KR101031135B1 - 복수의 스캐닝 프로브들의 소프트웨어 동기화 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 인접해 있는 복수의 스캐닝 프로브 현미경들을 스캔하기 위한 방법 및 장치는 충돌을 피하면서 동시에 오버래핑 스캔 영역들을 스캔하고, 구동 신호를 제 1 원자력 현미경에 제공하고 제 1 구동 신호와 일정 간격 모션을 위한 제 1 ASM에 대한 추가적인 AFM들의 상대적인 위치에 근거하여 계산된 구동 신호들을 추가적인 AFM들(148b 및 148c)로 제공하는 제어 시스템(130)을 이용한다. 복수의 AFM들을 이용한 대상물의 복수의 특징의 스캐닝 및 고장 분석 프로빙은 측정을 위해 고장 분석 특징들을 발견하기 위한 시간을 감소시킨다.

원자력 현미경, 제 1 방향 모션, 제 2 방향 모션, 모션 제어 신호

Description

복수의 스캐닝 프로브들의 소프트웨어 동기화{Software synchronization of multiple scanning probes}

본 발명은 스캐닝 프로브 마이크로스코피(scanning probe microscopy; SPM)와 고장 분석(failure analysis; FA)에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 스캐닝 프로브 마이크로스코피가 FA를 위한 특징을 발견하는 데에 사용될 때 복수의 프로브 스캐닝을 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.

고장 분석 작업을 위한 반도체 마이크로회로들의 설계는 어려운 작업이다. 기술이 발전함에 따라 FA의 대상물의 특징들의 크기가 감소되었다. FA의 대상물의 특징들에 전기적인 접촉을 행하는 통상의 방법들은 미세한 프로빙 니들(probing needle)을 가진 기계적 포지셔너(positioner)들과 광학 현미경을 이용하는 것을 포함하여 프로빙(probing)이라 불려진다. 포지셔너들은 수동 또는 자동으로 작동하는 정밀한 3축 스테이지(3-axis stage)들이다. 날카로운 프로빙 니들들이 포지셔너들에 부착된다. 통상의 광학 현미경과 포지셔너를 이용하여, 사용자는 니들을 가지고 FA 장치를 프로빙한다. 현재의 반도체 기술에 따른 작은 크기 때문에 광학 마이크로스코피의 한계로 인하여 FA 특징들의 배치와 프로빙이 어렵거나 불가능해졌다.

스캐닝 프로브 마이크로스코피는 이러한 특징들을 위치시키는 데에 이용될 수 있는 기술이다. 스캐닝 프로브 마이크로스코피는 통상의 광학 마이크로스코피를 이용하여 위치되는 특징들보다 더 작은 대상물의 특징들을 생성하고 표현하고 위치시키는 데에 이용될 수 있다. 스캐닝 프로브 마이크로스코피는 스캐닝 프로브 현미경 당 대상물의 1개의 FA 특징만을 프로빙할 수 있기 때문에, 복수의 스캐닝 프로브들은 복수의 특징들을 접촉시키는 데에 필요하다. FA 프로빙을 위하여 원자력 마이크로스코피라고 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 이용한 분야가 원자력 프로빙이다. 두문자어 AFP는 원자력 프로브 분야에서 이용되도록 고안된 기구 뿐만 아니라 상기 분야를 지칭하는 데에 이용되기도 한다.

종래 기술은 FA 특징들을 위치시키는 단일 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 이용하는 것을 포함하여 FA 특징들을 위치시키는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 이용하는 많은 예들을 포함한다. 그러나, 제한된 개수의 FA 실험들은 단일 프로브를 이용하여 수행될 수 있으며 FA 대상물의 많은 장치들이 다이오드들의 경우 2개의 프로브들을, 트랜지스터들의 경우 3개의 프로브들을, 또는 더 많은 프로브들을 필요로 한다.

FA에 대한 복수의 스캐닝 프로브들과 관련된 제한된 종래 기술은 충돌을 방지하기 위해 한번에 스캐닝하는 프로브들을 도시한다. 이 방법은 프로브들이 대상물의 각각의 특징들로 이동할 때까지 충돌을 방지하는 데에 효과적이다. 그러나, 이 방법은 스캐닝하는 시간이 더 길다. 이 방법은 열적 편류(thermal drift)와 같은 편류(drift)가 일어나는 데에 시간이 더 걸린다. 또한, 이러한 긴 측정 시간은 종래 기술의 큰 단점이다.

종래 기술에 따른 2개의 프로브들에 대한 한 실시형태가 도 1a 내지 1d에 도시되어 있다. 샘플(110)은 대상물(112A 또는 112B)의 특징들을 갖는다. 이러한 대상물(112A 또는 112B)의 특징들은 통상의 방법들을 이용하여 쉽게 프로빙되기에는 너무 작다. 도 1a는 샘플(110) 상에 모두 위치되어 있고 대상물(112A 또는 112B)의 특징들 근처에 있는 스캐닝 프로브 선단들(114)을 도시한다. 각각의 스캐닝 프로브 선단(114)은 스캔 영역(116)을 스캔하고 표현한다. 도 1b는 시작점(118A)에서 시작하여 대상물(112A 또는 112B)의 영역을 스캔하는 제 1 스캐닝 프로브 선단(114)을 도시한다. 도 1c는 제 2 스캐닝 프로브 선단(114)에 대해 같은 프로세스(process)를 도시한다. 스캐닝 동안 다른 스캐닝 프로브 선단들(114)에 대한 스캔 방향(120)은 같은 방향이거나 같은 방향이 아닐 수 있다. 도 1b와 도 1c는 다른 스캐닝 방향들을 도시하고, 종래 기술에서 일반적인 것이다. 도 1d는 대상물(112A 또는 112B)의 특징들에 위치된 스캐닝 프로브 선단들(114)을 도시하고 FA 실험을 할 준비가 되어 있다. 이 프로세스는 하나의 스캔에 필요한 시간의 2배의 시간이 걸린다. 더 많은 프로브들이 실험에 필요하다면 이용되는 프로브들의 개수에 따라 시간 지연이 증가한다.

이 프로세스는 또한 어려운 초기 전체 위치결정 설치를 필요로 한다. 하나의 스캐닝 프로브 선단이 스캔할 때 스캔하지 않는 다른 스캐닝 프로브 선단과 충돌하지 않도록 스캐닝 프로브 선단들은 초기에 멀리 떨어져 있도록 위치된다. 따라서, 같은 영역을 스캔하고 표현하도록 스캐닝 프로브 선단들을 서로 가까이 위치시키는 것이 어렵다.

따라서, 단일 프로브의 스캔을 수행하는 데에 걸리는 시간과 같은 시간으로 복수의 프로브들을 이용하여 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 수행하고 복수의 프로브들로 스캐닝하는 것이 바람직하다. 본 발명은 측정 시간이 적어지는 장점뿐만 아니라 스캐닝 프로브 마이크로스코피 편류 효과에 대한 시간이 적게 걸리는 장점이 있다. 본 발명은 스캐닝하지 않는 스캐닝 프로브 선단들과의 충돌을 피할 필요가 없기 때문에 더욱 간단하고 효과적인 초기 전체 위치결정 설치의 장점이 있다.

적은 시간으로 대상물의 각각의 특징들을 발견하기 위해 오버래핑(overlapping) 또는 비오버래핑(non-overlapping) 영역들에 걸쳐서 복수의 스캐닝 프로브들을 동시에 스캔하는 장치 및 방법은 캔틸레버(cantilever)에 의해 원자력 현미경에 지지된 적어도 2개의 스캐닝 프로브들을 이용한다. 각각의 AFM의 제어기는 AFM들 중 제 1 AFM의 제 1 축의 모션(motion)에 대한 제 1 모션 제어 신호와 제 1 AFM의 제 2 축의 모션에 대한 제 2 모션 제어 신호를 생성하는 주 제어기로부터 모션 제어 신호들을 수신한다. 제 2 축은 실질적으로 제 1 축에 수직이다. 주 제어기는 제 1 모션 제어 신호에 반응하여, AFM들 중 제 2 AFM이 제 1 축에서 제 1 AFM과 간격을 둔 모션에 대한 제 1 오프셋(offset) 모션 제어 신호와, 제 2 모션 제어 신호에 반응하여, AFM들 중 제 2 AFM이 제 2 축에서 제 1 AFM과 간격을 둔 모션에 대한 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 계산한다.

본 발명의 특징들 및 장점은 첨부된 도면을 고려하여 이하의 상세한 설명을 참조하여 쉽게 이해될 것이다.

도 1a 내지 1d는 대상물의 특징들을 스캔하고 프로빙하는 복수의 스캐닝 프로브들을 스캔하는 종래 기술을 도시하고;

도 2a 내지 2c는 대상물의 특징들을 스캔하고 프로빙하기 위해 동시에 복수의 스캐닝프로브들을 스캔하는 본 발명의 실시형태를 도시하고;

도 3a 내지 3c는 3개의 프로브들에 대한 본 발명의 실시형태를 도시하고;

도 4는 3개의 스캐닝 프로브 선단들과 샘플의 평면도이고;

도 5a는 본 발명의 실시형태의 하드웨어 구성의 블록도이고;

도 5b는 프로브 선단과 캔틸레버의 실시형태의 세부 측면도이고;

도 6a는 본 발명의 실시형태에 대한 특정 제어 형태의 소프트웨어 실행에 대한 순서도이고;

도 6b는 도 6a의 순서도의 계속된 도이고;

도 7a 내지 7f는 기술된 실시형태의 전기적 파형들의 구성도이고;

도 8a 내지 8c는 특정 영역을 피하면서 대상물의 특징들을 스캔하고 프로빙하기 위해 복수의 스캐닝 프로브들을 동시에 스캔하는 본 발명의 실시형태의 동작상태도이고;

도 9는 영역 회피를 위한 Z축 제어의 소프트웨어 실행을 위한 순서도이고; 그리고

도 10a 내지 10c는 도 9에서 정의된 제어 루틴(routine)을 위한 제어 신호들의 파형을 나타낸 도이다.

도 2a에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시형태는 샘플(110) 근처에 위치한 2개 이상의 스캐닝 프로브 선단들(114a 및 114b)을 이용한다. 샘플(110)은 대상물(112a 및 112b)의 특징들을 포함한다. 도 2b는 목표 스캔 영역들(116a 및 116b)과 관련된 스캐닝 프로브 선단들을 도시한다. 도시된 실시형태에서, 스캔 영역들(116a 및 116b)이 오버래핑하고 있다. 각각의 스캔 영역은, 각각의 스캐닝 프로브 선단이 스캔을 시작하는 시작점(118a 및 118b)을 가진다. 각각의 스캐닝 프로브 선단은 또한 각각 스캔 방향(120)을 가진다. 도시된 실시형태에서, 스캔 방향들(120)은 항상 평행하고 모든 스캐닝 프로브 선단들로부터 시작한다. 이 실시형태에 의하면, 프로브 선단들이 간격을 두면서 동시에 움직이는 것에 의해 충돌이 방지된다. 도 2c는 대상물의 특징들에 위치되어 있고 전기 측정이나 힘 측정을 할 준비가 되어 있는 스캐닝 프로브 선단들을 도시한다. 도 2c는 대상물의 특징들에 위치되어 있고 전기계측 또는 힘계측을 할 준비가 되어 있는 스캐닝 프로브 선단들을 도시한다.

도 3a, 3b 및 3c는 제 3 목표 스캔 영역(116c)을 동시에 스캔하기 위한 제 3 프로브(114c)가 추가된 본 발명의 실시형태를 도시한다. 대상물(112c)의 제 3 특징이 또한 도시된다.

도 4는 샘플(110) 위에 위치된 3개의 스캐닝 프로브 선단들(114a, 114b 및 114c)의 기하 관계를 도시한다. 스캐닝 프로브 선단들은 서로 다른 각도에 위치한다. 스캐닝 프로브 선단들(114a, 114b 및 114c)의 테이블 각도(platen angle; 122a, 122b, 122c)는 기준축(126)으로부터 측정된 것처럼 프로브 센터라인(probe centerline; 124a, 124b 및 124c)의 각도이다. 각각의 스캐닝 프로브 선단은 독자적인 테이블 각도를 가진다. 본 발명은 프로브 선단들의 테이블 각도를 이용하여 이하에서 상세하게 기술될 제어 신호들을 생성한다.

도 5a는 본 발명을 구현하는 AFP 시스템의 구성요소들의 구성도이다. 사용자는 컴퓨터(130)를 이용하여 소프트웨어를 실행한다. 컴퓨터는 스크린(132), 마우스(134), 및 키보드(136)에 연결되어 있는 기본 구성으로 이루어져 있다. 스캔 영상(137)는 컴퓨터 스크린에 표시된다. 컴퓨터(130)는 스캔 파형들(138a, 138b 및 138c)을 생성한다. 3개보다 더 많은 프로브들에 대한 일반적인 경우가 파형(138i)에 의해 표현된다. 스캔 파형들의 생성은 도 6과 관련하여 이하에서 기술될 것이다. 대상물(112)의 각각의 특징에 대한 프로브 선단의 모션을 제어하기 위해 스캔 파형들의 완성되고 독립적인 세트가 존재한다. 스캔 파형들은 각각 디지털 아날로그 컨버터들(digital to analog converter; DAC; 140a, 140b 및 140c)에 출력된다. 각각의 프로브 선단 제어를 위해 하나의 DAC(140)가 있다. DAC들은 스캔 파형들이 동기화되도록 하는 시계 생성기(143)에 의해 제공된 시계 신호(142)를 공유한다. DAC들은 스캐닝이 동시에 시작하도록 하는 동기 신호 발생기(145)에 의해 제공된 동기 펄스(144)를 공유한다. DAC들은 제어 전자장치(146a, 146b 및 146c)를 구동한다. SPM 작업을 위한 제어 전자장치들은 당업자들에게 잘 알려져 있다. 각각의 프로브에 대해 제어 전자장치들의 하나의 완성되고 독립적인 세트가 있다. 제어 전자장치들은 각각 AFM 헤드(head)(148a, 148b 및 148c)에 연결되어 있다. 각각의 AFM 헤드는 3축 액츄에이터(3-axis actuator; 150), 피드백 위치 센서(feedback position sensor; 152) 및 편향 센서(deflection sensor; 154)를 포함한다. 3축 액츄에이터는 샘플(110)을 스캔하기 위해 제공된다. 제어 전자장치들과 관련된 피드백 위치 센서(152)는 보정된 스캐닝을 제공한다. 3축 액츄에이터의 1축과 관련된 편향 센서(154)는 일정력 AFM 스캐닝에 대해 제공된다. 이 시스템은 또한 힘 피드백(force feedback) 없이 작동되고, 편향 센서가 스캔 영상를 생성하는 데에 이용된다. 동시 프로빙이 요망되는 대상물의 각각의 특징에 대해 하나의 완성되고 독립적인 AFM 헤드가 있다. 캔틸레버(156)와 스캐닝 프로브 선단들(114)은 AFM 헤드들에 부착되어 있다. 도시된 실시형태에서, AFM 헤드들은 복수의 스캐닝 프로브 선단들을 서로 인접하여 위치시킬 수 있다. 제어 전자장치들은 영상 데이터(157)를 생성한다. 영상 데이터는 아날로그 디지털 컨버터들(analog to digital converter; 158)로 보내진다. ADC들은 영상 데이터를 디지털 포맷(digital format)으로 변환하고 영상를 컴퓨터로 보낸다. 그 다음에 컴퓨터는 사용자에 대한 영상 데이터를 컴퓨터 스크린에 표시할 수 있다.

도 5b는 캔틸레버에 부착된 본 발명에서 이용되는 프로브 선단의 실시형태의 세부 측면도이다. 이 실시형태에서 편향 센서는 캔틸레버의 편향을 결정하기 위해 캔틸레버의 반사면을 이용한다. 도시된 프로브 선단과 캔틸레버의 배열은 인접하여 작동하는 복수의 프로브들 사이에서 가장 크게 명확해진다. 프로브 선단의 끝을 AFM으로부터 가능한한 멀리 위치시키기 위해, 프로브 선단을 캔틸레버에 각을 이루어 부착시켜 이러한 특징을 이룬다.

도 6은 소프트웨어의 수학적 연산의 순서도이다. 기본 SPM 스캔 파라미터 입력(159)은 다음의 루틴들에 의해 이용되는 X 스캔 크기(160), Y 스캔 크기(162), X 해상도(164), Y 해상도(166), X 오프셋(168) 및 Y 오프셋(170)으로 구성되어 각각의 프로브 선단을 다루는 AFM에 대해 스캔 파형을 생성한다.

구동 파형 생성 루틴(172)은 SPM 스캔 파라미터 입력을 행하고 X 값 출력(176)과 Y 값 출력(178) 모두를 포함하는, W로 표시되는 구동 파형을 출력한다(174). 도 7c와 도 7d에 도시된 것처럼, 마지막 5개의 점들에서는 둥글게 되어 있는 피크(peak)들과 밸리(valley)들을 가진 삼각파이다. 이 실시형태에 대해, 파형 생성은 다음 순서에 의해 이루어진다. 구동 파형의 X 값들은 값 'X 오프셋'을 중심으로 한다. 구동 파형의 X 값들은 2로 나누어진 'X 스캔 크기'의 진폭을 갖는다. 구동 파형의 X 값들은 값 'X 해상도'의 두배와 같은 사이클 당 점들의 개수를 갖는다. 구동 파형의 X 값들은 값 'Y 해상도'의 2배와 같은 사이클들의 개수를 갖는다. 구동 파형의 Y 값들은 값 'Y 오프셋'의 중심이 된다. 구동 파형의 Y 값들은 2로 나누어진 'Y 스캔 크기'의 진폭을 갖는다. 구동 파형의 Y 값들은 값 'Y 해상도'가 곱해진 값 'X 해상도'의 2배와 같은 사이클 당 점들의 개수를 갖는다. 구동 파형의 Y 값들은 한 사이클을 갖는다. X 오프셋 값과 Y 오프셋 값은 스캔 영역의 위치를 정의한다.

요망되는 AFM 제어를 성취하기 위한 코드(code)가, 티엑스 78759-3504 오스틴 11500 엔 모팩 엑스퓌(11500 N Mopac Expwy, Austine, TX 78759-3504)에 위치한 내셔널 인스트루먼트 코포레이션(National Instrument Corporation)으로부터 얻을 수 있는 랩뷰 컴파일러(LabVIEW compiler)를 이용하여 프로그래밍되어 있다.

시작점 회전 루틴(180)은 구동 파형(W)을 얻고, 시작점 입력(181)에 근거하여 구동 파형의 X 값들과 구동 파형의 Y 값들을 회전시키고 X 시작점(182)과 Y 시작점(184)은 파형들의 제 1 점들이다. 이 계산은 도 2b와 도 3b와 관련하여 앞에서 기술된, 프로브들이 스캐닝을 시작하는 위치들인 시작점들(118a, 118b 또는 188c)에 프로브 선단들을 위치시킨다. 시작점 루틴에서, 회전은, 소프트웨어-프로그래밍 컨텍스트에서 1차원 배열의 숫자들을 얻고, 상기 숫자들의 한 부분을 뒤에서 앞으로 이동시키고, 앞에 위치하여 이용된 상기 숫자들을 뒤에 위치시킨다. 시작점이 회전한 후, 새로운 파형(W')의 X 값 출력(176')과 Y 값 출력(178')은 시작점 회전 루틴의 최종적인 출력이다.

스캔 회전 루틴(186)은 구동 파형(W')을 개별적 AFM 헤드들(148)의 공간 기준 프레임으로 변환한다. 각각의 AFM 헤드와 관련된 프로브 선단에 대한 입력 파라미터 테이블 각도(R; 187)는 도 4와 관련하여 앞에서 기술된 것처럼 샘플의 임의의 기준축(126)을 기준으로 측정된 프로브 선단 센터라인(124a, 124b, 124c)의 각도(122a, 122b, 122c)이다. 이 루틴의 출력 결과는 X 값 출력(176'')과 Y 값 출력(178'')을 갖는 회전된 구동 파형(W''; 174'')이다. 여기서 기술된 실시형태에 대해, 각각의 AFM 프로브 선단의 테이블 각도(R)와 같은 각도에 근거하여 형성된, 회전 변환 행렬(M; 189)에 의한 곱이 수행된다. 스캔 회전 루틴에서, 회전은 선형대수학과 관련하여 원점을 중심으로 주어진 각도만큼 회전시키기 위해 스캔 회전 루틴에서 주어진 형태의 행렬을 곱하는 것으로 정의된다.

질문(190)에 의해 모든 회전된 구동 파형들(W'')이 생성되었는 지 여부가 판별된다. 몇몇 AFM 제어 전자장치들이 생성되지 않았다면, 프로세스는 파형 생성 루틴(172)으로부터 시작하여 다음의 SPM에 대해 반복된다. 본 발명이 복수의 AFM을 가정한다면, 상기 루틴들은 복수의 AFM들에 대응하여 적어도 2번 실행될 것이다. 모든 AFM들이 각각의 회전된 구동 파형(W'')을 생성하였다면, 루틴(191)에서 파형들은 각각의 AFM의 프로브 선단을 각각의 시작점에 위치시키기 위해 생성된다. 루틴(192)에서 위치결정 파형은 AFM 제어 전자장치들로 로딩되고 각각의 AFM은 각각의 프로브 선단을 시작점으로 이동시킨다. 모든 AFM 제어 전자장치들은 공통된 동기 펄스(144)로부터 동시에 시작한다. 모든 AFM 제어 전자장치들은 공통된 시계 신호(142)를 공유하고, 같은 속도로 실행된다.

시작점들에 도달하면, 회전된 구동 파형(W'')은 루틴(193)에서 AFM 제어 전자장치들(146a, 146b, 146c)로 로딩된다. 그 다음에 스캐닝 루틴(194)이 시작된다. 모든 AFM 제어 전자장치들(146)은 공통된 동기 펄스(144)를 이용하여 동시에 시작한다. 모든 AFM 제어 전자장치들은 공통된 시계 신호(142)를 공유하고, 동시에 실행된다.

AFM 제어 전자장치(146)로부터의 데이터는 단계(195)에서 모여지고 사용자의 컴퓨터 스크린(132) 상의 영상으로서 표시된다. 스캐닝 루틴의 작업 동안, 모니터링 기능(196)은 사용자가 컴퓨터 스크린(132)의 프로브 버튼을 선택하였는 지 여부를 동시에 검사한다. 프로브 버튼이 선택되지 않았다면 스캐닝 루틴은 데이터를 모으는 것을 계속하고 디스플레이 영상를 갱신한다. 도시된 실시형태에서 프로브 버 튼은 소프트웨어 버튼이고 물리적 위치를 갖지 않는다. 작업(197)이 반영된 상태에서 사용자가 프로브 버튼을 선택하였다면, 프로브 포인트 루틴은 사용자의 프로빙 위치 입력을 받고, 스캐닝 프로브 선단의 현재 위치로부터 사용자의 프로빙 위치로 이동하기 위해 파형(198)을 계산하고 루틴(200)에서 표현된 것처럼 파형을 AFM 제어 전자장치들로 출력한다. 스캐닝 프로브 선단들은 블록(201)에 도시된 것처럼 사용자의 프로빙 위치에 의해 지정된 위치로 AFM 제어 전자장치에 의해 이동된다. 이 루틴은 기능적으로 동일하지만, 시작점 위치결정 생성 루틴으로의 입력에서 다르다. 이 기능으로의 입력은 시작점이 아니라 프로빙점이다.

도 7a 내지 도 7f는 스캐닝 작업 실행 동안의 몇몇 전기 신호들의 실시예들을 도시한다. 도 7a는 모든 AFM들이 동기화되는 데에 이용되는 공유된 시계(142)이다. 도 7b는 모든 AFM들이 동시에 시작하도록 신호를 보내는 동기 펄스(144)를 도시한다. 도 7c는 파형 생성 루틴(172)에 의해 생성된 구동 파형(176)의 X 값들을 도시한다. 도 7d는 파형 생성 루틴(172)에 의해 생성된 구동 파형(178)의 Y 값들을 도시한다. 샘플(110)과 관련된 임의의 테이블 각도로 회전된 AFM 헤드에 대해 도 7e는 회전된 구동 파형(W''; 188)의 X 값들의 예를 도시한다. 도 7f는 AFM 헤드에 대해 회전된 구동 파형(W'')의 Y 값들의 예를 도시한다. 이 파형들은 스캔 회전 루틴(186)에 의해 생성된다. 스캔 회전 루틴(186) 이후에 회전된 구동 파형(188; W')은 테이블 각도(122)에 크게 의존한다.

본 발명의 실시형태의 작업은 다음과 같이 이루어진다. 시스템은 복수의 스캐닝 프로브 현미경들을 이용한다. 스캐닝 프로브 선단들은 수 마이크론부터 1 마 이크론 미만까지의 범위에서 인접해 있다. 스캐닝 프로브 선단들은 이동의 중심이되며, 샘플과 접촉되어 있고, 오버래핑 스캔 영역을 스캔할 수 있다. 도 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 및 3c와 관련하여 앞에서 기술된 것처럼, 스캔 영역(116)은 대상물(112)의 복수의 특징들을 포함한다.

컴퓨터(130)를 이용하여 사용자는 X 스캔 크기(160), Y 스캔 크기(162), X 오프셋(168), Y 오프셋(170), X 해상도(164), Y 해상도(166), X 시작점(182), Y 시작점(184) 및 AFM 프로브 선단들(122a, 122b, 122c)에 대한 테이블 각도들과 같은 다양한 스캐닝 파라미터들을 입력한다.

사용자는 컴퓨터가 스캐닝을 시작하도록 명령하고 컴퓨터(130)에서 실행되는 소프트웨어 루틴은 도 6에서 도시된 절차를 시작한다. 파형 생성 루틴(172)은 구동 파형(W)을 생성하고, 각각의 스캐닝 프로브 선단은 스캐닝 파라미터들에 의해 지정된 영역을 래스터(raster)한다.

구동 파형(W)은 시작점 회전 루틴(180)에 의해 회전되어 모든 스캐닝 프로브 선단들이 각각의 구동 파형의 같은 점에서 시작한다. 따라서, AFM 프로브 선단들(114) 사이의 간격이 스캐닝의 시작에 대해 일정하게 된다.

다음에, 구동 파형들은 회전된 구동 파형들(W'')의 결과로 스캔 회전 루틴(186)에 의해 회전된다. 이 회전은 모든 AFM 헤드들과 관련된 스캐닝 프로브 선단들이 다른 테이블 각도를 가지고 있더라도 같은 방향으로 동시에 스캔하고, 스캐닝 프로브 선단들 사이의 간격이 스캐닝 동안 실질적으로 일정하게 한다.

다음에, 회전된 구동 파형들(W'')은 각각 DAC들(140a, 140b, 140c)로 로딩된 다. AFM들은 프로브 선단들을 시작점들에 위치시킨다. 회전된 구동 파형들이 로딩된 후, 모든 AFM 제어 전자장치들은 공통된 시계(142)를 공유한다. 이로 인하여 스캐닝 프로브 선단들이 동기화된다. 그 다음에 동기 회로는, 모든 AFM 제어 전자장치들(146)이 스캐닝을 시작하도록 신호를 보내는 동기 펄스(144)를 발생시킨다. 이로 인하여 모든 AFM들은 동시에 스캐닝을 시작한다. DAC들은 각각의 회전된 구동 파형을 AFM 제어 전자장치들로 출력한다. 스캐닝 동안, 스캐닝 프로브 선단들은 스캐닝을 처음 시작할 때의 일정한 간격을 유지하도록 움직인다. AFM 제어 전자장치들의 각각의 세트는 관련된 AFM 헤드(148) 내의 피드백 위치 센서들(152)과 3축 액츄에이터(150)가 보정된 방식으로 스캔하도록 제어한다. 각각의 편향 센서(154)는 스캐닝 프로브 선단(114)이 부착된 캔틸레버(156)의 편향을 모니터링한다. 이 편향 신호는 SPM 제어 전자장치들(146)로 돌아오고 사용자의 컴퓨터 스크린(132) 상에 표시된다.

도 2a 내지 2c와 도 3a 내지 3c에 도시된 것처럼, AFM 프로브 선단들은 스캐닝 동안 동일한 스캐닝 방향(120)으로 움직인다. 유사하게, 시작점들(118a, 118b, 118c)은 모든 스캐닝 프로브 선단들에 대해 스캔 영역들(116a, 116b, 116c)을 위한 동일한 상대적인 위치에 있다. 게다가, 스캐닝 프로브 선단들 사이의 간격은 항상 일정하다.

스캐닝 동안 컴퓨터(130)는 AFM 제어 전자장치들(146)로부터 데이터를 모으고 상기 데이터를 컴퓨터 스크린(132) 상에 표시한다. 사용자가 대상물(112)의 특징들을 컴퓨터 스크린 상에 위치시킬 때, 사용자는 상기 특징들을 프로빙할 수 있 다. 사용자는 그 다음에 프로빙 위치(196)로서 프로빙될 대상물의 특징들의 위치를 선택하고 프로브 버튼(194)을 선택한다. 그 다음에 컴퓨터(130)는 파형을 계산하고 AFM 제어 전자장치들(146)을 조종할 DAC들(140)로 출력하여, 프로빙 위치(196)에 대응하는 샘플(110) 상의 각각의 점으로 스캐닝 프로브 선단들을 조종한다. DAC들(140)은 이전에 공통된 시계들(142)과 동기 펄스(144)를 공유한다. 그 다음에 DAC들(140)은 AFM 제어 전자장치들(146)을 조종한다. 이로 인하여 스캐닝 프로브 선단들이 프로빙 위치(196)로 이동한다. 스캐닝 프로브 선단들(114)이 프로빙 위치들(196)로 이동하기 시작한 후 스캐닝 프로브 선단들(114) 사이의 간격은 더 이상 일정하지가 않다.

기능성을 향상시키는 본 발명의 또 다른 실시형태에 대하여 도 8a는 샘플(110), 대상물(112a 및 112b) 및 회피 영역(198)을 도시한다. 도 8a에서 스캐닝 프로브 선단들(114a 및 114b)은 샘플(110) 상에 위치된다. 도 8b는 각각의 스캐닝 프로브 선단들이 회피 영역(198)을 제외한 자신의 스캔 영역(116a 및 116b)을 가짐을 도시한다. 도시된 실시형태에서, 스캐닝 프로브 선단들(114a 및 114b) 사이의 간격은 항상 일정하지는 않다. 이 실시형태에서 프로브들은 회피 영역을 회피하기 위해 같은 방향의 평면의 외측을 Z 방향에서 오므린다. 각각의 스캔 영역(116)은 스캐닝 프로브 선단(114)이 시작하는 시작점(118)을 가진다. 각각의 스캐닝 프로브 선단(114)은 스캐닝 방향(120)을 가진다. 도시된 실시형태에서 스캐닝 방향들(120)은 모든 프로브 선단들(114)에 대해 실질적으로 같다.

도 9는 AFM 모션의 X 및 Y 성분들에 대한 파형 생성을 덮는 회피 영역과 일 치하는 Z축 프로브 수축 파형의 생성을 순서도에서 도시한다. 도 10a 및 10b는 명확하게 설명하기 위하여 도 7c 및 7d의 파형을 확장하고 절단하여 도시한다. 도 10c는 X 및 Y 모션과 관련된 회피 영역의 대응하는 Z축 작동을 도시한다. 도 9를 참조하면, 회피 영역의 X 및 Y 범위가, 제외된 영역에 대한 제어 행렬(206)의 생성 루틴(204)으로 파라미터 입력(202)으로서 제공된다. 단순한 직사각형 영역이 도면에 도면의 실시형태에 도시되어 있지만, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 설명을 위해 하나의 프로브 선단과 AFM의 작동이 이 명세서에서 기술된다. 제어 전자장치들은 도 10b와 10a에서 확장된 형태로 도시된 X 위치(178)와 Y 위치(176)를 가진 적합한 파형에 의해 구동되는 프로브 선단의 X/Y 위치(208)를 모니터링한다. 프로브 선단 위치가 배타 행렬 값들을 입력하였다면(210), AFM 내에서 프로브는 Z축 제어에 의해 상승된다(212). X/Y 위치가 그 다음에 모니터링되어, 프로브 선단이 배타 행렬 값들과 무관한지 여부를 결정(214)하고, 무관하다면 프로브는 영상 데이터의 생성을 다시 시작하기 위해 하강된다(216).

배타 영역은 그래프적으로 도 10a에서 Y 배타 영역(218)으로서 명시되고 도 10b에서 X 배타 영역(220)으로서 명시된다. 도 10c에서 도시된 최종적인 Z축 파형(222)은 프로브 선단이 배타 영역에 있을 때 상승되는 것을 설명한다. 도 8c는 대상물(112)의 특징들에 위치되어 있고 FA 실험을 할 준비가 되어 있는 스캐닝 프로브 선단들(114)을 도시한다.

본 발명의 실시형태의 상업적으로 이용할 수 있는 형태는 본 출원의 양수인 인, 캘리포니아 93101, 산타 바바라, 10 이. 이스레이 스트리트(10 E. Islay Street, Santa Barbara, CA 93101)에 위치한 멀티프로브(MultiProbe, Inc.)로부터 얻을 수 있는 원자력 프로브이다. 이 시스템은 도 2c 또는 3c에 도시된 것처럼 수 마이크론 미만으로 가깝게 스캐닝 프로브 선단들을 위치시킬 수 있다. 이 시스템은 도 5에 도시된 것처럼 3축 액츄에이터(150)에 대한 피드백 위치 센서들(152)과 지지 SPM 제어 전자장치들(146)을 가진다. 이 시스템은 도 6의 블록도에서 도시된 소프트웨어 루틴을 실행한다. 3개의 스캐닝 프로브 선단들(114)에 대해서 이 현미경은 도 3에 도시된 작업을 수행한다.

또 다른, 상업적으로 이용할 수 있는 원자력 현미경은 캘리포니아 93117, 산타 바바라, 112 로빈 힐 로드(112 Robin Hill Road, Santa Barbara, CA 93117)에 위치한 벡코 메트롤로지 그룹(Veeco Metrology Group)으로부터 얻을 수 있는 지지 제어 전자장치들을 가진 벡코 메트롤로지 AFM 헤드이다. 이러한 상업적으로 이용할 수 있는 시스템은 현재 본 발명을 지지하지 않지만, 이 시스템은 도 5에 도시된 구성요소들을 포함한다. 이 구성요소들 중 가장 주목할만 한 것이 도 5에 도시된 3축 액츄에이터(150)에 대한 피드백 위치 센서들(152)과 지지 AFM 제어 전자장치들(146)이다. 이 시스템은 복수의 스캐닝 프로브 선단들을 바로 가까이에 위치시키지 않는다.

본 발명을 앞에서 상세하게 기술하였지만, 당업자라면 이상에서 기술된 특정 실시형태들에 대한 변형예들을 인식할 수 있다. 이러한 변형예들은 다음의 청구범위에서 지정된 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (11)

1. 캔틸레버(cantilever; 156)에 의해 원자력 현미경(atomic force microscope; AFM; 148a, 148b, 148c)에 지지된 적어도 2개의 스캐닝 프로브들(scanning probes; 114);

   모션 제어 신호(motion control signal)들을 수신하기 위한, 각각의 AFM 내의 제어 수단들(150);

   AFM들 중 제 1 AFM의 제 1 방향(x 축 방향, y 축 방향 및 z 축 방향 중 하나의 방향) 모션을 제어하기 위한 제 1 모션 제어 신호(160, 164, 168, 172)를 생성하기 위한 수단;

   AFM들 중 제 1 AFM의 제 2 방향(x 축 방향, y 축 방향 및 z 축 방향 중 상기 제 1 방향을 제외한 하나의 방향) 모션을 제어하기 위한 제 2 모션 제어 신호(162, 166, 170, 172)를 생성하기 위한 수단;

   상기 제 1 모션 제어 신호에 반응하여, 상기 AFM들 중 제 2 AFM이 상기 AFM들 중 제 1 AFM과 제 1 방향에서 간격을 두며 움직이는 제 1 방향 모션을 제어하기 위한 제 1 오프셋(offset) 모션 제어 신호(122a, 189, 186)를 결정하기 위한 수단;

   상기 제 2 모션 제어 신호에 반응하여, 상기 AFM들 중 제 2 AFM이 상기 AFM들 중 제 1 AFM과 제 2 방향에서 간격을 두며 움직이는 제 2 방향 모션을 제어하기 위한 제 2 오프셋 모션 제어 신호(122b, 189, 186)를 결정하기 위한 수단; 및

   각각의 프로브(137)로부터의 입력 신호들로부터 영상 스캔 데이터를 생성하기 위한 수단을 포함하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 프로브로부터 연합된 모션 제어 신호들의 조정을 위한 각각의 제어 수단들로의 피드백(feedback) 수단(152)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 제 1 오프셋 모션 제어 신호를 결정하기 위한 수단 및 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 결정하기 위한 수단이 회전 행렬(189)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 각각의 프로브(114)와 각각의 캔틸레버(156)가 프로브 선단 AFM의 끝을 향하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 캔틸레버 편향 신호(154)가 모니터링(monitoring)되고 상기 캔틸레버 편향 신호는 각각의 프로브로부터 스캔 영상 생성 수단으로의 입력 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 캔틸레버 편향 신호(154)가 모니터링되고 상기 캔틸레버 편향 신호는 일정력 스캐닝(constant force scanning)을 위한 AFM으로의 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피 시스템.
7. 제 1 캔틸레버 지지 프로브(first cantilever supported probe)를 제 1 AFM에 부착시키는 단계;

   제 2 캔틸레버 지지 프로브(second cantilever supported probe)를 제 2 AFM에 부착시키는 단계;

   상기 제 1 프로브를 위한 제 1 방향 모션(first directional motion)을 결정하는 단계;

   상기 제 1 프로브를 위한 제 2 방향 모션(second directional motion)을 결정하는 단계;

   상기 제 1 프로브의 제 1 방향 모션을 제어하기 위한 제 1 모션 제어 신호를 계산하는 단계;

   상기 제 1 프로브의 제 2 방향 모션을 제어하기 위한 제 2 모션 제어 신호를 계산하는 단계;

   상기 제 1 프로브 및 AFM에 대한 상기 제 2 프로브 및 AFM의 상대적 위치를 결정하는 단계;

   상기 제 1 모션 제어 신호에 근거하여 상기 제 2 프로브가 상기 제 1 방향에서 상기 제 1 프로브와 간격을 두며 움직이는 제 1 방향 모션을 제어하기 위한 제 1 오프셋 모션 제어 신호를 계산하는 단계;

   상기 제 2 모션 제어 신호에 근거하여 상기 제 2 프로브가 상기 제 2 방향에서 상기 제 1 프로브와 간격을 두며 움직이는 제 2 방향 모션을 제어하기 위한 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 계산하는 단계; 및

   상기 제 1 AFM으로 상기 제 1 모션 제어 신호와 상기 제 2 모션 제어 신호를, 상기 제 2 AFM으로 상기 제 1 오프셋 모션 제어 신호와 상기 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 동시에 공급하는 단계; 및

   상기 프로브들로부터의 입력으로부터 영상 스캔 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 위한 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 AFM으로 상기 제 1 모션 제어 신호와 상기 제 2 모션 제어 신호를, 상기 제 2 AFM으로 상기 제 1 오프셋 모션 제어 신호와 상기 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 동시에 공급하는 단계 이후에,

   상기 제 1 프로브의 위치에 대한 피드백을 제공하는 단계;

   상기 피드백에 반응하여 상기 제 1 모션 제어 신호와 상기 제 2 모션 제어 신호를 변경하는 단계;

   상기 제 2 프로브의 위치에 대한 제 2 피드백을 제공하는 단계; 및

   상기 제 2 피드백에 반응하여 상기 제 1 오프셋 모션 제어 신호와 상기 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 위한 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 캔틸레버 지지 프로브를 부착시키는 단계는 제 1 프로브 선단이 상기 제 1 AFM과 둔각을 이루도록 제 1 프로브와 캔틸레버를 부착시키는 단계를 포함하고, 상기 제 2 캔틸레버 지지 프로브를 부착시키는 단계는 제 2 프로브 선단이 상기 제 2 AFM과 둔각을 이루도록 제 2 프로브와 캔틸레버를 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 위한 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 AFM으로 상기 제 1 모션 제어 신호와 상기 제 2 모션 제어 신호를, 상기 제 2 AFM으로 상기 제 1 오프셋 모션 제어 신호와 상기 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 동시에 공급하는 단계 이후에,

    각각의 프로브에 대한 캔틸레버 편향 신호를 모니터링하는 단계; 및

    영상 데이터의 생성을 위한 캔틸레버 편향 신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 위한 방법.
11. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 AFM으로 상기 제 1 모션 제어 신호와 상기 제 2 모션 제어 신호를, 상기 제 2 AFM으로 상기 제 1 오프셋 모션 제어 신호와 상기 제 2 오프셋 모션 제어 신호를 동시에 공급하는 단계 이후에,

    각각의 프로브에 대한 캔틸레버 편향 신호를 모니터링하는 단계; 및

    상기 캔틸레버 편향 신호를 일정력 스캐닝을 위한 프로브에 대한 AFM으로의 피드백으로서 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 마이크로스코피를 위한 방법.

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