KR100280870B1 - High Precision 3-Axis Stage for Atomic Force Microscopy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것으로 본 발명은 헤드의 미세레버에 의해 입사되는 레이져를 반사시켜, 이에 반사되는 레이져를 감광장치로서 측정하여 시편의 표면정보를 산출할 수 있도록 되도록 3축이동이 가능한 초정밀 위치결정기구를 형성한 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지에 있어서 상기, 초정밀 위치결정기구는 구성을 이루는 기초로서 베이스가 형성되고, 베이스 중앙으로는 X축선상과 수직이 되도록 X축이중복합선형 스프링홀을 형성하고 상기 베이스의 내측의 X축선상 일측 중앙에 형성된 압전소자에 의해 상기 X축이중복합선형 스프링홀이 변형되어 좌우측 방향으로 구동되는 X축 가이드와 상기 X축 가이드 내측으로 Y축선상과 수직이 되도록 Y축이중복합선형 스프링홀을 형성하고 Y축전방 중앙에 형성된 압전소자에 의해 상기 Y축이 중복합선형 스프링홀이 변형되어 전후방향으로 구동되는 Y축 가이드와 상기 Y축 가이드 내측 중앙부에 수직으로 형성되고 내부에는 Z축 방향과 수직선상으로 Z축이 중복합선형 스프링홀을 형성하고 하측 중앙부에 형성된 압전소자에 의해 Z축이중복합선형 스프링홀이 변형되어 상하 방향으로 구동되는 Z축 가이드와 상기 X축 가이드와, Y축가이드와, Z축 가이드가 설정된 신호에 의해 이동될 때 이동된 X, Y, Z축을 감지하여 감지신호를 발생하도록 베이스의 상부면에 각 감지센서를 갖는 센서홀더로 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an ultra-precise three-axis stage for atomic force microscopy (AFM). In an ultra-precision three-axis stage for an atomic force microscope in which an ultra-precision positioning mechanism capable of three-axis movement to calculate surface information is formed, the ultra-precision positioning mechanism has a base formed as a basis for forming a base, and a center of the base. The X-axis double complex linear spring hole is formed to be perpendicular to the X-axis line, and the X-axis double complex linear spring hole is deformed by a piezoelectric element formed at the center of one side on the inner X-axis of the base to drive in the left and right directions. The X-axis guide and the X-axis guide to form a Y-axis double complex spring hole to be perpendicular to the Y-axis line The Y-axis is formed by a piezoelectric element formed in the center of the Y-axis, and the Y-axis guide is formed in the Y-axis guide and the Y-axis guide is driven vertically in the front-rear direction. The Z-axis guide, the X-axis guide, the Y-axis guide and the Z-axis double-folded linear spring hole is deformed by the piezoelectric element formed in the lower center, and the Z-axis forms a redundant short-circuit spring hole. When the Z-axis guide is moved by the set signal is characterized in that the sensor holder having each sensor on the upper surface of the base to detect the moved X, Y, Z axis to generate a detection signal.
Description
본 발명은 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것으로, 더욱상세하게는 원자간력 현미경 장비를 이용, 반도체 웨이퍼와 같은 극 미세 구조의 시편 형상정보를 측정함에 있어, 이중복합선형 스프링구조를 갖는 초정밀 위치 결정기구로서 새로운 3축 스테이지를 구성하여, 웨이퍼 시편의 표면측정시 표면형상 외곡의 주요인이되는 3축의 상호간섭 및 불필요한 자유도를 상쇄되게 하는 기능으로, 초정밀 측정이 가능하도록 한 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-precise three-axis stage for atomic force microscopy (AFM), and more particularly to measuring specimen shape information of an extremely fine structure such as a semiconductor wafer using atomic force microscopy equipment. Is a high-precision positioning mechanism with a double-composite linear spring structure that forms a new three-axis stage to compensate for mutual interference and unnecessary degrees of freedom of three axes, which are major factors of surface shape distortion when measuring the surface of wafer specimens. The present invention relates to an ultra-precise triaxial stage for atomic force microscopes.
우선, 원자간력 현미경 장비(AFM : Atomic Force Microscopy)가 무엇인가에 대해 단략하게 살펴보면, 웨이퍼 표면 측정장비란 미세 레버 끝에 위치한 미세팁이 측정하고자 하는 시편의 표면과 작용하여 레버의 휘어짐에 의해 나노미터(10-9)이하의 수직분해능과 수평분해능을 가지고 시편의 표면형상을 3차원으로 측정하는 기술장비 즉, 직역하여 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)을 뜻하는 것으로, 이는 측정되는 시편의 표면과 탐침과의 아주 작은힘 (10-8)을 측정하여 피드백해 줌으로서 웨이퍼 시편의 높이 정보를 얻는 기술인 것이다.First of all, what is Atomic Force Microscopy (AFM)? A wafer surface measuring device is a wafer surface measuring device, which is a micro tip located at the tip of a fine lever. A technical device that measures the surface shape of a specimen in three dimensions with vertical resolution and horizontal resolution of less than 10 meters (10 -9 ), which means the Atomic Force Microscopy. It is a technique to obtain the height information of the wafer specimen by measuring and feeding back a very small force (10 -8 ) between the surface and the probe.
이에, 상기 웨이퍼 표면 측정장비를 이용하여 시편의 표면형상 정보를 얻기 위해서는 측정하고자 하는 시편을 고정함과 동시에, 미소표면의 측정이 가능하도록 시편이나 탐침을 정밀하게 이동시켜 측정위치에 정확히 위치되도록 하는 것이 무엇보다 중요하고, 이에 시편을 측정가능케 하기 위한 이동수단으로서 통상 초정밀 위치결정기구를 사용하게되는 것으로, 이와 같은 초정밀 위치결정기구는 X, Y, Z의 3축을 이루며 3차원적인 이동관계로서 시편의 표면을 측정되도록 하는 것인바, 이때 3차원 이동관계를 갖는 상기 3축은 각자의 움직임에 대하여 상호 간섭이 없이 독립적이어야 하는 것이며, 탐침이 시편의 표면에 무리한 힘을 가하지 않도록 하기 위하여 빠른 응답속도를 요구해야 하는 것이다.Thus, in order to obtain the surface shape information of the specimen using the wafer surface measuring equipment, while fixing the specimen to be measured, the specimen or the probe is precisely moved to accurately measure the microsurface so as to be accurately positioned at the measurement position. Most importantly, the ultra-precision positioning mechanism is usually used as a moving means to make the specimen measurable. Such an ultra-precision positioning mechanism constitutes three axes of X, Y, and Z, and the specimen is a three-dimensional movement relationship. In this case, the three axes having a three-dimensional movement relationship should be independent without mutual interference with respect to their movements, and have a fast response speed so that the probe does not exert excessive force on the surface of the specimen. It must be demanded.
그러나, 전술한 웨이퍼 표면 측정장비에 적용되고 있는 종래의 초정밀 위치 결정수단의 구성을 살펴보면; 일반적인 통상의 압전소자를 직접 시편이나 탐침에 연결시켜, 압전소자의 구동에 의해 시편을 설정 위치로 이동시키며 표면을 측정되도록 한 구성인 것이다.However, looking at the configuration of the conventional ultra-precision positioning means applied to the above-described wafer surface measuring equipment; In general, a piezoelectric element is directly connected to a specimen or a probe to move the specimen to a set position by driving the piezoelectric element and measure the surface thereof.
하지만, 상기 압전소자의 구성으로서 작용되는 구동방법은 높은 강성과 빠른 응답에 의해 원자형상을 측정할 수는 없지만, 넓은 영역(㎛의 영역)에서의 표면측정 결과는, 상기 압전소자를 별도의 안내자 없이 구동되게 해야 하므로, 각 축 방향 운동이 상호 간섭하게 되어 측정의 오차 및 마모등으로 표면측정결과로서 아주 큰 왜곡을 주는 상당한 문제점을 상존시키는 것이었다.However, the driving method acting as the structure of the piezoelectric element cannot measure the atomic shape by high stiffness and fast response, but the surface measurement result in the large region (μm region) indicates that the piezoelectric element is a separate guide. Since the axial motions were to interfere with each other, there was a considerable problem that caused a great distortion as a result of surface measurement due to measurement error and wear.
따라서, 본 발명은 원자간력 현미경을 이용하여 시편의 표면형상을 측정함에 있어, 시편의 측정을 위한 이동수단인, 초정밀 위치결정기구의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로; 본 발명의 목적은, 판스프링 원리를 이용한 이중복합선형 스프링 구조로서, 하나의 몸체를 이루는 초정밀 3축 스테이지를 구현하여, 이 3축 스테이지를 이용, 시편을 측정하고자 하는 정밀 위치로 이동되게 하므로서, 시편의 표면 측정시 형상 왜곡의 주요원인이 되는 3축의 상호간섭 및 불필요한 자유도를 기구적으로 상쇄시킴과 동시에 체결에의한 오차나 마모 등의 문제점을 해결한 원자간력 현미경을 초정밀 3축스테이지를 제공함에 있는 것이다.Therefore, the present invention was devised to solve the general problems of the ultra-precision positioning mechanism, which is a moving means for measuring the specimen in measuring the surface shape of the specimen using an atomic force microscope; An object of the present invention is a double-composite linear spring structure using a leaf spring principle, by implementing an ultra-precise three-axis stage constituting a body, by using this three-axis stage to move the specimen to the precise position to measure, The ultra-precision triaxial stage is an atomic force microscope that solves problems such as errors and wear caused by fastening, while mechanically canceling three-way mutual interference and unnecessary degrees of freedom, which are the main causes of shape distortion, when measuring the surface of specimens. It's in the box.
이상, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는; 헤드의 미세레버에 의해 입사되는 레이져를 반사시켜, 이에 반사되는 레이져를 감광장치로서 측정하여 시편의 표면정보를 산출할 수 있도록 되도록 3축이동이 가능한 초정밀 위치결정기구를 형성한 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지에 있어서 상기, 초정밀 위치결정기구는 구성을 이루는 기초로서 베이스가 형성되고, 베이스 중앙으로는 X축선상과 수직이 되도록 X축이중복합선형 스프링홀을 형성하고 상기 베이스의 내측의 X축선상 일측 중앙에 형성된 압전소자에 의해 상기 X축이중복합선형 스프링홀이 변형되어 좌우측 방향으로 구동되는 X축 가이드와 상기 X축 가이드 내측으로 Y축선상과 수직이 되도록 Y축이중복합선형 스프링홀을 형성하고 Y축전방 중앙에 형성된 압전소자에 의해 상기 Y축이중복합선형 스프링홀이 변형되어 전후방향으로 구동되는 Y축 가이드와 상기 Y축 가이드 내측 중앙부에 수직으로 형성되고 내부에는 Z축 방향과 수직선상으로 Z축이중복합선형 스프링홀을 형성하고 하측 중앙부에 형성된 압전소자에 의해 Z축이중복합선형 스프링홀이 변형되어 상하 방향으로 구동되는 Z축 가이드와 상기 X축 가이드와, Y축가이드와, Z축 가이드가 설정된 신호에 의해 이동될 때 이동된 X, Y, Z축을 감지하여 감지신호를 발생하도록 베이스의 상부면에 각 감지센서를 갖는 센서홀더로 구성되는 것을 특징으로 한다.As described above, specific means of the present invention for achieving the above object; For atomic force microscopy, an ultra-precision positioning mechanism capable of three-axis movement is formed to reflect the laser incident by the head's fine lever and measure the reflected laser as a photosensitive device to calculate the surface information of the specimen. In the ultra-precision three-axis stage, the ultra-precision positioning mechanism has a base as a constituent basis, and forms an X-axis double complex linear spring hole so as to be perpendicular to the X-axis line at the center of the base, and the inner X of the base is formed. The X-axis double complex linear spring hole is deformed by a piezoelectric element formed at the center on one side of the axis so that the X axis guide is driven in the left and right directions and the Y axis double complex linear spring hole is perpendicular to the Y axis line inside the X axis guide. The Y-axis double complex linear spring hole is deformed by a piezoelectric element formed in the center of the Y-axis, The Y-axis guide and the Y-axis guide are formed perpendicular to the inner central portion, and the Z-axis double complex linear spring is formed by forming a Z-axis double complex linear spring hole in a vertical line with the Z-axis direction and formed in the lower center. When the hole is deformed and driven in the vertical direction, the Z-axis guide, the X-axis guide, the Y-axis guide, and the Z-axis guide are moved by the set signal to detect the moved X, Y, and Z-axis to generate a detection signal. Characterized in that it consists of a sensor holder having each sensor on the upper surface of the base.
제1도는 원자간력 현미경에 있어, 헤드를 생략한 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 사시도,1 is a perspective view of an ultra-precision triaxial stage according to the present invention without the head in an atomic force microscope,
제2도는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 평면 구성도,2 is a plan view of the ultra-precision three-axis stage according to the present invention,
제3도는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 구성 단면도,Figure 3 is a cross-sectional view of the configuration of the ultra-precision triaxial stage according to the present invention,
제4도는 본 발명에 있어, X축 가이드의 작용상태도,4 is an operational state diagram of the X-axis guide in the present invention,
제5도는 본 발명에 있어 Y축 가이드의 작용상태도,5 is a working state of the Y-axis guide in the present invention,
제6도는 본 발명에 있어 Z축 가이드의 작용상태도,6 is an operational state diagram of the Z-axis guide in the present invention,
제7도는 본 발명에 따른 3축 스테이지를 구현한 원자간력 현미경의 사용상태 개략도이다.7 is a schematic view of an operating state of an atomic force microscope implementing a three-axis stage according to the present invention.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
1 : 베이스 2, 2' : 센서홀더1: Base 2, 2 ': Sensor holder
11 : X축 가이드 12 : Y축 가이드11: X axis guide 12: Y axis guide
13 : Z축 가이드 21, 21' : 감지센서13: Z-axis guide 21, 21 ': sensor
111, 121, 131 : 압전소자 112, 122, 132 : 예압공111, 121, 131: piezoelectric elements 112, 122, 132: preload holes
133 : 샘플홀더 B : 볼트133: sample holder B: bolt
G : 위치결정수단(초정밀 3축 스테이지)G: Positioning means (ultra precision 3-axis stage)
H : 헤드 P : 고정공H: Head P: Fixing Hole
S : 시편 T : 측정 테이블S: Specimen T: Measurement Table
이하, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the ultra-precision triaxial stage for atomic force microscope according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 원자간력 현미경(AMF : Atomic Force Microscopy)에 적용되는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 평면 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 단면도이고, 도 4과, 도 5와, 도 6는 각각 X축, Y축, Z축 가이드의 작용상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 3축 스테이지를 구현한 원자간력 현미경의 사용상태 개략도로서 그 구성을 살펴보면; 헤드(H)와 초정밀 위치결정기구로 형성되는 원자간력 현미경에 있어, 상기 초정밀 위치결정기구는 본 발명의 주 요지인 초정밀 3축 스테이지(G)에 의해 구현되는 것으로, 초정밀 위치결정기구로서 초정밀 3축 스테이지(G)는, 사각판상의 베이스(1)와, 베이스(1) 상부면에 X축 가이드(11)와, Y축 가이드(12)와, Z축 가이드(13)로서 3차원 이동방향을 갖는 3축과, 이와 같은 각 축의 이동관계를 감지하여 움직임을 제어, 유도되게하는 센서홀더(2)(2')에 내설되는 감지센서(21,21')로 구성된다.1 is a perspective view of an ultra-precision triaxial stage according to the present invention applied to atomic force microscopy (AMF), Figure 2 is a plan view of the ultra-precision triaxial stage according to the present invention, Figure 3 4 is a cross-sectional view of a high-precision three-axis stage according to the invention, Figures 4, 5 and 6 is an operating state diagram of the X-axis, Y-axis, Z-axis guide, respectively, Figure 7 implements a three-axis stage according to the present invention As a schematic diagram of the state of use of an atomic force microscope, the configuration thereof; In the atomic force microscope formed of the head (H) and the ultra-precision positioning mechanism, the ultra-precision positioning mechanism is implemented by the ultra-precision triaxial stage (G) which is the main point of the present invention, and is an ultra-precision positioning mechanism. The three-axis stage G moves three-dimensionally as the base 1 of a rectangular plate, the X-axis guide 11, the Y-axis guide 12, and the Z-axis guide 13 on the base 1 upper surface. It consists of three axes having a direction, and the sensing sensors (21, 21 ') inherent in the sensor holder (2) (2') to control and guide the movement by sensing the movement relationship of each of these axes.
이때, 상기 헤드(H)는 본 발명에 따른 초정밀 3축스테이지(G)가 적용되는 일반적인 원자간력 현미경의 형성요소로서, 그 구성은 도 7로 도시된 바와같이 레이져(10)와, 입사되는 레이져(10)를 반사되도록 하는 수단으로서 미세레버(20)와, 이에 반사되는 레이져(10)를 측정하여 감광장치에 의해 시편의 표면정보를 산출되도록 한 미세팁(30)로 구성되는 것으로, 이와 같은 헤드(H)는 통상적인 원자간력 현미경의 헤드 구성과 상이함이 없는 것이다.At this time, the head (H) is a forming element of a general atomic force microscope to which the high-precision triaxial stage (G) according to the present invention is applied, the configuration of which is incident with the laser (10), as shown in FIG. As a means for reflecting the laser 10 is composed of a micro lever 20 and a fine tip 30 to measure the laser 10 reflected by it to calculate the surface information of the specimen by the photosensitive device, The same head H is not different from the head configuration of a conventional atomic force microscope.
한편, 본 발명의 초정밀 위치결정수단 즉, 초정밀 3축스테이지(G)를 구현하는 구성요소로서, 상기 베이스(1)는 사각판상체로서 도 1내지 도 2로 도시된 바와 같이 베이스(1) 상부면의 측면 둘레로 베이스(1)를 볼트(B)체결로서 도 7과 같이 측정 테이블(T)상에 고정하기 위한 수단으로 수직으로 관통된 다수개의 고정공(P)이 형성됨이 바람직하다.On the other hand, as a component for implementing the ultra-precision positioning means, that is, the ultra-precision triaxial stage (G) of the present invention, the base 1 is a rectangular plate-like body as shown in Figs. It is preferable that a plurality of fixing holes P are vertically penetrated as a means for fixing the base 1 to the measurement table T as fastening the bolt B to the periphery of the side surface.
또한, 상기 X축 가이드(11)는 전술한 베이스(1)의 상부면과 일체화된 구성으로서 도 1내지 도 2로 도시된 바와 같이 X축가이드(11)의 외측이 베이스(1)에서 일정간격 이격되도록 X축선상과 직각이 되는 절개된 홈과 같은 형상의 X축이중복합선형 스프링홀(113)이 형성된 것으로, 이와 같은 X축 가이드(11)는 좌,우측방향, 즉 도 2로 도시된 X축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구동수단으로서, X축 가이드(11)의 축선방향의 일측중앙으로 압전소자(111)를 도 1내지 도 2와 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(111)의 후측으로는 압전소자(111)에 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(112)을 형성함이 바람직하다.In addition, the X-axis guide 11 is integrated with the upper surface of the base 1 described above, and as shown in FIGS. 1 to 2, the outer side of the X-axis guide 11 is spaced apart from the base 1 by a predetermined distance. An X-axis double complex linear spring hole 113 having a shape such as a cut-out groove that is perpendicular to the X-axis line to be spaced apart is formed. Such an X-axis guide 11 is illustrated in FIG. As a driving means for moving along the X-axis line, the piezoelectric element 111 is installed in the center of one side in the axial direction of the X-axis guide 11 as shown in FIGS. 1 to 2, and then the piezoelectric element 111 The preload hole 112 is preferably formed as a means for preloading the piezoelectric element 111.
이때, 상기 X축이중복합선형 스프링홀(113)을 갖는 X축 가이드(11)는, 내부의 구성을 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정된 판스프링 형태로 취하게 하므로서, X축 가이드(11)가 원하는 X축선상으로 운동하는 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 구성함이 바람직하다.At this time, the X-axis guide 11 having the X-axis double-composite linear spring hole 113, the X-axis guide to take the internal configuration in the form of a leaf spring fixed to both ends as shown in FIG. It is preferable to configure so that (11) mechanically cancels the movement which differs from the linear motion direction which moves on a desired X-axis.
또한, 상기 Y축 가이드(12)는 도 1내지 도 2에 도시된 바와 같이 베이스(1)의 상부면, 즉 전술한 X축 가이드(11)의 내측에 수용되는 형태로서, Y축가이드(12)의 외측이 X축가이드(11)에서 일정간격 이격되도록 Y축선상과 직각이 되도록 Y축이중복합선형 스프링홀(123)을 형성하여 X축 가이드(11)와 일체로 형성되어지며, 그 구성은 도 2에 도시된 바와 같이 X축 가이드(11)와 직교되는 구조로서, X축 가이드(11)와 동일한 절개된 홈과 같은 형상의 Y축이중복합선형 스프링홀(123)로 형성된 것으로, 이와 같은 Y축 가이드(12)는 전,후방향, 즉 도 2에 도시된 Y축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구동수단으로서, Y축 가이드(12)의 축선방향의 일측중앙으로 압전소자(121)를 도 1내지 도 2와 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(121)의 후측으로는 압전소자(121)에 구동 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(122)을 형성함이 바람직하다.In addition, the Y-axis guide 12 is a shape that is accommodated in the upper surface of the base 1, that is, the inside of the above-described X-axis guide 11, as shown in Figs. 1 to 2, Y-axis guide 12 ) Is formed integrally with the X-axis guide 11 by forming the Y-axis double complex linear spring hole 123 to be perpendicular to the Y-axis line so as to be spaced apart from the X-axis guide 11 by a predetermined distance. 2 is a structure orthogonal to the X-axis guide 11 as shown in FIG. 2, and is formed of a Y-axis double-composite spring hole 123 having the same cut-out groove shape as the X-axis guide 11. The same Y-axis guide 12 is a driving means for moving along the Y-axis line shown in FIG. 2 in the front and rear directions, and the piezoelectric element 121 at one side in the axial direction of the Y-axis guide 12. ) And the driving preload is applied to the piezoelectric element 121 to the rear side of the piezoelectric element 121 after being insulted in the form as shown in FIGS. It is preferable to form the preload hole 122 as a means for this purpose.
이때, 상기 Y축이중복합선형 스프링홀(123)을 갖는 Y축 가이드(12)는, 그 내부의 구성 또한 전술한 X축 가이드(11)와 동일한 구조로서, 그 방향과 형성되는 크기만 달리할뿐, 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정된 판스프링 형태를 취하도록 하여, Y축 가이드(12)가 구동됨에 있어, 원하는 Y축선상의 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 구성하게 되는 것이다.At this time, the Y-axis guide 12 having the Y-axis double-composite linear spring hole 123 has the same structure as that of the X-axis guide 11 described above, and differs only in the size formed in the direction thereof. In addition, as shown in FIG. 3, the Y-axis guide 12 is driven so that both ends thereof have a fixed leaf spring shape, so that a movement different from the linear direction of movement on the desired Y-axis is generated. It will be configured to cancel.
또한, 상기 Z축 가이드(13)는, 도 1로 도시된 바와 같이 직사각의 도형체를 이루며, Y축 가이드(12)와 일체로 형성되어, Y축 가이드(12) 상부면상에 수직구조로 돌출 형성되어지는 것으로, 그 구성은 전술한 X축 가이드(11) 및 Y축 가이드(12)와 동일한 절개된 홈과 같은 형상의 Z축이중복합선형 스프링홀(134)로 형성되며, 이와 같은 Z축 가이드(13)는 상,하방향, 즉 도 3으로 도시된 Z축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구조로서 X축(11) 및 Y축 가이드(12)와 수직된 형태를 취하도록 하며, 그 구동수단으로서는 Z축 가이드(13)의 축선방향의 저면 중앙으로 압전소자(131)를 도 1내지 도 3과 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(131)의 후측으로는 압전소자(131)에 구동 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(132)을 형성함이 바람직하다.In addition, the Z-axis guide 13, as shown in Figure 1 forms a rectangular figure, integrally formed with the Y-axis guide 12, protrudes in a vertical structure on the upper surface of the Y-axis guide 12 It is formed, the configuration is formed by the Z-axis double-composite linear spring hole 134 of the same cut groove and the same as the above-described X-axis guide 11 and Y-axis guide 12, Z-axis The guide 13 is a structure for moving along the Z-axis line shown in FIG. 3 in the up and down directions, that is, perpendicular to the X-axis 11 and the Y-axis guide 12. As the driving means, the piezoelectric element 131 is installed in the center of the bottom surface in the axial direction of the Z-axis guide 13 as shown in FIGS. 1 to 3, and then the rear side of the piezoelectric element 131 is connected to the piezoelectric element 131. It is preferable to form the preload hole 132 as a means for giving a drive preload.
이때, 상기 이중복합선형 스프링 구조를 갖는 Z축 가이드(13)는 전술한 바와 같이 X 축(11) 및 Y축(12) 가이드와 수직된 구조만을 취할뿐, 그 내부 구성은 전술한 X축 가이드(11) 및 Y축 가이드(12)와 동일한 구조로서, 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정되는 판스프링 형상을 취하도록 하여, Z축 가이드(13)가 구동됨에 있어, 원하는 Z축선상의 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 하고, 또한 압전소자(131)의 구성위치와 대향하는 Z축 가이드(13)의 상부면 중앙으로는 측정하고자 하는 시편(S)을 안착시키는 수단으로서 홀더(133)를 형성함이 바람직하다.At this time, the Z-axis guide 13 having the double-composite linear spring structure only takes a structure perpendicular to the X-axis 11 and Y-axis 12 guide as described above, the internal configuration of the X-axis guide The same structure as the (11) and the Y-axis guide 12, and as shown in Fig. 3 to take a leaf spring shape that is fixed to both side ends, the Z-axis guide 13 is driven, the desired Z-axis Specimen S to be measured mechanically to offset the occurrence of a movement different from the linear movement direction, and to the center of the upper surface of the Z-axis guide 13 facing the configuration position of the piezoelectric element 131. It is preferable to form the holder 133 as a means for seating it.
또한, 상기 센서홀더(2)(2')는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이, 프레임에 고정되어 있는 베이스(1) 상부면에 있어 X축선과 Y축선이 연장되는 각 일측중앙 끝단에 형성된 것으로, 이와 같은 각 센서홀더(2)(2')내로는, 감지센서(21)(21')를 내설시키므로서, 감지센서(21)(21')의 위치 감지에 의해 발생되는 감지신호에 의해 X, Y, Z축선상을 컨트롤하여 3축 스테이지의 선형운동을 유도하며, 원치않는 3축 스테이지의 선형운동에 대해어서는 그 움직임을 기구적로 상쇄시키도록 함이 바람직하다.In addition, the sensor holder (2) (2 '), as shown in Figure 1 to Figure 2, on the upper surface of the base (1) fixed to the frame at each central end of the X-axis and Y-axis extending In the sensor holder (2) (2 ') as described above, the detection signal generated by the position detection of the detection sensor 21 (21') by incorporating the detection sensor 21 (21 ') It is desirable to control the X, Y, Z on the axis to induce linear motion of the three-axis stage, and to mechanically cancel the motion for the unwanted linear motion of the three-axis stage.
이에, 상기와 같은 구성을 갖는 원자간력 현미경용 3축 스테이지의 사용에 따른 각 구성의 상호조합 관계를 살펴보면 다음과 같다.Thus, looking at the mutual combination of each configuration according to the use of the three-axis stage for atomic force microscope having the above configuration as follows.
우선, 전술한 바와 같은 구성으로서 초정밀 3축 스테이지는 별도의 체결수단이 나 결합구조를 갖지 않는 일체화된 구조로서, 베이스(1)의 상부면상에 X축 가이드(11)와, Y축 가이드(12)와, Z축 가이드(13)가 각 압전소자(111)(121)(131)에 의해 좌우, 전후, 상하로서 3차원 방향의 선형운동을 갖도록 도 1내지 도 2와 같은 구조로 형성시키고, 이와 같이 형성된 초정밀 3축 스테이지의 상부로는 도 7로 도시된 바와 같이 레이져(10)와 미세레버(20)와 미세팁(30)를 갖는 통상의 헤드(H)를 형성시키므로서 원자간력 현미경을 구성하게 된다.First, as described above, the ultra-precision triaxial stage is an integrated structure having no separate fastening means or coupling structure, and includes an X-axis guide 11 and a Y-axis guide 12 on the upper surface of the base 1. ) And the Z-axis guide 13 are formed by the piezoelectric elements 111, 121, and 131 in a structure as shown in FIGS. 1 to 2 so as to have a linear movement in a three-dimensional direction from left to right, front to back, and up and down. The upper part of the ultra-precision triaxial stage thus formed forms an ordinary head H having a laser 10, a micro lever 20, and a micro tip 30, as shown in FIG. Will be configured.
이에, 상기와 같은 원자간력 현미경을 사용함에 있어, 본 발명인 3축 스테이지 사용관계 및 그에 따른 상호 작용기능을 살펴보면; 먼저, 표면을 측정하고자 하는 웨이퍼 시편(S)을 홀더(133)상에 장착시킨다.Thus, in using the atomic force microscope as described above, look at the relationship between the use of the present invention and the three-axis stage and the resulting interaction function; First, the wafer specimen S to be measured on the surface is mounted on the holder 133.
이후, 홀더(133)에 장착된 시편(S)의 표면정보를 측정하기 위해, 측정작업이 이루어지는 헤드(H)상의 미세레버(20)의 미세팁(30)으로 시편(S)을 이동시킴에 있어, 우선 X축 가이드(11)의 압전소자(111)로 외부의 별도 구성인 제어시스템에 의해 전압을 걸어주면, X축선의 압전소자(111)는 구동력을 발생하여 X축 가이드(11)를 도 4로 도시된 바와같이 X축 선의 좌우측으로 직선운동되게 하며 상기와 같은 압전소자(111)의 구동력으로 X축가이드(11)가 직선운동을 하면 X축이중복합선형 스프링홀(113)이 좌우측으로 변형을 하여 X축선상으로 직선운동을 하여 설정된 X축선상의 임의의 위치로 홀더(133)를 이동시키게 된다.Then, in order to measure the surface information of the specimen (S) mounted on the holder 133, to move the specimen (S) to the fine tip 30 of the fine lever 20 on the head (H) where the measurement operation is made. First, when a voltage is applied to the piezoelectric element 111 of the X-axis guide 11 by a control system that is externally configured, the piezoelectric element 111 of the X-axis line generates a driving force to drive the X-axis guide 11. As shown in FIG. 4, when the X-axis guide 11 moves linearly with the driving force of the piezoelectric element 111 as described above, the X-axis double complex spring hole 113 is left and right. The holder 133 is moved to an arbitrary position on the set X-axis by performing a linear motion on the X-axis by performing a deformation process.
또한, 이와 동일한 작용원리로서 제어시스템에 의해 Y축 가이드(12)의 압전소자(121)에서 발생하는 구동력으로 Y축 가이드(12)에 압력을 가하면 도 5로 도시된 바와 같이 Y축이중복합선형 스프링홀(123)이 변형하여 Y축 선상의 전,후측으로 직선운동되게하여 설정된 Y축선상의 임의의 위치로 홀더를 이동시키게 되며, 이로서 X축(11)과 Y축 가이드(12)는 설정된 임의의 부분으로 정확히 위치하게 되는 것이다.In addition, when the pressure is applied to the Y-axis guide 12 by the driving force generated by the piezoelectric element 121 of the Y-axis guide 12 by the control system as shown in FIG. 5, the Y-axis double complex type is shown. The spring hole 123 is deformed to linearly move forward and backward on the Y-axis line, thereby moving the holder to an arbitrary position on the Y-axis line, whereby the X-axis 11 and the Y-axis guide 12 are set to the arbitrary position. It is located exactly as part of.
이에, 상기와 같이 X축 가이드(11)와 Y축 가이드(12)로서 정확한 위치를 설정한후, 전술한 X축(11) 및 Y축 가이드(12)의 구동원리와 동일하게 Z축 가이드(13)의 압전소자(131)를 구동시키게 되면, Z축 가이드(13)는 도 6으로 도시된 바와 같이 Z축 선상의 상,하방향으로 이동되며 홀더(133)상에 장착된 시편(S)의 표면정보를 레이져에 의해 측정하게 되고, 이에 재차 Z축의 움직임이 시편의 표면형상을 따라가도록하여 Z축의 움직임으로 시편(S)의 표면형상을 산출하게 되는 것이다.(도면 미설명 부호 40은 감광장치)Thus, after setting the correct position as the X-axis guide 11 and the Y-axis guide 12 as described above, the Z-axis guide ( When the piezoelectric element 131 of FIG. 13 is driven, the Z-axis guide 13 is moved up and down on the Z-axis line as shown in FIG. 6 and the specimen S mounted on the holder 133. The surface information of is measured by a laser, and again the Z-axis movement follows the surface shape of the specimen to calculate the surface shape of the specimen S by the movement of the Z-axis. Device)
한편, 상기와 같이 3차원 방향으로 구동관계를 갖는 X, Y, Z축 가이드(11)(12)(13)의 작용원리는 도 4내지 도 6으로 도시된 바와같이 X, Y, Z축이중복합선형 스프링홀(113, 123, 134)을 갖는 판스프링 원리를 이용하므로서 그 구동을 가능하게 한 것이고, 전술한 베이스(1)에 고정된 센서홀더(2)(2')는 3축이 구동됨에 있어, 감지센서(21)(21')에 의해 그 움직임을 감지되게하여 3차원적인 움직임을 유도함과 동시에 원하는 운동방향이외의 구동에 대해서는 그 구동을기구적으로 상쇄시키게 하는 기능으로서 구성된 것이다.On the other hand, the principle of operation of the X, Y, Z axis guides 11, 12, 13 having a driving relationship in the three-dimensional direction as described above, as shown in Figs. It is possible to drive by using the leaf spring principle having the compound linear spring hole 113, 123, 134, the three-axis sensor holder (2) (2 ') fixed to the base 1 described above In this way, the sensor is sensed by the sensor 21 (21 ') to induce a three-dimensional movement and at the same time the drive outside the desired direction of movement is configured as a function to cancel the drive mechanically.
이상, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지는 이중복합선형 스프링구조로서, X, Y, Z축 가이드를 별도의 체결수단을 이용하지 않고 일체로 형성되도록 하여 체결구성에 따른 오차나 마모 등의 문제를 해결하며 그 구성을 간소화 시킨 것으로, 제품양산에 따른 제조효율을 상승되도록 한 것일뿐만 아니라, 특히, 일체화된 이중복합선형 스프링구조와 함께 센서홀더를 이용, 3차원방향으로의 이동을 용이하게 유되게하므로서 3축의 상호 간섭 및 불필요한 자유도를 기구적으로 상쇄되게하여 웨이퍼의 표면측정시 작용효율을 증대시킨 것으로 사용자에게 매우 괄목할 만한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.As described above, the ultra-precision three-axis stage for atomic force microscope according to the present invention is a double-composite linear spring structure, and the X, Y, Z-axis guide is formed integrally without using a separate fastening means. It solves problems such as abrasion and simplifies its construction. It not only increases the manufacturing efficiency according to mass production, but also uses a sensor holder with an integrated double compound linear spring structure. It is possible to easily move the three-axis mutual interference and unnecessary degrees of freedom to mechanically increase the working efficiency when measuring the surface of the wafer to provide a very remarkable effect to the user.
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