KR100255578B1 - 원자 분해능을 갖는 미세 위치 설정 장치 - Google Patents

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하인리히 로흐러
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포만 제프리 엘
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Abstract

유도성 액츄에이터(2, 3)을 포함하는 미세 위치 설정 장치가 제공된다. 종래의 유도성 액츄에이터가 제공하는 1㎛에 비해 1nm 이하의 위치 설정 정밀도가 달성된다. 바람직한 실시예들에서 자기 액츄에이터의 운동은 기계적 수단(5, 6, 35)에 의해 감쇠, 즉 줄어들므로 액츄에이터를 이동시키는데 필요한 전류량을 증가시키게 된다. 본 미세 위치 설정기는 주사 탐침 현미경 분양에서 사용될 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
원자 분해능을 갖는 미세 위치 설정 장치
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 원자 분해능(atomic resolution)을 가진 미세 위치 설정(fine positioning) 장치에 관한 것으로, 특히 주사 탐침(scanning probe) 기술이나 저장 장치에 이용될 수 있는 미세 위치 설정 장치에 관한 것이다.
[발명의 배경]
본 발명의 한가지 기술 분야는 1982년 H. Rohrer와 G. Binning이 발견한 주사 터널링 현미경(Scanning Tunning Microscope; STM)으로부터 발전되어 온 주사 탐침 기술이다. 예컨대 특허 US-A-4 343 933에 개시된 STM은 다양한 기구들을 개발하는 계기가 되었다. 이 기구들은 원자 분해능, 즉, 100nm에서 0.1nm에까지 이르는 분해능을 가지고 표면 및/또는 표면 상단의 원자나 분자들을 조사하여 처리하도록 설계되어 있다. 주사 탐침 기구들의 공통된 특성은 정점(apex)의 곡률반경이 100nm 또는 그 이하인 미세 팁(fine tip), 즉 탐침이다. 탐침은 이하에서 상세히 설명될 개략(coarse) 및 미세(fine) 위치 설정 장치를 이용하여 어떤 시료의 표면 위로 주사된다. 모든 종류의 표면 분석을 다루고 초미세 현상을 영상화시킬 때에 현재 널리 이용되고 있는 과학 도구에 쓰이는 STM과 그 파생물을 만드는 기술을 극히 높은 분해능으로 갖게 하면서 구현하는 것은 원리적으로 간단하다.
STM 이외에도, 주사 탐침 기술은 1986년에 G. Binning(US-A-4 724 318)이 창안하고 계속해서 더욱 발전된(예컨대, US-A-5 144 833 참조) 원자력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)을 포함한다. 자기 영역(magnetic domain)들의 영상은 「Appl. Phys. Lett. 55(1989), pp. 318ff」에서 H.J. Mamin 등이 발표한 자기력 현미경 사용법(Magnetic Force Microscopy)에서 얻어졌다. 주사 용량 현미경(Scanning Capacitance Microscope)은 특허 US-A-5 065 103에서 알려져 있고, 주사 음향 현미경(Scanning Acoustic Microscope)은 US-A-4 646 573에서, 주사 열 프로파일러(Scanning Thermal Profiler)는 US-A-4 747 698에서 알려져 있다. 주사 탐침 기술은 또한 회절에 의해 제한되지 않는 분해능을 갖는 광학 현미경에서도 이용된다. 예컨대 US-A-4 604 520에 기술된 이들 소위 주사 근시야 광학 현미경(Scanning Near-field Optical Microscope)에서는 탐침은 기본적으로 시료 표면 부근에서 광을 수신 또는 방출하는 작은 구멍에서 종단(ending)하는 광파용 도파관으로 이루어진다. 본 발명은 위해서는 이들 모두와 이에 관련된 기술들을 주사 탐침 현미경법(Scanning Probe Microscopy; SPM)이라 한다.
그러나, SPM은 시료 표면에 상대적으로 탐침, 즉 팁의 위치를 설정하고 주사하기 위해 제공되는 정확한 주사 시스템에 결정적으로 달려 있다. 관습에 따라, 표면에 평행한 평면 내의 방향을 ‘x’와 ‘y’로 표시하고, 이 평면에 수직인 방향을 ‘z-축’이라고 한다. 명백하게 이 주사 시스템은 주사 탐침 장치의 분해능에 결정적인 영향을 끼친다. 원자 분해능을 달성하기 위해서는 이 주사 시스템은 z 방향에 대한 요건을 기타 다른 방향에 대한 요건보다 더 강력하게 하면서 0.1nm 또는 그 이하의 정밀도로 제어 가능한 변위를 실행할 수 있어야 한다. 주사 탐침 장치에 대한 이상적인 주사 시스템은 3개 차원 모두에서, 특히 z 방향에서 시료에 상대적인 팁의 위치를 정확하게 제어하면서 x,y 평면에서 큰 주사 범위를 조합해야 한다. 요건 모두를 충족하기가 어렵기 때문에 모든 공지된 SPM 장치는 2단계 위치 설정 시스템을 응용한다. 즉, 개략적 위치 설정기는 거리 범위가 미세 주사기에 의해 커버될 수 있을 때까지 시료를 탐침 가까이로 이동시킨다. 미세 주사기 단독으로도 필요한 정밀도를 달성하는 것이 가능하므로 원자 분해능으로 영상화 및 조작이 가능하다. 레버나 차동(differential) 스프링, 압전 워커 메카니즘(piezo-electric walker mechanism)(라우즈(louse)), 또는 시료나 주사단(scanning stage)에 결합된 스테핑 모터를 이용하는 수동 방식을 포함하는 많은 여러 가지 방식과 기법들이 개략적 위치 설정기로서 응용되어 왔다. 자기(magnetic) 개략적 위치 설정기는 예컨대 유럽 특허 EP-B-0 290 522와 미국 US-A-4 947 042에 개시되어 있다. 가장 진보된 형태의 개략적 위치 설정기는, 특히 간섭계에 의해 제어될 때에, 1 마이크로미터의 십분의 수 정도의 위치 설정 정밀도를 달성할 수 있으므로 미세 주사기의 주사 범위와 거의 중복되지 않는다.
미세 주사 기법은 주사 탐침 현미경법을 이용하기 시작할 때부터 압전 소자를 이용하는데 촛점이 맞추어져 있었다. 미세 주사단에 대한 예들로는, 예컨대 특허 US-A-4 520 570과 G. Binning과, D.P.E. Smith의 「“Signal tube three-dimensional scanner for scanning tunneling microscopy”, publisher in Rev. Sci, Instruments 57(1986), p.1688」들이 있다. 또한, C. Gerber와 O. Marti는 「IBM의 Technical Disclosure Bulletin Vol.27, No.11, April 1985, p.6373」에서 자기 변형(magnetostrictive) 주사기를 제안하였는데, 여기서는 압전 소자가 자기 변형 재료 막대로 대체된다. 이 재료는 전기장 내에서의 압전 소자의 행동과 유사하게 자기장의 영향 하에서 연장 및 수축한다. 본 발명의 범위로서 자기 방식의 개략적 위치 설정단을 응용한 기술들, 예컨대 특허 EP-B-O 290 522와 US-A-4 947 042도 압전 미세 주사기에 의존한다는 것을 안다는 것이 중요하다.
압전 미세 주사기는 다재 다능한 응용 도구이지만, 이것은 몇가지 단점을 갖고 있다. 먼저, 이것은 압전 재료에 부착된 전극에 필요한 전압을 인가하기 위해서 복잡하고 정교한 제어 시스템을 필요로 한다. 두 번째로, 달성될 수 있는 신장도(elongation)는 2 내지 5nm/V 범위이다. 즉, 2 내지 5 마이크로미터의 주사 범위를 달성하기 위해서는 1000V의 전압이 필요하다. 이 주사 범위는 실제적인 목적으로 수 마이크로미터로 제한된다. 게다가, 전압이 증가하게 되면 비선형 효과가 현저해져 압전 재료의 신장도가 더 이상 인가 전압에 비례하기 않게 된다.
설명된 예들은 주사 탐침 기술의 광범위한 용법을 설명하기 위한 것이지 본 발명에서 가능한 모든 응용을 포함하는 것은 아니다. 예컨대, 하드 디스크와 같은 통상적인 저장 장치의 저장 밀도는 저장 매체에 관하여 쓰기/읽기 헤드가 위치 설정될 수 있는 정확도에 직접 달려 있다는 것은 통상의 전문가에게 잘 알려져 있다. 원자 수준의 정밀도로 쓰기/읽기 헤드의 위치를 설정시키기 위한 저렴하면서도 정밀한 방법이 본 기술 분야에 즉각적인 영향을 미칠 것이라는 것은 명백하다.
따라서, 본 발명의 목적은 신뢰할 수 있고, 정밀하며, 쉽게 사용할 수 있는, 특히 주사 탐침 기구와 디지탈 데이타 저장 장치에 적합한 미세 위치 설정 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 적어도 100nm, 바람직하게는 100nm 내지 0.01nm, 심지어는 10nm 내지 0.01nm의 정밀도, 즉 분해능을 가지고 탐침 팁 또는 읽기/쓰기 헤드에 상대적인 시료 표면 또는 저장 매체의 위치를 제어하여 변경할 수 있는 미세 주사기를 제공하는데 있다.
[발명의 개요]
본 발명의 제1특징에서는 미세 위치 설정기가 잘 알려진 자기 유도(magnetic induction) 기자력(magnetomotive force) 원리에 바탕을 둔 액츄에이터를 포함한다. 자기 유도 효과는 자기장 또는 자기장의 변화가 자석, 전류 전달 도체, 또는 이 자기장 내의 자화 물질에 작용하는 힘에 의해 특징지워진다. 이 원리를 응용한 것으로 흔히 알려져 있는 것은 예컨대 유도성 확성기와 마이크로폰이다. 유도력 또는 기자력의 진보된 응용 중의 하나는 하드 디스크의 일기/쓰기 헤드용 위치 설정 시스템이다. 그러나, 상술한 바와 같이. 이들 응용은 본 발명에 따른 장치와는 정밀도, 즉 분해능에 있어서 적어도 한 차수(an order of magnetic)만큼 차이가 난다. 유도성 액츄에이터는 바람직하게는, 예컨대 솔레노이드 및/또는 영구 자석과 같은 전기 도체 수단을 포함한다. 공지된 자기 저항(magnetoresistive) 위치 설정기로부터, 본 발명은 자기 저항 효과와 자기체(magnetic body)의 칫수를 변화시킴에 따라 달라지지만, 유도성 액츄에이터의 가동부는 불가분적으로 변위된다. 유도성 액츄에이터의 이용은 저전압을 인가함으로써 쉽게 이동될 수 있는 잇점이 있으나, 공지된 압전 방식 기술은 미숙련 사용자에게 위험을 줄 수 있을 정도의 전압을 필요로 한다. 유도성 액츄에이터의 부품은 비싸고 대량 생산에 적합하다.
본 발명의 요지로 생각되어지는 것은 유도성 액츄에이터를 원자 정밀도로 가동할 수 있는 레벨에까지 전자 제어를 감도를 증가시키려고 시도하지 않았다는 것이다. 대신에 팁과 시료를 서로에 대해 상대적으로 이동시키는데 이용된 전류량이 기계적 수단에 의해 종래의 전자 장비에 의해 쉽게 검출될 수 있는 레벨로 증가된다. 즉, 전자적 증폭기는 감속 기어 수단으로 대체된다. 감속 기어 수단은 지레장치 시스템(leverage system)이나 또는 유도성 액츄에이터의 이동을 저속으로 만들기 위한 감쇠(damping) 소자, 즉 마찰 증가 소자에 바탕을 두고 있다. 양 경우에 탐침 또는 시료를 움직이는데 필요한 전류량은 크게 증가한다.
따라서, 본 발명의 변형된 일 양상은 유도성 액츄에이터가 감쇠 수단을 포함하는 것이다. 감쇠를 최소로 되기까지 줄여보려는 유도성 액츄에이터의 공지된 응용과는 대조적으로, 본 발명은 제어된 방식으로 감쇠 기구를 도입한다. 감쇠는 효과적으로 증가하므로, 원하는 이동을 이루기 위해서 엑츄에이터에 공급된 전력을 증가시킨다. 전력은 엑츄에이터에 공급된 전류에 정비례한다. 그러므로, 예컨대 전류와 전압과 같은 모든 관련된 제어 및 엑츄에이팅 신호들은 이들 신호가 쉽게 조정 될 수 있는 레벨로까지 증가된다. 이러한 특성은 피드백 루프, 증폭기 등과 같은 관련 전기 회로의 요구되는 정밀도를 낮추는 부가적인 효과를 갖고 있다.
본 발명의 이러한 변형의 바람직한 실시예로서, 유도성 액츄에이터의 가동부는 고점성 매체에 의해서 베어링, 즉 지지 구조물, 특히 액츄에이터의 정지부에 결합된다. 이 점성 결합은 감쇠 효과를 갖고 있어 동일한 변위에 대해서 자유 이동 액츄에이터에 비해 유도성 액츄에이터에 공급된 전력량을 증가시킨다. 이 효과는 위치 설정을 위해 공급된 제어 및 액츄에이팅 신호/전류를 증가시킨다. 바람직하게는, 양호한 열 전도성을 가진 고점성 매체가 사용되며, 이 경우에 그 매체는 액츄에이터를 효율적으로 냉각시키는데 사용될 수 있다. 재료의 점성은 바람직하게는 10 내지 100,000 스토크스(stokes)의 범위에서 선택된다. 적합한 재료로는 폴리머, 특히 유기 실록산 폴리머나 실리콘이 있다.
본 발명의 다른 변형에서는, 유도성 액츄에이터는 레버, 스프링같은 가요성 소자, 또는 기타 다른 전동(transmission) 수단으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 수단에 결합된다. 따라서, 제어 및 액츄에이팅 신호와 이들의 에러 또는 변동은 똑같이 축소되고 이에 따라서 원하는 이동 정밀도를 얻게 된다. 상기 수단을 적용 할 때에는 진동을 제한하도록 주의해야 한다. 그러므로, 이러한 변형의 바람직한 실시예에서는 유도성 액츄에이터의 이동 범위를 축소시키는데 스프링 또는 스프링세트를 사용한다.
바람직하게는, 시료 고정 수단이나 탐침 수단이 1㎑ 이상, 바람직하게는 5㎑ 이상의 공진 주파수를 갖는 스프링 장치에 결합된다. 공진 주파수를 갖는 상한치는 적용된 재료와 스프링 디자인에 따라 다르겠지만 100㎑ 정도 될 것이다. 공진 주파수는 공진 주파수를 가진 장치가 주위의 진동과 쉽게 결합하여 원자 분해능의 달성을 어렵게 만들기 때문에 중요한 특성이 된다. 스프링 장치는 유도력에 의해 차례로 구동된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기 액츄에이터의 정지부에 상대적인 자기 액츄에이터의 가동부의 위치는 피드백 루프에 의해 부가적으로 제어되고 안정화된다. 이 피드백 루프는 바람직하게는 가동부의 위치를 결정하기 위한 스트레인 게이지(strain gauge)를 포함한다. 기계적 증폭의 결과, 이 피드백 루프와 그 위치 결정 수단의 정확도는 반드시 원자 분해능 그 자체를 제공할 필요는 없다. 그러나, 이 피드백 루프는 SPM을 동작시키는데 필요한 것, 즉 팁과 시료 간의 거리를 안정화시키는 것과 혼동해서는 안된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 기계적 증폭 수단은 적어도 2개의 서로 다른 동작 모드 간에 전환될 수 있다. 따라서, 미세 위치 설정 장치를 개략적 위치 설정기로 이용하는 것도 가능해진다. 이와 같은 미세 위치 설정기를 가진 SPM은 추가적인 개략적 위치 설정 시스템을 필요로 하지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 증폭 수단으로 이용된 스프링의 스프링 상수는 적어도 2개의 서로 다른 값들 간에 절환될 수 있다.
본 발명의 이들 및 기타 다른 신규한 특성과 본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다. 그러나, 본 발명은 바람직한 사용 방식은 물론 그 자체와 본 발명의 또 다른 목적 및 잇점들은 첨부 도면을 참조한 예시적인 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명료하게 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명은 이하의 도면을 참조로 상세히 설명한다.
제1(a)도는 스프링은 감속 기어 수단으로 이용한 미세 위치 설정기의 일 실시예의 기본 형태를 도시한 도면.
제1(b)도는 본 발명에 따른 미세 위치 설정기의 일 실시예의 상세 도면.
제2도는 본 발명에 따른 개략적 위치 설정기와 미세 위치 설정기의 조합된 형태를 나타낸 도면.
제3도는 유도성 액츄에이터의 동작 범위가 고점성 매체에 위해 제한된 다른 실시예를 나타낸 도면.
제4도는 3차원 미세 위치 설정기를 나타낸 도면.
제5도는 미세 위치 설정기를 제어하는데 사용된 전자 회로도.
[발명의 실시 모드]
제1(a)도는 참조하여 설명하면, 정자기장(constant magnetic field)을 발생시키는 영구 자석(2)을 포함하는 미세 위치 설정 장치(1)가 도시되어 있다. 영구 자석(2)의 코어에는 구리선으로 된 코어(3)이 설치되어 있다. 코일 중량은 대략 1g이다. 코일은 얇은 가요성 와이어를 통해 가변 전류원(도시안됨)에 접속된다. 영구 자석(2)은 기판(4) 상에 설치된다. 이 기판은 또 금속 막대(5)도 갖고 있다. 금속 막대는 그 상단에서 스티프 와이어(stiff wire)(6)에 의해 코일(3)의 전단(front end)에 접속된다.
동작시 이 코일을 통해 전류가 흐른다. 물리적 용어로 로렌쯔힘의 특수한 경우인 유도력에 의해서 코일(3)은 영구 자석(2)에 의해 형성된 케이지(cage) 내에서 움직인다. 이 힘은 전류와 자기장 세기에 비례한다. 본 예에서는 확성기 시스템에서 사용된 종래의 음성 코일이 사용된다. 이 음성 코일은 약 10N의 최대 유도력과 5mm의 코일 최대 진폭으로부터 도출된 약 2×103N/m의 스프링 상수를 가진 스프링에 의해 감쇠된다. 코일의 중량이 1g인 점을 감안하면, 시스템의 공진 주파수는 수백 헤르쯔 범위 내에 있다. 이 공진 주파수는 원자 분해능에 필요한 안정성을 제공하기에는 너무 작다. 그러나, 스티프 와이어(6)를 통해 막대(5)를 코일에 결합시킴으로써, 106N/m 범위의 스프링 상수를 가진 스프링 시스템이 제공되고, 이에 따라서 주위 진동으로부터 시료나 팁을 보호할 수 있을 정도로 충분히 큰 적어도 1㎑의 유효 공진 주파수가 발생된다. 코일(3)의 주사 범위는 상당히 복잡한 종래의 압전 주사기에 의해 달성되는 것 내에서 스프링 시스템에 의해서 약 20㎛로 잘 감소된다. 도시된 장치는 코일(3)의 전단과 막대(5)를 바로 결합시킴으로써 더욱 조밀하게 설계될 수 있다.
코일(3)과 막대(5) 사이를 스티프 결합시키는 대신에, 유효 공진 주파수에 대해 코일과 막대를 효과적으로 분리시키는 연성(softer) 스프링으로 접속 설정해도 된다. 이 경우에는 코일은 그 전가동 범위(10nm)를 되찾게 되나 막대는 예컨대 20㎛ 범위에 구속되어 있어 여전히 원자 정밀도를 달성하는데 필요한 높은 공진 주파수를 발생시키게 된다.
막대(5)는 이와 다른 등가적인 스프링이나 지레 장치 시스템으로 쉽게 대체할 수 있음은 본 기술 분야의 통상의 전문가에게 명백하다. 더욱이, 코일(3)과 영구 자석(1)으로 이루어진 간단한 액츄에이터는 더 복잡한 장치로 대체될 수 있다. 예컨대, 영구 자석은 전자석으로 대체될 수 있고, 또는 자기 코어는 레일로 대체될 수 있는데 이 레일 상에서 다른 자석, 즉 코일을 대체하는 자석이 레일을 통해 흐르는 전류를 적절히 제어하여 비상(hovering) 운동하게 된다. 또한, 막대(5)의 상단은 막대를 제2 자기 액츄에이터에 연결함으로써 어떤 평면에서 원자 분해능으로 움직일 수 있다.
본 발명의 다른 변형은 제1(b)도에 도시되어 있는데, 여기서는 코일과 영구 자석이 상세히 확대 도시되어 있다. 신장계(elongation meter)(즉, 스트레인 게이지)(11)는 코일에 붙어 있다. 신장계는 가동 코일에 의해 생긴 신장을 비례적인 전기 신호로 변환한다. 이 전기 신호는 피드백 루프에서 이용되어 코일 위치를 안정화시킨다. 본 변형은 코일 그 자체가 전가동 범위에서 이동하는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 경우에, 즉 코일이 상술한 바와 같이 팁 또는 시료 고정기로부터 분리될 때에 특히 유용하다.
이제 제2도를 참조로 설명하면, 제2도에는 플랜지 막대(25)(제1도와 제2도에서 동일한 구성 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙임)를 가진 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 클램프(21)가 기판(4)에 고정되어 있을 때에는 막대는 플랜지 높이 이상으로 움직일 수 없다. 클램프가 풀리면 막대는 그 전체 길이에서 휘어질 수 있다. 실제로는 이 클램프를 이용함으로써 막대(25)의 스프링 상수는 2개 값, 예컨대 106과 105(이들은 각각 주사 범위 20㎛와 200㎛에 해당함) 간에서 절환될 수 있다. 개략 주사가 원자 분해능을 제공하지 못해도 스프링은 큰 범위로 움직일 수 있다.
제3도에는 또 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서도 개략적 위치 설정기와 미세 위치 설정기가 결합되어 있다. 이 도면에서도 다른 도면들에서와 동일한 구성 부분에 대해서는 동일 도면 부호를 붙인다. 이 실시예에서는 제1(a)도가 스피링 또는 막대가 고점성(예컨대, 실리콘) 폴리머(35)로 대체된다. 실리콘 폴리머는 미소한 복원력만을 코일에 작용시키지만 가동 코일과 액츄에이터의 불가동부 사이에 콘 마찰을 생기게 한다. 이러한 장치에 의해서, 예컨대 코일(3) 전단에 고정된 시료는 약 1mm의 최대 범위 내에서 0.2nm 이하의 정밀도로 위치 설정될 수 있다. 실리콘 폴리머는 열전도율과 내열성이 높아 장치 냉각이 용이해지므로 실리콘 폴리머를 사용하는 것이 유리하다. 따라서, 코일은 보다 콘 전류에 의해서 전력을 공급받을 수가 있다. 이 실시예에서, 팁, 시료 고정기, 또는 시료 그 자체는 코일의 전단에 부착하는 것이 바람직하다. 또한, 고점성 재료와 코일 및 지지 구조체의 형상에 관한 변형도 가능하다.
제4도에는 본 발명에 따른 주사 터널링 현미경의 기본 구성 요소가 도시되어 있다. 제4도의 구성 요소들은 축척 도시된 것은 아님에 유의한다. 도시된 현미경은 결합된 미세 및 개략적 위치 설정 장치(41), 중앙 처리 장치(420), 및 주변 전기 장비를 포함한다. 위치 설정 장치(41)는 통상의 전문가에게 알려진 방식으로 적당한 감쇠 시스템(스프링, 비톤 패킷(viton packet) 등)에 의해 외부 진동으로부터 분리되어 있다. 터널링 팁 또는 탐침(413)은 막대(414)의 상단에 고정되어 있다. 막대는 제1(x) 유도성 액츄에이터(415)에 의해 x방향에서 이동된다. y 방향에서의 이동은 제2(y) 유도성 액츄에이터에 의해 행해지는데, 이에 대해서는 도시되어 있지 않다. 적당히 프로그램되면, 액츄에이터 모두는 함께 x, y 평면에서 팁의 주사 운동을 실행한다. 시료(416)는 다른(z) 유도성 액츄에이터(417)의 가동 코일의 전단에 부착되어 있다. 이 액츄에이터는 제3도를 참조로 상술한 폴리머 감쇠형이다. z 액츄에이터는 팁과 시료 간의 거리를 변경시킨다. 주변 전기 및 전자 구성 성분들은 유도성 액츄에이터(415, 417) 각각에 대해서 중앙 처리 장치(412)에 의한 데이터 및 제어 신호 버스(424)를 통해 제어된 프로그램가능 d.c. 전원 장치(421, 422)를 포함한다. 이들은 증폭기, A/D 및 D/A 변환기도 포함한다. 팁(413)과 시료(416)는 전압을 측정하여 양자 사이의 터널 전류를 측정하는 수단(423)에 부착된다. 측정된 터널 전류는 z 액츄에이터(417)를 제어하기 위해, 즉 팁(413)과 시료(416)간의 거리를 제어하기 위해 인가되는 피드백 루프의 입력이다.
전자 회로에 대해 상세한 것은 제5도에 도시되어 있다. 입력부(501)에 인가된 전압은 전력 증폭기(PA01)을 경유하여 코일(502)을 통하는 전류 흐름을 결정한다. 연산 증폭기(OP37)를 주 구성 요소로 하는 피드백 루프는 코일을 통하는 전류를 안정화시켜 양호하게 제어될 수 있는 자기력을 액츄에이터에 공급하게 된다. 전자 회로는 각각 0.1Ω, 100Ω, 9㏀, 2㏀(가변), 및 10㏀의 저항을 갖는 수개의 저항(R1-R5)을 더 포함한다.
동작시, 시료는 팁과 나란하게 수분의 1 밀리미터의 정밀도로 위치 설정된다. 이 팁과 시료에는 수백 볼트의 전압이 인가된다. z 액츄에이터(417)의 코일을 통하는 전류는 양자 사이의 터널 전류가 측정될 때까지 발생된다. 그러면 0.01nm 내지 0.1nm의 정밀도로 거리를 제어하도록 피드백 루프가 작동된다. x 액츄에이터와 y 방향(도시 안됨)애 대한 해당 액츄에이터를 위한 d.c. 전원 회로(422)는 소정의 프로그램된 주사 계획에 따라서 중앙 처리 장치(420)로부터 입력 제어 신호들을 수신한다. 볼트(418)가 풀림에 따라서 막대(414)는 낮은 스프링 상수로 절환되어 x,y 평면에서 팁과 시료간에 큰 변위를 생기게 할 수가 있다. 그러면 팁(413)은 시료(416) 표면의 다른 부분과 나란하게 배치될 수 있다. 이 변위 단계를 완료한 후에는, 볼트(418)가 막대의 플랜지에 다시 죄어진다. 그리고 프로그램된 주사 행렬이 반복된다. 중앙 처리 장치(420)는 터널 전류, 즉 측정된 높이를 주사된 시료 표면의 화상으로 변환시키는 화상 처리 수단을 더 제공한다.
팁(413)과 이 팁과 시료 간의 터널 전류 검출에 따른 대응 피드백 루프를 캔틸레버(cantilever)와 이 캔틸레버의 편향을 검출하는 수단으로 대체함으로써 원자력 현미경에 상술한 미세 위치 설정 수단이 적용된다. 이 미세 위치 설정기는 피드백 계획을 적절히 대체함으로써 유사한 방식으로 다른 SPM 기술에 채택될 수 있다.

Claims (18)

  1. 탐침(probing) 수단과 시료 고정 수단간의 상대 위치를 100nm 내지 0.01nm의 원자 분해능(atomic resolution)으로 변경하기 위한 미세 위치 설정 장치(fine positioning apparatus)에 있어서, 상기 미세 위치 설정 장치는 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 액츄에이터 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능한 공동 코일(hollow coil)과 자기 수단 -상기 자기 수단의 자극(magnetic pole) 중 하나가 세로 방향 부재(longitudinal element)의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장(inhomogeneous field)이 실질적으로 전체 동작 범위를 통해 상기 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 공동 코일의 공동 내로 신장됨-; 및 상기 공동 코일과 상기 자기 수단을 서로에 대해 상대적으로 이동시키는 데 이용되는 전류량을 증가시키는 기계적 수단 -상기 기계적 수단은 상기 자기 수단과 상기 코일간의 상대 운동 중에 상기 액츄에이터 수단의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 상기 코일과 상기 자기 수단간에 마찰을 생기게 하는 고점성 재료의 스프링 수단 및 감쇠 수단을 포함함-을 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고점성 재료(35)가 실리콘 기재 폴리머인 미세 위치 설정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액츄에이터 수단의 변위를 측정하여 제어하는 변위 제어 수단을 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  4. 미세 위치 설정 장치에 있어서, 시료 고정 수단에 대하여 실질적으로 수직한 평면에서 상기 시료 고정 수단과 탐침 수단간의 상대 위치를 변경하는 z축 위치 설정 수단과, 상기 시료 고정 수단에 실질적으로 평행한 평면에서 상기 시료 고정 수단과 상기 탐침 수단간의 상대 위치를 변경하는 x/y축 위치 설정 수단을 포함하고, 상기 z축 위치 설정 수단은 제1 지지 수단에 결합된 제2 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 제1 액츄에이터 수단은 제1 공동 코일과 제1 자기 수단을 포함하고, 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제1 자기 수단의 자극 중 어느 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 전체 동작 범위에서 상기 제1 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제1 공동 코일의 공동 내로 신장되고, 상기 z축 위치 설정 수단은 상기 제1 자기 수단과 상기 제1 코일간의 상대운동 중에 상기 제1 액츄에이터 수단의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 수단간에 마찰을 생기게 하는 감쇠 수단을 더 포함하고, 상기 감쇠 수단은 고점성 재료로 되어 있고, 상기 x/y축 위치 설정 수단은 제2 지지 수단에 결합된 제2 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 제2 액츄에이터 수단은 제2 공동 코일과 제2 자기 수단을 포함하고, 상기 제2 공동 코일과 상기 제2 자기 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제2 자기 수단의 자극 중 어느 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 전체 동작 범위에서 상기 제2 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제2 공동 코일 내로 신장되고, 상기 x/y축 위치 설정 수단은 상기 제2 자기 수단과 상기 제2 코일간의 상대운동을 방해하는 스프링 수단을 더 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액츄에이터 수단의 변위를 측정하여 제어하는 변위 제어 수단을 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  6. 주사 탐침 현미경에 있어서, 시료 고정 수단; 터널링 탐침 수단; 상기 시료 고정 수단에 실질적으로 수직한 평면에서 상기 시료 고정 수단과 상기 탐침 수단간의 상대 위치를 변경하는 z축 위치 설정 수단과, 상기 시료 고정 수단에 실질적으로 평행한 평면에서 상기 시료 고정 수단과 상기 탐침 수단간의 상대 위치를 변경하는 x/y축 위치 설정 수단을 포함하는 미세 위치 설정 장치; 및 상기 액츄에이터 수단의 변위를 측정하여 제어하는 컴퓨터 변위제어 수단을 포함하고, 상기 z축 위치 설정 수단은 제1 지지 수단에 결합된 제2 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 제1 액츄에이터 수단은 제1 공동 코일과 제1 자기 수단을 포함하고, 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제1 자기 수단의 자극 중 어는 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 그것의 전체 동작 범위에서 상기 제1 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제1 공동 코일의 공동 내로 신장되고, 상기 z축 위치 설정 수단은 상기 제1 자기 수단과 상기 제1 코일간의 상대운동 중에 상기 제1 액츄에이터 수단의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 수단간에 마찰을 생기게 하는 감쇠 수단을 더 포함하고, 상기 감쇠 수단은 고점성 재료로 되어 있고, 상기 x/y축 위치 설정 수단은 제2 지지 수단에 결합된 제2 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 제2 액츄에이터 수단은 제2 공동 코일과 제2 자기 수단을 포함하고, 상기 제2 공동 코일과 상기 제2 자기 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제2 자기 수단의 자극 중 어느 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 전체 동작 범위에서 상기 제2 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제2 공동 코일 내로 신장되고, 상기 x/y축 위치 설정 수단은 상기 제2 자기 수단과 상기 제2 코일간의 상대운동을 방해하는 스프링 수단을 더 포함하는 주사 탐침 현미경.
  7. 주사 탐침 현미경에서 탐침과 시료 고정기 간의 상대 위치를 변경하기 위한 미세 위치 설정 장치에 있어서, 전류 활성화된 변환기가 100nm 내지 0.01nm의 원자 분해능으로 시료를 주사하는 원동력을 제공하며, 상기 변환기는 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능한 공동 코일과 자기 부재 -상기 자기 수단의 자극 중 어느 하나가 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 전체 동작 범위를 통해 상기 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 코일의 공동 내로 신장됨-; 및 상기 공동 코일과 상기 자기 수단을 서로에 대해 상대적으로 이동시키는데 이용되는 전류량을 증가시키기 위한 상기 공동 코일의 작동에 의해 활성화된 기구를 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기구가 상기 자기 부재와 상기 코일간의 상대 운동 중에 상기 변환기의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 마찰을 생기게 하는 점성 재료를 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 미세 위치 설정 장치가 X-Y 스캐너이고, 상기 코일은 기구를 통해 탐침에 부착되어, 탐침을 활성화시켜 주사 패턴을 생성하는 미세 위치 설정 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 기구는 일단에 선회축이 있고 대향단에 탐침이 장착된 스프링 판(spring leaf)을 포함하는 미세 위치 설정 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 스프링이 일단 및 대향단 사이의 기계적인 연결에 의해 코일에 부착되는 미세 위치 설정 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스프링이 이동 가능한 정지부를 구비하여, 스캐닝 중에 하나의 제한된 운동 범위, 그리고 스캐닝 동작 사이의 운동 중에 덜 제한된 다른 운동 범위를 탐침에 제공하는 미세 위치 설정 장치.
  13. 주사 탐침 현미경에 있어서, (a)시료 고정기; (b)터널링 탐침; (c) (i)상기 시료 고정기에 실질적으로 수직한 평면에서 상기 시료 고정기와 상기 탐침간의 상대 위치를 변경하는 제1 액츄에이터를 갖는 z축 위치 설정기- 상기 z축 위치 설정기는 제1 공동 코일과 제1 자기 부재를 포함하고, 제1 공동 코일과 제1 자기 부재는 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제1 자기 부재의 자극 중 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서 비균일장이 실질적으로 코일의 전체 동작 범위에서 상기 제1 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제1 공동 코일의 공동 내로 신장되고, 상기 z축 위치 설정기는 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 부재간의 상대 운동 중에 상기 제1 액츄에이터 수단의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 상기 제1 공동 코일과 상기 제1 자기 부재간에 마찰을 생기게 하는 감쇠 수단을 더 포함함-; 및 (ⅱ)상기 시료 고정 수단에 실질적으로 평행한 평면에서 상기 시료 고정기와 상기 탐침간의 상대 위치를 변경하는 제2 액츄에이터를 갖는 x/y축 위치 설정기 -상기 x/y축 위치 설정기는 제2 지지 수단에 결합된 제2 액츄에이터 수단을 포함하고, 상기 제2 액츄에이터 수단은 제2 공동 코일과 제2 자기 부재를 포함하고, 상기 제2 공동 코일과 상기 제2 자기 수단은 소정 동작 범위에서 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 상기 제2 자기 수단의 자극 중 어는 하나는 세로 방향 부재의 일단에 위치하고, 상기 세로 방향 부재의 상기 일단에서의 비균일장이 실질적으로 전체 동작 범위에서 상기 제2 공동 코일에 의해 실질적으로 둘러 싸여지도록 상기 세로 방향 부재의 상기 일단이 상기 제2 공동 코일 내로 신장됨-를 포함하는 미세 위치 설정 장치; 및 (d)상기 액츄에이터 수단의 범위를 측정하여 제어하는 컴퓨터 변위 제어 수단을 포함하는 주사 탐침 현미경.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 액츄에이터 및 상기 제2 액츄에이터는 각각 상기 공동 코일의 동작에 의해 활성화된 기구를 구비하여, 서로에 대해 상기 공동 코일과 상기 자기 부재를 이동시키는데 필요한 전류량을 증가시키는 주사 탐침 현미경.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 액츄에이터의 기구는 제1 액츄에이터 수단의 에너지 소모를 증가시키기 위한 마찰을 생기게 하는 점성 재료를 포함하는 주사 탐침 현미경.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 액츄에이터의 기구는 판 스프링이며, 상기 탐침은 상기 판 스프링의 일단에 장착되어 상기 일단과 스프링의 선회점 사이의 코일에 고정된 주사 탐침 현미경.
  17. 제16항에 있어서, 상기 스프링이 이동 가능한 정지부를 구비하여, 스캐닝 중에 하나의 제한된 운동 범위, 그리고 스캐닝 동작 사이의 운동 중에 덜 제한된 다른 운동 범위를 탐침에 제공하는 주사 탐침 현미경.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 액츄에이터 기구는 제1 액츄에이터의 에너지 소모를 증가시키기 위하여 마찰을 생기게 하는 점성 재료를 포함하는 주사 탐침 현미경.
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