보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
박찬경
|
참여연구자 |
오상호
,
서주형
,
김형석
,
송유진
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2003-08 |
과제시작연도 |
2002 |
주관부처 |
과학기술부 |
연구관리전문기관 |
한국과학재단 Korea Science and Engineering Foundtion |
등록번호 |
TRKO200300003784 |
과제고유번호 |
1350013954 |
사업명 |
21C 프론티어연구개발사업 |
DB 구축일자 |
2015-01-08
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키워드 |
전계방출 전자현미경.고분해능 영상.나노 빔.X 선 분광법.전자에너지 손실분광법.디지털 영상 처리.FE-TEM.HREM.Nano-beam.EDS.EELS.Digital image processing.
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초록
▼
* 연구 목표
- 고분해능 영상과 나노 빔 성분 분석을 이용하여 다양한 나노 소재에 적용가능한 분석 기법을 확립하고 나노 소재의 특성 향상 및 공정 최적화에 이바지
* 1단계 연구 결과 요약
1. 서브 나노 빔 (0.5㎚)을 이용한 EDS와 회절 분석 (NBD) 신뢰도 검증
- 나노빔 조사시 고분해능 영상 분석을 통하여 탄소 오염 정도와 시편의 이동 확인
- CBED, EELS을 이용하여 시편 두께를 측정하고 유효 탐침과의 상관 관계 분석
2. 고분해능 영상과 EDS를 이용한 박막 계면 반응 분석
* 연구 목표
- 고분해능 영상과 나노 빔 성분 분석을 이용하여 다양한 나노 소재에 적용가능한 분석 기법을 확립하고 나노 소재의 특성 향상 및 공정 최적화에 이바지
* 1단계 연구 결과 요약
1. 서브 나노 빔 (0.5㎚)을 이용한 EDS와 회절 분석 (NBD) 신뢰도 검증
- 나노빔 조사시 고분해능 영상 분석을 통하여 탄소 오염 정도와 시편의 이동 확인
- CBED, EELS을 이용하여 시편 두께를 측정하고 유효 탐침과의 상관 관계 분석
2. 고분해능 영상과 EDS를 이용한 박막 계면 반응 분석
- Si과 oxide 박막의 계면 구조 분석
- 서브 ㎚의 공간 분해능을 가지는 나노 빔 EDS을 이용한 조성 분석과 NBD를 이용한 상분석을 수행
3. 고분해능 영상의 정량적 해석
- 에피탁시 SrRuO₃박막의 계면에서의 misfit dislocation 분석, ZrO₂ gate oxide의 배향성 및 TiO₂ 나노입자의 필터링 작업, 나노 석출물의 matrix와의 coherency 분석
4. EELS 측정의 신뢰도 향상
- Condenser apeture size, enterance aperture size, spot size, beam mode(convergent angle), accerating voltage등 각 factor에서 최적의 조건을 도출
5. 나노 빔을 이용한 EELS 성분 분석
- 나노 빔 mode(EDS, NBD, CBED)에서 나노 영멱(1∼2㎚)에서의 EELS signal이 전제 bulk 신호와의 차이 비교
6. EF-TEM을 이용한 나노 소자의 성분 분포 분석
- ALD 나노 두께 절연막의 계면에서의 성분 분포 분석, Fe, Au nano-cluster의 성분 mapping
7. 사업단 내 나노 공동 연구
- HfO₂, Al₂O₃, HfO₂/Al₂O₃ multi & dual 층 절연막 박막 분석
Abstract
▼
Title: Nano-scale materials characterization for atomic structure and chemical composition using FE-TEM
Characterization is a continuous quest that parallels the search of improved materials and devices, with particularly stiff challenges being raised by the recent development of nano-structures
Title: Nano-scale materials characterization for atomic structure and chemical composition using FE-TEM
Characterization is a continuous quest that parallels the search of improved materials and devices, with particularly stiff challenges being raised by the recent development of nano-structures and related technologies. The objective of present study is to establish a cost-effective nano-scale materials characterization technique revealing information of both atomic structure and chemical composition concurrently with a sub-nanometer spatial resolution utilizing field-emission transmission electron microscopy (FE-TEM). Quantitative analysis for chemical composition analysis aiming mainly light weight elements (B-O), computer simulation of high resolution electron microscopy (HREM) image, and nano-probe convergent beam electron diffraction (CBED) technique can make FE-TEM, at present, as the most reliable analysis tool for both structural and chemical characterization of materials in nano- scale. The establishment of these techniques is, thus, crucial for the upcoming development of nano-electronics and nano-photonic devices. Following are the results of this nano frontier project.
(1) Nano-beam diffraction (NBD) and nano-beam EDS analysis studies with a sub-nanometer spatial resolution
The main research topic of the present study is the characterization of initial growth behavior, its associated interfacial reaction during thin film deposition and subsequent defects formation occurring at interfaces. Research activities have been focused mainly on magnetic multi-layer thin films and oxide thin films used for memory or data storage devices applications.
The properties of multilayer nano-devices, such as MRAM (Magnetic Random Access Memory), multi-quantum well and quantum dots, strongly depend on the interface structure and chemistry as well as atomic arrangement. The characterization and control of interface structure and chemistry are essential part in understanding and for fabricating nano-devices. However, rarely found are the experimental results on the interfacial structure affecting the magnetic properties of magnetic multilayer thin films due to the intrinsic difficulties in characterizing the interface structure. In the present research, NBD and nano-beam EDS techniques will be applied to analyze the interface structure and chemistry with a sub-nanometer spatial resolution.
(2) Computer simulation and quantitative analysis of HREM image
Quantitative analysis of the HREM image has been, recently realized by the incorporation of digital recording media, such as image plate (IP). For the quantitative analysis, the electron dose distribution of HREM image canbe converted to a two-dimensional contour mapping. The electron intensity contour map will, then, be compared with the results of computer simulation results to obtain more precise information on localatomic arrangement at interfaces, site determination of unknown crystal structures, local lattice parameter and nano-scale crystalline defects.
Digitized HREM images directly recorded on IP can also be processed by using various image filtering and numerical functions such as Fourier transform. Fourier transform of the electrostatic potential of the local lattice, that corresponds to the diffraction spots to form a HREM image, can also be inversely transformed by selecting either whole spots or only specific spots along certain crystallographic direction. These methods can easily visualize various lattice defects and materials with different lattice constant, otherwise hardly seen in as-recorded HREM image.
(3) Compositional and Chemical analyses in nano-scale by using EELS and EF-TEM
As scale for fabrication becomes smaller, the effects of interfacial structure on the electrical properties becomes more important. Outof various spectroscopy techniques, electron energy loss spectroscopy within FE- TEM has many advantages for interfacial characterization.
Some kinds of specimen have a limit for structural identification with ordinary TEM techniques due to structural similarity. Therefore energy filtering within FE-TEM can be much powerful equipment because it visualizes the images of specific elements. Therefore the identification of multi -layer thin films with similar structure can be accomplished by energy filtering techniques optimized in nano-scale i.e. high magnification and resolution condition.
(4) Collaborations within this nano-frontier project
In order to achieve a successful application of chemical and structural analysis techniques, developed in our research group, to practical fabrication of nano-structures, collaborations with other development research group are quite important. Many achievements were expected through these collaborations. With nano-materials growth research group, improvement of crystal andelectrical properties are accomplished through the optimization of growth condition. In case of our analysis group, the developed TEM analysis techniques can be applied to the real nano-devices and materials. More accurate techniques can be also performed by feedback.
목차 Contents
- 제 1 장 연구개발과제의 개요...19
- 제 2 장 국내외 기술개발현황...20
- 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...22
- 제 1 절 나노 빔을 이용한 EDS 성분 분석...22
- 1. 에너지 분산 분광법 (EDS)의 신뢰도 검증...22
- 가. EDS 분석시 발생하는 시편 오염 및 제거...22
- 나. 신뢰성 있는 나노 빔의 형성...25
- 2. 나노 빔 EDS를 이용한 SrRuO₃ 박막의 계면 반응 분석...26
- 가. SrRuO₃ 박막의 결정 구조...26
- 나. SrRuO₃ 박막과 Si 기판의 계면 반응 분석...30
- 제 2 절 Digital image processing을 이용한 고분해능 영상의 정량적 해석...39
- 1. 자성 다층 박막의 계면 구조 분석을 위한 고분해능 영상의 정량적 해석...39
- 2. 다양한 시스템에서의 digital image processing...43
- 제 3 절 전자에너지 손실분광법을 잉요한 성분 분석 및 에너지 필터링을 이용한 성분 분포 분석...52
- 1. 전자에너지 손실분광법 (electron energy loss spectroscopy, EELS)...52
- 2. EELS 분석 조건의 최적화와 나노 빔 EELS 분석...56
- 3. 에너지 필터링 (energy filtering) 영상...57
- 제 4 절 나노 분석법을 이용한 ALD 나노 소자 공동 연구...65
- 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...69
- 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...70
- 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...71
- 제 7 장 참고문헌...72
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