KR100845005B1 - 고속 주사탐침현미경의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscopy)의 제어 방법에 관한 것으로 선택적으로 탐침 피드백 요소를 줄이고 탐침을 수평 이동시킴으로서 고속으로 이미징할 수 있는 고속 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscopy)의 제어 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 고속 주사탐침현미경의 제어 방법은 탐침과 ; 탐침과 시편 사이의 거리에 따라서 변하는 신호인 피드백신호를 감지하는 검출기와 ; 탐침과 시편 사이의 거리를 일정하게 유지하는 피드백요소와, 상기 탐침 또는 시편을 이동시키는 스캐너를 포함하여 구성된 주사탐침현미경의 제어 방법에 있어서, 상기 탐침을 수평 이동시켜 시편의 표면을 스캐닝하되, 상기 탐침과 시편 사이의 거리가 피드백신호의 거리의존성이 미약하지만 잡음으로부터 분리할 수 있는 정도의 미리 정한 최대작동거리와 탐침이 시편과 부딪히는 것을 방지하기 위해서 미리 설정한 최소작동거리 사이의 고속모드작동거리 안에 속하는지를 상기 피드백신호를 통하여 판단하고, 고속모드작동거리에 속하는 경우 즉시 피드백요소를 제거하여 일정하게 탐침의 높이를 유지하는 상태로 탐침을 수평 이동하면서 시편의 표면굴곡을 고속으로 감지함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 시편의 표면을 감지 과정에서 시편의 표면에 상기 고속모드작동거리를 벗어나는 경우 피드백 요소를 즉시 회복하여 기존의 주사탐침현미경과 같이 표면을 감지함을 특징으로 한다.

고속 주사탐침현미경, 피드백요소, 고속모드작동거리, 최소작동거리, 최대작동거리

Description

고속 주사탐침현미경의 제어 방법{CONTROL METHOD HIGH-SPEED SCANNING PROBE MICROSCOPY MODE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고속 주사힘현미경(Scanning Force Microscopy) 모드의 원리를 일반 주사힘현미경 모드와 비교하여 도식적으로 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고속 주사힘현미경(Scanning Force Microscopy) 모드의 플로우차트(Flow chart)를 도식적으로 도시한 도면,

도 3은 기존의 일반주사탐침현미경의 한 예인 주사힘현미경의 피드백 방법을 도식적으로 도시한 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 캔틸레버 12 : 탐침

13 : 일반 주사힘현미경 탐침 주사 경로

14 : 시편의 표면 굴곡

15 : 시편의 표면과 탐침 사이의 거리가 고속모드작동거리 일때의 탐침의 주사 경로

16 : 시편의 표면과 탐침 사이의 거리가 고속모드작동거리를 벗어날 때 탐침의 주사 경로

본 발명은 고속 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscopy)의 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고속 주사탐침현미경의 제어 방법은 주사탐침현미경의 작동 요소중 탐침이 시편의 굴곡을 따라 Z축상으로 이동하는 탐침 피드백 요소를 줄여서 고속으로 이미징할 수 있는 것을 특징으로 한다.

주사탐침현미경은 탐침과 시편 표면 사이의 상호작용에서 발생하고 거리에 의존하는 신호인 피드백 신호를 미리 정해진 값으로 일정하게 유지하면서 그러기 위해서 탐침을 상하로 이동시키면서 이동시킨 이동거리를 수직축 값으로 하여 이미징한다.

이렇게 이미징할 때 도 1의 탐침(12)은 샘플 표면 위로 도 1의 경로 13과 같이 탐침과 시편 표면 사이의 거리가 일정하게 유지되면서 시편 표면 위를 지나가게 된다. 즉, 탐침이 피드백 신호에 따라 피드백되는 피드백 방법은 주사탐침현미경의 원리이고 피드백은 핵심 요소이다.

그러나 도 3에 도시한 바와 같이 종래의 주사탐침현미경은 2차원으로 시편을 움직이면서 시면의 표면을 검사하되 시편 표면 높이가 달라지면 측정하는 피드백신호가 달라진다. 이 피드백신호을 일정하게 유지하기 위해서 z축 스캐너를 움직여서 피드백신호가 정해 놓은 값을 갖도록 하고, 이때 z축 스캐너가 움직인 거리를 각 x, y위치에 대입하여 3차원토포그래피 이미지를 얻는다. 이 때 z축 스캐너를 움직여 피드백 신호값이 일정하게 유지되도록 탐침을 피드백하여야 함으로 탐침은 시료의 표면의 굴곡을 따라 이동됨으로 시간이 많이 소요된다.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로 실시간으로 이미징이 되는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)과 같이 탐침이 피드백심호에 따라 시편의 표면 굴곡을 따라 피드백되지 않고 일정하게 수평이동하면서 변하는 피드백신호를 감지하여 시편의 굴곡을 감지함으로서 실시간으로 이미징도 가능하여 고속이미징을 할 수 있기 때문에 지금까지 불가능했던 웨이퍼 전수 검사나 동력학 연구에 활용될 수 있는 고속 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscopy)의 제어 방법을 제공함을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적은 탐침과 ; 탐침과 시편 사이의 거리에 따라서 변하는 신호인 피드백신호를 감지하는 검출기와 ; 탐침과 시편 사이의 거리를 일정하게 유지하는 피드백신호와, 상기 탐침 또는 시편을 이동시키는 스캐너를 포함하여 구성된 주사탐침현미경의 제어 방법에 있어서, 상기 탐침을 수평 이동시켜 시편의 표면을 스캐닝하되, 상기 탐침과 시편 사이의 거리가 고속모드작동거리의 안에 속하는지를 피드백신호를 통하여 판단하여 거리가 고속모드작동거리에 속할 경우 탐침 피드백신호를 제거한 상태로 탐침 또는 시편을 고속으로 주사하여 변하는 피드백신호를 감지함을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법에 의해 이루어진 다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 시편의 표면굴곡을 감지하는 과정에서 시편의 표면의 과도한 굴곡 부분에서는 피드백요소를 즉시 회복하여 표면을 감지할 수 있게 함에 의해 이루어진다.

상기 피드백 신호는 주사힘현미경 (Scanning Force Microscopy)의 힘, 주사이온전류현미경 (Scanning Ion Conductance Microscopy)의 이온전류 등 주사탐침현미경의 피드백신호가 모두 가능하다.

피드백신호의 거리 의존성이 측정잡음으로부터 분리가 가능하도록 피드백신호가 미리 정한 값 최대작동거리신호값을 갖는 때의 거리인 미리 정한 최대 거리를 최대작동거리라고 하고 탐침이 시편에 부딪히는 것을 방지하기 위해서 부딪히기 직전의 미리 정해둔 피드백신호 최소작동거리신호와 같은 값을 가질 때의 미리 정해 둔 거리를 최소작동거리라고 할 때, 상기 탐침과 시편 사이의 거리는 처음에 최대작동거리의 절반에 해당하거나 최대작동거리와 최소작동거리의 평균 또는 이와 가깝게 설정될 수 있다.

도 1의 b에 도시한 바와 같이, 상기 탐침이 15와 같이 일정한 높이로 주사하면서 피드백신호를 환산하여 표면굴곡을 측정하는 동안, 시편의 표면 굴곡은 탐침과 굴곡 사이의 거리가 최대작동거리와 최소작동거리 사이에서 부딪히지 않고 변하는 것이 바람직한데 이 거리를 고속모드작동거리라고 할 때, 만약 이 고속모드작동거리를 벗어나 최대작동거리보다 커지거나 탐침이 시편에 부딪히기 직전 에 이를 감지하여 제거된 피드백 기능을 즉시 회복하여 피드백신호에 의해 감지한다. 이는 도 1 b의 16과 같으며 이 부분을 지나면 다시 고속모드작동거리로 들어오도록 한다.

따라서 고속모드가 실행되기에 유리한 시편은 작동거리 이내로 평평한 시편, 평평한 가운데 작은 영역에 작동거리를 벗어나는 구조가 존재하는 시편이다.

고속모드가 실행되기에 적합한 주사탐침현미경은 주사이온전류현미경, 전자힘현미경(Electric Force Microscopy), 자기력현미경(Magnetic Force Microscopy) 등 최대작동거리가 긴 주사탐침현미경이다.

본 발명에 따른 주사탐침현미경 모드는 주사전자현미경과 주사탐침현미경 실험을 통하여 깨달은 실험적인 발견에 근거한다.

종래에 주사탐침현미경은 표면을 주사전자현미경에 비해서 상대적으로 매우 느리지만 공기중이나 액체 속이나 진공 중에서 고분해능으로 측정하고 이미징하는데 한정되어 왔다.

이러한 주사탐침현미경에 의한 이미징 예는 웨이퍼 검사를 그 예로 들 수 있다.

본 발명에 따른 주사탐침현미경은 기존의 주사탐침현미경의 핵심 요소이고 원리인 피드백요소를 주사전자현미경의 주사방법처럼 완전히 제거하면 주사전자현미경의 속도로 주사할 수 있다는 새로운 발견에 근거한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 주사힘현미경(Scanning Force Microscopy) 모드의 원리를 일반 주사힘현미경 모드와 비교하여 도식적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 피드백신호가 측정잡음과 같은 거리를 최대작동거리라고 할 때 상기 탐침과 시편 사이의 거리는 최대작동거리의 절반에 해당하거나 이와 가깝게 설정될 수 있다.

상기 탐침이 도 1의 15와 같이 일정한 높이로 고속으로 주사하면서 피드백신호를 측정하는 동안, 시편의 표면 굴곡은 최소작동거리와 최대작동거리 이내에서 부딪히지 않고 변하게 되면, 나중에 피드백신호를 환산하여 표면 굴곡을 이미징할 수 있다. 만약 거리가 고속모드작동거리를 벗어나 최대작동거리보다 커지거나 탐침이 시편에 부딪히기 직전 의 최소작동거리보다 작아지면 이를 감지하여 제거된 피드백 기능을 즉시 회복하여 도 1의 16과 같이 피드백신호가 다시 고속모드작동거리로 들어오도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고속 주사힘현미경(Scanning Force Microscopy) 모드의 플로우차트(Flow chart)를 도식적으로 도시한 도면이다.

피드백 신호 측정(21) 후에 거리가 고속모드작동거리 안에 있는지 계산하여(22), 거리가 고속모드작동거리 이내에 있을 경우 고속 주사하고(23), 거리가 고속모드작동거리 밖에 있을 때는 즉시 피드백을 복원하여 저속 주사함으로써(24), 거리가 고속모드작동거리 이내로 평평한 시편의 경우 고속모드로 이미징하여 주사전자현미경과 같이 매우 빠른 속도로 이미징할 수 있다.

만약 이미징 영역의 일부에서 이보다 높거나 낮은 구조가 존재하면, 이 부분에서만 피드백신호를 감지하여 피드백신호가 최대작동거리보다 더 먼 영역의 신호 수준이 되어 최대작동거리를 벗어나거나 피드백신호가 미리 정해 놓은 최대작동거 리보다 가까운 영역의 신호 수준이 되는 경우 즉시 피드백요소를 회복하여 이미징이 되도록 한다.

이 고속모드는 고속이미징에 중점을 두는 모드로 이 영역에서는 이미징 능력이 감소할 수 있으나 이는 주사전자현미경과 같이 자세히 보고자 하는 영역으로 가서 피드백요소를 복원한 일반 주사탐침현미경 모드로 이미징한다면 매우 고속으로 시편의 표면 구조를 이미징할 수 있다.

본 발명에 따른 고속 주사탐침현미경 모드는 모든 주사탐침현미경에 사용될 수 있다. 주사탐침현미경은 해당 현미경의 최대작동거리보다 평평한 시편의 검사나 평평한 가운데 일부 영역에서 최대작동거리를 벗어나는 구조물이 존재할 때에 이 고속 모드를 적용하여 이미징 속도를 획기적으로 높일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 고속 주사탐침현미경모드는 특별한 요소를 추가하지 않고 오히려 피드백요소만 제거하거나 복원시키는 방법으로 용이하게 고속이미징을 할 수 있으므로, 현재 산업계서 크게 요구되는 평평한 웨이퍼와 같은 시편의 고속검사나 바이오인터페이스 고속검사에 활용될 수 있다.

본 발명은 피드백요소를 제거하여 고속으로 이미징할 수 있는 고속 이미징 모드를 제공하며, 아울러 그러한 모드를 이용하여 새로운 고속주사탐침현미경을 제공하고 시편을 고속으로 검사할 수 있는 효과가 있다.

지금까지 본 발명에 관한 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 이제까지 설명된 실시예는 단지 예시로서만 받아들여야 한다. 즉, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 다양한 변형을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적인 권리 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 탐침(12)과 ; 탐침과 시편(14) 사이의 거리에 따라서 변하는 신호인 피드백신호를 감지하는 검출기와 ; 상기 탐침 또는 시편을 이동시키는 스캐너를 포함하여 구성된 주사탐침현미경의 제어 방법에 있어서,

   상기 탐침(12)을 수평 이동시켜 시편(14)의 표면을 스캐닝하되,

   상기 탐침과 시편 사이의 거리가 고속모드작동거리의 안에 속하는지를 피드백신호를 통하여 판단하여 거리가 고속모드작동거리에 속할 경우 탐침 피드백 신호를 제거한 상태로 탐침을 수평 이동시키면서 탐침과 시편의 굴곡에 의하여 변하는 피드백신호를 감지함을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시편의 표면을 감지하는 과정에서 시편의 표면의 고속모드작동거리를 벗어나는 과도한 변화가 있는 부분에서는 탐침 피드백요소를 즉시 회복하여 표면을 감지함을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 주사탐침현미경은 피드백신호를 이용하여 이미징하는 주사힘현미경, 주사이온전류현미경 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 피드백신호는 탐침과 시료 사이의 힘, 상호작용, 이온전류 등 주사탐침현미경에 사용되는 피드백신호중 하나임을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 고속모드작동거리는 피드백신호의 거리에 대한 변화가 잡음과 구별될 수 있는 미리 정해둔 최대작동거리와 탐침이 시편에 부딪히지 않도록 미리 정해둔 최소작동거리 사이의 거리로서, 상기 피드백신호를 제거하고 고속모드로 동작되는 거리인 것을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 시편이 기울어져 있는 경우에는 기울어진 각도만큼 z축을 x, y축과 함께 미리 이동하면서 주사하여 기울어진 평면을 피드백신호를 제거한 상태에서 주사하는 것을 특징으로 하는 고속 주사탐침현미경의 제어 방법.

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