KR100904281B1 - 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스캐너들의 정렬 오차에 기인한 이미지의 왜곡이 방지된 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법을 위하여, (i) 탐침과, (ii) 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, (iii) 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너와, (iv) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 조정장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법을 제공한다.

Description

주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법{Scanning probe microscope and method of scan using the same}
본 발명은 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스캐너들의 정렬 오차에 기인한 이미지의 왜곡이 방지된 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법에 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. 주사 탐침 현미경에는 원자력 현미경(AFM: atomic force microscope), 자기력 현미경(MFM: magnetic force microscope) 및 주사 정전용량 현미경(SCM: scanning capacitance microscope) 등이 있다. 이러한 주사 탐침 현미경은 탐침의 팁이 샘플의 표면에 접하면서 이동하거나 탐침의 팁이 샘플의 표면과 일정한 거리를 유지하면서 이동하여, 샘플의 표면 형상이나 샘플의 전기적 특성 등을 분석하는 데에 이용될 수 있다. 그러나 종래의 주사 탐침 현미경의 경우, 구비된 스캐너들의 정렬 오차로 인하여 획득한 데이터가 실제 샘플의 특성과 상이할 수 있다는 문제점이 있었다.
도 1은 종래의 주사 탐침 현미경을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 프레임(50)에 제1스캐너(31)와 제2스캐너(32)가 구비되어 있다. 제1스캐너(31)의 단부에는 탐침(10)이 부착되어 있으며, 제1스캐너(31)는 탐침(10)을 ±z방향으로 이동시킨다. 제2스캐너(32) 상에는 스테이지(20)가 구비되어 있으며, 제2스캐너(32)는 스테이지(20)를 xy평면 상에서 이동시킨다. 이 스테이지(20) 상에 샘플이 배치되면, 제1스캐너(31)가 탐침(10)을 ±z방향으로 이동시키고 제2스캐너(32)가 스테이지(20), 즉 샘플을 xy평면 상에서 이동시킴으로써, 샘플의 표면 형상이나 샘플의 전기적 특성 등에 관한 데이터를 얻게 된다.
도 2는 이상적인 주사 탐침 현미경으로 샘플을 스캐닝하여 샘플의 표면 형상을 측정하는 것을 개략적으로 도시하는 개념도이다. 여기서 이상적인 주사 탐침 현미경이라 함은 제1스캐너(31)에 의한 탐침(10)의 위치변화가 이루어지는 직선이 제2스캐너(미도시)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 수직인 것을 의미한다. 도 2에서는 탐침이 xy평면 상에서 이동하는 것처럼 도시하였으나 이는 도시의 편의를 위해 그와 같이 도시한 것일 뿐, 실제로는 탐침은 ±z방향, 즉 상하로만 이동하고 샘플이 xy평면 상에서 이동한다.
도 2에 도시된 것과 같이 탐침(10)의 팁이 샘플의 표면(60) 상에 접하면서 제2스캐너에 의해 샘플이 xy평면 상에서 이동한다. 이때 샘플의 표면(60)에 고저가 있을 경우 제1스캐너(31)의 길이가 변하면서 탐침(10)의 위치가 ±z방향으로 변하게 된다. 이때 제1스캐너(31)의 길이의 변화에 관한 데이터에 의해 샘플의 표면(60)의 형상에 대응하는 이미지(70)가 구현된다.
도 3은 종래의 주사 탐침 현미경으로 샘플을 스캐닝하여 샘플의 표면 형상을 측정하는 것을 개략적으로 도시하는 개념도이다. 전술한 바와 같이 제1스캐너(31)는 탐침(10)의 위치를 직선 상에서 변화시키고 제2스캐너는 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 바, 제1스캐너(31)에 의한 탐침(10)의 위치변화가 이루어지는 직선은 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 수직인 것이 바람직하다. 그러나 실제의 주사 탐침 현미경의 경우 제1스캐너와 제2스캐너의 얼라인에는 오차가 존재하여, 도 3에 도시된 바와 같이 제1스캐너(31)에 의한 탐침(10)의 위치변화가 이루어지는 직선이 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 수직이지 못하고 소정의 각도(θ)로 기울어지게 된다. 이러한 상태에서 샘플의 표면(60)의 형상을 측정하게 되면, 도 3에 도시된 것과 같이 실제의 샘플의 표면(60)의 형상과 상이한 이미지(70)가 구현된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 스캐너들의 정렬 오차에 기인한 이미지의 왜곡이 방지된 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 (i) 탐침과, (ii) 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, (iii) 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너와, (iv) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 조정장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 샘플을 지지하는 스테이지를 더 구비하고, 상기 제2스캐너는 상기 스테이지의 위치를 평면 상에서 변화시키는 것으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 조정장치는, 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻고, 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻으며, 상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하여 상기 제1형상과 상기 제2형상 중 어느 한 형상과 상기 평균 형상과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 조정장치는, 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻고, 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 그 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻으며, 상기 제1직선과 상기 제2직선의 평균 직선을 구하여 상기 제1직선과 상기 제2직선 중 어느 한 직선과 상기 평균 직선과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 조정장치는, 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻어 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면으로의 상기 제1직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ1을 구하고, 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표를 측정하여 상기 두 3 차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻어 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면으로의 상기 제2직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ2를 구하여, 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 높이 차를 z라 할 때 arctan((ℓ1-ℓ2)/2z)의 각도만큼 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것으로 할 수 있다.
본 발명은 또한, 탐침과, 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서, (i) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻는 단계와, (ii) 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻는 단계와, (iii) 상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 탐침과, 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서, (i) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻는 단계와, (ii) 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻는 단계와, (iii) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록, 상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하여 상기 제1형상과 상기 제2형상 중 어느 한 형상과 상기 평균 형상과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 탐침과, 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서, (i) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻는 단계와, (ii) 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 그 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻는 단계와, (iii) 상기 제1직선과 상기 제2직선의 평균 직선을 구하여 상기 제1직선과 상기 제2직선 중 어느 한 직선과 상기 평균 직선과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 탐침과, 상기 탐침의 위치를 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현 미경을 이용한 측정방법으로서, (i) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻어 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면으로의 상기 제1직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ1을 구하는 단계와, (ii) 샘플을 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻어 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면으로의 상기 제2직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ2를 구하는 단계와, (iii) 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 높이 차를 z라 할 때 arctan((ℓ1-ℓ2)/2z)의 각도만큼 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정방법을 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 알려져 있는 단차를 가진 샘플을 이용하여 상기 제1스캐너를 캘리브레이팅하는 단계를 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제1스캐너를 캘리브레이팅하는 단계 는, 상기 알려져 있는 단차를 가진 샘플의 단차를 측정할 시 얻어지는 상기 제1스캐너로부터의 전기적 신호가 상기 알려져 있는 단차에 해당한다는 정보를 상기 주사 탐침 현미경에 입력하는 단계인 것으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 주사 탐침 현미경 및 이를 이용한 측정방법에 따르면, 스캐너들의 정렬 오차에 기인한 이미지의 왜곡을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 탐침 현미경을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 주사 탐침 현미경은 탐침(100), 제1스캐너(310), 제2스캐너(320) 및 조정장치(400)를 구비한다. 탐침(100)은 캔틸레버 및 이 캔틸레버의 끝에 부착된 뾰족한 팁을 구비할 수 있다.
제1스캐너(310)는 탐침(100)의 위치를 (xy평면 내에 위치하지 않은) 직선 상에서 변화시킨다. 도 4에서는 탐침(100)이 제1스캐너(310)에 의해 ±z방향으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 제2스캐너(320)는 샘플(200)의 위치를 평면 상에서 변화시키는데, 도 4에서는 샘플(200)이 제2스캐너(320)에 의해 xy평면 상에서 이동하는 것으로 도시되어 있다. 이하에서는 편의상 제1스캐너(310)는 탐침을 ±z방향으로 이동시키고 제2스캐너(320)는 샘플(200)의 위치를 xy평면 상에서 이동시키는 것으로 설명하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 샘플(200)은 도 4에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320) 상에 직접 배치될 수도 있고, 이와 달리 필요에 따라 샘플을 지지하는 스테이지 상에 배치되고 이 스테이지가 제2스캐너(320)에 의해 xy평면 상에서 이동하도록 할 수도 있는 등 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
전술한 바와 같이 이상적인 주사 탐침 현미경의 경우 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 수직이다. 그러나 통상적인 주사 탐침 현미경의 경우 제1스캐너(310)와 제2스캐너(320)의 얼라인에는 오차가 존재하여, 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 수직이지 못하고 소정의 각도(θ)로 기울어지게 된다. 이러한 상태에서 샘플의 표면의 형상을 측정하게 되면 실제의 샘플의 표면의 형상과 상이한 이미지가 구현된다는 문제점이 있었다.
본 실시예에 따른 주사 탐침 현미경에는 조정장치(400)가 구비되도록 하여, 이와 같은 문제점을 해결한다. 이 조정장치(400)는 제2스캐너(320)의 위치를 조정하여, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록 한다. 도 4에는 조정장치(400)가 제2스캐너(320)의 위치를 조정하는 것으로 도시되어 있으나, 물론 이와 달리 조정장치가 제1스캐너(310)의 위치를 조정할 수도 있다. 또한, 도 4에는 조정장치(400)가 제2스캐너(320)의 각 모서리마다 구비된 네 개의 부조정장치들(410, 420, 다른 두 개는 미도시)을 구비하는 것으로 도시되어 있지만, 이와 달리 제2스캐너(320)의 중앙부 하부에 하나의 구성요소로서 구비될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
이와 같이 본 실시예에 따른 주사 탐침 현미경이, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정하는 조정장치(400)를 구비되도록 함으로써, 종래의 주사 탐침 현미경에서의 제1스캐너와 제2스캐너의 얼라인 오차에 기인한 이미지 왜곡 등을 효과적으로 방지할 수 있다. 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면이 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선에 대해 수직이 되도록 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정하는 각도를 결정하는 방법은 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 주사 탐침 현미경에서의 각도 보정 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
먼저 도 5a에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상(710)을 얻는다. 물론 도 5a에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 각도 θ만큼 기울어져 있기 때문에, 이 제1형상(710)은 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응하지 않는다.
그 후, 샘플을 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내에서 180°회전시키고, 도 5b에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy 평면) 내의 직선을 따라 샘플의 제2형상(720)을 얻는다. 이때, 제2형상(720)을 얻을 때의 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선은, 제1형상(710)을 얻을 때의 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선과 동일한 직선이다. 물론 도 5b에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 각도 θ만큼 기울어져 있기 때문에, 이 제2형상(720)은 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응하지 않는다.
제1형상(710)과 제2형상(720)을 얻은 후, 도 5c에 도시된 것과 같이 제1형상(710)과 제2형상(720)의 평균 형상(730)을 구한다. 여기서 평균 형상이라 함은 도 5c에 있어서 가로방향의 좌표들의 평균을 의미한다. 즉, 제1형상(710)에 있어서의 가로방향의 좌표와 제2형상(720)에 있어서의 가로방향의 좌표의 평균을 구하면 제3형상(730)에 있어서의 가로방향의 좌표가 된다. 이는 후술하는 실시예 또는 변형예에 있어서 평균 형상을 구하는 방법에 있어서도 동일하다. 이와 같이 얻은 평균 형상(730)은 도 5c에 도시된 것과 같이 실제 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응한다. 따라서 제1형상(710)과 제2형상(720) 중 어느 한 형상과 평균 형상(730)과의 차이를 계산함으로써 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 기울어진 각도 θ를 계산할 수 있다. 그 후 이 θ만큼 제1스캐너(310) 또는 제2스캐너(320)의 위치를 조정장치(400)를 통해 조정함으로써, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 수직이 되도록 할 수 있다. 그 후 샘플의 전 영역에 대해 스캐닝을 실시하여 샘플 표면의 형상 또는 샘플의 전기적 특성 등에 관한 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
한편, 이와 달리 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선을 따라 샘플 표면의 형상을 얻지 않고, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선 양단에 대응하는 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 이 두 3차원 좌표들을 연결하는 직선을 이용할 수도 있다.
즉, 도 5d에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 이 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선(710)을 얻는다. 그 후 샘플을 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내에서 180°회전시킨다. 그리고 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy 평면) 내의 동일한 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 그 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선(미도시)을 얻는다. 이와 같이 얻은 제1직선(710)과 제2직선의 평균 직선을 구하여 제1직선(710)과 상기 제2직선 중 어느 한 직선과 평균 직선과의 차이에 따라 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정할 수도 있다.
또한, 이와 달리 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정장치(400)가 조정하도록 할 수도 있다. 즉, 도 5a에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 이 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻는다. 그리고 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면)으로의 제1직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ1을 구한다. 그 후, 샘플을 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내에서 180°회전시킨다. 그리고 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 동일한 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표를 측정하여 이 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻는다. 그리고 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면)으로의 제2직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ2를 구한다.
이와 같이 구해진 ℓ1과 ℓ2는, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 동일한 직선 양단에서의 샘플 표면을 연결한 직선의 xy평면으로의 정사영 이미지의 길이 ℓ0와 다음과 같은 관계를 갖는다.
ℓ1=ℓ0+h2tanθ
ℓ2=ℓ0-h1tanθ
한편, 알려져 있는 단차를 가진 샘플을 이용하여 제1스캐너(310)를 캘리브레이팅하는 단계를 더 거칠 수 있는데, 이는 알려져 있는 단차를 가진 샘플의 단차를 측정할 시 얻어지는 제1스캐너로부터의 전기적 신호가 그 알려져 있는 단차에 해당한다는 정보를 주사 탐침 현미경에 입력하는 단계이다. 이러한 단계를 거칠 경우 샘플을 180°회전시키기 전후의 샘플의 단차인 h1과 h2는 동일한 값, 즉 실제의 샘플 표면의 단차에 해당하는 값을 갖게 된다. 따라서 수학식 1과 수학식 2로부터 ℓ0를 소거하고 h1과 h2 대신 실제의 샘플 표면의 단차에 해당하는 값인 z를 사용하면 다음의 관계를 얻게 된다.
θ=arctan((ℓ1-ℓ2)/2z)
따라서 이와 같은 얻어진 각도만큼 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정함으로써, 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 수직이 되도록 할 수 있다. 그 후 샘플의 전 영역에 대해 스캐닝을 실시하여 샘플 표면의 형상 또는 샘플의 전기적 특성 등에 관한 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
한편, 제2스캐너(320) 또는 제1스캐너(310)의 위치를 조정하여 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 수직이 되도록 하지 않고도 실제의 샘플의 표면의 형상을 정확하게 측정할 수도 있다.
즉, 먼저 도 5a에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상(710)을 얻는다. 물론 도 5a에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 각도 θ만큼 기울어져 있기 때문에, 이 제1형상(710)은 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응하지 않는다.
그 후, 샘플을 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy평면) 내에서 180°회전시키고, 도 5b에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면(xy 평면) 내의 직선을 따라 샘플의 제2형상(720)을 얻는다. 이때, 제2형상(720)을 얻을 때의 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선은, 제1형상(710)을 얻을 때의 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면 내의 직선과 동일한 직선이다. 물론 도 5b에 도시된 것과 같이 제2스캐너(320)에 의한 샘플의 위치변화가 이루어지는 평면에 대해 제1스캐너(310)에 의한 탐침(100)의 위치변화가 이루어지는 직선이 각도 θ만큼 기울어져 있기 때문에, 이 제2형상(720)은 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응하지 않는다.
제1형상(710)과 제2형상(720)을 얻은 후, 도 5c에 도시된 것과 같이 제1형상(710)과 제2형상(720)의 평균 형상(730)을 구한다. 이 평균 형상(730)은 도 5c 에 도시된 것과 같이 실제 샘플의 표면(600)에 정확하게 대응한다. 따라서 이와 같이 샘플을 180°회전시키기 전후에 걸쳐 2회 샘플의 표면의 형상을 측정하고 이들의 평균 형상을 구함으로써, 샘플 표면의 형상 또는 샘플의 전기적 특성 등에 관한 정확한 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.
도 1은 종래의 주사 탐침 현미경을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 이상적인 주사 탐침 현미경으로 샘플을 스캐닝하여 샘플의 표면 형상을 측정하는 것을 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 3은 종래의 주사 탐침 현미경으로 샘플을 스캐닝하여 샘플의 표면 형상을 측정하는 것을 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 탐침 현미경을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 주사 탐침 현미경에서의 각도 보정 방법 또는 샘플의 형상 획득 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 5d는 도 4에 도시된 주사 탐침 현미경에서의 다른 각도 보정 방법 또는 샘플의 형상 획득 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 탐침 200: 샘플
310: 제1스캐너 320: 제2스캐너
400: 조정장치 500: 프레임

Claims (8)

  1. 탐침;
    상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너;
    샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너; 및
    상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선이 xy평면에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 조정장치;를 구비하며,
    상기 조정장치는,
    xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻고, 샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻어, 상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하여 상기 제1형상과 상기 제2형상 중 어느 한 형상과 상기 평균 형상과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  2. 탐침;
    상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너;
    샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너; 및
    상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선이 xy평면에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 조정장치;를 구비하며,
    상기 조정장치는,
    xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻고, 샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 xy평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 그 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻어, 상기 제1직선과 상기 제2직선의 평균 직선을 구하여 상기 제1직선과 상기 제2직선 중 어느 한 직선과 상기 평균 직선과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  3. 탐침;
    상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너;
    샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너; 및
    상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선이 xy평면에 대해 수직이 되도록, 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 조정장치;를 구비하며,
    상기 조정장치는,
    xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻어 xy평면으로의 상기 제1직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ1을 구하고, 샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표를 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻어 xy평면으로의 상기 제2직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ2를 구하여, 상기 xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 높이 차를 z라 할 때 arctan((ℓ1-ℓ2)/2z)의 각도만큼 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  4. 탐침과, 상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서,
    xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻는 단계;
    샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻는 단계; 및
    상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법.
  5. 탐침과, 상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서,
    xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제1형상을 얻는 단계;
    샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 xy평면 내의 직선을 따라 샘플의 제2형상을 얻는 단계; 및
    상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선이 xy평면에 대해 수직이 되도록, 상기 제1형상과 상기 제2형상의 평균 형상을 구하여 상기 제1형상과 상기 제2형상 중 어느 한 형상과 상기 평균 형상과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법.
  6. 탐침과, 상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서,
    xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻는 단계;
    샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 xy평면 내의 상기 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 그 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻는 단계;
    상기 제1직선과 상기 제2직선의 평균 직선을 구하여 상기 제1직선과 상기 제2직선 중 어느 한 직선과 상기 평균 직선과의 차이에 따라 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법.
  7. 탐침과, 상기 탐침의 위치를 xy평면 내에 위치하지 않은 직선 상에서 변화시키는 제1스캐너와, 샘플의 위치를 xy평면 상에서 변화시키는 제2스캐너를 구비한 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법으로서,
    xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제1직선을 얻어 xy평면으로의 상기 제1직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ1을 구하는 단계;
    샘플을 xy평면 내에서 180°회전시킨 후 상기 xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 3차원 좌표들을 측정하여 상기 두 3차원 좌표들을 연결하는 제2직선을 얻어 xy평면으로의 상기 제2직선의 정사영 이미지의 길이 ℓ2를 구하는 단계; 및
    상기 제1스캐너에 의한 탐침의 위치변화가 이루어지는 직선이 xy평면에 대해 수직이 되도록, 상기 xy평면 내의 직선 양단에서의 샘플 표면의 높이 차를 z라 할 때 arctan((ℓ1-ℓ2)/2z)의 각도만큼 상기 제2스캐너 또는 상기 제1스캐너의 위치를 조정하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단차를 가진 샘플을 이용하여, 상기 단차를 가진 샘플의 단차를 측정할 시 얻어지는 상기 제1스캐너로부터의 전기적 신호가 상기 단차에 해당한다는 정보를 상기 주사 탐침 현미경에 입력함으로써, 상기 제1스캐너를 캘리브레이팅하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경을 이용한 측정방법.
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