KR101031835B1

KR101031835B1 - Apparatus and method for fast automatic approaching of probe surface inspection systemPSIS

Info

Publication number: KR101031835B1
Application number: KR1020090073464A
Authority: KR
Inventors: 이해원; 정정주; 한철수
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-05-02
Also published as: KR20110020321A

Abstract

탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치 및 방법이 개시된다. 광원부는 일단에 팁이 결합된 캔틸레버의 반사면에 빛을 조사한다. 구동부는 팁과 캔틸레버가 결합된 탐침의 하부에 위치하는 시료의 표면을 향해 탐침을 하강시켜 팁을 시료의 표면에 접근시킨다. 조도 측정부는 광원부로부터 조사된 빛이 시료의 표면에 의해 반사된 반사광을 수집하여 조도를 측정한다. 제어부는 탐침이 구동부에 의해 시료의 표면을 향해 하강하는 동안 조도 측정부에 의해 측정된 조도값이 최대값에 도달한 후 감소하는 구간에 설정된 제1지점까지 구동부가 사전에 설정된 제1속도로 탐침을 하강시키도록 제어하고, 탐침이 제1지점에 도달하면 구동부가 사전에 설정된 제2속도로 탐침을 하강시키도록 제어하고, 팁과 시료의 표면 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘이 검출되면 구동부가 사전에 설정된 제3속도로 사전에 설정된 제2지점까지 탐침을 하강시키도록 제어한다. 본 발명에 따르면, 팁과 캔틸레버가 결합된 탐침을 하강시키는 구동부의 동작을 기존의 코어스 동작 단계 및 미세 동작 단계의 두 단계로 구분하는 대신 시료 표면으로부터 측정된 조도값 및 탐침의 변위 정보에 따라 네 단계로 구분하여 탐침의 어프로치 동작이 빠르게 수행되도록 한다.A high speed automatic approach apparatus and method of a probe surface inspector is disclosed. The light source unit irradiates light to the reflective surface of the cantilever having a tip coupled to one end. The driving unit lowers the probe toward the surface of the sample positioned at the lower part of the probe to which the tip and the cantilever are coupled so that the tip approaches the surface of the sample. The illuminance measuring unit collects the reflected light reflected by the surface of the sample from the light emitted from the light source unit to measure the illuminance. The control unit probes at the first speed set in advance by the driving unit to the first point set in the section in which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit reaches the maximum value and decreases while the probe descends toward the surface of the sample by the driving unit. Control to lower the probe, control the drive to lower the probe at a second preset speed when the probe reaches the first point, and when the van der Waals forces acting between the tip and the surface of the sample are detected The probe is controlled to descend to the preset second point at a preset third speed. According to the present invention, instead of dividing the operation of the driving unit for lowering the probe combined with the tip and the cantilever into two stages of the conventional coarse operation step and the fine operation step, it is determined according to the illuminance value measured from the sample surface and the displacement information of the probe. By dividing into steps, the approach of the probe can be performed quickly.

시료 표면 검사, 탐침 어프로치, 조도값 Sample surface inspection, probe approach, roughness value

Description

Apparatus and method for fast automatic approaching of probe surface inspection system (PSIS)}

본 발명은 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시료 표면을 검사하기 위해 탐침을 시료 표면을 향해 이동시키는 어프로치 과정을 자동으로 빠르게 수행할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high speed automatic approach apparatus and method of a probe surface inspector, and more particularly, to an apparatus and method for automatically and quickly performing an approach process of moving a probe toward a sample surface to inspect a sample surface. It is about.

주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope : SPM)은 미세한 탐침(프로브)에 의해 시료의 표면을 주사(scanning)하면서 시료와 탐침 사이의 상호 작용을 검출함으로써 시료 표면의 형상이나 물리량을 검출하여 영상화할 수 있는 측정 및 분석 장치이다. 탐침 현미경은 탐침과 시료 사이의 물리적 특성에 따라 다양하게 분류된다. 예를 들면, 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류를 검출하는 주사 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope : STM), 탐침과 시료 사이에 작용하는 원자간 힘을 이용하는 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope : AFM) 및 탐침과 시료 사이에 작용하는 자기력을 이용하는 자기력 현미경(Magnetic Force Microscope : MFM) 등이 있다.Scanning Probe Microscope (SPM) can detect and image the shape or physical quantity of the sample surface by detecting the interaction between the sample and the probe while scanning the surface of the sample by a minute probe (probe) Measurement and analysis device. Probe microscopes are classified according to the physical properties between the probe and the sample. For example, Scanning Tunneling Microscope (STM), which detects the current flowing between the probe and the sample, Atomic Force Microscope (AFM), which uses the interatomic force between the probe and the sample, Magnetic Force Microscope (MFM) using magnetic force acting between samples, and the like.

이 중에서 주사 탐침 현미경은 최근 나노기술, 정보기술 및 생명과학기술과 같은 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 예를 들면, 산업용 주사 탐침 현미경은 반도체의 패턴 거리를 측정하거나 평판 디스플레이 장치의 결함을 검사하기 위해 개발되었다. 이러한 산업용 주사 탐침 현미경은 빠른 검사 시간, 높은 정확성 및 우수한 반복성 등의 조건을 만족시킬 것을 필요로 하며, 많은 양의 시료를 반복적으로 검사하기 위해 자동화 기술이 요구된다.Among these, scanning probe microscopes are widely used in various fields such as nanotechnology, information technology, and life science technology. For example, industrial scanning probe microscopes have been developed for measuring pattern distances in semiconductors or for inspecting defects in flat panel display devices. Such industrial scanning probe microscopes need to satisfy conditions such as fast inspection time, high accuracy and good repeatability, and require automated technology to repeatedly inspect a large amount of sample.

주사 탐침 현미경과 같은 탐침 표면 검사기(Probe Surface Inspection System : PSIS)에서는 시료의 표면을 측정하기 위해 탐침의 팁(tip)을 팁과 시료 사이의 힘이 작용하는 영역까지 시료 표면을 향해 이동시키는 과정을 필요로 한다. 도 1은 탐침 표면 검사기의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1에서 탐침 표면 검사기는 팁과 캔틸레버(cantilever)로 이루어진 탐침을 시료를 향해 이동시키고, 감광 센서인 위치 검출기(Position Sensitive Detector : PSD)는 광원으로부터 조사되어 캔틸레버의 반사면에 반사된 빛을 감지하여 팁과 시료 표면 사이의 작용력에 의하여 휘어진 캔틸레버의 변위를 검출한다.In probe surface inspection systems (PSIS), such as scanning probe microscopes, the process of moving the tip of the probe toward the surface of the sample to the area where the force between the tip and the sample acts to measure the surface of the sample. in need. 1 is a diagram illustrating an example of a probe surface inspector. In FIG. 1, the probe surface inspector moves a probe consisting of a tip and a cantilever toward a sample, and a position sensor (PSD), a photosensitive sensor, detects light reflected from a light source by reflecting from a light source. The displacement of the curved cantilever is detected by the action force between the tip and the sample surface.

이때 탐침을 시료의 측정 가능한 범위까지 수직 이동시키는 어프로치 과정은 먼저 탐침을 시료의 근사 거리까지 신속하게 접근시키는 코어스(coarse) 동작 단계와 이후 탐침을 시료까지 정밀하게 접근시키는 미세(fine) 동작 단계를 포함한다. 코어스 동작 단계 및 미세 동작 단계를 수행하는 방식으로는 자동 방식과 반자동 방식이 있다.At this time, the approach process of vertically moving the probe to the measurable range of the sample may include a coarse operation step of rapidly approaching the probe to the approximate distance of the sample and a fine operation step of precisely approaching the probe to the sample. Include. The method of performing the coarse operation step and the fine operation step includes an automatic method and a semi-automatic method.

자동 방식은 코어스 동작 단계 및 미세 동작 단계에서 모두 PSD를 이용하여 목표점(set point)과 탐침의 구동 단계를 비교하면서 조건을 만족할 때까지 탐침을 이동시키는 방식이다. 자동 방식에서는 캔틸레버와 시료 사이의 거리에 관계없이 고정된 속도로 팁을 이동시키면서 반 데르 발스(van der Walls) 힘이 작용하는 목표점과 PSD 신호를 비교한다. 이때 코어스 동작 단계에서도 팁과 시료 표면이 매우 근접할 때 팁과 시료의 접촉에 의한 손상이 발생하지 않도록 하기 위하여 탐침을 느린 속도로 이동시키므로 랜딩 동작이 완료될 때까지 시간이 오래 걸리고, 시료와 팁 사이의 거리가 시료 또는 탐침의 교체 등으로 변화하는 경우에는 일정한 어프로치 시간을 예측할 수 없다는 문제가 있다.The automatic method is to move the probe until the condition is satisfied while comparing the set point and the driving step of the probe by using the PSD in both the coarse operation step and the fine operation step. The automated method compares the PSD signal with the target point at which van der Walls force acts while moving the tip at a fixed speed regardless of the distance between the cantilever and the sample. At this time, even when the tip and the sample surface are very close to each other during the coarse operation, the probe is moved at a slow speed so that the tip and the sample do not cause damage. Therefore, it takes a long time until the landing operation is completed. When the distance between them changes due to the replacement of a sample or probe, there is a problem in that a constant approach time cannot be predicted.

반면 반자동 방식은 사용자의 조작에 의한 코어스 동작 단계의 수행 후에 자동 방식에 의하여 미세 동작 단계가 수행되는 방식으로, 전하결합소자(charge-coupled device : CCD) 카메라에 의해 획득된 시각적 이미지가 코어스 동작 단계를 위해 사용된다. 그런데 반자동 방식에 의할 경우, 사용자가 경험적인 지식을 이용하여 직접 조작하기 때문에 숙련도에 의하여 랜딩 속도 등의 효율성이 결정되며, 사용자의 주관적 기준에 의하여 코어스 동작 단계에서 미세 동작 단계로의 전환 시점이 결정되므로 일관성이 부족하게 된다. 또한 팁과 시료의 위치에 관한 초기값이 변화하는 경우에는 동작 단계의 변환 시점이 사용자의에 의해 재설정되어야 하는 문제가 있다.On the other hand, the semi-automatic method is a method in which a fine operation step is performed by an automatic method after performing a coarse operation step by a user's operation. Used for However, in the case of the semi-automatic method, since the user operates directly using the empirical knowledge, the efficiency of the landing speed is determined by the proficiency, and the timing of switching from the coarse motion step to the fine motion step is determined by the user's subjective criteria. As a result, there is a lack of consistency. In addition, when the initial value of the position of the tip and the sample is changed, there is a problem that the conversion timing of the operation step should be reset by the user.

이러한 문제들을 개선하기 위해 제안된 방식으로, 광원을 이용하여 캔틸레버에 빛을 조사한 후 캔틸레버의 모서리에서 회절되어 시료 표면에 입사되는 빛에 의하여 발생한 간섭 무늬를 이용한 자동 랜딩 기법이 제안된 바 있다.In order to solve these problems, an automatic landing technique using an interference fringe generated by light incident on the surface of a sample by diffracting at the edge of the cantilever after irradiating light to the cantilever using a light source has been proposed.

도 2는 시료 표면에서 발생하는 빛의 간섭무늬를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 광원(9)으로부터 조사되는 빛 중 캔틸레버(4)의 모서리(4a)에서 회절되는 빛은 시료의 표면에 간섭무늬(4b 내지 4d)를 형성하게 된다. 간섭무늬 패턴은 캔틸레버(4)와 시료(6) 사이의 거리가 가까워짐에 따라 점차 수렴하는 형상을 나타낸다. 종래의 간섭 무늬를 이용한 자동 랜딩 기법에서는 간섭무늬 패턴의 피크(peak) 중에서 최고 강도의 피크가 사전에 설정된 영역 내에 들어오는지 여부를 기준으로 하여 코어스 동작 단계와 미세 동작 단계를 구분한다. 최고 강도의 피크가 사전에 설정된 영역 내로 들어오면 탐침의 하강 동작은 코어스 동작 단계에서 미세 동작 단계로 전환되어 PSD 신호를 피드백 받는다.2 is a view showing an interference fringe of light generated from a surface of a sample. Referring to FIG. 2, the light diffracted at the corner 4a of the cantilever 4 among the light emitted from the light source 9 forms the interference patterns 4b to 4d on the surface of the sample. The interference fringe pattern exhibits a shape that gradually converges as the distance between the cantilever 4 and the sample 6 approaches. In the conventional automatic landing technique using an interference fringe, a coarse operation step and a fine operation step are distinguished based on whether the peak of the highest intensity among the peaks of the interference fringe pattern is within a predetermined area. When the peak of the highest intensity enters the predetermined area, the falling operation of the probe is switched from the coarse operation stage to the fine operation stage to receive the PSD signal.

이러한 종래의 기술은 시료 표면의 요철 등의 존재에 불구하고 일정하게 랜딩 단계를 구분하여 팁을 자동으로 랜딩할 수 있으므로 대면적 시료에 효과적으로 적용될 수 있다. 그러나 코어스 동작 단계와 미세 동작 단계를 구분하는 최고 강도의 피크가 단일선으로 나타나지 않고 일정한 너비를 가지므로, 랜딩 동작 단계를 명확하게 구분하기에는 불충분하다는 문제가 있다.This conventional technique can be effectively applied to a large-area sample because the tip can be automatically landed by dividing the landing step constantly despite the presence of irregularities on the surface of the sample. However, since the peak of the highest intensity that distinguishes the core operating step from the fine operating step does not appear as a single line and has a constant width, there is a problem that it is insufficient to clearly distinguish the landing operation step.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시료 표면의 측정 또는 조작을 위해 탐침을 접근시킬 때 팁과 캔틸레버가 결합된 탐침의 어프로치 과정을 빠르고 정확하게 자동으로 수행하여 많은 양의 시료를 효과적으로 검사 또는 조작할 수 있는 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to quickly and accurately perform the approach of the tip and cantilever combined probe approach quickly and accurately when approaching the probe for the measurement or manipulation of the sample surface to effectively inspect or manipulate a large amount of sample The present invention provides a high speed automatic approach device and method of a probe surface inspector.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치는, 일단에 팁이 결합된 캔틸레버의 반사면에 빛을 조사하는 광원부; 상기 팁과 상기 캔틸레버가 결합된 탐침의 하부에 위치하는 시료의 표면을 향해 상기 탐침을 하강시켜 상기 팁을 상기 시료의 표면에 접근시키는 구동부; 상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 의해 반사된 반사광을 수집하여 조도를 측정하는 조도 측정부; 및 상기 탐침이 상기 구동부에 의해 상기 시료의 표면을 향해 하강하는 동안 상기 조도 측정부에 의해 측정된 조도값이 최대값에 도달한 후 감소하는 구간에 설정된 제1지점까지 상기 구동부가 사전에 설정된 제1속도로 상기 탐침을 하강시키도록 제어하고, 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 상기 구동부가 사전에 설정된 제2속도로 상기 탐침을 하강시키도록 제어하고, 상기 팁과 상기 시료의 표면 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘이 검출되면 상기 구동부가 사전에 설정된 제3속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키도록 제어하는 제어부;를 구비한다.In order to achieve the above technical problem, the high-speed automatic approach device of the probe surface inspector according to the present invention, the light source unit for irradiating light to the reflective surface of the cantilever tip is coupled to one end; A driving unit for lowering the probe toward a surface of a sample positioned below the probe to which the tip and the cantilever are coupled to access the tip to the surface of the sample; An illuminance measurement unit configured to collect illuminance reflected by the light emitted from the light source unit by the surface of the sample to measure illuminance; And the driving unit is previously set to a first point set in a section in which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit reaches a maximum value and decreases while the probe is lowered toward the surface of the sample by the driving unit. The probe is controlled to descend at one speed, and when the probe reaches the first point, the drive is controlled to lower the probe at a second preset speed, and between the tip and the surface of the sample. And a controller configured to control the driving unit to lower the probe to a second preset point at a preset third speed when an acting van der Waals force is detected.

상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 방법은, (a) 일단에 팁이 결합된 캔틸레버를 구비하는 탐침이 상기 탐침의 하부에 위치하는 시료의 표면을 향해 하강하는 동안 상기 캔틸레버의 반사면에 빛을 조사하는 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 의해 반사된 반사광을 수집하여 측정된 조도값이 최대값에 도달한 후 감소하는 구간에 설정된 제1지점까지 사전에 설정된 제1속도로 상기 시료의 표면을 향해 상기 캔틸레버를 하강시키는 단계; (b) 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 사전에 설정된 제2속도로 상기 탐침을 하강시키는 단계; 및 (c) 상기 팁과 상기 시료의 표면 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘이 검출되면 사전에 설정된 제3속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키는 단계;를 가진다.In order to achieve the above another technical problem, a high speed automatic approach method of the probe surface inspector according to the present invention, (a) a probe having a cantilever with a tip coupled to one end of the probe surface is located in the lower surface of the sample A first set in a section in which the light irradiated from the light source unit irradiating the reflective surface of the cantilever with the reflected light reflected by the surface of the sample while descending toward the collector surface decreases after the measured illuminance value reaches a maximum value; Lowering the cantilever toward the surface of the sample at a first predetermined speed up to a point; (b) lowering the probe at a second predetermined speed when the probe reaches the first point; And (c) when the van der Waals forces acting between the tip and the surface of the sample are detected, lowering the probe to a preset second point at a preset third speed.

본 발명에 의한 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치 및 방법에 따르면, 팁과 캔틸레버가 결합된 탐침을 하강시키는 구동부의 동작을 기존의 코어스 동작 단계 및 미세 동작 단계의 두 단계로 구분하는 대신 시료 표면으로부터 측정된 조도값 및 탐침의 변위 정보에 따라 네 단계로 구분하여 탐침의 어프로치 동작이 빠르게 자동으로 수행되도록 한다.According to the high-speed automatic approach apparatus and method of the probe surface inspector according to the present invention, the operation of the driving unit for lowering the probe combined with the tip and the cantilever is separated from the sample surface instead of being divided into two stages of the coarse operation step and the fine operation step. According to the measured roughness value and the probe displacement information, the probe approach can be quickly and automatically performed by dividing into four stages.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a high speed automatic approach apparatus and method of the probe surface inspector according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치가 구현 된 현미경의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.3 is a view showing the structure of a microscope in which a high speed automatic approach device of a probe surface inspector according to the present invention is implemented, and FIG. 4 shows a configuration of a preferred embodiment of the high speed automatic approach device of a probe surface inspector according to the present invention. It is a block diagram.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 고속 자동 어프로치 장치는 광원부(410), 조도 측정부(420), 위치 검출부(430), 제어부(440) 및 구동부(450)를 구비한다.3 and 4, the high speed automatic approach device according to the present invention includes a light source unit 410, an illuminance measurement unit 420, a position detector 430, a controller 440, and a driver 450.

광원부(410)는 일단에 팁(462)이 결합된 캔틸레버(460)의 반사면에 빛을 조사한다.The light source unit 410 irradiates light onto the reflective surface of the cantilever 460 having the tip 462 coupled thereto.

광원부(410)로는 레이저 다이오드가 사용될 수 있으며, 광원부(410)로부터 조사된 빛은 캔틸레버(460)의 모서리에서 회절되어 캔틸레버(460) 하부에 위치하는 시료(490)의 표면에 간섭무늬와 같은 반사광을 형성하게 된다. 이러한 반사광은 조도 측정부(420)에 의해 수집되어 이후 제어부(440)에 의한 구동부(450)의 제어에 사용된다. 또한 도 3에서 화살표로 표시된 경로(470)는 광원부(410)로부터 조사된 빛이 캔틸레버(460)의 반사면에서 반사되어 위치 검출부(430)까지 도달하는 경로를 나타낸 것이다. 제어부(440)는 위치 검출부(430)로부터 출력된 정보를 기초로 구동부(450)를 제어한다. 제어부(440)에 의한 구동부(450)의 제어 과정에 관하여는 이후 상세하게 설명한다.A laser diode may be used as the light source unit 410, and the light emitted from the light source unit 410 is diffracted at the edge of the cantilever 460 and reflected light such as an interference pattern on the surface of the sample 490 positioned below the cantilever 460. Will form. The reflected light is collected by the illuminance measuring unit 420 and then used to control the driving unit 450 by the controller 440. In addition, the path 470 indicated by the arrow in FIG. 3 represents a path through which light emitted from the light source unit 410 is reflected from the reflective surface of the cantilever 460 to reach the position detection unit 430. The controller 440 controls the driver 450 based on the information output from the position detector 430. A control process of the driver 450 by the controller 440 will be described in detail later.

도 5는 본 발명에 따른 고속 자동 어프로치 장치에서 광원부(410)로부터 조사된 빛의 경로를 도시한 도면이다.5 is a view illustrating a path of light emitted from the light source unit 410 in the high speed automatic approach device according to the present invention.

도 5를 참조하면, 광원부(410)로서의 레이저 다이오드로부터 조사된 빛은 프리즘에 의해 굴절되어 캔틸레버(460)의 표면에 도달한다. 또한 캔틸레버(460)의 반 사면에서 반사된 빛은 거울 형태로 구현된 제1굴절부 및 제2굴절부에 의해 굴절되어 위치 검출부(430)로 입력된다.Referring to FIG. 5, the light irradiated from the laser diode as the light source unit 410 is refracted by the prism to reach the surface of the cantilever 460. In addition, the light reflected from the reflective surface of the cantilever 460 is refracted by the first and second refraction parts implemented in a mirror form and input to the position detector 430.

도 5에서 L₁은 광원(410)과 프리즘 사이의 거리, L₂는 프리즘으로부터 캔틸레버(460)의 반사면까지의 거리, L₃는 캔틸레버(460)의 두께, L₄는 캔틸레버(460)의 일단에 결합된 팁(462)의 길이, L₅는 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리, L₆ 및 L₇은 캔틸레버(460)의 단부로부터 시료(490) 표면까지의 거리, 그리고 L₈은 촬상부(422)의 초점거리이다. 본 발명에 따른 고속 자동 어프로치 장치에서 조도 측정부(420), 광원부(410) 및 캔틸레버(460)에 팁(462)이 결합된 탐침은 뒤에서 설명할 구동부(450)의 제1구동단계, 제2구동단계 및 제3구동단계에서 구동부(450)에 의해 동시에 움직인다. 따라서 제1구동단계, 제2구동단계 및 제3구동단계에서 L₁+L₂+L₃+L₄ 및 L₈은 항상 일정한 값을 가진다. 구동부(450)의 구동단계에 관하여는 뒤에서 상세하게 설명한다.In FIG. 5, L ₁ is the distance between the light source 410 and the prism, L ₂ is the distance from the prism to the reflective surface of the cantilever 460, L ₃ is the thickness of the cantilever 460, and L ₄ is the thickness of the cantilever 460. The length of tip 462 coupled to one end, L ₅ is the distance between tip 462 and sample 490 surface, L ₆ and L ₇ is the distance from the end of cantilever 460 to the surface of sample 490, And L ₈ is the focal length of the imaging unit 422. In the high speed automatic approach device according to the present invention, the probe having the tip 462 coupled to the illuminance measuring unit 420, the light source unit 410, and the cantilever 460 may be a first driving step of the driving unit 450, which will be described later. It is simultaneously moved by the driving unit 450 in the driving step and the third driving step. Therefore, in the first driving stage, the second driving stage, and the third driving stage, L ₁ + L ₂ + L ₃ + L ₄ and L ₈ always have constant values. The driving step of the driving unit 450 will be described in detail later.

도 6은 광원부(410), 즉 레이저 다이오드로부터 조사된 빛이 프리즘에 의해 굴절되어 시료(490) 표면에 도달한 후, 시료(490) 표면에 의해 반사된 반사광이 촬상부(422)에 의해 수집되기까지의 경로 상에서 빛의 조도(강도) 변화 및 빔 스팟(beam spot) 크기의 변화를 도시한 도면이다. 도 6에서 w₀는 빛의 웨이스트(waist), z_o는 레일리 범위(Rayleigh range), 그리고 θ는 빛의 수렴각(divergence angle)이다.6 shows that the light emitted from the light source unit 410, that is, the laser diode is refracted by the prism to reach the surface of the sample 490, and then the reflected light reflected by the surface of the sample 490 is collected by the imaging unit 422. The figure shows changes in illuminance (intensity) of light and changes in beam spot size on a path leading to the beam. In FIG. 6, w ₀ is a waste of light, z _o is a Rayleigh range, and θ is a divergence angle of light.

도 6을 참조하면, 광원부(410)가 대물렌즈의 초점거리를 지나 시료(490)로부터 멀어지게 되면 수렴각에 따라 빔 스팟의 크기가 커지며, 그에 따라 빛의 조도가 약해지게 된다. 이때 앞에서 설명한 바와 같이 제1구동단계, 제2구동단계 및 제3구동단계에서 L₁+L₂+L₃+L₄ 및 L₈은 일정한 값을 가지므로 본 발명에서 빔 스팟의 크기는 광원부(410)로부터 캔틸레버(460)까지의 거리가 일정하므로 캔틸레버(460)와 시료(490) 표면 사이의 거리와 무관하게 고정된 값을 가지며, 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리에 영향을 받는 빛의 조도만 L₅ 및 L₇의 변화에 따라 변화한다.Referring to FIG. 6, when the light source unit 410 moves away from the sample 490 after passing through the focal length of the objective lens, the size of the beam spot increases according to the convergence angle, and thus the illuminance of the light is weakened. In this case, as described above, in the first driving step, the second driving step, and the third driving step, since L ₁ + L ₂ + L ₃ + L ₄ and L ₈ have a constant value, the size of the beam spot in the present invention is a light source unit ( Since the distance from the cantilever 460 to the cantilever 460 is constant, it has a fixed value irrespective of the distance between the cantilever 460 and the sample 490 surface, and affects the distance between the tip 462 and the sample 490 surface. Only illuminance of the received light changes as L ₅ and L ₇ change.

이를 구체적으로 설명하면, 캔틸레버(460)에 결합된 팁(462)이 시료(490)의 표면에 접근할수록 광원부(410)로부터 조사된 빛의 조도는 증가하며, 일정 거리 이내로 접근하게 되면 다시 빛의 조도가 감소한다. 따라서 제어부(440)는 이러한 특성을 이용하여 구동부(450)의 동작을 제어함으로써 앞에서 설명한 코어스 동작 단계와 미세 동작 단계가 정확히 수행될 수 있도록 한다.Specifically, as the tip 462 coupled to the cantilever 460 approaches the surface of the sample 490, the illuminance of the light emitted from the light source unit 410 increases, and when approached within a predetermined distance, Illuminance decreases Therefore, the controller 440 controls the operation of the driving unit 450 by using such a characteristic so that the above-described core operation step and the fine operation step can be accurately performed.

조도 측정부(420)는 광원부(410)로부터 조사된 빛이 시료(490)의 표면에 의해 반사된 반사광을 수집하여 조도를 측정한다. 이를 위해 조도 측정부(420)는 촬상부(422) 및 조도값 산출부(424)를 구비한다.The illuminance measuring unit 420 collects reflected light reflected by the surface of the sample 490 from the light emitted from the light source unit 410 to measure illuminance. To this end, the illuminance measuring unit 420 includes an image capturing unit 422 and an illuminance value calculating unit 424.

앞에서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 광원부(410)로부터 조사된 빛이 캔틸레버(460)의 모서리에서 회절하면 시료(490)의 표면에서 간섭무늬를 형성하게 된다. 종래에는 이러한 간섭무늬를 관찰하여 코어스 동작 단계와 미세 동작 단계를 구분하였으나, 본 발명에서는 이러한 간섭무늬와 같은 반사광을 시료(490)의 표면 으로부터 수집하여 조도를 측정함으로써 각 동작 단계를 구분하는 방법을 사용한다.As described above with reference to FIG. 2, when light emitted from the light source unit 410 is diffracted at the edge of the cantilever 460, an interference fringe is formed on the surface of the sample 490. Conventionally, the interference fringe is observed to distinguish the coarse operation step from the fine operation step. However, in the present invention, a method of distinguishing each operation step by collecting reflected light such as the interference fringe from the surface of the sample 490 is measured. use.

촬상부(422)는 시료(490)의 표면으로부터 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하고, 조도값 산출부(424)는 신호 처리 기법을 이용하여 반사광의 조도를 정량적으로 계산한다. 이때 조도값 산출부(424)에 의해 산출되는 반사광의 조도값은 반사광 수집 영역 내에서 측정한 조도값에 해당한다. 이때 시료 표면(490)에서 캔틸레버(460)에 가까운 영역의 조도가 시료 표면(490)의 가장자리에 가까운 영역의 조도에 비해 높게 나타나며, 반사광 수집 영역을 지나치게 넓게 설정할 경우에는 조도값이 낮아져 구동부(450)의 제어가 어렵게 된다. 따라서 시료(490) 표면에 적절한 크기의 반사광 수집 영역을 설정할 필요가 있다.The imaging unit 422 collects the reflected light from the surface of the sample 490 to output the detected image, and the illuminance value calculator 424 quantitatively calculates the illuminance of the reflected light using a signal processing technique. At this time, the illuminance value of the reflected light calculated by the illuminance value calculator 424 corresponds to the illuminance value measured in the reflected light collection region. At this time, the illuminance of the region close to the cantilever 460 on the sample surface 490 is higher than the illuminance of the region near the edge of the sample surface 490, and when the reflected light collection region is set too wide, the illuminance value is lowered, so that the driving unit 450 ) Is difficult to control. Therefore, it is necessary to set the reflected light collecting region of the appropriate size on the surface of the sample 490.

조도값 산출부(424)는 촬상부(422)로부터 출력된 검출영상에 대해 사전에 설정된 크기의 윈도우를 설정하고, 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출한다.The illuminance value calculator 424 sets a window having a preset size for the detected image output from the image capturing unit 422, and calculates an illuminance value from the window area.

도 7은 조도값 산출부(424)가 조도 측정을 위해 검출영상에 설정한 윈도우 영역을 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 시료(490)의 표면으로부터 반사광을 수집하여 얻어진 검출영상을 2차원 평면으로 나타내었을 때 x축을 따라 x₁에서 x₂까지, 그리고 y축을 따라 y₁에서 y₂까지 이르는 영역이 조도값의 산출을 위한 윈도우 영역에 해당한다. 이때 전체 영역에 대한 윈도우 영역의 면적의 비는 실험적으로 결정된다.FIG. 7 illustrates a window area set by the illuminance value calculator 424 in the detection image for illuminance measurement. Referring to FIG. 7, when a detection image obtained by collecting reflected light from the surface of the sample 490 is represented in a two-dimensional plane, an area from x ₁ to x ₂ along the x axis and from y ₁ to y ₂ along the y axis Corresponds to the window area for calculating the illuminance value. At this time, the ratio of the area of the window area to the total area is determined experimentally.

이하에서 바람직한 윈도우 영역의 크기를 설정하기 위해 수행된 실험의 결과 에 대하여 설명한다. 조도값 산출을 위해 검출영상에 다양한 크기로 설정된 윈도우 영역의 크기에 따른 조도값의 변화를 측정하였다. 다음의 표 1에 조도값의 측정을 위해 설정된 7개의 윈도우의 양 끝점의 좌표를 나타내었다. 이때 원점은 검출영상의 중심이다.Hereinafter, the results of the experiment performed to set the preferred window area size will be described. In order to calculate the illuminance value, a change in the illuminance value according to the size of the window area set to various sizes in the detected image was measured. Table 1 shows the coordinates of both end points of the seven windows set for the measurement of illuminance values. At this time, the origin is the center of the detection image.

x₁ x ₁ x₂ x ₂ 상대 면적(%)Relative Area (%) R₁ R ₁ -19-19 1919 88 R₂ R ₂ -24-24 2424 1010 R₃ R ₃ -48-48 4848 2020 R₄ R ₄ -96-96 9696 4040 R₅ R ₅ -144-144 144144 6060 R₆ R ₆ -192-192 192192 8080 R₇ R ₇ -240-240 240240 100100

표 1에서, x₁ 및 x₂는 도 7에 도시된 윈도우의 양 끝점과 동일한 지점이며, 본 실험에서 y₁=-10, y₂=50의 고정된 값으로 설정되었다. 또한 상대 면적은 R₇의 면적을 100%으로 하였을 때 다른 영역의 상대적인 면적을 말한다.In Table 1, x ₁ and x ₂ are the same points as both end points of the window shown in FIG. 7, and are set to fixed values of y ₁ = -10 and y ₂ = 50 in this experiment. In addition, the relative area refers to the relative area of another area when the area of R ₇ is 100%.

도 8은 표 1에 나타난 7개 영역 각각에 대해 측정된 조도값을 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리에 따라 도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 모든 영역에 대해 조도값은 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리가 가까워질수록 증가하여 최대값에 도달한 후에는 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리가 가까워짐에 따라 감소하는 형태를 보인다. 도 8의 7개 그래프 중에서 R₂에 대하여 도시된 그래프가 가장 큰 최대값을 가지며 조도값의 증감을 잘 나타내고 있다. 따라서 조도값의 측정에 가장 적합한 윈도우의 면적은 그 면적을 최대로 설정한 경우의 약 10%로 설정하는 것이 가장 바람직하다고 판단할 수 있다.8 is a graph showing the measured roughness values for each of the seven regions shown in Table 1 according to the distance between the tip 462 and the surface of the sample 490. Referring to FIG. 8, for all regions, the roughness value increases as the distance between the tip 462 and the sample 490 surface approaches and reaches a maximum value between the tip 462 and the sample 490 surface. It decreases as the distance gets closer. Among the seven graphs of FIG. 8, the graph shown for R ₂ has the largest maximum value and shows the increase and decrease of the illuminance value. Therefore, it can be judged that it is most preferable to set the area of the window most suitable for the measurement of the illuminance value to about 10% when the area is set to the maximum.

앞에서 설명한 바와 같이 검출영상의 면적에 대한 윈도우 영역의 면적은 실험에 의해 적절한 값으로 설정된다. 이때 윈도우 영역의 가로 길이가 검출영상의 가로 길이의 8 내지 20%의 범위 내에 속하도록 설정하게 되면 도 8에 도시된 바와 같이 적절한 조도값의 변화 그래프를 얻을 수 있으므로 바람직하다.As described above, the area of the window area with respect to the area of the detection image is set to an appropriate value by experiment. In this case, if the horizontal length of the window area is set to fall within the range of 8 to 20% of the horizontal length of the detected image, it is preferable to obtain a change graph of the appropriate illuminance value as shown in FIG. 8.

또한 도 7에서는 빔 스팟의 직경이 캔틸레버(460)의 너비보다 큰 경우가 도시되어 있으나, 빔 스팟의 직경이 반드시 도 7과 같이 되도록 할 필요는 없으며, 조도값을 적절히 측정할 수 있도록 광원부(410)로부터 캔틸레버(460)까지의 거리를 조절하여 빔 스팟의 크기를 설정한다. 예를 들면, 빔 스팟의 직경이 캔틸레버(460)의 너비보다 지나치게 작거나 큰 경우에는 시료(490)의 표면에 간섭무늬가 적절하게 나타나지 않아 캔틸레버(460)와 시료(490) 표면 사이의 거리 변화에 따른 조도값의 변화를 정확하게 알 수 없으므로 구동부(450)의 동작 단계를 설정하기 어렵다. 따라서 빔 스팟의 내부 영역이 캔틸레버(460)의 경계를 포함하도록 하여 캔틸레버(460)와 시료(490) 표면 사이의 거리 변화에 따른 조도값의 변화를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, although the case where the diameter of the beam spot is larger than the width of the cantilever 460 is illustrated in FIG. 7, it is not necessary to make the diameter of the beam spot as shown in FIG. 7, and the light source unit 410 may properly measure the illuminance value. ), The size of the beam spot is set by adjusting the distance from the cantilever 460. For example, if the diameter of the beam spot is too small or larger than the width of the cantilever 460, the interference fringe does not appear properly on the surface of the sample 490, and thus the distance change between the surface of the cantilever 460 and the sample 490 is changed. Since it is not possible to accurately know the change in the illuminance value according to the operating step of the drive unit 450 is difficult to set. Therefore, it is preferable that the inner region of the beam spot includes the boundary of the cantilever 460 so that the change of the illuminance value according to the change of the distance between the surface of the cantilever 460 and the sample 490 can be accurately measured.

이하에서는 검출영상에 대해 설정된 윈도우 영역에서 조도값을 측정하는 과정에 관하여 설명한다. 조도값을 측정함에 있어서 광원부(410)로부터 조사된 빛은 가우시안(Gaussian) 분포를 보이는 것으로 가정한다. 먼저 윈도우 영역 내의 각 지점에서의 조도값은 다음 수학식 1과 같이 표현된다.Hereinafter, a process of measuring an illuminance value in a window area set for the detected image will be described. In measuring the illuminance value, it is assumed that light irradiated from the light source unit 410 has a Gaussian distribution. First, the illuminance value at each point in the window area is expressed by Equation 1 below.

여기서, I_GB(x,y,z)는 윈도우 영역 내에서 (x,y,z)의 좌표를 가지는 지점의 조도값, w₀는 z=0, 즉 촬상부(422)의 초점거리에서의 빛의 웨이스트, w(z)는 캔틸레버(460)의 모서리로부터 시료(490)의 표면까지의 거리에 따른 빛의 웨이스트로서

와 같이 표현되는 값, 그리고 I₀는 기준조도로서

와 같이 표현되는 값으로,

, c=2.998×10⁸, ε₀=8.9874×10⁹/4πC²Nm²이다.Here, I _GB (x, y, z) is an illuminance value of a point having a coordinate of (x, y, z) in the window area, w ₀ is z = 0, that is, at a focal length of the imaging unit 422. The waste of light, w (z), is the waste of light according to the distance from the edge of the cantilever 460 to the surface of the sample 490.

Where I ₀ is the standard roughness

A value expressed as

, c = 2.998 × 10 ⁸ , ε ₀ = 8.9874 × 10 ⁹ / 4πC ² Nm ² .

다음으로 윈도우 영역 내의 각 지점의 조도값을 모두 합한 값은 다음 수학식 2와 같다.Next, the sum of the illuminance values of the respective points in the window area is expressed by Equation 2 below.

여기서, I_GB _{_} _sum(x₁,x₂,y₁,y₂,z)는 윈도우 영역 내의 각 지점의 조도값의 합, x₁ 및 x₂는 각각 x축 상에서 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, y₁ 및 y₂는 각각 y축 상에서 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, 그리고 I_GB(x,y,z)는 수학식 1에 의해 표현되는 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값이다.Where I _GB _{_} _sum (x ₁ , x ₂ , y ₁ , y ₂ , z) is the sum of the illuminance values of each point in the window area, and x ₁ and x ₂ are the coordinates of both end points of the window area on the x-axis, respectively. , y ₁ and y ₂ are the coordinates of both end points of the window area on the y-axis, respectively, and I _GB (x, y, z) is the roughness of the point (x, y, z) of the window area represented by Equation 1. Value.

윈도우 영역의 조도값은 수학식 2에 의해 산출된 윈도우 영역 내의 각 지점의 조도값의 합을 윈도우 영역의 면적으로 나누면 얻을 수 있다. 즉, 윈도우 영역의 조도값은 다음의 수학식 3에 산출된다.The illuminance value of the window region can be obtained by dividing the sum of the illuminance values of each point in the window region calculated by Equation 2 by the area of the window region. That is, the illuminance value of the window area is calculated by the following equation (3).

여기서, I_GB _{_} _mean(x₁,x₂,y₁,y₂,z)는 윈도우 영역의 조도값, S_w는 윈도우 영역의 면적으로

와 같이 표현되며,

이다.Where I _GB _{_} _mean (x ₁ , x ₂ , y ₁ , y ₂ , z) is the illuminance of the window area, and S _w is the area of the window area.

Expressed as

to be.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이 윈도우 영역은 캔틸레버(460)의 일부분과 중첩되며, 캔틸레버(460)와 중첩된 윈도우 영역 부분에서는 광원부(410)로부터 조사된 빛에 의해 발생하는 반사광의 강도가 지나치게 높아 이를 조도값의 측정에 포함시킬 경우에는 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리에 따른 조도값의 변화율이 작아져 구동단계의 구분이 어렵게 되는 문제가 있다. 따라서 정확한 조도값의 측정을 위해서는 윈도우 영역에서 캔틸레버(460)와 중첩되는 영역을 제외한 영역으로부터 조도값을 측정하는 것이 바람직하다. 이는 다음의 수학식 4에 의해 표현된다.Meanwhile, as shown in FIG. 7, the window region overlaps a portion of the cantilever 460, and in the portion of the window region overlapping the cantilever 460, the intensity of reflected light generated by the light emitted from the light source unit 410 is excessive. When it is included in the measurement of the roughness value, the rate of change of the roughness value according to the distance between the tip 462 and the surface of the sample 490 becomes small, which makes it difficult to distinguish the driving stage. Therefore, in order to accurately measure the illuminance value, it is preferable to measure the illuminance value from an area except for the region overlapping with the cantilever 460 in the window region. This is represented by the following equation (4).

여기서, I_mean(z)는 윈도우 영역에서 캔틸레버(460)와 중첩되는 영역을 제외한 영역의 조도값, x_c1 및 x_c2는 윈도우 영역과 캔틸레버(460)가 중첩된 영역의 양 끝점의 x좌표, 그리고 y1 및 yc2는 윈도우 영역과 캔틸레버(460)가 중첩된 영역의 양 끝점의 y좌표이다.Here, I _mean (z) is the illuminance value of the region excluding the region overlapping the cantilever 460 in the window region, x _c1 and x _c2 are the x coordinates of both endpoints of the region where the window region and the cantilever 460 overlap, Y1 and yc2 are y-coordinates of both end points of the region where the window region and the cantilever 460 overlap.

구동부(450)는 캔틸레버(460)의 하부에 위치하는 시료(490)의 표면을 향해 팁(462)과 캔틸레버(460)가 결합된 탐침을 하강시켜 팁(462)을 시료(490)의 표면에 접근시킨다. 이때 구동부(450)가 정지된 상태로 캔틸레버(460)만 이동시키는 것이 아니고 구동부(450)와 탐침이 동일한 속도로 함께 하강하게 된다. 이러한 구동부(450)의 동작은 제어부(440)에 의해 단계적으로 제어된다.The driving unit 450 lowers the probe combined with the tip 462 and the cantilever 460 toward the surface of the sample 490 positioned below the cantilever 460 to move the tip 462 to the surface of the sample 490. Approach. At this time, instead of only moving the cantilever 460 while the driving unit 450 is stopped, the driving unit 450 and the probe descend together at the same speed. The operation of the driving unit 450 is controlled step by step by the control unit 440.

제어부(440)는 조도 측정부(420)에 의해 측정된 조도값이 증가하는 동안 구동부(450)가 사전에 설정된 제1속도로 탐침을 하강시키도록 제어하고(제1구동단계), 조도 측정부(420)에 의해 측정된 조도값이 최대값에 도달한 후 감소하는 구간에서 설정된 제1지점까지 구동부(450)가 제1속도로 사전에 설정된 제1지점까지 탐침을 하강시키도록 제어한다(제2구동단계). 탐침이 하강하여 제1지점에 도달하면, 제어부(440)는 구동부(450)가 사전에 설정된 제2속도로 탐침을 하강시키도록 제어한다(제3구동단계). 마지막으로 제어부(440)는 팁(462)과 시료(490)의 표면 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘이 검출되면 구동부(450)가 사전에 설정된 제3속도로 사전에 설정된 제2지점까지 캔틸레버(460)를 하강시키도록 제어한다(제4구동단계). 이때 제1구동단계와 제2구동단계에서 구동부(450)의 동작은 캔틸레버(460)를 제1속 도로 하강시키는 것으로 동일하나, 위치 검출부(430)로부터 입력받은 정보를 이용하는지 여부에 차이가 있으므로 두 개의 구동단계로 구분하였다. 한편, 제4구동단계에서는 구동부(450)의 제1구동수단(452)의 동작은 정지되고, 제2구동수단(454)에 의해 탐침의 하강 과정이 수행된다.The controller 440 controls the driving unit 450 to lower the probe at a first predetermined speed while the illuminance value measured by the illuminance measuring unit 420 increases (first driving step), and the illuminance measuring unit The driving unit 450 controls to lower the probe to a first point set in advance at a first speed in a section in which the illuminance value measured by 420 reaches a maximum value and then decreases. 2 drive stage). When the probe descends to reach the first point, the controller 440 controls the driving unit 450 to lower the probe at a second predetermined speed (third driving step). Finally, when the van der Waals force acting between the tip 462 and the surface of the sample 490 is detected, the control unit 440 may move the cantilever to the second point set in advance at the third speed set in advance. The control unit 460 moves down (fourth driving step). In this case, the operation of the driving unit 450 in the first driving step and the second driving step is the same as lowering the cantilever 460 at the first speed, but there is a difference in whether or not the information received from the position detecting unit 430 is used. It is divided into two driving stages. Meanwhile, in the fourth driving step, the operation of the first driving means 452 of the driving unit 450 is stopped, and the descending process of the probe is performed by the second driving means 454.

이와 같이 구동부(450)에 의한 캔틸레버(460)의 하강 속도는 제1속도, 제2속도 및 제3속도의 세 가지로 나타난다. 이때 속도의 크기는 제1속도>제2속도>제3속도와 같은 관계를 가지며, 제1속도는 구동부(450)의 최대속도, 제2속도는 구동부(450)의 최대속도의 40~60%의 범위를 가지는 속도, 그리고 제3속도는 구동부(450)의 최대속도의 10%에 해당하는 속도 또는 구동부(450)의 최소속도이다. 구동부(450)는 캔틸레버(460)의 하강 속도의 조절을 위해 캔틸레버(460)를 제1속도로 하강시키는 제1구동수단(452) 및 캔틸레버(460)를 제3속도로 하강시키는 제2구동수단(454)을 구비한다. 캔틸레버(460)를 제2속도로 하강시킬 때에는 제1구동수단(452)과 제2구동수단(454)이 함께 동작하게 된다. 이때 제1구동수단(452)은 스텝 모터, 제2구동수단(454)은 나노 스캐너에 의해 구현할 수 있으나, 이에 한정하지 않고 제1구동수단(452)으로서 캔틸레버(460)를 신속하게 이동시킬 수 있는 장치, 그리고 제2구동수단(454)으로서 캔틸레버(460)의 정밀한 이동을 수행할 수 있는 장치를 사용할 수 있다. 또한 제2구동수단(454)으로서 나노 스캐너가 사용되면 xy축 나노 스캐너가 시료(490)의 지지대(480)로서 사용될 수 있다.As such, the descending speed of the cantilever 460 by the driving unit 450 is represented by three types of first speed, second speed, and third speed. At this time, the magnitude of the speed is related to the first speed> second speed> third speed, and the first speed is the maximum speed of the driving part 450 and the second speed is 40 to 60% of the maximum speed of the driving part 450. The speed, and the third speed is in the range of 10% of the maximum speed of the drive unit 450 or the minimum speed of the drive unit 450. The driving unit 450 includes a first driving means 452 for lowering the cantilever 460 at a first speed and a second driving means for lowering the cantilever 460 at a third speed in order to adjust the lowering speed of the cantilever 460. 454. When the cantilever 460 is lowered at the second speed, the first driving means 452 and the second driving means 454 operate together. In this case, the first driving means 452 may be implemented by a step motor and the second driving means 454 by a nano scanner, but the present invention is not limited thereto, and the cantilever 460 can be quickly moved as the first driving means 452. And a device capable of performing precise movement of the cantilever 460 as the second driving means 454. In addition, when a nano scanner is used as the second driving means 454, an xy-axis nano scanner may be used as the support 480 of the sample 490.

앞에서 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 캔틸레버(460)에 결합된 팁(462)이 시료(490)의 표면에 접근할수록 시료(490) 표면에 형성된 반사광의 조도는 증가 하며, 일정 거리 이내로 접근하게 되면 다시 조도가 감소한다. 도 9는 팁(462)과 시료(490) 사이의 거리에 따른 조도값 및 조도값에 따른 구동부(450)의 구동단계를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 제어부(440)는 조도값 산출부(424)에 의해 측정된 윈도우 영역의 조도값의 변화를 관찰하여 조도값이 증가하면 구동부(450)가 제1구동단계로 동작하도록 하고, 조도값이 최대값(I_peak)에 도달한 후 감소하기 시작하면, 즉 탐침과 시료 사이의 거리가 Z_peak인 지점에 도달하면 구동부(450)가 제2구동단계로 동작하도록 한다.As described above with reference to FIG. 6, as the tip 462 coupled to the cantilever 460 approaches the surface of the sample 490, the illuminance of the reflected light formed on the surface of the sample 490 increases and approaches within a predetermined distance. Illumination decreases again. FIG. 9 is a diagram illustrating an illuminance value according to the distance between the tip 462 and the sample 490 and a driving step of the driving unit 450 according to the illuminance value. Referring to FIG. 9, the controller 440 may observe the change in the illuminance value of the window area measured by the illuminance value calculator 424 to allow the driving unit 450 to operate in the first driving stage when the illuminance value increases. When the illuminance value reaches the maximum value (I _peak ) and starts to decrease, that is, when the distance between the probe and the sample reaches the Z _peak , the driving unit 450 operates in the second driving step.

제1구동단계와 제2구동단계를 구분하는 기준은 조도값 산출부(424)에 의해 산출된 조도값이다. 조도값이 감소하기 시작하는 지점은 조도값을 측정하기 위한 식을 시료(490) 표면으로부터 팁(462)의 끝에 이르는 거리로 미분한 값이 0이 되는 지점을 산출함으로써 얻어진다.The criterion for distinguishing the first driving step from the second driving step is the illuminance value calculated by the illuminance value calculating unit 424. The point at which the illuminance value begins to decrease is obtained by calculating the point at which the derivative value is zero, the distance from the surface of the sample 490 to the end of the tip 462, for measuring the illuminance value.

제1구동단계와 제2구동단계에서 캔틸레버(460)의 하강 속도는 제1속도로 동일하지만 제어부(440)는 구동부(450)의 구동단계를 구분하여 동작을 제어한다. 이는 조도값이 증가하는 동안은 팁(462)이 시료(490)의 표면으로부터 충분히 멀리 떨어져 있어 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 거리에 관계없이 탐침을 빠른 속도로 하강시킬 수 있으나, 조도값이 최대값(I_peak)에 도달한 후 감소하기 시작하면 팁(462)이 시료(490)의 표면으로부터 근접한 위치에 있다는 것을 의미하기 때문이다. 그러나 조도값이 감소하기 시작하자마자 즉시 구동부(450)의 미세 동작 단계를 수행하게 되면 팁(462)을 시료(490) 표면의 측정에 적합한 위치로 이동시키기 위해 많은 시간이 소요된다. 따라서 본 발명에서 제어부(440)는 조도값이 감소하기 시작한 뒤에도 일정 구간에서는 구동부(450)의 코어스 동작 단계를 유지하여 어프로치 시간을 감소시키면서 팁(462)이 시료(490) 표면의 측정 위치에 정확하게 도달하도록 한다.The falling speed of the cantilever 460 is the same as the first speed in the first driving step and the second driving step, but the control unit 440 controls the operation by dividing the driving step of the driving unit 450. This allows the tip 462 to be sufficiently far from the surface of the sample 490 while the illuminance value is increased so that the probe can be rapidly lowered regardless of the distance between the tip 462 and the sample 490 surface. This is because when the illuminance value reaches the maximum value I _peak and starts to decrease, it means that the tip 462 is in a position close to the surface of the sample 490. However, as soon as the roughness value begins to decrease, performing the micro-operational step of the driving unit 450 immediately takes a lot of time to move the tip 462 to a position suitable for measuring the surface of the sample 490. Therefore, in the present invention, the control unit 440 maintains the coarse operation step of the driving unit 450 at a predetermined interval even after the illuminance value starts to decrease, while the tip 462 accurately measures the measurement position on the surface of the sample 490. To get there.

제1구동단계에서는 제어부(440)가 조도값 산출부(424)로부터 입력받은 조도값만을 기초로 구동부(450)의 동작을 제어하지만, 제2구동단계에서는 구동부(450)가 탐침을 제1지점까지 하강시키도록 해야 하기 때문에 캔틸레버(460)의 변위 정보를 함께 고려하여 구동부(450)의 동작을 제어한다. 도 9의 그래프에서 제1지점은 탐침과 시료 사이의 거리가 Z_safe인 지점에 해당한다.In the first driving step, the control unit 440 controls the operation of the driving unit 450 based only on the illuminance value input from the illuminance value calculating unit 424. In the second driving step, the driving unit 450 moves the probe to the first point. Since it must be lowered until the control of the operation of the driving unit 450 in consideration of the displacement information of the cantilever 460. In the graph of FIG. 9, the first point corresponds to a point at which the distance between the probe and the sample is Z _safe .

캔틸레버(460)의 변위 정보는 위치 검출부(430)로부터 입력받을 수 있다. 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 광원부(410)로부터 조사된 빛은 캔틸레버(460)의 반사면에서 반사되고 거울 형태로 구현된 제1굴절부 및 제2굴절부에 의해 굴절되어 위치 검출부(430)로 입력된다. 위치 검출부(430)는 광센서에 의해 빛을 감지하여 팁과 시료 표면 사이의 작용력에 의하여 휘어진 캔틸레버(460)의 변위를 검출할 수 있다. 제어부(440)는 위치 검출부(430)로부터 캔틸레버(460)의 변위 정보를 실시간으로 입력받아 이를 기초로 구동부(450)의 구동단계를 제어할 수 있다.The displacement information of the cantilever 460 may be input from the position detector 430. As described with reference to FIG. 5, the light irradiated from the light source unit 410 is reflected by the reflecting surface of the cantilever 460 and refracted by the first and second refraction units implemented in a mirror shape to detect the position 430. Is entered. The position detector 430 may detect light by an optical sensor and detect a displacement of the cantilever 460 bent by an action force between the tip and the sample surface. The controller 440 may receive the displacement information of the cantilever 460 from the position detector 430 in real time and control the driving step of the driver 450 based on the displacement information.

탐침 표면 검사기의 위치 검출부(430)는 구동부(450) 및 탐침과 동일한 속도로 하강하기 때문에 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 반 데르 발스 힘만 검출할 수 있으며 캔틸레버(460)와 표면 사이의 거리는 검출하기 어렵다. 따라서 위치 검 출부(430)가 구동부(450), 즉 제2구동수단(454)과 동일한 속도로 하강할 경우에는 캔틸레버(460)와 표면 사이의 거리 정보를 얻을 수 있는 별도의 변위 검출 수단이 구비되어야 한다.Since the position detecting unit 430 of the probe surface inspector descends at the same speed as the driving unit 450 and the probe, only the van der Waals force between the tip 462 and the sample 490 surface can be detected, and between the cantilever 460 and the surface. Distance is difficult to detect. Therefore, when the position detecting unit 430 descends at the same speed as the driving unit 450, that is, the second driving unit 454, a separate displacement detecting unit is provided to obtain distance information between the cantilever 460 and the surface. Should be.

예를 들면, 구동부(450)는 제1구동단계 내지 제3구동단계에서 탐침을 하강시키기 위한 제1구동수단(452) 및 제1구동단계 내지 제4구동단계에서 탐침을 하강시키기 위한 제2구동수단(454)을 구비하고 있는데, 이때 제1구동수단(452) 및 제2구동수단(454)의 동작을 검출하는 수단이 구비된다면 캔틸레버(460)와 표면 사이의 거리 정보를 얻을 수 있다. 즉, 탐침이 하강하기 시작하는 지점으로부터 제1구동수단(452) 및 제2구동수단(454)을 구동시키기 위한 제어부(440)의 구동 신호를 검출하면 단위시간 동안 탐침이 하강한 거리를 알 수 있으므로 캔틸레버(460)와 표면 사이의 거리 정보를 실시간으로 검출할 수 있게 된다.For example, the driving unit 450 may include a first driving means 452 for lowering the probe in the first to third driving steps and a second driving for lowering the probe in the first to fourth driving steps. The means 454 is provided, and if the means for detecting the operation of the first driving means 452 and the second driving means 454 is provided, the distance information between the cantilever 460 and the surface can be obtained. That is, when the driving signal of the control unit 440 for driving the first driving means 452 and the second driving means 454 is detected from the point where the probe starts to descend, the distance at which the probe descends for a unit time can be known. Therefore, the distance information between the cantilever 460 and the surface can be detected in real time.

이와 같이 제어부(440)는 위치 검출부(430)가 구동부(450)와 동일한 속도로 하강하는 경우에는 별도로 구비된 변위 검출 수단으로부터 캔틸레버(460)의 변위 정보를 입력받아 구동부(450)의 구동단계를 제어한다. 이러한 변위 검출 수단은 위치 검출부(430) 내에 구비되거나 별도의 장치로 구현될 수 있다.As such, when the position detecting unit 430 descends at the same speed as the driving unit 450, the control unit 440 receives the displacement information of the cantilever 460 from the displacement detecting means provided separately, and performs the driving step of the driving unit 450. To control. Such displacement detection means may be provided in the position detector 430 or implemented as a separate device.

제2구동단계에서 구동부(450)는 캔틸레버(460)가 사전에 설정된 제1지점(Z_safe)에 도달할 때까지 캔틸레버(460)를 하강시킨다. 이때 제1지점(Z_safe)은 조도 측정부(420)에 의해 측정된 조도값이 최대값에 도달한 지점(Z_peak)으로부터 사전에 설정된 거리만큼 탐침이 하강한 지점으로 설정될 수 있다.In the second driving step, the driving unit 450 lowers the cantilever 460 until the cantilever 460 reaches a preset first point Z _safe . In this case, the first point Z _safe may be set to a point at which the probe descends by a predetermined distance from a point Z _peak at which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit 420 reaches a maximum value.

도 8의 그래프를 참조하면, 산출된 조도값이 최대값일 때의 탐침과 시료(490) 표면 사이의 거리와 조도값이 최대값의 일정 비율, 예를 들면 50%일 때의 탐침과 시료(490) 표면 사이의 거리 사이의 차를 산출할 수 있다. 이와 같이 검출영상에 설정된 윈도우 영역의 크기에 따라 사전에 시뮬레이션을 수행하여 조도값 측정부(424)에 의해 산출된 조도값이 최대값에 도달한 지점(Z_peak)과 조도값이 최대값의 일정 비율에 해당하는 지점, 즉 제1지점(Z_safe) 사이의 거리를 산출할 수 있다. 이러한 거리정보는 제어부(440)로 입력되어 구동부(450)의 동작 제어에 사용된다.Referring to the graph of FIG. 8, the distance between the probe and the surface of the sample 490 when the calculated illuminance value is the maximum value and the probe and the sample 490 when the illuminance value is a constant ratio, for example 50%, of the maximum value. The difference between the distances between the surfaces can be calculated. In this way, the simulation is performed in advance according to the size of the window area set in the detection image, and the point at which the illuminance value calculated by the illuminance value measuring unit 424 reaches the maximum value (Z _peak ) and the illuminance value are constant at the maximum value. The distance between the point corresponding to the ratio, that is, the first point Z _safe may be calculated. The distance information is input to the controller 440 and used to control the operation of the driver 450.

제어부(440)는 이와 같이 사전에 설정된 조도값이 최대값인 지점(Z_peak)과 제1지점(Z_safe) 사이의 거리에 관한 정보를 외부로부터 입력받고, 조도값 산출부(424)에 의해 산출된 조도값이 최대값에 도달하면 위치 검출부(430)로부터 입력받은 캔틸레버(460)의 변위 정보를 지속적으로 참고하여 탐침을 사전에 설정된 거리만큼 하강시킴으로써 제1지점에 도달하도록 할 수 있다.The controller 440 receives information about the distance between the point Z _peak at which the previously set illuminance value is the maximum value and the first point Z _safe from the outside, and is provided by the illuminance value calculator 424. When the calculated illuminance value reaches the maximum value, the displacement information of the cantilever 460 received from the position detection unit 430 may be continuously referred to reach the first point by lowering the probe by a predetermined distance.

한편, 위와 같이 시뮬레이션에 의해 얻어진 조도값이 최대인 지점과 제1지점 사이의 거리를 기초로 제1지점을 설정하지 않고 조도값 산출부(424)에 의해 산출된 조도값을 기초로 제1지점을 설정할 수도 있다. 즉, 제1지점은 조도값 산출부(424)에 의해 산출된 조도값이 최대값의 40 내지 50%가 되는 지점으로 설정될 수 있다.On the other hand, the first point based on the illuminance value calculated by the illuminance value calculation unit 424 without setting the first point based on the distance between the point at which the illuminance value obtained by the simulation is the maximum and the first point as described above. You can also set That is, the first point may be set to a point at which the illuminance value calculated by the illuminance value calculator 424 becomes 40 to 50% of the maximum value.

따라서 제어부(440)는 조도값 산출부(424)로부터 윈도우 영역으로부터 산출한 조도값을 지속적으로 입력받아 조도값의 변화를 관찰함으로써 조도값이 최대값 에 도달하는 지점(Z_peak)을 파악할 수 있다. 이후 제어부(440)는 구동부(450)가 탐침을 제1속도로 하강시키도록 제어하면서 지속적으로 조도값 산출부(424)의 출력을 관찰하여 산출된 조도값이 최대값의 40~50%의 범위에 속하게 되면 탐침이 제1지점(Z_safe)에 도달한 것으로 판단하여 구동부(450)가 제2구동단계에서 제3구동단계로 동작하도록 제어할 수 있다.Therefore, the controller 440 may continuously receive the illuminance value calculated from the window area from the illuminance value calculation unit 424 and observe the change in the illuminance value to determine the point at which the illuminance value reaches the maximum value (Z _peak ). . Thereafter, the controller 440 controls the driving unit 450 to lower the probe at the first speed while continuously observing the output of the illuminance value calculating unit 424 and the illuminance value is in a range of 40 to 50% of the maximum value. If it belongs to the probe is determined to reach the first point (Z _safe ) it can be controlled to operate the drive unit 450 from the second driving step to the third driving step.

또는 조도값 산출부(424)가 스스로 조도값의 변화를 관찰하여 탐침이 제1지점에 도달하였는지 여부에 관한 정보를 제어부(440)로 제공할 수도 있다. 즉, 조도값 산출부(424)는 자신이 산출한 조도값이 최대값에 도달한 순간부터 조도값의 변화를 관찰하면서 산출된 조도값이 최대값의 40~50%의 범위에 속하면 그에 관한 정보를 제어부(440)로 출력하여 제어부(440)가 구동부(450)의 구동단계를 제어하도록 할 수 있다.Alternatively, the illuminance value calculator 424 may observe the change in the illuminance value by itself and provide the controller 440 with information about whether the probe has reached the first point. That is, the illuminance value calculation unit 424 observes the change in the illuminance value from the moment when the illuminance value calculated by itself reaches the maximum value, and if the calculated illuminance value is in the range of 40 to 50% of the maximum value, The controller 440 may output the information to the controller 440 to control the driving step of the driver 450.

다음으로 제3구동단계는 캔틸레버(460)가 제1지점에 도달한 이후의 구동부(450)의 동작이다. 도 9를 참조하면, 구동부(450)는 제1속도보다 감소된 제2속도로 캔틸레버(460)를 하강시키며, 이때 구동부(450)의 제1구동수단(452) 및 제2구동수단(454)이 함께 동작하여 캔틸레버(460)의 하강 속도를 제2속도로 조절한다. 제3구동단계에서의 구동부(450)의 제어는 조도값과는 관계없이 위치 검출부(430)에 의해 검출된 캔틸레버(460)의 변위를 기초로 하여 이루어진다.Next, the third driving step is the operation of the driving unit 450 after the cantilever 460 reaches the first point. Referring to FIG. 9, the driving unit 450 lowers the cantilever 460 at a second speed lower than the first speed, and the first driving unit 452 and the second driving unit 454 of the driving unit 450 are lowered. This operation is controlled to adjust the falling speed of the cantilever 460 to the second speed. The control of the driving unit 450 in the third driving stage is performed based on the displacement of the cantilever 460 detected by the position detecting unit 430 regardless of the illuminance value.

캔틸레버(460)를 제2속도로 하강시키던 중 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 반 데르 발스 힘이 검출되면 이는 캔틸레버(460)가 시료(490)의 표면으로부터 매우 근접한 위치에 도달하였다는 것을 의미한다. 따라서 제어부(440)는 팁(462)과 시료(490) 표면 사이에 작용하는 반 데르 발스 힘이 검출되면 구동부(450)가 제1구동수단(452)을 정지시키고 제2구동수단(454)을 이용하는 제4구동단계로 동작하도록 제어하여 탐침을 제3속도로 하강시키도록 한다.When van der Waals forces were detected between the tip 462 and the surface of the sample 490 while lowering the cantilever 460 at the second speed, the cantilever 460 reached a position very close to the surface of the sample 490. Means that. Therefore, when the van der Waals force acting between the tip 462 and the surface of the sample 490 is detected, the controller 450 stops the first driving means 452 and turns off the second driving means 454. The probe is lowered to the third speed by controlling to operate in the fourth driving stage used.

한편, 구동부(450)가 제2구동단계로 동작하여 탐침을 제2속도로 하강시키는 동안 측정된 조도값의 감소 속도가 탐침의 하강 속도에 비해 지연되어 팁(462)과 시료(490) 표면 사이의 반 데르 발스 힘이 검출되는 경우에는 제3구동단계를 거치지 않고 구동부(450)가 즉시 제4구동단계로 동작하도록 할 수 있다. 이는 탐침이 제1지점에 도달하기 전에 팁(462)이 시료(490) 표면에 접근하여 시료(490) 표면이 훼손되는 것을 방지하기 위해서이다. 이와 같은 반 데르 발스 힘의 검출 여부에 관한 정보는 위치 검출부(430)로부터 제어부(440)로 제공된다.Meanwhile, while the driving unit 450 operates in the second driving step to lower the probe at the second speed, the rate of decrease of the roughness value is delayed compared to the speed of descending the probe, thereby between the tip 462 and the surface of the sample 490. When the van der Waals force is detected, the driving unit 450 may immediately operate in the fourth driving step without passing through the third driving step. This is to prevent the tip 462 from approaching the surface of the sample 490 and damaging the surface of the sample 490 before the probe reaches the first point. Information on whether such van der Waals forces are detected is provided from the position detector 430 to the controller 440.

제4구동단계에서 캔틸레버(460)는 사전에 설정된 제2지점에 도달할 때까지 하강한다. 제2지점은 시료(490) 표면으로부터 각종 데이터를 수집하기에 적합한 위치로서, 기존의 탐침 표면 검사기의 설정을 따른다. 또한 제3속도는 기존의 방법에서 미세 동작 단계를 수행할 때의 캔틸레버(460)의 이동 속도와 동일하게 설정된다. 제4구동단계는 캔틸레버(460)가 제2지점에 도달하면 종료하며, 이후 시료(490) 표면의 관찰 과정이 수행된다.In the fourth driving step, the cantilever 460 descends until it reaches a preset second point. The second point is a suitable location for collecting various data from the surface of the sample 490, following the setup of an existing probe surface inspector. In addition, the third speed is set to be equal to the moving speed of the cantilever 460 when performing the fine operation step in the conventional method. The fourth driving step ends when the cantilever 460 reaches the second point, and then the observation process of the surface of the sample 490 is performed.

도 9는 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a preferred embodiment of the high speed automatic approach method of the probe surface inspector according to the present invention.

도 9를 참조하면, 먼저 조도 측정부(420)의 촬상부(422)는 일단에 팁(462)이 결합된 캔틸레버(460)의 반사면에 빛을 조사하는 광원부(410)로부터 조사된 빛이 캔틸레버(460)의 하부에 위치하는 시료(490)의 표면에 형성하는 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하고, 조도값 산출부(424)는 검출영상에 대해 설정된 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출한다. 제어부(440)는 캔틸레버(460)가 시료(490)의 표면을 향해 하강하는 동안 조도값 산출부(424)에 의해 산출된 조도값이 최대값에 도달한 후 감소하는 구간에 설정된 제1지점까지 구동부(450)가 사전에 설정된 제1속도로 캔틸레버(460)를 하강시키도록 한다(S910). 이 과정에는 구동부(450)의 제1구동단계 및 제2구동단계가 포함된다. 또한 제1지점이 조도값이 최대값에 도달한 지점을 기준으로 사전에 설정된 거리만큼 하강한 지점 또는 조도값이 최대값의 40~50%에 해당하는 지점으로 설정되는 것은 앞에서 설명한 바와 같다.Referring to FIG. 9, first, the image capturing unit 422 of the illuminance measuring unit 420 is irradiated with light from the light source unit 410 that irradiates light onto the reflective surface of the cantilever 460 having the tip 462 coupled thereto. The reflected light formed on the surface of the sample 490 positioned below the cantilever 460 is collected to output a detected image, and the illuminance value calculator 424 calculates an illuminance value from the window region set for the detected image. The controller 440 is configured to the first point set in the section in which the illuminance value calculated by the illuminance value calculation unit 424 decreases after reaching the maximum value while the cantilever 460 descends toward the surface of the sample 490. The driving unit 450 allows the cantilever 460 to descend at a predetermined first speed (S910). This process includes a first driving step and a second driving step of the driving unit 450. In addition, as described above, the point where the first point is lowered by a predetermined distance based on the point where the illuminance value reaches the maximum value or the illuminance value is set to 40-50% of the maximum value is the same as described above.

캔틸레버(460)가 제1지점에 도달하면 제어부(440)는 구동부(450)가 제3구동단계로 동작하도록 하여 캔틸레버(460)를 사전에 설정된 제2속도로 하강시키도록 한다(S930). 구동부(450)가 제2구동단계 또는 제3구동단계로 동작하던 중 팁(462)과 시료(490)의 표면 사이의 반 데르 발스 힘이 검출되면(S920), 제어부(440)는 구동부(450)가 제4구동단계로 동작하여 사전에 설정된 제3속도로 사전에 설정된 제2지점까지 캔틸레버(460)를 하강시키도록 한다(S940). 제4구동단계에서 구동부(450)는 제1구동수단(452)을 정지시키고 제2구동수단(454)을 이용하게 된다.When the cantilever 460 reaches the first point, the controller 440 causes the driving unit 450 to operate in the third driving step so as to lower the cantilever 460 at a second predetermined speed (S930). When the van der Waals force between the tip 462 and the surface of the sample 490 is detected while the driving unit 450 is operating in the second driving step or the third driving step (S920), the control unit 440 drives the driving unit 450 ) Operates the fourth driving step to lower the cantilever 460 to a second preset point at a third preset speed (S940). In the fourth driving step, the driving unit 450 stops the first driving means 452 and uses the second driving means 454.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

도 1은 탐침 표면 검사기의 일 예를 도시한 도면,1 is a view showing an example of a probe surface inspector,

도 2는 시료 표면에서 발생하는 빛의 간섭무늬를 나타낸 도면,2 is a view showing an interference fringe of light generated from a sample surface;

도 3은 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 장치가 구현된 현미경의 구조를 도시한 도면,3 is a view showing the structure of a microscope in which a high speed automatic approach device of the probe surface inspector according to the present invention is implemented;

도 4는 본 발명에 따른 고속 자동 어프로치 장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도,4 is a block diagram showing the configuration of a preferred embodiment of a high speed automatic approach device according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 고속 자동 어프로치 장치에서 광원부로부터 조사된 빛의 경로를 도시한 도면,5 is a view showing a path of light irradiated from a light source unit in a high speed automatic approach device according to the present invention;

도 6은 레이저 다이오드로부터 조사된 빛이 프리즘에 의해 굴절되어 시료 표면에 도달한 후, 시료 표면에 형성된 반사광이 촬상부에 의해 수집되기까지의 경로 상에서 빛의 조도(강도) 변화 및 빔 스팟 크기의 변화를 도시한 도면,6 shows the change in intensity of illumination and intensity of beam spot on the path from the light emitted from the laser diode to the surface of the sample after being refracted by the prism to reach the surface of the sample. Drawing showing change,

도 7은 조도값 산출부(424)가 조도 측정을 위해 검출영상에 설정한 윈도우 영역을 도시한 도면,FIG. 7 is a diagram illustrating a window area set by the illuminance value calculating unit 424 in the detection image for illuminance measurement;

도 8은 표 1에 나타난 7개 영역 각각에 대해 측정된 조도값을 팁과 시료 표면 사이의 거리에 따라 도시한 그래프,8 is a graph showing the measured roughness values for each of the seven areas shown in Table 1 according to the distance between the tip and the sample surface;

도 9는 탐침과 시료 사이의 거리에 따른 조도값 및 조도값에 따른 구동부의 구동단계를 도시한 도면, 그리고,9 is a view showing an illuminance value according to the distance between the probe and the sample and a driving step of the driving unit according to the illuminance value, and

도 10은 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 고속 자동 어프로치 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a preferred embodiment of the high speed automatic approach method of the probe surface inspector according to the present invention.

Claims

A light source unit irradiating light to a reflective surface of a cantilever having a tip coupled to one end;

A driving unit for lowering the probe toward a surface of a sample positioned below the probe to which the tip and the cantilever are coupled to access the tip to the surface of the sample;

An illuminance measurement unit configured to collect illuminance reflected by the light emitted from the light source unit by the surface of the sample to measure illuminance; And

While the probe is lowered toward the surface of the sample by the driving unit, the first driving unit is previously set to the first point set in the section in which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit reaches a maximum value and then decreases. Control to lower the probe at a speed, control the drive to lower the probe at a second predetermined speed when the probe reaches the first point, and act between the tip and the surface of the sample And a controller configured to control the driving unit to lower the probe to a second preset point at a preset third speed when the van der Waals force is detected. 2.

The method of claim 1,

Further comprising a position detection unit for detecting the displacement of the cantilever by detecting the light emitted from the light source to reach the reflective surface of the cantilever by an optical sensor,

The control unit controls the driving unit based on the displacement information received from the position detection unit in the movement section of the probe from the point at which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit reaches the maximum value to the second point. A high speed approach device of a probe surface inspector, characterized in that.

The method of claim 1,

The illuminance measuring unit,

An imaging unit which collects the reflected light and outputs a detection image; And

And an illuminance value calculator for calculating an illuminance value from a window area having a predetermined size for the detected image.

The method of claim 3, wherein

The horizontal length of the window area is a high speed automatic approach of the probe surface inspector, characterized in that determined in the range of 8 to 20% of the horizontal length of the detection image.

The method of claim 3, wherein

And wherein the illuminance value calculating unit calculates an illuminance value from an area of the window region excluding an overlapping area with the cantilever.

The method according to any one of claims 1 to 5,

And wherein the first point is a point at which the probe descends by a predetermined distance from a point at which the illuminance value measured by the illuminance measuring unit reaches the maximum value.

The method of claim 6,

And the control unit controls the driving unit based on the distance information output from the displacement detecting means for detecting the operation of the driving unit to calculate the falling distance of the probe.

The method according to any one of claims 1 to 5,

The first point is a high-speed approach device of the probe surface inspector, characterized in that the illuminance value measured by the illuminance measuring unit corresponds to 40-50% of the maximum value.

The method according to any one of claims 1 to 5,

The driving unit includes:

First driving means for lowering the probe at the first speed; And

And second driving means for lowering the probe at the third speed.

And the first driving means and the second driving means are driven together to lower the probe at the second speed.

The method of claim 9,

And the first driving means is a step motor, and the second driving means is a nano scanner.

The method according to any one of claims 1 to 5,

The control unit controls the driving unit to lower the probe at the third speed when a van der Waals force acting between the tip and the surface of the sample is detected while the driving unit lowers the probe at the first speed. A high speed approach device of the probe surface inspector, characterized in that.

The method according to any one of claims 1 to 5,

And an inner region of a beam spot formed by the light emitted from the light source unit on the surface of the sample includes a boundary of the cantilever.

(a) the light irradiated from the light source portion irradiating the reflecting surface of the cantilever while the probe having a cantilever having a tip coupled to one end descends toward the surface of the sample positioned below the probe; Collecting the reflected light reflected by the method and lowering the probe toward the surface of the sample at a first predetermined speed up to a first point set in a section in which the measured illuminance value reaches a maximum value and then decreases;

(b) lowering the probe at a second predetermined speed when the probe reaches the first point; And

(c) when the van der Waals force acting between the tip and the surface of the sample is detected, lowering the probe to a second predetermined point at a third predetermined speed; High speed approach of surface inspector.

The method of claim 13,

In the step (b), the cantilever detected by the light sensor to detect the light reaching the surface of the cantilever in the moving section of the cantilever from the point where the illuminance value reaches the maximum value to the second point The method of claim 1, wherein the probe is lowered based on the displacement of the probe.

The method of claim 13,

The first point is a high-speed approach method of the probe surface inspector, characterized in that the illuminance value is a point corresponding to 40 to 50% of the maximum value.

The method according to any one of claims 13 to 16,

A method of descending the probe at a third speed if a van der Waals force acting between the tip and the surface of the sample is detected while the probe is lowered at the first speed; .

The method according to any one of claims 13 to 16,

In step (a),

(a1) collecting the reflected light and outputting a detection image;

calculating an illuminance value from a window area having a preset size with respect to the detected image; And

(a3) lowering the probe to the first point after the calculated illuminance value reaches a maximum value; and a high speed automatic approach method of a probe surface inspector.

The method of claim 18,

The horizontal length of the window area is a high speed automatic approach method of the probe surface inspector, characterized in that determined in the range of 8 to 20% of the horizontal length of the detection image.

The method of claim 18,

In the step (a2), the roughness value is measured from an area excluding the area overlapping the cantilever in the window area.

The method according to any one of claims 13 to 16,