KR100721586B1 - 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한프로그램이 기록된 기록매체 - Google Patents

주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한프로그램이 기록된 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 팁(tip)과 샘플 사이의 정전용량의 변화율이 더욱 민감해지고 부유 정전용량(stray capacitance)의 발생이 방지되어 보다 선명하고 정확한 측정이 가능해진 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 위하여, (i) 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침을 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기와, (ii) 가변 주파수의 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기와, (iii) 상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공한다.

Description

주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체{Scanning capacitance microscope, driving method of the scanning capacitance microscope, and recording medium storing program to implement the method}
도 1은 샘플에 따라 공진 주파수가 달라지는 것을 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 2는 주사 정전용량 현미경의 팁이 이동하면서 샘플의 특성을 측정하는 것을 보여주는 사진들이다.
도 3은 도 2의 각 사진의 상황에 따라 공진 주파수가 변하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 4는 종래의 주사 정전용량 현미경에서 부유 정전용량이 발생하는 것을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 5는 샘플의 표면 형상과, 종래의 주사 정전용량 현미경으로 이를 측정한 이미지를 보여주는 사진들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 7은 도 6의 주사 정전용량 현미경의 발진기에서 발진되는 신호의 주파수 를 변경하여 공진 주파수를 찾는 것을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 구동방법에 대한 일 실시예를 흐름도로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 구동방법에 대한 다른 일 실시예를 흐름도로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 탐침(probe) 및 이를 지지하는 캐리어를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 캐리어를 고정시키는, 주사 정전용량 현미경의 캐리어 홀더를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 공진기 차폐물을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 13은 샘플의 표면 형상과, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경으로 이를 측정한 이미지를 보여주는 사진들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 공진기 111: 캔틸레버
112: 팁(tip) 114: 탐침
115: 캐리어 116: 탐침 와이어
120: 발진기 130: 검출기
140: 증폭기 150: 고정 위상 증폭기(lock-in amplifier)
160: DA 컨버터 170: AD 컨버터
본 발명은 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 팁(tip)과 샘플 사이의 정전용량의 변화율이 더욱 민감해지고 부유 정전용량(stray capacitance)의 발생이 방지되어 보다 선명하고 정확한 측정이 가능해진 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경(SPM: scanning probe microscope)은 나노 스케일의 해상력을 가진 현미경으로서, 샘플의 표면 형상이나 샘플의 전기적 특성 등을 이미지로 나타내는 현미경이다. 이러한 주사 탐침 현미경에는 원자력 현미경(AFM: atomic force microscope), 자기력 현미경(MFM: magnetic force microscope) 및 주사 정전용량 현미경(SCM: scanning capacitance microscope) 등이 있는데, 본 발명은 특히 주사 정전용량 현미경에 관한 것이다.
주사 정전용량 현미경은 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량의 변화에 따라 공진 주파수가 달라진다는 점을 이용하여 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량을 측정하는 현미경으로서, 공진 주파수의 변화에 의해 매우 작은 정전용량, 예컨대 10-20F까지도 측정할 수 있다. 이러한 주사 정전용량 현미경을 이용하면 샘플의 캐리어 농도(carrier density) 등을 측정하거나 반도체 샘플의 2차원적 도핑 프로파일을 분석할 수 있는 등 다양한 분야에 이용할 수 있다.
그러나 종래의 주사 정전용량 현미경은 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량을 측정하기 위해 발진기에서 생성하는 신호의 주파수가 고정되어 있기에, 샘플의 재료 변화에 따라 해상도 또는 민감도가 저하될 수 있다는 문제점이 있었다. 도 1은 금도금된 알루미늄(A), 니켈도금된 강철(B), 알루미늄 옥사이드(C) 및 실리콘(D)에 대해 각각 측정한 공진 주파수의 차이를 보여주는 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이 물체에 따라 공진 주파수가 현저하게 다르기에, 발진기에서 고정된 주파수의 신호만 생성할 경우 특정한 재료의 샘플의 경우에는 측정이 잘 될 수 있으나 그 외의 다른 재료의 샘플의 경우에는 주사 정전용량 현미경의 민감도가 저하되어 올바른 측정 결과를 얻을 수 없게 된다는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 주사 정전용량 현미경의 경우 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량 외에도 부유 정전용량, 즉 탐침을 지지하는 캐리어와 샘플 사이의 정전용량이 측정 결과에 영향을 줄 수 있으며, 그 결과 정확한 측정이 이루어지지 않을 수 있다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 낮은 주파수로 측정 신호를 변조시킨 후 dC/dV, 즉 전압에 대한 정전용량의 미분치를 측정함으로써 부유 정전용량에 의한 영향 성분을 제거하는 것이 시도되고 있으나, 이는 부유 정전용량의 검출을 완전히 방지하는 것이 아니기에 부유 정전용량이 배제된 정확한 데이터를 얻을 수 없다는 문제점을 여전히 가지고 있었다.
도 2는 주사 정전용량 현미경의 팁이 이동하면서 샘플의 특성을 측정하는 것 을 보여주는 사진들이며, 도 3은 도 2의 각 사진의 상황(A, B, C, D)에 따라 공진 주파수가 변하는 것을 보여주는 그래프이다. 이와 같이 종래의 주사 정전용량 현미경을 이용할 경우, 탐침이 샘플 상부를 이동함에 따라 공진 주파수가 변하는 등 측정의 정확성이 저하되는 문제점이 발생하였다. 이는 주사 정전용량 현미경에 의해 측정된 정전용량에는 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량 뿐만 아니라 금속재의 캐리어와 샘플 사이의 정전용량(부유 정전용량) 성분까지 포함되어 있기 때문이다. 즉, 도 4에 도시된 것과 같이 발진기(20)에서 전기적 신호를 공진기(10)에 인가하여 검출기(30)에서 탐침 와이어(16)를 통한 공진기(10)에서의 전기적 신호를 검출하는데, 이 경우 탐침(14)의 캔틸레버(11) 끝부분에 위치한 팁(12)과 마운트(18) 상의 샘플(19) 사이의 정전용량 뿐만 아니라 금속재의 캐리어(15)와 샘플(19) 사이의 정전용량까지 측정되어 정확한 측정이 이루어지지 않는다는 문제점이 있었다.
도 5는 샘플의 표면 형상(좌측 사진)과, 이와 같은 여러 문제점들을 가지고 있는 종래의 주사 정전용량 현미경으로 이 샘플을 측정한 이미지(우측 사진)를 보여주는 사진들이다. 도 5의 우측 사진에 나타난 것과 같이 이미지가 선명하게 구현되지 않음을 볼 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 팁(tip)과 샘플 사이의 정전용량의 변화율이 더욱 민감해지고 부유 정전용량(stray capacitance)의 발생이 방지되어 보다 선명하고 정확한 측정이 가능해진 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적 및 그 밖의 여러 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (i) 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침을 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기와, (ii) 가변 주파수의 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기와, (iii) 상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경을 제공한다.
본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하여, (i) 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침과 상기 탐침을 지지하는 캐리어를 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기와, (ii) 주파수를 가진 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기와, (iii) 상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기와, (iv) 상기 탐침의 위치를 고정 또는 이동시키기 위한 Z 스캐너와, (v) 상기 캐리어를 상기 Z 스캐너에 고정시키는 캐리어 홀더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경을 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 캐리어 홀더는 집게 형상인 것으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 캐리어 및 상기 캐리어 홀더 중 적어도 어느 하나는 비 도전성 재료로 형성되는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 비 도전성 재료는 세라믹 또는 비 도전성 고분자인 것으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 비 도전성 재료는 알루미나 또는 폴레에테르에테르케톤(PEEK: polyethereetherketone)인 것으로 할 수 있다.
한편, 상기 발진기에서 생성된 신호를 증폭시키는 증폭기를 더 구비하며, 상기 발진기는 상기 증폭기의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 공진기는 상기 증폭기의 타단에 전기적으로 연결되는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 검출기에 전기적으로 연결되어 상기 검출기에서 검출된 신호를 증폭시키는 고정 위상 증폭기(lock-in amplifier)를 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
그리고 샘플을 이동시키기 위한 XY 스캐너와, 상기 XY 스캐너 상부에 배치되어 샘플을 지지하는 마운트를 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
한편, 상기 공진기는 상기 공진기 내부로부터의 전자기파 방사를 방지하기 위한 차폐물을 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
이때, 상기 발진기 및 상기 검출기는 상기 차폐물 외부에 구비되는 것으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 차폐물은 표면이 금으로 코팅된 알루미늄으로 형성되는 것으로 할 수 있다.
한편, 상기 발진기는, 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 복수개의 발진기들을 구비하는 것으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, (i) 가변 주파수의 신 호를 생성하여 공진기에 인가하는 발진기를 구동함으로써, 주파수의 전 대역에서 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계와, (ii) 상기 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계와, (iii) 가변 주파수의 대역 내의 특정 주파수 값을 입력받는 단계와, (iv) 선택된 상기 특정 주파수를 갖는 신호를 생성하여 공진기에 인가하도록 발진기를 구동하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경의 구동방법을 제공한다.
이때, 포인터(pointer)의 위치에 해당하는 전압 및 주파수 값을 표시하는 단계를 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 주파수의 전 대역에서 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계 이전에 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계를 더 구비하고, 상기 주파수의 전 대역에서 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계는, 가변 주파수의 신호를 생성하여 공진기에 인가하는 발진기를 구동함으로써 주파수의 상기 선택된 특정 대역에서 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계이며, 상기 특정 주파수 값을 입력받는 단계는, 주파수의 상기 선택된 특정 대역 내의 특정 주파수를 입력받는 단계인 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계와 상기 특정 주파수 값을 입력받는 단계 사이에 전압의 피크의 존재여부를 판단하는 단계를 더 구비하고, 전압의 피크가 존재하면 상기 특정 주파수 값을 입력받는 단계로 진행하며, 전압의 피크가 존재하지 않으면 상기 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계로 진행하되 입력받은 특정 대역값과 다른 특정 대역값을 입력받는 것으로 할 수 있다.
한편, 상기 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계 이전에, 샘플의 분석 대상 영역에 관한 데이터를 입력받는 단계와, 상기 영역에 관한 데이터를, 샘플에 대한 탐침의 상대적 위치를 변화시키는 액튜에이터로 출력하는 단계를 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기와 같은 방법들 중 어느 한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경은 공진기(110)를 구비하는데, 이 공진기(110)는 캔틸레버(111) 및 캔틸레버의(111) 끝 부분에 부착된 팁(112)을 포함하는 탐침(114)을 구비하며, 탐침(114)의 팁(112)과 샘플(119) 사이의 정전용량에 따라 공진한다. 이 탐침(114)은 도전성 물질로 코팅될 수 있는데, 예컨대 CrAu 또는 TiPt와 같은 물질로 코팅될 수 있다. 탐침(114)에는 탐침 와이어(116)가 연결되어 탐침(114)에 전기적 신호를 전달한다. 탐침(114)은 필요에 따라 이를 지지하는 캐리어(115)에 연결될 수 있다. 이 공진기(110)의 일단에는 발진기(120)가 연결되어 있는데, 이 발진기(120)는 가변 주파수의 신호를 생성하여 이를 공진기(110)에 인가한다. 물론 필요에 따라 이 발진기(120)에서 생성된 신호를 증폭시키는 증폭기(140)가 도 6에 도시된 것처럼 더 구비될 수도 있다. 이 경우에는 발진기(120)는 증폭기(140)의 일단에 전기적으로 연결되고, 공진기(110)는 증폭기(140)의 타단에 전기적으로 연결된다. 그리고 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경은 공진기(110)에서 발생한 신호를 검출하는 검출기(130)를 구비한다. 물론 필요에 따라 이 검출기(130)에서 검출한 신호를 증폭시키는 고정 위상 증폭기(lock-in amplifier, 150)를 더 구비할 수도 있다. 그리고 낮은 주파수로 측정 신호를 변조시킨 후 dC/dV, 즉 전압에 대한 정전용량의 미분치를 측정함으로써 부유 정전용량에 의한 영향 성분을 제거하기 위한 수단(151)이 고정 위상 증폭기에 더 구비되도록 할 수도 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경은 그 탐침(114)으로 샘플(119)을 주사(scan)하면서 샘플의 캐리어 농도 등을 측정하거나 반도체 샘플의 2차원적 도핑 프로파일을 분석할 수 있는 등, 샘플의 특성에 관한 데이터를 수집할 수 있다. 즉, 마운트(118) 상에 놓인 샘플(119)의 하면을 도전성 물질로 코팅하면, 이 샘플(119)의 하면과 탐침(114)의 팁(112)이라는 두 개의 도전체들과, 그 사이에 샘플(119)이라는 유전체가 개재된 등가 커패시터가 되며, 이 커패시터의 정전용량을 측정함으로써 샘플(119)의 특성을 분석할 수 있게 되는 것이다. 이 경우 하면이 도전성 물질로 코팅된 샘플(119)은 자석을 이용하여 마운트(118)에 고정될 수 있다. 물론 샘플(119)의 하면을 도전성 물질로 코팅하지 않고, 마운트(118)와 샘플(119) 사이에 도전성을 갖는 접착제를 개재시켜 동일한 효과를 얻을 수도 있는 등, 그 다 양한 변형이 가능하다. 이는 후술할 실시예들에 있어서도 동일하다.
물론 이 샘플(119)을 탐침(114)이 주사하기 위해 샘플(119)과 탐침(114)의 상대적인 위치를 조정하는 장치가 더 구비될 수 있는데, 이는 탐침(114)만을 이동시킬 수도 있고 샘플(119)만을 이동시킬 수도 있으며 탐침(114)과 샘플(114) 모두를 이동시킬 수도 있는 등 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 이 역시 후술할 실시예들에 있어서도 동일하다.
이 경우, 전술한 바와 같이 종래의 주사 정전용량 현미경의 경우 발진기에서 생성되는 신호의 주파수가 고정되어 있기에 샘플의 재료 변화에 따라 해상도 또는 민감도가 저하될 수 있다는 문제점이 있었다. 그러나 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경에 구비된 발진기(120)는 가변 주파수의 신호를 생성하여 이를 공진기(110)에 인가함으로써, 샘플의 재료 변화에 따른 해상도 또는 민감도 저하의 문제가 발생하지 않는다.
도 7은 도 6의 주사 정전용량 현미경의 발진기에서 발진되는 신호의 주파수를 변경하여 공진 주파수를 찾는 것을 보여주는 그래프이다. 즉, 발진기에서 생성하는 신호의 주파수를 변화시키면서 공진기의 출력단에서의 신호, 예컨대 전압을 검출하고, 이 검출된 전압을 주파수의 그래프로 나타낸 후 공진 주파수를 찾는다.
이와 같이 각 샘플에 따라 적절한 주파수의 신호를 인가함으로써 보다 정확한 결과 및 선명한 이미지를 얻을 수 있게 된다. 특히 이 경우, 주파수 곡선 상에서 접선의 기울기가 가장 큰 부분에서 주파수 변화에 따른 출력의 변화가 가장 크게 된다. 따라서, 샘플(119)에 따른 적절한 공진 주파수를 검출한 뒤, 도 7에서 화 살표로 표시된 부분과 같이 최대 진폭의 대략 1/2에 해당하는 진폭이 검출되는 주파수를 공진기(110)에 인가하도록 한 후 샘플(119)의 표면을 주사하며 데이터를 검출하도록 함으로써, 보다 정확한 결과 및 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
이러한 발진기로는, 예컨대 외부에서 인가된 전압에 따라 원하는 발진 주파수를 출력할 수 있게 하는 전압 제어 발진기(VOC: voltage controlled oscillator)를 이용할 수 있다.
이 경우 발진기(120)에서 생성하는 신호의 주파수의 조작을 위해 도 6에 도시된 바와 같이 디지털-아날로그 컨버터(DAC: digital-analogue converter, 160)가 더 구비될 수 있다. 또한 검출기(130)에서 검출된 신호를 기초로 샘플(119)의 데이터를 얻기 위해 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analogue-digital converter, 170)가 구비될 수도 있다.
한편, 발진기(120)가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 복수개의 발진기들을 구비하도록 할 수도 있다. 발진기(120)가, 어떤 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 제 1 발진기와, 제 1 발진기에서 생성하는 가변 주파수의 대역과 중복되지 않는 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 제 2 발진기 등을 구비하도록 할 수도 있다. 이와 같이 발진기(120)가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 복수개의 발진기들을 구비하도록 함으로써, 결과적으로 더욱 다양한 주파수의 신호를 이용할 수 있게 되며, 이를 통해 샘플(119)로부터 더욱 정확한 데이터를 검출할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 구 동방법에 대한 일 실시예를 흐름도로 도시한 것이다.
전술한 바와 같이 공진기의 출력단에서의 전압을 검출하는 단계(S113)를 거치는데, 이는 가변 주파수의 신호를 생성하여 공진기에 인가하는 발진기를 구동함으로써, 발진기에서 생성하는 주파수의 대역에 걸쳐 공진기의 출력단에서의 전압을 검출하는 단계이다. 여기서는 전압이라고 하였으나, 물론 전류와 같은 다른 전기적 신호를 검출하여 이를 이용할 수도 있다.
그 후, 어떤 주파수에서 공진기의 출력단에서의 전압이 가장 민감하게 변하는가를 사용자가 판단할 수 있도록, 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계(S115)를 거치게 된다. 이는 예컨대 도 7에 도시된 그래프와 같은 형식으로 나타내는 것을 의미한다.
이와 같이 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 전압대 주파수의 관계로 표시한 후, 사용자로부터 가변 주파수의 대역 내의 특정 주파수 값을 입력받는 단계(S130)를 거치게 된다. 이는 예컨대 도 7에 표시된 화살표의 위치를 사용자가 지정하는 것을 의미한다. 이는 컴퓨터와 그에 연결된 마우스 포인터(pointer) 등을 이용하여 이루어질 수 있는데, 사용자의 편의를 위해 포인터의 위치에 해당하는 전압 및 주파수 값을 표시하도록 할 수도 있다. 여기서 입력받는 특정 주파수 값은 전술한 바와 같이 주파수의 변화에 대한 전압의 변화가 가장 민감한 주파수 값, 즉 기울기가 가장 큰 부분에 해당하는 주파수 값 또는 그 근방의 주파수 값인 것이 바람직하다.
특정 주파수 값을 입력받으면, 그 선택된 특정 주파수를 갖는 신호를 생성하 여 공진기에 인가하도록 발진기를 구동하는 단계(S140)를 거치며, 이를 통해 얻어지는 샘플의 데이터를 처리하는 단계(S150)를 거치게 된다.
물론 위와 같은 구동에 앞서, 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 얻는 단계 이전에 샘플의 분석 대상 영역을 설정하고 탐침과 그 샘플의 분석 대상 영역의 상대적 위치를 조정하는 단계가 선행될 수도 있음은 물론이다. 즉, 샘플의 분석 대상 영역에 관한 데이터를 입력받는 단계를 거치고, 그리고 그 영역에 관한 데이터를 샘플에 대한 탐침의 상대적 위치를 변화시키는 액튜에이터로 출력하는 단계를 거친 후, 팁과 샘플 사이의 전압을 검출하는 단계(S113)로 진입할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 구동방법에 대한 다른 변형예를 흐름도로 도시한 것이다.
전술한 바와 같이 발진기가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 복수개의 발진기들을 구비하도록 할 수도 있는 바, 이 경우에는 공진기 출력단에서의 전압을 검출하는 단계(S113)를 거치기에 앞서, 주파수의 특정 대역을 입력받는 단계(S111)를 거치게 된다. 예컨대 발진기가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 제 1 발진기, 제 2 발진기 및 제 3 발진기를 구비할 경우, 그 중 어느 한 발진기를 선택하는 단계가 될 수 있다. 이와 같이 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계(S111)를 거친 후, 주파수의 그 선택된 특정 대역에서 공진기 출력단에서의 전압을 검출하는 단계(S113)와, 공진기 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계(S115)를 거치게 된다.
그 후 전압의 피크의 존재여부를 판단하는 단계(S120)를 거치게 된다. 여기 서 피크라 함은 도 7에 도시된 바와 같이 전압 값이 두드러지게 가장 큰 부분을 의미하는 것으로, 이는 공진기가 공진한 것을 의미한다.
이 단계(S120)에서 도 7에 도시된 것과 유사하게 전압의 피크가 존재하면 특정 주파수 값을 입력받는 단계(S130)로 진행한다.
그러나 전압의 두드러진 피크가 존재하지 않으면 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계(S111)로 진행하되, 이때 이미 입력받은 특정 대역값과는 다른 새로운 특정 대역값을 입력받는다. 이는, 예컨대 발진기가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 제 1 발진기, 제 2 발진기 및 제 3 발진기를 구비하고 최초에 제 1 발진기가 선택되었다면, 제 2 발진기 또는 제 3 발진기가 선택되는 것을 의미한다. 새로운 특정 대역값을 입력받은 후에는 다시 피크를 찾는 과정을 반복하게 된다.
본 실시예를 설명함에 있어서 발진기가 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 제 1 발진기, 제 2 발진기 및 제 3 발진기를 구비하고, 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계(S111)는 이들 발진기들 중 어느 하나를 선택하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 가변 주파수의 신호를 생성하는 하나의 발진기만이 구비되고, 이 발진기에서 생성할 수 있는 주파수의 대역 중 일부분의 대역값을 입력받는 것일 수도 있는 등, 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 전술한 주사 정전용량 현미경의 구동방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 이 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨 터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 이 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보 저장매체(computer readable medium)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 주사 정전용량 현미경을 구동할 수 있다. 이러한 정보 저장매체 또는 기록매체로는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체 등이 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 탐침(probe) 및 이를 지지하는 캐리어를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 11은 도 10에 도시된 캐리어를 고정시키는, 주사 정전용량 현미경의 캐리어 홀더를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경 역시 전술한 제 1 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경과 유사한 구성을 갖는다. 즉, 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경은 공진기를 구비하는데, 이 공진기는 캔틸레버(111) 및 캔틸레버(111)의 끝 부분에 부착된 팁(112)을 포함하는 탐침(114)과 이 탐침(114)을 지지하는 캐리어(115)를 구비한다. 도 10에 도시된 탐침(114)은 그 실제 크기 비율로 그린 것은 아니며 이해의 편의를 위해 개략적으로 도시한 것이다. 탐침(114)은 주로 반도체 칩(113)의 형태로 제작된다. 이 칩(113)은 통상적으로 가로 1.6mm 및 세로 3.6mm의 크기를 가지는 것으로, 그 가장자리에 대략 100㎛ 길이의 캔틸레버(111)가 노출되어 있고, 그 끝에 팁(112)이 구비되어 있다. 본 실시예에서는 편의상 탐침(114)이 칩(113), 캔틸레버(111) 및 팁(112)을 포함하는 것으로 정의한다. 이러한 탐침(114)은 그 크기가 매우 작기에 그 핸들링의 용이성을 위해 캐리어(115)에 부착되 어 이용된다. 탐침(114)을 캐리어(115)에 부착하는 방법은 다양한 방법으로 이루어질 수 있는데, 예컨대 접착제를 이용할 수도 있다.
이러한 공진기 역시 탐침(114)의 팁(112)과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하게 된다. 그리고 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경은 역시 발진기 및 검출기를 구비하는데, 발진기는 공진기에 주파수를 가진 신호를 인가하는 역할을 하며, 검출기는 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 역할을 한다.
이때 탐침(114)의 위치를 고정 또는 이동시키기 위한 Z 스캐너가 구비되는데, 이 Z 스캐너는 탐침(114)의 위치를 이동시키는 경우뿐만 아니라 단순히 탐침(114)을 고정시키는 용도로 사용되는 것을 모두 의미하는 것이다. 즉, 전술한 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이 주사 정전용량 현미경은 그 탐침으로 샘플을 주사하면서 샘플의 캐리어 농도 등을 측정하거나 반도체 샘플의 2차원적 도핑 프로파일을 분석하는 등 샘플의 특성에 관한 데이터를 수집하며, 이 경우 탐침만을 이동(평면상의 이동 및 상하로의 이동)시킬 수도 있고 샘플만을 이동(평면상의 이동 및 상하로의 이동)시킬 수도 있으며 탐침과 샘플 모두를 이동시킬 수도 있다. 탐침만을 이동시킬 경우에는 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경에 구비되는 Z 스캐너는 탐침(114)을 상하 좌우로 이동시키는 역할을 하는 것이고(Z 축 상의 이동에 한정되지 않음), 샘플만을 이동시킬 경우에는 단순히 탐침(114)을 특정 위치에 고정시키는 역할을 하는 것이며, 탐침을 상하로 이동시키고 샘플을 평면(XY 평면) 상에서 이동시킬 경우에는 탐침(114)을 Z 축 상에서 이동시키는 역할을 하는 것이다. 물론 이 외의 다양한 방법으로 탐침(114)과 샘플의 상대적인 위치를 변경시킬 수 있다. 따라서 Z 스캐너라는 명칭에 의해 탐침(114)의 이동 여부 및 이동 방향이 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 주사 정전용량 현미경은 탐침(114)의 팁(112)과 샘플 사이의 정전용량을 측정하여 샘플의 특성에 관한 데이터를 얻는 것인 바, 이 경우 검출된 데이터에는 부유 정전용량이 포함되지 않은 탐침(114)의 팁(112)과 샘플 사이만의 정전용량인 것이 바람직하다. 그러나 종래의 주사 정전용량 현미경의 경우 이 캐리어는 금속으로 이루어져 있었으며, Z 스캐너에 장착된 자석에 의해 이 캐리어를 Z 스캐너에 고정시켰다. 따라서 종래의 주사 정전용량 현미경의 경우 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량 외에도 부유 정전용량, 즉 탐침을 지지하는 캐리어와 샘플 사이의 정전용량이 측정 결과에 영향을 줄 수 있으며, 그 결과 정확한 측정이 이루어지지 않을 수 있다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전술한 바와 같이 낮은 주파수로 측정 신호를 변조시킨 후 dC/dV, 즉 전압에 대한 정전용량의 미분치를 측정함으로써 부유 정전용량에 의한 영향 성분을 제거하는 것이 시도되고 있으나, 이는 부유 정전용량의 검출을 완전히 방지하는 것이 아니기에 부유 정전용량이 배제된 정확한 데이터를 얻을 수 없다는 문제점을 여전히 가지고 있었다. 그러나 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 경우에는 이 캐리어(115)를 비 도전성 재료, 예컨대 세라믹 또는 비 도전성 고분자 재료로 형성함으로써, 이와 같은 부유 정전용량의 발생을 미연에 방지하여 보다 정확한 데이터 수집이 가능하게 할 수 있다. 이 경우 세라믹 재료로는 예컨대 알루미나와 같은 재료를 이용할 수 있으며, 비 도전성 고분자 재료로는 엔지니어링 플라스틱, 예컨대 폴레에테르에테르케톤(PEEK: polyethereetherketone) 등을 이용할 수 있다. 물론 이 외의 다양한 비 도전성 재료를 이용할 수 있음은 물론이다. 또한, 캐리어(115)를 비 도전성 재료로 형성하면서도 낮은 주파수로 측정 신호를 변조시켜 dC/dV, 즉 전압에 대한 정전용량의 미분치를 측정함으로써, 측정의 정확성을 더 확실히 도모할 수도 있다.
이 경우 종래의 주사 정전용량 현미경에 구비되는 캐리어는 금속제 캐리어이므로 자석을 이용하여 Z 스캐너에 캐리어를 고정시켰으나, 본 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 경우에는 캐리어가 비 도전성 재료로 형성되므로 이 캐리어를 Z 스캐너에 고정시키기 위한 캐리어 홀더가 더 구비될 필요가 있다. 도 11은 이와 같은 캐리어 홀더(180)를 도시하고 있다. 도 11에 도시된 캐리어 홀더(180)는 집게 형상의 캐리어 홀더로서, 캐리어가 배치될 부분(181)과, 캐리어의 탈부착을 용이하게 하기 위해 스프링과 같은 탄성 물질로 지지되는 지렛대 수단(183)을 갖는다.
물론 이와 같은 캐리어 홀더는 금속재로 형성될 수도 있고, 또는 필요에 따라 비 도전성 재료, 바람직하게는 전술한 바와 같이 세라믹 또는 비 도전성 고분자, 예컨대 알루미나 또는 폴레에테르에테르케톤 등으로 형성될 수 있다. 물론 캐리어 홀더 역시 이 외의 다양한 비 도전성 재료로 형성될 수도 있음은 물론이다.
한편, 전술한 바와 같이 종래의 주사 정전용량 현미경의 캐리어는 금속재로 형성되어 Z 스캐너의 자석에 의해 고정되었는데, 이 자석에 의한 자기장 역시 검출되는 신호에 영향을 줄 수도 있다. 따라서 캐리어는 필요에 따라 금속재로 형성하 되 전술한 바와 같이 캐리어 홀더를 이용하여 캐리어를 Z 스캐너에 고정시킬 수도 있음은 물론이다. 이 경우 캐리어 홀더는 필요에 따라 금속재로 형성될 수도 있고, 또는 비 도전성 재료로 형성될 수도 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경의 공진기 차폐물을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 12에 도시된 것은 공진기의 일부로서 공진기의 탐침 및 샘플을 제외한 장치이며, 이들은 차폐물(117)에 의해 외부와 차폐되어 있다. 이 차폐물(117)은 공진기에 주파수를 갖는 신호를 입력하기 위한 입력부(117b)와 검출기로의 신호 출력부(117c)를 가지며, 공진기에 구비되는 탐침에 연결되는 탐침 와이어(116)가 노출될 수 있도록 개구부(117a)를 갖는다.
전술한 바와 같이 궁극적으로 주사 정전용량 현미경에서 측정하는 것은 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량인 바, 따라서 이의 측정에 영향을 줄 수 있는 전자기파는 가능한 제거하는 것이 바람직하다. 따라서 공진기에 구비된 탐침과 샘플을 제외한 부분을 모두 차폐물(117)로 차폐함으로써, 이로부터 발생하는 전자기파 역시 차폐하여 측정 결과에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 이 경우 전자기파 차폐 효과를 극대화하기 위해, 차폐물은 전자기파 차폐 효과가 큰, 표면이 금으로 코팅된 알루미늄으로 형성할 수 있다. 물론 이 외의 다양한 재료로도 형성될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 발진기 및 검출기는 이 차폐물 외부에 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 공진기의 디자인에 있어서 고려할 사항이 퀄리티 팩터(quality factor)인 바, 이는 공진기 내부의 디자인에 의해 결정된다. 발진기와 검출기도 차폐물 내에 구비되도록 할 수도 있으나, 이 경우 발진기와 검출기에 의해 공진기의 퀄리티 팩터가 저하될 수도 있기에, 발진기 및 검출기는 차폐물 외부에 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 실시예들에 있어서 캔틸레버와 샘플 사이의 인력 또는 척력에 따라 캔틸레버의 휘어지는 정도를 측정하는 광학장치들을 더 구비하도록 함으로써, 주사 정전용량 현미경이면서도 원자력 현미경의 역할도 할 수 있도록 할 수 있음은 물론이다. 이 경우에는 샘플의 특성에 관한 데이터를 측정하면서 샘플의 표면 형상까지 동시에 알 수 있게 된다.
전술한 실시예들에 있어서 가변 주파수의 신호를 생성하는 발진기가 구비된 주사 정전용량 현미경, 캐리어 홀더를 구비한 주사 정전용량 현미경 및 공진기의 일부가 차폐물에 의해 차폐된 주사 정전용량 현미경을 설명하였는 바, 물론 이 모든 특징들을 가지고 있는 주사 정전용량 현미경을 이용함으로써 보다 정확한 데이터를 측정할 수 있음은 물론이다. 도 13은 샘플의 표면 형상과, 이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주사 정전용량 현미경으로 이를 측정한 이미지를 보여주는 사진들이다. 종래의 주사 정전용량 현미경으로 측정한 이미지를 보여주는 도 5와 비교하면 매우 선명한 이미지를 얻게 됨을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 주사 정전용량 현미경, 그 구동방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 가변 주파수의 신호를 생성하는 발진기를 구비한 주사 정전용량 현미경을 이용함으로써, 샘플의 재료 특성의 변화에 관계없이 샘플의 특성에 민감하게 반응하는 주사 정전용량 현미경을 구현하여 보다 정확한 샘플의 데이터를 얻을 수 있다.
둘째, 캐리어 홀더를 구비한 주사 정전용량 현미경을 이용함으로써 자석을 이용하지 않고도 캐리어를 Z 스캐너에 고정시킬 수 있으며, 이를 통해 자기장의 영향이 배제되는 주사 정전용량 현미경을 제공할 수 있다.
셋째, 비 도전성 재료로 형성된 캐리어를 갖는 주사 정전용량 현미경을 이용함으로써, 부유 정전용량의 발생을 방지하여 보다 정확한 샘플 데이터를 얻을 수 있다.
넷째, 탐침 및 샘플을 제외한 공진기의 구성요소들을 차폐하는 차폐물이 구비된 주사 정전용량 현미경을 이용함으로써, 보다 정확한 샘플 데이터를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침을 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기;
    가변 주파수의 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기; 및
    상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기;를 구비하며,
    상기 공진기는 상기 공진기 내부로부터의 전자기파 방사를 방지하기 위한 차폐물을 구비하는 주사 정전용량 현미경.
  2. 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침과 상기 탐침을 지지하는 캐리어를 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기;
    주파수를 가진 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기;
    상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기;
    상기 탐침의 위치를 고정 또는 이동시키기 위한 Z 스캐너; 및
    상기 캐리어를 상기 Z 스캐너에 고정시키는, 집게 형상의 캐리어 홀더;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 캐리어 및 상기 캐리어 홀더 중 적어도 어느 하나는 비 도전성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 비 도전성 재료는 세라믹 또는 비 도전성 고분자인 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 비 도전성 재료는 알루미나 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK: polyetheretherketone)인 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  7. 제 1항, 제2항, 제 4항, 제 5항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발진기에서 생성된 신호를 증폭시키는 증폭기를 더 구비하며, 상기 발진기는 상기 증폭기의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 공진기는 상기 증폭기의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  8. 제 1항, 제2항, 제 4항, 제 5항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기에 전기적으로 연결되어 상기 검출기에서 검출된 신호를 증폭시키는 고정 위상 증폭기(lock-in amplifier)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  9. 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침과 상기 탐침을 지지하는 캐리어를 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기;
    주파수를 가진 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기;
    상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기;
    상기 탐침의 위치를 고정 또는 이동시키기 위한 Z 스캐너; 및
    상기 캐리어를 상기 Z 스캐너에 고정시키는 캐리어 홀더;를 구비하며,
    상기 공진기는 상기 공진기 내부로부터의 전자기파 방사를 방지하기 위한 차폐물을 구비하는 주사 정전용량 현미경.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 발진기 및 상기 검출기는 상기 차폐물 외부에 구비되는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 차폐물은 표면이 금으로 코팅된 알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경.
  12. 캔틸레버 및 캔틸레버의 끝 부분에 부착된 팁을 포함하는 탐침을 구비하며, 상기 탐침의 팁과 샘플 사이의 정전용량에 따라 공진하는 공진기;
    가변 주파수의 신호를 생성하여 상기 공진기에 인가하는 발진기; 및
    상기 공진기에서 발생한 신호를 검출하는 검출기;를 구비하며,
    상기 발진기는, 서로 다른 대역의 가변 주파수의 신호를 생성하는 복수개의 발진기들을 구비하는 주사 정전용량 현미경.
  13. 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계;
    가변 주파수의 신호를 생성하여 공진기에 인가하는 발진기를 구동함으로써, 주파수의 상기 특정 대역에서 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계;
    상기 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계;
    주파수의 상기 특정 대역 내의 특정 주파수 값을 입력받는 단계; 및
    입력된 상기 특정 주파수를 갖는 신호를 생성하여 공진기에 인가하도록 발진기를 구동하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경의 구동방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    포인터(pointer)의 위치에 해당하는 전압 및 주파수 값을 표시하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경의 구동방법.
  15. 삭제
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 전압 대 주파수의 관계로 표시하는 단계와 상기 특정 주파수 값을 입력받는 단계 사이에 전압의 피크의 존재여부를 판단하는 단계를 더 구비하고,
    전압의 피크가 존재하면 상기 특정 주파수 값을 입력받는 단계로 진행하며,
    전압의 피크가 존재하지 않으면 상기 주파수의 특정 대역값을 입력받는 단계로 진행하되 입력받은 특정 대역값과 다른 특정 대역값을 입력받는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경의 구동방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 공진기의 출력단에서의 전압에 관한 데이터를 검출하는 단계 이전에,
    샘플의 분석 대상 영역에 관한 데이터를 입력받는 단계; 및
    상기 영역에 관한 데이터를, 샘플에 대한 탐침의 상대적 위치를 변화시키는 액튜에이터로 출력하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 정전용량 현미경의 구동방법.
  18. 제 13항, 제 14항, 제 16항 및 제 17항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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