나노-마이크로스케일 전자빔 조사에 의한 표면 온도 상승 정량화

초록

전자빔(e-빔)은 많은 응용 분야에서 검출 프로브와 청정 에너지원으로 활용되어 왔습니다. 본 연구에서는 나노-마이크로스케일 e-빔 조사 하에서 피사체 표면의 국소 온도 범위와 분포를 측정하고 추정하기 위한 여러 접근법을 조사했습니다. 전류 밀도 10^5-6 A/cm^2의 고강도 e-빔이 고체 Si와 Au 물질을 수 초 내에 기화시킬 수 있으며, 국소 표면 온도가 3000 K 이상임을 보였습니다. 빔 강도를 10^3-4 A/cm^2로 낮추면 e-빔이 단시간에 1000-2000 K 범위의 국소 표면 온도를 유도하여 금속 나노와이어와 Cr, Pt, Pd 박막의 국소 용융, Mg-B 박막의 상전이를 유발할 수 있음을 확인했습니다. 프리스탠딩 Si3N4 윈도우상의 박막 열전대(TFTC)가 최대 2000 K의 피크 국소 표면 온도를 검출할 수 있으며, 더 낮은 온도 범위에서도 높은 정밀도로 측정 가능함을 입증했습니다. e-빔 하 표면 온도 분포, 두꺼운 기판의 열 방산, e-빔의 높은 운동 에너지가 표면 열로 변환되는 낮은 변환율에 대해 논의했습니다. 본 결과는 e-빔의 새로운 응용에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.

서론

E-빔은 표면 형상 이미징, 결정 구조 분석, 리소그래피 패턴 생성, 박막 증착 등 다양한 실용 응용에서 프로브와 청정 에너지원으로 사용되어 왔습니다. 이러한 실용 응용에서 e-빔 조사 하의 국소 표면 가열 효과는 흥미로운 이슈입니다. 예를 들어 e-빔 리소그래피에서 이 e-빔 유도 표면 열이 나노스케일에서 설계 패턴의 왜곡을 일으켜 최종 소자 실패로 이어질 수 있습니다[1-3]. 다른 응용에서는 국소 표면 가열 효과가 박막 증착[4], 어닐링[5-7], 나노소재 조각[8, 9] 등에 활용됩니다. 그러나 현재까지 e-빔 조사 하 국소 표면 온도의 정밀한 측정과 평가는 기술적 과제로 남아 있습니다[10-12].

금속 내 "자유 전자"가 가열이나 높은 전기장에 의해 높은 운동 에너지를 얻으면 금속 본체에서 자유 공간으로 빠져나올 수 있습니다. 전자빔은 용접[13-16], 용융[17], 가장자리 절단[18], 표면 처리[19, 20], 물리 기상 증착[21] 등에 널리 사용되어 왔습니다. 최근 e-빔 용융을 이용한 금속 적층 제조 공정에서 많은 진전이 있었습니다[22-26]. 이는 금속 분말을 선택적으로 용융하는 데 e-빔을 활용하는 것에 대한 관심을 높이고 있습니다. 본 연구에서 다루는 e-빔은 텅스텐 와이어, LaB6 결정 팁, W 결정 팁으로 만들어진 전자총에서 방출되는 것들을 말합니다[27, 28]. 높은 전기장 하에서 가속된 후, e-빔은 주사 전자 현미경(SEM)에서 전자당 평균 5-30 keV, 투과 전자 현미경(TEM)에서 100-300 keV의 순수 에너지원이 됩니다.

SEM 또는 TEM에서 깨끗한 고체 표면으로 유도되어 진공 중 자유 e-빔의 재진입 과정과 관련된 현상들은 잘 연구되어 왔습니다. 고에너지(5-300 keV) e-빔이 고체 표면에 도달하면 많은 이차 전자, 후방 산란 전자, 오제 전자 등을 생성합니다. 또한 조사 하 원자 흥분을 유도하고, 표면 원자를 제거하는 "녹온 효과"를 일으키며, 국소 결정 구조를 파괴하여 무질서와 결함을 유도할 수 있습니다[29, 30]. 게다가 이러한 전자-고체 상호작용은 e-빔 조사 하 피사체의 국소 온도 상승을 초래합니다.

일반적으로 국소 온도 증가는 조사 하 피사체에 e-빔의 운동 에너지가 변환되어 발생합니다. 이전 연구들은 고강도 e-빔(HIEB) 하에서 국소 온도가 매우 높을 수 있음을 보여주었습니다. TEM의 HIEB는 나노 구멍 드릴링, 나노와이어(NW)의 나노 브리지 절단, 두 NW를 용접하여 접합 형성 등을 할 수 있습니다[8]. 신중한 조작 절차로 연속 탄소 박막에서 단일 원자 사슬의 탄소 브리지를 만들 수도 있습니다[9]. e-빔을 인시투 에너지원으로 사용하여 다층 [Mg-B]_n "초격자" 막에서 초전도 MgB2 상을 얻을 수 있습니다[5-7].

그러나 이것이 논쟁의 여지가 있는 이슈로 남아 있습니다: e-빔에 의해 유도된 정확한 국소 온도는 무엇인가? 기술적으로 TEM이나 SEM에서 집속된 e-빔에 의한 국소 온도를 직접 측정하기는 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위한 여러 시도가 있었습니다[31, 32]. 예를 들어, 서브미크론 박막 열전대(TFTC)로 레지스트 막 표면의 e-빔 조사 하 온도 프로파일을 측정했습니다. 주사 투과 전자 현미경(STEM)과 전자 에너지 손실 분광법(EELS)으로 나노미터 공간 분해능의 국소 온도 프로파일을 얻었습니다[33]. TEM에서 결합 전자 에너지 이득 및 손실 분광법으로 나노스케일 환경의 국소 온도를 직접 측정했습니다[34]. 평행 빔 전자 회절법을 사용하여 열팽창에 의한 산란 각도 변화로부터 TEM의 국소 온도를 간접 측정했습니다[35]. TEM과 금속 섬의 고체-액체 상전이를 이용하여 적외선 이미징 기반 열현미경의 한계를 뛰어넘는 나노스케일 열화상을 얻었습니다[36]. 이 방법을 사용하여 단일 다중벽 탄소 나노튜브에 의한 질화규소 기판의 원격 줄 가열 메커니즘이 발견되었습니다[37]. 또한 금속-절연체 전이를 기반으로 한 마이크로 온도계가 전자빔 가열을 상세히 정량 평가할 수 있습니다[38].

하지만 이러한 시도들은 저온 범위에만 적용 가능했습니다. 본 연구에서는 조사 전후 물질 구조 변화 분석과 우리가 개발한 장치 및 측정 기술[39, 40]로 직접 국소 온도를 측정함으로써, TEM과 SEM에서의 인시투 실험으로 6개 주문 크기의 온도 범위에 대한 나노스케일 e-빔 가열 효과를 분석했습니다. 10^3 K 이상의 온도에서는 반도체 및 금속 나노와이어, 금속 박막의 나노 스트라이프 형태 변화를 통해 e-빔 하 국소 온도를 추정했습니다. 10^3 K 미만에서 1 K의 일부분까지는 프리스탠딩 Si3N4 막에 제작된 마이크로/나노 TFTC 장치로 e-빔 하 국소 온도를 측정했습니다. e-빔 입사 강도에 대한 국소 최대 온도의 전체 스펙트럼은 e-빔 공정을 포함한 새로운 응용에 대한 귀중한 참고자료가 될 수 있습니다.

실험 세부사항

본 연구에 사용된 Si 나노와이어(NW)는 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 제작되었습니다[8]. Cu NW, Au NW, Ag NW는 다공성 양극 산화 알루미나 산화물 기판에서 전기화학적 증착 공정으로 제작되었습니다[41].

Pt-Cr 박막 열전대는 표준 클린룸 절차와 박막 증착 기술로 제작되었습니다[40]. Cr 박막은 Ar 가스에서 마그네트론 스퍼터링 시스템(PVD75, Kurt J. Lesker, USA)으로 증착되었습니다. 리프트오프 공정 후 Cr 패턴이 나타났고, Pt 패턴은 Cr 마커에 정렬되어 동일한 파라미터로 제작되었습니다. Pt 층의 접착층으로 3 nm 두께의 Cr을 미리 증착했습니다. Pt-Cr TFTC 어레이의 경우, 단계 프로파일러로 측정된 Pt와 Cr 박막 두께는 각각 90 nm, 50 nm였습니다. 각 4인치 웨이퍼에 4×4 배열로 16개의 동일한 다이가 설계되었습니다. 각 다이는 16 mm × 16 mm 크기로 하나의 TFTC 어레이 장치로 구성되었습니다. 각 TFTC 어레이는 24개의 TFTC로 구성되었으며, 접합 크기는 2.0 μm × 2.5 μm에서 8.0 μm × 8.5 μm 범위였습니다. TFTC 저항은 디지털 멀티미터(2400, Keithley)로 0.7~75.6 kΩ 범위에서 측정되었습니다. TFTC의 열전력은 자체 제작 플랫폼에서 15.0 ± 0.3 μV/K로 보정되었습니다.

Si (100) 기판상의 프리스탠딩 Si3N4 윈도우에 제작된 박막 마이크로 장치의 경우, 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 기술로 Si (100) 웨이퍼 양면에 400 nm 두께의 질화규소 층을 증착하여 우수한 기계적 특성을 보였습니다. 전면의 TFTC 장치 제작 후, 웨이퍼 후면에 정사각형 식각 윈도우를 패터닝하고 식각했으며, 습식 식각 공정으로 후면에서 Si 웨이퍼를 관통 식각하여 프리패터닝된 TFTC 어레이를 가진 프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우를 남겼습니다. 이는 SEM에서의 열 측정을 위한 것입니다.

집속 이온 빔(FIB) 밀링 실험은 FIB/SEM 듀얼 빔 820 시스템에서 수행되었으며, TFTC 접합 크기를 5.0 × 5.0 μm^2에서 1.0 × 1.0 μm^2로 줄였습니다. 빔 전류 12 pA, 가속 전압 30 kV의 Ga+ 이온 빔을 사용하여 크기를 줄였습니다.

Mg/B 박막의 인시투 어닐링 실험에서는 상업용 마그네슘 덩어리(99.99%)와 붕소(99.5%)를 Mg-B 다층 막 증착을 위한 증발원으로 사용했습니다. 증착 챔버의 기본 진공도는 약 5.0 × 10^-6 Pa였습니다. 15 nm 두께의 마그네슘 층이 첫 번째 층으로, 6H-SiC (0001) 기판 상에서 실온에서 전자빔 증착으로 증착되었습니다(Balzers UTT 400 초고진공(UHV) 코터). 그 후 10 nm B 층이 첫 번째 층 위에 증착되었습니다. Mg과 B 층이 기판 위에 번갈아 증착되어 [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4의 다층 구조를 가진 전구체 막이 SiC 기판 위에 형성되었습니다. Mg-B 다층 막의 총 두께는 100 nm로, 인시투 석영 발진기로 모니터링되었습니다. Mg:B 두께 비율 3:2(15 nm:10 nm = 3:2)는 Mg:B = 1:2 조성을 만족시킵니다. 상단 10 nm 두께의 붕소 층은 어닐링 중 Mg 손실을 어느 정도 줄이기 위한 캡 층으로 사용되었습니다. 전구체 막은 진공도 5.0 × 10^-3 Pa인 EBW-6 전자빔 용접기에서 후처리 어닐링되었습니다. 어닐링 전자빔의 가속 전압은 40 kV, 빔 전류는 3 mA였습니다. 전자빔 직경은 1.40 cm, 어닐링 지속 시간은 0.1-1.0 s였습니다.

TEM에서의 HIEB 실험은 200 kV Jeol 2010F 전계 방출 TEM에서 수행되었습니다. e-빔 전류는 패러데이 컵으로 약 5 nA로 측정되었습니다. e-빔 직경 0.5-1.0 nm에서 시료에 (0.6-2.5) × 10^6 A/cm^2의 공칭 전류 밀도가 생성되었습니다. TEM 시료는 에탄올에 분산된 NW 현탁액에서 레이스 카본 그리드로 준비되었습니다. NW 패터닝과 용접 절차는 참고문헌 [9]의 설명을 따랐습니다. SEM 실험은 EBW-3H 진공 전자빔 용접기와 전계 방출 SEM(FEI QUANTA 600F)에서 수행되었습니다. SEM 진공 챔버 내 장치와 챔버 외부 측정 기기 간의 복잡한 배선과 연결이 특별히 설계되어 구현되었습니다. SEM에서 다양한 스팟 크기(1-7, a.u.)와 가속 전압(2-30 keV)의 e-빔 조사 하 TFTC의 미약한 전압 신호 출력을 자체 제작 멀티플렉서와 Keithley 2182A 나노볼트미터로 측정했습니다[39].

결과

먼저 TEM의 나노스케일 e-빔이 피사체 표면에 유도할 수 있는 국소 온도의 상한 T_max를 조사했습니다. 수십 개의 실험적 증거가 HIEB 조사 하에서 고체 NW 표면층의 원자가 즉시 기화될 수 있음을 보여주었습니다[8, 42], 이는 해당 T_max 값이 피사체 물질의 기화 온도보다 높음을 나타냅니다. 그림 1은 200 kV 작동 전압과 5 nA e-빔 전류에서 TEM(Jeol 2010F)에서 얻은 전형적인 결과를 보여줍니다. e-빔은 0.5-1.0 nm 직경으로 집속되었으며, 그 강도는 60 nm 직경 Si NW에 1 nm 직경 구멍을 1초 이내에 뚫을 만큼 충분히 높았습니다. 그림 1a는 원래 Si NW로, 기울이기 조작을 위한 참조로 평행하게 25 nm Au NW가 위치해 있습니다. 그림 1b는 나노스케일 e-빔으로 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8초 동안 만든 Si NW의 8개 나노 구멍을 보여줍니다. 모든 구멍의 직경은 유사합니다: ~1.0 nm. 그림 1c, d는 시료가 인시투로 각각 10.0°와 20.0° 기울여진 후 동일한 Si NW의 측면도입니다. 0.5-1.0 nm 직경 e-빔으로 1초 조사 후 구멍이 전체 Si NW를 관통하여 뚫렸습니다. 조사 지속 시간이 1초에서 8초로 증가함에 따라 앞쪽 개구부와 아래쪽 개구부 직경 모두 확대되었지만, 관통 구멍의 중앙 영역은 유사한 1 nm 직경을 유지하여 그림 1b의 탑 뷰에서는 변하지 않은 것처럼 보입니다.

200 kV TEM에서 전류 5 nA, 0.5-1.0 nm 직경 HIEB로 60 nm 직경 단결정 Si NW에 1-8초 동안 각각 뚫린 8개의 1 nm 구멍을 보여주는 TEM 형태 이미지. a 25 nm 직경 Au NW와 함께 있는 원래 Si NW(이미지에서 검은색으로 나타남). b HIEB로 8개 나노 구멍이 생성된 후 이미지. c, d 인시투로 각각 10.0°와 20.0° 기울인 후 동일한 시료 이미지.

그림 1에서 제시된 사실은 1 nm 직경 HIEB 초점 지역 하의 Si 원자가 완전히 기화되었다는 것입니다. 유사하게, 이러한 1 nm 직경 HIEB는 Au NW에도 구멍을 뚫을 수 있습니다[8]. 논리적 결론은 국소 온도가 물질의 비점보다 높아야 한다는 것입니다. 표 1에서 보듯 Si의 비점은 3173 K, Au는 3081 K입니다. 두 경우 모두 HIEB 하 국소 온도는 3000 K 이상이었습니다. 이전 연구들은 나노물질의 녹는점이 벌크보다 약간 낮음을 보여주었습니다[43-45], 하지만 20-100 nm 크기에서 이 녹는점 감소는 두드러지지 않을 것으로 예상됩니다.

여기서 국소 온도가 너무 높아 직접 실제 온도를 측정할 방법은 없습니다. 접촉 열 센서의 경우 국소 온도가 센서의 녹는점 또는 비점보다 높았습니다. 비접촉 발광법의 경우, 국소 영역 크기가 광섬유에는 너무 작을 뿐만 아니라 전체 과정이 너무 빨라 신뢰할 수 있는 광학 측정이 불가능했습니다.

추정된 3000 K 이상의 높은 국소 온도는 논쟁을 일으킬 수 있습니다. 그림 1에 표시된 8개 나노 구멍의 국소 Si 원자 제거가 열적 가열에 의한 기화가 아니라 "녹온 효과"에 의한 것이라고 주장할 수 있습니다. HIEB로 나노 구멍 뚫기가 진정한 녹온 효과라면, 빔 직경을 늘려 HIEB 플럭스를 줄이면 긴 시간 척도에서 표면 원자 제거를 지속적으로 관찰할 수 있어야 합니다. 하지만 관찰된 것은 빔 강도에 대한 임계값이 존재하여, 이보다 낮으면 Si NW, Au NW 등의 드릴링 공정을 수행할 수 없다는 것이었습니다[8]. 200 kV TEM에서 각 전자의 운동 에너지가 약 10^-14 J로, Si 원자당 결합 에너지의 3개 주문 정도 크기임을 고려하면, 기화와 녹온 효과는 "드릴링" 과정에서 상승 효과를 냅니다. 따라서 국소 입자(여기서는 Si 원자)의 평균 운동 에너지에 비례하는 매개변수로 "공칭 국소 온도"를 정의하면, 8개 구멍 영역의 공칭 국소 온도는 Si의 비점보다 진정으로 높았습니다.

이전에 빔 전류 밀도가 10^3-5 A/cm^2 범위일 때 TEM의 e-빔이 프리스탠딩 NW(예: Au NW, Cu NW 등)에서 수 분 내 국소 용융을 유도할 수 있다고 보고되었습니다[8]. 관찰된 용융 효과는 이 금속 표면의 국소 온도가 표 1에 나열된 대로 1000-2000 K 범위임을 명확히 나타냅니다.

본 연구에서는 빔 강도가 충분히 높고 조사 시간이 수 분 지속될 때 SEM의 e-빔도 Si 상에 증착된 Pt와 Cr 박막에서 국소 용융 효과를 유도할 수 있음을 관찰했습니다. 이는 그림 2에 전형적으로 제시되어 있습니다. SEM 이미지(그림 2a)와 원자력 현미경(AFM) 이미지(그림 2b)에서 동일한 시료가 SEM의 고강도 e-빔 조사 후 두 Pt-Cr TFTC 접합 영역에 구멍과 돌출부가 있음을 볼 수 있습니다(빨간 화살표로 강조). Cr과 Pt의 녹는점은 각각 2130 K, 2045 K였습니다. 실험 결과는 e-빔 조사 하 표면 국소 온도가 이 금속들의 녹는점(~2000 K)보다 높음을 시사했습니다[46]. 용융 구멍에서 몇 마이크론 떨어진 접합 가장자리에서 발생한 돌출부는 Pt와 Cr 원자의 확산과 축적에 의해 형성된 것으로 보입니다. 그러나 동일한 Pt-Cr TFTC 센서로 조사 하 실시간 국소 온도 값을 얻지는 못했습니다. 2000 K의 국소 온도 증가를 보여주는 대신 100 K 미만의 증가를 측정했습니다. 나중에 논의하겠지만, 이 큰 차이는 두꺼운 Si 기판의 열 방산과 TFTC 센서의 큰 크기 때문이었습니다.

SEM에서 관찰된 국소 용융 효과. a Pt-Cr TFTC 어레이 시료 SEM 이미지, 두 구멍(빨간 화살표 강조)이 두 Pt-Cr TFTC 센서 접합 영역에서 e-빔 조사로 만들어짐. b 동일한 두 접합의 AFM 이미지, 두 구멍의 상세한 3D 정보 보여줌. c 400 nm 두께 프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우에 제작된 4개 Pd-Cr TFTC 센서. 윈도우 왼쪽 넓은 쪽의 두 TFTC(흰색 화살표 강조)가 집속된 785 nm 레이저로 소각됨. d 레이저로 소각되었을 때 Pd-Cr TFTC의 출력 피크.

고온 측정의 장치 신뢰성 우려로, 열 방산을 상쇄할 만큼 접합에 열을 집중시키는 고에너지 레이저를 이용한 참조 실험을 제공했습니다. 그림 2c는 400 nm 두께 프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우에 제작된 Pd-Cr TFTC 장치를 보여줍니다. Pt-Cr TFTC와 동일한 공정 파라미터로 제작된 Pd-Cr TFTC는 우리 팀원들이 의료용 레이저 측정에 사용했으며, 중요한 결과를 참조하여 이 유형 장치의 고온 신뢰성을 확인했습니다[47]. 79 mW(출력), 785 nm(파장) 레이저의 초점에 2초 조사했을 때 두 Pd-Cr 접합이 소각되었습니다(흰색 화살표 강조). 동시에 장치는 약 50 mV 근처의 출력 피크를 보였습니다. 실온에서 얻은 보정 결과인 약 20 μV/K를 사용하면 이는 약 2400 K의 공칭 피크 온도를 나타냅니다(그림 2d). 하지만 2400 K는 Pd 박막의 녹는점 1825 K보다 높습니다. 이 오차를 Pd와 Cr의 제벡 계수가 고온에서 변하기 때문으로 돌렸습니다. 그럼에도 불구하고, 우리 결과는 Si3N4 박막 윈도우에 제작된 TFTC 센서가 금속 스트라이프의 녹는점에 가까운 값, 즉 1800 K까지의 국소 온도 측정에 적용 가능함을 나타냈습니다.

SEM에서의 국소 온도 상한 T_max는 [Mg-B]_N 다층 박막 어닐링 실험으로도 밝혀졌습니다. 결과는 고강도 e-빔이 비정질 [Mg-B]_N 다층 박막에서 1초 내 상전이를 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 결과적으로 비정질 다층막이 부분적으로 MgB2 초전도 상으로 전환되었습니다[5-7]. 그림 3과 표 2는 몇 가지 전형적인 결과를 보여줍니다. 전구체 막은 [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4로 표기되며, 총 두께 100 nm로 준비되었습니다. 어닐링 e-빔의 가속 전압은 40 kV, 빔 전류는 각각 9.9 mA, 10.7 mA, 12.8 mA였습니다. 시료의 SEM 이미지는 다른 어닐링 전류가 막 표면의 다른 거칠기를 초래할 수 있음을 보여줍니다(그림 3). 10 × 10 μm^2 시료 영역에서 근방제곱평균(RMS) 거칠기는 각각 3.11 nm, 3.56 nm, 7.53 nm로 측정되었습니다. 이 시료들의 초전도 전이 온도 T_c는 각각 35.1 K, 35.8 K, 36.3 K로 나타났습니다(표 2). 이는 어닐링 온도가 Mg 증발, B 층으로의 확산, B와의 반응 속도에 중요함을 시사합니다. 더 큰 전류는 더 높은 어닐링 온도를 가져와 더 충분한 반응을 유도할 수 있습니다. MgB2 상도도에 따르면 초전도 MgB2 형성을 위한 상전이에 필요한 최소 온도는 900-1000 K였습니다. 따라서 e-빔이 900-1000 K 또는 그 이상의 국소 온도를 유도했음을 알 수 있습니다. 이 결과는 그림 2에 나타난 결과와 일치합니다.

SEM에서 HIEB로 어닐링된 SiC 기판상 [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4 다층막의 어닐링 전류 a 0 mA, b 9.9 mA, c 10.7 mA, d 12.8 mA에 따른 미세 사진.

입사 e-빔 강도가 더 낮아지거나 조사 지속 시간이 줄어들면, e-빔은 조사 하 표면에서 측정 가능한 국소 가열 효과를 일으킵니다. 그림 4는 전형적인 측정 결과 세트를 보여줍니다. 그림 4a는 본 연구에서 개발한 4종류의 TFTC 어레이 시료 중 하나의 광학 이미지입니다. 400-μm 두께 SiO2/Si(100) 기판에 제작된 이 장치는 24개의 동일한 Pt-Cr TFTC로 구성됩니다. 24개 접합은 각각 5.0 × 5.0 μm^2 면적으로 4열로 배치되어 이미지 중앙에 "십자" 패턴을 만듭니다. 그림 4b는 장치 중심의 SEM 이미지로, 더 밝은 빔이 Pt 스트라이프, 더 어두운 것이 Cr 스트라이프입니다.

Si 상 TFTC 시료 이미지 및 테스트 결과. a 접합 크기 5.0 × 5.0 μm^2인 Si 상 TFTC 어레이 광학 이미지. b 24개 센서 접합을 보여주는 장치 중심 SEM 이미지. c 다양한 가속 전압과 빔 전류에서 e-빔 조사 하 TFTC로 측정한 국소 온도 증가 결과.

그림 4c는 측정된 일부 데이터를 플롯합니다. 이들은 10, 15, 20, 25 kV의 다양한 가속 전압에서 e-빔 조사 하 서로 다른 TFTC 센서에서 취한 데이터로, 빔 전류를 증가시키며 측정했습니다. 빔 스팟 직경은 1 μm로 고정했고 측정 시간은 30초로 고정했습니다. 보정 실험에서 Pt-Cr TFTC의 평균 감도는 15.00 ± 0.29 μV/K, 상대 표준 편차 1.9%로 나타났습니다. 국소 온도 증가가 입사 e-빔 전류에 선형적으로 증가함을 보여줍니다. 이는 선형 표면 가열 효과, 즉 입사 e-빔의 전자 플럭스에 비례하여 국소 피사체 표면(여기서는 TFTC 접합)으로 변환된 가열 전력을 나타냅니다. 측정 오차 내에서 가열 전력은 가속 전압에도 비례했습니다. 그러나 아래에서 논의하겠지만, 측정된 데이터는 e-빔 중심의 정확한 국소 온도 증가보다 훨씬 낮았습니다.

토론

나노스케일 e-빔 하 국소 온도의 중앙 집중 분포

NW가 나노스케일 e-빔으로 조사될 때 중심 영역이 나머지 영역보다 훨씬 높은 온도를 가짐을 알았습니다. 그림 5a는 TEM에서 HIEB로 4개 나노 구멍이 뚫린 단결정 Si NW를 보여줍니다. 파란 화살표로 강조된 왼쪽 두 구멍은 직경 1.2-1.5 nm의 얕은 구멍으로 NW를 관통하지 않습니다. 빨간 화살표로 강조된 오른쪽 두 구멍은 직경 2.5 nm와 4.0 nm의 관통 구멍입니다. 구멍 주변의 나노 링 영역이 비정질 구조를 보이는 반면, NW의 나머지 부분은 원래 결정 구조를 유지함을 명확히 볼 수 있습니다. 예를 들어, 두 인접 구멍 사이의 중심 영역은 구멍 가장자리에서 불과 2-4 nm 떨어져 있지만 두 방향을 따라 명확한 결정 주기를 보입니다.

나노스케일 e-빔 조사 하 국소 온도 분포. a TEM에서 HIEB로 4개 나노 구멍이 뚫린 단결정 Si NW. 두 얕은 구멍은 파란 화살표, 두 관통 구멍은 빨간 화살표로 강조. b 중심점에서 거리에 따른 국소 온도 T(r) 함수 추정.

이 현상은 나노 e-빔 하에서 조사 대상 중심이 최고 온도를 가지며, 이 중심에서 멀어질수록 국소 온도가 급격히 감소함을 시사합니다. 그림 5b는 가정을 도식적으로 보여줍니다: T(r) 함수는 델타 함수와 유사하며, T는 국소 온도, r은 e-빔 중심점에서 거리입니다. e-빔 직경이 증가하면 T(r) 곡선 중간에 포화 영역인 고원이 생기고, 빔 직경이 더 증가하면 이 고원의 포화 영역이 커질 것으로 가정할 수도 있습니다.

위 국소 온도 분포 가정은 그림 4a에 전형적으로 표시된 TEM 관찰 외에도, SEM에서 약한 e-빔 하 우리 TFTC 어레이로 정성적으로 테스트되었습니다. 그림 6a는 Si 웨이퍼에 제작된 Pt-Cr TFTC 어레이의 정면 SEM 이미지입니다. 그림 6b에서 독특한 측정 결과를 제시합니다. 데이터는 e-빔이 1 μm 빔 크기로 집속되고, e-빔 초점이 각 Pt-Cr TFTC 센서의 Pt 또는 Cr 빔 상에서 인시투로 이동하는 조건에서 얻었습니다. 초점에서 TFTC 접합 영역까지의 거리를 신중히 측정했습니다. 이 실험 설정에서 초점의 국소 온도는 거의 동일하다고 가정했으며, 거리가 변함에 따라 측정된 데이터가 현저히 다름을 확인했습니다. 결과는 접합 영역에서 1.5 mm 거리 이후에는 초점 e-빔에 의한 열 효과가 거의 무시할 수 있음을 보여주었습니다.

TFTC 어레이 및 측정 결과. a Si3N4/Si(100)/Si3N4 웨이퍼 전면의 Pt-Cr TFTC 어레이 시료 SEM 이미지. 장치 중앙의 TFTC 어레이는 24개 TFTC로 구성되며, 접합 크기는 2.0 × 2.5에서 8.0 × 8.5 μm^2 범위. b 직경 1 마이크로로 집속된 e-빔이 TFTC의 두 금속 박막 스트라이프(Pt와 Cr) 상의 특정 지점을 조사할 때, Pt-Cr 접합 영역까지 특정 거리에서 한 TFTC 센서로부터 측정된 출력.

센서 크기의 측정 결과에 미치는 영향

TFTC의 접합 크기가 측정 결과에 중요한 영향을 미침을 발견했습니다. 24개 Pt-Cr TFTC가 있는 Si에서 원래 접합 크기는 5.0 × 5.0 μm^2였습니다. 집속 이온 빔(FIB) 기술로 일부 접합을 1.0 × 1.0 μm^2의 더 작은 접합 크기로 만들었습니다(그림 7a, b). 동일한 e-빔 조사 하에서, 접합 크기 1.0 × 1.0 μm^2인 TFTC에서 얻은 출력이 5.0 × 5.0 μm^2 접합 크기 TFTC보다 훨씬 높았습니다(그림 7c). 예를 들어, 가속 전압 15 kV, 빔 전류 113.3 nA의 e-빔 조사 시, 5.0 × 5.0 μm^2 접합 크기 TFTC는 35.0 K의 국소 온도 증가를 측정했습니다. 동일한 조건에서 1.0 × 1.0 μm^2 접합 크기 TFTC는 161.4 K의 증가를 측정했는데, 5배 향상되었습니다. 이는 나노-마이크로스케일 e-빔 하 피크 표면 온도가 매우 작은 영역에 국한됨을 다시 확인시켰습니다.

TFTC 어레이 SEM 이미지 및 측정 결과. a 두꺼운 Si 웨이퍼상 Pt-Cr TFTC 어레이, 동일 원래 접합 크기 5.0 × 5.0 μm^2. 한 접합(노란 점선 프레임 강조)이 FIB로 1.0 × 1.0 μm^2 접합 영역으로 절단됨. b (a)의 FIB 제작 접합 영역 SEM 이미지. c 동일한 e-빔 조사 하 원래 TFTC와 작은 접합 TFTC의 측정된 출력.

프리스탠딩 Si3N4 윈도우의 측정 결과에 미치는 영향

우리 TFTC 센서의 기판은 나노-마이크로스케일 e-빔 조사 하 피사체의 최대 국소 표면 온도에 중요한 역할을 합니다. 기판이 두꺼우면 기판을 통한 열 방산이 피사체 표면의 국소 열 축적보다 훨씬 클 수 있습니다. 결과적으로 측정된 국소 온도는 입사 e-빔이 유도할 수 있는 가능한 T_max보다 훨씬 낮을 수 있습니다.

일반적으로 입사 나노-마이크로스케일 e-빔은 조사 하 피사체 표면에 Q = P·Δt·γ 양의 국소 열을 생성합니다. 여기서 P는 입사 운동 전력, Δt는 시간 지속 시간, γ는 변환율입니다. 상대론적 효과를 무시하면 대략 P·Δt·γ = I·V·Δt·γ이며, I는 빔 전류, V는 가속 전압입니다. 일부 열은 기판, TFTC 리드, 복사로 방산될 것으로 예상됩니다. 남은 부분은 TFTC 센서로 측정 가능한 국소 표면 온도 증가를 유발합니다. 즉, Q = Q_substrate + Q_lead + Q_radiation + Q_sensor이고, Q_sensor = C·ΔT + λ입니다. 여기서 Q_substrate, Q_lead, Q_radiation은 각각 기판, 센서 리드, 복사 효과를 통한 열 방산 열을 나타냅니다. Q_sensor는 센서로 측정된 남은 열에 대응하며, C는 센서 접합의 열용량, ΔT는 TFTC 냉단 대비 국소 온도 증가, λ는 상전이 잠열입니다. 이전 연구에서 동일한 e-빔 조사 하 프리스탠딩 Si3N4 윈도우에 제작된 TFTC 센서의 측정된 출력이 두꺼운 Si 웨이퍼상 동일 센서보다 10-30배 더 큼을 보였습니다[40]. 이 향상 인자는 Q_substrate가 Q_sensor보다 훨씬 큼을 나타냅니다.

변환율 γ(일부 문헌에서 열효율 값으로 언급)는 평균 운동 에너지에 크게 의존함을 알았습니다. 가속 전압 70 kV의 용접 전자빔의 변환율 γ가 0.33-0.48 범위임이 밝혀졌으며, 이 비율이 용접 기하학과 거의 상관없음이 확인되었습니다[48]. 저에너지 고전류 펄스 전자빔(LEHCPEB) 조사 하에서 강철 표면에 균질 층이 형성되어 내식성이 극적으로 향상됨을 실험으로 나타냈습니다[49]. 그러나 우리 TEM 실험에서 γ 값은 1보다 몇 개 주문 더 낮았습니다. 근본적인 물리학은 추가 조사가 필요합니다.

본 연구의 결과와 논의를 그림 8에 요약했습니다. TEM 또는 SEM에서의 고강도 e-빔 조사 실험 결과는 서로 일치했습니다. Au NW, Cu NW, Pt, Cr 박막 스트라이프에서 관찰된 국소 용융 현상으로 TEM과 SEM 모두에서 1800-2000 K 이상의 국소 표면 T_max가 달성 가능함이 밝혀졌습니다. TEM에서는 본 연구에서 조사된 나노물질이 자연적으로 프리스탠딩이므로, Si NW와 Au NW 나노 드릴링 실험 관찰로부터 3000 K 이상의 T_max가 평가되었습니다. 1 nm 직경 e-빔으로 수 초 내 국소 기화 효과가 유도되었습니다.

나노/마이크로스케일 e-빔 조사 하 공칭 국소 온도의 전체적 그림 예시. 회색 타원은 두꺼운 Si 웨이퍼상 작은 TFTC와 큰 TFTC 간 비교를 나타냄. 노란 타원은 두꺼운 Si 웨이퍼상 TFTC와 프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우상 TFTC 간 비교를 나타냄. T > 1500 K 데이터 포인트는 형태나 상변화로부터 추정된 값.

프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우상 TFTC가 10-30배 향상된 감도를, 1-μm 폭 TFTC 센서가 5-μm 폭 TFTC보다 5배 더 높은 감도를 가짐을 보였습니다. 이는 두꺼운 기판과 넓은 리드 모두 많은 국소 열을 방산하기 때문입니다. 나노 및 마이크로스케일에서 정밀한 국소 표면 온도 측정을 위해서는 이상적으로 TFTC 센서를 가능한 작게 제작하고, 프리스탠딩 Si3N4 박막 윈도우나 파릴렌 층 같은 열 격리층 위에 제작해야 합니다.

결론

요약하자면, 나노-마이크로스케일 e-빔 조사 하 국소 표면 온도 측정과 추정을 위한 여러 접근법을 조사했습니다. 10^5-6 A/cm^2 e-빔은 Si와 Au를 수 초 내 국소 기화시켜 3000 K 이상의 온도를 보였습니다. 10^3-4 A/cm^2 강도의 e-빔은 Cr, Pt, Pd 박막 스트라이프, Au와 Cu 나노와이어의 국소 용융, Mg-B 박막의 상전이를 유도하여 1000-2000 K의 국소 온도를 나타냈습니다. 프리스탠딩 Si3N4 윈도우에 제작된 TFTC 어레이가 1500 K 이상의 피크 온도 검출에 잘 작동함을 입증했습니다. 표면 형태 분석 기술, 전기 측정, TFTC 센서를 결합하여 넓은 범위의 국소 온도를 추정할 수 있었습니다. 또한 e-빔 하 표면 온도 분포, 두꺼운 기판의 열 방산, e-빔의 높은 운동 에너지가 표면 열로 변환되는 작은 변환율에 대해 논의했습니다.

본 결과는 e-빔 응용에 도움이 되며, 1500-3000 K 범위 고온에 대한 새로운 센싱 기술과 평가 방법 개발에 귀중한 단서를 제공할 수 있습니다.

약어

AFM:

원자력 현미경

EELS:

전자 에너지 손실 분광법

FIB:

집속 이온 빔

HIEB:

고강도 e-빔

LPCVD:

저압 화학 기상 증착

NW:

나노와이어

SEM:

주사 전자 현미경

STEM:

주사 투과 전자 현미경

TEM:

투과 전자 현미경

TFTC:

박막 열전대

UHV:

초고진공