KR101045059B1 - 에이에프엠 측정 방법 및 에이에프엠 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

AFM 측정 방법 및 AFM 측정 시스템을 제공한다. 광원으로부터 입사광이 조사되는 기판 상의 복수개의 지점들에 캔틸레버의 팁을 제공하고, 상기 입사광에 의해 상기 캔틸레버의 팁과 상기 기판 사이에서 발생한 산란광의 강도를 측정하고, 상기 산란광의 강도를 데이터처리부에 입력하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는다. 상기 캔틸레버의 팁을 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동시킨다.

AFM, 라만 분광, TERS, 캔틸레버, 해상도

Description

에이에프엠 측정 방법 및 에이에프엠 측정 시스템{AFM SCANNING METHOD AND AFM SCANNING SYSTEM}

본 발명은 AFM에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 AFM 측정 방법 및 AFM 측정 시스템에 관련된 것이다.

원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 AFM)은 원자간의 상호 작용력을 이용하여 시료 표면의 형상을 원자 단위로 측정하는 고정밀 표면 분석 장비이다. AFM은 시료를 측정하기 위한 캔틸레버(cantilever)가 장착되어 있으며, 상기 캔틸레버의 끝 부분에는 뾰족한 탐침(probe) 또는 팁(tip)이 달려 있으며, 이 탐침의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기(수nm)로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝 원자와 시료 표면 원자 사이의 간격 정도에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다.

AFM은 반도체 공정 등에서 표면의 거칠기 측정, 칩 또는 마스크 등의 결함 판독 등에 사용된다. 다만 AFM은 화학적 선택성이 없어 샘플의 화학적 특성을 구별해내는 능력이 없었다. 최근에는 AFM에 광학 현미경을 결합하거나 AFM 팁의 화학적처리를 통하여 화학적 선택성을 부여하는 등의 방법이 연구되고 있다. 그 중 한 가 지로 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용하는 방법이 있다.

빛이 매질을 통과할 때 빛의 일부는 산란되어 진행방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는데 산란된 빛은 원래의 에너지를 그대로 가지고 있기도 하지만 원래의 빛의 에너지 보다 적거나 많은 에너지를 가진 경우도 있다. 산란된 빛 중 원래의 에너지를 그대로 유지하면서 산란되는 과정을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라 하고, 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 과정을 라만 산란(Raman Scattering 또는 inelastic scattering)이라 한다. 분자가 빛을 받았을 때 분자는 여기 상태(excited vibration state)로 들뜨게 되고 이 여기 상태의 분자는 세 가지 방식을 거쳐 다시 바닥 상태로 내려오게 된다. 먼저 입사 광원의 에너지를 모두 방출하면서 바닥 상태로 떨어지게 되면 입사된 광원과 같은 에너지의 빛이 산란되어 방출되는데 이 경우가 상기 레일리 산란이다. 이에 반하여 분자의 진동에너지 만큼을 흡수하거나 방출한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 라만 산란이라고 한다. 이때 전자 상태는 바뀌지 않지만 진동 상태의 전이가 일어난다. 분자가 진동에너지를 흡수한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 스트로크(Strokes) 효과라 하고 이때 복사선의 에너지가 분자에 의해 흡수되었으므로 입사된 광원보다 낮은 에너지, 즉 보다 긴 파장의 빛이 산란된다. 반면 분자가 가지고 있던 진동 에너지를 방출하고 바닥상태로 돌아오는 경우를 안티-스트로크(Anti-strokes)효과라고 하고 복사선이 분자로부터 에너지를 얻은 상태이므로 입사된 광원 보다 높은 에너지, 즉 짧은 파장의 빛이 산란되어 나온다. 이러한 라만 산란 과정을 통하여 입사된 광원과 물질간의 에너지 교환이 일어나게 된다. 물질이 흡수 또는 방출하는 에 너지는 각 물질을 구성하는 분자 구조와 밀접한 관계가 있고 라만 산란에 따른 산란광은 각 물질에 따라 고유하므로 산란광을 분석하면 물질의 분자구조를 추론할 수 있다. 일반적으로 이와 같은 변화는 빛이 산란 전후 얼마만큼 에너지를 잃거나 얻었는가를 관찰함으로써 측정될 수 있다. 상기 산란 전후의 스펙트럼의 변화를 라만 쉬프트(Raman Shift)라고 한다. 상기 라만 쉬프트는 분자의 진동 주파수에 해당한다. 이와 같은 라만 분광기가 AFM과 결합되는 경우 AFM의 탐침과 접촉되는 영역에 한정되어 증폭된 라만 신호가 발생하여 고 분해능의 라만 분광 분석이 가능하다. 이와 같은 방식을 TERS(Tip-Enhances Raman Spectroscopy)라고 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 AFM 스캐닝 시, 입사광의 강도가 최고가 되는 지점에 캔틸레버의 팁이 위치된 상태에서 스캐닝할 수 있는 AFM 스캐닝 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 AFM 측정 방법을 제공한다. 이 방법은 광원으로부터 입사광이 조사되는 기판 상의 복수개의 지점들에 캔틸레버의 팁을 제공하는 것, 상기 입사광에 의해 상기 캔틸레버의 팁과 상기 기판 사이에서 발생한 산란광의 강도를 측정하는 것, 상기 산란광의 강도를 데이터처리부에 입력하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것, 및 상기 캔틸레버의 팁을 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동시키는 것을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 데이터처리부는 상기 복수개의 지점들과 상기 산란광의 강도를 가우시안함수 대입하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 AFM 시스템을 제공한다. 이 시스템은 캔틸레버와 상기 캔틸레버의 단부에 제공된 팁을 포함하는 측정부, 상기 광원부로 부터 입사광이 조사되는 기판 상의 복수개의 지점들에 상기 캔틸레버를 제공하는 구동부, 상기 캔틸레버의 팁과 상기 기판 사이에 발생한 산란광의 강도를 측정하는 센서부, 및 상기 산란광의 강도를 입력받아 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 데이터처리부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 데이터처리부는 상기 복수개의 지점들과 상기 산란광의 강도를 가우시안함수에 대입하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 한다.

입사광의 강도가 최고가 되는 지점에 캔틸레버의 팁이 위치된 상태에서 스캐닝하게 되어, 보다 정밀하게 AFM 스캐닝 할 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 특정 단계 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이는 단지 어느 특정 단계 등을 다른 단계와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이며, 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 캔틸레버(121)의 팁(122)에 빛을 조사한다(S1). 상기 빛은 광원부(110)에서 발생될 수 있다. 상기 광원부(110)는 레이저 광원일 수 있다. 일 예로 Nd:YAG laser(neodymium-doped yttriym aluminium ganet laser) 또는 Ti:사파이어 레이저 일 수 있다. 상기 광원부(110)에서 발생된 빛은 스플리터(splitter)(미도시)를 통하여 이하 설명될 기판의 스캐닝 시에 캔틸레버 상부로 조사되어 캔틸레버의 움직임을 측정하도록 사용될 수 있다.

상기 광원부(110)에서 발생된 빛은 측정부(120)에 도착된다. 상기 측정부(120)는 캔틸레버(121)를 포함한다. 상기 캔틸레버(121)의 단부에는 팁(122)이 제공될 수 있다. 일 예로 상기 팁(122)의 형상은 삼각뿔, 사각뿔, 원뿔일 수 있다. 상기 팁(122)의 말단은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예할 수 있다. 측정대상 표면에 상기 팁(122)을 접근시키면 상기 팁(122)의 원자와 측정 대상 표면의 원자 사이에 인력 또는 척력이 작용할 수 있다. 상기 팁(122)의 말단은 라만 산란을 위한 금속물질(123)로 표면처리될 수 있다. 일 예로 상기 금속물질(123)은 금(Au),은(Ag)일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 팁(122)이 라만 산란을 위한 금속물질(123)로 제공될 수 있다. 라만 산란의 경우 형광이나 적외선 분광에 비해 신호세기가 매우 작으므로 라만 신호 자체의 증강이 필요하다. 상기 금속물질(123)이 상기 팁(122)의 말단에 국부적으로 형성되어 있기 때문에, 상기 이하 설명될 측정대상 측정 시 라만 산란의 영역이 제한되어 감도, 해상도가 증가될 수 있다.

상기 광원부(110)에서 발생한 빛은 상기 팁(122)의 말단에 형성된 금속물질(123)의 사이즈 보다 일반적으로 크다. 렌즈 등을 이용한 빛의 집중(focusing)에 의한 해상도의 개선이 가능하나, 광학적인 방식의 빛의 집중에는 한계가 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 측정 대상에 도달되는 빛의 입사영역 중 가장 강도가 높은 영역에 상기 팁(122)의 말단을 배치하여 측정 대상을 측정함으로써 측정 대상 측정의 감도, 해상도를 증가시킬 수 있다.

상기 금속물질(123)과 기판(160)사이에서 발생된 산란광은 센서부(140)에서 측정될 수 있다. 상기 기판(160)은 반도체 기판에 한정되지 않고, 모든 측정 대상을 포함한다. 상기 센서부(140)는 상기 기판(160)과 상기 금속물질(123) 사이에서 발생한 산란 전후 변화된 파장의 강도를 측정할 수 있다.

도 1을 계속 참조하여, 상기 캔틸레버(121)를 이동하면서 산란 전후 변화된 파장의 강도들을 여러 위치에서 측정한다(S2). 상기 캔틸레버(121)는 구동부(130)에 의하여 이동될 수 있다. 상기 구동부(130)는 상기 측정부(120)를 미세하게 이동시킬 수 있다. 상기 구동부(130)는 압전소자(piezo-electric device)일 수 있다. 상기 구동부(130)에 의해 상기 팁(122)이 상기 기판(160) 상에 위치하는 지점들에 따른 산란된 빛의 강도들을 측정하여 데이터를 얻을 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 팁(122)의 이동경로가 도시된다. 상기 팁(122)의 이동 경로는 상기 입사광 영역 내에서 산란광의 강도를 획득할 수 있는 어떠한 경로로도 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 A지점에서 시작하여 무작위적인 간격과 방향으로 이동하여 B지점까지 5개의 지점에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 C지점 즉, 최초 상기 팁(122)이 위치한 지점에서 시작하여 소정의 간 격으로 D지점에 도달될 때 까지 25개의 지점에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 도 5는 도 4의 a-a'에 따른 산란광의 강도 분포를 나타내는 곡선이다. 상기 산란광의 강도 분포는 3차원적인 가우시안 함수의 형태일 수 있다.

도 1 내지 도 5를 계속 참조하여, 상기 데이터들이 데이터처리부(150)로 전송될 수 있다(S3). 상기 데이터처리부(150)는 상기 데이터들을 이용하여 입사광 영역 내에서 입사광의 강도가 최고인 지점(T)을 도출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 도출하는 방법은 가우시안 함수를 이용할 수 있다(S4). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산란광의 강도가 크면 입사광의 강도도 크므로, 상기 기판(160) 상의 상기 팁(122)의 위치와 상기 팁(122)의 위치에서 산란광의 강도를 측정하여 이를 가우시안 함수에 대입하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점(가우시안 함수 그래프의 피크: T )을 도출할 수 있다.

도 1 내지 도 5를 계속 참조하여, 상기 캔틸레버의 팁(122)을 상기 입사광의 강도가 최고인 지점(T)으로 이동한다(S5). 이 경우 상기 광원(110)의 상대적 위치는 고정된 상태일 수 있다. 상기 캔틸레버의 팁(122)이 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동시킬 경우, 이하 설명될 상기 기판(160)의 스캐닝 시 보다 감도, 해상도가 증가될 수 있다. 상기 캔틸레버의 팁(122)은 상기 구동부(130)에 의해 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동될 수 있다.

도 1을 계속 참조하여, 상기 캔틸레버의 팁(122)이 상기 입사광의 강도가 최고인 지점에 고정된 상태에서 상기 기판(160)이 스캐닝될 수 있다(S6). 상기 스캐닝은 상기 캔틸레버의 팁(122)과 상기 광원(110)의 상대적 위치가 고정된 상태에서 상기 기판(160)을 이동시키며 이루어질 수 있다. 또한 상기 캔틸레버의 팁(122)과 상기 광원(110)을 상대적 위치가 고정된 상태에서 동시에 이동시키며 상기 기판(160)을 스캐닝할 수도 있다.

상기 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 그리고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 측정 방법의 공정 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 팁의 이동경로를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 광원부 120: 측정부

121: 캔틸레버 122: 팁

123: 금속물질 130: 구동부

140: 센서부 150:데이터처리부

160: 기판

Claims (10)

1. 광원으로부터 입사광이 조사되는 기판 상의 복수개의 지점들에 캔틸레버의 팁을 제공하는 것;

   상기 입사광에 의해 상기 캔틸레버의 팁과 상기 기판 사이에서 발생한 산란광의 강도를 측정하는 것;

   상기 산란광의 강도를 데이터처리부에 입력하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것; 및

   상기 캔틸레버의 팁을 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동시키는 것을 포함하는 AFM 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 캔틸레버의 팁과 상기 광원의 상대적 위치를 고정한 상태로 상기 기판을 이동하며 측정하는 것을 더 포함하는 AFM 측정 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터처리부는 가우시안함수를 이용하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 하는 AFM 측정 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 데이터처리부는 상기 복수개의 지점들과 상기 복수개의 지점들에서의 상기 산란광의 강도를 가우시안함수 대입하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 하는 AFM 측정 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 지점들에 캔틸레버를 제공하는 것은:

   상기 입사광을 상기 캔틸레버의 팁에 조사하는 것;

   상기 입사광이 고정된 상태에서 상기 캔틸레버를 이동시키는 것을 포함하는 AFM 측정 방법.
6. 광원부;

   캔틸레버와 상기 캔틸레버의 단부에 제공된 팁을 포함하는 측정부;

   상기 광원부로부터 입사광이 조사되는 기판 상의 복수개의 지점들로 상기 캔틸레버를 이동시키는 구동부;

   상기 캔틸레버의 팁과 상기 기판 사이에 발생한 산란광의 강도를 측정하는 센서부; 및

   상기 산란광의 강도를 입력받아 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 데이터처리부를 포함하는 AFM 측정 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 캔틸레버의 팁은 금속물질로 표면처리되어 있는 것을 특징으로 하는 AFM 측정 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 구동부는 추가로 상기 팁을 상기 입사광의 강도가 최고인 지점으로 이동시킬 수 있는 AFM 측정 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 데이터처리부는 가우시안함수를 이용하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 하는 AFM 측정 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 데이터처리부는 상기 복수개의 지점들과 상기 산란광의 강도를 가우시안함수에 대입하여 상기 입사광의 강도가 최고인 지점을 찾는 것을 특징으로 하는 AFM 측정 시스템.

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