[실험설계] 스핀코팅의 원리 및 AFM 분석

문서 내 토픽

1. 스핀코팅 (Spin coating)

용액을 기판 위에 떨어트린 후 기판을 회전시켜 그 원심력으로 박막을 형성하는 것을 말한다. 저분자 물질의 증착법인 진공 증착법과 비교하여 진공 상태를 필요로 하지 않고 일반 대기상태의 상온에서 할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 하지만 소자의 효율을 높이기 위해 다층막을 형성할 수 없고 원하는 부위만이 아닌 기판 전 영역에 걸쳐 박막이 형성되기 때문에 전극과의 접촉을 위해 전극 contact 부분을 직접 지워주어야 하는 번거로움이 있다. Spin coating 에 영향을 주는 요인으로는 용액의 점도, 회전 속도(rpm), 회전시간 등이 있다.
2. Surface profiler

박막의 두께를 측정하는 방법으로는 surface profiler, ellipsometer 등이 있다. 진공 증착을 하는 저분자의 경우는 쉐도우 마스크를 이용하여 증착된 부분과 안 된 부분의 구분이 가능하여 단차가 확실하게 나타나지만, 고분자의 경우는 기판 전체에 박막이 코팅되므로 박막의 일부를 지워주어야 한다. 박막을 지워줄 때는 용질의 종류와 패턴 형성 모양에 따라 remover의 선택이 달라지는데 통상 메탄올이나 아세톤 등의 유기용제를 사용한다.
3. Atomic Force Microscope (AFM)

팁과 샘플 사이의 원자 힘을 사용하여 샘플 표면을 측정할 수 있으며 원자 지름의 수 십분의 1 까지 측정할 수 있는 현미경이다. 전자 현미경의 배율이 최고 수십만 배인데 비해 AFM의 배율은 최고 수천만 배로써 개개의 원자를 관찰할 수 있다. 부도체, 도체 및 반도체를 측정할 수 있으며 공기, 액체 상태에서도 관찰할 수 있다. 전기적, 자기적, 광학적, 그리고 물리적 특성을 측정할 수 있으며 Atomic scale manipulation 와 lithography를 할 수 있다.
4. 접촉식 (contact mode) AFM

척력을 사용하며 그 힘의 크기는 1~10nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래 위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 측정한다.
5. 비접촉식 (non-contact mode) AFM

원자사이의 인력을 사용하며 그 힘의 크기는 0.1~0.01nN 정도이다. 시료에 인가하는 힘이 접촉식에 비해 훨씬 작기 때문에 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자 간 인력의 크기는 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도로 직접 잴 수가 없다. 따라서 비접촉식 AFM에서는 캔틸레버를 공명 진동수 부근에서 기계적으로 진동시킨다.
6. 시료 제작

1) 준비된 시료와 이를 녹일 수 있는 용매를 준비한다. 2)시료를 용매에 녹여 약 1wt% 단위의 농도로 맞춘 용액을 준비한다.
7. 측정 방법

1) 코팅하기 전 용액의 이물질을 제거하기 위해 필터를 이용한다. 2) 준비된 glass를 spin coater 위에 올려놓고 마이크로 피펫을 이용해 적당량의 용액을 뿌려준 후 코팅한다. 3) 잔류 용매를 제거하기 위하여 hot plate 위에서 건조시킨다.
8. 두께 측정

1) 박막의 두께를 측정하기 위해 전면이 코팅된 유리 기판의 일부를 면도칼로 긁는다. 2) 단차가 생긴 기판을 기기 위에 놓고 측정한다.
9. 표면 거칠기 측정

1) 샘플을 기기에 고정시킨 후 레이저 위치를 설정한다. 2) 팁을 샘플에 근접시킨 후 원하는 측정 위치를 맞춘다. 3) set point가 적정 수준인지를 확인하고 초근접 시킨다. 4) line scan을 실시하여 측정 조건을 조절한 후 분석한다.

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1. 스핀코팅 (Spin coating)

스핀코팅은 얇은 막을 제작하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 이 기술은 액체 상태의 물질을 기판 위에 떨어뜨린 후 고속으로 회전시켜 균일한 박막을 형성하는 방식입니다. 스핀코팅은 간단하고 효율적인 공정이며, 다양한 재료와 기판에 적용할 수 있습니다. 또한 박막의 두께와 균일성을 정밀하게 제어할 수 있어 반도체, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 하지만 스핀코팅은 기판 크기에 제한이 있고, 재료 손실이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.
2. Surface profiler

Surface profiler는 시료 표면의 높낮이를 측정하는 장비입니다. 이 장비는 시료 표면을 스캔하여 3차원 표면 형상을 측정할 수 있으며, 표면 거칠기, 단차, 파형 등 다양한 표면 특성을 분석할 수 있습니다. Surface profiler는 반도체, 디스플레이, 광학 등 다양한 분야에서 널리 사용되며, 정밀한 표면 측정이 필요한 경우에 유용하게 활용됩니다. 최근에는 비접촉식 측정 방식이 개발되어 시료 표면에 대한 손상 없이 측정이 가능해졌습니다. 또한 측정 속도와 분해능이 향상되어 보다 정밀한 표면 분석이 가능해졌습니다.
3. Atomic Force Microscope (AFM)

Atomic Force Microscope (AFM)은 시료 표면의 원자 단위 수준의 형상을 측정할 수 있는 주요 분석 장비입니다. AFM은 시료 표면과 탐침 사이의 미세한 힘을 감지하여 표면 형상을 이미징할 수 있습니다. 이를 통해 나노미터 수준의 표면 형상, 거칠기, 물성 등을 분석할 수 있습니다. AFM은 반도체, 나노기술, 생명과학 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 최근에는 고속 스캐닝, 다중 프로브, in-situ 측정 등 다양한 기능이 개발되어 활용도가 더욱 높아지고 있습니다. 하지만 AFM은 측정 시간이 오래 걸리고 시료 준비가 까다로운 단점이 있어, 이를 보완하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.
4. 접촉식 (contact mode) AFM

접촉식 AFM은 탐침이 시료 표면과 직접 접촉하면서 측정하는 방식입니다. 이 방식은 시료 표면의 형상을 높은 분해능으로 측정할 수 있지만, 시료 표면에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 접촉식 AFM은 주로 단단한 시료 표면의 측정에 적합하며, 표면 거칠기, 단차, 결함 등을 분석하는 데 유용합니다. 또한 전기적, 자기적 특성 측정에도 활용될 수 있습니다. 하지만 시료 표면이 연질이거나 쉽게 변형되는 경우에는 비접촉식 AFM이 더 적합할 수 있습니다. 따라서 시료의 특성과 측정 목적에 따라 적절한 AFM 모드를 선택하는 것이 중요합니다.
5. 비접촉식 (non-contact mode) AFM

비접촉식 AFM은 탐침이 시료 표면과 접촉하지 않고 미세한 힘을 감지하여 측정하는 방식입니다. 이 방식은 시료 표면에 손상을 주지 않으므로 연질 시료나 쉽게 변형되는 시료의 측정에 적합합니다. 또한 전기적, 자기적 특성 측정에도 활용될 수 있습니다. 하지만 접촉식 AFM에 비해 분해능이 다소 낮은 편이며, 측정 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 최근에는 이러한 단점을 보완하기 위해 고속 스캐닝, 다중 프로브 등의 기술이 개발되고 있습니다. 비접촉식 AFM은 생물학, 재료과학, 나노기술 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 향후 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.
6. 시료 제작

AFM 측정을 위한 시료 제작은 매우 중요한 과정입니다. 시료 표면의 깨끗함, 평탄성, 균일성 등이 측정 결과에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 일반적으로 시료 제작을 위해 스핀코팅, 증착, 식각 등의 공정이 사용됩니다. 이때 공정 조건을 최적화하여 원하는 표면 특성을 얻는 것이 중요합니다. 또한 시료 표면의 오염을 최소화하기 위해 클린룸 환경에서 작업하거나 초음파 세척, 플라즈마 처리 등의 방법을 활용합니다. 시료 제작 과정에서 발생할 수 있는 결함이나 오염을 최소화하는 것이 AFM 측정의 정확성과 신뢰성을 높이는 데 매우 중요합니다.
7. 측정 방법

AFM 측정 방법은 크게 접촉식, 비접촉식, 간헐접촉식 등으로 구분됩니다. 각 방식은 시료 특성, 측정 목적, 분해능 등에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 접촉식 AFM은 높은 분해능으로 표면 형상을 측정할 수 있지만 시료 표면에 손상을 줄 수 있습니다. 비접촉식 AFM은 시료 표면에 손상을 주지 않지만 분해능이 다소 낮습니다. 간헐접촉식 AFM은 두 방식의 장점을 결합한 것으로, 높은 분해능과 비파괴 측정이 가능합니다. 또한 전기, 자기, 화학적 특성 측정을 위한 다양한 모드들이 개발되어 있습니다. 따라서 연구 목적과 시료 특성에 맞는 최적의 측정 방법을 선택하는 것이 중요합니다.
8. 두께 측정

AFM은 나노미터 수준의 정밀한 두께 측정이 가능한 장비입니다. 일반적으로 AFM을 이용한 두께 측정은 시료 표면에 스크래치를 내어 단차를 만든 후, 이 단차를 스캔하여 두께를 측정하는 방식으로 이루어집니다. 이 방법은 비파괴적이며, 매우 정밀한 두께 측정이 가능합니다. 또한 AFM은 단일 층 수준의 두께 변화도 감지할 수 있어, 박막 재료의 성장 과정이나 박막 구조 분석에 유용하게 활용됩니다. 최근에는 비접촉식 방식의 두께 측정 기술도 개발되어, 시료 표면에 손상을 주지 않고도 정밀한 두께 측정이 가능해졌습니다. 이처럼 AFM은 나노 스케일 두께 측정에 매우 유용한 분석 기법으로 널리 활용되고 있습니다.
9. 표면 거칠기 측정

AFM은 나노미터 수준의 표면 거칠기를 정밀하게 측정할 수 있는 강력한 분석 도구입니다. AFM을 이용하면 시료 표면의 높낮이 정보를 3차원으로 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로 다양한 표면 거칠기 지표(Ra, Rq, Rz 등)를 계산할 수 있습니다. 이를 통해 표면 특성을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 표면 거칠기 측정은 반도체, 광학, 생명과학 등 다양한 분야에서 중요한 정보를 제공합니다. 예를 들어 반도체 공정에서는 표면 거칠기가 소자 성능에 큰 영향을 미치므로, AFM을 통한 정밀 측정이 필수적입니다. 또한 생체재료의 세포 부착성이나 마찰 특성 등도 표면 거칠기와 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 AFM은 다양한 분야에서 표면 특성 분석을 위한 핵심 분석 기법으로 활용되고 있습니다.

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