주시기 바랍니다. 15 µm 1730 cm⁻¹에서 스캔하십시오.^-1 레이저 펄스 반복률을 (e) 177 kHz 및 (f) 1139 kHz로 하여 30 nm 픽셀 해상도(500 × 500 픽셀)로 측정하였다. 비교를 용이하게 하기 위해, (의 로우 데이터 맵은E) 및 (F) 동일한 색상 척도를 사용하여 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

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결과

반도체 분야에서는 poly(methyl methacrylate) (PMMA)와 같은 열가소성 수지를 절연체로 사용하거나, 활성 반도체 고분자와 혼합하여 소자의 전하 이동도를 조절할 수 있습니다⁷⁷^,⁷⁸. 또한 PMMA는 전자빔 또는 자외선 리소그래피용 양성 레지스트로도 유용하게 사용됩니다⁷⁹. 두 응용 분야 모두에서 공정 후 고분자 분포를 확인하기 위해 AFM–IR을 사용할 수 있습니다. 그림 6A, 6B에서는 얇은 산화층(SiO₂)으로 덮인 실리콘 웨이퍼 위에 PMMA 패턴을 형성하기 위해 전자빔 리소그래피(EBL)를 이용하였습니다. 결과로 얻어진 평균화 및 평활화된 지점 선택적 AFM–IR 스펙트럼(그림 6A)에서 고분자(PMMA)와 Si/Si...

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토론

AFM–IR 기하 구조(즉, 상단-하단 조명 대 하단-상단 조명)와 작동 모드(예: 태핑 모드 대 컨택 모드 AFM–IR)에 적합한 프로브를 선택하는 것은 아티팩트가 없는 최적의 데이터를 얻기 위한 중요한 고려 사항입니다. 고려해야 할 일반적인 프로브 특성에는 일반적으로 함께 비례하는 공칭 스프링 상수와 공진 주파수가 포함됩니다. 태핑 모드 작동 시에는 일반적으로 더 높은 공진 주파수와 따라서 더 큰 스프링 상수(즉, 더 강성이 높은 캔틸레버)가 선호되는데, 이는 접촉 시 갑자기 달라붙는 현상(snap-to-contact)의 가능성을 줄이고 더 빠른 데이터 획득 속도와 개선된 S:N 비를 가능하게 하기 때문입니다. 추가적인 고려 사항은 금속 코팅의 유무입니다. 상단-하단 조명의 경우, AFM 프로브에 의한 IR 흡수를 최소화하고 팁 끝단 매개 “피뢰침 효과(lightning rod effect)”를 통해 파장에 독립적인 전기장의 근접장 증강을 제공하기 위해 반사율이 높은 금속 코팅이 사용됩니다^7<...

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공개 사항

저자들은 공개할 이해관계가 없습니다.

감사의 글

본 연구에 사용된 Bruker Anasys nanoIR3-s AFM–IR 시스템은 M. J. Murdock Charitable Trust(Award No. 202014907)의 지원을 통해 도입되었습니다. 해당 시스템은 FaCT Core Facility(RRID: SCR 024733)의 일부인 Boise State University Surface Science Laboratory(SSL)에 위치하고 있으며, National Institute of General Medical Sciences의 Institutional Development Awards(IDeA) 프로그램을 통해 National Institutes of Health(NIH)로부터 Grant Nos. P20GM148321 및 P20GM103408의 지원을 받고 있습니다. 이 중 전자는 공동 저자인 C.M.E.와 P.H.D.를 부분적으로 지원합니다. N.O.는 Defense Advanced Research Projects Agency(DARPA)가 후원하는 Semiconductor Research Corporation(SRC) 프로그램인 Superior Energy-efficient Materials and Devices(SUPREME) Center의 지원을 받습니다. 본 자료는 AFRL을 지원하는 Agreement Number FA8650-20-2-5506 하에 Air Force Research Laboratory(AFRL)의 후원을 받은 연구를 바탕으로 합니다. 미국 정부는 저작권 표기에도 불구하고 정부 목적을 위해 재인쇄본을 복제하고 배포할 권한이 있습니다. 여기에 포함된 견해와 결론은 저자들의 것이며, AFRL, NIH 또는 미국 정부의 공식 정책이나 지지를 명시적 또는 묵시적으로 나타내는 것으로 해석해서는 안 됩니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름	회사	카탈로그 번호	댓글
AFM 제어 소프트웨어	Bruker	Analysis Studio v3.17	기기 제어, AFM 이미징, AFM–IR 획득 및 데이터 분석.
AFM 이미지 처리 및 분석 소프트웨어	Gwyddion	V2.69	AFM 데이터 처리 및 분석.
원자 힘 현미경 (AFM)–IR 프로브, 접촉 모드	Bruker	PR-EX-CNIR-B-10	공명 강화 접촉 모드 AFM–IR 프로브; 공칭 용수철 상수 (k) = 0.2 N/m, 공진 주파수 (f₀) = 13 kHz, 팁 반경 (r) = 20 nm, 금(Au) 코팅 캔틸레버 및 팁.
원자간력 현미경(AFM)–IR 프로브, 태핑 모드	Bruker	PR-EX-TNIR-D-10	태핑 모드 AFM–IR 프로브; 공칭 스프링 상수(k) = 40 N/m, 공진 주파수(f₀) = 300 kHz, 팁 반경 (r) = 20 nm. 탑다운 조명 AFM용 금(Au) 코팅 캔틸레버 및 팁–IR 측정. 대체 태핑 모드 프로브: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f₀ = 75 kHz, r = 20 nm, Au 코팅 캔틸레버 및 팁).
AFM/STM 금속 시료 디스크	Ted Pella	16208	다양한 크기(직경)로 제공됨: 제품 번호 16223 (직경 6 mm), 16207 (10 mm), 16208 (12 mm), 16218 (15 mm), 16219 (20 mm).
원자 힘 현미경	Bruker (Anasys)	nanoIR3-s	원자간력 현미경 (AFM)–지형 이미징, 분광법 및 화학적 매핑에 사용되는 IR 시스템. Analysis Studio 소프트웨어와 Zurich Instruments MFLI 락인 증폭기가 포함되어 있습니다.
광대역 광파라메트릭 발진기(OPO) 광원	APE	Carmina 가변 광대역 중적외선(MIR) 광원	2.15부터 파장 튜닝이 가능한 광대역 중적외선 광원–15 μm (~670–4650 cm^-1) 및 ~20 cm의 대역폭^-1 또는 ~170 cm^-1 협대역(ps) 또는 광대역(fs) 모드 작동 여부에 따른 FWHM. AFM 지원–IR(펄스형) 및 IR s-SNOM(준-CW) 작동. 출력은 선형 편광된 TEM임₀₀ 모드. 약 22도의 외부 수냉식으로 작동되었습니다. °C.
칠러 냉각수/부식 억제제	Innovatek	IP 농축액 보호	증류수와 1:3 비율로 혼합하도록 설계된 에틸렌글리콜 기반의 칠러 냉각제 및 부식 억제제.
압축 건조 공기	Beacon Medaes	SPR30T	초고순도(99.999%) N2를 대체할 수 있는 퍼지 가스₂ 사용 불가함. 자체 오일 프리 공기 압축기 및 건조 시스템이 건물 전체의 실험실에 공급함.
시아노아크릴레이트 접착제 (순간접착제)	고릴라	7500101	자성 시료 디스크에 시료를 고정하기 위한 선택 사항인 비전도성 접착제입니다. 자성 시료 디스크의 시료 고정 시 도포가 용이하도록 브러시와 노즐이 포함된 순간접착제를 사용합니다. 사실상 거의 모든 시아노아크릴레이트 기반의 순간접착제가 사용 가능하며 대체할 수 있습니다.
증류수	Albertsons	퓨어 라이프(Pure Life)	레이저 칠러 냉각제 혼합물 제조에 사용됨. 지역 식료품점에서 구매하였으나, 과학/화학 제품 공급업체를 통해서도 구할 수 있음.
양면 카본 테이프	Fisher Scientific	50-285-81	자성 시료 디스크 위에 전도성 샘플을 일시적으로 또는 쉽게 제거 가능하도록 장착하는 데 사용됩니다. 전도성이 약간 낮거나 면저항이 더 높습니다(50 Ω/in²은 페이스트보다 효과적입니다. 양면 탄소 테이프 접착 탭을 사용할 수도 있습니다. 유용한 비교 표는 https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx에서 확인할 수 있습니다.
전자빔 리소그래피(EBL) 시스템	FEI	Teneo Nabity NPGS	대표적인 반도체 폴리머 포토레지스트 공정 샘플을 위해 폴리머(PMMA)를 패턴화하는 데 사용됨.
에폭시 접착제	Loctite	EA E-60HP (237112)	자기 시편 디스크에 시료를 고정하기 위한 선택 사항인 비전도성(절연) 접착제입니다. 도포를 용이하게 하고 수지와 경화제의 정확한 비율을 보장하기 위해 듀얼 카트리지 시린지 믹서를 사용합니다. 사실상 모든 2액형 에폭시를 사용할 수 있으며, 추가적인 시료 특성 분석 고려 사항(예: 작동 온도, 진공 탈가스 등)에 따라 대체하여 사용할 수 있습니다.
손톱 매니큐어	Sally Hansen	Teflon Tuff 10일 지속 네일 컬러	자기 시료 디스크에 샘플을 고정하기 위한 선택적 일시 접착제입니다. 투명한 LA Colors 베이스 코트/탑 코트도 사용하였습니다. 지역 약국에서 구입 가능한 거의 모든 네일 폴리시를 사용할 수 있습니다.
이소프로필 알코올(IPA)	Fisher Scientific	A451-4	조류 성장을 방지하기 위해 QCL 칠러 냉각수로 사용하며, 증류수에 10%(v/v) 농도로 희석하여 사용합니다.
레이저 안전 고글	Thorlabs	LG11(A)	LG11 또는 LG11A Schott-glass IR 레이저 안전 고글.
락인 증폭기	Zurich Instruments	MFLI	AFM을 위한 신호 복조 및 검출–IR 측정.
질소 가스 공급	노코(Norco)	SPG TUHPNI	광학 경로에서 수증기와 이산화탄소를 제거하는 데 사용되는 초고순도(99.999%) 기기 퍼지 가스.
산소 디스컴(descum) 장비	글렌	1000P 플라즈마 세척기	대표적인 반도체 웨이퍼 공정 장치 제작 실험에 사용됨.
감광액	Merck	AZ nLOF 2020 감광제 + AZ 726 현상액	대표적인 반도체 웨이퍼 공정 소자 제작 샘플에 사용되는 포토레지스트 및 현상액.
감광제 샘플	자체 제작 (코넬 대학교)	제공된 소스 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주세요.	MOCVD로 성장시킨 GaN 위에 AZ nLOF 2020/AZ 726이 도포된 대표적인 반도체 웨이퍼 공정 장치 제작 시료를 준비하였다.₂O₃ Fe가 도핑된 (010) 기판 위의 박막이며, AFM에 사용됨–IR 특성 분석.
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)	카야쿠 어드밴스드 머티리얼즈(Kayaku Advanced Materials)	495 PMMA A6	EBL 패터닝 및 후속 AFM 분석을 위한 대표 고분자 시편 제작에 사용됨–IR 분석 특성 확인.
PMMA 시료	자체 제작 (보이시 주립대학교)	제공된 소스 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주세요.	495 PMMA A6를 사용하여 준비하고 EBL로 패턴화하여 AFM에 사용한 대표성 고분자 시료–IR 특성 분석
폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)	자체 제작 (보이세 주립대학교)	제공된 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주세요.	레이저 정렬 및 최적화에 사용되는 IR 활성 정렬 시료입니다. 유리 커버슬립, 실리콘 웨이퍼 또는 기타 적절히 평평하고 가급적 반사율이 높은 기판 위에 PET, PMMA 또는 기타 카르보닐 함유 폴리머를 스핀 코팅 또는 드롭 캐스팅하여 제작할 수 있습니다.
폴리피롤(PPy) 시료	자체 제작 (노스캐롤라이나 주립대학교)	제공된 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주세요.	AFM에 사용된 대표적인 패턴 영역 선택적 증착(ASD) 샘플–IR 특성 분석.
양자 캐스케이드 레이저 (QCL)	Daylight Solutions	MIRcat 초광대 가변 중적외선 레이저	2635을 커버하는 4개의 칩이 장착된 가변 중적외선 광원–3000 cm^-1, 1425–1835 cm^-1, 955–1425 cm^-1, 그리고 755–1005 cm^-1선편광(>100:1 대비비) TEM₀₀ 대역폭이 ~인 출력 모드 &< 1 cm^-1약 21℃의 외부 수냉식으로 작동됨 °C.
시료 홀더 / 척	Bruker	제공된 소스 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주시기 바랍니다.	AFM 중 시료 장착–IR 측정.
주사 전자 현미경 (SEM)	FEI	Verios 460L	해당하는 경우, 상보적 특성 분석을 위해 사용됩니다.
주사 전자 현미경 (SEM)	Hitachi	SU8700	해당하는 경우, 보완적 특성 분석을 위해 사용됨.
이산화규소(SiO2)₂블랭킷 코팅된 실리콘 웨이퍼	Micron Technology	입력된 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 제공해 주세요.	AFM용 PMMA 시편 제작에 사용되는 대표적인 산화막 코팅 실리콘 웨이퍼 기판–IR 측정. 100 nm 두께의 열 산화막이 형성된 비도핑 Si 웨이퍼.
질화 실리콘/이산화 실리콘 패턴 실리콘 웨이퍼	Tokyo Electron Limited (TEL)	제공된 소스 텍스트가 없습니다. 번역할 내용을 입력해 주세요.	AFM에 사용되는 대표적인 패턴화된 반도체 웨이퍼 샘플–IR 분석 특성 확인
은 페이스트	Ted Pella	16062	자기 시료 디스크에 시료를 부착하기 위한 속건성 전도성 접착제입니다. Pelco Conductive Silver Paint(제품 번호 #16062)의 대체 제품으로는 제품 번호 #16031(Pelco Colloidal Silver 기반 전도성 액상 실버 페인트)이 있습니다. 유용한 비교 표는 https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx에서 확인하실 수 있습니다.
스펙트럼 처리 및 제시 소프트웨어	OriginLab	Origin 10.0.5.157	IR 스펙트럼 처리 및 플로팅.
핀셋	Sigma-Aldrich	티타늄 핀셋	프로브 및 시료 취급.
진동 절연 광학 테이블	뉴포트	Integrity 2 VCS	AFM 과정 중 기계적 진동을 최소화하기 위해 사용되는 광학 테이블–IR 측정.
냉각기	ThermoTek	T257P-20	IR 레이저 광원 냉각에 사용되는 재순환 칠러. 냉각제 및 작동 조건은 제조업체의 권장 사항을 따라야 한다.

참고문헌

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Voigtländer B. Atomic Force Microscopy. 2nd ed. Springer; Cham; 2019.
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