[보고서]UAFM(초음파원자현미경)을 이용한 표층부 물성 및 결함 평가 기술 개발

박익근

UAFM(초음파원자현미경)을 이용한 표층부 물성 및 결함 평가 기술 개발
Development of Techniques for Evaluating Physical Properties and flaws of the surface and subsurface using UAFM(Ultrasonic Atomic Force Microscopy) 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	서울과학기술대학교
연구책임자	박익근
참여연구자	Chiaki Miyasaka , 김용권 , 박태성 , 곽동열 , 한유하
보고서유형	1단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2011-05
과제시작연도	2010
주관부처	교육과학기술부
사업 관리 기관	한국연구재단
등록번호	TRKO201200003294
과제고유번호	1345122545
DB 구축일자	2013-04-18
키워드	초음파원자현미경,탄성계수,극미세결함,신호/영상처리,표면영상Ultrasonic atomic force microscopy,Elastic constant,Nano-scale flaw,Signal/image processing,Topography

초록 ▼

● 1차년도: UAFM용 초음파 가진 모듈 개발 및 UAFM 장치 구성
1) 초음파 가진 모듈 개발(Cantilever type, Sample type)
- 캔틸레버와 Ultrasonic Vibrator와의 결합 특성분석
- 시험편과 Ultrasonic Vibrator와의 결합 특성분석
2) UAFM 장치 구성 및 Signal.Topography 특성분석
- UAFM Signal․Topography 취득 및 특성분석
- 초음파 주파수 및 진폭에 따른 UAFM 신호 변화 연구
- UAFM 신호.영상처리 알고리즘 개발
- MEMS용 시험편 설계 제작 및 기초 실험
● 2차년도: UAFM에 의한 표층부 기계적 물성(탄성계수) Nano-Scale 정밀 측정 기술 개발
1) 단결정 재료에 대한 UAFM 신호의 측정
2) AFM 영상과 UAFM 영상의 이미지 분해능 비교 분석
3) UAFM/AFAM에 의한 재료 물성 평가법
4) 박막 소자의 탄성계수 Nano-Scale 정밀측정기법 연구
● 3차년도: UAFM에 의한 표층부의 Nano-Scale미세 결함 측정 기술 개발
1) Nano-Scale결함 유형별 최적 주파수 및 진폭 연구
2) UAFM 이용한 표층부 Nano-Scale 미세결함 평가 시스템 구축
3) UAFM 신호.영상처리 알고리즘 성능 개선
4) Nano-Indentation 기법과 UAFM의 상호 결과 비교

Abstract ▼

Purpose
The purpose of this study is to develop analyzing technique for surface topography having a high resolution of 100 nm scale that enables to detect the nano-scale flaw using the UAFM. Using the developed UAFM, it is aimed to develop nondestructive technique for measurement of elastic property on the nano-surface layer.
Contents
● 1st year: Development of module for ultrasonic vibration and implementation of the UAFM
1) Development of module for ultrasonic vibration (Cantilever type, Sample type)
- Characterization of the coupling between cantilever and ultrasonic vibrator
- Characterization of the coupling between specimen and ultrasonic vibrator
2) Implementation of the UAFM and Characterization of the signal-topography
- Acquisition and characterization of the UAFM signal.topography
- Study of the signal difference with frequency and amplitude of driving ultrasound
- Development of signal-image processing algorithm for the UAFM system
- Design and fabrication of MEMS specimens and basic experiments
● 2nd year: Development of precise measurement technique with nano-scale sensitivity for mechanical property(elastic constant) on surface layer using the UAFM system
1) Measurement of the UAFM signal in single crystals
2) Comparison and analysis of image resolution between AFM and UAFM
3) Material characterization by the UAFM system
4) Study on precise measurement technique with nano-scale sensitivity for elastic constant of thin film
Expected Contribution
By independent technology development as core element of detection technique for ultra-fine defects on the surface layer using the UAFM system, It is expected to guarantee the basic technology of the UAFM system for measurement technique with nano-scale sensitivity afterward. Also, it is enable to provide comparable data for guaranteeing the reliability of NDE techniques due to establishing the nondestructively precise measurement technique for ulra-fine defects and elastic property on the surface layer. In addition to that, it is expected to enhance directly the application and utilization value in advanced industrial parts such as nano-industry, MEMS, and bio-industry etc. in relation to nanomaterials, thin films, semiconductors, biological materials, polymeric materials and so on.

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 3
보고서 요약서 ... 4
요 약 문 ... 5
SUMMARY ... 11
CONTENTS ... 12
목 차 ... 14
제 1장 연구개발과제의 개요 ... 16
1. 연구개발의 필요성 ... 16
2. 연구개발의 목표, 내용 및 성과 계획 ... 26
3. 추진전략 및 방법 ... 31
제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 34
1. 선진국 연구개발 동향 및 기술수준 ... 34
2. 국내 연구개발 동향 및 기술수준 ... 36
3. 현기술상태의 취약성 ... 37
4. 앞으로의 전망 ... 37
5. 국내에서 연구개발하는 대신 기술도입 가능성 ... 38
6. 산업체 참여시기 및 방법 ... 38
제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 39
제 1 장 초음파 가진 모듈 개발 ... 39
1.1 접촉역학 연구 ... 39
1.2 캔틸레버의 진동특성연구 ... 43
1.3 초음파 가진 모듈 ... 48
제 2 절 Proto-Type UAFM 장치구성 및 성능 검증 ... 50
2.1 초음파특성과 AFM 장치의 결합 ... 50
2.2 Proto-Type UAFM 캔틸레버 및 팁 ... 52
2.3 Proto-Type UAFM 신호.영상처리 알고리즘 개발 ... 53
2.4 Proto-Type UAFM Signal-Topography 취득 및 특성분석 ... 55
제 3 절 Nano-Scale 시험편 설계 제작 ... 58
3.1 연자성 박막시험편 제작 ... 58
3.2 박막 시험편의 물성 측정 ... 60
3.3 조성과 두께 차에 따른 자기적 성질 변화 ... 61
3.4 조성과 두께 차에 따른 미세구조의 변화 ... 65
3.5 Nano-Scale 결함 유형별 최적 주파수 및 진폭 측정을 위한 시험편 제작 ... 68
3.6 Nano-scale 미세결함 측정을 위한 시험편 제작 ... 69
제 4 절 Proto-Type UAFM에 의한 표층부 기계적 물성(탄성계수) Nano-scale의 정밀 측정 기술 개발 ... 82
4.1 단결정 재료에 대한 접촉-진동 해석 ... 82
4.2 단결정 재료들에 대한 공진주파수 데이터베이스 구축 ... 90
4.3 Proto-Type UAFM에 의한 재료 물성평가 ... 103
4.4 AFM영상과 UAFM 영상의 이미지 분해능 비교 분석 ... 106
4.5 박막 소자의 탄성계수 Nano-scale 정밀측정 ... 107
제 5 절 Nano-Scale 미세 결함 측정 ... 109
제 6 절 나노인덴테이션 비교 검증 ... 112
6.1 압입시험을 통한 두께측정 방법 ... 112
6.2 마이크로/나노폴리머 구조물의 기계적 물성 측정 기술 ... 113
제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 117
1. 1차년도 ... 117
2. 2차년도 ... 118
3. 3차년도 ... 119
제 5장 연구개발결과의 활용계획 ... 120
5.1 기술적 측면 ... 120
5.2. 경제.산업적 측면 ... 121
제 6장 연구시설.장비 현황 ... 122
제 7장 참고문헌 ... 123

표/그림 (97)

표 Comparison for material size level
표 Representative surface analysis technology in IT/NT/BT
표 Schematic diagram of Ultrasonic AFM
표 Comparison of topography by Ultrasonic AFM; (a) AFM, (b) UAFM
표 Improvement of topography using elastic properties
표 The growth of AFM in domestic and abroad
표 AFM world market
표 The interaction forces used in the various models, plotted in comparison to a realistic interaction
표 Force-versus-tip-sample separation for a Hertz model as well as for various Maugis λ: PMMA (100), glass (10), stainless steel (0.1), and Diamond (0.01)
표 Geometry of the cantilever with the location of the tip, and schematic representation of the various contributions to the contact stiffness taking into account the position of the tip along the cantilever.
표 Local vibration amplitudes along a cantilever with rectangular cross section for mode n=1,2, and 3.
표 Diagram of hardware components and signal pathways of tip modulation mode.
표 Diagram of hardware components and signal pathways of sample modulation mode.
표 Photograph of UAFM hardware components combining AFM and ultrasonic
표 Schematics of tip-sample interaction of atomic scale.
표 Hysteresis in force vs. distance curves and cantilever deflection at each sample position.
표 Scanning electron micrographs of cantilever and tip.
표 Dimension and physical properties of cantilever tip
표 Contact resonance peaks shift with the contact stiffness (K) for three materials (A,B,C) providing a strong signal for one material (B) and weak contrast for the others (A and C), even though B is more compliant than C and less compliant than A.
표 Image principles of UAFM; (a) Force modulation microscopy and (b) Phase detection microscopy
표 AFM and UAFM images of deposited silicon wafer
표 Scanning electron micrographs of SWRCH45F steel
표 AFM and UAFM images of SWRCH45Fsteel: (a-c) 0 h and (d-f) 30 h spheroidization.
표 AFM and UAFM images of glass fiber reinforced plastic.
표 The schematic diagram of the substrate.
표 The schematic diagram of the target.
표 The experimental conditions with sputtering.
표 Fe-Hf Phase Diagram of this experiment.
표 The surface thickness of the Fe-Hf thin film observed by the FEG- SEM image
표 M-H loops of the Fe-Hf thin films as-deposited: (a) 330nm, 12 at% Hf, and (b) 150nm,18 at% Hf
표 M-H loop of Fe-Hf-N thin films with surface thickness: (a) 12 at% Fe-Hf thin films, (b) 18 at% Fe-Hf thin films
표 The magnetic properties of the Fe-Hf-N thin films.
표 The magnetic properties of the Fe-Hf-N thin films according to surface thickness.
$TEM Micrographs and the electron diffraction pattern of Fe-12 at% Hf thin film as-deposited.(X100K): (a) bright field image and (b) SADP$ 표 TEM Micrographs and the electron diffraction pattern of Fe-12 at% Hf thin film as-deposited.(X100K): (a) bright field image and (b) SADP
$TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-12 at% Hf thin film annealed at 550℃$ 표 TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-12 at% Hf thin film annealed at 550℃
$TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-12 at% Hf thin film annealed at 550℃$ 표 TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-12 at% Hf thin film annealed at 550℃
$TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-18 at% Hf thin film annealed at 550℃$ 표 TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-18 at% Hf thin film annealed at 550℃
$TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-18 at% Hf thin film annealed at 550℃$ 표 TEM Micrographs and electron diffraction patterns of Fe-18 at% Hf thin film annealed at 550℃
표 SEM image of fabricated specimen
표 Specimen process condition and height of specimens
표 Adhesion condition with surface treatment
표 Fabrication process on nano-scaled thin film
표 Optical image of fabricated thin film (#1)
표 Optical image of fabricated thin film (#1-1)
표 Optical image of fabricated thin film (#2)
표 Optical image of fabricated thin film (#2-1)
표 Optical image of fabricated thin film (#3)
표 Optical image of fabricated thin film (#4)
표 Optical image of fabricated thin film (#5)
표 Optical image of fabricated thin film (#6)
표 Fabrication process
표 Fabricated substrate/film
표 Schematic diagram of a rectangular cantilever in free
표 Data of the cantilevers made of crystalline silicon used in the experiments
표 Simulated mode shape for mode n=1,2,3(clamped-free)
표 Free resonance frequency of cantilever
표 Experimentally determined frequecny exp and calculated frequency  for three cantilever
표 Schematic diagram of a rectangular cantilever in contact with a sample
표 Simulated mode shape for mode n=1, 2, 3(clamped-free)
표 Contact resonance frequency at Si wafer
표 Young’s modulus and possion ratio of materials
표 Numerical values of cantilever
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Ti)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Co)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Al)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Ni)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Fe)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=0.23, Si-Ge)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Ti)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Co)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Al)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Ni)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Fe)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=54, Si-Ge)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Ti)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Co)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Al)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Ni)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Fe)
표 Simulated mode shape of clamped-spring coupled for n=1, 2, 3 (k=2, Si-Ge)
표 Theorical contact stiffness and elasticity for n=1, 2, 3(k=0.23)
표 Theorical contact stiffness and elasticity for n=1, 2, 3(k=54)
표 Theorical contact stiffness and elasticity for n=1, 2, 3(k=2)
표 Theorical resonance frequency for n=1, 2, 3(k=0.23)
표 Theorical resonance frequency for n=1, 2, 3(k=54)
표 Theorical resonance frequency for n=1, 2, 3(k=2)
표 Deflection of a cantilever in contact mode AMF.
표 Resonance of cantilever in contact mode AFM by the continuum model
표 Resonance frequency at the area A and B of spherodized SWRCH45F steel.
표 SEM, AFM and UAFM images of 30h spherodized SWRCH45F steel.
표 Conact resonance frequency at Cu and SUS
표 Experimentally determined frequency exp and calculated frequency  in contact with the sample
표 Resonance frequency of UAFM with thickness
표 Resonance frequency of UAFM as adhesive condition
표 UAFM image of UAFM as adhesive condition
표 Schematic diagram of NanoTest system
표 Nano-scretch test

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