[논문]나노재료의 격자변형 분석

송경; 오상호

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문제 정의

본 지에서는 TEM을 이용한 격자변형 분석 기술에 대해 간단히 소개하고, 최근 개발된 DIH를 이용한 나노분해능의 격자변형 분석법에 대해 보다 자세히 소개하고자 한다.

제안 방법

이러한 높은 정확도를 격자변형 분석에 활용하기 위해서는 반드시 표준시편의 HOLZ선과 비교하여 분석해야만 한다. 동일 시료내의 상대적인 격자 변형을 분석하기 위해서는 먼저, 변형되지 않은 영역에서 CBED 패턴을 얻은 후, 동일한 회절 조건에서 변형 영역으로부터 얻어진 HOLZ선의 상대적인 위치 변화를 정밀하게 측정하여 격자변형량을 분석한다.
10(a)에서 보이는 바와 같이 다중 양자우물 구조는 2~5 nm 두께를 가지는 In_xGa_1-xN/GaN/ Al_xIn_yGa_1-x-yN/GaN 층들로 복잡하게 구성되어 있다. 이 영역에 DIH 분석법을 적용하여 0.77 nm의 서브 나노미터의 분해능을 가진 격자변형 map을 구하였다. 결과에서 확인할 수 있듯이 다중 양자우물 전체에 걸친 격자 변형뿐만 아니라 수 나노미터 두께의 한 층 내부에서의 격자변형 분포 또한 정확히 분석됨을 확인하였다.

성능/효과

8(b)). 결과로부터 소스와 드레인을 구성하는 SiGe_x 과 Si 채널 사이에 압축변형이 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 앞서 설명한 바와 같이 특정 회절빔 선택을 위해 사용된 TEM의 대물렌즈 조리개는 격자변형 map의 분해능을 결정하는데, 이 분석에서 사용한 조리개의 직경은 10 μm로서 0.
77 nm의 서브 나노미터의 분해능을 가진 격자변형 map을 구하였다. 결과에서 확인할 수 있듯이 다중 양자우물 전체에 걸친 격자 변형뿐만 아니라 수 나노미터 두께의 한 층 내부에서의 격자변형 분포 또한 정확히 분석됨을 확인하였다.
8(b)의 inset으로 나타낸 것과 같이 일반적인 고분해능 TEM 이미징을 통한 GPA 분석법으로는 대략 하나의 소스 드레인 구조에 해당하는 국부 영역에서의 격자변형 정보를 획득할 수밖에 없는데 반해, DIH 분석법으로는 5배 이상의 넓은 영역에서의 격자 변형 정보의 획득이 가능하다. 따라서 DIH 분석법은 넓은 영역에 걸쳐 많은 소자를 분석할 수 있어 분석 결과의 대표성을 확보할 수 있고, 수 백 nm 두께의 시료에 적용이 가능하므로 변형의 풀림 현상을 최소화할 수 있다.
하지만, 고분해능 TEM 이미지의 획득 단계나 시편 준비 단계에서 필연적으로 야기되는 문제점들을 가진다. 먼저, 고분해능 TEM 관찰에 적합한 아주 얇은 TEM 시료를 제작하는 과정에서 Ar+ 이온빔에 의해 발생하는 시료의 손상이 나노미터 스케일의 격자 변형을 일으킬 수 있으며, 또한 고분해능 TEM 이미지 획득 시 전자빔의 영향으로 인한 시료의 국부적인 손상을 일으킬 수 있다. 그리고 고분해능TEM 이미지가 얻어지는 영역이 매우 작기 때문에 결과의 대표성이 확보되기 어려운 문제점이 있다.

후속연구

반면, 고분해능TEM 이미지를 이용한 방법은 사용의 편리함으로 널리 이용되고 있으나, 이미지 획득을 위해 얇아진 시료가 가지는 변형의 풀림 현상등의 근본적인 문제점을 가진다. 이에 따라 최근 개발된 DIH 분석법은 나노미터 이하의 분해능 (~0.8 nm)으로 수 마이크로미터 영역의 격자변형 정보를 2 차원적으로 제공함으로써, 집적화된 소자의 격자변형을 분석하는데 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

TEM을 기반으로 개발된 분석법의 장점은?

X-ray와 Raman등의 회절 및 분광 현상에 기반을 둔 분석법은 시료 전체에 작용하는 격자변형의 평균적인 값만을 얻을 수 있다. 반면, TEM을 기반으로 개발된 분석법은 국소 영역에서의 나노미터 이하의 분해능으로 정확한 격자변형량을 분석할 수 있는 장점이 있다. 하지만, TEM 시편을 제조하는 과정에서 수반되는 시료의 박편화에 따른 변형의 풀림 현상과 시료의 손상 등은 여전히 극복해야할 과제로 남아 있다.

일반적으로 격자변형 분석에 활용되는 것은?

이를 위해서는 격자변형량의 공간적인 분포를 정량적으로 분석할 수 있는 분석법의 개발이 반드시 필요하다. 일반적으로 격자변형 분석에는 X-ray 회절, Raman 분광, 투과전자현미경 (Transmission electron microscope; TEM) 등이 활용되고 있으나, 이들 중 TEM만이 유일하게 나노미터 수준의 공간 분해능으로 격자변형을 mapping할 수 있는 방법이다. X-ray와 Raman등의 회절 및 분광 현상에 기반을 둔 분석법은 시료 전체에 작용하는 격자변형의 평균적인 값만을 얻을 수 있다.

TEM을 기반으로 개발된 분석법의 한계는 무엇인가?

반면, TEM을 기반으로 개발된 분석법은 국소 영역에서의 나노미터 이하의 분해능으로 정확한 격자변형량을 분석할 수 있는 장점이 있다. 하지만, TEM 시편을 제조하는 과정에서 수반되는 시료의 박편화에 따른 변형의 풀림 현상과 시료의 손상 등은 여전히 극복해야할 과제로 남아 있다.

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