금속코팅을 통한 산화물 분석의 APT mass resolution 향상

Abstract

APT는 시편 표면원자들의 전계증발을 이용하여 물질의 구조를 3차원 적으로 볼 수 있는 기술이다. 이 때 전계증발된 이온들의 time of flight을 통해 각각의 원소를 규명하고, detector에 감지되는 position을 통해서 원자들의 위치 및 시편의 형태를 3차원적으로 구현할 수 있다. APT의 가장 큰 장점은 sub-nm의 공간 분해능과 수십 ppm 수준의 detection limit을 가지고 있기 때문에 기존의 분석법으로는 불가능했던 원자스케일에서의 원소의 위치와 농도를 결정할 수 있는 것이다. 분석에 사용되는 방법에는 HV pulse 와 Laser pulse를 이용하게 되는데 HV pulse의 경우, 강한 voltage를 시편에 가함으로써 시편의 electric field 를 높여 field evaporation을 시키는 방법이다. 이는 전도도가 좋은 금속시료의 경우에는 충분한 분석이 가능하지만, 전도도가 높지 않은 반도체와 부도체 시편의 경우에는 가해지는 전계응력으로 인해 시편이 쉽게 파손된다. 그러나 최근에는 laser를 이용하여 물질의 증발을 돕는 Laser pulsing technique을 통해 낮은 전도성을 가지는 반도체, 절연체, 고분자 재료 등 다양한 재료의 분석을 가능하게 되었다. Laser pulsing 같은 경우에는 시편이 laser의 energy를 흡수하여 시편의 온도를 올리게 되는데, 온도가 증가함에 따라 전계증발을 위해 필요한 상대적인 field값이 감소하기 때문에 전도도가 낮은 물질도 충분히 분석을 가능하게 한다. 하지만 laser에 의해 야기되는 영향도 분명 존재하는데, 이를 thermal laser effect라고 한다. 이는 laser를 맞는 부분과 laser를 맞지 않는 부분인 shadow side 지역에서 전계증발된 이온들의 time of flight이 다르게 나타나는 것을 말하는데, laser side와 shadow side에서 나타나는 열적 불균형에 의해 형성된다. 특히 thermal laser effect는 thermal conductivity가 낮은 물질에서 두드러지게 나타나는데 laser를 맞는 부분에서 발생한 열이 시편 전체적으로 열적 균형을 이루기 위한 시간이 많이 필요하기 때문이다. Mass spectrum 상에서도 보게 되면, laser를 맞는 부분의 peak 이 더 빨리 나타나게 되는 것을 볼 수 있는데, 이는 laser를 맞지 않는 부분이 laser를 맞는 부분에 비해 tip의 온도가 올라가고 cooling 되는데 걸리는 시간이 더 소모되기 때문이다. 일반적으로 cooling time이 길어질수록 mass spectrum 상에서는 long tail이 나타난다. 본 연구에서는, APT 분석 시에 발생하는 thermal laser effect으로 인한 영향을 최소화하고자 열전도도가 낮은 MgO 물질에 metallic coating을 실시하였다. 열전도에 대한 영향을 알아보기 위해 다양한 금속물질을 coating하였으며, coating 두께에 의한 영향 또한 살펴보았다

In APT, atoms field evaporated from the apex of a needle shaped specimen are projected onto a position-sensitive detector. Chemical identification using time of flight mass spectrometry allows 3D reconstruction of the original elemental distributions with near atomic resolution. Field evaporation is generated by a combination of a high dc voltage and voltage pulse. However, this voltage pulsing technique have been limited to metals and highly doped semiconductors due to fracture of specimen which has high resistivity. By replacing high voltage pulsing with laser pulsing, it can allow atom probe analysis of less conductive materials such as oxides and ceramics. However, the mechanisms of evaporation with laser pulsing are still unclear and under discussion. Previous work has suggested thermal assisted mechanism to be the dominant mechanism for ultrafast laser pulse assisted field evaporation of ions. And it is also demonstrated that the energy absorption caused by laser illumination is localized the specimen apex, this can induce slight difference of field evaporation time between where the laser illuminated side and the region on the far side of laser. So it leads to the long thermal tails of the mass spectrum and reduce the mass resolution. In the present study, the metallic coating has been applied to increase the thermal conductivity of the specimen and improve the mass resolution of the APT. Various metallic coatings were performed in order to compare the effect of the thermal conductivity on the mass resolution and , it was found that the mass resolution and signal to noise ratio were enhanced by increasing the thermal conductivity of the samples. Furthermore, the variation of mass resolution is observed depending on the coating thickness.