KR100720456B1

KR100720456B1 - Ａｆｍ 장치의 레이저 광선의 자동 조준 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100720456B1
Application number: KR1020040117509A
Authority: KR
Inventors: 김정태
Original assignee: 동부일렉트로닉스 주식회사
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2007-05-22
Also published as: KR20060078917A

Abstract

본 발명은 원자력 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 'AFM'이라 함)의 팁(tip) 교체 후, AFM 장치의 캔틸레버에 정확히 조준되었을 때의 레이저 광선 패턴이 입력된 디지털 신호 분석기(digital signal analyzer)를 AFM 장치의 팁(tip) 아래에 배치하고, 팁이 교체된 캔틸레버 윗면에 비춰지는 레이저 광선이 디지털 신호 분석기의 센서에 형성하는 패턴과 디지털 신호 분석기에 입력된 패턴의 명암값 및 X/Y 좌표값을 비교하여 센서에 감지되는 패턴이 입력된 패턴과 일치되도록 AFM의 레이저 장치를 자동으로 조준하는 방법 및 그 장치이다. 본 발명에 의해서 AFM 장치의 팁 교체 후 신속하고 정확하게 레이저 광선을 재조준할 수 있으므로, 시간을 절감하고 AFM 장치를 사용하여 얻은 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

AFM, 캔틸레버, 팁, 레이저, 디지털 신호 분석기

Description

ＡＦＭ 장치의 레이저 광선의 자동 조준 방법 및 그 장치{Method and Apparatus for Automatic Aiming Laser Beam of AFM}

도 1은 AFM의 작동 원리를 설명하기 위한 개략도.

도 2는 종래 기술에서 AFM 장치의 팁 교체 후 레이저 조준하는 과정을 설명하기 위한 개략도.

도 3은 본 발명에 의해 AFM 장치의 팁 교체 후 레이저 조준하는 과정을 설명하기 위한 개략도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

31: 캔틸레버 33: 디지털 신호 분석기

35: 디지털 신호 분석기의 일구역 37: 캔틸레버 기판

39: 레이저 스팟

본 발명은 AFM에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 원자력 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 'AFM'이라 함)의 팁(tip)을 자동 정렬하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

반도체 소자가 고집적화됨에 따라서 미세영역을 검사하는 방법이 더욱 중요해지고 있다. 그 결과 전자현미경보다 더 큰 배율과 분해능을 가지는 원자현미경의 사용도 늘고 있다.

원자현미경 중 처음으로 등장한 STM(Scanning Tunneling Microscope)은 터널링(tunneling) 현상에 의해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류가 흐르도록 해서 시료의 지형을 보여주는 것으로 시료가 부도체여서 전류가 흐르지 않는 경우에는 사용하기가 곤란하였다.

이와 달리 AFM은 전기적으로 부도체인 시료의 경우에도 사용이 가능하다. AFM에서는 텅스텐 탐침 대신에 실리콘을 식각하여 만든 팁(tip)과 마이크로머시닝으로 제작된 캔틸레버(cantilever)를 사용한다.

캔틸레버는 길이 100㎛, 폭 20㎛, 두께 1㎛ 로 아주 작으며, 미세한 힘에 의해 아래 위로 쉽게 휘어진다. AFM 장치를 개략적으로 나타낸 도 1에서 보듯이 캔틸레버(1) 끝에 실리콘을 식각해서 뽀족하게 만든 삼각뿔 모양의 팁(3)이 부착되어 있다.

이 팁(3)을 시료(5) 표면에 접근시키면, 팁 끝부분의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 끌어당기거나 밀치는 힘이 작용한다. 이 힘은 1nN ~ 10nN 으로 아주 작지만, 캔틸레버(1)는 이 힘에 의해 아래 위로 휘어진다. 캔틸레버(1)의 휘는 정도를 측정하기 위해 레이저 장치(7)로 레이저 광선(9)을 캔틸레버(1)에 비추고, 캔틸레버(1) 윗면에서 반사되어 나오는 광선(11)의 각도를 포토 다이오드(13)로 측정한다.

이렇게 해서 캔틸레버(1)가 0.01㎚ 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정할 수 있고, 측정 결과를 피드백(feedback)하여 캔틸레버(1)가 일정하게 휘도록 팁(3)과 시료(5) 표면 사이의 거리를 조절하면 시료의 형상을 얻을 수 있다.

한편, 캔틸레버(1)에 부착된 팁(3)은 실리콘을 식각하여 제작한 것으로 서, 장시간 사용할 경우 시료와 상호 작용해서 마모된다. 따라서, 캔틸레버(1)와 팁(3)을 교체해 주어야 한다. 일반적으로 팁(3)은 캔틸레버(1)에 부착되어 있으므로 함께 교환해주며, 이 경우 교체된 캔틸레버에 레이저 광선을 다시 조준해서, 캔틸레버 윗면에서 레이저 광선이 정확히 반사되도록 레이저 장치(7)를 조절해야 한다.

종래에는 AFM 팁(3)을 교체할 때, 도 2와 같이 레이저 광선의 스팟(spot)(15)을 보면서 레이저 광선을 캔틸레버(1) 윗면에 조준하였다. 하지만, 이처럼 육안으로 레이저 광선을 캔틸레버(1)에 조준하는 경우, 캔틸레버의 폭이 20㎛ 밖에 되지 않아 조준하기가 용이하지 않고 시간이 많이 소모될 뿐 아니라 측정 데이터의 신뢰성에 문제가 생길 수 있다.

본 발명의 목적은 디지털 신호 분석기(digital signal analysis)를 사용해서 AFM 장치의 팁을 더 정확하고 신속하게 교체할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 AFM 팁 교체의 시간을 줄이고 정확성을 높여 전체 공정이 효과적이고 신속하게 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

AFM(Automatic Force Microscope) 장치의 레이저(laser) 광선을 정렬하는 방법으로서, AFM 장치의 팁(tip)을 교체하는 단계와, AFM 장치의 캔틸레버에 정확히 조준되었을 때의 레이저 광선 패턴이 입력된 디지털 신호 분석기(digital signal analyzer)를 AFM 장치의 팁(tip) 아래에 배치하는 단계와 팁이 교체된 캔틸레버 윗면에 비춰지는 레이저 광선이 디지털 신호 분석기의 센서에 형성하는 패턴과 디지털 신호 분석기에 입력된 패턴의 명암값 및 X/Y 좌표값을 비교하여 센서에 감지되는 패턴이 입력된 패턴과 일치되도록 AFM의 레이저 장치를 조절하는 단계를 포함한다.

디지털 신호 분석기에 감지되는 레이저 광선의 패턴은 입력된 레이저 광선의 패턴과 비교되어 그 차이가 피드백 루프(feedback loop)를 따라서 레이저 장치로 전해지며, 레이저 장치는 피드백된 데이터를 근거로 레이저 광선을 정렬한다.

따라서, 본 발명을 구현하는 장치는 캔틸레버에 정조준 되었을 때의 레이저 광선 패턴이 입력된 디지털 신호 분석기가 AFM 장치의 교체된 팁 하부에 배치되어 있고, 디지털 신호 분석기의 센서가 피드백 루프(feedback loop)를 따라서 레이저 장치와 전기적으로 연결되어 있는 구조를 포함한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

AFM 장치의 팁을 교체한 다음 도 3과 같이 교체된 캔틸레버(31)에 부착된 팁(미도시) 아래에 디지털 신호 분석기(33)를 배치한다. 디지털 신호 분석기(33)는 레이저 광선이 정확히 조준되었을 때의 패턴이 각 구역(35) 별로 구역 내의 X/Y 좌표에 따라서 입력되어 있다. 즉, 정확히 조준된 레이저 광선이 켄틸레버(31) 윗면 에 비춰지면 산란되어서(scattered) 디지털 신호 분석기(33) 위에 일정한 패턴의 명암을 형성하며, 디지털 신호 분석기(33)에는 형성된 명암(contrast)의 정도가 디지털 신호로 변경되어 각 구역별로 X/Y 좌표에 따라 입력되어 있다.

다음으로 레이저 광선을 비춰서, 교체된 캔틸레버 기판(37)에 달려있는 캔틸레버(31) 위에 레이저 스팟(39)이 위치하도록 한다. 교체된 캔틸레버(31) 위에 레이저 광선이 비춰지면, 산란된 레이저 광선이 디지털 신호 분석기(33) 위에 새로운 패턴을 형성한다.

본 발명에서는 이 새로운 패턴을 디지털 신호 분석기(33)의 센서가 감지해서, 이를 디지털 신호로 변환하고 그 데이터를 피드백하며, 레이저가 정조준 되었을 때 입력된 패턴과 비교하게 된다. 그 결과 팁이 교체된 후의 패턴이 만든 디지털 신호와 입력되어 있던 신호가 차이 나는 부분은 이를 보정하도록 레이저 장치를 조절한다.

본 발명에 따르면 디지털 신호 분석기(33)의 각 구역 내 각각의 X/Y 좌표에 따라서 팁 교체 후 형성된 패턴의 명암 값과 레이저가 정조준 되었을 때 해당 좌표에 입력되어 있던 값을 일대일로 비교되어 그 차이를 보정해 나가므로, 캔틸래버(31)에 입사되는 레이저 광선을 정확히 조준할 수 있고, 디지털 신호를 처리하게 되므로 신속하게 조준을 마칠 수 있다.

지금까지 도면을 참조로 본 발명의 구체적인 구현 방법을 설명하였지만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 한 설명은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 충분히 변형되거나 수정될 수 있다.

본 발명에 의해서 AFM 장치 팁 교체 후 신속하고 정확하게 레이저 광선을 재조준할 수 있으므로, 시간을 절감할 수 있을 뿐 아니라, AFM 장치를 사용하여 얻은 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims

AFM(Automatic Force Microscope) 장치의 레이저(laser) 광선을 조준하는 방법으로서,

AFM 장치의 팁(tip)을 교체하는 단계와,

상기 AFM 장치의 캔틸레버에 정확히 조준되었을 때의 X/Y 좌표에 따라 레이저 광선 패턴이 입력된 디지털 신호 분석기(digital signal analyzer)를 상기 AFM 장치의 팁(tip) 아래에 배치하는 단계와

상기 팁이 교체된 AFM 장치의 캔틸레버 윗면에 레이저 광선을 비추는 단계와,

상기 비춰진 레이저 광선이 상기 디지털 신호 분석기의 센서에 형성하는 패턴과 상기 디지털 신호 분석기에 입력된 패턴의 명암값 및 X/Y 좌표값을 비교하여 상기 센서에 감지되는 패턴이 상기 입력된 패턴과 일치되도록 상기 AFM 장치의 레이저 장치를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM 장치의 레이저 광선 자동 조준 방법.
AFM 장치의 레이저 광선을 조준하는 장치로서,

캔틸레버에 정조준되었을 때의 X/Y 좌표에 따라 레이저 광선 패턴이 입력된 디지털 신호 분석기가 AFM 장치의 교체된 팁 하부에 배치되어 있고,

상기 디지털 신호 분석기의 센서가 피드백 루프(feedback loop)를 따라서 레이저 장치와 전기적으로 연결되고, 상기 캔틸레버 윗면에 비춰지는 레이저 광선이 상기 디지털 신호 분석기의 센서에 형성하는 패턴과 상기 디지털 신호 분석기에 입력된 패턴의 명암값 및 X/Y 좌표값을 비교하여 상기 센서에 감지되는 패턴이 상기 입력된 패턴과 일치되도록 상기 AFM 장치의 레이저 장치를 조절하는 것을 특징으로 하는 AFM 장치의 레이저 광선 자동 조준 장치.