KR101903631B1 - 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템은, 대상 물질의 표면 이미지를 측정하는 표면 이미지 측정 유닛, 대상 물질의 표면을 스퍼터링 하는 스퍼터링 부와 스퍼터링 전과 후의 대상 물질의 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 측정하는 이온 이미지 측정부를 포함하는 2차원 이미지 측정 유닛, 및 상기 표면 이미지 측정 유닛에 의해 측정된 표면 이미지와 상기 이온 이미지 측정 유닛에 깊이 방향에 따른 2차원 이온 이미지에 의하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 3차원 이미지 산출 유닛을 포함한다.

Description

3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법 {Measuring System and Measuring Method For 3D Chemical Composition Image}
본 발명은 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 대상 물질을 구성하는 화학성분들의 2차원 이온 이미지와 대상 물질의 표면 이미지를 사용하여 3차원 화학성분 이미지를 측정하는 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
고체 물질의 표면 성분은 산업체 및 연구 기관의 연구 개발 분야에서 매우 중요하다. 고분자, 반도체, 금속 및 세라믹 등의 다른 고체물질들의 복잡한 성분의 특성분석은 이차이온 질량분석 기술에 의해 상당히 발전되어 왔다. 이차이온 질량분석의 경우, 일차 이온으로 표면을 조사하는 동안 방출하는 양이온 혹은 음이온을 분석하며, 이와 같은 이차이온 질량분석기를 사용하여 표면의 화학적 성분, 깊이 방향 성분 분포도 및 성분 이미지를 획득할 수 있다.
성분이미지를 얻기 위하여, 이차이온 질량분석기에서 작은 영역에 초점을 맞추어 일차이온을 조사하여 발생된 이차 이온의 상대적인 세기들은 다음 픽셀(pixel)이 분석되기 전에 컴퓨터에 저장되었다. 일정 영역을 스캔하여 이미지를 얻은 후 일정시간 스퍼터링 하여 분당 수에서 수십 nm씩 깍아 내려가면서 깊이 방향 원소들의 분포를 측정하여 2차원 이온 이미지를 합쳐서 3차원 이미지를 생성하였다.
그러나 2차원 이미지들을 합쳐 3차원 이미지를 생성하는 경우, 표면의 굴곡 형상을 반영하지 못하기 때문에, 표면이 균일하고 평평한 경우에는 오차가 적었으나, 다양한 굴곡 형상을 가지고 있는 경우 왜곡된 형상이 나타나는 문제가 있었다. 그리고, 실제 화학물질들의 경우 대부분 다양한 굴곡 형상을 갖고 있기 때문에, 정확한 3차원 이미지를 제공하지 못하는 문제가 있었다.
Combined SIMS-SPM instrument for high sensitivity and high-resolution elemental 3D analysis, Tom Wirtz 외 7인, SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS Vol. 45, 513 ~ 516페이지, 2012년 High sensitivity and high resolution element 3D analysis by a combined SIMS-SPM instrument, Yves Fleming 외 1인, Beilstein Journal of Nanotechnology Vol. 6 No. 1, 1091 ~ 1099페이지, 2015년
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로 정확하고 오차가 적은 3차원 화학성분 이미지를 제공할 수 있는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템은, 대상 물질의 3차원 표면 이미지를 측정하는 표면 이미지 측정 유닛, 대상 물질의 표면을 스퍼터링 하는 스퍼터링 부와 스퍼터링 전과 후의 대상 물질의 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 측정하는 이온 이미지 측정부를 포함하는 2차원 이미지 측정 유닛, 및 상기 표면 이미지 측정 유닛에 의해 측정된 3차원 표면 이미지와 상기 이온 이미지 측정 유닛에 깊이 방향에 따른 2차원 이온 이미지에 의하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 3차원 이미지 산출 유닛을 포함하고, 상기 3차원 이미지 산출 유닛은, 깊이 방향에 따라 측정된 복수의 2차원 이온 이미지를 스퍼터링 시간에 따라 비례하는 두께 성분을 부가하여 깊이 방향으로 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출하는 이온 이미지 축적부, 상기 3차원 이온 이미지에서 상기 3차원 표면 이미지를 통하여 높이 방향 성분을 보정하는 표면 이미지 보정부, 및 표면이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온별 스퍼터링 속도에 따라 가중치를 부여하여 각 이온에 대한 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 두께 보정부를 포함한다.
삭제
상기 표면 이미지 보정부에서, 표면 형상을 일치시키도록 상기 3차원 이온 이미지와 상기 표면 이미지 중 어느 하나의 이미지를 이동시켜 위치를 보정할 수 있다.
상기 표면 이미지 측정 유닛은 원자 현미경일 수 있다.
상기 이온 이미지 측정부는 이차이온 질량분석기일 수 있다.
상기 이차이온 질량분석기는, 비행시간형 질량분석기, 자기장 질량분석기 및 사중극자 질량분석기 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 방법은, 대상 물질의 3차원 표면 이미지를 측정하는 단계, 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계, 기설정된 깊이의 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 획득할 때까지, 대상 물질을 스퍼터링 하고 스퍼터링 된 표면의 2차원 이온 이미지를 한번 이상 측정하는 단계, 및 측정된 3차원 표면 이미지와 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 사용하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계는, 상기 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지에 스퍼터링 시간에 따라 비례하는 두께 성분을 부가하여 깊이 방향으로 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계, 상기 3차원 이온 이미지에 상기 3차원 표면 이미지를 결합하여 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계, 및 상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온별 스퍼터링 속도에 따라 가중치를 부여하여 각 이온에 대한 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 2차원 이온 이미지는 대상 물질의 표면 이미지를 측정한 후에 측정될 수 있다.
삭제
상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계에서, 상기 3차원 이온 이미지와 상기 표면 이미지 중 하나의 위치를 보정하고, 상기 3차원 이온 이미지에 상기 표면 이미지를 결합할 수 있다.
상기 표면 이미지를 측정하는 단계는, 원자현미경의 접촉 모드, 비접촉 모드 및 텝핑 모드 중 하나 이상의 모드로 대상 물질의 표면 이미지를 측정할 수 있다.
상기 대상 물질의 표면 또는 스퍼터링 표면의 2차원 이온 이미지는 이차이온 질량분석기를 사용하여 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 정확하고 재현성이 높은 3차원 화학성분 이미지를 제공할 수 있는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학물질의 표면 형상과 물질에 따른 스퍼터링 차이를 반영하여 보다 정확하고 정밀한 화학물질의 3차원 이미지를 제공할 수 있는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원 이온 이미지 데이터를 사용하여 3차원 화학성분 이미지를 쉽고 빠르면서도 정확하게 생성하여, 반도체 소재, 소자를 포함하는 산업과 흔적증거물을 포함한 법과학 등의 분야에서도 유용하게 적용될 수 있는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 여러 가지 성분들로 이루어진 구조를 가진 다층 박막 시료의 경우에도 정확하고 재현성이 높은 3차원 화학성분 이미지를 측정할 수 있는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 산출 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 이미지 측정 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 이미지 측정부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 산출 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 3차원 화학성분 이미지를 나타내는 도면들이다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 개시된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
실시예에 있어서 '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서(미도시)로 구현될 수 있다.
이하, 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템은, 대상 물질의 표면 이미지를 측정하는 표면 이미지 측정 유닛(10), 대상 물질의 표면을 스퍼터링 하는 스퍼터링 부(21)와 스퍼터링 전과 후의 대상 물질의 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 측정하는 이온 이미지 측정부(23)를 포함하는 2차원 이미지 측정 유닛(20), 및 상기 표면 이미지 측정 유닛(10)에 의해 측정된 표면 이미지와 상기 이온 이미지 측정 유닛(20)에 깊이 방향에 따른 2차원 이온 이미지에 의하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 3차원 이미지 산출 유닛(30)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 2차원 이미지 측정 유닛(20)에서 대상 물질을 스퍼터링 하기 전/후의 일련의 2차원 이온 이미지들을 기판을 기준으로 일련의 깊이 방향(z축 방향) 2차원 이온 이미지들을 획득할 수 있다.
또한, 표면 이미지 측정 유닛(10)의 표면 이미지를 사용하여 2차원 이온 이미지들의 두께 방향 성분을 보정하여, 잘못된 표면 정보를 수정하여 정확한 3차원 화학성분 이미지를 제공할 수 있다.
본 명세서에서, 두께 방향, 두께 방향 성분 또는 높이 방향의 용어는 2차원 이온 이미지에 직교하는 또 다른 차원의 성분을 의미하며, 일 실시예에 따르면 2차원 이온 이미지가 x-y축 이미지인 경우, 두께 방향 또는 높이 방향은 z축 방향을 의미하게 된다.
이하에서는, 일련의 깊이 방향의 복수의 2차원 이온 이미지들과 표면 이미지를 사용하여 3차원 이미지 산출 유닛(30)에서 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 과정을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 산출 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 3차원 이미지 산출 유닛(30)은 이온 이미지 축적부(31), 표면 이미지 보정부(33) 및 두께 보정부(35)를 포함한다.
상기 이온 이미지 축적부(31), 표면 이미지 보정부(33) 및 두께 보정부(35) 중 하나 이상은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 이미지 축적부(31)와 표면 이미지 보정부(33)는 MATLAB 또는 이와 유사한 소프트웨어를 사용하여 측정된 표면 이미지와 2차원 이온 이미지를 처리할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 표면 이미지와 2차원 이온 이미지를 합성 및 보정하여 3차원 화학 성분 이미지를 도출할 수 있는 본 기술 분야에서 사용될 수 있는 다양한 이미지 처리 장치가 이에 적용될 수 있다.
상기 이온 이미지 축적부(31)에서는 깊이 방향(일 예로, z축 방향)에 따라 복수의 2차원 이온 이미지를 축적하며, 각 2차원 이온 이미지에 기설정된 두께 성분을 부가하여 축적함으로써 3차원 이온 이미지를 산출한다.
구체적으로 일정시간 스퍼터링과 2차원 이온 이미지의 측정을 반복하면, 표면에서부터 기설정된 깊이까지(일 예로 대상 물질이 놓여있는 기판까지)의 일련의 2차원 이온 이미지를 얻을 수 있다.
각각의 2차원 이온 이미지에 스퍼터링 시간에 따른 기설정된 두께 성분을 부가하여 기판을 기준으로 축적함으로써 3차원 이온 이미지 렌더(render)를 형성할 수 있다. 여기서, 대상 물질이 놓여진 기판이 평평한지 여부 등의 기판 구조에 대한 정보가 있는 경우, 기판 정보에 기초하여 깊이 방향(z축)으로 일련의 2차원 이온 이미지를 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출할 수 있다.
본 명세서에서, "2차원 이온 이미지"라는 용어는 2차원, 즉 평면 형태의 이미지로서 색상 등을 사용하여 각 이온들이 서로 구별되어 표시된 이미지를 의미한다. 결국, 2차원 이온 이미지를 통하여 대상 시료에 포함되어 있는 하나 이상의 이온들의 분포 및 구조 등을 확인할 수 있다.
그리고 나서, 상기 표면 이미지 보정부(33)에서는, 상기 3차원 이온 이미지에서 상기 표면 이미지를 통하여 높이 방향 성분을 보정할 수 있다. 표면 이미지의 경우 대상 물질의 표면 형상에 대한 정보를 제공할 수 있다.
여기서, 표면 이미지는 대상 물질의 표면 형상에 대한 3차원적 정보를 제공하는 이미지를 의미한다.
스퍼터링과 2차원 이온 이미지의 합성에 의해서만 산출되는 3차원 이온 이미지의 경우, 평면 이미지인 2차원 이온 이미지를 기반으로 하기 때문에 2차원 이온 이미지를 적층 하더라도 표면의 3차원적인 입체 형상을 반영하기 어렵다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원 이온 이미지들이 적층되어 형성된 3차원 이온 이미지에서 표면 형상을 표면 이미지를 사용하여 보정함으로써, 보다 정확하고 정밀한 형상을 나타내는 3차원 이온 이미지를 제공할 수 있다.
상기 표면 이미지 보정부(20)에서, 표면 형상을 일치시키기 위하여 상기 3차원 이온 이미지와 상기 표면 이미지 중 어느 하나의 이미지를 이동시켜 위치를 보정할 수 있다. 일 예로, 표면 이미지의 3차원 정보에 따라 2차원 이온 이미지들을 위치 이동 및 회전시켜 표면 이미지의 형상과 2차원 이온 이미지들을 맞춘 후 표면 형상을 같은 크기의 픽셀로 나누어 2차원 이온 이미지의 각각의 픽셀을 표면 이미지의 픽셀에 맞추어 보정할 수 있다.
그리고 나서, 상기 두께 보정부(35)에서는, 표면 형상이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온의 스퍼터링 속도에 따라 상기 기설정된 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출할 수 있다.
축적된, 즉 적층된 2차원 이온 이미지들에서 각 층을 구성하는 이온 성분들은 이온의 종류에 따라 스퍼터링 속도가 다를 수 있다. 따라서, 단순히 스퍼터링 시간에 따라 기설정된 두께 성분(z방향 성분)을 부여하여 적층하는 경우, 스퍼터링 속도가 느린 원소의 경우 z방향 성분이 보다 길게 표현되고, 스퍼터링 속도가 빠른 원소의 경우 빨리 스퍼터링 되기 때문에 z방향 성분이 보다 짧게 표현되게 된다. 즉 왜곡이 발생하게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 이온별 스퍼터링 속도를, 일 예로 가중치를 부여하는 방식으로 반영하여, 두께 성분을 보정할 수 있다. 그에 따라, 서로 다른 이온을 포함하고 있는 3차원 화학성분 이미지의 경우에도 이온별 왜곡 현상을 최소화하여 보다 정확한 이미지를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 두께 보정부(35)로 MATLAB 또는 이와 유사한 소프트웨어를 사용할 수 있으며, 상기 두께 보정부(34)는 각 재료 성분들에 대한 스퍼터링 속도에 대한 이론적인 수치, 문헌적인 수치 또는 실험적 수치가 저장된 데이터 베이스(DB)에 연결될 수 있다. 여기서, 각 재료 성분들의 스퍼터링 속도에 있어서 이론적인 수치와 실제 수치는 다소 차이가 있을 수 있으므로, 실제 실험을 통하여 도출한 실험적 수치를 사용하는 경우 가장 정확한 이미지를 획득할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 이미지 측정 유닛(10)을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 표면 이미지 측정 유닛(10)은 대상 물질(T)이 배치되는 베이스(101), 원자힘을 측정하는 탐침(103a)을 포함하는 캔틸레버(103) 및 위치 감지 포토 디텍터(105)를 포함할 수 있다.
그리고 일 실시예에 따르면, 상기 표면 이미지 측정 유닛(10)은 원자힘 현미경(AFM: Atomic Force Microscopy)일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 대상 물질에 대한 (x축, y축 및 z축 방향의) 3차원 표면 이미지를 제공할 수 있는 다양한 장치가 이에 사용될 수 있다.
그리고, 상기 제어부(40)가 상기 베이스(101)와 포토 디텍터(105)에 연결되어, 베이스(101), 캔틸레버(103) 및 위치 감지 포토 디텍터(105) 중 하나 이상을 전기적으로 제어하여 측정 위치 또는 이미지 측정을 제어하게 할 수 있다.
상기 제어부(40)는 표면 이미지 측정 유닛에 연결되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 2차원 이미지 측정 유닛(20) 또는 3차원 이미지 산출 유닛(30) 또는 이들 중 하나 이상에 연결되어, 반복적인 스퍼터링과 2차원 이온 이미지 측정을 제어하거나, 표면 이미지와 2차원 이온 이미지의 처리 과정을 제어하도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 이미지 측정부(23)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 이미지 측정부(23)는 이차이온 질량분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectroscopy)일 수 있다.
이차이온 질량분석기의 하우징(231) 내에 대상 물질(T)의 표면을 일차 이온건(233)을 충돌시켜 이차 이온을 발생시켜 이온 디텍터(237)로 이를 감지하여, 2차원 이온 이미지를 측정할 수 있다.
상기 일차 이온건(233)으로 비스무스, 세슘, 산소, 갈륨, 금, 알곤 클러스터 및 C60 중 하나 이상에 의한 일차 이온건일 수 있다. 그리고, 듀얼 이온원(235)으로 비스무스, 세슘, 산소, 갈륨, 금, 알곤 클러스터 및 C60 중 하나 이상에 의한 듀얼 이온원으로 스퍼터링에 사용할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 일차 이온건(233)과 듀얼 이온원(235) 모두를 사용하여 이온을 펄스 형태로 교차적으로 대상 물질(T) 상에 조사하도록 형성될 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따르면 상기 대상 물질(T)의 면적을 64 × 64, 128 × 128, 256 × 256, 512 × 512, 1024 × 1024 또는 2048 × 2048 픽셀로 나누어 각각의 픽셀에서 생성되는 모든 이차이온의 상대적인 세기를 저장하여 측정할 수 있다.
반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 2차원 이온 이미지를 측정하기 위한 다양한 방법이 이에 적용될 수 있으며, 상기 이차이온 질량분석기는, 비행시간형(Time-of-Flight) 질량분석기, 자기장(Magnetic sector) 질량분석기 및 사중극자(Quadrupole) 질량분석기 중 어느 하나일 수 있고, 본 기술 분야에서 사용될 수 있는 2차원 이온 이미지를 측정할 수 있는 다양한 장치가 이에 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 방법은, 상술한 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템을 사용할 수 있으며, 측정 시스템에 관하여 설명한 부분은 필요에 따라 측정 방법에 대하여 적용될 수 있으며, 반대의 경우도 마찬가지이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 방법은, 대상 물질의 표면 이미지를 측정하는 단계(S10), 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계(S20), 기설정된 깊이의 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 획득할 때까지, 대상 물질을 스퍼터링 하고 스퍼터링 된 표면의 2차원 이온 이미지를 한번 이상 측정하는 단계(S30, S40, S20), 및 측정된 표면 이미지와 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 사용하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계(S50)를 포함한다.
상기 2차원 이온 이미지는 대상 물질의 표면 이미지를 측정한 후에 측정될 수 있다. 즉, 대상 물질의 표면 이미지를 측정하는 단계(S10)가 수행되고 난 뒤에 상기 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계(S20)로 이어질 수 있다(점선 화살표). 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계(S20) 이후의 과정은 스퍼터링을 포함하여 대상 물질의 파괴하는 과정을 포함하므로, 표면 이미지를 먼저 측정하고 깊이 방향에 따른 2차원 이온 이미지를 측정할 수 있다.
그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 대상 물질의 표면적이 넓거나 반복적인 표면을 가진 경우 또는 동일한 대상 물질들을 제공할 수 있는 경우에는, 2차원 이온 이미지를 먼저 측정할 수도 있음은 물론이다.
한편, 깊이 방향(일 예로, z축 방향)에 따른 2차원 이온 이미지를 측정하기 위하여, 먼저 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 측정할 수 있다(S20). 그리고, 기설정된 깊이의 2차원 이온 이미지가 획득되었는 지 여부(S30)를 판단하여, 기설정된 깊이까지 2차원 이온 이미지가 획득되지 않았다면 반복적으로 대상 물질을 스퍼터링 하고(S40), 2차원 이온 이미지를 측정할 수 있다(S20).
그리고, 기설정된 깊이까지 2차원 이온 이미지가 측정되었다면(S30), 2차원 이온 이미지 획득을 종료하고, 이미지 처리를 통하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계(S50)에 들어 갈 수 있다.
상술한 바와 같이, 표면 이미지를 측정하는 단계(S10)는 원자힘 현미경(AFM)을 사용하여 수행될 수 있으며, 원자현미경(AFM)의 접촉 모드, 비접촉 모드 및 텝핑 모드 중 하나 이상의 모드로 대상 물질의 표면 이미지를 측정할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 대상 물질의 표면 형상의 이미지를 제공하기 위한 다양한 장치가 이에 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 대상 물질의 관심 영역(ROI)을 설정하여 표면 형상의 이미지를 측정할 수 있다. 그리고 나서, 2차원 이온 이미지를 측정함에 있어 대상 물질의 관심 영역(ROI)의 측정 영역을 픽셀단위로 나누어, 일 예로 이차이온 질량분석기 아래에 위치시켜 픽셀당 발생하는 이차이온들의 세기를 측정하여 스퍼터링 전후의 표면에 존재하는 미량의 원소나 유기물 등의 분자 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.
또한, 대상 물질 또는 스퍼터링 표면의 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계(S20)는 이차이온 질량분석기(SIMS)를 사용하여 수행될 수 있으며, 일 예로, 비행시간형 질량분석기, 자기장 질량분석기, 사중극자 질량분석기 중 하나 이상을 사용하여 수행될 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 2차원 이온 이미지를 측정하기 위한 다양한 장치가 이에 적용될 수 있다.
보다 구체적으로, 이차이온 질량분석기(SIMS)를 사용하여 2차원 이온 이미지를 측정함에 있어 초점이 맞춰진 일차 이온으로 픽셀을 따라 조사하여 각 픽셀에서 발생되는 이차이온의 세기를 이온 디텍터에서 검출하여 2차원 이온 이미지를 획득할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 산출 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
상기 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계(S50)는, 상기 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지에 기설정된 두께 성분을 추가하여 깊이 방향으로 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계(S51), 상기 3차원 이온 이미지에 표면 이미지를 결합하여 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계(S53), 및 상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온의 스퍼터링 속도에 따라 상기 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계(S54)를 포함할 수 있다.
구체적으로 획득된 대상 물질의 표면의 3차원 형상 정보를 포함하는 표면 이미지(I10)와 깊이 방향에 따른 일련의 2차원 이온 이미지(I20)를 위와 같은 단계에 걸쳐 합성하여, 최종적인 3차원 화학성분 이미지(I50)를 산출할 수 있다.
표면에서부터 기설정된 깊이까지 대상 물질의 표면을 스퍼터링 하면서 얻은 2차원 이온 이미지(I20)에 기설정된 두께 성분(일 예로, z 방향 성분)을 부가하여 적층 또는 축적할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 두께 성분은 스퍼터링 시간에 따라 비례하는 두께 성분을 부과하여 일련의 평면 형태의 2차원 이온 이미지 층을 적층하여 3차원 이온 이미지(I30)를 형성할 수 있다.
여기서, 기판 형상을 고려하여, 기판 위에 순서대로 2차원 이온 이미지 층을 적층하여 3차원 이온 이미지(I30)를 형성할 수 있다. 그러나, 단순히 적층 또는 축적에 의한 3차원 이온 이미지(I30)의 경우 평면 형태의 층을 기판에 적층 한 이미지이므로 표면 형상을 반영하지 못한다.
따라서, 표면 이미지(I10)를 상기 3차원 이온 이미지(I30)에 반영하여 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지(I40)를 제공할 수 있다.
상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계에서, 상기 3차원 이온 이미지와 상기 표면 이미지 중 하나의 위치를 보정하고, 상기 3차원 이온 이미지에 상기 표면 이미지를 결합할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따르면 표면 이미지(I10) 데이터에 따라 3차원 이온 이미지(I30) 또는 각 층의 2차원 이온 이미지들의 위치를 회전 또는 이동시킨 뒤, 표면 이미지의 표면 형상을 같은 크기의 픽셀 단위로 나누어 2차원 이온 이미지의 각각의 픽셀을 표면 형상에 맞추어 보정할 수 있다.
그리고 나서, 높이 방향 성분이 보정된, 즉 표면 형상이 보정된 3차원 이온 이미지에, 대상 물질을 이루고 있는 이온들의 스퍼터링 속도를 반영하여 각층의 2차원 이온 이미지에서 이온에 대한 두께 성분을 보정할 수 있다.
그에 따라, 빨리 스퍼터링 되는 성분의 경우 두께 성분이 증가되도록 보정될 수 있고, 느리게 스퍼터링 되는 성분의 경우 두께 성분이 감소되도록 보정될 수 있다. 그에 따라, 최종적으로 두께 성분이 보정된 3차원 화학성분 이미지(I50)를 제공할 수 있다.
최종적인 3차원 화학성분 이미지(I50)의 경우, 구형의 중심 이온과 주변을 둘러싸는 물질의 구조가 명확하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 표면의 구조가 명확하게 드러나는 것을 알 수 있다.
즉, 2차원 이온 이미지들과 표면 형상 이미지를 통하여 정확한 대상 물질의 화학성분 이미지를 정확하게 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 3차원 화학성분 이미지를 나타내는 도면들이다.
도 7의 (a)는 3차원 화학성분 이미지를 측정하기 위하여 제작된 대상 물질(T1)의 형상을 개략적으로 나타내는 도면이다. 평판 형상의 실리콘 기판 위에 구리 그리드를 올려놓고 백금(회색)과 금(노란색)을 반복적으로 증착하여 다층 박막을 제작하고 구리 그리드를 제거하여 다층 박막 구조의 대상 물질(T1)을 제작하였다.
도 7의 (b)는 (a)의 대상 물질(T1)의 표면 이미지이다. 정확한 표면 이미지를 확보하고자 원자힘 현미경(AFM)을 사용하여 측정한 것이며, 대상 물질(T1)의 각 픽셀에 정확한 z축 방향 위치를 확인할 수 있다. 표면 이미지의 경우, 이온에 대한 정보는 제공하지 못하며, 표면의 3차원 이미지를 제공하는 것을 알 수 있다.
도 7의 (c)는 깊이 방향으로 측정된 일련의 2차원 이온 이미지를 축적하여 표현한 것이다. 이차이온 질량분석기의 직진성의 특성상 표면에서 발생된 이차이온들은 모두 한 평면으로 간주되어 대상 물질(T1)의 굴곡진 표면 정보가 나타나지 않는다. 즉, 일정시간 간격으로 스퍼터링을 한 뒤 반복적으로 획득한 2차원 이온 이미지들을 모아 3차원 공간에 채워 넣으면 실제와는 다른 왜곡된 이미지가 나타난다.
그러나, 2차원 이온 이미지가 적층된 3차원 이온 이미지의 경우 서로 다른 이온들은 서로 다른 색상으로 표현되어 이온들의 분포 구조 및 형태를 확인할 수 있다.
도 7의 (d)는 (b)의 표면 이미지를 (c)의 3차원 이온 이미지에 반영하여 보정하고, 각 이온별 스퍼터링 되는 속도를 반영하여 보정하여 최종적으로 생성된 3차원 화학성분 이미지를 나타낸다.
도 7의 (d)를 참조하면, 기판의 위치와 금과 백금으로 이루어진 다층 박막의 3차원 구조와 그 표면 형상을 명확하게 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 재료 및 소자 표면의 화학적 성분과 구조적 정보를 나타낼 수 있는 새로운 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 방법은 소재 분야, 소자 개발 분야, 법과학 분야, 3차원 이미지 측정 분야, 분광분석화학 분야 등에 적용될 수 있으며, 구체적으로 반도체, 데이터 저장장치 및 평판 디스플레이 등의 3차원 화학성분 이미지를 측정하기 위한 다양한 분광학 측정 장비에 적용될 수 있다.
이차이온 질량분석기와 원자현미경이 동시에 설치되어 있지 않아도, 따로 2차원 이온 이미지와 3차원 표면 이미지를 측정하여 이미지 처리를 통하여 3차원 화학물질 이미지를 생성하므로, 동시에 설치하기 위한 공간 또는 특수 장비 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 공간 효율적이며 적용이 간편한 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 종래의 이차이온 질량분석기에서는 반영되지 않았던 표면 형상과 이온에 따른 스퍼터링 속도 등이 반영되므로, 보다 정확하고 재현성이 높은 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
10: 표면 이미지 측정 유닛
20: 2차원 이미지 측정 유닛
21: 스퍼터링 부
23: 이온 이미지 측정부
30: 3차원 이미지 산출 유닛
31: 이온 이미지 축적부
33: 표면 이미지 보정부
35: 두께 보정부

Claims (12)

  1. 대상 물질의 3차원 표면 이미지를 측정하는 표면 이미지 측정 유닛;
    대상 물질의 표면을 스퍼터링 하는 스퍼터링 부와 스퍼터링 전과 후의 대상 물질의 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 측정하는 이온 이미지 측정부를 포함하는 2차원 이미지 측정 유닛; 및
    상기 표면 이미지 측정 유닛에 의해 측정된 3차원 표면 이미지와 상기 이온 이미지 측정 유닛에 깊이 방향에 따른 2차원 이온 이미지에 의하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 3차원 이미지 산출 유닛을 포함하고,
    상기 3차원 이미지 산출 유닛은,
    깊이 방향에 따라 측정된 복수의 2차원 이온 이미지를 스퍼터링 시간에 따라 비례하는 두께 성분을 부가하여 깊이 방향으로 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출하는 이온 이미지 축적부;
    상기 3차원 이온 이미지에서 상기 3차원 표면 이미지를 통하여 높이 방향 성분을 보정하는 표면 이미지 보정부; 및
    표면이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온별 스퍼터링 속도에 따라 가중치를 부여하여 각 이온에 대한 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 두께 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 이미지 보정부에서, 표면 형상을 일치시키도록 상기 3차원 이온 이미지와 상기 3차원 표면 이미지 중 어느 하나의 이미지를 이동시켜 위치를 보정하는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 이미지 측정 유닛은 원자 현미경인 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 이미지 측정부는 이차이온 질량분석기인 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이차이온 질량분석기는, 비행시간형 질량분석기, 자기장 질량분석기 및 사중극자 질량분석기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 시스템.
  7. 대상 물질의 3차원 표면 이미지를 측정하는 단계;
    대상 물질의 2차원 이온 이미지를 측정하는 단계;
    기설정된 깊이의 대상 물질의 2차원 이온 이미지를 획득할 때까지, 대상 물질을 스퍼터링 하고 스퍼터링 된 표면의 2차원 이온 이미지를 한번 이상 측정하는 단계; 및
    측정된 3차원 표면 이미지와 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지를 사용하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계는,
    상기 깊이 방향에 따른 복수의 2차원 이온 이미지에 스퍼터링 시간에 따라 비례하는 두께 성분을 부가하여 깊이 방향으로 축적하여 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계;
    상기 3차원 이온 이미지에 상기 3차원 표면 이미지를 결합하여 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계; 및
    상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지에서 각 이온별 스퍼터링 속도에 따라 가중치를 부여하여 각 이온에 대한 두께 성분을 보정하여 3차원 화학성분 이미지를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차원 이온 이미지는 대상 물질의 표면 이미지를 측정한 후에 측정되는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 높이 방향 성분이 보정된 3차원 이온 이미지를 산출하는 단계에서,
    상기 3차원 이온 이미지와 상기 3차원 표면 이미지 중 하나의 위치를 보정하고, 상기 3차원 이온 이미지에 상기 3차원 표면 이미지를 결합하는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 3차원 표면 이미지를 측정하는 단계는,
    원자현미경(AFM)의 접촉 모드, 비접촉 모드 및 텝핑 모드 중 하나 이상의 모드로 대상 물질의 3차원 표면 이미지를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 대상 물질의 표면 또는 스퍼터링 표면의 2차원 이온 이미지는 이차이온 질량분석기를 사용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 3차원 화학성분 이미지 측정 방법.
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