AFM (Atomic Force Microscopy) 이란?

AFM (Atomic Force Microscopy) 이란?

AFM (Atomic Force Microscopy, 원자힘현미경)은 나노미터 수준의 해상도로 표면의 형상을 관찰하고, 물리적·화학적·전기적 특성 등을 측정할 수 있는 주사 탐침 현미경(SPM, Scanning Probe Microscopy) 기법 중 하나입니다. AFM은 고해상도 이미지를 제공하고 다양한 환경에서 사용할 수 있기 때문에 재료과학, 생명과학, 반도체 산업 등에서 필수적인 도구로 활용되고 있습니다.

AFM은 미세한 탐침(Cantilever)이 시료의 표면을 따라 움직이면서 상호작용하는 힘(반데르발스 힘, 정전기력, 자기력 등)에 의해 휘어지는 정도를 감지하여 표면 형상을 측정합니다.
표면을 스캔하는 방식에는 크게 접촉식(Contact mode)과 비접촉식(Non-contact mode) 방식이 있는데, 접촉식은 탐침을 시료 표면에 물리적으로 접촉시켜 긁으면서 측정을 하는 방식이고, 비접촉식은 탐침이 표면과 직접 닿지 않고 근접한 상태에서 반데르발스 힘을 측정하여 표면을 형상화 하는 방식입니다.
즉, 접촉식의 경우 시료 표면을 정확하게 이미징할 수 있지만 탐침으로 인한 시료 손상이 될 수 있기 때문에 반도체 In-line 공정에서는 Wafer 표면에 영향을 주지 않는 비접촉식 방식이 사용됩니다.

AFM은 반도체 공정 중 하나인 CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization) 후 표면의 돌출(Protrusion)이나 꺼짐(Dishing)의 정도를 계측 하거나 박막 증착 후 표면의 구배를 확인하기 위해 주로 사용되고 있습니다.
측정 원리 상 다른 현미경(SEM 등)에 비해 속도가 매우 느려 작은 면적만 측정이 가능하고, 탐침이 손상되는 경우 측정 정확도가 떨어지는 등의 한계점이 있지만 나노미터 단위에서 표면의 높낮이를 측정할 수 있는 유일한 도구로 활용 범위가 점점 더 넓어지고 있으며, 또한 최근에는 속도의 한계점을 극복하기 위해 High-Speed AFM 이나 Multi-head 방식 등 다양한 형태로 기술 개발이 이루어지고 있습니다.

[출처: 표면 및 물성 분석 기술로써 주사 탐침 현미경의 발전]

[출처: Nearfield Instruments' QUADRA]