KR100978699B1 - 전기적 피드백 검출 시스템 및 멀티 포인트 테스팅 장치 - Google Patents

전기적 피드백 검출 시스템 및 멀티 포인트 테스팅 장치 Download PDF

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Abstract

멀티 포인트 프로브와 전기적 도전 재료 테스트 샘플 표면 사이의 전기적 접촉을 검출하기 위한 전기적 피드백 검출 시스템이 개시되어 있다. 이 전기적 피드백 검출 시스템은, 상기 멀티 포인트 프로브 내의 다수의 전극들에 접속되고, 임의적으로(optionally) 상기 테스트 샘플 표면에 직접 접속되는 전기적 검출기 유닛을 포함한다. 이 검출기 유닛은, 상기 멀티 포인트 프로브가 상기 테스트 샘플 표면과 전기적 접촉하고 있는지를 판정하기 위해 사용될 수 있는, 멀티 포인트 테스팅 장치에 전기 신호를 제공한다. 상기 검출기 유닛은, 상기 멀티 포인트 프로브의 제1 다수의 전극들을 통하여 구동되는 전기 신호를 발생시키기 위한 전기 발생기 수단과, 제2 다수의 스위치 임피던스 검출 소자들(switched impedance detection elements)을 포함한다. 이 임피던스 검출 소자들을 가로지르는 전위로 테스트 샘플 표면에 대한 전기적 접촉을 판정한다.
멀티 포인트 프로브, 전기적 피드백 검출 시스템, 전기 발생기 수단, 스위치 임피던스 검출 소자

Description

전기적 피드백 검출 시스템 및 멀티 포인트 테스팅 장치{ELECTRICAL FEEDBACK DETECTION SYSTEM AND MULTI-POINT TESTING APPARATUS}
본 발명은, 일반적으로, 멀티 포인트 프로브(multi-point probe)와 국소적인 도전성 또는 반도전성(semi-conducting) 또는 초전도성 재료의 테스트 샘플 표면 사이의 물리적 접촉 및/또는 근접도를 검출하는 전기적 피드백 검출 시스템에 관한 것이고, 또한 멀티 포인트 프로브와 재료 테스트 샘플 표면 사이의 상대적 위치를 제어하는 기술에 관한 것인데, 더 특정하게는, 유럽 특허 출원 번호 제98610023.8호(피터센), 국제 특허 출원 번호 PCT/DK99/00391(카프레스 에이피에스 등), 유럽 특허 출원 번호 제99932677.0호(카프레스 에이피에스 등), 유럽 특허 출원 번호 제 99610052.5호(피터슨 등), 및 국제 특허 출원 번호 PCT/DK00/00513(카프레스 에이피에스 등)에 설명된 멀티 포인트 프로브 및 멀티 포인트 테스팅 장치를 위한 전기적 피드백(electrical feedback) 검출 시스템에 관한 것이다.
도전성 샘플 표면 쪽으로의 단일 팁(tip) 전극의 접근을 제어하는 것과 관계된 스캐닝 터널링 마이크로스코프(scanning tunneling microscope)는 문헌 등에 잘 공지되어 있는데, 예를 들어, 'Binnig and Rohrer, Scanning tunneling microscopy, Helv. Phys. Acta, vol. 55, pg.355(1982)' 를 참조하라. 스캐닝 터 널링 마이크로스코프는, 도1의 (a)에 도시된 대로, 도전성 샘플 및 팁으로 구성된다. 만일 팁과 샘플이 매우 짧은 거리 d 만큼 분리되어 있고 이들 사이에 전위 V가 걸린다면, 하기의 터널링 전류 I가 팁과 샘플 사이에서 흐르게 된다.
I ∝ e-√φd .
여기서, φ는 재료들의 평균 일함수이다. 만약 거리 d 가 1nm 정도의 크기를 갖는다면, 검출가능한 전류가 발생될 수 있다. 도1의 (b)는 다른 테스트 지점들에서 테스트 샘플로부터의 터널링 거리 내에 팁을 배치시킬 수 있어서 테스트 샘플에 대한 나노미터 크기의 지형적(topographic) 및 전기적 특성들의 지도를 발생시킬 수 있는 스캐닝 터널링 장치의 전체 개략도이다.
도2의 (a) 및 도2의 (b)는 종래의 네 지점 프로브를 도시하였다(예를 들어, 'S.M.Sze, Semiconductor devices - Physics and Technology, Wiley New York(1985), 및 국제 특허 출원 공개 번호 WO 94/11745 를 참조하라). 종래의 네 지점 프로브는 도2의 (a)에 도시된 일렬(in-line)로 배치된 네개의 전극으로 구성된다. 전류를 두개의 주변 전극들에 가함으로써, 전압이 내측의 두개의 전극들 사이에서 측정될 수 있다. 이는 테스트 샘플의 전기적 시트 저항율이 다음 등식을 통해 결정되도록 한다.
ρ=c·(V/I)
여기서, V는 측정된 전압이고, I는 가해진 전류이고, c는 네 지점 프로브의 전극 이격 거리 및 테스트 샘플의 디멘젼들에 의해 결정되는 기하 인자이다. 네 지점 프로브에 접속된 전자 회로의 주요부가 도 2의 (b)에 도시되었다.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 종래의 미세 멀티 포인트 프로브의 개략도이다(예를 들어 유럽 특허 공개 번호 EP 1 085 327 A1 을 보라). 도 3의 (a)는 지지체 및 지지체의 기저로부터 자유로이 연장되는 다수의 도전성 프로브 아암(arm)들로 구성된 멀티 포인트 프로브를 도시하였다. 도 3의 (b)는 테스트 샘플의 전기적 특성을 측정하는 미세 멀티 포인트 프로브를 사용하기 위한 기계적 전기적 수단들을 구현하는 멀티 포인트 테스팅 장치를 도시하였다.
본 발명의 목적은 멀티 포인트 프로브와 샘플 테스트 재료 표면 사이의 물리적 접촉 또는 그렇지 않다면 전기적 접촉을 허용하는 신규의 전기적 검출기 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 특별한 이점은, 신규의 전기적 검출기 메커니즘이 다수의 멀티 포인트 프로브 전극들 사이의 전기적 접속의 검출을 허용하여서 다수의 멀티 포인트 프로브의 전극들의 전기적 접촉에 대한 정보를 제공할 수 있다는 사실과 관계된다.
본 발명의 특별한 특징은, 신규의 전기적 검출기 메커니즘이 거시적으로 도전성인 샘플 표면을 요구하지 않아서, 멀티 포인트 프로브의 특정 지점들에서 멀티 포인트 프로브의 몇몇 전극들 사이의 국소적 도전 경로를 포함하는 임의의 재료 표면에 대한 전기적 접촉의 검출을 제공할 수 있다는 점이다.
상기의 목적, 상기의 이점 및 상기의 특징들은 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해지는 다수의 그 밖의 이점들 및 특징들과 함께, 테스트 샘플의 특정 지점에 대한 전기적 접촉을 검출하기 위한 전기적 피드백 제어 시스템에 의해 본 발명에 따라 획득되는데, 상기 시스템은,
(a) 멀티 포인트 프로브의 제1 다수의 전극들에 접속된 전기 발생기 수단과;
(b) 상기 멀티 포인트 프로브의 상기 제1 다수의 전극들을 접속하는 제2 다수의 스위치 임피던스 검출 소자들(switched impedance detection elements)과;
c) 상기 제2 다수의 스위치 임피던스 검출 소자들을 흐르는 전기 신호로부터 측정 신호를 검출하기 위한 전기적 검출기 수단
을 포함한다.
멀티 포인트 프로브 전극들에서 흐르는 전기 신호를 활용함으로써 멀티 포인트 프로브와 테스트 샘플의 테스트 지점들 사이의 접촉을 검출하는 본 발명의 기술적 특징은 미세 캔틸레버(cantilever) 기반 멀티 포인트 전극들의 경우에 쓰이는 레이저 편향 검출 메커니즘들의 사용을 회피하게 만드는데, 이는 원자력 마이크로스코프와 스캐닝 저항 마이크로스코프 등의 미세 캔틸레버 기반 테스팅 장치를 위한 종래의 광 피드백 제어 시스템들을 크게 단순화시키는 것이다.
본 발명에 따른 제1 다수의 멀티 포인트 프로브 전극들에 접속된 전기 발생기 수단은, 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스, 또는 이것들의 조합에 대한 감도 등의 특정 검출 요구 사항들에 따라서, 테스트 지점에서 테스트 샘플을 통해서 발생기 신호, 즉 전류 또는 전압, 펄스 신호 또는 신호들, 사인파형, 정방형, 삼각형 신호 모양 또는 이것들의 조합일 수 있고 LF에서 HF까지의 범위를 갖는 DC 또는 AC 신호를 전달하는데, 바람직한 실시예에서는 LF 사인파형 AC 전류 신호를 갖는다.
본 발명에 따른 멀티 포인트 프로브의 제1 다수의 전극들은 적어도 2개 내지 64개이며, 바람직한 실시예에서는, 멀티 포인트 프로브의 2개의 주변에 배치된 전극들을 갖는다. 멀티 포인트 프로브의 2개의 주변에 배치된 전극들에 발생기 신호를 가하는 것은 본 발명에 따른 제2 다수의 임피던스 검출 소자들 상에서의 검출기 신호로 귀결되고, 제3 다수의 멀티 포인트 프로브 전극들의 전기적 접촉 조건들에 관한 정보를 추측케 한다. 전기적 접촉 조건은, 물리적 접촉, 터널링 근접도, 중간 유체 메니스커스(intermediate fluid meniscus), 또는 전류가 멀티 포인트 프로브 전극들과 테스트 샘플 사이에서 흐르는 것을 허용해 주는 임의의 그 밖의 효과와 관계될 수 있다.
본 발명에 따른 제2 다수의 스위치 임피던스 검출 소자들은 한개부터 열개까지의 범위이고, 바람직한 본 실시예에서는 세개를 갖는다. 임피던스 검출 소자들의 저항부의 공칭값(nominal value)은 1mΩ부터 100GΩ까지의 범위이고, 바람직한 본 실시예에서는 1kΩ, 10KΩ, 및 100kΩ을 갖는다.
전기 검출기 수단은 본 발명에 따른 제2 다수의 임피던스 검출 소자들을 흐르는 전기 신호를 측정하고, 바람직한 실시예에서와 같이 위상 고정 증폭기(a phase-locked lock-in amplifier)에 접속된 감응 전위계를 갖는다.
본 발명의 부가적인 목적들 및 특징들은 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명 및 청구 범위를 통해 더 명백히 알 수 있을 것이다.
도 1의 (a)-(b)는 종래의 스캐닝 터널링 마이크로스코프의 전체적인 예시도를 나타낸다. (a)는 도전성 팁과 테스트 샘플 사이의 터널링 영역의 개략도이다. (b)는 종래의 스캐닝 터널링 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2의 (a)-(b)는 종래의 4-포인트 프로브의 개략도를 제공한다. (a)는 테스트 샘플과 전기적으로 접촉하는 종래의 4-포인트 프로브의 개략도를 나타내고, (b)는 종래의 4-포인트 프로브에 접속된 전류원 및 전위계의 전기 회로 개략도이다.
도 3의 (a)-(b)는 종래의 멀티 포인트 프로브와 테스팅 장치의 전체적인 개략도를 나타낸다. (a)는 멀티 포인트 프로브 전극들을 나타내고, (b)는 멀티 포인트 테스팅 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기 피드백 검출 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 5의 (a)-(b)는 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템의 실시예를 나타내는데, 멀티 포인트 프로브는 테스트 샘플에 전기적으로 접속되지 않는다. (a)는 전기적 피드백 검출 시스템의 상세한 전기 회로 구성도를 나타내고, (b)는 이 시스템의 등가 전기 회로도를 나타낸다.
도 6의 (a)-(b)는 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템의 실시예로서, 멀티 포인트 프로브가 테스트 샘플에 전기적으로 접촉한다. (a)는 전기적 피드백 검출 시스템의 상세한 전기 회로 구성도를 나타내고, (b)는 이 시스템의 등가 전기 회로도를 나타낸다.
도 7의 (a)-(b)는 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템의 실시예들을 나타내며, 이 피드백 검출 시스템은 정전류 발생기를 포함한다. (a)는 제어 회로 내의 단일 스위치 임피던스 검출 소자를 나타내고, (b)는 제어 회로 내의 다수의 스위치 임피던스 검출 소자들을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템의 실시예를 나타내며, 이 피드백 검출 시스템은 정전류 발생기를 포함하고, 검출 신호는 다수의 멀티-프로브 전극들과 테스트 샘플 재료 사이에서 측정된다.
바람직한 실시예는 멀티 포인트 프로브를 위한 전기적 피드백 검출 시스템을 제조하는 것에 관련되고, 도 4 내지 8을 참조하여 설명된다. 도 4는 전기적 피드백 검출 시스템을 채용한 멀티 포인트 테스팅 장치(100)의 개략도를 나타낸다. 멀티 포인트 테스팅 장치는 제어기(106)를 이용하여 모터 스테이지(motor stage)(108)에 의해 이동될 수 있는 테스트 샘플에 근접한 멀티 포인트 프로브(102)를 포함한다. 멀티 포인트 프로브(102)의 주변에 배치된 전극들은 전기적 피드백 검출 시스템(110)에 접속되고, 전기적 피드백 검출 시스템(110)은 멀티-프로브(102)가 테스트 샘플(104)과 전기적으로 접촉하는지를 판정할 수 있다. 검출기 신호(112)는 전기적 피드백 검출 시스템(110)으로부터 제어기(106)에 제공되어, 테스트 샘플(104) 상의 테스트 위치에 멀티 포인트 프로브(102)를 배치하고 측정하는 제어를 가능하게 해준다.
도 5의 (a)-(b)와 도 6의 (a)-(b)는 함께 본 발명의 바람직한 실시예의 원리를 나타낸다. 도 5의 (a)-(b)는 멀티 포인트 프로브(302)와 테스트 샘플(304) 사이에 전기적 접촉이 존재하지 않는 상황에서, 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템(300)의 전기적 구성의 원리를 나타낸다. 전기 발생 수단은 정전류 Ic를 발생시키고, 멀티 포인트 프로브(302)의 주변 전극들(302a, 302b)에 접속된다. 저항 검출 소자 R로 구성되는 임피던스 검출 소자는 닫힌 스위치 SW를 통해 회로에 접속되고, 저항 검출 소자 R의 양단에 걸리는 전위 Vr이 증폭기 회로 A에 의해 측정된다. 도 5의 (a)에 도시된 상황에서 본 발명에 따른 피드백 검출 시스템의 등가 전기 회로도는 도 5의 (b)에 도시된다. 정전류 Ic는 저항 검출 소자 R을 통해 흐름으로써, 전위차
Vr=RㆍIc
를 발생시킨다. 이것은 증폭기 A에 의해 측정되고, 피드백 검출 시스템의 출력에 제공된다. 도 6의 (a)-(b)는 멀티 포인트 프로브(502)가 테스트 샘플(504)의 표면에 전기적으로 접촉하는 경우에 피드백 검출 시스템(500)의 개략도 및 등가 회로도를 나타낸다. 전기 발생 수단은 멀티 포인트 프로브(502)의 주변에 배치된 전극들(502a, 502b)에 접속된다. 발생된 전류 Ic는 닫힌 스위치 SW 및 저항 검출 소자 R을 통해 부분적으로 흘러, 대응하는 전위 Vr은 증폭기 회로 A에 의해 측정되고, 일부는 미지의 저항 소자 Rx로 표시된 테스트 샘플(504)을 통해 흐른다. 이 경우, 전위차 Vr은
Vr=(RㆍRx)/(R+Rx)ㆍIc
이다.
따라서, 도 5 및 도 6을 참조해 보면, 멀티 포인트 프로브와 테스트 샘플 간의 전기적 접촉의 도입으로 피드백 검출 시스템의 출력의 변화를 잘 정의할 수 있다는 것이 입증되었으므로, 멀티 포인트 프로브와 테스트 샘플의 접촉 조건의 변화를 검출하는 것이 가능해진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 발생기 수단에 의해 발생된 정전류 Ic는 1㎂이고 저항 검출 소자 R은 공칭값 100㏀을 가지므로, 멀티 포인트 프로브와 테스트 샘플 간에 어떤 전기적 접촉도 성립되지 않는다면, 검출기 신호 Vr은 10V이다. 테스트 샘플에 전기적 접촉이 존재한다면, 테스트 샘플의 전기적 특성은 테스트 샘플의 유효 저항 Rx를 발생시킨다. 다음의 표는 테스트 샘플에 대한 서로 다른 유효 저항값들 Rx의 범위에 따른 검출기 신호 Vr을 나타낸다.

Rx
Vr		 어떤 전기 접촉도 없는 상황에서의 Vr의 상대적 변화

10Ω
9.99 ㎶
1,100,000

10㏀
9.99 ㎷
1,100

1㏁
909 ㎷
11

100㏁
9.09 V
1.1
이것은, 10Ω 내지 100㏁의 범위 내의 유효 전기 저항값을 갖는 테스트 샘플들에 대한 접촉을 검출할 수 있는 본 발명의 특정한 바람직한 실시예 내에 전기적 피드백 검출 시스템이 있음을 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 멀티 포인트 테스팅 장치들의 제어기는 검출기 신호를 이용하여 테스트 샘플의 테스트 위치에 대한 멀티 포인트 프로브의 전기적 접촉 조건을 결정하고, 멀티 포인트 프로브와 테스트 샘플의 상대적 위치를 정의하는 모터 스테이지에 대한 전기 신호들을 이용하여 접촉 조건을 능동적으로 변화시킨다.
도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 구현을 나타낸다. 도 7의 (a)에서, 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템(700)은 멀티 포인트 프로브(702)의 주변에 배치된 전극들(702a 및 702b)이 증폭기 G, 저항 검출 소자 Rset 및 전압 폴로어 A1로 구성된 차동 전압 전류 변환기에 접속된다. 저항 검출 소자 R은 스위치 SW를 전압 전류 변환기의 출력에 접속된다. 전압 전류 변환기의 출력은 전압차 V1-V2에 비례한다. 검출 신호 Vr은 증폭기 A2에 의해 측정된다. 전압 전류 변환기로부터의 전류 Ic는 닫힌 스위치 SW 및 저항 검출 소자 R을 통해 그리고, 테스트 샘플(704)의 미지의 유효 저항 Rx를 통해 흐른다. 도 7의 (b)는 멀티 포인트 프로브(802)가 테스트 샘플(804)에 접속되고 전기적 피드백 검출 회로가 멀티 포인트 프로브(802)의 주변 전극들(802a 및 802b)에 접속된 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템을 나타낸다. 전기적 피드백 검출 회로는, 스위치 SW에 의해 전기 발생 수단의 신호 경로 내로 개별적으로 스위치될 수 있는 다수의 저항 검출 소자들 R1 및 R2을 포함하며, 바람직한 용례로는 상기 3개의 저항 검출 소자들이 100Ω 내지 10㏁의 범위 내의 공칭값을 갖는다.
도 8은 멀티 포인트 프로브(1002)가 테스트 샘플(1004)에 접속되고 전기적 피드백 검출 회로가 멀티 포인트 프로브(1002)의 주변 전극들(1002a 및 1002b)과 테스트 샘플(1004) 사이에 접속된 본 발명에 따른 전기적 피드백 검출 시스템(1000)의 또 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 발생된 전류 Ic는 테스트 샘플(1004)를 통해 일부분 흐름으로써, 다수의 멀티 포인트 프로브 전극들 중 하나만이 테스트 샘플과 전기적으로 접촉하더라도, 저항 검출 소자 R의 양단에 걸리는 검출기 신호 Vr의 변화를 일으킨다.

Claims (6)

  1. 재료 테스트 샘플 표면에 대한 멀티 포인트 프로브의 전기적 접촉을 검출하기 위한 전기적 피드백 검출 시스템으로서,
    a. 멀티 포인트 프로브의 제1 다수의 전극들에 접속된 전기 발생기 수단;
    b. 상기 멀티 포인트 프로브의 상기 제1 다수의 전극들을 접속하는 제2 다수의 스위치 저항 검출 소자들;
    c. 상기 제2 다수의 스위치 저항 검출 소자들을 흐르는 전기 신호로부터 측정 신호를 검출하기 위해 전압 폴로워(voltage follower)의 출력에 접속된 증폭기 수단; 및
    d. 상기 재료 테스트 샘플 표면과 상기 전기 발생기 수단 사이에 전기적 접속부를 포함하고,
    상기 전기 발생기 수단은,
    e. 2개의 차동 입력, 하나의 출력 및 하나의 기준 입력을 제공하는 정밀 증폭기;
    f. 내부 포트와 외부 포트를 제공하는 정밀 저항 소자 - 상기 내부 포트는 상기 정밀 증폭기의 상기 출력에 접속됨 -; 및
    g. 입력과 출력을 제공하는 상기 전압 폴로어 - 상기 입력은 상기 정밀 저항 소자의 상기 외부 포트에 접속되고, 상기 출력은 상기 정밀 증폭기의 상기 기준 입력에 접속됨 -
    을 포함하는 차동 전압 전류 변환기인, 전기적 피드백 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 포인트 프로브는,
    a. 제1 표면을 갖는 지지체; 및
    b. 제1 다수의 도전성 프로브 아암들 - 상기 도전성 프로브 아암들의 각각은 상기 지지체의 상기 제1 표면과 동일 평면상에 배치된 기부 단부(proximal end)와 말단 단부(distal end)를 갖고, 상기 도전성 프로브 아암들은 그들의 상기 기부 단부들에서 상기 지지체에 접속되고 상기 말단 단부들이 상기 지지체로부터 자유로이 연장됨 -
    을 포함하는, 전기적 피드백 검출 시스템.
  6. 테스트 샘플의 특정 위치에 대한 전기적 특성을 테스트하기 위한 멀티 포인트 테스팅 장치로서,
    a. 제1항에 따른 전기적 피드백 검출 시스템;
    b. 상기 테스트 샘플을 수용하고 지지하기 위한 수단; 및
    c. 상기 테스트 샘플에 대한 테스트 위치에서 멀티 포인트 프로브를 제어되게 배치하고 측정하기 위한 제어기 - 상기 제어기는 상기 전기적 피드백 검출 시스템으로부터 검출기 신호가 제공됨 -
    를 포함하는 멀티 포인트 테스팅 장치.
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