KR100528400B1

KR100528400B1 - 프로브현미경

Info

Publication number: KR100528400B1
Application number: KR1019980013682A
Authority: KR
Inventors: 시게루 와키야마; 나오히코 후지노
Original assignee: 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2006-02-13
Also published as: US6184519B1; JPH10288618A; DE19816914A1; DE19816914B4; KR19980081483A

Abstract

본 발명에 따른 프로브 현미경은 바닥 진동에 의한 방진 테이블 플레이트(14)의 진동이 이동량 검출계(15), 가속도 센서(16) 등에 의해 검출되고, 상기 진동 위상과 대향하는 위상을 갖는 진동이 방진 테이블(14)에 주어져서, 저주파 성분에서 고주파 성분을 가지는 장치 설치 장소에 있어서도 바닥 진동으로부터의 외부 진동 성분을 줄일 수 있는 소위 능동식 방진 테이블을 구비한다.

Description

프로브 현미경

본 발명은 고 분해능으로 물리량을 검출하는 프로브 현미경에 관한 것이며, 특히, 원자간력식 현미경(atomic force microscope), 자력식 현미경(magnetic microscope)등의 프로브 현미경에 우수한 특성을 구비하는 방진 테이블을 부가함으로써, 반도체 제조 등에서 사용되는 청정실 등의 소음이 있는 공간에서도 시료로부터 수신되는 원자간력 등의 물리량을 검출할 수 있도록 한 것이다.

원자간력식 현미경은, STM 에 대한 발명가인 지. 비닝(G. Binnig)에 의해 발명 된 이래로 (Physical Review Letters Vol. 56, p930, 1986), 새로운 절연물질에 대한 표면 형상 관찰을 위한 용도로 연구대상이 되고 있는 현미경으로, 일종의 프로브 현미경이다. 그 원리는, 시료와 그 첨단부가 충분히 뽀족한 검출용 칩 사이의 원자간력을, 이 검출용 칩이 설치된 탄성 부재의 편이(deviation) 정도를 이용하여 측정하는 것으로서, 이 탄성 요소의 편이량을 일정하게 유지하며 시료의 표면을 주사하고, 탄성 요소의 편이량을 일정하게 유지하기 위한 제어신호를 형상 정보로서 시료의 표면 형상을 측정한다.

탄성 요소 이탈 검출 수단은 터널전류를 사용하는 STM 시스템과 광 시스템으로 나눠진다.

이 STM 시스템은 소위 "터널 현상(tunnel phenomenon)"을 이용하며, 이 터널 현상에 따르면, 전압이 두 개의 도체에 인가되고, 이 도체의 하나가 다른 하나의 도체에 수 나노 미터 내지 수 옴스트롬 의 거리만큼 가까워질 때, 전류가 흐르기 시작하는 것이다. 이 도전성은 탄성 요소에 부여된다. 날카로운 금속 바늘이 약 1 나노미터 만큼 이 탄성 요소에 가까워진다. 터널 전류가 그 사이를 흐르게 된다. 이 전류값은 이 탄성 요소의 이동 신호(shift signal)로서 제어된다.

보고에 의하면, 간섭법(interfering method : Journal of Vacuum Science Technology A6(2), p266, 1988년 3/4월), 또는 레이저 광을 탄성 요소에 입사시키고, 그로부터의 반사광의 편향(deviation)을 광 검출 요소를 이용해 이동 신호로 검출하는 광 레버 시스템(optical lever system :Jounal of Applied phisics 65(1), 1 p164, 1989 1월)라고 불리는 예가 사용된다.

프로브 현미경이, 시료를 마주보는 위치에 놓여진 프로브가 시료로부터의 원자간력을 수신하는 것이라면, 그것을 원자간력 현미경이라고 부른다. 또한, 그것이 자기력이라면 자기력 현미경이라고 부른다. 그러므로, 시료로부터 발생되는 다양한 힘을 검출하는 것에 의해 시료의 상태에 대한 검출이 가능함을 유추할 수 있다.

이 프로브 현미경에는 매우 감도 높은 검출부가 제공되어, 원자들 사이의 형상 등에서의 차이를 식별할 수 있다. 한편, 프로브 현미경에 고감도 검출부가 제공되므로, 외부로부터의 진동 또는 소음에 대해 프로프 현미경이 민감하다고 말할 수 있다. 즉, 외부로부터의 소음 또는 진동으로 시료와 검출부가 상대적으로 서로에게변화하면(진동하면), 변동 성분 역시 검출된다. 그러므로, 외부로부터의 진동에 의한 변동 성분이 검출부에 의해 검출되어, 시료의 상태를 나타내는 신호 성분과 혼합된다. 그 결과, 프로브 현미경의 해상도가 열하된다. 이러한 이유로, 진동에 의한 역효과를 방지하기 위해서, 일반적으로 강성이 크고 소형인 것이 고안되고 있다. 그러나, 반도체 제조 시스템에 최근에 제공되는 8인치 웨이퍼위에서 원하는 위치를 측정하기 위한 다른 요구가 발생되었으며, 대형 스테이지가 설치된 프로브 현미경이 제공되고 있다(대형 스페이지가 제공된 프로브 현미경). 그러나, 프로브 현미경의 크기가 커지면, 설치 위치로부터의 진동에 의한 악영향을 피하기 어려운 상황이 발생한다. 대형 프로브 현미경은 문헌(J. Vac. Sci. Technol.B 12(3), 1994년 5/6월 P1572)에 상세히 개시되어 있다.

이 장치에서는 바닥(floor)의 진동이 외부로부터의 주요 진동으로 제공되고 있다. 이 바닥 진동은 설치환경에 따라서 다양한 주파수 성분이 존재한다. 그 중에는 수 Hz (10Hz 이하)와 같은 저주파 성분을 가지는 진동이 있다. 일반적으로, 이러한 것은 프로브 현미경의 검출부 등의 요소 부품에, 바닥으로부터의 진동에 의한 역효과를 줄이는 수단으로 방진 테이블이 제공되고, 방진 테이블의 베이스 위에 설치된다. 방진 테이블로는 압축공기 수단을 이용한 것이 일반적이다. 그러나, 압축 공기 탄성 메카니즘은 기본적으로 탄성 요소이고, 따라서, 공진점을 갖고 있다. 이 공진점은 그 범위가 1 내지 3 Hz로 낮은 것이 보통이다. 낮은 공진점을 가지는 방진 테이블에서, 바닥의 진동 성분인 저주파 진동(약 4Hz 이하)에 대한 진동 성분을 줄이는 것은 불가능하다. 역으로 이 진동은 방진 데이블 위에서 증폭된다. 한편, 청정 환경은 반도체 제조 시스템에서 반드시 필요하므로, 대량 생산은 일반적으로 청정실이라고 부르는 청정환경에서 이루어진다. 그러나, 청정실은, 청정한 공간을 위해 제공되므로, 청정실 내에는 청정한 공기가 흐르도록 되고, 또한 많은 장치 및 평가 장치가 제공되므로 다양한 소음이 발생하는 환경이다. 그리고, 청정실을 가지는 건물 자체도 진동 성분을 가지고 있다. 이러한 이유로, 청정실 내에서는 바닥 위의 저주파 진동 또는 고주파 진동이 발생된다.

본 발명의 목적은, 소리 등에 의해 발생하는 고주파 성분 뿐만 아니라, 주파수는 낮지만 강도는 오히려 센 청정실 등의 장비 설치 위치에서도 고주파에서 저주파 성분에 의한 진동의 영향을 강제적으로 줄이도록 새로운 형태의 프로브 현미경용 방진 테이블을 제공하여, 프로브 현미경이 가지는 본래의 분해능의 열화를 방지한다.

본 발명에 따르면, 바닥 진동에 의한 방진 테이블로의 진동이 이동량 검출계(shift meter), 가속도 센서 등에 의해 검출되고, 상기 진동 위상의 역위상을 갖는 진동(가진력(加振力))이 방진 테이블 플레이트에 주어져서, 방진 테이블 플레이트상의 바닥으로부터의 진동을 감소하고, 저주파 성분에서 고주파 성분을 갖는 장치 설치 위치에 대해서, 바닥 진동으로부터의 외부 진동 성분을 줄일 수 있는, 소위 능동식 방진 테이블을 구비하는 프로브 현미경을 제공한다. 또한, 바닥 이외의 위치로부터의 소리 등으로 인한 고주파 성분을 제거하기 위해서, 전체 프로브 현미경 장치는 방음 커버에 의해 덮여진다. 또한, 능동식 방진 테이블은 문헌[참조 : NIKKEI MICRO-DEVICE November 1993 P105]에 상세하게 기재되어 있다.

본 발명의 수단에 의해, 공기 탄성형 등에서 나타나는 공진 주파수를 줄일 수 있고, 특히, 시료의 상태를 나타내는 신호 성분과 혼합되는 바닥으로부터의 진동 성분 중 저주파 성분을 감소시켜, 프로브 현미경 고유의 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 전체 프로브 현미경은 방음 커버 의해 덮여져서, 고주파 성분을 제거할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 대형 스테이지를 갖는 프로브 현미경이 설치되어 있는 장치의 구조를 도시한 도면이다. 프로브 현미경의 검출부와 같은 요소 부품들이 베이스(1) 위에 구성된다. 도면의 좌우 방향 즉, X-축 방향으로 작동하기 위한 X-축 스테이지(3), 도면의 전후방향 즉, Y-축 방향으로 작동하기 위한 Y-축 스테이지(4) 및, 도면의 상하방향 즉, Z-축 방향에 대하여 작동하기 위한 Z-축 스테이지(5)로 구성된 3차원 스테이지가 지지아암(2)과 함께 베이스(1) 위에 고정된다. 시료(7)는 시료 고정대(6)에 의해 상술한 Z-축 스테이지(5)에 고정된다. 시료 고정은 웨이퍼의 경우에는 진공 척(vacuum chuck)에 의해 수행된다. 상술한 시료(7)의 표면 상태를 검출하기 위한 검출부(8)는 상술한 시료(7)에 마주하는 위치에 위치 선정되고, 이 위치에 미동기구가 고정된다. 상술한 미동기구(9)는 전압이 인가되면 변형이 발생되는 압전 소자(piezoelectric element)로 구성되어, 검출부(8)를 상술된 시료(7)에 대하여 3차원으로 이동시키는 데 사용된다. 본 실시예에서, 상기 검출부(8)는 상술한 시료(7)의 표면으로부터 얻어진 자기력이나 원자간력과 같은 물리적인 힘을 받으면, 변형되는 매우 작은 탄성 요소의 변위를 광학적으로 검출하기 위한 구성의 것이 이용된다. 그 구성의 일례에 따르면, 레이저 빔이 상기 탄성 요소에 조사되고, 이때, 반사된 광선의 편향이 시프트 신호로서 광학 검출 요소에 의해 검출되는 이른바 “광학 레버 시스템(optical lever system)”을 콤팩트하게 구성한다. 이때, 미동기구(9)는 지지 아암(2)에 고정된다.

또한, 수개의 대물 렌즈(10)를 갖는 광학 현미경(11)은 상술한 미동기구(9)에 대하여 Y-방향으로 구성된다. 이 대물 렌즈(10) 들은 전력가동식 리볼버(electric power revolver)에 고정된다. 상술한 광학 현미경(11)의 이미지(상)는 CCD 카메라(12)를 통해 모니터상에 형상된다. 광학 현미경(11)을 통해 보여지는, 검출부(8)와 시료 위치 사이의 위치 변위는 동일한 기준 시료를 사용함으로써 미리 연산되고, 시스템에 기록된다. 이때, 이 변위는 상술한 3차원 스테이지(3, 4 및 5)를 사용함으로써 광학 현미경(11)을 통해 보여진 것과 동일한 위치에서 상술한 검출부(8)을 사용함으로써 검출될 수 있다. 이것은 일본 특허 공개 제 평3-40356 호의 위치 선정 시스템에서 상세히 기재되어 있다.

이때, 상술한 요소 부품들(1 내지 12) 모두는 방진 테이블(13)의 베이스 플레이트(14) 위에 설치된다. 본 실시예에서, 방진 테이블은 방진 테이블 제조자에 의해 판매중인 능동 제어 기능을 구비한 방진 테이블(Patent Instrument Co., Ltd.의 β-시리즈)을 기본으로 한 것이 본 발명에 따른 장치 내에 설치된다. 이동량 검출계(shift meter)(15)는 상술한 방진 테이블 플레이트(14)와 상술한 방진 테이블(13) 사이의 변위 또는, 상술한 방진 테이블 플레이트(14)의 가속과 같은 바닥 진동(floor vibration)에 기인하는 외란에 대한 방진 테이블 플레이트(14)의 변위검출수단으로서, 축방향 X, Y 및 Z 축과 회전 방향(롤링, 요잉 및 피칭) 각각에 대해 제공된다. 가속도 픽업(가속 센서)(16)은 이 이동량 검출계(15)에 부가하여 변위량(change rate)을 검출하기 위한 수단으로서 제공된다. 이동량 검출계(15) 및 가속도 센서(16)에 의해 검출된 변위량과 역위상을 가지는 가진력은 방진 테이블 플레이트(14)에 부여된다. 또한, 단순화된 시스템으로서는, 회전 방향에 대해 역위상인 진동 제어를 하지 않을 수도 있다. 이러한 이유로, 외부 진동에 기인하는 변위와 관련된 변위를 오프셋하기 위한 제어가 작동하는 베이스 플레이트(14)의 구조가 이루어진다. 본 실시예에서 사용된 방진 테이블에서, 수직방향(Z) 및 회동 방향 제어에는 공기 압력을 통해 변위 제어를 수행하기 위한 기구가 사용되고, 면내 방향(X, Y)에 대한 제어에는 자기력을 통해 오프셋되도록 변위를 제어하기 위한 기구(보이스 코일 모터: Voice Coil Motor)가 사용된다.

또, 본 실시예에서, 상술한 방진 테이블과 방진 테이블 플레이트상에 형성된 프로브 현미경 요소는 고주파수의 음향 진동을 감쇠하기 위한 구조를 가지는 방음 커버(17)로 덮여있다. 음향학상의 질량 효과와 금속판의 관점에서, 방음 커퍼(17)는 금속 파우더와 함께 경화시킨 수지로 만들어진 소음 차폐 자재와, 금속 파우더가 발포재에 혼합된 소음 흡수 자재로 된 적층 구조로 제작 및 형성된다.

이러한 구조의 사용에 따라, 이 장치가 고주파 성분으로부터 저주파 성분이 큰 청정실에 설치되더라도, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성 시스템 등에서 보여진 바와 같이 공기 탄성의 공진 주파수를 갖는 종래의 방진 테이블의 진동 감쇠 특성으로 되지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이 저주파 영역에서 진동 감쇠 특성이 우수한 진동 제거기구가 프로브 현미경의 내부 구조에 사용됨으로써, 바닥 진동으로부터의 저주파에 의한 노이즈를 감쇠시킬 수 있게 된다. 따라서, 프로브 현미경이 본연적으로 갖고 있는 높은 분해능을 유지하면서도 관측을 수행할 수 있게 된다. 또, 방음 커버에 의해 고주파 성분을 제거할 수 있다. 덧붙여 말하자면, 본 발명은 프로브 현미경의 응용에 관해 기재되어 있지만, 본 발명은 주사식 전자 현미경(scanning electronic microscope), 투과식 전자 현미경(transmissive electronic microscope), 집속 이온 빔 장치(focused ion beam apparatus) 또는 여타의 분석 또는 제조 기계에 적용할 경우 동일한 방식으로 노이즈 감쇠 효과를 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 프로브 현미경의 요소 부품 구성을 도시하는 도면,

도 2는 공기 탄성형 진동 제거 메카니즘의 진동 감쇠 특성을 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된, 방진 데이블의 진동 감쇠 특성을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 베이스 2 : 지지아암

7 : 시료 8 : 검출부

14 : 방진 테이블 플레이트 15 : 이동량 검출계(shift meter)

16 : 가속도 센서

Claims

시료와 상기 시료로부터 수취된 원자간력 등의 물리량을 검출하는 검출부와, 상기 시료를 3차원적으로 상대 이동시키기 위한 스테이지, 및 상기 시료와 상기 검출부 사이의 거리를 일정하게 유지하는 제어수단으로 이루어지는 기본구성요소를 구비하는 시료 표면의 형상 및 물성을 관찰 또는 측정하는 프로브 현미경에 있어서,

상기 프로브 현미경의 설치환경으로부터의 진동의 전달을 감소시키는 방진 테이블과, 상기 방진 테이블 상의 방진 테이블 플레이트의 변동량을 검출하는 검출 수단을 구비하고,

상기 방진 테이블은 상기 변동량 검출수단으로 검출된 변위에 대하여, 역위상의 가진력을 상기 방진 테이블 플레이트에 부가하도록 제어되고,

상기 방진 테이블 및 방진 테이블 플레이트 상의 상기 기본구성요소를, 음향에 의한 진동을 감소시키는 금속분말을 수지로 경화시킨 소음 차폐 자재와, 발포재에 금속분말이 혼재된 소음 흡수 자재를 적층한 방음커버로 덮는 것을 특징으로 하는 프로브 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 방진 테이블은, 공기압으로 역위상의 가진력을 상기 방진 테이블 플레이트에 부가하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 프로브 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 방진 테이블은, 자기력으로 역위상의 가진력을 상기 방진 테이블 플레이트에 부가하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 프로브 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 방진 테이블의 진동에 대한 상기 방진 테이블 플레이트의 변동량의 검출대상은, 상기 방진 테이블과 상기 방진 테이블 플레이트 사이의 상대변위인 것을 특징으로 하는 프로브 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 방진 테이블의 진동에 대한 상기 방진 테이블 플레이트의 변동량의 검출대상은, 상기 방진 테이블과 상기 방진 테이블 플레이트 사이의 가속도인 것을 특징으로 하는 프로브 현미경.