JP4768852B2 - 探針顕微鏡の自動ランディング方法及びそれを用いる自動ランディング装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、探針顕微鏡の自動ランディング方法及びそれを用いる自動ランディング装置に係り、より詳細には、さらに効果的で信頼性ある探針顕微鏡の自動ランディング可能な自動ランディング方法及び自動ランディング装置に関する。

〔背景技術〕
通常、探針顕微鏡は、微細な探針（プローブ）によって試料の表面を走査しながら試料との間の相互作用を検出することによって、試料の表面の形状や物理量を検出して映像化することができる顕微鏡であって、前記相互作用として探針と試料との間に流れる電流を用いる走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）や探針と試料との間に作用する原子間力を用いる原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）などがある。

図１は、一般的な走査探針顕微鏡（モデル：ＸＥ−１００、Ｐａｒｋ ＳＹＳＴＥＭ、大韓民国）の構造を表わす写真であり、図２は、走査探針顕微鏡の構造を表わすブロック図である。

図１及び図２を参照すれば、一般的に探針顕微鏡は、サンプルの表面上に探針をランディング（測定可能な範囲まで接近）させるために二種の段階に駆動されるが、先ず探針を試料（サンプル）の近似距離まで迅速に接近させるコース（ｃｏａｒｓｅ）動作段階と以後近似距離まで接近した探針を試料まで精密に接近させる微細（ｆｉｎｅ）動作段階である。それのために、チップと連結された２個のステージ（コース、微細）を用いることが一般的であるが、このようなコース及び微細動作を利用した探針顕微鏡のランディング方式は、大きく２種類に区分することができる。そのうちの一つは、映像情報表示装置を介したユーザーの操作及び経験でコース動作を遂行した後、以後自動化方式によって微細動作を遂行する半自動方式であり、残りの一つは、コース動作及び微細動作領域ですべてＰＳＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）を利用し、各目標点（ｓｅｔ ｐｏｉｎｔ）と探針の駆動段階とを比べながら、条件を満足させるまで自動的に探針を駆動させる自動化方式である。

しかし、半自動ランディング方式は、ユーザーが経験的な知識を用いて直接操作するために熟練度によってランディング速度などの効率性が決定される問題があり、また、ユーザーの主観的基準によって自動モード転換時点（すなわち、コース動作領域の終了時点）が決定されるために一貫性がなく、また、試料とカンチレバーなどの初期値が変わる場合、ユーザーの経験による領域設定が再要求される問題がある。さらに、自動化検査装置に適用した場合、毎測定時にユーザーの主観的な操作が要求されるので、検査時間が過度に長くなる問題もある。

一方、自動ランディング方式は、試料とカンチレバーとの距離に拘わらず、一定の間隔でＰＳＤ信号と目標点（ｓｅｔ ｐｏｉｎｔ）とを、毎段階比べる方式であって、コース動作でユーザーによって迅速に駆動される半自動方式に比べて長時間がかかり、試料とカンチレバーとの距離が試料またはカンチレバーの取り替えなどによる変化がある場合、一定のランディング時間を予測することができない問題がある。

〔発明の開示〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明が解決しようとする一番目の課題は、より効果的に短時間内に試料の凹凸などの条件変化にも一定の速度及び時間を具現することができる探針顕微鏡の自動ランディング方法を提供することである。

本発明が解決しようとする二番目の課題は、前述したランディング方法を具現するための探針顕微鏡の自動ランディング装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕
前記一番目の課題を解決するための本発明は、光源を用いてカンチレバーに光を照射する段階と、前記カンチレバーのエッジで回折されてサンプル表面に入射される光によって発生した干渉縞を収集する段階と、前記干渉縞のパターンが既定のパターンに至るまで前記チップを前記サンプル方向に第１駆動させる段階と、前記一つの干渉縞が形成された以後、前記カンチレバーを前記サンプル方向に第２駆動させる段階と、を含むことを特徴とする探針顕微鏡の自動ランディング方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記第１駆動は、加減速プロファイルに基づいて遂行されることができ、また、前記第１駆動は、前記カンチレバーに連結されたコースステージを用いて前記カンチレバーを駆動させながら遂行され、前記第２駆動は、前記カンチレバーに連結された微細ステージを用いて遂行されることができる。前記第１駆動段階で干渉縞の収集とチップ駆動とが同時に進行されることができ、このとき、収集された前記干渉縞を用いて前記チップ駆動をフィードバック制御することができる。

本発明の一実施形態において、前記第２駆動段階でＰＳＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）信号を用いて前記チップの駆動をフィードバック制御することができる。

本発明の一実施形態において、前記収集された干渉縞を用いて前記チップとサンプルとの距離を下記数式１に基づいて計算してユーザーに提供することができる。

前記数式で、ａは、前記光源とカンチレバーとの距離、ｂは、チップとサンプル表面との距離、λは、レーザー光源の波長、ｌは、カンチレバーとサンプルの表面に生じる干渉縞の最も近接した距離であり、ｖは、フレネル数（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｎｕｍｂｅｒ）である。

前記二番目の課題を解決するための本発明は、探針顕微鏡のカンチレバーに光を照射する光源部と、前記カンチレバーのエッジで回折されてサンプル表面に入射されるレーザービームによって発生する干渉縞を収集する映像情報収集部と、既定の干渉縞のパターンと前記映像情報収集部によって収集された干渉縞のパターンとを比べて、前記チップの動作プロファイルを決定し、これにより、チップの駆動信号を下記ランディング部に提供する制御部と、前記制御部からの駆動信号に基づいて前記チップを駆動させるランディング部と、を含むことを特徴とする探針顕微鏡の自動ランディング装置を提供する。前記制御部は、もし、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹することができない場合、第１駆動信号を前記ランディング部に提供し、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹する場合、第２駆動信号を前記ランディング部に提供することができる。

本発明の一実施形態において、前記第１駆動信号は、前記収集された干渉縞のパターンをフィードバック信号にして制御され、前記第１駆動信号に基づいて前記チップと連結されたコース動作ステージによって前記チップが駆動されることができ、また、前記第２駆動信号に基づいて前記チップと連結された微細動作ステージによって前記チップが駆動されることができる。また、前記制御部は、前記チップとサンプル表面との距離を前記数式１を用いて計算することができる。

〔発明の効果〕
本発明による探針顕微鏡のランディング方法は、試料の凹凸などの条件変化にも拘わらず、一定にランディング段階を区分してチップを自動ランディングすることができるので、特に、大面積のサンプルの場合に非常に効果的である。さらに、迅速にチップをサンプル近似距離まで信頼性あるように駆動させることができるので、非常に経済的で効果的な探針顕微鏡の応用が可能である。

〔発明を実施するための最良の形態〕
以下、図面などを用いて本発明を詳しく説明するが、下記の内容は、本発明を例示するためのものであり、本発明を限定するか制限していない。理解の便宜上、たとえ他の図面に属しても、同一の構成要素には、同一の符号を付与したということを注意しなければならない。

図３は、本発明による探針顕微鏡のランディング方法についてのフローチャートである。

図３を参照すれば、先ず光源を用いてカンチレバーに光を照射するが、このとき、カンチレバーに照射される光のうち前記カンチレバーのエッジに入射される光は回折されてチップの下端に離隔して位置させたサンプル表面に干渉縞を作る。

以後、前記チップを前記サンプル方向に第１駆動させるが、このとき、前記サンプル表面の干渉縞のパターンは次第に収斂する形態に変わるが、本発明は、このように収斂される干渉縞のパターンが既定の干渉縞のパターン領域に到逹する場合、前記第１駆動段階を終了し、相異なる動作プロファイルを有する第２駆動段階を開始する。

以下、本発明による干渉縞のパターンの変化をより詳しく説明する。

図４は、本発明によるサンプル表面の干渉縞の発生を表わす図面である。

図４を参照すれば、光源９から照射される光のうちカンチレバー４のエッジ４ａで回折される光は、サンプル表面上に干渉縞４ｂないし４ｄを形成する。前記干渉縞のパターンは、カンチレバー４とサンプル６との距離が近くなることによって、次第に収斂する形状を表わすが、本発明は、サンプル表面上に形成される干渉縞のパターンのうち、特に最大強度を有する干渉縞のパターンに基づいてカンチレバーとサンプルとの間の一定の距離を測定、予想し、これに基づいて探針顕微鏡のランディング段階を区分する。

また、本発明の一実施形態において、前記第１駆動及び第２駆動は、それぞれコースステージ及び微細ステージの動作によるコース及び微細駆動であることができるが、以下、図面を用いて詳しく説明する。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明による探針顕微鏡のランディング部を表わす模式図である。

図５Ａを参照すれば、チップ５は、コースステージ１及び微細ステージ２と連結されていることが分かる。すなわち、収集された干渉縞のパターン、特に最大強度の干渉縞のパターンが既定の干渉縞のパターン領域に到逹しなければ、前記チップの駆動を前記コースステージによって遂行するが、特に、本発明の一実施形態では、ランディング装置の機械的損傷を最小化しながら、ランディング時間を最小化するために最大速度まで加速、維持した後、これを再び減速する加減速プロファイルに基づいて前記第１駆動を遂行する。

図５Ｂを参照すれば、収集された干渉縞のパターンが既定の干渉縞のパターンである場合、前記チップの駆動は、第２駆動段階になり、本発明の一実施形態では、微細な制御が可能な微細ステージ２によって前記チップの第２駆動を遂行する。したがって、本発明の前記一実施形態において、第１駆動は、チップを迅速にサンプルの近似距離まで接近させるコース動作（ｃｏａｒｓｅ ｍｏｔｉｏｎ）ということができ、前記第２駆動は、チップを精密にサンプルまで接近させる微細動作（ｆｉｎｅ ｍｏｔｉｏｎ）ということができ、このようなコース動作と微細動作の自動区分のための本発明は、サンプル表面上に形成された干渉縞のパターンを用いる。しかし、干渉縞のパターンを利用した探針顕微鏡のランディング方法を具現することができる限り具体的な具現手段が相異なると言っても、これは本発明の範囲に属する。

以下、図面を用いてより詳しく本発明による探針顕微鏡のランディング方法をより詳しく説明する。

図６は、本発明の一実施形態による探針顕微鏡のランディング方法を表わす図面である。

図６を参照すれば、先ず（ａ）段階で、前記サンプル表面に形成された干渉縞は広く発散された形態であり、前記収集された干渉縞のグラフ、特に最も高強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を表わすピークが既定の領域Ｓ．Ｐ範囲を外れるパターンを表わす。この場合、本発明は、ランディング部のチップを既定のプロファイルに基づいて第１駆動させるが、本発明の一実施形態では、前記第１駆動を前記チップと連結されたコースステージの加減速プロファイルに基づいて進行する。

以後、引き続いてサンプル方向に前記チップを既定の加減速プロファイルに基づいて接近させるが、このとき、前記分散された形態の前記干渉縞は、次第に収斂するパターンを表わす（（ｂ）段階参照）。以後、持続的に前記チップをサンプル方向に第１駆動させれば、収集された前記干渉縞のパターン、特に最大強度を表わすピークが前記既定の領域Ｓ．Ｐ以内に入って来るが、このとき、前記チップの第１駆動は終了し、以後、第２駆動を開始する。したがって、本発明は、収集された干渉縞の映像をフィードバックして前記第１駆動段階を制御、加減速するが、このような加減速プロファイルは、下記説明される探針顕微鏡の制御部によって決定、提供されることができる。

図７Ａないし図７Ｃおよび図８Ａないし図８Ｃは、本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。

図７Ａないし図７Ｃを参照すれば、チップとサンプル表面との距離が近くなるほどサンプル表面上に形成された干渉縞は、次第に収斂することが分かる。このとき、ユーザーが既定のパターンに収集された干渉縞が到逹する場合、収集されたコース動作段階が終了する。

図８Ａないし図８Ｃを参照すれば、既定のパターン領域に収集された干渉縞のパターンが到逹した後、前記チップの微細動作段階が開始されるが、このとき、ＰＳＤ信号をフィードバック信号にして前記チップの微細動作をフィードバック制御することができる。

また、本発明の一実施形態において、前記収集された干渉縞を用いて前記チップとサンプルとの距離を前記数式１に基づいて計算してユーザーに提供して、チップとサンプルとの距離をユーザーがリアルタイムで確認することができる。すなわち、本発明で、サンプル表面上で収集された干渉縞は、探針顕微鏡のランディング速度段階を決定するだけではなく、高信頼性のチップとサンプルとの距離をユーザーに提供することができる。

前記二番目の課題を解決するための本発明は、前記探針顕微鏡のカンチレバーに光を照射する光源部と、前記カンチレバーのエッジで回折されてサンプル表面に入射されるレーザービームによって発生する干渉縞を収集する映像情報収集部と、既定の干渉縞のパターンと前記映像情報収集部によって収集された干渉縞のパターンとを比べて、前記チップの駆動プロファイルを決定し、これにより、チップの駆動信号を下記ランディング部に提供する制御部と、前記制御部からの駆動信号に基づいて前記チップを駆動させるランディング部と、を含む探針顕微鏡の自動ランディング装置を提供する。

すなわち、本発明による探針顕微鏡の自動ランディング装置は、映像情報収集部から収集された干渉縞の情報を既定の干渉縞のパターンと比べて、チップの動作プロファイルを決定する制御部を含むが、もし、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹することができない場合、前記制御部は、第１駆動信号を前記ランディング部に提供する。以後、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹する場合、前記制御部は、第２駆動信号を前記ランディング部に提供する。

本発明による探針顕微鏡の自動ランディング装置で前記第１駆動信号は、前記収集された干渉縞のパターンをフィードバック信号にして制御されることができる。また、本発明の一実施形態において、前記第１駆動信号に基づいて前記チップと連結されたコース動作ステージによって前記チップが駆動されることができる。これにより、サンプル表面の凹凸に構わずに既定の干渉縞のパターンが表われる前までは迅速にチップをコース動作プロファイルに基づいて駆動させることができ、従来の技術に比べてより迅速で信頼性あるランディング調節が可能となる。

以後、前記収集された干渉縞が既定のパターン領域に到逹する場合、前記制御部は、第２駆動信号を前記ランディング装置に提供するが、本発明の一実施形態では、前記第２駆動信号に基づいて前記チップと連結された微細動作ステージによって前記チップが駆動される。これにより、より多い時間を必要とする微細動作に必要な時間を効果的に減らすことができ、信頼性あるチップの微細動作を果たすことができる。

本発明による前記ランディング装置の制御部は、前記数式１に基づいて前記映像収集装置によって収集された映像信号を用いてチップとサンプル表面との距離を計算して、これをユーザーにフィードバックすることができる。

〔産業上の利用可能性〕
本発明は、探針顕微鏡の自動ランディング方法及びそれを用いる自動ランディング装置に関連する分野に適用されうる。

一般的な走査探針顕微鏡の構造を表わす写真である。 走査探針顕微鏡の構造を表わすブロック図である。 本発明による探針顕微鏡のランディング方法についてのフローチャートである。 本発明によるサンプル表面の干渉縞の発生を表わす図面である。 本発明による探針顕微鏡のランディング部を表わす模式図である。 本発明による探針顕微鏡のランディング部を表わす模式図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡のランディング方法を表わす図面である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。 本発明の一実施形態による探針顕微鏡ランディング方法をより詳しく説明する段階図である。

Claims (13)

1. カンチレバー、前記カンチレバーに結合されたチップ、前記カンチレバーの上部に離隔して位置させた光源を含む探針顕微鏡のランディング方法において、
   前記光源を用いて前記カンチレバーに光を照射する段階と、
   前記カンチレバーのエッジで回折されてサンプル表面に入射される光によって発生した干渉縞を収集する段階と、
   前記干渉縞のパターンが既定のパターン領域に到逹するまで前記チップを前記サンプル方向に第１駆動させる段階と、
   前記干渉縞のパターンが前記既定のパターン領域に到逹した後、前記チップを前記サンプル方向に第２駆動させる段階と、を含むことを特徴とする探針顕微鏡の自動ランディング方法。
2. 前記第１駆動段階は、加減速プロファイルに基づいて遂行されることを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法。
3. 前記第１駆動段階は、前記カンチレバーに連結されたコースステージを用いて遂行されることを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法。
4. 前記第２駆動段階は、前記カンチレバーに連結された微細ステージを用いて遂行されることを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法。
5. 前記第１駆動段階で干渉縞の収集とチップの駆動とは同時に進行し、収集された前記干渉縞を用いて前記チップの駆動をフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法。
6. 前記第２駆動段階でＰＳＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）信号を用いて前記チップの駆動をフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法。
7. 前記収集された干渉縞を用いて前記チップとサンプルとの距離を下記数式に基づいて計算してユーザーに提供することを特徴とする請求項１に記載の探針顕微鏡の自動ランディング方法；
   

   

   （ここで、ａは、前記光源とカンチレバーとの距離、ｂは、チップとサンプル表面との距離、λは、レーザー光源の波長、ｌは、カンチレバーとサンプルの表面に生じる干渉縞の最も近接した距離であり、ｖは、フレネル数（Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｎｕｍｂｅｒ）である）。
8. カンチレバー及び前記カンチレバーの結合されたチップを含む探針顕微鏡において、
   前記探針顕微鏡のカンチレバーに光を照射する光源部と、
   前記カンチレバーのエッジで回折されてサンプル表面に入射されるレーザービームによって発生する干渉縞を収集する映像情報収集部と、
   既定の干渉縞のパターンと前記映像情報収集部によって収集された干渉縞のパターンとを比べて、前記チップの動作プロファイルを決定し、これにより、チップの駆動信号を下記ランディング部に提供する制御部と、
   前記制御部からの駆動信号に基づいて前記チップを駆動させるランディング部と、を含むことを特徴とする探針顕微鏡の自動ランディング装置。
9. 前記制御部は、
   もし、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹することができない場合、第１駆動信号を前記ランディング部に提供し、前記収集された干渉縞のパターンが前記既定の干渉縞のパターンに到逹する場合、第２駆動信号を前記ランディング部に提供することを特徴とする請求項８に記載の探針顕微鏡の自動ランディング装置。
10. 前記第１駆動信号は、
    前記収集された干渉縞のパターンをフィードバック信号にして制御されることを特徴とする請求項９に記載の探針顕微鏡の自動ランディング装置。
11. 前記第１駆動信号に基づいて前記チップと連結されたコースステージによって前記チップが駆動されることを特徴とする請求項９に記載の探針顕微鏡の自動ランディング装置。
12. 前記第２駆動信号に基づいて前記チップと連結された微細ステージによって前記チップが駆動されることを特徴とする請求項９に記載の探針顕微鏡の自動ランディング装置。
13. 前記制御部は、
    前記チップとサンプル表面との距離を下記の数式を用いて計算することを特徴とする請求項８に記載の探針顕微鏡の自動ランディング装置；
    

    

    （ここで、ａは、前記レーザー光源部とカンチレバーとの距離、ｂは、チップとサンプル表面との距離、λは、レーザー光源の波長、ｌは、カンチレバーとサンプルの表面に生じる干渉縞の最も近接した距離であり、ｖは、フレネル数である。

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