[논문]Si (001) 표면 결함 원자힘 현미경 전산모사

조준영; 김대희; 김유리; 김기영; 김영철

Si (001) 표면 결함 원자힘 현미경 전산모사
Atomic Force Microscopy Simulation for Si (001) Surface Defects 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.4, 2018년, pp.1 - 5

조준영 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 김대희 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 김유리 (포항공과대학교 창의IT 융합공학과) , 김기영 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 김영철 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Atomic force microscopy (AFM) simulation for Si (001) surface defects was conducted by using density functional theory (DFT). Three major defects on the Si (001) surface are difficult to analyze due to external noises that are always present in the images obtained by AFM. Noise-free surface defects obtained by simulation can help identify the real surface defects on AFM images. The surface defects were first optimized by using a DFT code. The AFM tip was designed by using five carbon atoms and positioned on the surface to calculate the system's energy. Forces between tip and surface were calculated from the energy data and converted into an AFM image. The simulated AFM images are noise-free and, therefore, can help evaluate the real surface defects present on the measured AFM images.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 DFT를 이용한 계산을 통하여 Si (001) 표면에서 자주 발견되는 표면 결함들의 AFM이미지를 추출하는 것에 관한 것이다. 다이머들이 제거되면서 형성되는 표면결함은 제거되는 방법과 갯수에 따라 A, B, 그리고 C 결함으로 명명되어 있다.

가설 설정

2(a))을AFM 전산모사로 얻은 이미지로서 AFM으로 측정한 실험 이미지 (Fig. 2(b)) 대비 노이즈가 없다. 다이머에서 표면 위쪽에 위치한 최상층 원자가 아래 쪽 원자에 비해 AFM 계산 이미지에 대부분의 영향을 주는 것을 알 수 있다.

제안 방법

AFM 전산모사 이미지를 얻기 위해서 팁의 위치 선정,DFT를 이용한 에너지 계산, 팁의 위치에 따른 에너지 분포 자료 추출, 보간 (interpolation)을 통한 부드러운 에너지 분포 자료 추출의 순서로 연구 절차가 진행되었다. 팁은 Fig.
다이머가 제거된 주변 원자들은 재배열하면서 표면 결함 이미지는 복잡한 형태를 띄게 된다. AFM의 측정 메커니즘을 모사하기 위해 팁의 위치를 옮기며 각각의 표면 결함과의 에너지를 DFT로 계산하였다. 이를 이용하여 위치에 대한 힘의 크기로 AFM 이미지를 추출하였다.
1 Å씩 움직여 3개의 팁 위치를 선정하였다. 각 팁 위치에서 팁과 표면 초격자의 에너지를 DFT를 이용하여 계산하였다. 에너지를 [001] 방향 기준으로 미분하여 16 × 16개의 힘자료를 추출하였다.
Si 표면 위에 30 Å 크기의 진공 공간을 두어 표면 초격자의 반복에 의한 표면 원자들의 상호 작용을 최소화하였다. 아래에서 첫 번째 Si 층의 원자들에는 각각 2개의 수소 (hydrogen, H) 원자를 부착하고 고정한 상태에서 표면 초격자를 최적화하였다.
탄소 팁을 Si 표면에 가까이 위치시키고 밀도범함수이론 (density functional theory, DFT)에 기반한 코드를 이용하여 에너지를 계산하였다. 에너지 값으로부터 힘을 구하여 AFM 이미지를 형성하였고, 보간법을 이용하여 이미지의 해상도를 향상시켰다.
표면 초격자와 팁의 좌표가 정해지면 총 16 × 16개의 팁 위치와 각각 3개의 높이에 의해 총768개의 에너지 계산이 필요하다. 에너지 계산을 연속적으로 진행하기 위해 코드를 만들어 계산시간을 줄였다.16 × 16개의 데이터로부터 부드러운 이미지를 추출하기 위해 보간법을 이용하였다.
에너지를 [001] 방향 기준으로 미분하여 16 × 16개의 힘자료를 추출하였다.
AFM의 측정 메커니즘을 모사하기 위해 팁의 위치를 옮기며 각각의 표면 결함과의 에너지를 DFT로 계산하였다. 이를 이용하여 위치에 대한 힘의 크기로 AFM 이미지를 추출하였다. 표면 구조를 만들고 AFM을 모사하는 이상적 상황을 통해 실제 AFM 측정에서 발생하는 artifact들이 제거된 A, B, 그리고 C 표면 결함에 대한 이미지를 얻었다.
K-points는 Monkhorst-Pack grid 방법을 이용하였다[12]. 전자와 구조에 대한 최적화 수렴 조건으로 각각 10^-4과 10^-3eV을 사용하였다. AFM에서 측정에 사용되는 팁은 탄소 원자를 이용하여 만들었으며, Fig.
이를 이용하여 위치에 대한 힘의 크기로 AFM 이미지를 추출하였다. 표면 구조를 만들고 AFM을 모사하는 이상적 상황을 통해 실제 AFM 측정에서 발생하는 artifact들이 제거된 A, B, 그리고 C 표면 결함에 대한 이미지를 얻었다. 본 연구를 통해 추출한 표면 결함 이미지는 노이즈를 포함하고 있는 실험 이미지의 표면 결함 판정에 도움을 줄 수 있다.

대상 데이터

표면 다이머 구조를 표현하는 c(4 ×2) 표면 단위 격자를 [010] 방향으로 2배 증가시켜 표면 초격자를 생성하였다[13]. 표면 결함이 생기면 표면 원자들이 이동하여 c(4 ×2) 표면 단위 격자로는 결함이 있는 표면을 충분히 설명할 수 없기 때문에, [010] 방향으로 2배 증가시킨 표면 초격자를 선정하였다. Si (001) 표면에서는 대표가 되는 표면 결함인 A, B, C 결함이 있다[Fig.
본 연구에서 사용한 표면은 재배열된 Si (001) 표면이며, 이를 바탕으로 실험적으로 관찰되는 3가지 결함이 있는 표면 구조를 만들었다. 팁은 마모에 우수한 다이 아몬드코팅된 팁으로 5개의 탄소 (Carbon, C) 원자로 구성된 구조로 팁을 모사하였다.
4개의 탄소가 정사면체 꼭지점에 위치하고 1개의 탄소가 사면체 중심에 위치한다. 측정하고자 하는 물질은 Si이며, 64개의 원자로 구성된 벌크 초격자 (supercell)를 최적화하였다. (001) 면을 갖는 표면 초격자는 최적화된 벌크 초격자로부터 생성되었다(Fig.
본 연구에서 사용한 표면은 재배열된 Si (001) 표면이며, 이를 바탕으로 실험적으로 관찰되는 3가지 결함이 있는 표면 구조를 만들었다. 팁은 마모에 우수한 다이 아몬드코팅된 팁으로 5개의 탄소 (Carbon, C) 원자로 구성된 구조로 팁을 모사하였다. 탄소 팁을 Si 표면에 가까이 위치시키고 밀도범함수이론 (density functional theory, DFT)에 기반한 코드를 이용하여 에너지를 계산하였다.

이론/모형

16 × 16개의 데이터로부터 부드러운 이미지를 추출하기 위해 보간법을 이용하였다.
Perdew,Burke 및 Ernzerhof (PBE)의 generalized gradient approximation(GGA)를 교환 상관 에너지 (exchange and correlation energy)로 사용하였다[11]. K-points는 Monkhorst-Pack grid 방법을 이용하였다[12]. 전자와 구조에 대한 최적화 수렴 조건으로 각각 10^-4과 10^-3eV을 사용하였다.
MATLAB의 spline법을 이용하여16 × 16개의 데이터를 1000 × 1000개의 데이터로 추출하였다[14].
밀도범함수이론을 이용한 계산을 위해 Vienna ab-initio simulation package (VASP) code를 사용하였다[7-10]. Perdew,Burke 및 Ernzerhof (PBE)의 generalized gradient approximation(GGA)를 교환 상관 에너지 (exchange and correlation energy)로 사용하였다[11]. K-points는 Monkhorst-Pack grid 방법을 이용하였다[12].
밀도범함수이론을 이용한 계산을 위해 Vienna ab-initio simulation package (VASP) code를 사용하였다[7-10]. Perdew,Burke 및 Ernzerhof (PBE)의 generalized gradient approximation(GGA)를 교환 상관 에너지 (exchange and correlation energy)로 사용하였다[11].
팁은 마모에 우수한 다이 아몬드코팅된 팁으로 5개의 탄소 (Carbon, C) 원자로 구성된 구조로 팁을 모사하였다. 탄소 팁을 Si 표면에 가까이 위치시키고 밀도범함수이론 (density functional theory, DFT)에 기반한 코드를 이용하여 에너지를 계산하였다. 에너지 값으로부터 힘을 구하여 AFM 이미지를 형성하였고, 보간법을 이용하여 이미지의 해상도를 향상시켰다.

성능/효과

표면 구조를 만들고 AFM을 모사하는 이상적 상황을 통해 실제 AFM 측정에서 발생하는 artifact들이 제거된 A, B, 그리고 C 표면 결함에 대한 이미지를 얻었다. 본 연구를 통해 추출한 표면 결함 이미지는 노이즈를 포함하고 있는 실험 이미지의 표면 결함 판정에 도움을 줄 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Si (001) 표면의 결함 세가지는 무엇인가?	규소(silicon, Si) (001) 표면은 반도체 칩을 제조하는 공정에서 가장 널리 사용되며, Si 재료가 채택된 1950년대 이후 가장 많은 연구가 진행되어왔던 표면이다. Si (001) 표면은 크게 세 가지의 결함을 보인다: A, B, C 결함. 표면에는 표면 원자들의 재배열을 통하여 2개의 Si 원자로 구성된 다이머 (dimer)들이 배열되어 있다. A는 표면 다이머 1개가 제거된 결함, B는 인접한 다이머 2개가 제거된 결함, C는 인접한 다이머에서 원자가 각각 1개씩 제거된 결함이다[1].
	규소(silicon, Si) (001) 표면은 어디에 사용되는가?	규소(silicon, Si) (001) 표면은 반도체 칩을 제조하는 공정에서 가장 널리 사용되며, Si 재료가 채택된 1950년대 이후 가장 많은 연구가 진행되어왔던 표면이다. Si (001) 표면은 크게 세 가지의 결함을 보인다: A, B, C 결함.
	원자힘 현미경은 어떤 기술인가?	원자힘 현미경 (atomic force microscopy, AFM)은 표면과 팁(tip) 사이에 발생하는 힘을 측정하여 이미지로 보여주는 현미경으로 원자 크기 수준에서 표면을 분석할 수 있는 기술이다[2]. 우수한 이미지 해상도를 위해 캔틸레버(cantilever)에 부착되어 있는 AFM 팁은 매우 날카로워야 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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