KR100548724B1 - AFM with dual tip and its test method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 듀얼 팁 원자력 현미경 및 그 측정 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 시료와 팁 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버가 움직임을 측정하여 시료 표면의 거칠기를 측정하는 원자력 현미경에 있어서 압전 센서, 캔틸레버, 팁을 듀얼(Dual)로 설치하여 듀얼 스캔 가능하도록 하는 것이다.The present invention relates to a dual tip atomic force microscope and a method for measuring the same. More specifically, the piezoelectric sensor, the cantilever, and the tip in an atomic force microscope for measuring the roughness of the surface of the sample by measuring the movement of the cantilever by the force between the sample and the tip atom. To install Dual to enable dual scan.
본 발명의 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법은 측정하고자 하는 시료 표면의 원자와 복수로 설정된 팁의 상호간의 힘을 감지하고, 상기 복수로 설정된 팁에 설정된 복수의 캔틸레버가 상기 감지된 힘에 의해 아래위로 휘며 시료 표면을 이동하며, 상기 복수로 설정된 캔틸레버에 연결된 복수의 압전 센서가 상기 캔틸레버의 이동 경로를 감지하고, 상기 감지된 데이타로 시료 표면 프로파일을 인식하며, 상기 복수로 설정된 팁 간의 측정 범위가 일정 영역 중첩되게 설정했을 때, 중첩된 영역에서 각각 인식된 시료 표면 프로파일을 비교하고, 상기 비교된 데이타의 오차가 일정 범위 이상일 때, 그 영역을 재차 측정하는 것으로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.The dual tip atomic force microscopy method of the present invention detects the force between the atoms of the sample surface to be measured and the tip set to the plurality, and the plurality of cantilevers set to the plurality of tips bend up and down by the detected force. A plurality of piezoelectric sensors connected to the plurality of cantilevers to move a sample surface to detect a movement path of the cantilever, recognize a sample surface profile with the sensed data, and a measurement range between the plurality of tips set to a predetermined region When it is set to overlap, the technical feature consists in comparing the sample surface profile respectively recognized in the overlapped areas, and when the error of the compared data is more than a certain range, the area is measured again.
본 발명의 상기 방법을 달성하는 듀얼 팁 원자력 현미경은, 측정하고자 하는 시료 표면의 원자와의 상호간의 힘을 감지하는 복수로 설정된 팁; 상기 복수로 설정된 팁에 연결되어 상기 감지된 힘에 의해 아래위로 휘며 시료 표면을 이동하는 복수로 설정된 캔틸레버; 상기 캔틸레버에 연결되어 상기 캔틸레버의 이동 경로를 감지하는 복수로 설정된 압전 센서; 상기 복수로 설정된 팁, 캔틸레버, 압전 센서 에 의해 감지된 데이타로 시료 표면 프로파일을 인식하는 인식부; 상기 복수로 설정된 팁 간의 측정 범위가 일정 영역 중첩되게 설정했을 때, 중첩된 영역에서 각각 인식된 시료 표면 프로파일을 비교하는 비교부; 상기 비교된 데이타의 오차가 일정 범위 이상일 때, 그 영역을 재차 측정하도록 하는 제어부로 구성됨에 또 다른 기술적 특징이 있다.A dual tip atomic force microscope to achieve the above method of the present invention comprises a plurality of tips for sensing a mutual force with atoms of a sample surface to be measured; A plurality of cantilevers connected to the plurality of tips to bend up and down by the sensed force to move a sample surface; A plurality of piezoelectric sensors connected to the cantilever and configured to sense a movement path of the cantilever; A recognition unit for recognizing a sample surface profile with data sensed by the plurality of tips, cantilevers and piezoelectric sensors; A comparison unit comparing the sample surface profiles respectively recognized in the overlapped areas when the measurement range between the plurality of tips is set to overlap a predetermined area; Another technical feature is that the controller is configured to measure the area again when the error of the compared data exceeds a predetermined range.
AFM, 듀얼 팁, 캔틸레버, 압전 센서.AFM, dual tip, cantilever, piezoelectric sensor.
Description
도 1은 일반적인 압전 센서를 포함하는 캔틸레버를 나타낸 것이다.1 illustrates a cantilever including a general piezoelectric sensor.
도 2는 본 발명에 따른 AFM의 원리를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating the principle of an AFM according to the present invention.
도 3은 상기 도 2의 듀얼 팁 AFM 측정 방법으로 측정된 프로파일 결과를 나타낸 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing the profile results measured by the dual tip AFM measurement method of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 스캐너 20 : 압전 센서10
30 : 캔틸레버 40 : 팁30: cantilever 40: tip
50 : 시료50: sample
본 발명은 듀얼 팁 원자력 현미경 및 그 측정 방법에 관한 것으로, 보다 자 세하게는 시료와 팁 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버가 움직임을 측정하여 시료 표면의 거칠기를 측정하는 원자력 현미경에 있어서 압전 센서, 캔틸레버, 팁을 듀얼(Dual)로 설치하여 듀얼 스캔 가능하도록 하는 것이다.The present invention relates to a dual tip nuclear microscope and a method for measuring the same. More specifically, the piezoelectric sensor and the cantilever in an atomic force microscope for measuring the roughness of the surface of the sample by measuring the movement of the cantilever by the force between the sample and the tip atom. In other words, the tip is installed in dual to enable dual scanning.
일반적으로 원자력 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 AFM이라 함)은 시료의 원자적 배율로 관찰하기 위해 원자 상호간의 힘을 이용하여 표면을 분석하기 위한 것으로서, 시료의 국소적인 원자와 팁(tip) 끝에 달려 있는 원자사이의 힘을 이용하기 때문에 시료의 전도성에 관계없이 도체, 반도체, 자성체 그리고 유전체 등 거의 대부분의 시료를 공기 중에서 쉽게 관찰 할 수 있는 장점이 있다.Atomic Force Microscopes, commonly referred to as AFMs, are designed to analyze surfaces using interatomic forces to observe at the atomic magnification of a sample. Because of the force between atoms, almost all samples such as conductors, semiconductors, magnetic materials, and dielectrics can be easily observed in the air regardless of the conductivity of the sample.
이때 상기 AFM은 마이크로머시닝으로 제조된 캔틸레버(cantilever)라는 부드러운 스프링에 달려있는 팁을 사용하여 원자와 시료의 원자들 사이에 작용하는 힘에 의해 상기 캔틸레버가 휘는 정도를 측정한다.At this time, the AFM measures the degree to which the cantilever is bent by the force acting between the atoms and the atoms of the sample by using a tip attached to a soft spring called a cantilever manufactured by micromachining.
따라서 상기 캔틸레버는 미세한 힘에 의해서도 위아래로 쉽게 휘어지도록 만들어졌고, 끝 부분에는 원자 몇 개 정도의 크기로 뾰족한 바늘, 즉 탐침이 달려있다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기는 인력이나, 밀치는 척력이 작용하는데, AFM은 이 힘을 적절한 방법으로 측정하여 전기적인 신호로 변환한 다음, 이 신호를 탐침과 시료사이의 거리를 일정하게 유지하도록 역 되먹임하면 시료 표면에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있다.Therefore, the cantilever is made to bend up and down easily even by a minute force, and the tip has a pointed needle, that is, a probe, about the size of several atoms. Approaching the probe surface to the sample surface, the attraction between the atoms at the tip of the probe and the atoms at the sample surface is attracted to each other, or the repulsive force is pushed. The AFM measures this force in an appropriate manner to produce an electrical signal. After conversion, this signal is inversely fed back to maintain a constant distance between the probe and the sample to provide three-dimensional information about the surface of the sample.
통상적으로 AFM은 접촉모드(contacting mode) 동작에 있어서, 캔틸레버의 단 부에 날카로운 팁이 장착되고, 이 팁은 아주 작은 트래킹력(10-5 내지 10-10 N)을 가지고 샘플 표면에 놓인다.Typically in AFM operation, in contacting mode, a sharp tip is mounted at the end of the cantilever, which tip is placed on the sample surface with a very small tracking force (10 -5 to 10 -10 N).
표면 지형(topography)의 모양은 아주 높은 분해능으로 나타난다. 각 원자의 위치를 나타내는 영상이 관례적으로 얻어진다. 제2의 동작모드에 있어서는, 팁이 샘플 표면으로부터 5 내지 500 옹스트롬 정도의 짧은 거리를 유지하고 있어 샘플과 팁간의 정전기력, 자기력 및 반데르발스력을 포함하는 여러 가지 힘에 의해 팁이 편향된다.The appearance of surface topography is very high resolution. An image showing the position of each atom is customarily obtained. In the second mode of operation, the tip maintains a short distance of about 5 to 500 angstroms from the sample surface, such that the tip is deflected by various forces including electrostatic, magnetic and van der Waals forces between the sample and the tip.
AFM은 원자 분해능으로 절연 표면뿐만 아니라 전도 표면까지도 영상화 할 수 있다. 통상적인 AFM은 변위의 측정시 0.1 옹스트롬의 감도와 미터당 약 1 뉴톤(1 N/m)의 스프링 상수를 갖는다. 또한, 캔틸레버는 샘플에 접근 및 접촉할 수 있도록 장착되어야 한다.AFM can image not only insulating surfaces but also conductive surfaces with atomic resolution. Conventional AFM has a sensitivity of 0.1 Angstroms and a spring constant of about 1 Newton per meter (1 N / m) in measuring displacement. In addition, the cantilever must be mounted to allow access and contact with the sample.
캔틸레버의 편향을 검출하는 몇가지 방법은 버큠 터널링(vacuum tunneling), 광학 간섭, 광학 빔 편향, 용량성 기술을 포함하여 서브옹스트롬(sub-angstrom) 감도를 이용할 수 있다.Several methods of detecting cantilever deflection may utilize sub-angstrom sensitivity, including vacuum tunneling, optical interference, optical beam deflection, and capacitive techniques.
그러나 현재 이와 같은 종래의 기술로는 여전히 압전저항 센서의 민감도를 향상시키는데 한계가 있으며, 현재 캔틸레버는 여러가지 방법들을 모두 종합하여 사용하고 있다. 그러나 이 역시도 여전히 민감도를 향상시키기에는 한계가 존재한다.However, at present, such a conventional technology is still limited in improving the sensitivity of the piezo-resistive sensor. Currently, the cantilever uses a combination of various methods. However, there are still limitations to improving sensitivity.
이와 같이 압전저항 센서의 민감도를 보다 향상시키려는 이유는 센싱의 효율 뿐만 아니라 주변 회로의 기술 개발이 보다 용이하다는 2차적 장점도 있기 때문이다. 따라서 압전저항 센서의 민감도를 향상시키기 위한 보다 많은 기술개발이 요망되고 있는 실정이다.The reason for further improving the sensitivity of the piezo-resistive sensor is not only the efficiency of sensing but also the secondary advantage of easier technology development of peripheral circuits. Therefore, more technology development is required to improve the sensitivity of the piezo-resistive sensor.
광학적으로 동작되는 AFM은 매우 정확하기는 하지만 몇가지 광학적 요소와 미세한 정렬을 필요로 하기 때문에 제조하기가 어려울뿐만 아니라 동작시키기도 어려우며 또한 미세한 단차를 단일 팁으로 측정할 때 오차가 발생할 수 있는 문제점이 내포된다.Although optically operated AFM is very accurate, it requires some optical elements and fine alignment, which makes it difficult to manufacture and difficult to operate, and also introduces problems that can cause errors when measuring small steps with a single tip. .
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 팁으로 시료를 측정할 때 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위해 압전 센서, 캔틸레버, 팁을 듀얼(Dual)로 설치하여 듀얼 스캔 가능하도록 하는 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, in order to minimize the errors that may occur when measuring the sample with a single tip, the piezoelectric sensor, cantilever, tip installed in dual (dual) It is an object of the present invention to provide a dual tip nuclear microscope measurement method to enable dual scan.
본 발명의 상기 목적은 측정하고자 하는 시료 표면의 원자와 복수로 설정된 팁의 상호간의 힘을 감지하고, 상기 복수로 설정된 팁에 설정된 복수의 캔틸레버가 상기 감지된 힘에 의해 아래위로 휘며 시료 표면을 이동하며, 상기 복수로 설정된 캔틸레버에 연결된 복수의 압전 센서가 상기 캔틸레버의 이동 경로를 감지하고, 상기 감지된 데이타로 시료 표면 프로파일을 인식하며, 상기 복수로 설정된 팁 간의 측정 범위가 일정 영역 중첩되게 설정했을 때, 중첩된 영역에서 각각 인식된 시료 표면 프로파일을 비교하고, 상기 비교된 데이타의 오차가 일정 범위 이상일 때, 그 영역을 재차 측정하는 것으로 이루어지는 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법에 의해 달성된다.The object of the present invention is to detect the force between the atoms of the sample surface to be measured and the tip set to the plurality, the plurality of cantilever set to the tip set to the plurality is bent up and down by the detected force to move the sample surface And a plurality of piezoelectric sensors connected to the plurality of cantilevers detect the movement path of the cantilever, recognize the sample surface profile using the sensed data, and set the measurement range between the plurality of tips to overlap a predetermined region. When this is achieved by a dual tip atomic force microscopy method consisting of comparing the sample surface profiles respectively recognized in the overlapped areas and re-measuring the area when the error of the compared data is above a certain range.
본 발명의 상기 방법을 달성하는 듀얼 팁 AFM은, 측정하고자 하는 시료 표면의 원자와의 상호간의 힘을 감지하는 복수로 설정된 팁; 상기 복수로 설정된 팁에 연결되어 상기 감지된 힘에 의해 아래위로 휘며 시료 표면을 이동하는 복수로 설정된 캔틸레버; 상기 캔틸레버에 연결되어 상기 캔틸레버의 이동 경로를 감지하는 복수로 설정된 압전 센서; 상기 복수로 설정된 팁, 캔틸레버, 압전 센서에 의해 감지된 데이타로 시료 표면 프로파일을 인식하는 인식부; 상기 복수로 설정된 팁 간의 측정 범위가 일정 영역 중첩되게 설정했을 때, 중첩된 영역에서 각각 인식된 시료 표면 프로파일을 비교하는 비교부; 상기 비교된 데이타의 오차가 일정 범위 이상일 때, 그 영역을 재차 측정하도록 하는 제어부로 구성된다.A dual tip AFM which achieves the above method of the present invention comprises: a plurality of tips configured to sense a mutual force with atoms of a sample surface to be measured; A plurality of cantilevers connected to the plurality of tips to bend up and down by the sensed force to move a sample surface; A plurality of piezoelectric sensors connected to the cantilever and configured to sense a movement path of the cantilever; A recognition unit for recognizing a sample surface profile with data sensed by the plurality of tips, cantilevers, and piezoelectric sensors; A comparison unit comparing the sample surface profiles respectively recognized in the overlapped areas when the measurement range between the plurality of tips is set to overlap a predetermined area; When the error of the compared data is a predetermined range or more, the control unit for measuring the area again.
본 발명의 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법은 시료와 팁 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버가 움직임을 측정하여 시료 표면의 거칠기를 측정하는 원자력 현미경에 있어서 압전 센서, 캔틸레버, 팁을 듀얼(Dual)로 설치하여 듀얼 스캔 가능하도록 하여, 시료 표면 데이타를 2배 빠르게 측정할 수 있으며, 측정 시간을 줄일 수 있다.In the dual tip atomic force microscopy method of the present invention, a piezoelectric sensor, a cantilever, and a tip are dually installed in an atomic force microscope in which the cantilever moves by a force between a sample and a tip atom to measure the roughness of a sample surface. Dual scan capability enables sample surface data to be measured twice as fast, reducing measurement time.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설 명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
도 1은 일반적인 압전 센서를 포함하는 캔틸레버를 나타낸 것이다. 도 1은 사시도로써, 팁(tip)을 갖는 기판(9)과, 상기 기판(9) 위에 붕소(boron)를 도핑하여 압전저항으로 작용하는 센싱부(4)와, 상기 센싱부(4)에 전기 신호를 전달하는 센싱 신호 전달부(6)로 구성된다.1 illustrates a cantilever including a general piezoelectric sensor. FIG. 1 is a perspective view illustrating a substrate 9 having a tip, a sensing unit 4 acting as a piezoelectric resistance by doping boron on the substrate 9, and the sensing unit 4. It consists of a sensing
그리고 센싱 신호 전달부(6)와 센싱부(4)사이에 저항(ohmic) 접촉을 형성하기 위한 접촉부(7)와, 기판(9)과 센싱 신호 전달부(6) 사이에 전기적 신호를 발생시키지 못하도록 하는 절연막(8)을 더 포함하여 구성된다.In addition, an electrical signal is not generated between the contact portion 7 for forming an ohmic contact between the sensing
이와 같이 구성된 압전저항 센서(piezoresistor)를 내장한 캔틸레버는 압전저항 센서의 민감도가 매우 중요하기 때문에 이 민감도를 높이기 위해서 다양한 방법들이 제안되고 있지만, 매우 미세한 단차를 측정하기 때문에 발생하는 오차를 막기에는 한계가 있는 것이다.Since the sensitivity of piezo-resistive sensors (piezoresistor) incorporating the piezo-resistance sensor as described above is very important, various methods have been proposed to increase the sensitivity. There is.
시료 표면의 거칠기를 측정하는 AFM 측정 방법은 시료와 Tip 사이의 원자의 힘에 의한 캔틸레버의 움직임을 라인별(Line by Line)로 측정하여, 3차원의 표면 프로파일을 얻을 수 있다.In the AFM measuring method for measuring the roughness of the surface of the sample, the three-dimensional surface profile can be obtained by measuring the movement of the cantilever due to the force of the atom between the sample and the tip line by line.
도 2는 본 발명에 따른 AFM의 원리를 나타내는 개략도이며, 도 2의 구성을 보면, 스캐너(Scanner)(10), 압전 센서(20), 캔틸레버(30), 팁(40), 시료(50)를 볼 수 있으며, 특히 압전 센서(20), 캔틸레버(30), 팁(40)이 듀얼로 구성됨을 알 수 있다.FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of AFM according to the present invention. Referring to the configuration of FIG. 2, a
상기 도 2의 AFM의 원리는 팁(40)과 시료(50)표면의 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버(30)가 아래위로 휘게 되는 것을 라인별(Line by Line)로 측정하는 것으로, 압전 센서(20), 캔틸레버(30), 팁(40)이 듀얼로 구성됨으로써 복수의 팁(40)이 서로 중첩되지 않는 범위를 측정하게 되면 그만큼의 측정 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 매우 미세한 단차를 측정하기 때문에 발생하는 오차를 막을 수 있는 방법으로서, 복수의 팁(40)이 일정 범위를 설정하여 서로 중첩되어 측정할 수 있도록 하여 각각의 팁(40) 간의 오차가 발생하면 그 오차가 발생한 부분을 재차 측정할 수 있도록 한다.The principle of the AFM of FIG. 2 is to measure, by line, that the
도 3은 상기 도 2의 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법으로 측정된 프로파일 결과를 나타낸 개략도이다.3 is a schematic view showing a profile result measured by the dual tip nuclear microscope measurement method of FIG.
본 발명은 상술한 실시예에만 국한되지 않고, 많은 변경 및 변형이 본 발명의 범위내에서 당업자라면 이해될 수 있다. 상술한 실시예에서, 압전 센서(20), 캔틸레버(30), 팁(40)은 듀얼로 구성되지만 그 각각의 갯수는 필요에 따라 그 이상으로 설정될 수 있는 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and many variations and modifications can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention. In the above-described embodiment, the
따라서, 본 발명의 듀얼 팁 원자력 현미경 측정 방법은 AFM에 있어서 압전 센서, 캔틸레버, 팁을 듀얼(Dual)로 설치하여 듀얼 스캔 가능하도록 하여, 시료 표면 데이타를 2배 빠르게 측정할 수 있으며, 측정 시간을 줄일 수 있다.Therefore, the dual tip atomic force microscopy method of the present invention provides dual scanning by installing a piezoelectric sensor, a cantilever, and a tip in an AFM so that the sample surface data can be measured twice as fast and the measurement time can be measured. Can be reduced.
또한, 복수의 팁이 서로 중첩되지 않는 범위를 측정하게 되면 그만큼의 측정 시간을 단축시킬 수 있고, 일정 범위를 설정하여 복수의 팁이 서로 중첩되어 측정 할 수 있도록 하면 각각의 팁들이 측정한 결과의 오차가 발생할 때 그 오차가 발생한 부분을 재차 측정할 수 있도록 함으로써, 매우 미세한 단차를 측정할 수 있다.In addition, by measuring a range in which a plurality of tips do not overlap each other, it is possible to shorten the measurement time, and by setting a predetermined range so that a plurality of tips overlap each other and measure the results of the measurement of each tip. When an error occurs, the part where the error occurred can be measured again, whereby a very fine step can be measured.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |