개  요

     현대의 반도체 및 극소전자 산업은 점점더 고밀도화와 집적화를 요구하고 있다. 따라서, 크기가 미세 해 질수록 이를 측정 분석할 수 있는 기기의 개발이 더욱 증대되어 왔다. 표면현상의 해석에 널리 이 용되고 있는 기존의 주사 전자 현미경(SEM)은 최적의 조건일 경우 약 수십 나노미터정도의 해상도를 얻을 수 있으나, 보다 미세한 영역에서의 정보는 제공할 수 없는 단점이 있다. 한편, 전자선을 이용하 여 얇은 시료를 투과하는 전자선을 측정하여 상(image)을 얻는 투과 전자 현미경(TEM)의 경우는 Å 정도의 해상도를 얻을 수 있으나, 시편을 준비하는 과정이 까다로우며, 응용범위도 극히 제한되어 있 다는 단점이 있다. 

    STM(Scanning tunneling microscopy)은 스위스 쮜리히소재의 IBM 연구원이었던 Binning, Roher, Gerber와 Weibel에 의해 1982년에 개발되었다. 이 공로로 1986년 Binning과 Roher는 노벨 물리학상을 수상하였다.  이것은 기존의 현미경과는 달리 양자역학적 전자 터널링현상을 이 용하여 표면의 기하학적 구조를 원자적 배율로 측정하는 것이 가능하다. STM의 등장으로 인류역사 후 최초로 표면원자구조의 3차원적 이미지를 볼 수 있었으며, 이로 인하여 표면과학, 화학반응, 전기화학, 재료공학, 전자공학 등에 혁명적인 진보를 가져왔다. STM은 진공, 액체, 대기 중에서도작동이 가능하 며, 여러 분야에서 나노 스캐일 과학의 새로운 장을 열게 하였다. STM은 1982년에 개발된 이래 원자 규모에서의 금속과 반도체의 표면을 관찰하는 연구에 많이 활용 되었으나, 부도체의 경우에는 적용의 한계를 보여 왔다.

    IBM이 주도한 공동연구에서 Binning과 Gerber에 의해 1986년에 개발된 AFM(atomic force microscopy)은 물질표면의 전기적 성질에 제한이 없이 사용할 수 있다는 장점으로 인하여 급속도로 응용범위를 확대되고 있다. AFM은 시료의 표면을 처리하지 않고 관찰할 수 있는 장점이 있다. 특히 AFM을 전기를 통하지 않는 부도체를 포함하여 수용액상의 고체물질의 표면도 관찰이 가능하므로, 각종 생물학적 시료를 포함한 표면이 유연한 시료의 관찰에 용이하다. STM과 AFM은 팁이라고 부르는 작고 날카로운 검침을 물질표면에 2차원적으로 주사(scanning)하여 3차원적인 표면정보를 얻는다. 이처럼 검침을 이용하여 표면을 관찰하는 방법을 통칭하여 SPM(scanning probe microscopy)이라 부른다.

    STM과 AFM은 물질표면의 구조에 대한 입체적인 정보뿐만 아니라 Å 단위까지의 표면의 원자배치를 비교적 간단한 방법으로 파악할 수 있다. 따라서, 물질의 표면을 원자단위까지 관찰하는 것이 가능한, 지금까지 개발된 가장 진보된 SPM 방법들이다.

SPM의 이란 ?

    SPM(Scanning Probe Microscope :주사 탐침 현미경)은 STM (Scanning Tunneling Microscope : 주사 터널링 현미경)과 AFM (Atomic Force Microscope : 원자힘 현미경)을 통칭하여 부르는 용어이며, STM은 최초로 개발된 주사 탐침 현미경으로서 시료(sample)와 탐침(probe)과의 거리가 매우 근접 되었을 때 시료와 탐침 사이에 흐르는 터널링 전류(tunneling current)를 이용하여 시료표면의 궤적을 주사하여 형상화하는 기능이다.   반면 AFM은 잘 휘는 판형 스프링(cantilever) 끝에 달려있는 뾰족한 침(Tip)과 시료 표면(surface)사이에 작용하는 원자간력인 인력 및 척력을 이용한다.  이러한 시료와 탐침간의 상호작용 때문에  지지하는 판형 스프링(cantilever)이 휘게되고 그 휘는 정도를 레이저광의 굴절을 이용하여 detecter인 photodiode에서 감지하고 이 감지된 신호를 처리 분석하여 표면정보화 한다.  최근에 와서 NSOM, NFSSIM 등 AFM과 접목된 새로운 차원의 현미경 기능이 계속 추가되고 있고, 수 년 전부터 이러한 방식의 현미경을 세계적으로 주사 탐침 현미경(SPM : Scanning Probe Microscope) 이라 통칭하고 있다.

    원자 현미경계열 중 처음으로 등장한 STM (Scanning Tunneling Microscope)은 가느다란 텅스텐 선을 전기 화학적으로 식각시켜 만든 탐침을 전도체인 시료 표면에 접근시켜 표면의 이미지를 얻는 방법이다. 탐침이 시료 표면에 가까이 접근하게 되면 비록 두 개의 도체가 떨어져 있지만 그 간격이 매우 작아서 양단간에 전압을 걸어주면 전자가 에너지 벽을 뚫고 지나가 전류가 흐르는 양자 역학적 터널링 현?