각종 현미경

. SPM (Scanning Probe Microscope) 이란?
SPM[1]은 Scanning Probe Microscope의 약자로서 물질의 표면특성을 원자단위까지 측정할 수 있는 새로운 개념의 현미경을 총칭하는 말이다. 우리나라에서는 원자현미경이라고 불리워진다. 원자는 너무 작아서(0.1-0.5nm) 아무리 좋은 현미경로도 볼 수 없다는 기존의 통념을 깨뜨린 원자현미경은 제1세대인 광학현미경과 제2세대인 전자현미경 다음의 제3세대 현미경으로 자리 잡아가고 있다. 광학현미경의 배율이 최고 수천 배, 전자현미경(SEM)의 배율이 최고 수십 만 배인데 비해 원자현미경의 배율은 최고 수천만 배로서, 개개의 원자를 관찰할 수 있다. 투과식 전자 현미경인 TEM도 수평방향의 분해능은 원자단위이나 수직 방향의 분해능은 훨씬 떨어져 개개의 원자를 관찰할 수는 없다. 원자현미경의 수직방향의 분해능은 수평 방향보다 더욱 좋아서 원자지름의 수십 분의 일(0.01nm)까지도 측정해낼 수 있다.
SPM에는 원자현미경 계열 중 처음으로 등장한 STM[2](Scanning Tunneling Microscope), 부도체 시료의 측정을 가능케 한 AFM[3] (Atomic Force Microscope), 물질의 형상이외에 다른 특성들을 측정할 수 있는 MFM(Magnetic Force Microscope), LFM(lateral Force Microscope), FMM(Force Modulation Microscope), EFM(Electrostatic Force Microscope), SCM(Scanning Capacitance Microscope) 그리고EC-SPM(Electrochemistry SPM)등이 있다. 이러한 원자현미경 외에도 물질의 광학적 특성을 빛의 파장 보다 훨씬 작은 분해능(~50nm)으로 알아내는 NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope)[4], 시료표면의 온도분포를 재는 SThM(Scanning Thermal Microscope)[5] 등의 원자현미경이 있는데 아직은 널리 사용되고 있지 않으나 앞으로 발전, 응용 가능성이 많다.
현재 원자현미경은 주로 연구용과 산업용 분석, 측정기기로 쓰이고 있다. 연마된 광학 렌즈나 증착막의 두께 및 굴곡도 측정에서부터 천연 광석의 표면분석에 이르기까지 종래 보다 더 작은 단위로 측정하려는 모든 곳에 활용되고 있다. 산업용으로는 반도체의 표면 계측, defect 분석, 콤팩트 디스크, 자기 디스크나 광 자기 디스크 등에 쓰인 비트(bit)의 모양새 조사 등에 쓰이고 있으며 최근 큰 성장을 보이고 있는 FPD(Flat Panel Display)의 제조 공정 분석 장비로도 활용되고 있다. 특히 미국 SIA(Semiconductor Industry Association)에서 발행하는 National Technology Roadmap에 발표되어 있듯이 반도체 산업에서는 원자현미경을 차세대 정밀 계측 장비로 인정하기에 이르렀다. 원자현미경은 진공 상태나 대기중 뿐 아니라 액체 내에서도 작동하므로 살아있는 세포내의 구조나 세포 분열 등을 관찰할 수 있다. 전자현미경이 진공 상태에서만 가능하다는 것을 감안하면 원자현미경의 응용범위가 대단히 넓다고 할 수 있다. 원자현미경은 관찰, 측정에 그치지 않고 초소형 로보트의 기능도 할 수 있어서 나노리쏘그라피(Nanolithography;사진묘사), 나노머시닝(Nanomachining;절삭), 나아가 분자의 합성 등의 연구에 사용되고 있다.
그림1-1. SPM의 일반적인 구조도
SPM의 응용분야
표면 물리학
반도체의 표면계측
분자생물학
전기화학
재료공학
기타 표면 분석
1-1. SPM의 스캐너
Scanning Probe Microscope에서 탐침을 시료위로 매우 정밀하게 움직이거나(또는 탐침아래의 시료가 움직이거나) 시료위의 특정한 위치에 정확하게 옮겨놓기 위해서 보통 압전 세라믹을 이용한 스캐너를 사용한다.