주사탐침현미경을 이용한 Si 표면 국부 산화피막 형성시 선 높이에 대한 탐침 전위, 편향 셋포인트, 탐침 속도의 영향 Local Anodization on Si surface Using Scanning Probe Microscope; Effects of Tip Voltage, Deflection Setpoint, and Tip Velocity on Line Height원문보기
본 연구에서는 주사탐침현미경을 이용한 Si 표면의 국부 산화피막 형성에 있어서, 탐침이 움직이면서 생기는 $SiO_2$의 일차원적인 선의 높이가 탐침 전위, deflection setpoint, 탐침 속도에 의해 어떻게 영향을 받는지 고찰해 보았다. -3 V 보다 작은 탐침 전위에서는 국부 산화피막 형성이 관찰되지 않았으며 -3 V 보다 큰 탐침 전위에서는, 탐침 속도가 $1{\mu}m/s$일 때, 1 V씩 증가함에 따라 0.47nm의 비율로 선의 높이가 높아졌다. Deflection setpoint는 탐침이 가하는 기계적인 힘의 표지가 되는데, $12\sim18nN$ 정도의 힘이 가해지지 않으면 국부 산화피막 형성이 관찰되지 않았다. 그 이상의 힘이 가해져야 국부 산화피막 형성이 관찰되는데 이때 선의 높이는 기계적인 힘과 무관하였다. 탐침 속도가 빨라짐에 따라 선의 높이는 낮아졌으나, 탐침 전위가 -5V인 경우, 0.7nm 이하로 낮아지지는 않았다.
본 연구에서는 주사탐침현미경을 이용한 Si 표면의 국부 산화피막 형성에 있어서, 탐침이 움직이면서 생기는 $SiO_2$의 일차원적인 선의 높이가 탐침 전위, deflection setpoint, 탐침 속도에 의해 어떻게 영향을 받는지 고찰해 보았다. -3 V 보다 작은 탐침 전위에서는 국부 산화피막 형성이 관찰되지 않았으며 -3 V 보다 큰 탐침 전위에서는, 탐침 속도가 $1{\mu}m/s$일 때, 1 V씩 증가함에 따라 0.47nm의 비율로 선의 높이가 높아졌다. Deflection setpoint는 탐침이 가하는 기계적인 힘의 표지가 되는데, $12\sim18nN$ 정도의 힘이 가해지지 않으면 국부 산화피막 형성이 관찰되지 않았다. 그 이상의 힘이 가해져야 국부 산화피막 형성이 관찰되는데 이때 선의 높이는 기계적인 힘과 무관하였다. 탐침 속도가 빨라짐에 따라 선의 높이는 낮아졌으나, 탐침 전위가 -5V인 경우, 0.7nm 이하로 낮아지지는 않았다.
The effects of tip voltage, deflection setpoint, and tip velocity on height of $SiO_2$ line drawn by local anodization on Si wafer using scanning probe microscope were investigated. No local anodization was detected at smaller than -3 V of tip voltage. The line height increased at rate of...
The effects of tip voltage, deflection setpoint, and tip velocity on height of $SiO_2$ line drawn by local anodization on Si wafer using scanning probe microscope were investigated. No local anodization was detected at smaller than -3 V of tip voltage. The line height increased at rate of 0.47 nm/V when the tip voltage is stronger than -3 V at $1{\mu}m/s$ tip velocity. From deflection setpoint, mechanical force between tip and substrate could be calculated and the threshold farce was $12\sim18nN$. The height of anodized $SiO_2$ lines is independent of the magnitude of force above the threshold force. The line height decreased as increasing the tip velocity and limited to 0.7 nm at -5 V tip voltage.
The effects of tip voltage, deflection setpoint, and tip velocity on height of $SiO_2$ line drawn by local anodization on Si wafer using scanning probe microscope were investigated. No local anodization was detected at smaller than -3 V of tip voltage. The line height increased at rate of 0.47 nm/V when the tip voltage is stronger than -3 V at $1{\mu}m/s$ tip velocity. From deflection setpoint, mechanical force between tip and substrate could be calculated and the threshold farce was $12\sim18nN$. The height of anodized $SiO_2$ lines is independent of the magnitude of force above the threshold force. The line height decreased as increasing the tip velocity and limited to 0.7 nm at -5 V tip voltage.
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문제 정의
Local anodization에 있어서 탐침 전위, deflection setpoint, 탐침 속도가 그어지는 선의 높이에 미치는 영향을 조사尊였다. -3 V 보다 작은 탐침 전위에서는 선이 그어지지 않으며 -3 V 보다 큰 탐침 전위에서는, 탐침 속도가 1 pim/s일 때, 탐침 전위가 I V 낮아질 때마다 선의 높이는 대략 0.
그러나 Si 산화막 위에서 수평방향으로 탐침이 움직일 때 생기는 선의 높이에 대한 연구는 이루어진 바 없기 때문에 본 연구에서는 산화막 위에서 탐침이 수평방향으로 움직이면서 local anodization에 의해 생겨난 선의 높이가 탐침 전위, deflection setpoint, 탐침 속도에 의해 어떻게 영향을 받는지 살펴보았다.
너비와 높이를 원하는 대로 제어해야 한다. 선의 너비가 습도에 의해 결정된다는 것은 잘 알려져 있으므로 가장 간편하게 제어할 수 있는 parameter들인 팀침 전위 (tip voltage), deflec tion setpoint, 탐침 속도(tip velocity)의 변화에 대해 선의 높이가 어떻게 변하는지 살펴보았고, Si wafer 또한 특별한 전처리를 하지 않은 것을 사용하였으므로 가장 간편한 조건에서 Si 산화막 pattern의 선 높이를 어떻게 제어할 수 있는지를 알아보고자 하였다.
제안 방법
다. 모든 실험은 습도 31~36%에서 수행하였는데, 탐침 전위, deflection setpoint, 탐침 속도를 변화시키며 local anodization 을 이용해 Si wafer 위에 선을 그어 선의 높이가 어떻게 변하는지 측정하였다.
Deflection setpoint가 클수록 탐침과 Si wafer 사이에 기계적인 힘이 크게 작용하고 있는 것이며, 그 관계는 비례관계이다. 엄밀하게 이야기하자면 기계적인 힘과 비례하는 것은 deflection setpoint와 탐침이 허공에 떠 있을 때의 값과의 차이에 해당하지만, 본 실험에서는 탐침이 허공에 떠있을 때의 값을 모두 0V로 맞춰주었다.
대상 데이터
사용한 Si wafer(Woojin Chemical Co., Korea)는 (100) 면인데, 대기 중에서 산화층이 형성되어 있는 상태에서 아무런 처리 없이 사용하였다. SPM system의 microscope는 Dimension 3100(Veeco Instruments, US), controller는 NanoScope IVa (Veeco Instruments, US), local anodization을 위한 제어 software는 NanoMan(Veeco Instruments, US)을 사용하였다.
SPM system의 microscope는 Dimension 3100(Veeco Instruments, US), controller는 NanoScope IVa (Veeco Instruments, US), local anodization을 위한 제어 software는 NanoMan(Veeco Instruments, US)을 사용하였다. 사용한 팀침은 SCM-PIT(JungWonTechSystem, Korea)인데, 그■ 재질은 Antimony doped Si에 Cr층이 3 nm 입혀져 있고 그 위에 20nm의 Pt/Ir층이 입혀져 있는 것이며, cantilever 길이는 225 pm, tip의 높이는 10—15 Jim, nominal force constant는 2.8N/m이다. SCM-PIT는 60-100 kHz 정도의 공진주파수를 가진다고 하는데 본 실험에서 사용한 탐침은 68.
성능/효과
Fig. 3의 결과를 보면, deflection setpoint가 0.02 V나 0.04 V 일 때는 선이 그어지지 않았으며 0.06 V 이상에서는 선이 그어졌고, 일단 선이 그어지면 그 높이는 deflection setpoint와 관계가 없음을 보여준다. 즉 탐침이 Si w* afer 누르는 기계적인 힘은 그어지는 선의 높이와 무관하다.
06 V 사이에 해당한다. Force calibration p]pt으■로■부터 deflection setpoint 값과 piezoelectric scanner가■ 움직인 거리 사이의 관계를 알 수 있는데, deflection setpoint를 1 V 변화시키기 위해서는 piezoelectric scanner가 105 nm가 움직여야 함을 알 수 있었다. 또한 사용한 탐침의 nominal force constant가 2.
한편 지지전해질이 없는 상황이므로 전기장의 직접적인 영향이 더욱 중요할 것이며, Pt/Ir tip에서 생성된 OH, 이온이 Si까지 이동하는데 migration이 중요한 역할을 하게 된다. 따라서 탐침 전위가 음의 값을 가질수록 전기장은 강해지며 OH- 이온의 이동속도는 빨라지고 산화막 생성속도 또한 빨라질 것을 쉽게 예상할 수 있는데, 이는 Fig. 2(e)의 직선적 감응을 의미하는 것으로, 이는 선이 아닌 모양에 대한 앞선 연구 결과와도 일치하는 결과이다.峪)이 조건에서는 3 nm 이하의 범위에서 선의 높이를 탐침 전위를 가지고 제어할 수있음을 알 수 있는데, 이후의 실험에서는 1 nm 정도의 높이를 주었던 -5 V의 값을 사용하였다.
7 nm이하로 낮아지지는 않는다. 이상의 결과를 가지고 본 실험에서 취급한 조건의 범위안에서 0.5 nm~3 nm 사이의 원하는 높이를 갖는 선을 그을 수가 있다.
참고문헌 (15)
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