KR101068518B1 - 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경 - Google Patents

탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경 Download PDF

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Abstract

탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경이 개시된다. 광원부는 일단에 팁이 결합된 캔틸레버의 반사면에 빛을 조사하고, 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 도달하는 제1지점까지 구동부가 사전에 설정된 제1속도로 탐침을 하강시키도록 제어하고, 탐침이 제1지점에 도달하면 구동부가 사전에 설정된 제2속도로 사전에 설정된 제2지점까지 탐침을 하강시키도록 제어한다. 본 발명에 따르면, 탐침의 현미경의 탐침에 조사되는 광원에 의한 반사광의 평균 조도 변화에 따라 랜딩 동작을 제어하며, 시료의 요철 등의 조건 변화에도 불구하고 일정하게 랜딩 단계를 구분하여 탐침을 자동 랜딩할 수 있으므로, 특히 대면적의 샘플의 경우 매우 효과적이며, 더 나아가 신속히 탐침을 샘플 근사거리까지 신뢰성 있게 구동시킬 수 있으므로, 경제적인 탐침 현미경의 사용이 가능하고, 빛의 회절 무늬 영상을 활용하는 선행 기술에 비하여 본 발명은 정량적인 방법을 사용하므로, 정확하고, 일정한 탐침의 랜딩이 가능하다.

Description

탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경{Method for automatic approaching of probe surface inspection system, apparatus for automatic approaching of probe surface inspection system and scanning probe microscope comprising the same}
본 발명은 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료의 요철 등의 조건 변화에도 불구하고, 일정하게 랜딩 단계를 구분하여 팁을 자동 랜딩할 수 있고, 대면적의 샘플에 대하여 매우 효과적이며, 빛의 회절 무늬 영상을 활용하는 선행 기술에 비하여 정량적인 방법을 사용하여, 정확하고, 일정한 탐침의 랜딩이 가능한 탐침 현미경 자동 랜딩 방법, 이를 이용한 탐침 현미경의 자동 랜딩 장치 및 탐침 현미경에 관한 것이다.
탐침 현미경은 대체로 미세한 탐침(프로브)에 의해 시료의 표면을 주사하면서 시료와의 사이의 상호 작용을 검출함으로써, 시료의 표면의 형상이나 물리량을 검출하여 영상화할 수 있는 현미경으로서, 상기 상호 작용으로서 탐침과 시료와의 사이에 흐르는 전류를 이용하는 주사형 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope: STM)이나 탐침과 시료와의 사이에 작용하는 원자간 힘을 이용하는 원 자힘 현미경(Atomic Force Microscope: AFM) 등이 있다.
도 1은 일반적인 주사 탐침 현미경(모델명: XE-100, Park SYSTEM, 대한민국)의 구조를 나타내는 사진이며, 도 2는 주사 탐침 현미경의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 일반적으로 탐침 현미경은 샘플의 표면 위에 탐침을 랜딩(측정 가능한 범위까지 접근)시키기 위하여 두 가지 단계로 구동되는데, 먼저 탐침을 시료(샘플)의 근사 거리까지 신속히 접근시키는 코어스(coarse) 동작 단계와 이후 근사 거리까지 접근한 탐침을 시료까지 정밀하게 접근시키는 미세(fine) 동작 단계이다. 이를 위하여 팁과 연결된 두 개의 스테이지(코어스, 미세)를 이용하는 것이 일반적인데, 이러한 코어스 및 미세 동작을 이용한 탐침 현미경의 랜딩 방식은 크게 2 종류로 구분할 수 있다. 그 중 하나는 영상 정보 표시 장치를 통한 사용자의 조작 및 경험에 코어스 동작을 수행한 후 이후 자동화 방식에 의하여 미세 동작을 수행하는 반자동 방식이고 나머지 하나는 코어스 동작 및 미세 동작 영역에서 모두 PSD(Position Sensitive Detector)를 이용, 각 목표점(set point)과 탐침의 구동단계를 비교하면서 조건에 만족할 때까지 자동적으로 탐침을 구동시키는 자동화 방식이다. 하지만, 반자동 랜딩 방식은 사용자가 경험적인 지식을 이용하여 직접 조작하기 때문에 숙련도에 의하여 랜딩 속도 등의 효율성이 결정되는 문제가 있고, 또한 사용자의 주관적 기준에 의하여 자동 모드 전환 시점(즉, 코어스 동작 영역의 종료 시점)이 결정되기 때문에 일관성이 부족하고, 또한 시료와 캔틸레버 등의 초기치가 변하는 경우 사용자의 경험에 의한 영역 설정이 재요구되는 문제가 있다. 더 나아가 자동화 검사 장치에 적용하였을 경우 매 측정 시 사용자의 주관적인 조작이 요구되므로 검사시간이 지나치게 길어지는 문제 또한 있다.
반면, 자동 랜딩 방식은 시료와 캔틸레버 사이의 거리에 관계없이 일정한 간격으로 PSD 신호와 목표점(set point)을 매 단계 비교하는 방식으로, 코어스 동작에서 사용자에 의하여 신속히 구동되는 반자동 방식에 비하여 시간이 오래 걸리고, 시료와 캔틸레버 사이의 거리가 시료 또는 캔틸레버의 교체 등에 의한 변화가 있는 경우 일정한 랜딩시간을 예측할 수 없는 문제가 있다.
이러한 문제를 개선하고자 본 발명자는 대한민국 공개 특허공보 10-2008-0104954호(이하 인용기술)에서 광원을 이용하여 캔틸레버에 빛을 조사한 후, 상기 캔틸레버의 모서리에서 회절되어 샘플 표면에 입사되는 빛에 의하여 발생한 간섭 무늬를 이용한 자동 랜딩 방법을 개시하였다.
도 3은 상기 인용기술에 따른 샘플 표면의 회절 발생을 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 인용기술은 캔틸레버에서 회절되어 샘플표면에 조사된 후 발생하는 회절 무늬의 피크 중 최고 강도(intensity) 피크가 기설정된 영역 내에 들어오는 지를 기준으로, 코어스 동작 및 미세 동작을 구분한다. 만약, 상기 피크가 설정 영역 내로 들어오게 되면, 탐침은 코어스 동작에서 파인 동작으로 전환되어, PSD에 의한 신호를 피드백 받게 된다. 상기 인용기술은 시료의 요철 등의 조건 변화에도 불구하고 일정하게 랜딩 단계를 구분하여 팁을 자동 랜딩할 수 있으므로, 특히 대면적의 샘플의 경우 매우 효과적이다는 장점이 있다.
하지만, 코어스 동작 및 파인 동작을 구분짓는 단일 피크가 단일선으로 나타나지 않고, 일정한 너비를 가지므로, 명확하게 코어스 동작과 파인 동작을 구분하기에는 다소 불충분하다는 문제가 있다.
도 4는 상기 인용기술에 따라 샘플 표면에서 실제 발생한 회절 패턴을 나타내는 사진이다.
도 4를 참조하면, 비교적 복잡한 회절 피크가 샘플 표면상에 발생하는 것을 알 수 있으며, 이는 탐침 현미경의 정밀한 랜딩 제어를 어렵게 한다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탐침 현미경의 탐침을 랜딩함에 있어서, 보다 정밀하고 정확한 제어가 가능한 새로운 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 탐침 현미경의 탐침을 랜딩함에 있어서, 보다 정밀하고 정확한 제어가 가능한 새로운 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 보다 정밀하고 정확한 제어가 가능한 새로운 자동 어프로치 장치를 구비하는 탐침 현미경을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 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 도달하는 제1지점까지 상기 구동부가 사전에 설정된 제1속도로 상기 탐침을 하강시키도록 제어하고, 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 상기 구동부가 사전에 설정된 제2속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키도록 제어하는 제어부;를 구비한다.
보다 바람직하게는, 상기 광원부로부터 조사되어 상기 캔틸레버의 반사면에 도달하는 빛을 광센서에 의해 감지하여 상기 캔틸레버의 변위를 검출하는 위치 검출부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1지점으로부터 상기 제2지점까지의 상기 탐침의 이동 구간에서 상기 위치 검출부로부터 입력받은 변위 정보를 기초로 상기 구동부를 제어한다. 또한 상기 조도 측정부는 상기 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하는 촬상부; 및 상기 검출영상에 대한 사전에 설정된 크기의 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출하는 조도값 산출부;를 구비하며, 상기 윈도우 영역의 가로 길이는 상기 검출영상의 가로 길이의 5~15%의 범위에서 결정된다. 나아가 조도값 산출부는 다음의 수학식에 의해 조도값을 산출한다.
Figure 112009053004982-pat00031

여기서, IGB_mean은 상기 조도값, x1 및 x2는 각각 x축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, y1 및 y2는 각각 y축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, IGB(x,y,z)는 상기 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값, w0는 z=0, 즉 상기 촬상부의 초점거리에서의 빛의 웨이스트, w(z)는 상기 캔틸레버의 모서리로부터 시료(490)의 표면까지의 거리에 따른 빛의 웨이스트로서
Figure 112009053004982-pat00032
와 같이 표현되는 값, 그리고 I0는 기준조도로서
Figure 112009053004982-pat00033
와 같이 표현되는 값으로,
Figure 112009053004982-pat00034
, c=2.998×108, ε0=8.9874×109/4πC2Nm2이다.
또한 상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 형성하는 빔 스팟(beam spot)의 내부 영역이 상기 캔틸레버의 경계를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 제어부는 상기 구동부의 동작을 검출하여 상기 탐침의 하강 거리를 산출하는 변위 검출 수단으로부터 출력된 거리 정보를 기초로 상기 구동부를 제어한다. 상기 구동부는 상기 탐침을 상기 제1속도로 하강시키는 제1구동수단; 및 상기 탐침을 상기 제2속도로 하강시키는 제2구동수단;을 포함하며, 제1구동수단은 스텝 모터, 제2구동수단은 Z-스캐너인 것이 바람직하다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 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 도달하는 제1지점까지 사전에 설정된 제1속도로 상기 시료의 표면을 향해 상기 탐침을 하강시키는 단계; 및 (b) 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 사전에 설정된 제2속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키는 단계;를 갖는다.
보다 바람직하게는, 상기 (b)단계에서, 상기 제1지점으로부터 상기 제2지점까지의 상기 캔틸레버의 이동 구간에서 상기 캔틸레버의 표면에 도달하는 빛을 광센서에 의해 감지하여 검출한 상기 캔틸레버의 변위를 기초로 상기 탐침을 하강시킨다. 또한 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하는 단계; (a2) 상기 검출영상에 대한 사전에 설정된 크기의 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출하는 단계; 및 (a3) 상기 산출된 조도값이 최대값에 도달한 후 상기 제1지점까지 상기 탐침을 하강시키는 단계;를 포함한다. 상기 윈도우 영역의 가로 길이는 상기 검출영상의 가로 길이의 5~15%의 범위에서 결정된다. 또한 상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 형성하는 빔 스팟(beam spot)의 내부 영역이 상기 캔틸레버의 경계를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. (a2) 단계에서 조도값의 산출은 다음 수학식에 의해 수행된다.
조도값 산출부는 다음의 수학식에 의해 조도값을 산출한다.
Figure 112009053004982-pat00035

여기서, IGB_mean은 상기 조도값, x1 및 x2는 각각 x축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, y1 및 y2는 각각 y축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, IGB(x,y,z)는 상기 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값, w0는 z=0, 즉 상기 촬상부의 초점거리에서의 빛의 웨이스트, w(z)는 상기 캔틸레버의 모서리로부터 시료(490)의 표면까지의 거리에 따른 빛의 웨이스트로서
Figure 112009053004982-pat00036
와 같이 표현되는 값, 그리고 I0는 기준조도로서
Figure 112009053004982-pat00037
와 같이 표현되는 값으로,
Figure 112009053004982-pat00038
, c=2.998×108, ε0=8.9874×109/4πC2Nm2이다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치를 구비하는 탐침 현미경은 상기 설명한 바와 같은 자동 어프로치 장치와 동일한 구성요소를 구비한다.
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본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경에 의하면, 시료의 요철 등의 조건 변화에도 불구하고 일정하게 랜딩 단계를 구분하여 탐침을 자동 랜딩할 수 있으므로, 특히 대면적의 샘플의 경우 매우 효과적이다. 더 나아가 신속히 탐침을 샘플 근사거리까지 신뢰성 있게 구동시킬 수 있으므로, 경제적이고 효과적인 탐침 현미경의 사용이 가능하다. 또한, 빛의 회절 무늬 영상을 활용하는 본 발명자의 선행 기술에 비하여 본 발명은 정량적인 방법을 사용하므로, 정확하고, 일정한 탐침의 랜딩이 가능하다.
이하, 도면 및 실시예를 통하여, 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 하기 구체적으로 개시되는 본 발명의 구성 및 수치 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
본 발명자는 본 발명을 통하여 상대적으로 불분명한 회절 피크에 의하여 탐침 랜딩을 구분하는 본 발명자의 또 다른 상기 선행기술을 개선하고자 하였으며, 이를 달성하는 수단으로, 샘플 표면에서 수집되는 영상 정보로부터 정량적으로 얻어지는 정보(평균 조도)를 활용하여, 탐침 현미경의 자동 랜딩을 효과적으로 달성하였다.
즉, 본 발명은 광원이 표면에 조사되는 경우, 팁-샘플 거리에 따라 평균 조도가 증가, 또는 감소하는 사실에 기초한 것으로, 이러한 평균 조도의 증가, 또는 감소 시점에서 탐침 현미경의 탐침 구동을 코어스 동작 또는 미세 동작으로 구분한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법의 단계도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법은 광원을 캔틸레버에 조사하는 단계; 상기 조사된 광원이 샘플 표면에 형성하게 되는 반사광(영상정보)을 수집하고, 이로부터 평균 조도를 구하게 되며, 이후 탐침이 샘플에 접근함에 따라 평균 조도가 증가하는 경우는 코어스 동작(즉, 미세 동작에 비하여 보다 빠른 가감속 프로파일에 따라 탐침을 구동시키는 동작)을 구동하고, 탐침이 샘플에 매우 가깝게 접근함에 따라 평균 조도가 감소하는 경우, 상기 코어스 동작에서 미세 동작으로 탐침 구동 프로파일을 변환하게 된다. 즉, 본 발명은 탐침 현미경의 탐침이 샘플 표면에 매우 가깝게 접근하는 경우, 평균 조도가 감소되는 점에 착안하여, 이러한 평균 조도 변화 지점을 코어스 및 미세 동작의 구분 시점으로 개시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 어프로치 장치의 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 자동 어프로치 장치는 캔틸레버에 직진성 광원 를 조사하는 광원을 구비한다. 또한 상기 자동 어프로치 장치는 상기 광원에 의하여 형성된 간섭무늬를 얻기 위한 영상 수집부 (렌즈, 카메라)와 미세 동작을 피드백 제어하기 위한 PSD(Position Sensitive Detector)를 포함하며, 더 나아가, 본 발명에 따른 자동 어프로치 장치는 탐침의 코어스 또는 미세 동작을 독립적으로 구동하기 위한 두 개의 스테이지 (코어스 및 미세 동작 스테이지) 및 이를 구동하기 위한 수단을 포함하는 랜딩부를 포함한다.
도 7a는 상기 본 발명에 따른 자동 어프로치 장치에 대한 자동 어프로치 방법을 설명하기 위한 블록도이고, 도 7b는 본 발명과 비교하기 위한 종래 기술의 블록도이다.
도 7a를 참조하면, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치는 탐침의 구동 제어를 코어스 동작 단계에서는 이미지 센서에 의하여 수집되는 영상 정보에 의하여, 미세 동작 단계는 PSD 신호에 의하여 피드백 제어된다. 이는 PSD에 의하여만 동작이 피드백 제어되는 종래 기술(도 7b 참조)과 구별되며, 본 발명은 상술한 바와 같이 레이저 빔의 평균 조도의 정량적 분석에 의하여, 균일하고 일정한 코어스-미세 동작의 변환 지점을 정확하게 설정할 수 있는 점에 기초한 것이다. 따라서 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치는 상기 설정된 변환 지점을 기준으로, 코어스 동작 단계에서는 보다 신속한 샘플 접근을 달성하기 위한 제 1 수단을, 미세 동작 단계에서는 정확하고 정밀한 접근을 위한 제 2 수단을 구동부에 포함하며, 이로써 종래 기술에 비하여 신속한 탐침 현미경 사용이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 수단은 코어스 스테이지 및 상기 코어스 스테이지를 구동시키기 위한 스텝모터이며, 상기 제 2 수단은 미세 스테이지 및 상기 미세 스테이지를 구동시키기 위한 Z-스캐너이다. 하지만, 이는 일 예일 뿐, 코어스 동작 단계에서는 코어스 스테이지의 신속한 가감속 이동이, 미세 동작 단계에서는 미세 스테이지의 정밀한 이동을 가능케 하는 어떠한 수단도 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
이하 상기 설명한 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치를 보다 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치에 대한 모식도이며, 어프로치 장치 내에서의 광학 경로를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치는, 광원인 레이저 다이오드 → 상기 레이저 다이오드로부터 조사되는 레이저 빔을 굴절시킴으로써, 레이저 빔 경로를 캔틸레버로 전환시키기 위한 프리즘까지의 광학 경로를 포함한다. 본 발명에 따른 자동 어프로치 장치는 이후 샘플 표면에서 발생한 광원의 반사광을 수집하기 위한 대물렌즈 및 코어스 동작 제어를 위한 이미지 센서를 포함하며, 또한 미세 동작이 개시되는 경우, 탐침과 샘플 간의 거리를 측정하고, 탐침 구동을 피드백 제어하기 위한 PSD를 포함한다.
도 8에서 L 1은 광원과 프리즘 사이의 거리, L 2는 프리즘과 캔틸레버 반사면까지의 거리, L 3는 캔틸레버의 두께, L 4는 탐침(tip)의 길이, L 5는 탐침과 샘플 표면 사이의 거리, L 6와 L 7은 캔틸레버 모서리와 샘플 표면 사이의 거리, L 8은 대물 렌즈의 초점 길이이다.
도 9는 도 8에서 예시된 탐침 현미경에서 샘플과 탐침 사이의 거리에 따른 광원의 조도(강도) 변화 및 빔 스폿(spot) 크기의 변화를 설명하기 위한 모식도이며, wo는 빛의 웨이스트, zo는 Rayleigh range, θ는 광원의 수렴각을 의미한다.
도 9를 참조하면, 광원부가 대물렌즈의 초점길이를 지나 샘플로부터 멀어지게 되는 경우 수렴각(divergence angle)에 따라 빛의 스폿 크기가 커지며, 이에 따라 빛의 조도(강도)가 약해지게 된다. 즉, 본 발명에서 광원은 거리에 따라 강도 및 빔 스폿 크기가 변하는 특징을 가지며, 본 발명에서는 상기 광원이 샘플 표면에 형성하는 간섭무늬와 같은 반사광을 수집하고, 이후 수집된 전체 반사광 중 캔틸레버를 중심으로 한 특정 영역 내의 반사광에 대한 평균 조도를 계산한다. 특히 본 발명은 상기 캔틸레버와 결합한 탐침이 샘플에 접근하게 되면 평균 조도는 증가하 나, 일정 거리 이내로 접근하는 경우 다시 평균 조도가 감소하는 점에 착안한 것으로, 이러한 평균 조도의 증감이 변화되는 지점을 코어스 동작과 미세 동작의 구분 지점을 제시한다.
도 10은 이미지 센서로부터 수집된 영상에서 평균 조도를 취하는 영역을 나타내는 단면도이며, 여기에서 x, y는 두 수평 방향을 이루는 좌표축, z는 수직 이동방향을 이루는 좌표축이며, 아래 첨자인 1, 2는 각 좌표축 중 평균 조도가 계산되는 영역의 지점을 의미한다.
도 10을 참조하면, x1-x2-y1-y2 영역 내의 조도 합은 아래 수학식 1에 따라 계산된다.
Figure 112009053004982-pat00047
여기서, IGB_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 IGB(x,y,z)는 수학식 1에 의해 표현되는 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값이다.
삭제
상기 수학식 1을 통하여 얻어진 조도의 합을 이용하여 평균 조도는 아래 수학식 2에 따라 계산된다.
Figure 112009053004982-pat00048
여기서, IGB_mean(x1,x2,y1,y2,z)는 윈도우 영역의 조도값, Sw는 윈도우 영역의 면적으로
Figure 112009053004982-pat00049
와 같이 표현되며,
Figure 112009053004982-pat00050
이다.
본 발명은 상기 수학식 2에 따라 계산된 평균 조도의 증감을 기준으로 코어스 동작과 미세 동작의 변환 시점을 결정하는데, 이에 대한 실험 결과는 하기 실시예에서 보다 상세히 설명된다. 특히, 본 발명은 상기 x1 내지 x2, 및 y1 내지 y2 내의 범위를 캔틸레버를 중심으로 한 전체 영역의 5 내지 15%로 설정하는 것이 바람직한데, 가장 바람직하게는 10% 정도이다. 이는 상기 영역이 평균조도 증감에 대한 민감도가 가장 좋은 영역이기 때문이며, 아래 도 11에서 보다 상세히 설명된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 평균 조도의 증가 또는 감소를 평균 조도의 기울기로 결정하게 되는데, 이 경우 z 값 변화에 따른 평균 조도 그래프의 변곡점 지점이 탐침 동작 변환의 기준점이 된다.
아래 수학식 3은 상기 평균 조도를 z로 미분한 수학식으로, 하기 수학식의 결과가 0이 되는 z값이 탐침 구동이 코어스에서 미세 동작으로 변환되는 지점에 해당한다.
Figure 112009053004982-pat00051
실험예 1
평균조도 계산 영역 설정
본 실시예에서는 영상 정보로부터 평균 조도를 구하는 영역 크기에 따른 민감도 및 평균 조도의 미분값을 구하는 실험을 수행하였다. 도 11은 본 실험예에 따른 평균 조도 계산 영역을 나타내는 모식도이며, 도 12는 민감도, 도 13은 팀과 샘플 간의 거리 변화에 따른 평균 조도의 미분값의 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 실험예에서 총 7개의 영역이 설정되었으며, R 1 :100%, R 2 : 80%, R 3 : 60%, R 4 : 40%, R 5 : 20%, R 6 : 10%, R 7 : 8% 이었다.
도 12를 참조하면, 평균 조도 증감에 따른 민감도가 특히 R6(전체 영역 중 10% 영역에서의 평균 조도)에서 특히 우수하다는 것을 알 수 있으며, 이는 결국 코어스 및 미세 동작을 매우 명확히 구분할 수 있다는 것을 의미한다.
도 13을 참조하면, 상기 미분값이 0이 되는 T-S(탐침과 샘플 간의 거리) 거리에서 탐침의 구동은 코어스 동작에서 미세 동작 프로파일로 변환된다.
실험예 2
스폿 크기 및 캔틸레버 길이
도 14 및 15는 각각 레이저 가우시안 빔의 스폿 크기에 따른 평균조도 변화를 나타내는 개념도 및 모의 실험 결과이다. 본 실험예에서는 스폿 크기를, 민감도가 가장 좋은 영역 R 6에서 캔틸레버 길이 대비 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150%로 10% 씩 증가시키면서, 빔 스폿 크기의 변화에 따른 평균 조도의 변화를 비교하였다.
본 실험결과, 광원인 레이저 가우시안 빔의 스폿 크기가 커질수록 평균조도가 커지고, 평균조도 기울기의 변곡점(즉, 코어스-파인 동작 구분 지점)이 샘플 표면에서 멀어지는 특징을 확인하였다(도 15 참조).
실험예 3
탐침- 샘플간의 거리에 따른 평균조도 변화 측정
실험예 3-1
측정 장치
본 실험예에서는 자체 제작한 AFM(스테이지 시스템+광학 시스템)을 이용하여, 평균 조도 변화와 탐침-샘플 거리 간의 상관 관계를 규명하였다.
본 실험예에서는 상술한 바와 같이 자체 제작한 상기 AFM은 스테이지 시스템(구동 시스템)과 광학 시스템(측정 시스템)으로 구성된다. 상기 스테이지 시스템은 분해능이 10 nm이고 최대 이송거리가 30 mm인 코어스 스테이지 (스텝 모터 + 하모닉 기어, PF-545AC, MYCOM, Japan)와 최대 분해능이 0.5nm이고 최대 이송거리가 12 ㎛인 스캐너 (XE-100 Z 스캐너, Park SYSTEMS, Korea)로 구성되어 있다. 또한 광학 시스템은 비디오 유닛과 측정 유닛으로 구성되는데, 상기 비디오 유닛은 대물렌즈(M Plan Apo HR 10x, N.A. 0.42, W.D. 15 mm, f 20 mm, DOF 1.55 ㎛, Mitutoyo, Japan), CCD 카메라(CV-S2200, 1/3″ IT CCD sensor, NTSC : 768(H)x494(V), Cell size(NTSC) : 6.35㎛ (H)x7.4㎛ (V) jAi, Denmark) 및 조명 시스템 (LOS-FC 100, LEES OPTICAL SYSTEM Inc., Korea)으로 구성된다. 상기 비디오 유닛은 가로 480 ㎛, 세로 360 ㎛의 영역을 관찰할 수 있고, 최소 분해능은 가로 635 nm, 세로 740 nm 수준이다. 상기 측정 유닛 (XE-100 Head, Park SYSTEMS, South Korea)은 파장이 655 nm이고 직경이 약 40 ㎛인 레이저 광원, 광 경로 변환을 위한 프리즘, 반사거울 및 PSD로 구성되었다. 또한, 캔틸레버는 NSC36-C(Mikromasch)를 사용하였고, 샘플은 베어 Si (111)를 사용하였다.
실험예 3-2
측정 결과
도 16a 및 16b는 상기 실험예 3-1의 탐침을 샘플 표면에 접근시키면서, 이미지 센서를 통하여 획득한 영상과 그 단면을 나타내는 그래프이다.
도 16a 및 16b를 참조하면, 레이저 광원의 초점이 캔틸레버의 반사면에 맞춰져 있기 때문에 탐침(tip)이 샘플 표면에 점점 접근함에 따라 레이저 빔이 캔틸레버로 모아지는 것을 볼 수 있다. 도 16a 및 16b의 영상에서 보이는 캔틸레버 에지(edge) 주변의 간섭무늬는, 캔틸레버 반사면 위로 조사한 레이저 빔의 스폿 크기 (40㎛)가 캔틸레버 너비(35㎛) 보다 크기 때문에 캔틸레버 에지에 의해 발생하는 물리적 현상이며, 이는 프레넬 회절의 Knife-edge 예로 설명이 가능하다. 이러한 간섭무늬는 샘플 표면의 형태에 따라 달라지는데, 본 발명은 이러한 간섭무늬 자체를 직접 코어스-미세 동작의 구분 기준으로 활용하는 것이 아니라, 이러한 특정 영역 내의 간섭무늬가 가지는 평균 조도를 이용함으로써, 탐침 현미경 동작의 신뢰도 및 효율을 향상시켰다. 본 실험을 통하여 관찰된 레이버 빔 간섭무늬의 조도가 중앙에서 가장 크고, 중앙에서 점점 멀어질수록 조도가 낮아지는 것은 상기 AFM에서 사용하는 레이저 광원이 가우시안(Gaussian) 특성을 가지고 있기 때문이다.
도 17은 본 실험예를 통하여 R6(전체 영역 중 10% 영역)에서의 평균 조도 및 탐침-샘플 간의 거리에 대한 그래프이며, 모의실험(시뮬레이션) 결과와 실제 실험의 결과를 비교하였다.
도 17을 참조하면, 모의실험에서 확인한 결과와 비슷하게 탐침이 샘플 표면 에 접근하면서 일정 영역에서 계산한 레이저 빔의 평균조도가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 모의실험에서는 샘플 표면에서 약 330㎛ 정도 떨어진 지점에서 평균조도의 기울기 변화가 있었던 반면에 본 실험에서는 탐침이 샘플 표면에서 약 240 ㎛ 떨어져 있는 지점에서 기울기의 변화가 있었다. 이러한 실험 결과와 모의실험 결과의 차이는 이미지 센서의 특성(해상도, 밴드값, 게인값 등), 캔틸레버의 마운팅 오차(피치, 요(yaw), 롤 모션(roll motion)), 레이저 빔 얼라인먼트로부터 발생하는 거리 변화 및 레이저 빔 스폿 크기 등에 영향을 받기 때문에 발생한 것으로 판단된다. 하지만, 상기 실험결과는 평균 조도의 증감에 의하여 탐침-샘플 간의 거리를 효과적으로 구분할 수 있으며, 이를 통하여, 효율적인 2단계의 탐침 자동 랜딩이 구현될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이러한 방식의 자동 랜딩 장치를 포함하는 탐침 현미경은 종래 기술에 비하여 탐침의 랜딩 속도가 빠르므로, 대면적 샘플에 대한 효율적인 표면 측정이 가능하다.
도 1은 일반적인 주사 탐침 현미경(모델명: XE-100, Park SYSTEM, 대한민국)의 구조를 나타내는 사진이다.
도 2는 주사 탐침 현미경의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 인용기술에 따른 샘플 표면의 회절 발생을 나타내는 모식도이다.
도 4는 인용기술에 따라 샘플 표면에서 실제 발생한 회절 패턴을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법의 단계도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치의 모식도이다.
도 7a는 상기 본 발명에 따른 자동 어프로치 장치에 대한 자동 어프로치 방법을 설명하기 위한 블록도이며, 도 7b는 종래 기술에 따른 자동 어프로치 장치에 대한 자동 어프로치 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치에 대한 모식도이다.
도 9는 도 8에서 예시된 탐침 현미경에서 샘플과 탐침 사이의 거리에 따른 광원의 조도(강도) 변화 및 빔 스폿(spot) 크기의 변화를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 이미지 센서로부터 수집된 영상에서 평균 조도를 취하는 영역을 나타내는 단면도이다.
도 11은 실험예 1에 따른 평균 조도 계산 영역을 나타내는 모식도이다.
도 12는 실험예 1에 따른 평균 조도 변화에 대한 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 팀과 샘플 간의 거리 변화에 따른 평균 조도의 미분값에 대한 그래프이다.
도 14 및 15는 각각 광원의 스폿 크기에 따른 평균조도 변화를 나타내는 개념도 및 모의실험 결과이다.
도 16a 및 16b는 실험예 3-1의 탐침을 샘플 표면에 접근시키면서, 이미지 센서를 통하여 획득한 영상과 그 단면을 나타내는 그래프이다.
도 17은 R6(전체 영역 중 10% 영역)에서의 평균 조도 및 탐침-샘플 간의 거리에 대한 그래프이다.

Claims (17)

  1. 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 도달하는 제1지점까지 상기 구동부가 사전에 설정된 제1속도로 상기 탐침을 하강시키도록 제어하고, 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 상기 구동부가 사전에 설정된 제2속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부로부터 조사되어 상기 캔틸레버의 반사면에 도달하는 빛을 광센서에 의해 감지하여 상기 캔틸레버의 변위를 검출하는 위치 검출부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제1지점으로부터 상기 제2지점까지의 상기 탐침의 이동 구간에서 상기 위치 검출부로부터 입력받은 변위 정보를 기초로 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조도 측정부는,
    상기 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하는 촬상부; 및
    상기 검출영상에 대한 사전에 설정된 크기의 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출하는 조도값 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 윈도우 영역의 가로 길이는 상기 검출영상의 가로 길이의 5~15%의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 조도값 산출부는 하기 수학식 A에 의하여 상기 조도값을 산출하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치:
    [수학식 A]
    Figure 112009053004982-pat00039
    여기서, IGB_mean은 상기 조도값, x1 및 x2는 각각 x축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, y1 및 y2는 각각 y축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, IGB(x,y,z)는 상기 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값, w0는 z=0, 즉 상기 촬상부의 초점거리에서의 빛의 웨이스트, w(z)는 상기 캔틸레버의 모서리로부터 시료(490)의 표면까지의 거리에 따른 빛의 웨이스트로서
    Figure 112009053004982-pat00040
    와 같이 표현되는 값, 그리고 I0는 기준조도로서
    Figure 112009053004982-pat00041
    와 같이 표현되는 값으로,
    Figure 112009053004982-pat00042
    , c=2.998×108, ε0=8.9874×109/4πC2Nm2이다.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 형성하는 빔 스팟(beam spot)의 내부 영역이 상기 캔틸레버의 경계를 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동부의 동작을 검출하여 상기 탐침의 하강 거리를 산출하는 변위 검출 수단으로부터 출력된 거리 정보를 기초로 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  8. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 탐침을 상기 제1속도로 하강시키는 제1구동수단; 및
    상기 탐침을 상기 제2속도로 하강시키는 제2구동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1구동수단은 스텝 모터이며, 상기 제2구동수단은 Z-스캐너인 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치.
  10. (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 도달하는 제1지점까지 사전에 설정된 제1속도로 상기 시료의 표면을 향해 상기 탐침을 하강시키는 단계; 및
    (b) 상기 탐침이 상기 제1지점에 도달하면 사전에 설정된 제2속도로 사전에 설정된 제2지점까지 상기 탐침을 하강시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 (b)단계에서, 상기 제1지점으로부터 상기 제2지점까지의 상기 캔틸레버의 이동 구간에서 상기 캔틸레버의 표면에 도달하는 빛을 광센서에 의해 감지하여 검출한 상기 캔틸레버의 변위를 기초로 상기 탐침을 하강시키는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 반사광을 수집하여 검출영상을 출력하는 단계;
    (a2) 상기 검출영상에 대한 사전에 설정된 크기의 윈도우 영역으로부터 조도값을 산출하는 단계; 및
    (a3) 상기 산출된 조도값이 최대값에 도달한 후 상기 제1지점까지 상기 탐침을 하강시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 윈도우 영역의 가로 길이는 상기 검출영상의 가로 길이의 5~15%의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 (a2) 단계에서 하기 수학식 A에 의하여 상기 조도값을 산출하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법:
    [수학식 A]
    Figure 112011015247319-pat00043
    여기서, IGB_mean은 상기 조도값, x1 및 x2는 각각 x축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, y1 및 y2는 각각 y축 상에서 상기 윈도우 영역의 양 끝점의 좌표, IGB(x,y,z)는 상기 윈도우 영역의 (x,y,z) 지점의 조도값, w0는 z=0, 즉 상기 (a1) 단계를 수행할 때의 초점거리에서의 빛의 웨이스트, w(z)는 상기 캔틸레버의 모서리로부터 시료(490)의 표면까지의 거리에 따른 빛의 웨이스트로서
    Figure 112011015247319-pat00044
    와 같이 표현되는 값, 그리고 I0는 기준조도로서
    Figure 112011015247319-pat00045
    와 같이 표현되는 값으로,
    Figure 112011015247319-pat00046
    , c=2.998×108, ε0=8.9874×109/4πC2Nm2이다.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 시료의 표면에 형성하는 빔 스팟(beam spot)의 내부 영역이 상기 캔틸레버의 경계를 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법.
  16. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 탐침 현미경.
  17. 제 6항에 기재된 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 탐침 현미경.
KR1020090011319A 2009-02-12 2009-02-12 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 방법, 탐침 표면 검사기의 자동 어프로치 장치 및 이를 구비하는 탐침 현미경 KR101068518B1 (ko)

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