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

방법 논문

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

DOI:

10.3791/71517

⸱

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

첨단 분석법은 반도체 연구, 개발 및 제조에서 매우 중요한 역할을 합니다. 상온 상태, 클린룸 환경, 불활성 분위기 글로브박스 또는 진공 상태에서 수행 가능한 원자 힘 현미경(AFM)은 반도체 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 사용 가능한 AFM 모드들은 반도체 재료 및 소자의 나노스케일 지형 매핑과 더불어 표면 전위, 전기 저항, 도펀트 프로파일링, 특정 부위의 전류-전압(I–V) 측정을 포함하여 전기적, 자기적, 기계적, 압전(즉, 전기기계적) 및 열적 측정의 동시 국소화를 결합하여 제공합니다¹^,²^,³^,⁴^,⁵. 그러나 풍부한 물성 정보를 제공할 수 있음에도 불구하고, AFM은 화학 조성 정보를 직접적으로 제공하지는 못합니다. 이와 대조적으로 적외선(IR) 흡수 분광법은 시료에 존재하는 화학 결합이나 포논 모드를 조사하지만, 아베 회절 한계와 중적외선(mid-IR) 광의 파장(~2.5–25 µm 또는 400–4,000 cm⁻¹)으로 인해 전통적으로 마이크론 스케일의 공간 분해능으로 제한되었습니다⁶^,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 해결해 줍니다⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. AFM–IR은 중적외선(MIR) 광원을 일반적으로 금속 코팅된 나노스케일(~20 nm) AFM 프로브 팁에 집중시킴으로써 이를 구현하며, 이를 통해 AFM 지형과 IR 분광 데이터를 동일 위치에서 동시에 획득할 수 있게 합니다 (그림 1)⁶^,⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹.

figure-introduction-1
그림 1. 광열 원자 힘 현미경-적외선 분광법(AFM–IR)의 모식도. 집속된 펄스 적외선(IR) 빔이 시료 표면의 국소적인 광열 팽창을 유도합니다. 이로 인해 발생하는 캔틸레버의 진동은 AFM 굴곡 레이저와 위치 민감 광다이오드를 통해 검출되며, 이를 통해 나노스케일에서 시료의 지형 정보와 화학적 정보를 동시에 획득할 수 있습니다. Dazzi와 Prater⁷의 그림 1A를 허가 하에 수정함. Copyright 2017 American Chemical Society. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

초기 AFM–IR 구현에는 광대역 IR 광원이 사용되었으며, 때로는 표준 AFM 캔틸레버 대신 특수 열 감지 프로브가 조합되어 사용되었습니다²²^,²³. 이후 연구자들은 더 높은 피크 전력을 제공하는 펄스 IR 광원을 도입하였으며²⁴, 반복률 조절이 가능한 경우 시료의 광열 들뜸에 대한 캔틸레버 응답의 공명 증폭(RE)을 가능하게 하여¹¹^,¹⁵^,²⁵^,²⁶, 단분자층 수준에 근접하는 검출 감도를 달성하였습니다²¹. 나노스케일 IR 분해능을 입증한 최초의 AFM–IR 시스템은 자유 전자 레이저와 IR 투과 기판을 통한 하향식 소멸파 조명을 사용하였습니다⁹. 그 직후, 파장 조절이 가능한 광 파라메트릭 발진기(OPO)²⁴^,²⁸ 또는 양자 카스케이드 레이저(QCL)¹¹^,²¹와 같은 탁상형 레이저 광원을 이용한 상향식 조명 방식이 도입되었습니다¹⁰²⁷. 상향식 조명은 IR 투과 기판의 필요성을 없애 시료 준비를 단순화하고 더 두꺼운 시료의 분석을 가능하게 하므로, 이러한 구성은 현재 대부분의 상용 AFM–IR 시스템의 기초가 됩니다⁷^,⁸^,¹⁵^,¹⁶. 이후의 발전을 통해 시료 표면의 선택적 위치에서 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, 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 주력하고 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 증강 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 들뜸에 따른 시료 표면의 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 편향 레이저의 움직임을 측정함으로써 검출됩니다 (그림 1). 이러한 검출 경로는 시료의 지형 변화를 측정하는 데에도 사용되므로, AFM-IR에서는 지형 응답과 IR 흡수 응답을 분리하는 방법이 필요합니다. 이러한 분리는 초기에 접촉 모드(contact-mode) AFM을 사용하여 달성되었습니다. IR 펄스에 의해 시료가 들뜬 후, 시료의 광열 팽창에 대한 프로브의 응답은 나노초에서 마이크로초 시간 규모로 빠르게 감쇠하며, 이는 수 kHz의 속도로 AFM 데이터를 획득할 때의 유효 프로브 체류 시간인 밀리초 규모보다 훨씬 빠릅니다⁶^,⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁵⁰^,⁶⁷. 각 데이터 포인트(즉, AFM 이미지 픽셀)에서 발생하는 시간에 따라 변하는 광신호 또는 링다운(ringdown)은 캔틸레버 접촉 공진 주파수를 중심으로 하는 주파수 밴드패스 필터를 거쳐 푸리에 변환될 수 있습니다. 이렇게 얻은 진폭은 시료의 국부적인 광열 응답에 비례합니다 (그림 2A, 2B)⁶^,⁷^,⁸^,¹⁵^,³¹^,⁶⁷^,⁶⁸. 그러나 시료 강성의 변화는 프로브 접촉 공진 주파수를 이동시킬 수 있으며, 이는 광열 팽창 신호를 시료 표면의 기계적 거동 변화와 혼재시킬 수 있습니다. 접촉 모드 AFM-IR의 민감도를 높이기 위해 공진 증강(RE) AFM-IR이 개발되었습니다. 이 모드에서는 레이저 펄스 반복률을 프로브의 접촉 공진 주파수에 맞게 조정하여 캔틸레버의 기계적 공진을 위상 내(in-phase)로 증폭시키고, 링다운 감쇠를 연속파 진동으로 변환합니다 (그림 2C, 2D)⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,²¹. 이 접근 방식은 캔틸레버 공진의 Q factor에 비례하여 신호 대 잡음비(S:N)를 크게 향상시킵니다⁸^,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 전반의 기계적 특성 변화(따라서 접촉 공진 주파수의 변화)와 무관하게 진동 모드의 IR 흡수 계수에 계속 비례하도록 보장할 수 있습니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,³⁷^,⁶⁹.

figure-introduction-2
그림 2. 서로 다른 AFM–IR 작동 모드를 사용하여 얻은 대표적인 시간 영역 및 주파수 영역 응답. (A) 접촉 모드 AFM–IR 동안 시료의 광열 여기 후 나타나는 시간 영역 캔틸레버 링다운 응답. (B) (a)의 링다운 신호를 빠르게 푸리에 변환(FFT)하여 여러 접촉 공진 모드를 보여줌. (C) 소프트 캔틸레버(k = 0.3 N/m)를 사용한 공진 강화 접촉 모드 AFM–IR 동안 획득한 시간 영역 응답. (D) 공진 강화 신호의 FFT로, 레이저 펄스 반복률에 해당하는 선택된 접촉 공진(365 kHz)에서의 증폭을 보여줌. 약 730, 1095, 1460 kHz에서의 피크는 고차 조화파에 해당함. (E) 스티프 캔틸레버(k = 40 N/m)를 사용하여 획득한 시간 영역 태핑 모드 AFM–IR 신호. (F) 태핑 모드 AFM–IR 응답의 FFT. 지형 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 등¹⁶의 그림 3에서 AIP Publishing의 허가를 받아 수정함. Copyright 2022 AIP Publishing. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

AFM–IR 기술의 다음 주요 발전은 헤테로다인 검출(heterodyne detection)⁷⁰의 구현이었으며, 이를 통해 태핑 모드(tapping-mode) AFM과 AFM–IR을 결합하여 부드럽거나 끈적거리는 시료 또는 부착력이 약한 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, 측방향 힘을 줄이고 시료 및 프로브의 손상 가능성을 최소화합니다. 따라서 접촉 모드(contact-mode) 작동과 비교했을 때, 태핑 모드는 기계적으로 부드럽거나, 부착력이 약하거나, 이미징 중 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 지형적 형상(f_tap)을 획득하는 데 사용되며, 두 번째 공진 주파수는 IR 흡수로 인해 발생하는 광열 응답(f_demod)을 모니터링합니다(그림 2E, 2F)⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷¹^,⁷². 공진 강화 접촉 모드 AFM–IR과 유사하게, 스캐닝 중에 PLL을 사용하여 레이저 펄스 반복률과 Δf 사이의 동기화를 유지함으로써 표면 전체의 팁-시료 상호작용 퍼텐셜 변화로 인해 발생하는 캔틸레버 공진 주파수의 미세한 변화를 보정할 수 있습니다⁸^,¹⁶. 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR에서 캔틸레버 응답(진동 진폭, Z)은 f_tap, f_demod, Δf, 그리고 선택된 복조 공진의 Q 인자(Q factor)에 따라 달라집니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹:

figure-introduction-3

따라서 다른 요인들이 비슷할 때(예: f₁과 f₂의 Q 인자가 유사한 경우), 더 강성이 높은 프로브를 사용하고, 더 높은 공진 주파수에서 태핑 모드로 작동하며(즉, f_tap = f₂), 더 낮은 공진 주파수에서 광열 응답을 복조함으로써(즉, f_demod = f₁) S:N 비를 개선할 수 있습니다. 태핑 모드 AFM–IR은 부드럽거나 끈적거리는 샘플, 또는 약하게 부착된 샘플의 분석을 가능하게 할 뿐만 아니라, 컨택 모드 구현 방식에 비해 샘플의 기계적 특성 변화에 대한 민감도가 낮고, 수평 해상도가 약 2배 개선되었으며(~10 nm 대 ~20 nm), 표면 민감도가 약 10–20배 향상되었습니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹.

학계 및 산업 파트너와의 협력을 통해, 태핑 모드(tapping-mode) AFM–IR은 패턴 웨이퍼상의 증착 및 재료 제거 공정 평가⁴⁴^,⁴⁵, 원치 않는 핵 생성 부위 식별⁴⁴, 잔류 포토레지스트 검출⁴⁵, 그리고 와이드 밴드갭 반도체 소자의 컨택 패드를 위한 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 사례를 보여줍니다. AFM–IR은 편광 의존성 측정을 통해 분자 배향과 관련된 정보 또한 제공할 수 있으나⁸^,¹⁶^,⁷³^,⁷⁴^,⁷⁵^,⁷⁶, 이러한 응용 분야는 본 프로토콜 및 제공된 대표 사례의 범위를 벗어납니다.

프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 프로토콜은 동물 또는 인간 세포주나 피험자의 사용을 포함하지 않습니다. 다른 AFM–IR 구현 모드들이 논의되지만, 본 프로토콜은 헤테로다인 검출 태핑 모드 광열 AFM–IR에 특화되어 있음에 유의하십시오.

1. 실험 설정

참고: 이 태핑 모드(tapping-mode) AFM–IR 프로토콜은 가능한 한 일반적으로 적용될 수 있도록 작성되었습니다. 다만, 설정 및 작동 방식은 연관 하드웨어(예: IR 광원, AFM 플랫폼 및 관련 계측기)와 소프트웨어를 포함하여 사용하는 시스템의 제조사 및 모델에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적인 AFM–IR 시스템의 개략적인 블록 다이어그램은 그림 3을 참조하십시오. 본 연구에 사용된 시스템은 재료 표에 기재되어 있습니다.

figure-protocol-1
그림 3. 전형적인 AFM-IR 시스템의 일반적인 개략적 블록도. 이 도식은 AFM-IR 측정 중에 사용되는 적외선 레이저 광원, 가시광 정렬 레이저, 정렬 광학계, 셔터, 집속 광학계, AFM 프로브 어셈블리, 포토다이오드 검출기, 락인 증폭기, AFM 컨트롤러, 시료 스테이지 및 환경 퍼지 챔버를 보여줍니다. 약어: AFM = 원자 힘 현미경; MIR = 중적외선; OAP = 비축 포물면 반사경. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

IR 빔 경로와 기기 인클로저를 통해 약 4 L/min의 속도로 퍼지 가스 흐름을 시작합니다. 가능한 경우 초고순도(99.999%) N₂를 퍼지 가스로 사용하고, N₂를 사용할 수 없는 경우에는 압축 건조 공기를 사용하십시오⁸.
참고: 퍼지는 IR 스펙트럼 영역에서 흡수되는 대기 중의 H₂O 및 CO₂를 제거합니다. 기기 설정 중에 낮은 퍼지 가스 유량을 유지하면 데이터 획득 직전에 필요한 퍼지 시간을 단축할 수 있습니다(단계 1.25 참조).
레이저 사용자 매뉴얼을 참조하여 필요한 레이저 칠러 냉각제 조성을 확인하십시오.
참고: 본 연구에 사용된 광대역 광파라메트릭 발진기(OPO) 광원(APE Carmina)은 증류수와 Innovatek Protect IP 농축액을 3:1 비율로 혼합하여 22°C에서 작동합니다. MIRcat QCL 양자 캐스케이드 레이저는 증류수에 10% 이소프로필 알코올을 혼합하여 21°C에서 작동합니다. 두 칠러 모두 용량은 약 450 mL, 최대 유량은 4 L/min이며, 공칭 온도 안정성은 ±0.1°C입니다. AFM–IR 측정 동안 두 칠러는 20% 펌프 드라이브로 작동하며, 일반적으로 15분에서 1시간 동안 ±0.01°C에서 ±0.03°C의 온도 안정성을 달성합니다.
IR 광원에 전원을 공급하기 전에 적절한 냉각제가 순환하고 있는지 확인하십시오.
참고: 레이저는 과잉 열을 제거하고 안정적인 작동 온도를 유지하여 출력 전력, 파장, 모드 품질 및 빔 포인팅의 안정성을 확보하기 위해 칠러가 필요한 경우가 많습니다. 칠러 냉각제는 부식 및 조류 성장을 방지하여 구성 부품의 수명을 유지하는 데 도움이 됩니다.
레이저 전원 공급 장치, AFM 컨트롤러, IR 광원 및 관련 장비(예: 레이저 칠러 및 락인 증폭기)의 전원을 켭니다.
제조업체 권장 사항에 따라 모든 장비를 예열합니다(통상 15~60분).
Analysis Studio v3.17 AFM 제어 소프트웨어를 실행합니다.
Setup 드롭다운 메뉴에서 Hardware Configuration 메뉴를 엽니다.
Active Config 드롭다운 메뉴에서 AFM–IR 시스템에 적합한 기기 구성을 선택하여 올바른 시스템 구성 파일을 로드합니다.
Initialize 아이콘을 클릭하고, 시작 오류 메시지가 표시되지 않는지 확인하여 IR 광원, AFM 컨트롤러 및 락인 증폭기 간의 통신을 확인합니다.
참고: 구성이 잘못된 경우 기기 공급업체의 지원이 필요할 수 있습니다.
AFM Scan 창의 드롭다운 메뉴에서 계획된 측정에 적합한 실험 구성(예: Tapping AFM–IR Mode)을 선택합니다.
Analysis Studio 툴바에서 New 아이콘을 선택하여 모든 데이터가 저장될 새 프로젝트를 생성합니다. File 메뉴의 Save As 옵션을 사용하여 원하는 프로젝트 파일 이름을 지정합니다.
시료, 조명 기하구조 및 이미징 모드와 호환되는 AFM–IR 프로브를 선택합니다. Bruker nanoIR3 AFM–IR 시스템에서 대부분의 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR 측정에는 금 코팅된 TnIR-D-10 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브를 사용하십시오.
참고: 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브의 공칭 팁 반경은 20 nm, 용수철 상수는 42 N/m, 공진 주파수는 320 kHz입니다. 낮은 캔틸레버 강성이 필요한 더 부드러운 시료의 경우, 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 대한 자세한 내용은 Discussion 섹션을 참조하십시오.
선택한 프로브를 AFM 헤드에 장착합니다(그림 4A, 4B).
참고: 탑다운 조명에 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 효과를 통해 프로브 정점의 국부 전기장을 강화함으로써 광열 신호의 국소화 및 파장 독립적 증폭을 증가시킵니다⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹.
AFM–IR 시스템 시료 척과 호환되는 마그네틱 시료 디스크에 시료를 장착하고, 양면 카본 테이프, 은 페이스트, 매니큐어, 순간접착제 또는 에폭시를 사용하여 시료를 고정합니다.
참고: 전기적 AFM 모드 또는 후속 전자 현미경 분석을 수행할 경우 카본 테이프나 은 페이스트와 같은 전도성 접착제를 사용하십시오.
AFM Probe 창에서 Load 아이콘을 선택하여 Load Tip Wizard 창을 엽니다.
광학 시야 내에 프로브와 시료의 관심 영역이 보이는지 확인합니다(그림 4C, 4D).
참고: 직경 약 25 mm까지의 시료를 시료 척에 수용할 수 있으나, AFM–IR 측정에는 중앙의 6 mm × 8 mm 영역만 접근 가능합니다. 관심 영역은 사용자가 AFM–IR로 분석하고자 하는 대상에 따라 달라지지만, 시각적 마커와 시료 도식도를 결합하여 측정 위치를 구분하고 식별하십시오.
Focus on Probe 창의 상/하 화살표를 사용하여 광학 초점을 조절하여 프로브 정점에 가장 가까운 캔틸레버 가장자리가 명확하게 보일 때까지 맞춘 후 Next를 클릭합니다.
Center Crosshairs 창에서 십자선을 캔틸레버 말단에 있는 프로브 팁 바로 위에 배치하여 프로브 팁이 광학 시야의 중앙에 오도록 한 후 Next를 클릭합니다.
Focus on Sample 창의 상/하 화살표를 사용하여 시료 표면의 특징이 명확하게 보일 때까지 광학 초점을 조절합니다.
Sample XY Navigation 스테이지 제어 화살표와 광학 현미경 뷰를 사용하여 관심 영역이 프로브 팁 아래에 위치할 때까지 시료를 이동시킨 후 Next를 클릭합니다.
Standoff 거리를 최소 100 µm로 설정하고 Approach Only를 선택합니다.
참고: Approach Only를 클릭하면 팁이 시료 표면의 Standoff 거리 이내로 접근하며 Load Tip Wizard 창이 자동으로 닫힙니다.
AFM 레이저 정렬 제어 노브를 사용하여 AFM 레이저를 프로브 팁 바로 위의 캔틸레버 뒷면에 배치하고 레이저 합산 전압을 최대화합니다(그림 4C).
1. 캔틸레버의 가로 방향으로 레이저 중심을 맞춥니다.
2. 레이저를 프로브 팁 위의 캔틸레버 정점 근처에 배치합니다.
3. 최대 레이저 합산 전압이 달성될 때까지 레이저 위치를 조절합니다.
  참고: 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브를 사용할 때 레이저 합산 전압이 5 V를 초과하는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우, 프로브가 손상되었거나 제대로 장착되지 않았을 수 있습니다.
광검출기 정렬 제어 노브를 조절하여 반사된 레이저 빔이 위치 민감형 포토다이오드의 중심에 오도록 합니다.
1. 편향 신호가 0에서 ±0.1 V 이내로 들어올 때까지 정렬을 조절합니다.
2. Deflection 판독값에 읽기 필드 중앙에 녹색 표시등이 나타나는지 확인합니다(그림 4E).
기기 인클로저를 닫습니다.
퍼지 가스 유량을 약 7 L/min로 높이고, 인클로저 습도가 8% 미만으로 떨어질 때까지 퍼지를 계속합니다.
이후 측정 동안 낮은 습도 수준을 유지하기 위해 퍼지 가스 유량을 약 4 L/min로 낮춥니다.
참고: 퍼지 가스 유량을 줄이면 AFM 이미징 노이즈를 유발할 수 있는 난류를 최소화할 수 있습니다. IR 흡수도가 더 강한 시료는 일반적으로 잔류 습도에 덜 민감합니다. 일부 상황에서는 약 10% 정도의 습도 수준도 허용 가능하며, 이 경우 난류를 최소화하면서 퍼지 시간을 단축하고 가스 소비량을 줄일 수 있습니다.

figure-protocol-2
그림 4. Analysis Studio v3.17이 실행 중인 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) AFM 굴곡 레이저를 캔틸레버 위에 배치하고 반사된 빔을 위치 민감 광검출기(position-sensitive photodiode)의 중심에 맞추는 데 사용되는 정렬 컨트롤. (D) 레이저 정렬 전 샘플과 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 굴곡을 보여줌. (F) 지형도 획득(Drive Mode)에 사용되는 TnIR-D-10 프로브의 제1 공진 주파수(f₁)의 대표적인 튜닝 곡선(약 240 kHz). (G) 광열 검출(Detection Mode)에 사용되는 고주파 공진(f₂)의 대표적인 튜닝 곡선(약 1550 kHz). 이 그림의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

2. 프로브 튜닝

드라이브 및 검출 모드(Drive and Detection Mode)에 사용할 프로브 공진 주파수를 결정하기 위해 캔틸레버 튜닝을 한 쌍 수행합니다(그림 4F, 4G).
참고: 아래의 절차를 따르면 토포그래피(드라이브 모드)와 IR 검출(검출 모드) 공진 모두에 대해 잘 분리된 공진 피크를 생성하는 캔틸레버 튜닝을 보장할 수 있습니다.
1. AFM Scan 창의 드롭다운 메뉴에서 Tapping AFM–IR 모드가 선택되었는지 확인합니다.
2. 소리굽쇠 아이콘을 클릭하여 캔틸레버 튜닝(Cantilever Tune) 창을 엽니다.
드라이브 모드(Drive Mode) 캔틸레버 튜닝을 수행합니다.
1. 드라이브 모드 튜닝 패널에서 프로브의 공칭 공진 주파수를 중심으로 약 100 kHz의 주파수 스윕 범위를 설정한 후(그림 4F), 녹색 시작 화살표를 클릭합니다.
  참고: 공칭 공진 주파수는 일반적으로 AFM 프로브 상자에 기재되어 있습니다.
2. 태핑 모드 토포그래피 이미징에 사용할 공진 피크를 식별합니다. 뚜렷한 숄더(shoulder)가 없는 명확히 분리된 가우시안 형태의 피크를 선택하십시오. 이러한 기준에 부합하는 주파수 스윕 범위 내에서 진폭이 가장 높은 피크가 일반적으로 가장 적합합니다.
3. 스윕 범위를 약 10 kHz로 줄이고, 피크 주파수가 명확하게 분석될 때까지 선택한 공진 주파수를 정밀하게 조정합니다.
  참고: 드라이브 모드 주파수를 공진 피크보다 약간 낮게 선택하여, 피크 진폭 대비 자유 공간 진동 진폭이 약 5% 감소하도록 설정하십시오(그림 4F). 이 오프셋은 접근 시 인력성 van der Waals 상호작용을 보정하는 데 도움이 되며, 태핑 모드 이미징 중에 반발성 상호작용 영역 내에서 작동하도록 촉진합니다.
4. 피크 진폭이 약 9 V가 될 때까지 드라이브 모드 강도(Drive Mode Strength)를 조정합니다.
  참고: 드라이브 모드 강도는 일반적으로 0.2%–5%입니다.
검출 모드(Detection Mode) 캔틸레버 튜닝을 수행합니다.
1. 검출 모드 튜닝 패널에서 중심 주파수를 드라이브 모드 주파수의 약 6배로 설정합니다.
2. 검출 모드 스윕 범위를 약 500 kHz로 설정하고(그림 4G), 녹색 시작 화살표를 클릭합니다.
3. 검출 모드 주파수 스펙트럼에서 뚜렷한 숄더가 없는 가장 명확히 분리된 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 줄이고, 공진 피크가 명확하게 분석될 때까지 선택한 검출 모드 주파수를 정밀하게 조정합니다.
5. 피크 진폭이 약 9 V가 될 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 드라이브 및 검출 모드 공진의 선택은 이미징 및 스펙트럼 획득 중 측정되는 IR 응답에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 최적의 선택은 AFM 프로브 캔틸레버의 공진 피크와 최대 디더-피에조 주파수 및 컨트롤러 대역폭을 포함한 기기 하드웨어의 성능 또는 제한 사항 모두에 따라 달라집니다. 본 프로토콜과 그림 4F, 4G에서는 토포그래피 획득(드라이브 모드)에 f₁을, IR 검출(검출 모드)에 f₂를 사용합니다. 드라이브 및 검출 공진 선택 시 고려 사항과 드라이브 및 검출 모드 주파수의 순서를 바꾸는 것이 바람직한 경우를 포함하여 토론(Discussion) 섹션을 참조하십시오.
녹색 캔틸레버 튜닝 수락 체크 표시 아이콘을 클릭하여 드라이브 및 검출 모드 설정을 저장합니다.

3. AFM (표면 형상) 이미징

AFM Probe 창에서 녹색 Engage 아이콘을 클릭하여 프로브를 시료 표면에 접촉시킵니다.
주의: 접촉 과정 전반에 걸쳐 Microscope 창의 라이브 비디오 피드를 모니터링하십시오. 레이저 스폿이 프로브 캔틸레버를 벗어나거나, 캔틸레버가 과도하게 굽혀지거나(광검출기 편향 ≥ ~5 V), 접촉 중 캔틸레버가 부러지는 경우 즉시 프로브를 후퇴시키십시오.
Laser Sum 신호가 자유 공간 값 근처에 유지되고 Z Position 모니터의 변동 폭이 ±0.2 µm 미만인지(즉, Z Position 상태 표시줄 표시등이 한 칸 또는 그 이하로 변동하는지) 확인하여 프로브 접촉이 성공했는지 검증합니다.
프로브 접촉이 성공하면 NanoIR 창의 IR Imaging Enabled 체크박스 선택을 해제하여 IR 이미징을 비활성화합니다.
AFM Scan 창에서 Scan 아이콘을 선택하여 AFM 스캐닝을 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% 진폭 setpoint(단계 2.2.4와 같이 9 V Drive Mode 자유 공간 진폭의 경우 약 6–8 V)로 작동하면 우수한 지형 추적 성능을 얻을 수 있습니다. Setpoint를 더 낮추면 종횡비가 높은 특징물의 추적 성능은 향상될 수 있으나, 프로브 및/또는 시료가 손상될 위험이 증가합니다.
Trace와 Retrace가 가장 잘 겹치도록 Gain을 설정하여 피드백 Gain을 최적화합니다. 지형 이미지 및/또는 오차 채널(error channel)에서 피드백 노이즈가 나타날 때까지 Gain을 증가시킨 후, 증가한 노이즈가 사라질 때까지 Gain을 다시 낮춥니다.
참고: 일반적인 Gain 값은 I (Integral) Gain의 경우 3–5, P (Proportional) Gain의 경우 5–7입니다.
관심 있는 특징물에 적합한 스캔 크기(가로 및 세로)를 선택합니다.
참고: 본 연구에서는 5–20 µm의 스캔 크기를 사용했습니다. AFM–IR 시스템의 최대 XY 스캔 크기는 50 µm입니다. 팁 반경 컨볼루션(tip-radius convolution)으로 인한 제한 내에서 해당 특징물을 분해할 수 있는 충분한 픽셀 해상도를 제공하면서, 관심 특징물을 완전히 포함하는 스캔 크기를 선택하십시오.
실용적인 데이터 획득 시간을 유지하면서 허용 가능한 Trace-Retrace 중첩을 제공하는 스캔 속도를 선택합니다.
참고: Trace 라인과 Retrace 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. 5–20 µm의 일반적인 스캔 크기에서 이는 약 10–20 µm/s의 프로브 속도에 해당합니다. 프로브 속도는 스캔 크기의 2배(Trace 및 Retrace 이동 반영)에 스캔 속도를 곱하여 계산합니다. 이러한 범위에 대한 예외가 있을 수 있는데, 예를 들어 매우 거친 시료(예: Rq > 30 nm)는 <10 µm/s의 프로브 속도로 스캔해야 할 수 있으며, 원자적으로 평탄한 시료(예: Rq < 1 nm)는 >20 µm/s의 프로브 속도에서도 잘 추적될 수 있습니다.
측면(X 및 Y) 픽셀 해상도를 선택합니다.
참고: AFM–IR 시스템이 지원하는 최대 이미지 크기는 1024 × 1024 픽셀입니다. 픽셀 해상도는 스캔 크기를 라인당 픽셀 수로 나눈 값입니다. 하지만 물리적 해상도는 프로브 팁 반경에 의해 제한됩니다. 예를 들어, 고강성 태핑 모드 AFM–IR 프로브의 공칭 팁 반경은 20 nm입니다. 따라서 측면 픽셀 간격을 ~20 nm보다 훨씬 작게 선택하면 오버샘플링이 발생하고 S:N 비가 저하될 수 있으며, 물리적 해상도는 거의 또는 전혀 개선되지 않을 수 있습니다.
필요에 따라 X 및 Y 피에조 Offset을 적용하여 스캔 영역 내에 관심 영역이 중앙에 오도록 합니다.
선택한 스캔 크기, 스캔 속도 및 픽셀 해상도에 대해 Trace와 Retrace가 겹치고 오차 신호가 최소화되는지(즉, 단계 3.7에서 설명한 대로 노이즈 증가가 나타나기 직전까지 피드백 Gain을 증가시킴) 확인하며, 진폭 setpoint와 피드백 Gain을 반복적으로 조정하여 이미지 품질을 최적화하면서 스캐닝을 계속합니다.
이미징 파라미터가 최적화되면, IR 분석을 위한 관심 영역의 이미지를 캡처하기 위해 전체 영역을 계속 스캔합니다.
참고: 대표 결과(Representative Results)에 표시된 바와 같이, 스캔할 영역은 특정 시료 요구 사항(예: 오염 물질의 점 선택적 IR 스펙트럼 분석, 특정 화학 작용기의 공간적 분포에 대한 IR 매핑 등)에 따라 달라집니다.
지형 맵 작성이 완료되고 관심 지점이 확인되면 AFM Scan 창에서 Stop 아이콘을 선택하여 스캐닝을 중지합니다.
참고: 원하는 경우(예: 이후에 IR 맵 대신 IR 점 스펙트럼만 수집하지만, IR 스펙트럼과 지형적 특징의 상관관계를 확인하고자 하는 경우), Microscope 창 도구 모음에서 Capture: Last Frame을 선택하여 AFM 지형 이미지를 저장하십시오.

4. IR 레이저 정렬 및 최적화

AFM 지형 이미지에서 적외선(IR) 활성 가능성이 있는 관심 영역을 식별하십시오.
참고: 관심 있는 IR 활성 특성을 식별하는 것은 분석 범위에 따라 반복적인 과정이 될 수 있습니다. 선험적으로 시료의 조성에 관한 지식뿐만 아니라, 지형적 특징과 식별 가능한 IR 활성 특징 사이의 대응 관계(또는 그 부재)에 관한 지식이 필요합니다. 따라서, 다음 그림에 표시된 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(point-and-click) 내비게이션 기능을 사용하여 프로브를 선택한 특징물로 이동하십시오.
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 Focus 조정 상하 화살표를 사용하여 IR 초점을 조정함으로써, 가장 작고 원형에 가까운 가시 레이저 스팟이 나타나는 초점 위치를 확인하십시오.그림 5B).
참고: 반사율이 높은 시료를 사용하면 레이저 빔이 캔틸레버에 닿지 않았을 때 가시광선 레이저 빔을 더 쉽게 확인할 수 있습니다.
Align Laser Navigation 화살표를 사용하여 캔틸레버 뒷면의 가시 정렬 레이저를 프로브 팁 바로 위에 오도록 중앙에 맞추십시오.
'마침'을 클릭하여 팁 로드 마법사(Load Tip Wizard) 창을 닫으십시오.
참고: 단계 4.3~4.6은 거친 정렬(coarse alignment)만 제공합니다. 샘플로부터 측정 가능한 광열 응답을 보장하기 위해, 이후 단계에서 IR 빔을 사용하여 빔 정렬 및 초점의 최종 최적화를 수행합니다.그림 5C, 5D).
관심 대상의 특징 중 기지(known)의 IR 활성 진동 모드에 해당하는 IR 파수를 선택하십시오.
참고: 예상 화학 조성 및 그에 해당하는 IR 흡수 밴드에 대한 사전 지식이 있으면 최적화 과정이 간소화될 수 있습니다. 예를 들어, 카르보닐(C=O) 그룹은 일반적으로 1720~1730 cm⁻¹ 부근에서 강한 IR 흡광도를 나타냅니다.⁻¹.
IR 광원을 활성화하기 전에 모든 필수 레이저 안전 절차가 준수되었는지 확인하십시오.
주의: IR 방사선은 눈에 보이지 않으며 심각한 안구 손상을 일으킬 수 있습니다. IR 광원을 활성화하기 전, 표지판, 안전 인터락, 셔터, 외함 제어 및 필요 시 레이저 보호 안경 착용을 포함하여 모든 관련 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 인터락이 셔터를 작동시키므로 설치 상태에서는 클래스 2에 해당합니다. 셔터는 전원 상실 시 닫히도록 설계되었으므로, 인터락을 해제하거나 유지 보수 또는 빔 재정렬 중에 셔터를 강제로 연 경우가 아니면 일반적인 작동 중에는 레이저 보호 안경이 필요하지 않습니다. 보호 안경이 필요한 경우, Schott-glass IR 레이저 보호 안경과 같이 전체 IR 레이저 범위를 보호하는 IR 레이저 보호 안경을 사용하십시오.
NanoIR 창의 사용 가능한 감쇠 수준 드롭다운 메뉴에서, 사용 가능한 중성 밀도 필터 휠 조합을 기반으로 원하는 입사 IR 출력을 선택하십시오.
참고: 과도한 IR 출력은 민감한 시료에 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 사이클을 사용하십시오. QCL의 경우 10% 미만, 일반적으로 2%–4%의 듀티 사이클을 사용하십시오. QCL 작동 시, 듀티 사이클과 중성 밀도 필터링이 입사 적외선(IR) 전력을 공동으로 결정하며, 전력은 듀티 사이클에 따라 선형적으로 비례합니다. 소프트웨어는 선택한 듀티 사이클 및 펄스 반복률에 맞춰 QCL 펄스 지속 시간을 40 ns에서 500 ns까지 20 ns 간격으로 자동 조정합니다.
NanoIR 창의 Optimize 아이콘을 클릭하여 IR Optimize 창을 엽니다.
IR Optimize 창 상단의 슬라이더 바를 조절하여 다음보다 더 넓은 영역을 선택하십시오. 200 µm × 200 µm 그리고 Scan을 클릭하여 IR 빔을 래스터 스캔하십시오.
가시광선 정렬과 IR 빔 간의 차이를 보정하기 위해 필요한 경우 IR 초점을 조정하십시오. 이를 위해 Tools를 클릭하고 Focus Capture를 선택하십시오. 초점 캡처 횟수(예: 5회)와 초점 시작 및 종료 지점을 설정한 다음, Focus Capture를 클릭하여 빔 정렬과 초점을 동시에 최적화하십시오.
참고: 적절하게 정렬된 빔은 대략 가우시안(Gaussian) 응답 프로파일을 생성해야 합니다. 그림 5C 선택한 파수(wavenumber)에서 시료가 IR 비활성 상태이거나, IR 정렬 및 초점이 제대로 최적화되지 않았을 때 얻어지는 빔 최적화 맵을 보여줍니다. 그림 5D 스폿 크기가 약 40–인 대표적인 최적화 빔을 보여줍니다.50 µm 그리고 배경값보다 약 3 mV 높은 광열 응답을 보였습니다. 빔 스폿 크기는 < 100 µm ~의 광열 반응을 갖는 > 배경 잡음 대비 0.5 mV 이상이면 일반적으로 허용 가능하지만, 이는 정확한 입사 빔 크기, 모드 품질, 발산각 및 파장뿐만 아니라 빔 경로 설계(예: 집속 광학계, 중성 밀도 필터 등)에 따라 달라집니다. 광열 응답의 크기는 샘플 자체의 IR 흡수 강도에도 크게 의존하며, 이는 진동 시 결합 쌍극자 모멘트의 변화 정도와 프로브의 근접장 응답 영역 내에 존재하는 해당 결합의 수에 따라 결정됩니다.
광범위한 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 또는 화학적 맵을 획득할 예정인 경우, 추가적인 파수에서 빔 최적화를 반복하십시오.
참고: 빔 정렬 및 초점은 파장의 함수에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 넓은 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 또는 화학적 맵(chemical map)을 획득하려는 경우에는 여러 파수(wavenumber)에서 빔 정렬과 초점을 최적화하십시오.⁸.
OK를 클릭하여 IR Optimize 창을 닫고 설정을 저장하십시오.
NanoIR 창의 Pulse Tune 아이콘을 클릭하여 Laser Pulse Tune 창을 엽니다.
프로브 튜닝 중에 확인된 공칭 차이 주파수 펄스율(Pulse Rate)을 중심으로 약 100~200 kHz의 튠 범위(Tune Range)를 설정하십시오.
참고: 공칭 펄스 반복률은 |f와 같습니다.₂ − f₁|, 여기서 f₁ 그리고 f₂ 선택된 구동 및 검출 공진 주파수입니다.
Acquire를 클릭하여 선택된 펄스 반복률(Pulse Rate) 튜닝 범위(Tune Range)에 걸쳐 레이저 펄스 반복률을 스윕하십시오.
드라이브 및 검출 모드 공명 주파수를 선택할 때의 프로브 튜닝(Probe Tuning) 단계 2.2.2 및 2.3.3과 유사하게, 유의미한 숄더(shoulder)가 없는 뚜렷하고 고립된 가우시안 형태의 공명 피크가 관찰되는지 확인하십시오.
참고: 위 기준을 충족하는 명확한 공진 피크가 관찰되지 않을 경우, 스윕 범위를 최대 1,000 kHz까지 넓히십시오.
식별된 공명 피크를 선택하십시오. 선택 기준에 부합하는 선택된 레이저 펄스 반복률(주파수) 범위 내에서 진폭이 가장 높은 피크가 일반적으로 가장 적절하며, 이는 가장 강력한 헤테로다인 증폭 적외선(IR) 흡수 응답을 생성해야 합니다.
스캔할 튜닝 범위를 50 kHz 이하로 줄이십시오.
공진 피크의 최댓값을 찾아 선택된 펄스 반복률을 정밀하게 조정하십시오.
Auto-Tune 항목에서 PLL을 활성화하십시오.
참고: PLL은 선택한 캔틸레버 고유 모드 간의 차이 주파수로 레이저 펄스 반복률을 유지하여, 측정 중 발생하는 공진 주파수 드리프트를 보정합니다.¹⁵.
PLL 대역폭을 ≤로 설정하십시오. ±해당하는 최소 및 최대 허용 주파수를 설정하여 선택한 공진 주위로 30 kHz 범위를 지정합니다.
PLL 임계값을 펄스 튜닝(pulse-tune)에서 관찰된 노이즈 레벨보다 약간 높게(노이즈의 약 1.1배) 설정하십시오.
OK를 클릭하여 Laser Pulse Tune 창을 닫고 설정을 저장하십시오.
참고: 최적화된 펄스 반복률이 초기 프로브 튜닝 시 얻은 값과 크게 다를 경우, 레이저 정렬을 다시 확인하십시오.
도구 선택 > 메인 메뉴에서 IR 배경 보정(Background Calibration)을 선택하십시오.
배경 스펙트럼(I)을 얻으려면 New를 클릭하십시오.₀(ṽ).
펄스율(Pulse Rate)과 듀티 사이클(Duty Cycle)이 IR 최적화 과정에서 설정된 값과 일치하는지 확인하십시오.
분광 해상도(cm⁻¹)를 설정하십시오.⁻¹/pt)는 시료 채취를 위해 계획된 값과 동일합니다.
참고: 달성 가능한 최대 분광 해상도는 IR 광원에 따라 다릅니다 (<1 cm⁻¹ MIRcat QCL 및 ~20 cm용⁻¹ (협대역 모드로 작동하는 APE Carmina의 반치전폭(FWHM)). 분광 해상도 선택 시 추가적으로 고려해야 할 사항은 예상 진동 선폭과 분광 특성의 간격(알려진 경우), 적절한 획득 시간(해상도에 따라 선형적으로 증가함), 그리고 원하는 신호 대 잡음비(S:N, 분광 해상도가 증가함에 따라 감소함)입니다. 고체 시료 분석용 상용 FTIR 분광계는 일반적으로 1, 2, 4, 8 또는 16 $\text{cm}^{-1}$의 사용자 선택 가능 해상도를 제공합니다.⁻¹, 4 cm 크기의⁻¹ 해상도는 일반적으로 사용되는 설정입니다.
시료 측정에 의도한 전체 스펙트럼 범위를 포함하는 시작 및 종료 파수를 선택하십시오.
전력을 100%로 설정하십시오.
배경값을 5회 획득 평균으로 설정하십시오.
평균 배경 스펙트럼을 획득하려면 Acquire를 클릭하십시오.
참고: 양질의 배경 스펙트럼은 제조사가 제공하는 IR 레이저 출력 대 파장 스펙트럼의 형태와 일치해야 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, 약 1550 및 1700 cm⁻¹에서 최대값을 보이며⁻¹및 약 300cm의 넓은 영역을 추가로⁻¹ 3750 cm⁻¹ 중심으로 넓은 반치폭(FWHM)의 흡수 대역⁻¹, 반면 CO는₂ 일반적으로 ~2325 cm⁻¹에서 넓은 흡수 띠로 나타납니다.⁻¹). H의 대표적인 기상 IR 스펙트럼은 NIST Chemistry WebBook(https://webbook.nist.gov/chemistry/)을 참고하십시오.₂O 및 CO₂⁸².
Save를 클릭하여 배경 스펙트럼을 저장하고 배경 수집(Collect Background) 창을 자동으로 닫으십시오.
참고: IR 스펙트럼 획득 과정 중에, 소프트웨어는 파장/파수(즉, 레이저 출력 스펙트럼)에 따른 레이저 출력 전력의 변동을 보정하기 위해 측정된 광열 응답을 IR 배경 보정 파일로 자동 제산합니다.

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그림 5IR 레이저 정렬 및 최적화 워크플로우. (A) 정렬 레이저가 초점에서 벗어나 캔틸레버 중심에 위치하지 않은 상태의 AFM 프로브 광학 이미지. (B초점 및 위치 최적화 후, 프로브 팁 바로 위의 캔틸레버 중심에 정렬된 가시광선 정렬 레이저.C) a의 래스터 스캔 예시 200 µm × 200 µm 1730 cm⁻¹로 튜닝된 Carmina OPO가 있는 영역⁻¹ 그리고 11.39% 전력으로 필터링되었으며, 최적화되지 않은 빔 정렬 및 초점 조건에서 수집되었습니다. 선택한 파수에서 시료가 효과적으로 IR 비활성이었거나, IR 초점이 팁-시료 계면과 제대로 정렬되지 않았습니다. 따라서 국소적인 고강도 광열 응답이 검출되지 않았습니다. (D) 동일한 중심점에 빔을 맞춘 최적화된 래스터 스캔 200 µm × 200 µm 프로브 팁 주변 영역으로, 스폿 크기가 40– 의 중심이 맞고 거의 가우스 분포를 보이는 레이저 프로파일을 나타냅니다.50 µm 그리고 최대 강도가 약 3mV에 달하는 강력한 광열 응답을 보였습니다. (E) 2 $\text{cm}^{-1}$ 분해능으로 획득한 대표적인 원시 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM-IR 스펙트럼⁻¹1730 cm⁻¹에서 프로브 팁으로의 IR 빔 정렬 최적화 이후, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 정렬 시료로부터 얻은 포인트 분해능⁻¹y축은 검출 모드(Detection Mode) 주파수에서 빔-바운스 광다이오드(beam-bounce photodiode)로 측정된 밀리볼트(mV) 단위의 광열 AFM-IR 응답 신호에 해당합니다. 이 그림의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

5. IR 스펙트럼 획득

이전에 획득한 AFM 지형 이미지에서 관심 영역을 식별한 다음, Microscope 창의 포인트 앤 클릭 내비게이션 기능을 사용하여 Imaging View에서 선택한 영역 위로 AFM 프로브를 위치시킵니다.
가용한 레이저 범위 및 관심 있는 진동 모드(알려진 경우)를 바탕으로 NanoIR 창에서 원하는 스펙트럼 획득 범위(시작 및 종료, 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⁻¹ 범위를 커버하는 4개의 칩을 가지고 있습니다. 여기에 표시된 패턴 실리콘 웨이퍼 및 폴리머 샘플의 경우, 대략적인 관심 스펙트럼 범위는 1000–1800 cm⁻¹입니다.
NanoIR 창의 Spectra Resolution (cm⁻¹/point)을 IR 배경 보정(IR Background Calibration) 시 사용한 값과 일치하도록 설정합니다.
NanoIR 창의 드롭다운 메뉴에서 원하는 IR 레이저 Power를 선택합니다.
참고: 입사 IR 출력 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, 후처리 과정에서 스펙트럼을 수동으로 공동 평균화(co-averaging)하여 S:N 비를 개선할 수 있습니다.
S:N 비를 개선하기 위해 스펙트럼 평균화가 필요한 경우, Co-average Spectra 체크박스가 선택되었는지 확인하고 NanoIR 창의 드롭다운 메뉴에서 원하는 스펙트럼 공동 평균 횟수를 지정합니다.
참고: S:N 비는 공동 평균 횟수의 제곱근에 비례하여 개선되는 반면, 획득에 소요되는 시간은 선형적으로 증가하므로, 공동 평균 횟수를 늘리는 것에 따른 효율 저하 지점이 존재합니다.
NanoIR 창에서 Acquire를 클릭하여 IR 스펙트럼 획득을 시작합니다.
원하는 경우, Analysis Studio의 File 드롭다운 메뉴에서 Export를 선택하여 획득한 스펙트럼을 내보내고 저장합니다.
참고: 스펙트럼 내보내기에 사용할 수 있는 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 출력 백분율, 빔 형상 계수, PLL 주파수와 더불어 raw 광열 응답을 스케일링하고 레이저 출력 파워 스펙트럼을 보정하는 데 사용된 IR 배경 보정 데이터가 포함됩니다(단계 4.35 참조). 이미지는 메타데이터를 포함하지 않습니다.
필요에 따라 추가 위치에서 획득 과정을 반복합니다.
참고: 매개변수 선택 예시 및 AFM–IR 스펙트럼 해석에 대해서는 Results and Discussion 섹션을 참조하십시오.

6. IR (진동 모드) 매핑

5단계에서 얻은 IR 스펙트럼을 바탕으로, NanoIR 창의 IR 파수를 관심 있는 진동 모드의 진폭 최대값으로 설정하십시오.
참고: 대표 결과에 표시된 것과 같이, 진폭이 높고 재료 간 대비가 가장 뚜렷한 진동 모드(스펙트럼 피크, 즉 특정 재료 성분에서만 나타나거나 훨씬 강하게 나타나는 피크)를 선택하십시오(예: 그림 6 및 9의 PMMA 1730 cm⁻¹ carbonyl stretch, 그림 7의 SiO₂ 1120 cm⁻¹ Si–O stretch, 또는 그림 8의 포토레지스트 잔류물 1600 cm⁻¹ aromatic stretching mode). 피크 할당을 위해 IR 상관 도표, 기발표된 또는 자체 획득한 IR 스펙트럼, 또는 NIST Chemistry WebBook과 같이 공개된 스펙트럼 데이터베이스를 참고할 수 있습니다⁸².
NanoIR 창에서 IR Imaging Enabled 체크박스를 선택하십시오.
AFM Scan 창의 Scan 아이콘을 클릭하여 AFM 스캐닝을 시작하십시오. 그러면 AFM 지형 이미지와 그에 대응하는 IR 진폭 맵이 동시에 획득되기 시작합니다.
참고: 일반적으로 IR 매핑에는 3단계에서 AFM 지형 이미지를 획득할 때 사용했던 것과 동일한 AFM Scan 파라미터를 사용할 수 있습니다. 파라미터 선택 예시 및 AFM–IR 화학 맵의 해석에 대해서는 대표 결과 및 고찰 섹션을 참조하십시오.
현미경 창 툴바에서 Capture: End of Frame을 선택하여 AFM 지형 이미지와 IR 매핑 데이터를 저장하십시오.
참고: 저장된 AFM 지형 및 IR 매핑 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 마찬가지로 일반적으로 후처리(예: 평면 맞춤 또는 플래트닝) 없이 획득된 상태 그대로 표시됩니다.

figure-protocol-4
그림 6패턴화된 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 AFM-IR 분광법 및 화학적 매핑. 열 산화된 Si/SiO₂ 위에 PMMA를 패턴화하였습니다.₂ Teneo Nabity NPGS 전자빔 리소그래피(EBL) 시스템을 사용하여 기판을 제작하였습니다. 측정은 CnIR-B-10 프로브와 14.75%의 IR 출력으로 필터링되고 약 782 kHz의 레이저 펄스 반복률로 튜닝된 MIRcat QCL을 이용한 공명 강화 접촉 모드 AFM-IR로 수행하였으며, 이때 프로브의 접촉 공명은 2 V(약 4 nN 부하)의 변위 설정값으로 유지되었습니다.APMMA(오렌지색)와 SiO₂에서 획득한 AFM-IR 스펙트럼₂ 시료의 (파란색) 영역. 스펙트럼은 2 $\text{cm}^{-1}$의 분광 해상도로 동일한 위치에서 순차적으로 수집한 5회 측정값의 평균을 나타낸다.^-1스펙트럼은 Origin v10.0.5.157에서 10포인트 이동 윈도우(rolling window)와 3차 Savitzky–Golay 필터를 사용하여 평활화하였으며, 명확한 구분을 위해 PMMA 스펙트럼을 수직으로 오프셋 처리하였다. 삽입도는 PMMA의 분자 구조를 보여주며, 카르보닐(C=O) 작용기가 강조되어 있다.B) 1730 cm⁻¹에서 획득한 AFM–IR 화학 맵^-1, PMMA 카르보닐 흡수 띠에 해당하는 영역이다. 이 맵은 다음을 포함한다. 15 µm × 15 µm 0.5 Hz의 스캔 속도와 30 nm의 픽셀 해상도로 획득한 영역 (500 × 500 픽셀). 이미지 획득 과정 전반에 걸쳐 위상 고정 루프(PLL)를 활성화하여 접촉 공명 주파수의 변화를 추적하였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

figure-protocol-5
그림 7. 패턴화된 실리콘 구조 위 polypyrrole (PPy)의 영역 선택적 증착(ASD)에 대한 AFM–IR 특성 분석. 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR 및 TnIR-D-10 프로브를 사용하여 측정을 수행하였다. Carmina OPO를 4.15% IR 출력으로 필터링하고 레이저 펄스 반복률을 약 258 kHz로 조정하였으며, 이는 광열 IR 응답 신호의 헤테로다인 증폭을 위해 구동 모드와 검출 모드 주파수 간의 차이에 해당하며, PLL 대역폭은 ±25 kHz로 설정되었다. (A>) SiO₂ 트렌치에 인접한 SiN 피복 실리콘 리지를 보여주는 패턴화된 웨이퍼의 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. (B, C>) 대표적인 패턴 영역의 256 × 256 픽셀 AFM 지형 이미지로, (B>) 약 40 nm 픽셀 해상도의 10 µm × 10 µm 영역과 (C>) 약 20 nm 픽셀 해상도의 5 µm × 5 µm 영역을 보여준다. (D>) 스펙트럼 해상도 2 cm^-1/point로 SiO₂ 및 SiN 영역에서 획득한 원시 AFM–IR 스펙트럼으로, 약 1120 cm^-1에서 특성적인 Si–O 신축 진동 모드를 보여준다. (E>) 1120 cm^-1에서 획득한 AFM–IR 화학 지도. 신호 강도의 증가는 더 강한 Si–O 흡수를 나타낸다. (F>) PPy 증착 후 시료 지형 위에 겹쳐진 1120 cm^-1에서의 AFM–IR 응답 3차원 렌더링. SiO₂ 트렌치 내에서 국소적 증착이 관찰된다. (E>) 및 (F>)에 표시된 5 µm × 5 µm IR 지도의 픽셀 해상도는 약 20 nm(256 × 256 픽셀)이다. 지도는 0.5 Hz의 스캔 속도로 획득되었다. 기초 데이터 및 그림은 CC BY 4.0 라이선스에 따라 Thelven 등⁴⁴의 그림 6에서 허가를 받아 수정되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-protocol-6
그림 8포토레지스트 제거 공정의 AFM-IR 분석. 측정은 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM-IR과 TnIR-D-10 프로브를 사용하여 수행되었습니다. Carmina OPO는 IR 출력이 4.15%가 되도록 필터링되었으며, 레이저 펄스 반복률은 약 266 kHz로 조정되었습니다. 이는 광열 IR-응답 신호의 헤테로다인 증폭을 위한 구동(Drive) 모드와 검출(Detection) 모드 주파수 간의 차이에 해당하며, 이때 PLL 대역폭은 다음과 같이 설정되었습니다. ±25 kHz. (A) a의 AFM-IR 화학 맵 20 µm × 20 µm 50nm 픽셀 해상도로 0.3Hz의 스캔 속도에서 획득한 영역 (400 × 400 픽셀) 및 1600 cm⁻¹로 조정된 IR 레이저^-1, 이는 포토레지스트의 특성인 방향족 고리 진동에 해당합니다. 잔류 오염이 의심되는 영역은 점선 외곽선으로 표시하였습니다. 급격한 지형 변화로 인해 프로브 추적 성능이 저하되어 발생한 수평 줄무늬는 Gwyddion v2.69의 scar-correction 기능을 사용하여 제거하였습니다. (B) 1 cm 해상도에서 획득한 AFM-IR 스펙트럼^-1(에 표시된 위치에서의 포인트 분해능A). 사이트 A는 포토레지스트에 해당하고, 사이트 B는 오염된 접촉 영역에 해당하며, 사이트 C는 명목상 깨끗한 Ga에 해당합니다.₂O₃ 표면. 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 평활화하였습니다. 기초 데이터와 그림은 CC BY 4.0 라이선스에 따라 Pieczulewski 등의 논문 그림 6을 허가 하에 수정하여 인용하였습니다.⁴⁵. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

figure-protocol-7
그림 9접촉 공진 선택이 공진 강화 접촉 모드 AFM-IR 성능에 미치는 영향. 측정은 단일 EBL 패턴이 형성된 PMMA-on-Si/SiO 기판 상에서 수행되었습니다.₂ 공명 강화 접촉 모드 AFM-IR 및 2V의 굴곡 설정점(약 4 nN 부하)으로 유지된 CnIR-B-10 프로브를 사용하여 시료를 측정하였으며, MIRcat QCL은 IR 출력이 17.85%가 되도록 필터링하였습니다. QCL 펄스 반복률은 관찰된 서로 다른 접촉 공명 주파수에 대응하도록 가변하였으며, PLL 대역폭은 다음과 같이 설정하였습니다. ±30 kHz. (ASi/SiO2 상의 PMMA로부터 획득한 접촉 공명 스윕(Contact-resonance sweep)₂ 레이저를 1730 cm⁻¹의 PMMA 카르보닐 흡수대에 맞춘 기판^-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 카르보닐 피크이며, 명확성을 위해 수직으로 오프셋되었습니다. (C) 측정된 공진 피크로부터 계산된 상대적 Q 인자. (D) PMMA 카르보닐 피크 강도와 제곱평균제곱근(root-mean-square) 기저선 잡음의 비율로 계산된 상대 신호 대 잡음비(S:N ratios). (E, F) 단일 시료로부터 0.8 Hz의 스캔 속도로 획득한 원시 AFM-IR 화학 지도 15 µm x 15 µm 1730 cm⁻¹에서 스캔하십시오.^-1 30 nm 픽셀 해상도(500 × (e) 177 kHz 및 (f) 1139 kHz의 레이저 펄스 반복률을 사용하여 (500 픽셀)을 촬영하였습니다. 비교를 용이하게 하기 위해, (의 원시 데이터 맵을E) 및 (F) 동일한 색상 척도를 사용하여 표시됩니다. 이 그림의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

반도체 분야에서는 poly(methyl methacrylate) (PMMA)와 같은 열가소성 수지를 절연체로 사용하거나, 활성 반도체 폴리머와 혼합하여 소자의 전하 이동도를 조절할 수 있습니다⁷⁷^,⁷⁸. 또한 PMMA는 전자빔 또는 자외선 리소그래피용 포지티브 레지스트로도 활용됩니다⁷⁹. 두 응용 분야 모두에서 공정 후 폴리머 분포를 확인하기 위해 AFM–IR을 사용할 수 있습니다. 그림 6A, 6B에서는 얇은 산화층(SiO₂)이 덮인 실리콘 웨이퍼 위에 PMMA 패턴을 형성하기 위해 전자빔 리소그래피(EBL)를 이용하였습니다. 폴리머(PMMA)와 Si/SiO₂ 기판 사이의 스펙트럼 차이는 결과물인 평균화 및 평활화된 지점 선택적 AFM–IR 스펙트럼에서 관찰할 수 있습니다(그림 6A). IR 레이저를 PMMA 카르보닐(C=O) 결합의 1730 cm^-1 흡수 최대치에 맞춤으로써, 폴리머 분포의 균일성과 EBL 패턴 충실도를 포함한 공정 품질을 평가하기 위해 폴리머 패턴을 맵핑할 수 있습니다(그림 6B).

패턴화된 반도체 구조에 대한 AFM–IR 평가의 또 다른 예가 그림 7A–7F에 제시되어 있습니다. 산업 협력업체에서 SiO₂ 트렌치와 교대로 배치된 Si 릿지 위에 증착된 SiN 박막이 패턴화된 웨이퍼를 제공하였습니다(그림 7A). 수령한 패턴 기판을 먼저 AFM–IR로 분석하여 지형적(그림 7B, 7C) 패턴과 화학적(그림 7D, 7E) 패턴 사이의 일관성을 확인하였습니다. SiO₂ 트렌치 내에서 얻은 포인트 스펙트럼은 1120 cm^-1에서 특징적인 Si–O–Si 대칭 신축 모드를 보인 반면, SiN으로 덮인 릿지에서 획득한 스펙트럼에서는 나타나지 않았습니다(그림 7D). 이후 레이저를 1120 cm^-1로 튜닝하여 패턴 영역을 매핑한 결과, 그림 7E의 IR 맵을 그림 7C의 지형 이미지 위에 겹쳐 보았을 때 기판 지형과 일치하는 SiN/SiO₂ 분포가 확인되었습니다.

이러한 패턴 기판은 여러 단계의 증착 및 식각 과정이 포함되는 전통적인 포토리소그래피 패턴 형성 방법의 유망한 대안인 영역 선택적 증착(area-selective deposition, ASD)의 필수 조건입니다. 기존의 포토리소그래피와 비교하여 ASD는 재료 소비와 에너지 사용량을 줄이며, 복잡한 집적 회로 구조에 대해 개선된 패턴 정렬 제어 능력을 제공합니다⁴⁴. 본 연구에서는 전도성 고분자인 폴리피롤(PPy)을 패턴화된 웨이퍼의 SiN 릿지(ridge) 위에 선택적으로 증착하였습니다. 펄스 레이저를 1120 cm^-1 Si–O–Si 신축 모드에 맞춘 AFM-IR을 사용하여 SiO₂ 트렌치를 식별하였으며, 해당 파수에서 흡수가 일어나지 않는 점을 통해 PPy를 간접적으로 식별하였습니다(그림 7F). AFM-IR을 통해 SiN 릿지에 증착된 의도된 PPy와 SiO₂ 트렌치 내의 원치 않는 PPy 핵을 모두 식별하였으며, 이를 통해 성장 표면(g)과 비성장 표면(ng)의 상대적 면적 피복률(θ)을 기반으로 증착 선택성(S)을 계산하였습니다⁴⁴:

figure-results-1 .

이 예제에서는 AFM–IR을 사용하여 패턴화된 반도체 구조를 특성화하고 공정 개발 중 재료 선택성 결과를 평가하는 방법을 보여줍니다.

반도체 공정에서 AFM–IR의 추가적인 응용 분야는 잔류 포토레지스트 오염을 식별하는 것입니다. 접촉 증착 전에 남아 있는 포토레지스트 잔류물은 접촉 품질을 저하시키고 접촉 저항을 증가시켜, 잠재적으로 소자의 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다⁴⁵. 본 예시에서는 현상 리프트-오프 공정 후 잔류 포토레지스트를 제거하기 위해 100 W 활성 산소 디스컴(descum) 처리를 2분간 수행한 샘플을 조사하였습니다(그림 8A, 8B). 포토레지스트와 관련된 1600 cm^-1 방향족 고리 진동에서의 AFM–IR 매핑을 통해 주요 포토레지스트 영역(PR; 그림 8A, Site A)을 시각화하고, 접촉 영역 내의 고립된 잔류 오염 영역을 식별할 수 있었습니다(그림 8A, Site B). 이와 대조적으로, 포토레지스트 경계에서 더 멀리 떨어진 영역에서는 AFM–IR 신호가 최소한으로 나타났습니다(그림 8A, Site C).

포토레지스트 영역(Site A)에서 IR 포인트 스펙트럼을 수집하여, descum 처리된 접촉 영역 내 IR 강도가 높게 나타나는 격리된 영역(Site B)에서 획득한 스펙트럼과 비교하였습니다. 이를 통해 제조사 데이터시트에서 얻은 AZ nLOF 2020 포토레지스트 조성에 대한 지식과 그에 해당하는 특성 스펙트럼 시그니처(그림 8B)를 바탕으로, 해당 위치에 잔류 포토레지스트가 존재함을 확인하였습니다. 반면, Site C에서 획득한 스펙트럼에서는 포토레지스트와 관련된 특성 흡수 밴드가 나타나지 않았습니다. 스펙트럼은 5회의 스캔 횟수로 공동 평균화되었으며, 스펙트럼 처리나 정규화 없이 제시되었으며, 명확성을 위해 수직으로 오프셋 처리되었습니다. 이 사례는 공정 지식과 AFM–IR 스펙트럼 분석의 결합을 통해 나노스케일에서 인터페이스 청결도를 평가하고 국소적인 화학적 오염의 잠재적 원인을 식별하는 비파괴 도구로서 AFM–IR의 유용성을 보여줍니다.

AFM–IR 성능 최적화를 보여주는 추가 예시가 그림 9A–9F에 제시되어 있습니다. 공명 강화 접촉 모드(Resonance-enhanced contact-mode) AFM–IR은 적절한 접촉 공명 주파수의 선택에 의존하며, 레이저 펄스 반복률의 선택이 신호 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. Si/SiO₂ 기판 위에 패턴화된 PMMA에서 획득한 펄스 튜닝 스윕(pulse-tune sweep) 결과, 여러 개의 접근 가능한 접촉 공명이 나타났습니다(그림 9A). 서로 다른 공명 주파수를 사용하여 획득한 AFM–IR 스펙트럼은 신호 강도와 스펙트럼 품질에서 상당한 차이를 보였습니다(그림 9B). 식별된 공명들의 상대적 Q 인자(그림 9C)와 그에 상응하는 획득 스펙트럼의 S:N 비(그림 9D)를 분석한 결과, 공명 선택이 AFM–IR 감도에 직접적인 영향을 미친다는 것이 입증되었습니다. 상대적 Q 인자는 각 공명 피크 진폭을 무차원 상대 너비로 나누어 결정하였습니다. 이는 피크 진폭에 중심 주파수를 곱한 후 반치폭(FWHM)으로 나누어 계산하였습니다. S:N 비는 스펙트럼 내 최고 피크 진폭과 베이스라인(870–970 cm^-1 영역에서 측정됨) 평균값의 차이를 구한 뒤, 이 차이를 베이스라인 영역의 기울기 보정 평균값으로부터의 제곱평균제곱근(RMS) 편차(즉, 베이스라인 노이즈 플로어)로 나누어 결정하였습니다. 이러한 차이는 177 kHz와 1139 kHz의 펄스 반복률을 사용하여 1730 cm^-1에서 획득한 AFM–IR 화학 맵(그림 9E, 9F)에서 더욱 명확히 드러나며, 여기서 더 높은 품질의 공명 조건이 개선된 화학적 대비와 이미지 품질을 생성했습니다. 이 예시는 AFM–IR 측정 시 공명 최적화의 중요성을 보여주며, 최적이 아닌 획득 조건과 최적화된 조건 사이의 대표적인 비교 데이터를 제공합니다.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 사용됩니다⁷^,¹⁴^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹. 특히 금 코팅은 MIR 영역(~2.5–15 µm) 전체에서 상대적으로 평탄한 스펙트럼 응답을 보이며, 높은 반사율(>98%–99%)을 나타내고 입사광 편광에 따른 반사율 변화가 1% 미만입니다. 서로 다른 작동 모드에 따른 캔틸레버 공진 주파수의 선택과 같은 더 복잡한 고려 사항은 획득한 데이터의 신호 대 잡음비(S:N)와 공간 분해능 모두에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이상적인 탄성 빔으로 동작하는 캔틸레버의 경우, 정규 모드 방정식의 해는 두 번째 공진 주파수가 기본 공진 주파수의 약 5배(f₂ = 5f₁)에서 발생할 것임을 예측합니다. 이 관계를 서론에서 제시한 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR의 캔틸레버 응답 식에 대입하면, f₁에서 태핑하고 f₂에서 복조할 때의 캔틸레버 응답(Z)은 0.16Q₂에 비례하는 반면, f₂에서 태핑하고 f₁에서 복조할 때는 20Q₁에 비례하는 것으로 예측됩니다. 따라서 두 공진의 Q 인자가 비슷하다면(비록 Q₁이 Q₂보다 큰 경우가 많지만), 더 높은 공진 주파수에서 태핑하면서 더 낮은 공진 주파수에서 복조하는 것이 약 125배 더 높은 민감도를 제공할 것으로 예측됩니다. 그러나 실제로는 기기 하드웨어의 제한으로 인해 이러한 구성이 항상 가능하지는 않을 수 있습니다. 예를 들어, 더 높은 공진 주파수(f₂)가 태핑 모드 디더 피에조(dither piezo)의 작동 범위를 초과할 수 있습니다. 이는 본 연구에서 사용된 TnIR-D-10 프로브를 사용하는 일부 AFM 시스템에서 발생할 수 있는데, 이 프로브의 f₁ ≈ 250 kHz(그림 4F)이며, 캔틸레버의 비이상성으로 인해 f₂는 f₁의 6배에 가까워 f₂ ≈ 1.5 MHz(그림 4G)가 되고, Q₁ ≈ 6Q₂가 됩니다. 반면, TnIR-A-10과 같이 공칭 공진 주파수(f₁)가 ≈75 kHz인 더 부드러운 태핑 모드 프로브를 사용하면, 그에 해당하는 f₂(약 375–450 kHz로 예측됨)가 표준 AFM 디더 피에조의 접근 가능한 작동 범위 내에 들어오므로 더 높은 공진에서 태핑 모드 작동이 가능해집니다. 요약하자면, 이상적인 탄성 거동 하에서 모든 공진 모드와 프로브의 Q 인자가 비슷하다고 가정할 때, f₂에서 태핑하고 f₁에서 복조하는 것이 더 높은 민감도를 제공할 것으로 예측됩니다. 하지만 실제로는 기기 성능과 측정된 캔틸레버 튜닝 곡선에서 얻은 실제 공진 주파수 및 Q 인자의 실험적 결정을 바탕으로 프로브 선택과 구동 대 검출 모드 할당을 최적화해야 합니다.

본 프로토콜은 헤테로다인 검출 태핑 모드 AFM–IR에 중점을 두고 있으나, 공명 강화 컨택 모드 AFM–IR로 작동할 때는 시료 표면과 접촉 시 쉽게 굴곡되는 프로브를 선택하십시오. 즉, 공칭 스프링 상수(<1 N/m)가 작은 연성 프로브를 사용하십시오. 이는 과도한 이미징 힘의 적용으로 인한 시료 손상이나 프로브 마모 위험을 최소화하면서 검출 감도와 S:N을 향상시킵니다. 프로브는 여러 개의 컨택 공명 주파수를 나타내며, 이는 포괄적인 펄스 튜닝(그림 9A)을 통해 평가해야 합니다. 일반적으로 주파수 피크가 높을수록 (열 확산 시간이 감소하여) 공간 분해능이 약간 증가하지만, 모드 강성이 증가함에 따라 (결과적으로 검출 감도가 감소하여) S:N이 낮아집니다⁸. 상대적으로 큰 진폭(즉, 큰 IR 응답)과 좁은 반치폭(FWHM)을 모두 나타내어 높은 Q 인자에 해당하는 날카롭고 높은 컨택 공명 피크를 식별하십시오(예: 그림 9C에 표시된 177 kHz 및 1139 kHz 공명). Q 인자는 일반적으로 특정 컨택 공명을 사용하여 획득한 스펙트럼의 상대적 S:N과 상관관계가 있습니다(그림 9D). 대표적인 예로, 산화물 코팅 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 EBL 패턴 PMMA 구조의 AFM–IR 특성 분석을 위해 두 가지 컨택 공명을 평가했습니다. 고-Q 공명에 해당하는 177 kHz 및 1139 kHz의 레이저 펄스 반복률을 사용하여 동일한 PMMA 위치에서 획득한 포인트 스펙트럼은 모두 좋은 S:N을 나타냈습니다(그림 9B). 이후 동일한 펄스 반복률을 사용하여 PMMA 피쳐의 AFM–IR 맵을 생성했으며(그림 9E, 9F), 1139 kHz 컨택 공명을 사용하여 획득한 포인트 스펙트럼의 S:N이 약간 더 좋았음에도 불구하고 더 높은 Q(177 kHz) 모드에서 더 나은 IR 매핑 대비가 나타났습니다(그림 9B, 9D)). 일반적으로 IR 스펙트럼을 획득하거나 IR 활성 진동 모드를 매핑할 때, 실질적으로 가장 높은 Q 인자와 관련된 펄스 반복률을 선택하면 감도를 극대화하고 이미지 대비를 개선할 수 있습니다.

이 AFM–IR 프로토콜에서 가장 중요한 단계는 아마도 IR 레이저의 정렬과 프로브 팁으로의 초점 최적화(프로토콜 단계 4)일 것입니다. 이는 시료의 광열 반응에 대한 민감도에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. IR 복사는 사람의 눈에 보이지 않으므로, AFM–IR 시스템은 일반적으로 예비 거친 빔 정렬을 용이하게 하기 위해 IR 빔 경로와 공선상에 있는 가시광 정렬 레이저를 포함합니다(그림 3). 가시광 레이저는 XY 평면에서 프로브 팁 바로 위의 프로브 캔틸레버 뒷면에 중심이 맞춰져야 하며, 시료 표면 및 프로브 팁에 상대적인 집속 광학계의 Z-위치를 조정하여 초점을 맞춰야 합니다(그림 5A, 5B). 색수차를 최소화하기 위해 집속 광학계는 일반적으로 금 코팅된 오프액시스 포물면 거울(OAP)과 같은 반사 광학계를 사용합니다. 가시광 정렬 빔을 최적화한 후에도, 가시광 빔과 IR 빔 사이, 그리고 서로 다른 IR 광원 간에 빔 포인팅, 콜리메이션 및 광원 특성(예: M²)의 차이가 존재할 수 있으므로 IR 빔의 직접적인 최적화가 여전히 필요합니다. 프로토콜 단계 4에 설명된 대로, 관심 있는 특징점과 강한 광열 반응을 생성할 것으로 예상되는 IR 파수를 선택한 후, 광열 신호를 모니터링하면서 가시광 정렬 위치 주변의 수백 마이크로미터 영역에 걸쳐 IR 빔을 래스터 스캔하십시오(그림 5C, 5D).

최적의 IR 응답은 일반적으로 초점 IR 스폿 크기에 해당하는 중심 집중형의 대략적인 원형 신호 분포로 나타납니다. 본 연구에 사용된 시스템의 경우, 소프트웨어의 Focus Capture 기능(그림 5D)을 통해 얻은 광열 응답으로 측정된 겉보기 초점 스폿 직경은 통상적으로 약 40–50 µm입니다. 팁-시료 인터페이스에서 실제 빔 스폿 크기를 직접 측정하는 것은 어렵지만, 대략적인 플루언스(fluence) 또는 전력 밀도 영역을 평가하고 원치 않는 시료 가열, 손상 또는 비선형 효과의 가능성을 판단하기 위해 그 크기의 정도(파장 의존적임)를 추정하는 것은 가능합니다. 본 시스템에 사용된 IR 초점 광학계의 초점 거리 15 mm와 약 5 mm 직경의 콜리메이트된 가우시안 입력 빔을 바탕으로 할 때, 시료에서의 회절 한계 IR 빔 스폿 크기(1/e² 직경)는 파장 및 입력 빔 품질(M² ≈ 1–1.3)에 따라 1000-2000 cm⁻¹ (λ = 5–10) 범위에서 약 20–50 µm로 추정됩니다. 이 추정치는 IR 빔 정렬 래스터 스캔 중에 관찰된 40–50 µm의 겉보기 스폿 크기와 일치합니다. 파장이 길수록(파수가 낮을수록) 그리고 빔 품질이 덜 이상적일수록(M² > 1) 스폿 크기가 더 커집니다. 마찬가지로, 전력 밀도(또는 펄스 레이저의 경우 플루언스)는 본 시스템에서 직접 측정하기 어렵습니다. 그러나 최대 지정 레이저 출력과 광학적 손실이 없다고 가정할 때(빔 경로에 중성 밀도 필터가 없는 경우 포함), 시료에서의 최대 가능 플루언스는 Carmina OPO의 경우 <1 J/cM², MIRcat QCL의 경우 <800 mJ/cM²로 추정됩니다. QCL의 경우, 최대 전력 밀도는 50% 듀티 사이클에서 약 800 kW/cM²이며, 본 연구에서 채택한 <5% 듀티 사이클의 100% 출력에서는 100 kW/cM² 미만입니다. 이 값들은 표준 공초점 형광 현미경에서 달성 가능한 수십 MW/cM²의 전력 밀도보다 수십 배 낮습니다. Carmina OPO는 협대역 모드에서 약 3 ps 지속 시간의 펄스를 생성하므로, 피크 플루언스와 관련된 비선형 효과가 평균 전력의 열 소산 효과보다 더 중요할 수 있습니다. 본 실험에서 레이저 출력은 최대값의 약 10%–20%로 감쇄되었으며, 겉보기 스폿 크기는 약 50 µm 수준이었습니다. 이러한 조건에서 플루언스는 <10 mJ/cM²로 추정되었으며, 레이저 출력에 따른 영향은 관찰되지 않았습니다.

새로운 또는 이전에 특성이 규명되지 않은 재료 시스템을 조사할 때는, 강하고 잘 특성화된 IR 흡수 밴드를 가진 표준 물질을 사용하여 먼저 IR 정렬을 최적화하는 것이 권장됩니다. 적절한 예로는 PMMA 또는 PET 박막이 있으며, 이는 평평한 기판(예: 유리 현미경 커버 슬립 또는 실리콘 웨이퍼) 위에 쉽게 증착할 수 있고 1720–1730 cm^-1 근처에서 강한 카르보닐(C=O) 흡수 밴드를 나타냅니다(그림 5E). 이 방법은 정렬 관련 문제와 샘플의 약한 흡수를 구분하는 데 도움이 되며, 샘플 간에 측정 조건을 전이할 때 재현성을 높일 수 있습니다. 마찬가지로, 새로운 샘플의 특성 분석을 시작할 때는 낮은 입사 전력(예: <10%)에서 시작하여 전력을 점진적으로 높이면서, 전력 증가에 따른 S:N 개선 외에 전력 의존적인 변화가 IR 스펙트럼에 나타나는지 모니터링하는 것이 좋습니다.

AFM-IR의 주요 한계는 분석 또는 식별하려는 화학종이 IR 광원의 도달 가능한 스펙트럼 범위 내에서 IR 활성 진동 모드 또는 흡수 특성을 나타내야 한다는 점입니다. 따라서 먼저 시료의 일반적인 IR 스펙트럼을 얻거나(예: ATR FTIR 사용), 예상 구성 물질의 기발표된 스펙트럼을 참조하여 사용 가능한 파수 범위 내에 IR 활성 모드가 존재하는지 확인하는 것이 권장됩니다. 이러한 고려 사항은 대부분의 유기물에서는 일반적으로 문제가 되지 않지만, 전이금속 디칼코게나이드(TMDC)를 포함하여 많은 금속 및 금속 함유 화합물은 현재 사용 가능한 대부분의 MIR 레이저 광원의 컷오프 값인 약 670 cm⁻¹ (15 µm) 미만에서 진동 모드를 나타냅니다. 따라서 서론에서 언급했듯이, 가변 MIR 광원의 도달 가능한 스펙트럼 범위를 확장하는 것은 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있습니다⁸^,²⁸^,⁵⁰. 그동안 이러한 물질의 산화 또는 표면 기능화는 현재 MIR 광원의 범위 내에 해당하는 더 높은 주파수의 진동 모드를 가진 기능기를 도입할 수 있습니다. 추가적인 고려 사항은 AFM-IR 신호 생성 및 전달이 물질의 광열 응답, 즉 IR 흡수로 인한 국부 가열과 이어지는 초기 흥분 진동 모드가 더 낮은 주파수 모드로의 진동 에너지 재분배(서브 나노초 시간 규모)를 통해 이완되고, 이후 국부적인 열팽창이 일어나 AFM 프로브 팁의 변위와 캔틸레버 굴곡을 유발한다는 점에 의존한다는 것입니다. 국부 온도 상승은 여기 광원(예: QCL 대 OPO)에 따라 일반적으로 1–10 K 미만이며⁸, 입사 파장에서 시료의 IR 흡수 계수에 비례합니다⁶⁷. 그 결과로 발생하는 열팽창의 크기(일반적으로 <1 nm)는 물질의 열팽창 계수에 의해 결정되는데, 이는 일반적으로 10⁻⁴–10^-6 K⁻¹ 정도이며 파장에는 무관하지만 물질에 따라 달라지는 증폭 계수 역할을 합니다⁸^,¹⁵. 따라서 열팽창 계수가 큰 물질일수록 일반적으로 더 큰 캔틸레버 굴곡과 그에 따라 더 강한 AFM-IR 신호를 생성하여 측정 민감도가 향상됩니다.

결론적으로, 스펙트럼 범위의 제한 외에도 AFM–IR 성능은 프로브 선택, 레이저 정렬, 공진 최적화, 그리고 시료의 열적 및 기계적 특성에 크게 의존합니다. 시료의 강성, 열전도도 및 표면 형태의 변화는 특히 접촉 모드 작동 중에 신호 강도와 측정 재현성에 영향을 줄 수 있습니다. 과도한 레이저 출력은 특히 연성 고분자 재료에서 시료의 가열이나 변형을 유발할 수 있습니다. 또한, 파장에 따른 AFM–IR 신호의 적절한 정규화를 위해서는 빔 경로와 기기 외함 내의 대기 중 수증기 및 이산화탄소를 제거하는 것과 매우 안정적인 레이저 출력이 필수적입니다. 이는 원자층 증착(ALD) 또는 분자층 증착(MLD)으로 제작된 박막과 같이 흡광도가 낮은 시료⁸에서 특히 중요합니다. 이러한 제한 사항에도 불구하고, AFM–IR은 나노스케일의 공간 분해능, 화학적 특이성, 그리고 AFM 지형도와의 직접적인 상관관계를 동시에 제공하며, 이는 기존의 IR 현미경만으로는 달성할 수 없는 조합입니다. 분석이 까다로운 재료라 하더라도, 환경 노출을 통해 생성된 표면 산화물, 수산화물 또는 기타 작용기가 검출 가능한 IR 활성 진동 모드를 도입할 수 있습니다. 만약 MIR 레이저 광원의 접근 가능한 파장 범위를 벗어난 저주파 진동 모드만 존재하는 경우에는 가시광 여기 파장을 사용하는 TERS와 같은 대체 기술이 더 적합할 수 있습니다⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶. 마찬가지로, 제한된 열팽창으로 인해 광열 응답이 약한 경우에는 광열 AFM–IR보다 IR 산란형 주사 근접장 광학 현미경(IR s-SNOM)이 더 바람직할 수 있으며, 이는 종종 유사한 기기 플랫폼에서 구현 가능합니다¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹^,⁸⁰. 본 논문에서 제시한 반도체 사례들이 입증하듯, AFM–IR은 공정 개발 연구, 오염 분석, 영역 선택적 증착 조사, 포토레지스트 제거 확인 및 나노스케일 재료 특성 분석을 지원할 수 있으며, 이는 반도체 연구 및 첨단 제조 분야에서 매우 가치 있는 도구입니다.

공개 사항

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저자들은 공개할 이해관계가 없습니다.

감사의 글

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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.

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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