KR101218177B1 - atomic force microscope - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대면적 기판을 고속으로 렌덤하게 스캐닝할 수 있는 원자현미경을 개시한다. 그의 현미경은, 기판을 지지하여 수평으로 이동시키는 기판 스테이지부와, 상기 기판 스테이지부에 대향되는 상기 기판의 상부를 탐침 및 캔틸레버로 스캐닝하는 스캔 헤드부와, 상기 스캔 헤드부를 지지하는 프레임과, 상기 프레임에 상기 스캔 헤드부를 탈부착시키고, 상기 스캔 헤드부에서 상기 탐침 및 상기 캔틸레버가 교체될 때 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 스캔 헤드부를 이동시키는 거동 스테이지부와, 상기 거동 스테이지부 및 상기 스캔 헤드부를 연결하고, 상기 스캔 헤드부의 스캐닝 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면으로 접근시키고, 상기 기판 스테이지부에 의한 상기 기판의 수평 이동 시에 상기 기판의 표면으로부터 상기 탐침을 이격시키는 미동 스테이지부를 포함한다.The present invention discloses an atomic force microscope capable of randomly scanning large area substrates at high speed. The microscope includes a substrate stage portion for supporting a substrate and moving horizontally, a scan head portion for scanning an upper portion of the substrate facing the substrate stage portion with a probe and a cantilever, a frame for supporting the scan head portion, A behavior stage portion for attaching and detaching the scan head portion to a frame and moving the scan head portion in a direction perpendicular to the substrate when the probe and the cantilever are replaced in the scan head portion, the behavior stage portion and the scan head portion And a micro-movement stage unit which connects the probe to the surface of the substrate during scanning of the scan head unit and spaces the probe from the surface of the substrate during horizontal movement of the substrate by the substrate stage unit.
Description
본 발명은 원자현미경에 관한 것으로, 구체적으로 기판 표면을 원자의 크기까지 계측할 수 있는 원자현미경에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic force microscope, and more particularly, to an atomic force microscope capable of measuring the surface of a substrate to the size of an atom.
원자현미경(Atomic Force Microscope: AFM)은 기판 표면을 따라 스캐닝되는 탐침(prove tip)으로 원자 레벨까지 계측할 수 있다. 탐침은 접촉 방식, 비접촉 방식, 간헐적 접촉(intermittent contact) 방식 등으로 기판 표면에 스캐닝될 수 있다. 원자현미경은 탐침의 승하강 위치 변화를 이미지화하여 나타낼 수 있다. 이외에도, 원자현미경은 기판 표면의 마찰력, 경도, 자기적 특성, 전기적 특성, 전기화학적 특성, 전기용량 등을 계측할 수 있도록 응용될 수 있다. Atomic Force Microscopes (AFMs) can measure down to the atomic level with probe tips scanned along the substrate surface. The probe may be scanned onto the substrate surface in a contact manner, a non-contact manner, an intermittent contact manner, or the like. Atomic Force Microscopy can be represented by imaging changes in position of the probe. In addition, the atomic force microscope can be applied to measure the frictional force, hardness, magnetic properties, electrical properties, electrochemical properties, capacitance of the substrate surface.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대면적 기판을 계측할 수 있는 원자현미경을 제공하는 데 있다.또한, 본 발명의 다른 과제는, 대면적 기판을 고속으로 랜덤하게 계측할 수 있는 원자현미경을 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an atomic force microscope capable of measuring a large area substrate. Another object of the present invention is to provide an atomic force microscope capable of randomly measuring a large area substrate at high speed. There is.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 원자현미경은, 기판 표면의 스캐닝 시 탐침을 상기 기판의 표면으로 빠르게 접근시키고, 상기 기판의 수평 이동 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면에서 빠르게 이격시키는 마이크로 이동 스테이지부를 포함한다. 그의 현미경은, 기판을 지지하여 수평으로 이동시키는 기판 스테이지부; 상기 기판 스테이지부에 대향되는 상기 기판의 상부를 탐침 및 캔틸레버로 스캐닝하는 스캔 헤드부; 상기 스캔 헤드부를 지지하는 프레임; 상기 프레임에 상기 스캔 헤드부를 탈부착시키고, 상기 스캔 헤드부에서 상기 탐침 및 상기 캔틸레버가 교체될 때 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 스캔 헤드부를 이동시키는 거동 스테이지부; 및 상기 거동 스테이지부와 상기 스캔 헤드부를 연결하고, 상기 스캔 헤드부의 스캐닝 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면으로 접근시키고, 상기 기판 스테이지부에 의한 상기 기판의 수평 이동 시에 상기 기판의 표면으로부터 상기 탐침을 이격시키는 접근가변 스테이지부를 포함한다.The atomic force microscope of the present invention for achieving the above object, the micro-movement stage for rapidly approaching the probe to the surface of the substrate during scanning of the substrate surface, and rapidly moving the probe from the surface of the substrate during horizontal movement of the substrate Contains wealth. The microscope includes: a substrate stage portion supporting the substrate and moving horizontally; A scan head unit scanning an upper portion of the substrate facing the substrate stage unit with a probe and a cantilever; A frame supporting the scan head portion; A movement stage portion which detaches the scan head portion from the frame and moves the scan head portion in a direction perpendicular to the substrate when the probe and the cantilever are replaced in the scan head portion; And connecting the behavior stage part and the scan head part, and approaching the probe to the surface of the substrate during scanning of the scan head part and from the surface of the substrate during horizontal movement of the substrate by the substrate stage part. It includes an accessible variable stage spaced apart.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접근가변 스테이지부는 상기 기판 표면에서 상기 탐침을 나노미터 단위부터 서브 마이크로 단위까지의 간격으로 승강시키는 마이크로 이동 스테이지부를 포함할 수 있다. 상기 마이크로 이동 스테이지부는 상기 탐침을 상기 기판 표면에서부터 ±100㎛내외까지 승하강시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the variable access stage unit may include a micro moving stage unit for raising and lowering the probe at intervals from nanometer units to sub-micro units on the substrate surface. The micro-movement stage unit may raise and lower the probe to about ± 100 ㎛ from the surface of the substrate.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로 이동 스테이지부는 상기 거동 스테이지부에서 수축 또는 팽창되는 스택 압전 세라믹 바를 포함할 수 있다. 스택 압전 세라믹 바는 일방향으로 적층되는 복수개의 압전판들과, 상기 복수개의 압전판들사이에 형성된 스택 전극들과, 상기 스택 전극들에 각기 엇갈리게 연결된 접지단 및 전원단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 마이크로 이동 스테이지부는 상기 스택 압전 세라믹 바에 의해 승하강되는 판 스프링을 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the micro moving stage may include a stacked piezoelectric ceramic bar that is contracted or expanded in the behavior stage. The stacked piezoelectric ceramic bar may include a plurality of piezoelectric plates stacked in one direction, stack electrodes formed between the plurality of piezoelectric plates, and a ground terminal and a power supply terminal alternately connected to the stack electrodes. In addition, the micro moving stage unit may further include a leaf spring which is lifted and lowered by the stack piezoelectric ceramic bar.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 판 스프링은 상기 마이크로 이동 스테이지부와 상기 거동 스테이지부에 연결된 원자현미경.According to an embodiment of the present invention, the leaf spring is an atomic force microscope connected to the micro moving stage and the behavior stage.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 스캔 해드부는 스캐너를 포함하고, 상기 스캐너는 압전 세라믹 튜브를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the scan head portion may include a scanner, and the scanner may include a piezoelectric ceramic tube.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 거동 스테이지부는 상기 기판의 표면에서 상기 탐침을 서브 마이크로 단위 내지 밀리미터 단위의 간격으로 승강시키는 매크로 이동 스테이지부를 포함할 수 있다. 상기 매크로 이동 스테이지부는 상기 프레임에서 수축 및 팽창되는 리니어 모터와, 상기 리니어 모터의 수축 및 팽창에 따라 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 스캔 헤드부와 상기 접근가변 스테이지부의 이동을 제한하는 리니어 가이드를 포함할 수 있다. 또한, 상기 프레임은 상기 기판 스테이지부 외곽에서 상기 리니어 가이드를 상기 기판 스테이지부에 대해 수직으로 고정하는 수직 프레임과, 상기 수직 프레임에서 상기 리니어 모터를 고정하는 수평 프레임을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the behavior stage unit may include a macro movement stage unit for elevating the probe at intervals of sub-micro units to millimeters on the surface of the substrate. The macro moving stage unit includes a linear motor that contracts and expands in the frame, and a linear guide that restricts movement of the scan head unit and the accessible variable stage unit in a direction perpendicular to the substrate according to the contraction and expansion of the linear motor. can do. The frame may include a vertical frame that vertically fixes the linear guide with respect to the substrate stage part outside the substrate stage part, and a horizontal frame that fixes the linear motor in the vertical frame.
본 발명의 다른 실시예에 따른 원자현미경은, 테이블; 상기 테이블 상에서 기판을 지지하여 수평으로 이동시키는 기판 스테이지부; 상기 기판 스테이지부에 대향되는 상기 기판의 상부를 탐침 및 캔틸레버로 스캐닝하는 압전 세라믹 튜브를 포함하는 스캔 헤드부; 상기 스캔 헤드부를 상기 테이블 상에서 지지하는 프레임; 상기 프레임에 상기 스캔 헤드부를 탈착시키고, 상기 스캔 헤드부에서 탐침이 교체될 때 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 스캔 헤드부를 이동시키는 매크로 이동 스테이지부; 및 상기 매크로 이동 스테이지부와 상기 스캔 헤드부를 연결하고, 상기 스캔 헤드부의 스캐닝 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면으로 접근시키고, 상기 기판 스테이지부에 의한 상기 기판의 수평 이동 시에 상기 기판의 표면으로부터 상기 탐침을 이격시키는 스택형 압전 세라믹 바를 구비한 마이크로 이동 스테이지부를 포함한다.An atomic force microscope according to another embodiment of the present invention includes a table; A substrate stage unit supporting the substrate and moving horizontally on the table; A scan head portion including a piezoelectric ceramic tube for scanning an upper portion of the substrate facing the substrate stage portion with a probe and a cantilever; A frame supporting the scan head portion on the table; A macro moving stage part which detaches the scan head part from the frame and moves the scan head part in a direction perpendicular to the substrate when the probe is replaced in the scan head part; And connecting the macro moving stage part and the scan head part to approach the probe to the surface of the substrate when scanning the scan head part, and from the surface of the substrate during horizontal movement of the substrate by the substrate stage part. And a micro moving stage having a stacked piezoelectric ceramic bar spaced apart from the probe.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면, 스캔 헤드부와 거동 스테이지부사이에 접근가변 스테이지부가 배치될 수 있다. 접근가변 스테이지부는 스캔 헤드부 스캔 시 기판의 표면으로 탐침을 근접시킬 수 있다. 또한, 접근가변 스테이지부는 기판의 수평 이동 시, 기판 표면의 단차에 의한 탐침의 손상을 방지하기 위해 기판의 표면으로부터 탐침을 이격시킬 수 있다. 따라서, 접근가변 스테이지부는 스캔 헤드부로 대면적 기판에서 복수의 계측 위치를 랜덤하게 스캐닝 하고자 할 때, 고속 계측이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the problem solving means of the present invention, the variable access stage portion may be disposed between the scan head portion and the behavior stage portion. The variable access stage unit may approach the probe to the surface of the substrate during scanning of the scan head unit. In addition, the variable access stage unit may space the probe from the surface of the substrate to prevent damage to the probe due to the step of the substrate surface during the horizontal movement of the substrate. Therefore, when the approach variable stage part wants to randomly scan a plurality of measurement positions on a large area substrate with the scan head part, there is an effect that enables high-speed measurement.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 원자현미경을 보다 상세하게 나타낸 사시도.
도 3 도 2의 스캔 헤드부 및 미동 스테이지부와, 거동 스테이지부를 나타내는 분해 사시도들.
도 4는 도 3의 스캐너를 나타내는 사시도.
도 5는 도 3의 미동 스테이지부 및 거동 스테이지부를 나타내는 사시도.
도 6은 도 5의 스택 압전 세라믹 바를 나타내는 사시도.1 is a view schematically showing an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing in more detail the atomic microscope of Figure 1;
3 is an exploded perspective view illustrating the scan head portion and the fine movement stage portion and the behavior stage portion in FIG. 2.
4 is a perspective view of the scanner of FIG. 3;
FIG. 5 is a perspective view illustrating the fine motion stage unit and the behavior stage unit of FIG. 3. FIG.
FIG. 6 is a perspective view illustrating the stacked piezoelectric ceramic bar of FIG. 5. FIG.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in different forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
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, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions. In addition, since they are in accordance with the preferred embodiment, the reference numerals presented in the order of description are not necessarily limited to the order.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경은, 테이블(10)의 기판 스테이지부(20) 상에서 기판(30)을 스캐닝하는 스캔 헤드부(60), 및 상기 스캔 헤드부(60)의 탐침(62)을 상기 기판(30)의 표면에 고속으로 접근(approach)시키거나, 고속으로 이격(lifting)시키는 미동 스테이지(micro-moving stage)부(70)를 포함할 수 있다. 미동 스테이지부(70)는 스캔 헤드부(60)의 기판(30) 스캐닝 시에 탐침(62)을 기판(30) 표면에 접촉/근접시키고, 기판 스테이지부(20)의 기판(30) 수평 이동 시에 상기 탐침(62)과 캔틸레버(64)를 기판(30)으로부터 이격시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, an atomic force microscope according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경은, 기판(30)의 표면에 스캔 헤드부(60)의 탐침(62)을 접촉시키거나 이격시키는 미동 스테이지부(70)를 포함하기 때문에 대면적 기판(30)을 고속으로 렌덤하게 스캐닝할 수 있다.Accordingly, the atomic force microscope according to the embodiment of the present invention includes a
기판 스테이지부(20)는 기판(30)을 수평으로 이동시킬 수 있다. 탐침(62)은 기판(30)의 수평이동 시, 미동 스테이지부(70)에 의해 기판(30) 표면으로부터 일정거리 이상으로 이격될 수 있다. 때문에, 탐침(62)은 기판(30) 상의 패턴들(미도시) 또는 기판(30) 표면의 단차들(미도시)로부터의 충돌이 방지될 수 있다. The
스캔 헤드부(60)의 탐침(62) 및 캔틸레버(64)가 기판(30)에 근접될 때 상기 기판(30) 표면을 계측할 수 있다. 스캔 헤드부(60)는 탐침(62) 및 캔틸레버(64)를 기판(30) 표면에 스캐닝시킬 수 있다. 탐침(62)은 기판(30)의 표면에 접촉되거나, 비접촉되어 스캐닝될 수 있다. 탐침(62)은 캔틸레버(64)의 말단에서 뾰족하게 돌출되게 형성될 수 있다. 탐침(62)은 피라미드형, 사면체형, 또는 콘모형으로 형성될 수 있다. 접촉방식의 탐침(62)은 비접촉방식의 탐침(62)보다 끝(tip)이 라운드지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 탐침(62)은 마이크로머시닝(micro-machining) 방법으로 제작된 후 캔틸레버(64)에 연결될 수 있다. The surface of the
캔틸레버(64)는 탐침(62)의 승하강에 따라 휘어질 수 있다. 캔틸레버(64)는 기판(30)의 원자들 사이의 결합 탄성계수(예를 들면, 10N/m)보다 낮은 탄성계수를 가질 수 있다. 접촉방식의 탐침(62)이 연결되는 캔틸레버(64)는 비접촉방식의 탐침(62)이 연결되는 캔틸레버(64)보다 탄성계수가 작을 수 있다. 또한, 비접촉방식의 탐침(62)이 연결되는 캔틸레버(64)는 수십kHz 내지 수백 kHz정도의 공진주파수로 빠르게 진동될 수 있다. 따라서, 비접촉방식의 탐침(62)이 연결되는 캔틸레버(64)는 탄성계수가 클수록 수평 분해능과 안정성을 높을 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버(64)는 삼각형 모양으로 기판(30)과 수평하거나 경사지게 형성될 수 있다. 캔틸레버(64)는 단결정 실리콘 또는 실리콘 질화막 등으로 형성될 수 있다.The
스캔 헤드부(60)는 기판(30) 표면을 따라 탐침(62) 및 캔틸레버(64)로 스캐닝하는 스캐너(66)를 포함할 수 있다. 스캐너(66)는 미동 스테이지부(70)와 거동 스테이지(macro-moving stage)부(50)를 통해 테이블(10) 상의 프레임(40)에 연결될 수 있다. 거동 스테이지부(50)는 새로운 탐침(62) 및 캔틸레버(64)가 교체될 때, 스캔 헤드부(60)와 미동 스테이지부(70)를 기판(30)에 수직하는 방향으로 상승시킬 수 있다. 따라서, 거동 스테이지부(50)는 부품교체이동 스테이지부가 될 수 있다. 스캔 헤드부(60) 및 미동 스테이지부(70)와, 거동 스테이지부(50)는 프레임(40)에 의해 지지되며, 도 2 내지 도 6 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다.The
도 2는 도 1의 원자현미경을 보다 상세하게 나타낸 사시도이고, 도 3 도 2의 스캔 헤드부 및 미동 스테이지부와, 거동 스테이지부를 보여주는 분해 사시도들이고. 도 4는 도 3의 스캐너를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 3의 미동 스테이지부 및 거동 스테이지부를 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 스택 압전 세라믹 바를 나타내는 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view showing the atomic microscope of FIG. 1 in more detail, and is an exploded perspective view showing the scan head portion and the fine moving stage portion and the behavior stage portion of FIG. 2. 4 is a perspective view illustrating the scanner of FIG. 3, FIG. 5 is a perspective view illustrating the fine motion stage unit and the behavior stage unit of FIG. 3, and FIG. 6 is a perspective view illustrating the stack piezoelectric ceramic bar of FIG. 5.
도 2 및 도 3을 참조하면, 테이블(10)은 기판 스테이지부(20)와 프레임(40)을 고정할 수 있다. 기판 스테이지부(20)는 기판(30)을 X축 및 Y축이 이루는 평면에서 수평으로 이동시킬 수 있다. 프레임(40)은 테이블(10)에 수직하는 방향으로 형성된 컬럼 프레임(42)과, 상기 컬럼 프레임(42)에서 기판(30)의 상부로 연장된 플레이트 프레임(44)을 포함할 수 있다. 컬럼 프레임(42)은 플레이트 프레임(44)을 테이블(10) 상에서 고정할 수 있다. 플레이트 프레임(44)은 거동 스테이지부(50)를 지지할 수 있다. 거동 스테이지부(50)는 미동 스테이지부(70)와 스캔 헤드부(60)를 지지할 수 있다. 거동 스테이지부(50)는 컬럼 프레임(42)과 플레이트 프레임(44)에 지지될 수 있다. 거동 스테이지부(50)는 컬럼 프레임(42)을 따라 기판(30)에 수직한 방향으로 승하강될 수 있다.2 and 3, the table 10 may fix the
거동 스테이지부(50)는 플레이트 프레임(44)에 고정된 리니어 모터(52)의 구동에 의해, 컬럼 프레임(42)에 체결된 리니어 가이드(56)를 따라 수직방향으로 이동될 수 있다. 리니어 모터(52)는 플레이트 프레임(44)와 스캔 헤드부(60)사이에 배치될 수 있다. 리니어 모터(52)는 외부에서 인가되는 전류에 따라 샤프트(54)를 직선으로 이동시키는 힘을 발생시킬 수 있다. 리니어 가이드(56)는 스캔 헤드부(60) 및 미동 스테이지부(70)의 수직이동을 도울 수 있다. The
예를 들어, 거동 스테이지부(50)는 스캔 헤드부(60) 및 미동 스테이지부(70)를 약 10mm 정도의 범위에서 수직으로 이동될 수 있다. 거동 스테이지부(50)는 기판(30)의 표면에서 탐침(62)을 서브 마이크로 단위부터 밀리미터 단위까지의 간격으로 승강시키는 매크로 이동 스테이지부가 될 수 있다. 상술한 바와 같이, 거동 스테이지부(50)는 스캔 헤드부(60)의 스캐너(66)에서 캔틸레버(64) 및 탐침(62)이 교체될 때, 수직방향으로 이동될 수 있다. 캔틸레버(64) 및 탐침(62)은 누적사용시간의 경과에 따라 주기적으로 교체될 수 있으며, 파손 발생으로 인해 유사시에 교체될 수 있다.For example, the
스캔 헤드부(60)는 탐침(62)과 캔틸레버(64)의 승하강 위치를 검출하는 광학계(68)를 포함할 수 있다. 광학계(68)는 탐침(62)의 승하강 위치 변화를 광학적인 방법으로 검출할 수 있다. 광학계(68)는 레이저광(65)을 발생시켜 탐침(62) 상의 캔틸레버(64)에 조사하는 레이저 소스(67)와, 상기 캔틸레버(64)에서 반사되는 상기 레이저광(65)을 검출하는 광 센서(69)를 포함할 수 있다. 레이저 소스(67)는 스캐너(66) 내부를 통과하여 캔틸레버(64)의 말단에 레이저광(65)을 조사할 수 있다. 광센서(69)는 캔틸레버(64)의 말단에서 반사되는 레이저광(65)을 검출할 수 있다. 광학계(68)는 레이저광(65)의 반사각의 변화에 대응되는 탐침(62)의 승하강 위치 변화를 연속적으로 검출할 수 있다.The
스캐너(66)는 캔틸레버(64) 및 탐침(62)을 수평 및 수직으로 정밀하게 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 스캐너(66)는 도 4의 압전 세라믹 튜브(80)를 포함할 수 있다. 압전체(piezoelectrics)는 외부에서 인가되는 전원전압에 의해 수축 또는 팽창될 수 있다. 압전 세라믹 튜브(80)는 광학계(68)의 레이저광(65)를 내부로 통과시키면서 작은 질량을 가질 수 있다. 압전 세라믹 튜브(80)는 질량이 작기 때문에 스캐너(66)로 하여금 측정 위치에서의 빠른 스캔이 가능하게 할 수 있다. The
도 4를 참조하면, 스캐너(66)는 ±X 전원단들(86) 및 ±Y 전원단들(88)에 인가되는 전압에 따라 X축 및 Y축이 이루는 평면과 평행한 기판(30) 표면을 따라 탐침(62) 및 캔틸레버(64)를 스캐닝시킬 수 있다. 여기서, ±X 전원단들(86)은 X 전극들(82)에 연결되고, ±Y 전원단들(88)은 Y 전극들(84)에 연결될 수 있다. 스캐너(66)는 선 주사방식(raster)으로 구동될 수 있다. 스캐너(66)는 첫번째 라인을 스캔하며 지나가고 다시 돌아와서 수직한 방향으로 한 칸 이동하여 두번째, 세번째, n 번째 라인을 반복적으로 수행하여 원하는 2차원 영역을 모두 스캐닝할 수 있다. Referring to FIG. 4, the
또한, 스캐너(66)는 기판(30) 표면에 형성된 패턴들의 높이에 따라 Z축 방향으로 진동될 수 있다. 스캐너(66)는 ±X 전원단들(86)과, ±Y 전원단들(88)에 모두 동일한 전압이 인가되면 기존의 제 1 높이(L1)에서 제 1 가변높이(ΔL1)만큼 팽창 및 수축될 수 있다. 예를 들어, 압전 세라믹 튜브(80)의 스캐너(66)는 ±5㎛ 내외까지 수축 및 팽창될 수 있다.In addition, the
특히, 압전 세라믹 튜브(80)는 질량이 작기 때문에 스캐너(66)로 하여금 측정 위치에서의 빠른 스캐닝을 가능하게 할 수 있다. 압전 세라믹 튜브(80)는 스캐너(66)에서 Z축 방향의 진동 주파수는 수식 1과 같이 나타날 수 있다.In particular, the piezoelectric
[수식1][Equation 1]
여기서, 2π는 탄성계수이고, m은 스캐너(66)의 질량이다. 스캐너(66)의 Z방향 진동 주파수는 질량에 반비례한다. 따라서, 스캐너(66)는 질량이 작아지면 기판(30) 표면을 빠르게 스캐닝할 수 있다. 압전 세라믹 튜브(80)의 스캐너(66)는 탐침(62)을 기판(30)의 표면에서 수직으로 ±5㎛ 내외까지 이동시킬 수 있다. 스캐너(66)는 단차가 ±5㎛이상인 기판(30) 표면을 스캐닝할 경우, 탐침(62)을 손상시킬 수 있다. 따라서, 스캐너(66)는 기판(30)의 수평 이동시에 미동 스테이지부(70)에 의해 수직방향으로 기판(30)의 표면에서 이격될 수 있다.Where 2π is the modulus of elasticity and m is the mass of the
도 3 및 도 5를 참조하면, 미동 스테이지부(70)는 스캔 헤드부(60)를 기판(30) 표면에 근접시키거나, 상기 기판(30) 표면으로부터 소정 거리이상 이격시킬 수 있다. 미동 스테이지부(70)는 스캔 헤드부(60)의 탐침(62)을 기판(30) 표면으로부터 약 ±100㎛ 내외의 높이까지 이동시키는 접점가변 스테이지부가 될 수 있다. 또한, 미동 스테이지부(70)는 기판(30) 표면에서 탐침(62)을 나노미터 단위부터 서브 마이크로 단위까지의 간격으로 승강시키는 마이크로 이동 스테이지부가 될 수 있다. 3 and 5, the fine moving
미동 스테이지부(70)는 거동 스테이지부(50)와 적어도 하나의 판 스프링(72)에 의해 연결될 수 있다. 판 스프링(72)은 미동 스테이지부(70) 및 거동 스테이지부(50) 사이의 판 접면(76)을 포함할 수 있다. 판 스프링(72)은 스택 압전 세라믹 바(74)의 수축 및 팽창에 의해 미동 스테이지부(70)를 기판(30)에 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)는 거동 스테이지부(50)의 내부에서 지지될 수 있다. The fine
도 6을 참조하면, 스택 압전 세라믹 바(74)는 적층되는 복수개의 압전판(disk)들(73)과, 상기 압전판들(73) 사이에 스택 전극들(75)을 포함할 수 있다. 스택 전극들(75)은 복수개의 앞전판들(73) 사이에서 접지단과, 전원단(78)사이에 서로 엇갈리게 연결될 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)는 복수개의 압전판들(73)의 개수에 비례하여 수축 또는 팽창될 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)는 제 2 높이(L2)에서 제 2 가변높이(ΔL2) 거리만큼 팽창 또는 수축될 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)는 스캐너(66)의 압전 세라믹 튜브(80)보다 많은 질량과 길이를 가질 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)는 스캐너(66)의 압전 세라믹 튜브(80)에 비해 월등히 긴 거리로 수축 또는 팽창될 수 있다. 또한, 스택 압전 세라믹 바(74)는 빠르게 수축 또는 팽창될 수 있다. 스택 압전 세라믹 바(74)의 전원단으로 입력되는 전원전압은 탐침(62) 및 캔틸레버(64)의 승하강 위치를 검출하는 광학계(68)에서 출력되는 신호에 의해 단속될 수 있다.Referring to FIG. 6, the stacked piezoelectric
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경은, 직선 방향으로 수축 및 팽창되는 스택 압전 세라믹 바(74)를 포함한 미동 스테이지부(70)를 이용하여 대면적 기판(30)의 임의의 계측 위치에 대해 고속으로 스캐닝할 수 있다.Therefore, the atomic force microscope according to the embodiment of the present invention is used at any measurement position of the large-
예를 들어, 미동 스테이지부(70)는 기판(30) 표면에서 약 100㎛ 정도의 높이를 갖는 탐침(62)을 기판(30) 표면까지 약 1 초 이내에 접근시킬 수 있다. 스캔 헤드부(60)는 약 1㎝2면적의 기판(30) 표면을 약 3 초이내에 스캐닝할 수 있다. 다시, 미동 스테이지부(70)는 탐침(62)을 기판(30)표면에서 약 100㎛ 정도의 높이까지 약 1초 이내에 이격시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경은 대면적 기판(30)에서 임의의 계측 위치에서 약 5초 이내에 기판(30) 표면을 계측할 수 있다. For example, the
결국, 본 발명의 실시예에 따른 원자현미경은, 스캔 헤드부(60)를 기판(30)에 근접시키거나 이격시키는 미동 스테이지부(70)를 이용하여 대면적 기판(30)의 랜덤 위치들을 고속으로 스캐닝할 수 있다.As a result, the atomic force microscope according to the embodiment of the present invention uses high-
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-restrictive in every respect.
10: 테이블 20: 기판 스테이지부
30: 기판 40: 프레임
50: 거동 스테이지부 60: 스캔 헤드부
70: 미동 스테이지부10: Table 20: substrate stage portion
30: substrate 40: frame
50: behavior stage portion 60: scan head portion
70: fine movement stage part
Claims (12)
상기 기판 스테이지부에 대향되는 상기 기판의 상부를 탐침 및 캔틸레버로 스캐닝하는 스캔 헤드부;
상기 스캔 헤드부를 지지하는 프레임;
상기 프레임에 상기 스캔 헤드부를 탈부착시키고, 상기 스캔 헤드부에서 상기 탐침 및 상기 캔틸레버가 교체될 때 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 스캔 헤드부를 이동시키는 거동 스테이지부; 및
상기 거동 스테이지부와 상기 스캔 헤드부를 연결하고, 상기 스캔 헤드부의 스캐닝 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면으로 접근시키고, 상기 기판 스테이지부에 의한 상기 기판의 수평 이동 시에 상기 기판의 표면으로부터 상기 탐침을 이격시키는 접근가변 스테이지부를 포함하는 원자현미경.A substrate stage unit supporting the substrate and moving horizontally;
A scan head unit scanning an upper portion of the substrate facing the substrate stage unit with a probe and a cantilever;
A frame supporting the scan head portion;
A movement stage portion which detaches the scan head portion from the frame and moves the scan head portion in a direction perpendicular to the substrate when the probe and the cantilever are replaced in the scan head portion; And
The probe is connected to the behavior stage unit and the scan head unit, and the probe approaches the surface of the substrate when scanning the scan head unit, and the probe is removed from the surface of the substrate during horizontal movement of the substrate by the substrate stage unit. An atomic force microscope comprising a variable access stage portion spaced apart.
상기 접근가변 스테이지부는 상기 기판 표면에서 상기 탐침을 나노미터 단위부터 서브 마이크로 단위까지의 간격으로 승하강시키는 마이크로 이동 스테이지부를 포함하는 원자현미경.The method of claim 1,
And the access variable stage unit comprises a micro moving stage unit for raising and lowering the probe at intervals from nanometer units to sub-micro units on the substrate surface.
상기 마이크로 이동 스테이지부는 스택 압전 세라믹 바를 포함하는 원자현미경.The method of claim 2,
And the micro moving stage portion comprises a stacked piezoelectric ceramic bar.
상기 스택 압전 세라믹 바는 일방향으로 적층되는 복수개의 압전판들과, 상기 복수개의 압전판들사이에 형성된 스택 전극들과, 상기 스택 전극들에 각기 엇갈리게 연결된 접지단 및 전원단을 포함하는 원자현미경.The method of claim 3, wherein
The stacked piezoelectric ceramic bar includes a plurality of piezoelectric plates stacked in one direction, stack electrodes formed between the plurality of piezoelectric plates, a ground terminal and a power terminal connected to the stack electrodes, respectively.
상기 마이크로 이동 스테이지부는 상기 스택 압전 세라믹 바에 의해 승하강되는 판 스프링을 더 포함하는 원자현미경.The method of claim 3, wherein
The micro-movement stage unit further comprises a leaf spring which is raised and lowered by the stacked piezoelectric ceramic bar.
상기 판 스프링은 상기 마이크로 이동 스테이지부와 상기 거동 스테이지부에 연결된 판 접면을 포함하는 원자현미경.The method of claim 4, wherein
And the leaf spring includes a plate contact surface coupled to the micro moving stage portion and the behavior stage portion.
상기 스캔 해드부는 스캐너를 포함하는 원자현미경.The method of claim 1,
The scanning head portion atomic microscope including a scanner.
상기 스캐너는 압전 세라믹 튜브를 포함하는 원자현미경.The method of claim 7, wherein
The scanner includes a piezoelectric ceramic tube.
상기 거동 스테이지부는 상기 기판의 표면에서 상기 탐침을 서브 마이크로 단위부터 밀리미터 단위까지의 간격으로 승하강시키는 매크로 이동 스테이지부를 포함하는 원자현미경.The method of claim 1,
And the behavior stage portion comprises a macro movement stage portion for raising and lowering the probe at intervals from the sub-micro to millimeter units on the surface of the substrate.
상기 매크로 이동 스테이지부는 상기 프레임에서 수축 및 팽창되는 리니어 모터와, 상기 리니어 모터의 수축 및 팽창에 따라 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 스캔 헤드부와 상기 접근가변 스테이지부의 이동을 제한하는 리니어 가이드를 포함하는 원자현미경.The method of claim 9,
The macro moving stage unit includes a linear motor that contracts and expands in the frame, and a linear guide that restricts movement of the scan head unit and the accessible variable stage unit in a direction perpendicular to the substrate according to the contraction and expansion of the linear motor. Atomic Force Microscope.
상기 프레임은 상기 기판 스테이지부 외곽에서 상기 리니어 가이드를 상기 기판 스테이지부에 대해 수직으로 고정하는 수직 프레임과, 상기 수직 프레임에서 상기 리니어 모터를 고정하는 수평 프레임을 포함하는 원자현미경.11. The method of claim 10,
The frame includes a vertical frame for fixing the linear guide to the substrate stage portion perpendicular to the outside of the substrate stage portion, and a horizontal frame for fixing the linear motor in the vertical frame.
상기 테이블 상에서 기판을 지지하여 수평으로 이동시키는 기판 스테이지부;
상기 기판 스테이지부에 대향되는 상기 기판의 상부를 탐침 및 캔틸레버로 스캐닝하는 압전 세라믹 튜브를 포함하는 스캔 헤드부;
상기 스캔 헤드부를 상기 테이블 상에서 지지하는 프레임;
상기 프레임에 상기 스캔 헤드부를 탈착시키고, 상기 스캔 헤드부에서 탐침이 교체될 때 상기 기판에 수직하는 방향으로 상기 스캔 헤드부를 이동시키는 매크로 이동 스테이지부; 및
상기 매크로 이동 스테이지부와 상기 스캔 헤드부를 연결하고, 상기 스캔 헤드부의 스캐닝 시 상기 탐침을 상기 기판의 표면으로 접근시키고, 상기 기판 스테이지부에 의한 상기 기판의 수평 이동 시에 상기 기판의 표면으로부터 상기 탐침을 이격시키는 스택형 압전 세라믹 바를 구비한 마이크로 이동 스테이지부를 포함하는 원자현미경.table;
A substrate stage unit supporting the substrate and moving horizontally on the table;
A scan head portion including a piezoelectric ceramic tube for scanning an upper portion of the substrate facing the substrate stage portion with a probe and a cantilever;
A frame supporting the scan head portion on the table;
A macro moving stage part which detaches the scan head part from the frame and moves the scan head part in a direction perpendicular to the substrate when the probe is replaced in the scan head part; And
The macro moving stage unit and the scan head unit are coupled to each other, and the probe approaches the surface of the substrate when the scan head unit is scanned. An atomic force microscope comprising a micro moving stage having a stacked piezoelectric ceramic bar spaced apart from each other.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH05180616A (en) * | 1992-01-08 | 1993-07-23 | Canon Inc | Holding mechanism of probe |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05180616A (en) * | 1992-01-08 | 1993-07-23 | Canon Inc | Holding mechanism of probe |
KR100526217B1 (en) | 1997-04-10 | 2006-01-12 | 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤 | Processing apparatus using a scanning probe microscope, and recording and reproducing apparatus using a scanning probe microscope |
JP2003194699A (en) | 2001-12-27 | 2003-07-09 | Canon Inc | Signal detection device, and noncontact type atomic force microscope using signal detection device |
KR20090014339A (en) * | 2006-02-23 | 2009-02-10 | 아실럼 리서치 코포레이션 | Active damping of high speed scanning probe microscope components |
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