KR101255458B1 - 주사 탐침 현미경을 이용하여 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 검출 장치 및 방법 - Google Patents

주사 탐침 현미경을 이용하여 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

왜곡 검출 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 왜곡 검출 장치는 주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들(시료 데이터 값들)에 존재하는 왜곡을 검출하는 장치로서, 상기 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 상기 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 상기 시료 데이터 값들에 존재하는 상기 시료의 기움에 의한 왜곡(기움 왜곡), 상기 Z 스캐너의 히스테리시스(Hysteresis) 특성에 의한 왜곡(히스테리시스 왜곡) 및 상기 Z 스캐너의 크립(Creep) 특성에 의한 왜곡(크립 왜곡) 중에서 적어도 하나를 검출하는 왜곡 검출부를 포함한다.

Description

주사 탐침 현미경을 이용하여 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING DISTORTION IN DATA OBTAINED USING SCANNING PROBE MICROSCOPE}
본 발명의 실시예들은 주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)에 구비된 Z 스캐너(Z Scanner)를 이용하여 획득되는 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)은 캔틸레버(Cantilever)에 구비된 나노 크기의 예리한 팁(Tip)이 시료 표면을 근접 비행할 때 시료와 팁 사이에 작용하는 물리량을 측정하는 장치 일체를 통칭하는 것으로서, 원자, 분자 수준의 분해능을 갖는 표면 계측 장비로서, 나노 특성 분석에 널리 활용되고 있다.
일반적으로, 주사 탐침 현미경은 시료 표면의 측정을 통해 획득되는 데이터 값들을 이미지 형태로 사용자에게 제공한다.
그런데, 획득된 데이터 값들 내지 측정 결과에 따라 생성되는 이미지에는 다양한 물리적 특성에 의해서 발생한 왜곡 정보도 함께 포함되어 있다. 따라서, 시료에 대한 정확한 정보를 획득하기 위해서는 상기한 왜곡 정보들이 제거되어야 한다.
한편, 상기한 왜곡 정보를 제거하기 위한 종래의 기술로서, 1차 또는 그 이상의 고차 방정식에 데이터 값들을 적용하여 왜곡을 제거하는 커브 피트 방법이 있다.
그러나, 커브 피트 방법은 왜곡을 발생시키는 다양한 물리적 특성에 대해서는 고려하지 않은 것으로서, 커브 피트에 사용되는 방정식의 차수가 사용자가 경험을 통하여 얻는 주관적 기준에 결정된다는 단점이 있었다. 이는 왜곡 제거 과정에서 또 다른 왜곡을 유발시킬 수 있다는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 정확하게 검출할 수 있는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 데이터 값들 자체를 이용하여 별도의 외부 장치 없이 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출할 수 있는 장치 및 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들(시료 데이터 값들)에 존재하는 왜곡을 검출하는 장치에 있어서, 상기 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 상기 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 상기 시료 데이터 값들에 존재하는 상기 시료의 기움에 의한 왜곡(기움 왜곡), 상기 Z 스캐너의 히스테리시스(Hysteresis) 특성에 의한 왜곡(히스테리시스 왜곡) 및 상기 Z 스캐너의 크립(Creep) 특성에 의한 왜곡(크립 왜곡) 중에서 적어도 하나를 검출하는 왜곡 검출부를 포함하는 왜곡 검출 장치가 제공된다.
상기 시료 데이터 값들은 상기 Z 스캐너를 제어하기 위한 제어 신호로부터 획득되는 상기 시료의 표면 형상과 관련된 데이터 값들을 포함할 수 있다.
상기 왜곡 검출부는 상기 하나 이상의 스캔라인 별로 상기 기움 왜곡을 검출하되, 상기 하나 이상의 스캔라인 중 어느 하나의 스캔라인에 포함된 시료 데이터 값들 중에서 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 스캔 시작 지점에서의 시료 데이터 값과 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 스캔 종료 지점에서의 시료 데이터 값 사이의 차이를 이용하여 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 상기 기움 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 어느 하나의 스캔라인에 포함된 시료 데이터 값들은 상기 Z 스캐너를 이용해 상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향 또는 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔(Fast Scan)하여 획득된 것이거나, 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것일 수 있다.
상기 왜곡 검출부는 상기 하나 이상의 스캔라인 별로 상기 히스테리시스 왜곡을 검출하되, 상기 하나 이상의 스캔라인 중 어느 하나의 스캔라인에 대하여, 상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들과 상기 어느 하나의 스캔라인의 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들의 차이 값들을 이용하여 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 상기 히스테리시스 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들 및 상기 어느 하나의 스캔라인의 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들은 상기 어느 하나의 스캔라인을 따라 트레이스(Trace) 모드 및 리트레이스(Retrace) 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득된 것이거나, 상기 하나 이상의 스캔라인이 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것일 수 있다.
상기 시료 데이터 값들은 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것이고, 상기 왜곡 검출부는 상기 시료 데이터 값들에서 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거하고, 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡이 제거된 데이터 값들(선 왜곡 제거 데이터 값들)을 대응되는 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 정렬하며, 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들의 시간에 흐름에 따른 변화를 분석하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 크립 왜곡 모델은 시간의 흐름 및 크립 인자의 크기에 따라 왜곡의 크기가 변화하는 로그 함수로 표현되고, 상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 상기 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 상기 크립 인자를 산출하고, 상기 산출된 크립 인자를 적용한 크립 왜곡 모델을 이용하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 시료 데이터 값들은 트레이스 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 및 리트레이스 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 시료 데이터 값들은 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것이고, 상기 왜곡 검출부는 상기 시료 데이터 값들에서 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거하고, 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡이 제거된 데이터 값들(선 왜곡 제거 데이터 값들) 중에서 느린 스캔(Slow Scan)을 통해 획득되어 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 대응되는 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 정렬하며, 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들의 시간에 흐름에 따른 변화를 분석하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
상기 크립 왜곡 모델은 시간의 흐름 및 크립 인자의 크기에 따라 왜곡의 크기가 변화하는 로그 함수로 표현되고, 상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 상기 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 상기 크립 인자를 산출하고, 상기 산출된 크립 인자를 적용한 크립 왜곡 모델을 이용하여 상기 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들(시료 데이터 값들)에 존재하는 왜곡을 검출하는 방법에 있어서, 상기 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 상기 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 상기 시료 데이터 값들에 존재하는 상기 시료의 기움에 의한 왜곡, 상기 Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 왜곡 및 상기 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡 중에서 적어도 하나를 검출하는 단계를 포함하는 왜곡 검출 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 정확하게 검출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 데이터 값들 자체를 이용하여 별도의 외부 장치 없이 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 4는 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 데이터 값들을 획득하는 개념 및 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치가 이용하는 데이터 값들의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출부의 동작을 상세하게 설명하기 위해 이용되는 도면이다.
도 14 내지 도 20은 본 발명에 따른 왜곡 검출 장치를 이용하여 왜곡을 검출하는 구체적인 실시예를 설명하기 위해 이용되는 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 데이터 값들을 획득하는 개념 및 획득된 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 개념을 먼저 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2는 Z 스캐너를 이용하여 시료의 표면을 스캔하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
주사 탐침 현미경은 Z 스캐너에 구비된 탐침을 시료 표면 상에 설정되는 스캔 영역 내에서 하나 이상의 스캔라인에 따라 이동시키면서 시료에 대한 데이터 값들(이하, 설명의 편의를 위해 "시료 데이터 값들"이라 칭함)을 획득한다.
이 때, 스캔영역은 가로 길이(X) 및 세로 길이(Y)를 가지는 사각형 형태로 정의될 수 있으며, 이에 따라 스캔의 결과로서 NX의 가로 길이 및 NY의 세로 길이를 가지는 이미지(측정 결과 이미지)가 생성된다.
여기서, NX 및 NY는 스캔영역에 포함된 스캔라인의 가로 개수 및 세로 개수를 각각 의미하는 것으로서, 이는 측정 결과 이미지의 해상도(즉, 픽셀 개수)를 결정한다(해상도: NX ×NY). 따라서, 사용자는 NX 및 NY를 조절하여 측정 결과 이미지의 해상도를 조절할 수 있다.
한편, 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하는 방법은 크게 스캔모드 A와 스캔모드 B로 분류될 수 있다.
스캔모드 A는 도 1에 도시된 바와 같이 스캔영역(100) 내에서 시료 데이터 값들을 수집하는 방향(즉, 스캔라인의 방향)이 캔틸레버의 길이 방향인 스캔 방법을 의미하고, 스캔모드 B는 도 2에 도시된 바와 같이 시료 데이터 값들을 수집하는 방향이 캔틸레버의 길이 방향과 수직한 방향인 스캔 방법을 의미한다.
여기서, 시료 데이터 값들을 수집하는 방향을 빠른 스캔 방향(Fast Scanning Direction)이라 하고(굵은 실선으로 표시), 스캔라인 간의 이동을 위한 방향(즉, 빠른 스캔 방향과 수직한 방향)을 느린 스캔 방향(Slow Scanning Direction)이라고 한다(굵은 점선으로 표시).
또한, 빠른 스캔 방향으로의 스캔을 수행하는 경우, 탐침은 스캔라인의 시작 지점에서 스캔라인의 종료 지점으로 이동한 후, 종료 지점에서 시작 지점으로 회귀하는데(회귀한 이후 느린 스캔 방향으로 탐침이 이동함), 시작 지점에서 종료 지점으로 이동하면서 수행되는 빠른 스캔을 트레이스(Trace) 모드 스캔이라 하고(얇은 실선으로 표시), 종료 지점에서 시작 지점으로 회귀하면서 수행되는 빠른 스캔을 리트레이스(Retrace) 모드 스캔이라고 한다(얇은 점선으로 표시).
(한편, 도 1 및 도 2에서는 설명의 편의를 위해, 스캔영역 내에 측정 결과 이미지의 픽셀을 표시하였다.)
상기에서 설명한 내용에 따라 주사 탐침 현미경은 스캔영역 내에서 하나 이상의 스캔라인을 이동하면서 스캔을 수행하여 시료 데이터 값들을 획득한다.
일례로서, 주사 탐침 현미경은 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하여 시료 데이터 값들을 획득할 수 있고, 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하여 시료 데이터 값들을 획득할 수도 있다.
다른 일례로, 주사 탐침 현미경은 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 시료 데이터 값들을 획득할 수 있다. 즉, 주사 탐침 현미경은 특정 시작 지점으로부터 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행한 후, 스캔모드 A에 따른 스캔이 종료된 지점을 새로운 시작 지점으로 하여 스캔모드 B에 다른 스캔을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4는 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 데이터 값들에 존재하는 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
보다 상세하게, 도 3은 스캔모드 A에 따라 스캔을 수행하는 경우 빠른 스캔에 의해 발생하는 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 스캔모드 B에 따라 스캔을 수행하는 경우 빠른 스캔에 의해 발생하는 왜곡의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 만약 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 스캔모드 A에 따라 스캔을 수행하거나, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 스캔모드 B에 따라 스캔을 수행하는 경우에 있어서, 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 시료가
Figure 112011050203501-pat00001
의 기울기로 기울어져 있는 경우, 측정된 시료 데이터 값들에는 도 3의 (c) 및 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 시료의 기움에 의한 왜곡(기움 왜곡)과 팁의 형상에 의한 왜곡 등이 포함되고(가로 빗금으로 표시), 이에 더하여 도 3의 (d) 및 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 Z 스캐너의 히스테리시스(Hysteresis) 특성에 의한 왜곡(히스테리시스 왜곡)과 Z 스캐너의 크립(Creep) 특성에 의한 왜곡이 포함되는데(세로 빗금으로 표시), 이러한 왜곡은 시료 표면에 대한 정확한 데이터 값들의 획득을 방해하는 요소로 작용하게 된다.
이하에서는 상기에서 설명한 내용을 바탕으로 하여 도 5 내지 도 13을 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다. ,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치는 앞서 설명한 바와 같이 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용하여 획득되는 시료 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출하기 위한 장치로서, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 장치(500)는 저장부(510) 및 왜곡 검출부(520)를 포함한다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상술한다.
저장부(510)는 Z 스캐너를 통해 시료 표면을 스캔하는 경우에 획득되는 데이터 값들을 저장한다. 즉, 저장부(510)는 Z 스캐너를 이용하여 스캔영역에 포함된 하나 이상의 스캔 라인을 따라 시료를 스캔함에 의해 획득되는 시료 데이터 값들을 저장한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료 데이터 값들은 Z 스캐너를 제어하기 위한 제어 신호로부터 획득되는 시료의 표면 형상과 관련된 데이터 값들을 포함할 수 있다.
다시 말해, Z 스캐너를 제어하기 위한 장치가 도 6에 도시된 바와 같이 구성되는 경우, 시료 데이터 값들은 Z 스캐너를 제어하기 위해 Z 스캐너로 입력되는 제어 신호(보다 정확하게는 Z 콘트롤러에서 출력되어 DAC(Digital to Analog Converter)로 입력되는 제어 신호 uZ)로부터 획득될 수 있다.
왜곡 검출부(520)는 저장부(510)에 저장된 시료 데이터 값들 자체를 이용하여 시료 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출한다. 보다 상세하게, 왜곡 검출부(520)는 스캔영역에 포함되는 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 시료 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출한다.
이 때, 왜곡 검출부(520)를 통해 검출되는 왜곡은 앞서 설명한 시료의 기움에 의한 기움 왜곡, Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 히스테리시스 왜곡 및 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 크립 왜곡 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 13을 참조하여 왜곡 검출부(520)의 동작을 왜곡의 종류 별로 상세하게 설명하기로 한다.
1. 시료의 기움에 의한 왜곡
앞서 설명한 바와 같이 스캔의 대상이 되는 시료에 일정한 기움이 존재하는 경우, 시료 데이터 값들에는 시료의 기움에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들이 포함된다.
이 때, 시료는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 평평한 표면을 가지면서
Figure 112011050203501-pat00002
만큼 기울어져 있을 수 있고, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 완만한 굴곡이 있는 표면을 가지면서
Figure 112011050203501-pat00003
만큼 기울어져 있을 수도 있으며, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 복잡한 형태의 굴곡이 있는 표면을 가지면서
Figure 112011050203501-pat00004
만큼 기울어져 있을 수도 있다.
상기한 경우들에 있어, 왜곡 검출부(520)는 스캔의 시작 지점이 A이고 스캔의 종료 지점이 B인 스캔라인을 따라서 획득된 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 해당 스캔라인에서 발생한 시료의 기움에 의한 왜곡(즉, 시료의 기움에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들)을 검출한다.
보다 상세하게, 시료 데이터 값들은 앞서 설명한 바와 같이 Z 스캐너를 제어하기 위해 Z 스캐너로 입력되는 제어 신호로부터 도출될 수 있는데, 이는 시료의 높이 값과 대응되므로, 왜곡 검출부(520)는 시작 지점 A에서의 시료 데이터 값과 종료 지점 B에서의 시료 데이터 값의 차이를 이용하여 해당 스캔라인을 따르는 시료의 기울기(
Figure 112011050203501-pat00005
)를 산출하고, 산출된 시료의 기울기를 이용하여 해당 스캔라인에 포함되는 시료 데이터 값들에 존재하는 시료의 기움에 의한 왜곡을 검출할 수 있다.
일례로서, 시료의 기울기는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00006
여기서, hA 및 hB는 스캔라인의 시작 지점 A 및 종료 지점 B에서의 시료 데이터 값, LAB는 스캔라인의 시작 지점 A 및 종료 지점 B 사이의 거리(스캔 거리)를 의미한다.
이 때, 스캔라인에 포함된 시료 데이터 값들은 Z 스캐너를 이용해 해당 스캔라인의 한쪽 방향 또는 다른 쪽 방향으로 시료를 빠른 스캔(Fast Scan)하여 획득(즉, 해당 스캔라인을 트레이스 모드 또는 리트레이스 모드로 스캔하여 획득)된 것이거나, 해당 스캔라인을 포함하는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것일 수 있다.
이러한 시료의 기움에 의한 왜곡의 검출은 스캔영역에 포함된 하나 이상의 스캔라인 모두에 대해 동일하게 수행될 수 있으며, 이에 따라, 스캔영역에서의 시료의 기움에 의한 왜곡을 검출할 수 있다. 일례로서, 스캔영역에서의 시료의 기움에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00007
여기서, x는 스캔영역의 가로 방향을 의미하는 변수, y는 스캔영역의 세로 방향을 의미하는 변수, hslope(x,y)는 스캔영역에서의 시료의 기움에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들, cx는 스캔영역의 가로 방향(x축 방향)으로의 시료의 기울기(
Figure 112011050203501-pat00008
)와 대응되는 상수(
Figure 112011050203501-pat00009
), cy는 스캔영역의 세로 방향(y축 방향)으로의 시료의 기울기(
Figure 112011050203501-pat00010
)와 대응되는 상수(
Figure 112011050203501-pat00011
)를 각각 의미한다.
한편, 표면의 굴곡에 의해 발생하는 왜곡은 아래에서 설명하는 Z 스캐너의 히스테리시스에 의한 왜곡 내지 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡을 통해 검출될 수 있다.
2. Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 왜곡
본 발명의 일 실시예에 따르면, Z 스캐너의 비선형 특성인 히스테리시스 특성에 의한 왜곡을 검출하기 위해, 왜곡 검출부(520)는 특정 스캔라인에 대하여, 해당 스캔라인의 한쪽 방향으로 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들과 다른 쪽 방향으로 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들의 차이 값들을 이용할 수 있다.
이 경우, 해당 스캔라인의 한쪽 방향으로 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들 및 다른 쪽 방향으로 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들은 대당 스캔라인을 따라 트레이스 모드 및 리트레이스 모드로 시료를 스캔하여 획득된 것이거나, 해당 스캔라인이 포함되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것일 수 있다.
즉, 특정 스캔라인에서의 Z 스캐너의 히스테리시스에 의한 왜곡은 도 8의 (a)에 도시된 트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들과 도 8의 (b)에 도시된 리트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들 사이의 차이를 통해 검출될 수 있다(도 8의 (c) 참조). 이 때, 빠른 스캔 방향으로 측정된 시료 데이터 값들이 이용되었으므로, 후술하는 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡을 최소화할 수 있게 된다. 또한, 트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들에서 리트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들을 빼 주었기 때문에 앞서 설명한 시료의 기움에 의한 왜곡도 제거되게 된다.
일례로서, 스캔라인이 가로방향으로 위치하는 경우(즉, 스캔모드 B에서의 스캔라인의 경우), 특정 스캔라인에서 Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들은 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00012
여기서, x는 스캔영역의 가로 방향을 의미하는 변수(1 내지 NX의 값을 가짐), ny는 세로 방향의 위치, hhyst(x,ny)은 해당 스캔라인에서의 히스테리시스 왜곡과 대응되는 데이터 값들, htr(x,ny)는 트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들, hrtr(x,ny)는 리트레이스 모드로 측정한 시료의 높이 값들을 각각 의미한다.
이러한 히스테리시스 왜곡의 검출은 스캔영역에 포함된 하나 이상의 스캔라인 모두에 대해 동일하게 수행될 수 있으며, 이에 따라, 스캔영역에서의 시료의 기움에 의해 발생하는 왜곡과 대응되는 데이터 값들을 도출할 수 있다.
3. Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡
Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡은 아래에서 설명하는 2가지 방법에 의해 검출될 수 있다.
3.1 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔 중에서 적어도 하나를 수행하여 획득한 시료 데이터 값 모두를 이용하여 크립 왜곡을 검출하는 방법(제1 방법)
왜곡 검출부(520)는 아래에서 설명하는 단계들을 순차적으로 수행하여 제1 방법에 따라 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
먼저, 제1 단계에서는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득한 시료 데이터 값들에서 시료의 기움에 의한 왜곡과 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거한다. 이 경우, 시료의 기움에 의한 왜곡과 히스테리시스 왜곡은 앞서 설명한 내용에 따라 검출될 수 있다.
이 때, 시료 데이터 값들은 트레이스 모드를 통해 획득된 시료 데이터 값들 및 리트레이스 모드를 통해 획득된 시료 데이터 값들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일례로서, 트레이스 모드를 통해 획득된 시료 데이터 값들에서 시료의 기움에 의한 왜곡 및 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거한 데이터 값들(이하, "선 왜곡 제거 데이터 값들"이라고 함)은 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있고, 리트레이스 모드를 통해 획득된 시료 데이터 값들에서 시료의 기움에 의한 왜곡 및 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거한 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00013
Figure 112011050203501-pat00014
여기서, hPhase1 _ tr(x,y)/hPhase1 _ rtr(x,y)는 트레이스 모드/리트레이스 모드를 통해 획득된 시료 데이터 값들에서 시료의 기움에 의한 왜곡과 대응되는 데이터 값들 및 히스테리시스 왜곡과 대응되는 데이터 값들을 우선적으로 제거한 선 왜곡 제거 데이터 값들, hIMG _ tr(x,y)/hIMG _ rtr(x,y)는 선 왜곡 제거 전의 시료 데이터 값들을 각각 의미한다.
다음으로, 제2 단계에서는 2차원적으로 배열(즉, (x,y)로 표현되는 평면상에 배열)되는 선 왜곡 제거 데이터 값들을 획득한 시간 순서에 따라서 1차원적으로 정렬한다. 여기서, 획득한 순서는 선 왜곡 제거 데이터 값들 각각과 대응되는 시료 데이터 값들을 획득한 시간 순서를 의미한다.
일례로서, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 1에 도시된 코드에 의해 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 1차원적으로 정렬될 수 있고, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 리트레이스 모드를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 2에 도시된 코드에 의해 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 1차원적으로 정렬될 수 있으며, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드 및 리트레이스 모드 모두를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 3에 도시된 코드에 의해 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 1차원적으로 정렬될 수 있다.
for y = 1 to NY
for x = 1 to Nx
cnt_tr = cnt_tr + 1;
hPhase2 _ tr(cnt_tr) = hPhase1 _ tr(x,y);
end
end
htr = hphase2 _ tr;
for y = 1 to NY
for x = Nx to 1
cnt_rtr = cnt_tr + 1;
hPhase2 _ rtr(cnt_rtr) = hPhase1 _ rtr(x,y);
end
end
hrtr = hphase2 _ tr;
for y = 1 to NY
for x = 1 to 2*Nx
cnt = cnt + 1;
if x =< Nx then
hPhase2(cnt) = hPhase1 _ tr(x,y);
end
if x > Nx then
hPhase2(cnt) = hPhase1 _ rtr(2Nx+1-x,y);
end
end
end
htr = hphase2;
계속하여, 제3 단계에서는 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들에 대해 인덱스를 부여한다.
일례로서, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드 및 리트레이스 모드 중 하나를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들은 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 인덱스를 부여받을 수 있고, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드 및 리트레이스 모드 모두를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 인덱스를 부여받을 수 있다.
이 후, 제4 단계에서는 인덱스가 부여된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 공간 영역의 값에서 시간 영역의 값으로 변환한다. 다시 말해, 제4 단계에서는 인덱스가 부여된 선 왜곡 제거 데이터 값들이 실질적으로 어느 시점에서 획득되었는지를 판단하기 위해 선 왜곡 제거 데이터 값들을 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 다시 정렬한다.
일례로서, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 4에 도시된 코드에 의해 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 시간 축을 기준으로 정렬될 수 있고, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 리트레이스 모드를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 5에 도시된 코드에 의해 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 시간 축을 기준으로 정렬될 수 있으며, 선 왜곡 제거 데이터 값들이 트레이스 모드 및 리트레이스 모드 모두를 통해 획득한 시료 데이터 값들을 이용하여 도출된 경우, 선 왜곡 제거 데이터 값들은 아래의 표 6에 도시된 코드에 의해 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 시간 축을 기준으로 정렬될 수 있다.
for j = 1 to NY
for i = 1 to NX
cnt = cnt +1;
t(cnt) = cnt * dtx+(j-1)*dtx*Nx;
end
end
for j = 1 to NY
for i = Nx to 1
cnt = cnt +1;
t(cnt) = cnt * dtx+j*dtx*Nx;
end
end
for j = 1 to NY
for i = 1 to 2Nx
cnt = cnt +1;
t(cnt) = cnt * dtx;
end
end
여기서, dtx는 스캔영역 내의 한 픽셀에서 다른 픽셀로 탐침이 이동하는데 소요되는 시간(미리 설정됨), fsc는 스캔 레이트(Scan Rate), ti는 시간축의 인덱스로서 i×dtx(i=1, 2,…, NX×NY)를 각각 의미한다. 그리고, 트레이스 모드 및 리트레이스 모드 중 하나만을 이용하는 경우, 이용되지 않는 선 잡음 제거 데이터 값들이 획득되는 시간에 대해서는 시간축의 인덱스가 부여되지 않는다(1/(2fsc) 구간).
다음으로, 제5 단계에서는 시간 영역의 값으로 변환되어 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 크립 왜곡을 분석한다.
크립 왜곡 모델은 Z 스캐너의 크립 특성을 표현하기 위해 미리 설정된 모델을 의미하는 것으로서, 시간의 흐름 및 크립 인자의 크기에 따라 왜곡의 크기가 변화하는 로그 함수로 표현된다. 일례로서, 크립 왜곡 모델을 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00015
여기서, Lcreep(t)는 크립 왜곡에 의한 데이터 값, CZcreep은 크립 인자를 각각 의미한다.
즉, 제5 단계에서는 도 12에 도시된 바와 같이 시간 축으로 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 크립 인자를 산출하고, 산출된 크립 인자를 적용하여 선 왜곡 제거 데이터 값과 가장 유사한 형태를 가지는 크립 왜곡 모델을 산출한다.
계속하여, 제6 단계에서는 산출된 크립 왜곡 모델을 시간 영역의 값에서 공간 영역의 값으로 변환한다. 이에 따라 1차원적으로 배열된 크립 왜곡 데이터 값들이 산출된다.
마지막으로, 제7 단계에서는 1차원적으로 배열된 크립 왜곡 데이터 값들을 2차원적으로 배열한다. 이에 따라 크립 왜곡과 대응되는 데이터 값들이 검출된다.
정리하면, 왜곡 검출부(520)는 트레이스 모드로 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 및 리트레이스 모드로 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 중에서 적어도 하나를 포함하는 시료 데이터 값들을 이용하여 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
그리고, 왜곡 검출부(520)는 시료 데이터 값들에서 기움 왜곡 및 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거하고, 기움 왜곡 및 히스테리시스 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 대응되는 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 정렬하며, 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들의 시간에 흐름에 따른 변화를 분석하여 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
이 경우, 왜곡 검출부(520)는 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 크립 왜곡을 검출할 수 있다. 다시 말해 왜곡 검출부(520)는 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 크립 인자를 산출하고, 산출된 크립 인자를 적용한 크립 왜곡 모델을 이용하여 크립 왜곡을 검출할 수 있다.
3.2 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔 중에서 적어도 하나를 수행하여 획득한 시료 데이터 값 중 일부를 이용하여 고속으로 크립 왜곡을 검출하는 방법(제2 방법)
왜곡 검출부(520)는 아래에서 설명하는 단계들을 순차적으로 수행하여 제2 방법에 따라 크립 왜곡을 검출할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 제1 방법의 구성과 상이한 구성에 대해서만 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 제2 방법에서 설명되지 않은 구성에 대해서는 제1 방법에서 설명한 구성들이 그대로 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
먼저, 제1 단계에서는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 다른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득한 시료 데이터 값들에서 시료의 기움에 의한 왜곡과 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거한다.
다음으로, 제2 단계에서는 선 왜곡 제거 데이터 값들 중에서 느린 스캔(Slow)을 통해 획득되어 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 추출한다. 도 13에서는 느린 스캔을 통해 획득되어 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값의 일례를 도시하고 있다.
계속하여, 제3 단계에서는 추출된 선 왜곡 제거 데이터 값들에 대해 인덱스를 부여하고, 제4 단계에서는 인덱스가 부여된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 공간 영역의 값에서 시간 영역의 값으로 변환한다.
이 때, 제4 단계에서는 아래의 수학식 7에 따라 시간축의 인덱스(ti)를 결정할 수 있다.
Figure 112011050203501-pat00016
여기서,
Figure 112011050203501-pat00017
는 느린 스캔 방향으로의 픽셀 간 이동 시간을 의미한다.
이후, 제5 단계에서는 시간 영역의 값으로 변환되어 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 크립 왜곡을 분석하여 선 왜곡 제거 데이터 값과 가장 유사한 형태를 가지는 크립 왜곡 모델을 산출한다.
계속하여, 제6 단계에서는 산출된 크립 왜곡 모델을 시간 영역의 값에서 공간 영역의 값으로 변환하여 1차원적으로 배열된 크립 왜곡 데이터 값들을 산출하고, 제7 단계에서는 1차원적으로 배열된 크립 왜곡 데이터 값들을 2차원적으로 배열하여 크립 왜곡에 의한 데이터 값들을 검출한다.
정리하면, 왜곡 검출부(520)는 트레이스 모드로 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 및 리트레이스 모드로 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 중에서 적어도 하나를 포함하는 시료 데이터 값들 중에서 느린 스캔을 통해 획득되어 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값들만을 이용하여 크립 왜곡을 검출할 수 있다. 이는 선 왜곡 제거 데이터 값들 중에서 일부의 값들만을 샘플링하여 크립 왜곡의 검출을 위해 사용하는 것으로 이용될 수 있다.
즉, 제1 방법에 따라 크립 왜곡을 검출하기 위해 NXNY개 내지 2NXNY개의 데이터 값들을 처리하여야 하는데, 이는 이미지의 해상도가 증가할수록 처리하여야 하는 데이터의 양이 많아져서 데이터 처리 속도를 저하시키는 단점을 발생시킬 수 있다.
따라서, 처리하여야 하는 데이터의 양이 많은 경우에, 왜곡 검출부(520)는 제2 방법에 따라 NX개 또는 NY개의 데이터 값들을 이용하여 크립 왜곡을 검출함으로써 데이터 처리 속도를 높인다.
지금까지 도 5에서 설명한 왜곡 검출부(520)는 소프트웨어(software) 또는 FPGA(Field-Programmable Gate Array)나 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어(hardware)를 의미할 수 있다. 그러나, 상기한 구성 요소들은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 것은 아니며, 어드레싱(addressing)할 수 있는 저장 매체에 기록될 수 있도록 구성될 수도 있고, 하나 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 또한, 상기한 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 세분화된 구성 요소에 의하여 구현될 수 있으며, 복수의 구성 요소들을 합하여 특정한 기능을 수행하는 하나의 구성 요소로 구현될 수도 있다.
이하, 도 14 내지 도 20을 참조하여, 본 발명에 따른 왜곡 검출 장치(500)를 이용하여 왜곡을 검출하는 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
본 구체적인 실시예에서는 상용 AFM(XE-100, Park Systems, Korea) 및 캔틸레버(NSC12, MikroMasch, USA)를 이용하였으며, 시료는 도 14에 도시된 것과 같은 표준 시료(TGZ1, NT-MDT, Russia)를 사용하였다. 그리고, 스캔영역의 크기는 가로 20um 및 세로 20um로 설정하였고, 이에 따른 측정 결과 이미지는 가로 512 및 세로 512의 해상도를 가지도록 스캔라인을 설정하였다. 또한, 스캔 속도는 0.5 Hz로 설정하였고, 측정에 사용한 AFM 측정 모드는 constant force contact mode이며, 스캔모드 A와 스캔모드 B로 연속으로 수행하여 시료 데이터 값들을 획득하였다.
먼저, 도 15에서는 스캔모드 A에 따른 스캔을 통해 획득한 시료 데이터 값들로 구성된 스캔영역의 2D 이미지(도 15의 (a)), 3D 이미지((도 15의 (b)) 및 1D 그래프(도 15의 (c))를 각각 도시하고 있고, 도 16에서는 스캔모드 B에 따른 스캔을 통해 획득한 시료 데이터 값들로 구성된 스캔영역의 2D 이미지(도 16의 (a)), 3D 이미지((도 16의 (b)) 및 1D 그래프(도 16의 (c))를 각각 도시하고 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 실험 결과 도출된 시료의 기울기는 느린 스캔 방향으로의 기울기로서, 동일한 스캔영역을 측정했음에도 불구하고 서로 다른 기울기를 가지는 측정 결과 이미지가 획득됨을 확인할 수 있다.
특히, 도 15의 (c) 및 도 16의 (c)를 참조하면, 두 그래프의 곡선이 연속적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있는데, 이는 연속적인 측정에 의해서 크립 왜곡이 연속적으로 발생하였기 때문이다.
다음으로, 도 17에서는 스캔모드 A와 스캔모드 B로 시료의 표면을 측정하여 획득된 측정 결과 이미지에서 빠른 스캔 방향의 정보를 이용하여 시료의 기울기를 산출한 결과를 도시하고 있다.
보다 상세하게, 도 17의 (a)는 스캔모드 A로 측정한 측정 결과 이미지에서 X축이 1(Line1), 256(Line2), 및 512(Line3)인 경우, 빠른 스캔 방향의 축인 Y축 방향으로의 시료의 기울기를 산출한 결과를 그래프로 나타낸 것으로서, 그래프의 기저부분이 시료의 기울기이다. 상기한 수학식 1을 이용하면 좌측(원점)을 기준으로 시료가 우측으로 -0.003°정도 기울어져 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 도 17의 (b)는 스캔모드 B로 측정한 측정 결과 이미지에서 Y 축이 1(Line1), 256(Line2), 및 512(Line3)인 경우, 빠른 스캔 방향의 축인 X축 방향으로의 시료의 기울기를 산출한 결과를 그래프로 나타낸 것으로서, 앞서 설명한 바와 같이 그래프의 기저부분이 시료의 기울기이고, 상기한 수학식 1을 이용하면 좌측(원점)을 기준으로 시료가 우측으로 -0.258°정도 기울어져 있음을 확인할 수 있다.
계속하여, 도 18에서는 히스테리시스 왜곡을 검출하기 위해 이용되는 트레이스 모드에 따른 시료 데이터 값들과 리트레이스 모드에 따른 시료 데이터 값들의 차이를 도시하고 있다.
도 18을 참조하면, 본 실시예에서는 히스테리시스 왜곡이 발생하지 않은 것으로 나타났는데, 이는 Z 스캐너를 이용하여 측정하는 시료의 높이가 매우 낮아 Z 스캐너의 구동 거리가 매우 짧아졌기 때문에 Z 스캐너의 히스테리시스 왜곡이 무시할 정도로 작아진 것으로 판단되었다.
다음으로, 도 19는 크립 왜곡을 검출하기 위하여, 스캔모드 A와 스캔모드 B에 의해 측정된 시료 데이터 값들을 획득 시간의 순서에 따라 표시한 그래프이다.
도 19를 참조하면, 스캔모드 A와 스캔모드 B로 시료를 스캔하는 경우, 각각 182.64nm와 188.79nm의 변위가 발생하였음을 확인할 수 있다. 그리고, 스캔모드 A에서의 빠른 스캔 방향과 스캔모드 B에서의 빠른 스캔 방향이 서로 수직임에도 불구하고, 측정 결과에 따른 변위들은 서로 비슷한 기울기에 따라 변화함을 확인할 수 있다. 이는 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡으로 발생하는 가상의 높이가 측정 정보에 포함되어 저장된 것으로 설명할 수 있다.
마지막으로, 도 20은 스캔모드 A 및 스캔모드 B를 통해 획득된 데이터 값들을 이용하여 도출된 크립 왜곡 모델을 도시하고 있다. 여기서, 실선은 측정 결과(즉, 선 왜곡 제거 데이터 값들)이고, 점선은 도출된 크립 왜곡 모델을 각각 나타낸다.
특히, 도 20을 도 20의 (b)를 참조하면, 스캔모드 B를 이용한 측정에서는 시료의 표면에 요철이 검출되었는바, 그래프의 기저부분을 기준으로 하여 크립 인자를 산출하였다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 왜곡 검출 방법은 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들에 존재하는 왜곡을 검출하는데 이용될 수 있다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 설명한다.
먼저, 단계(S2110)에서는 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 시료 데이터 값들을 획득한다.
다음으로, 단계(S2120)에서는 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 시료 데이터 값들에 존재하는 시료의 기움에 의한 왜곡, Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 왜곡 및 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡 중에서 적어도 하나를 검출한다.
지금까지 본 발명에 따른 왜곡 검출 방법의 실시예들에 대하여 설명하였으며, 이에는 앞서 도 5에서 설명한 왜곡 검출 장치(500)에 관한 구성이 그대로 적용될 수 있다. 따라서, 커플링 잡음 전압 산출 방법에 대한 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
500: 왜곡 검출 장치 510: 저장부
520: 왜곡 검출부

Claims (14)

  1. 주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들(시료 데이터 값들)에 존재하는 왜곡을 검출하는 장치에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 상기 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 상기 시료 데이터 값들에 존재하는 상기 시료의 기움에 의한 왜곡(기움 왜곡), 상기 Z 스캐너의 히스테리시스(Hysteresis) 특성에 의한 왜곡(히스테리시스 왜곡) 및 상기 Z 스캐너의 크립(Creep) 특성에 의한 왜곡(크립 왜곡) 중에서 적어도 하나를 검출하는 왜곡 검출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료 데이터 값들은 상기 Z 스캐너를 제어하기 위한 제어 신호로부터 획득되는 상기 시료의 표면 형상과 관련된 데이터 값들을 포함하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 왜곡 검출부는
    상기 하나 이상의 스캔라인 별로 상기 기움 왜곡을 검출하되, 상기 하나 이상의 스캔라인 중 어느 하나의 스캔라인에 포함된 시료 데이터 값들 중에서 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 스캔 시작 지점에서의 시료 데이터 값과 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 스캔 종료 지점에서의 시료 데이터 값 사이의 차이를 이용하여 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 상기 기움 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 어느 하나의 스캔라인에 포함된 시료 데이터 값들은 상기 Z 스캐너를 이용해 상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향 또는 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔(Fast Scan)하여 획득된 것이거나, 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것임을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 왜곡 검출부는
    상기 하나 이상의 스캔라인 별로 상기 히스테리시스 왜곡을 검출하되, 상기 하나 이상의 스캔라인 중 어느 하나의 스캔라인에 대하여, 상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들과 상기 어느 하나의 스캔라인의 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들의 차이 값들을 이용하여 상기 어느 하나의 스캔라인에서의 상기 히스테리시스 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 어느 하나의 스캔라인의 한쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들 및 상기 어느 하나의 스캔라인의 다른 쪽 방향으로 상기 시료를 빠른 스캔하여 획득된 시료 데이터 값들은 상기 어느 하나의 스캔라인을 따라 트레이스(Trace) 모드 및 리트레이스(Retrace) 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득된 것이거나, 상기 하나 이상의 스캔라인이 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔과 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것임을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시료 데이터 값들은 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것이고,
    상기 왜곡 검출부는
    상기 시료 데이터 값들에서 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거하고, 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡이 제거된 데이터 값들(선 왜곡 제거 데이터 값들)을 대응되는 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 정렬하며, 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들의 시간에 흐름에 따른 변화를 분석하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크립 왜곡 모델은 시간의 흐름 및 크립 인자의 크기에 따라 왜곡의 크기가 변화하는 로그 함수로 표현되고,
    상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 상기 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 상기 크립 인자를 산출하고, 상기 산출된 크립 인자를 적용한 크립 왜곡 모델을 이용하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 시료 데이터 값들은 트레이스 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 및 리트레이스 모드로 상기 시료를 스캔하여 획득한 데이터 값들 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시료 데이터 값들은 상기 하나 이상의 스캔라인을 포함하고 상기 시료 상에 설정되는 스캔영역에 대해 스캔모드 A에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 B에 따른 스캔을 수행하거나 스캔모드 A에 따른 스캔 및 스캔모드 B에 따른 스캔을 연속적으로 수행하여 획득된 것이고,
    상기 왜곡 검출부는
    상기 시료 데이터 값들에서 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡을 우선적으로 제거하고, 상기 기움 왜곡 및 상기 히스테리시스 왜곡이 제거된 데이터 값들(선 왜곡 제거 데이터 값들) 중에서 느린 스캔(Slow Scan)을 통해 획득되어 왜곡이 제거된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 대응되는 시료 데이터 값들이 획득된 시간과 동기화되도록 시간 축을 기준으로 정렬하며, 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들의 시간에 흐름에 따른 변화를 분석하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값들을 기 설정된 크립 왜곡 모델과 비교하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 크립 왜곡 모델은 시간의 흐름 및 크립 인자의 크기에 따라 왜곡의 크기가 변화하는 로그 함수로 표현되고,
    상기 왜곡 검출부는 상기 정렬된 선 왜곡 제거 데이터 값과 상기 크립 왜곡 모델 사이의 차이가 최소가 되도록 하는 상기 크립 인자를 산출하고, 상기 산출된 크립 인자를 적용한 크립 왜곡 모델을 이용하여 상기 크립 왜곡을 검출하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 장치.
  14. 주사 탐침 현미경에 구비된 Z 스캐너를 이용해 하나 이상의 스캔라인을 따라 시료를 스캔하여 획득되는 데이터 값들(시료 데이터 값들)에 존재하는 왜곡을 검출하는 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 스캔라인 방향으로의 상기 시료 데이터 값들의 변화를 분석하여 상기 시료 데이터 값들에 존재하는 상기 시료의 기움에 의한 왜곡, 상기 Z 스캐너의 히스테리시스 특성에 의한 왜곡 및 상기 Z 스캐너의 크립 특성에 의한 왜곡 중에서 적어도 하나를 검출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 왜곡 검출 방법.
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