In this thesis, a new type of scanning probe microscope (SPM) named scanning flow-impedance microscope (SFIM) is proposed and demonstrated.
The most striking feature of the SFIM is that the concept of the SFIM is based on hydrodynamic phenomena, generated in an impinging jet flow, which have not been used as an interaction force in SPMs. In the SFIM, the difference between the internal pressure of the probe and the ambient pressure strongly depends on the probe-to-specimen vertical distance. Consequently, flow impedance data obtained by scanning the probe over the specimen can be converted into the topographical information of the specimen. In this manner, the SFIM based on the hydrodynamic phenomena can image the specimen surface.
There is a long history in development of microscopes. The first microscope is based on an optical system. Optical microscopes have, however, low resolution, because the resolution of the optical microscopes is limited by the diffraction of light or a laser. Electron microscopes such as SEMs (scanning electron microscopes) and TEMs (transmission electron microscopes), first developed in the 1930s, can resolve details as small as a few nanometers. The electron microscopes are not applicable for some objectives because they operate only under very special circumstances. Just to name a few, (1) SEMs and TEMs require specimens be in a partial vacuum; (2) SEMs can only reproduce the surface topography of electrically-conductive materials; (3) TEMs can be used only for very thin specimens; (4) the scanned region on the specimen’s surface often burns and changes in color since SEMs and TEMs scan high-energy electrons on the specimen’s surface. In addition optical microscopes and electron microscopes provide only two-dimensional topographical information of test specimen. SPMs, which share in common the use of a small probe, are free from the defects of optical microscopes and electron microscopes. However, because of the use of a probe, SPMs frequently distort the surface topography of high aspect ratio patterns due to a tip convolution effect, and the surface of test specimens could be damaged or destroyed during the scan process. The scan range of SPMs is very short. For example, the lateral and vertical scan ranges of AFMs (atomic force microscopes), the most representative probe microscope, are below 10 and 1 ??m, respectively.
Due to the above-mentioned limits, conventional microscopes cannot cover some industrial and research areas. Usually, the specimens fabricated by MEMS techniques, such as wet or dry etching, or the products fabricated by micromachining processes have large surface area, over several tens of micrometers. Sometimes these specimens include high aspect ratio patterns. Recently, under the motto of green growth, the markets of light-emitting diode (LED) and solar cell industries are expanding rapidly. Since the surface materials of LEDs and solar cells are transparent, the optical microscopes based on interferometry cannot be used. Because the surfaces of LEDs and solar cells should be kept clean in order to increase those efficiencies, non-contact type microscopes are needed. Since any conventional microscope cannot cover these features (large area, high aspect ratio, three-dimensional shape, transparent materials, non-contact type), development of a new microscope is eagerly desired in the LED and solar cell industries.
Since the SFIM has several novel features, the SFIM could be the breakthrough to compensate for the limits of conventional microscopes. For example, as a probe microscope, the SFIM has some advantages. In the SFIM, specimens can be observed in any gas or liquid under atmospheric pressure and temperature conditions, unlike electron microscopes. The resolution of the SFIM is not limited by the diffraction of light or electrons but by the size of the probe. As a new type of probe microscope, the SFIM has some advantages. The use of some earlier SPMs was limited by the material properties of the specimen, working environments, and operating conditions.
In this thesis, the concept of the SFIM, which is based on hydrodynamic phenomena, is proposed and demonstrated. This thesis deals with the working principle of the SFIM and experimental procedure. The resolution of the SFIM and the effect of tip convolution on the reproduced images will also be presented. Based on the experimental results obtained by scanning various types of specimens using the SFIM, the SFIM would be particularly useful in the LED and solar cell industries. The SFIM would also be used in discerning the surface topography of MEMS specimens and micromachining products.
기술이 발달하면서 인간은 사람의 감각으로 구분해 낼 수 없는 작은 영역에 대해 관심을 갖기 시작했다. 이러한 관심하에 16세기에 렌즈를 활용한 광학현미경이 개발이 되었으며, 1930년 대에는 광학현미경보다 더 작은 영역을 보다 정밀하게 관찰할 수 있는 전자현미경 (SEM, TEM)가 개발이 되었다. 1980년대에 Binnig 등에 의하여 탐침을 이용한 현미경, Scanning probe microscope (SPM)가 탄생하면서 현미경에 관한 연구 및 응용 분야가 비약적으로 발전한다.
탐침을 이용한 현미경은 광학현미경이나 전자현미경이 가질 수 없는 장점을 가지고 있다. 미세한 탐침을 표면 근처로 매우 가까이 근접시켜서 (Non-contact mode) 혹은 탐침으로 표면을 긁거나 (Contact mode) 두드려 가면서 (Tapping or intermittent mode) 측정을 수행하므로 측정 대상의 3차원 형상을 측정할 수 있다. 탐침을 이용한 현미경은 원자간력 (Atomic force microscope), 전자의 터널링 효과 (Scanning tunneling microscope)를 이용하기 때문에 원자 구조 레벨까지 측정이 가능할 만큼 매우 우수한 분해능을 가지고 있다. 따라서 물질의 특성이나 구조를 파악하는 Bio, 재료, 전자, 화학 혹은 물리학 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 반면에 광학현미경이나 전자현미경은 빛이나 전자의 굴절 때문에 비교적 좋지 못한 분해능을 가지며, 주로 2차원 측정에 한정된다. 특히 전자 현미경의 경우에는 진공 상태에서 전도체에 대해서만 (SEM) 혹은 두께가 매우 얇은 시편에만 (TEM) 적용이 가능하다.
반면 현재까지 개발된 SPM은 측정 영역에 대한 한계를 가지고 있다. 우리 주변에 존재하는 다양한 미세 구조물에는 기계적인 특성이 요구되는데, 기계적인 성질을 갖춘 미세 구조물은 대부분 수 십 μm 에서 수 mm 이상의 크기를 갖기 마련이다. MEMS 기술을 대표하는 Dry etching이나 Wet etching 방식으로 구조물을 제작할 경우, 수 μm 에서 수 mm의 크기를 갖는 구조물의 제작이 가능하다. 미세 기계 가공, 주조, 단조, 압출, 압연의 방식으로 제작된 구조물도 수 십 μm 이상의 크기를 갖게 된다. 그러나 기존의 SPM은 측정 영역이 십 여 μm 내외로 한정이 되며, 깊이 방향으로도 수 μm 이상의 변화는 측정이 불가능하다는 단점을 갖는다. Profiler의 경우에는 Tip의 형상 때문에 종횡비(Aspect ratio)가 큰 형상은 측정이 불가능하며, Tip convolution effect에 의해 원래의 형상이 왜곡되어 표현되는 단점이 있다.
본 연구에서 제안하는 Scanning flow-impedance microscope (SFIM)은 기존의 SPM이 측정할 수 없는 수 μm 부터 수 mm 단위의 넓은 영역의 3차원 형상을 측정할 수 있는 새로운 개념의 현미경이다. SFIM은 일종의 탐침을 이용한 현미경(SPM)으로서 분해능이 Probe의 크기에만 의존하고 상온, 상압 조건에서 사용이 가능하다는 장점이 있다. 측정 원리로 유체역학 현상을 활용하는 SFIM 은 고유한 장점도 가지고 있다. SFIM은 탐침이 측정 대상의 표면과 접촉하지 않은 상태로 측정하여 측정 시 대상 물질에 손상을 주지 않으며, 탐침을 반 영구적으로 사용할 수 있다. SFIM의 유체역학 현상은 측정 대상의 전자기적, 광학적 성질 등에 영향을 받지 않고 적용 가능하기 때문에 다양한 대상에 적용이 가능하다. 또한 복합 물질로 이루어진 구조물도 측정이 가능하며, 주위의 매질의 종류에 관계없이 사용이 가능하다. Tip 끝이 가느다란 Pipette probe를 이용할 경우, Tip convolution에 의한 영향이 없이, 종횡비가 큰 구조물의 형상 측정에도 사용할 수 있는 장점이 있다. 공학적인 측면에서 SFIM을 이루는 장비가 기존 SPM의 구성 장비에 비하여 매우 간단하고 가격이 싸다는 것도 큰 장점이다.
SFIM은 이러한 다양한 장점들로 인하여 다양한 연구 분야에 적용이 가능하다. 우선 녹색 성장, 지속 가능한 발전이라는 모토 하에 시장이 급속히 커지고 있는 LED와 Solar cell 분야가 있다. LED나 Solar cell은 Array 형태로 사용하므로 대상의 너비와 길이가 수 십 μm 이상인 경우가 많다. 각 각의 Diode나 Cell은 높이와 너비 방향으로 수 μm의 크기를 갖고 종횡비가 1.5~2 정도로 높다. LED와 Solar cell의 표면은 모두 높은 투명도를 갖는데, 각 각 빛을 내거나 태양 에너지를 수집할 때 효율을 향상시키기 위함이다. 따라서 표면이 깨끗하게 유지되어야 함은 물론이다. 이러한 특징(넓은 면적, 높은 종횡비, 투명체, Non-contact 방식 요구, 3차원 형상 측정)을 가지는 물체는 기존의 Microscope를 사용할 경우 정확한 측정이 힘들고 깨끗한 이미지를 얻기가 불가능하다. 따라서 SFIM은 LED와 Solar cell 산업에 특수화된 Microscope로서 발전, 사용될 수 있다. 이외에도 SFIM은 MEMS 기술로 제작된 Lab-on-a-chip 등의 형상 측정이나 Micromachining 등으로 제작된 소형의 연구용 시작품 및 기자재의 형상 검증에 사용될 수 있다. 특히 최근에는 전자 기기와 기계 장치의 소형화 추세에 따라 Microscale의 PCB나 자동차 부품, 기계 가공품의 생산이 활발해지는 만큼, SFIM의 활용도는 매우 높을 것이라 기대된다.
