KR101298782B1 - 비틀림 공진 모드에서 전기적 성질을 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

비틀림 공진 모드에서 전기적 성질을 측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

바람직한 실시예는 SPM(Scanning Probe Microscope)을 동작시키는 방법 및 장치에 관한 것이며, 이는 SPM의 프로브를 상기 프로브의 비틀림 공진으로 진동시키는 단계와, 이와 동시에 이뤄지는, SPM의 프로브와 샘플 사이의 비틀림 공진 모드에 의해 제어되는 이격 거리에서, 전기적 성질, 가령 전류, 용량 임피던스 등을 측정하는 단계를 포함한다. SPM 동작의 설정-포인트를 유지하기 위해 비틀림 공진 피드백을 사용하는 동안, 상기 측정 단계가 이뤄지는 것이 바람직하다.

Description

비틀림 공진 모드에서 전기적 성질을 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING ELECTRICAL PROPERTIES IN TORSIONAL RESONANCE MODE}
본 출원은 가출원 no. 60/573,464로부터 우선권을 주장하고 있으며, U.S. 특허 출원 No.10/189,108(2002, 07, 02)와, 10/937,597(2004, 11, 09)와 관련이 있으며, 이는 본원에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 비틀림 공진 모드(torsional resonance mode)에서, 프로브-기반의 기구를 동작시키는 것에 관한 것이며, 더욱 세부적으로는, 비틀림 공진 피드백(torsioanl resonance feedback)을 사용하여 전기적 성질의 측정을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
다양한 프로브 기반 기구가 캔틸레버 기반 프로브와 샘플 간의 상호작용을 모니터하여, 샘플의 하나 이상의 특성에 대한 정보를 얻을 수 있다. SPM(Scanning Probe Microscope), 가령, AFM(Atomic Force Microscope)는 샘플의 하나 이상의 속성의 국부 측정을 이루기 위해 날카로운 탐침(tip)을 사용하는 장치이다. 더욱 세부적으로, 샘플과 관련 프로브 어셈블리의 탐침(tip) 간의 상호 작용을 모티터함으로써, SPM은 이러한 작은 크기의 샘플의 표면의 특징을 판단한다. 탐침과 샘플 사 이의 상대적인 스캐닝 이동을 제공함으로써, 샘플의 특정 표면을 가로질러, 표면 특성 데이터와 그 밖의 다른 샘플에 종속적인 데이터가 획득될 수 있고, 이에 대응하는 상기 샘플의 맵이 생성될 수 있다. 본원에서 "SPM"은 현미경 장치를 일컬을 수 있고, 또는 그에 관련된 기술, 가령“스캐닝 프로브 현미경 검사(SPM: Scanning Probe Microscopy)”를 일컬을 수 있다.
원자 현미경(AFM: Atomic Force Microscope)은 SPM 중 일반적인 타입이다. 통상적인 AFM의 프로브는 매우 작은 캔틸레버를 포함하며, 이때 상기 캔틸레버는 자신의 베이스를 지지대에 고정시키고, 반대편의 고정되지 않은 단부에 부착된 날카로운 프로브 탐침(tip)을 갖는다. 상기 프로브 탐침은 검사될 샘플의 표면에 가깝도록, 또는 접촉하도록 가져가지고, 프로브 탐침과 샘플의 상호작용에 응답하여, 초민감 편향 검출기, 또는 광학 레버 시스템(가령, Hansma 외 다수의 U.S. Pat. No. RE 34,489에서 서술된 광학 레버 시스템), 또는 스트레인 게이지(strain gauge), 용량 센서(capacitance sensor) 등과 같은 그 밖의 다른 편향 검출기에 의해, 상기 캔틸레버의 편향이 측정된다. 샘플 지지대, 또는 상기 프로브 상에서 기능하는 높은 분해능의 3축 스캐너를 이용하여, 표면에 걸쳐 프로브가 스캔된다. 따라서 샘플의 토포그래피(topography), 또는 탄성, 또는 가령, Hansma 외 다수의 U.S. Pat. No. RE 34,489; Elings 외 다수의 U.S. Pat. No. 5,226,801; Elings 외 다수의 U.S. Pat. No. 5,412,980에서 서술된 그 밖의 다른 표면 특성을 측정하는 동안, 상기 기기는 프로브와 샘플 간의 관련 작용을 생성할 수 있다.
AFM은 다양한 모드에서 동작하도록 설계될 수 있으며, 그 예로는, 접촉 모드(contact mode), 진동 모드(oscillating mode)가 있다. 접촉 모드 동작에서, 샘플의 표면 상에 가해지는 탐침의 힘은 일정하게 유지되면서, 현미경이 샘플의 표면을 가로지르면서 탐침을 스캔하는 것이 일반적이며, 이는 상기 프로브가 표면 위에서 수평으로 스캔되기 때문에, 캔틸레버의 감지된 편향에 반응하여, 샘플을 이동시키거나, 또는 프로브 어셈블리를 상기 샘플의 표면에 수직으로 이동시킴으로써, 이뤄질 수 있다. 이러한 방식으로, 이러한 수직 움직임에 관련된 데이터는 저장되어, 측정된 샘플 특성, 가령 표면 토포그래피에 대응하는 샘플 표면의 이미지를 구축하기 위해 사용될 수 있다. 또는, AFM은 진동 모드, 가령 TappingModeTM(TappingMode는 Veeco Instruments, Inc.의 상표)에서 선택적으로 동작할 수 있다. TappingModeTM 동작 중에, 프로브의 캔틸레버의 공진 주파수로, 또는 그에 근사한 주파수로, 상기 탐침이 진동한다. 탐침-샘플 상호 작용에 반응하여 발행한 피드백 신호를 사용하는 스캐닝 동안, 이러한 공진의 진폭, 또는 위상은 일정하게 유지된다. 그 후, 접촉 모드에서, 이러한 피드백 신호는 샘플의 특성을 나타내는 데이터로서 선택되고, 저장되고 사용된다.
이러한 모드의 동작과 관계없이 AFM은, 압전기 스캐너와, 광학 레버 편향 검출기와, (포토리소그래픽 기법으로 조립된) 극소형 캔틸레버를 사용함으로써, 공기 중에서, 또는 액체에서, 또는 진공 상태에서, 다양한 절연성 표면, 또는 전도성 표면 상에서 원자 수준까지로 낮아진 분해능을 획득할 수 있다. 이러한 분해능과 유연성 때문에, 반도체 제조부터 생물학 연구까지 다양한 많은 분야에서, AFM은 중요 한 측정 장치가 된다.
나노 과학 및 나노 기술의 분야에서, 나노미터(nanometer) 수준의 다양한 종류의 샘플의 전기적 성질을 측정하는 것은 매우 중요하다. 이러한 작업을 위해 여러 기법이 개발되어 왔다. 여러 기법들 중에서, STM(Scanning Tunneling Microscopy)와, 전도성 AFM과, SCM(Scanning Capacitance Microscopy)가 광범위하게 사용된다. STM에서, 앞서 언급한 날카로운 금속 프로브가 스캔될 표면에 가깝게 가져가지고, 이때, 바이어스 전압이 상기 탐침과 표면 사이에서 공급된다. 양자 역학으로부터 알려진 바와 같이, 상기 탐침과 샘플 간의 퍼텐셜이 서로 다를 때, 그리고 그 차이가 작을 때, 탐침과 샘플 사이의 절연 갭(insulating gap)을 통해 전자가 투과할 가능성이 존재한다. 이러한 투과 전류(tunneling current)가 측정되고, 피드백 시스템이 탐침-샘플 이격 거리를 변경시켜, 탐침이 샘플을 가로질러 스캔하는 동안, 설정 포인트에서의 전류를 일정하게 유지한다. STM은 금속, 또는 반도체, 또는 높은 매체 전도성을 갖는 그 밖의 다른 물질의 속성을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
STM은 중대한 단점을 갖고 있음을 주의하라. STM은 피드백 신호로서 투과 전류를 사용하기 때문에, 스캔 동안 피드백 루프가 동작되도록, 스캔되는 샘플 영역이 약간의 전도성을 지닐 필요가 있다. 일반적으로, STM은 절연 샘플, 또는 절연 표면 층, 가령 옥사이드(oxide)를 갖는 전도성 샘플을 스캔하기 위해 사용될 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, US 특허 5,874,734에서 설명된 AFM(Atomic Force Microscope)는, 스캔될 샘플의 표면으로 접촉하도록 다가가지는 레버 암(lever arm) 상에 날카로운 탐침을 갖는 전도성 프로브를 사용한다. 탐침과 샘플 간의 접촉의 힘이, 상기 레버 암의 편향(deflection)에 의해 측정되며, 이때 피드백 시스템이 탐침, 또는 샘플을 상·하로 이동시켜, AFM에 의해 이뤄지는 관련 스캐닝 움직임 동안, 상기 탐침과 샘플 사이의 힘이 일정하게 유지될 수 있다. 스캐닝 동안, 일정한, 또는 변화하는 전압이 상기 탐침과 샘플 사이에 공급될 수 있고, 전류 분포가 측정될 수 있으며, 동시에 이뤄지는 것이 바람직하다.
이러한 기법의 장점은, 탐침-표면 거리 및 힘을 제어하기 위한 피드백 신호로서 프로브와 표면 사이의 편향력을 사용한다는 것이다. 상기 기법은 전도성 패치를 갖는 절연 샘플과, 초저전도성 샘플(ultra-low conductivity)에서 사용된다. 그러나 이러한 기법의 한 가지 단점은, 스캐닝 동안, 정적 수직 편향력이 상기 힘을 제어하기 위한, 그리고 그에 따른 탐침-표면 거리를 제어하기 위한 피드백 신호로서 사용됨에 따라, 앞서 설명된 AFM 동작의 접촉 모드가 사용된다는 것이다. 이와 관련하여 몇 가지 문제점이 존재한다. 우선, 상기 피드백에 의해, 탐침과 표면 사이에서, 수직 방향으로 일정한 힘이 유지될 수 있다는 것이다. 탐침이 상기 표면을 가로질러 스캔할 때, 큰 전단응력이 제공되는 것이 일반적이며, 이러한 높은 횡력에 의해, 상기 탐침과 상기 샘플 모두 손상되기 쉽다. 덧붙이자면, 안정적인 이미징 조건 하에서, 현미경을 구동하기 위해, 상기 탐침과 샘플 표면은 기계적으로 접촉된 상태로 유지되어야만 한다. 이는, 접촉 모드에서 존재하는 높은 전단응력 때문만이 아니라, 상기 탐침과 샘플이 접촉하지 않을 경우에는 측정이 사용될 수 없 기 때문에, 문제가 된다. 이러한 문제점은 연성 샘플(가령 전도성 폴리머)에 대한 AFM 기반의 전기적 특성화 기술의 사용을 제한해왔다.
피드백은 동적 신호(dynamic signal)에 대립하는 정적 신호(static signal)를 바탕으로 하기 때문에, 접촉 모드의 감도가 제한된다. 정적 신호는 열 드리프트(thermal drift)와 충전에 더욱 적합하고, 따라서 감도가 제한된다. 이러한 이유 때문에, 연성의, 그리고 섬세한 샘플을 사상할 때, 접촉 모드는 선호되지 않는다.
접촉 모드 동작이 갖는 이러한 문제가, 앞서 언급된 AFM 동작의 진동 모드(가령 US Pat.No.5,519,212)를 대두하게 했다. 진동 모드(Oscillating Mode)에서, 탐침을 갖는 캔틸레버가 휨 공진 주파수(flexural resonance frequency)에서 공진하기 위해 구동된다. 캔틸레버 휨 진동의 진폭(20㎚ 내지 100㎚)과, 캔틸레버의 편향 각도(100㎚ 초과)가 사분면 광검출기(quadrant photodetector)에 의해 검출되며, 그 출력은 이러한 두 값에 대해 비례하는 전압이다. 탐침이 샘플 표면에 접근함에 따라, 탐침과 샘플의 표면의 제한 때문에, 휨 진동(tapping) 진폭이 감소하기 시작한다. 상기 캔틸레버가 표면으로부터 낮아지고, 그에 따라 상기 샘플 표면에 대해 탐침이 증가하는 접촉 압력을 갖고 누름에 따라, 상기 휨 진동 진폭은 0으로 감소한다. 0(접촉 상태)과 자유 진동 사이의 다양한 진폭이 사용되어 탐침-표면 거리와 힘을 제어할 수 있다. 상기 샘플 표면에 걸친 탐침의 래스터 스캐닝(raster scanning)에 의해, 또는 역으로, 검출된 휨 진동 진폭을 사용하여 탐침/샘플 거리를 제어함에 의해, 샘플 표면의 속성, 가령 토포그래피, 강도, 전자기 속성이 획득될 수 있다.
이에 관련하여, 탐침-샘플 이격 거리를 제어하기 위해 사용되는 이러한 진동 모드 피드백은 동적 신호를 포함한다. 이는, 특정 지점에서의 캔틸레버의 움직임을 나타내는 획득된 신호의 절대 값을 반영하는 정적 신호 피드백을 사용하는 접촉 모드에 대조적이다. 정적 신호 피드백은 열 드리프트(thermal drift)와 정전기 충전에 사용될 수 있으며, 종래 기술에서 알려진 바에 의하면, 측정의 감도에 직접 영향을 미치는 중대한 문제를 생성한다. 한편, 획득된 신호에서 능동 신호(active signal)는 상대적인 이동을 반영한다. 상대적인 변화를 고려함으로써, 열 드리프트와 정전기 충전에 의해 동적 신호가 영향을 덜 받는다. 그 결과로서, 상기 능동 신호를 기반으로 동작하는 기법은, 정적 신호를 기반으로 하는 것보다 훨씬 더 감도가 뛰어난 것이 일반적이며, 이것이 진동 모드에서 중대한 이점을 제공한다.
동적 측정으로서 진동 모드는, 대기 중의 대응하는 캔틸레버의 높은 “Q" 값으로부터 이득을 취한다. 공진하는 캔틸레버의 Q 요인은, 최대 진폭의 1/2에서의 상기 캔틸레버의 주파수 응답의 폭을 캔틸레버의 공진 주파수에 의해 나눈 값을 의미한다. 캔틸레버 진동에서의 더 높은 Q 요인이 캔틸레버의 진폭과 위상의 변화를 기반으로 하는 측정에서의 신호-대-노이즈 비를 개선시킨다. 상기 Q 요인은 또한 탐침에 의해 샘플에 가해지는 유효 힘을 감소시킨다. 그 결과로서, TappingMode 사상은 접촉 모드보다 훨씬 더 낮은 힘으로 수행되는 것이 일반적이며, 이에 따라서, 더 연성의 샘플의 기계적인 사상이 가능해진다. 결국, 진동 모드에서, 상기 탐침-표면 접촉 시간은 진동 사이클의 작은 부분이며, 상호작용 힘은 대부분 수직 방향으로 존재하고, 전단응력은 큰 폭으로 감소된다.
그러나 진동 모드에서, 캔틸레버 공진 주파수는 10㎑이상인 것이 일반적이다. 60fA 범위의 전류를 측정하기 위해 충분히 민감한 증폭기는 1㎑ 미만으로 대역폭이 제한된다. 덧붙이자면 이전에 언급된 바와 같이, 진동 모드에서, 상기 탐침은 진동 사이클의 작은 부분(가령 1%) 동안, 표면을 접촉하고 있다. 이것이 전단응력을 최소화(따라서 샘플의 손상을 최소화)하기에 적합할지라도, 이러한 최소 접촉은, 상기 탐침이 “근방 영역(near field)”으로 알려진 곳의 안팎으로 이동한다는 단점이 된다. 샘플의 많은 전기적 성질을 측정하기 위해, 프로브의 탐침이 상기 근방 영역의 내부에서 존재해야만 하기 때문에, 이는 전기적 측정을 수행하기 위한 진동 모드를 사용함에 따른 명백한 단점이 된다. 결국, 이러한 이유로, 진동 피드백 모드에서 동작하는 동안, 샘플 상에서 낮은 전류 측정을 수행하는 것이 가능하지 않다.
따라서 접촉 모드에서 AFM을 동작시키기는 것과 함께, 이러한 종류의 전기적 측정을 수행하는 것이 남겨진 과제이다. 앞서 언급한 바와 같이, 접촉 모드에서, 탐침과 샘플 표면 간의 기계적 접촉은 항상 존재해야만 하고, 따라서 최소한의 힘은 항상 적용된다. 실제로, 상기 탐침은 샘플 표면 상에 위치하는 물 층으로 침투되어야만 하고, 상기 샘플 표면을 누르게 되어야한다. 그렇지 않으면, 안정적인 사상이 획득될 수 없다. 따라서 “연성” 캔틸레버, 즉, 낮은 스프링 상수를 갖는 캔틸레버가 접촉 모드에서 사용되어 상기 샘플 표면에 적용되는 힘의 크기가 최소화되며, 따라서 상기 샘플에 가해지는 손상도 최소화되는 것이 일반적이다. 일부 경우에서, 표면 옥사이드를 뚫어서, 견고한 전기 접촉을 만들기 위해 스티퍼 캔틸레 버(stiffer cantilever)가 사용된다.
접촉 모드 캔틸레버는, 탐침이 샘플 표면에 스내핑(snapping) 접촉하지 않고서는 샘플 표면에 가깝게 가져가 지지 못한다는 중대한 단점을 갖고 있다. 이는 탐침이 샘플 표면으로 다가감에 따라 레버 기능을 하는 메니스커스 힘(meniscus force)을 생성하는 샘플 표면 상의 물 층 때문이다. 이는 특히 힘 분광 측정(force spectroscopy measurement)을 수행할 때 문제가 되며, 이는 도 1~3을 참조하여 설명된다.
분광, 또는 힘 측정이 수행될 때, 광학 편향 검출 계획에 따라, 캔틸레버의 편향이 모니터됨에 따라, 프로브-샘플 이격 거리는 하나의 단일 스캔 위치(가령, X-Y 위치)에서 제어된다. 특정 속도로 상기 탐침이 샘플 표면과 접촉하도록 이동되고, 그 후 상기 표면으로부터 빠져나온다. 도 1에서 나타난 바와 같이, 프로브(20)의 탐침(22)이 샘플 표면(24) 방향으로 가져가 질 때(일반적으로 상기 샘플이 고정된 프로브 방향으로 이동하거나, 프로브가 고정된 샘플 방향으로 이동함에 의해), 상기 탐침은 “A”로 표시된 비교적 큰 이격 거리만큼 떨어져서 상기 샘플 표면과 스냅 접촉(snap contact)한다.
이것의 구체적 결과가 편향에 대한 거리(즉, 프로브-샘플 이격 거리)의 도표를 나타내는 도 2 및 3에서 그래픽으로 도식된다. 우선, 화살표에 의해 나타나는 바와 같이 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하는 탐침은, 프로브-샘플 이격 거리가 감소함에 따라 "P"로 표시된 지점에서, 샘플 표면과 스냅 접촉(snap contact)한다. 그 결과로서, 프로브의 편향이 아래쪽으로 증가한다. 이러한 스냅 접촉이 도 3에서 더욱 명확하게 나타난다. P로 표시된 영역에서, 메니스커스 힘에 의해 이끌림에 따라 일시적으로 아래쪽으로 편향된 캔틸레버가 나타나고, 탐침을 샘플 표면에 접촉하도록 구동시킨다. 그 후, 프로브-샘플 이격 거리가 더욱 감소함에 따라, 상기 프로브가 위쪽으로 편향된다. 이러한 분광 측정의 경우에서, 샘플 표면으로부터의 프로브가 빠져나오면, 상기 탐침은 샘플 표면에 부착되어 있는 것이 일반적이며, 이에 따라서, 상기 탐침이 샘플 표면으로부터 해방되는 지점인 “Q” 표시된 지점에 도달할 때까지, 상기 캔틸레버는 또 다시 아래쪽으로 편향한다. 프로브와 샘플 사이의 이러한 작용에 의해, 탐침-샘플 이격 거리의 연속체에서, 전류 측정을 수행하기 위해 AFM이 탐침을 고정하지 않는 불안정성 영역(region of instability)이 생성된다. 따라서 I1과 I2로 형성된 이러한 영역에서, 샘플의 속성이 사용자에게 나타나지 않는 것이 일반적이다.
그러므로 연성의 섬세한 물질 상의 토포그래피에 관련되어 있는, 전기장의 속성 측정은, 60fA 내지 120fA의 초저전류(ultra-low current)의 나노미터 수준의 측정을 가능케 하는 시스템을 필요로 하며, 이는 피드백 메커니즘으로서 전류를 기반으로 하지 않고 STM 타입의 투과 전류(tunneling current) 데이터를 획득하기 위함이다. 이상적인 해결책은 탐침의 외장을 감소시키고, 유전 막과 절연 막의 두께 및 전기적 성질을 측정하기 위한 처리량을 증가시킨다.
시스템에 의해, 표면과 상기 표면으로부터의 작은 수직 이격에 관련되어 있는 I/V 곡선의 안정적이고, 국부적인 측정이 가능해질 수 있는 것이 바람직하다. 프로브 탐침을 (바람직하게는, 수 나노미터의 탐침-샘플 이격 거리 내의) 근방 영역 내부에서 유지할 수 있고, 프로브가 샘플 표면과 스냅 접촉하지 않는다는 것을 보장하는 시스템이 이상적일 것이다.
나노미터 수준의 전도성과 비-전도성 영역으로 구성된 샘플의 전기적 성질을 특징화하는 AFM(Atomic Force Microscopy) 장치와 방법을 제공함으로써, 바람직한 실시예가 앞서 언급한 단점을 극복한다. 이러한 기법에 의해 측정될 수 있는 국부 전기적 성질로는, 전압, 전류, 전도도, 저항, 전도성 전류, 투과 전류, dI/dV, dI/dz, 표면 퍼텐셜, 작동 기능, 용량, dC/dV, dC/dz, 유전 상수, 도펀트 농도, 임피던스, 배리어 높이, 유도된 광전압이 있다. 이들 모두는 SPM에 의해 생성되는 국부 전기 측정치의 예이다. 시스템과 방법에 의해, 바이어스가 탐침과 샘플 사이에서 제공될 때, 획득되는 전기 전류와 토포그래피를 동시에 사상(mapping)함으로써, 전기적 성질과 함께, 샘플 표면상의 위치의 직접 좌표가 제공된다. 특히, 바람직한 실시예에 의해, (60fA 내지 120pA의)초저전류를 사용하여, 연성의 섬세한 물질 상에서의 나노미터 수준의 측정이 가능해진다. 바람직한 실시예에서, 상기 프로브의 비틀림 공진의 진폭이 상기 프로브를 상기 샘플 표면에 가깝게 유지되도록 제어하기 위해 사용되는, TR 모드가 사용되어, (가령 나노미터 수준의)좁은 팁-샘플 이격 거리에서의 상기 팁과 표면 사이의 전류의 정확한 측정이 가능해진다. 또는, 상기 프로브가 횡방향 공진으로 진동할 수 있다.
바람직한 실시예의 첫 번째 태양에 따라, SPM을 동작시키는 방법은, 상기 SPM의 프로브를 상기 프로브의 공진으로 진동시키는 단계(이때, 상기 공진은 비틀림 공진과 횡방향 공진 중 하나 이상이다.)와, SPM의 프로브와 샘플 사이의 전기 전류를 측정하는 단계를 포함한다. 덧붙이자면, 상기 측정하는 단계는 SPM 동작의 설정 포인트를 유지하도록, 비틀림/횡방향 공진을 사용하는 동안 수행된다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 샘플은 전도성 폴리머, 유기 LED, 생체 분자, 카본 나노튜브, 나노와이어, 반도체, 생체 조직 중 하나이다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 설정-포인트는, 프로브의 탐침과 샘플의 표면 사이의 이격 거리를 나타낸다. 상기 이격 거리는 10nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1nm 내지 5nm이다.
본 실시예의 또 다른 태양에 따라, 전기적 성질은 전기 전류이고, 상기 측정하는 단계는 pA-증폭기를 사용하여 전류 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 프로브는 전도성을 띄고, DC 바이어스 전압이 상기 프로브와 상기 샘플 사이에서 제공된다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 프로브는, 약 1nm 내지 5nm의 팁-샘플 이격을 유지하기 위해 충분히 강성을 갖는 것이 바람직하다. 프로브는 1 내지 40N/m의 스프링 상수를 갖는다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 프로브는 능동 요소를 포함하는 캔틸레버를 갖는 자기-가동형 프로브이다. 상기 자기-가동형 프로브는 상기 자기-가동형 프로브의 캔틸레버의 후부 상에 배치된 압전기 구동 액추에이터를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 방법은 상기 탐침과 상기 표면 사이에서 전류를 생성하도록, 상기 프로브의 탐침과 상기 샘플의 표면 사이에 DC 바이어스 전압을 적용하는 단계를 더 포함한다. 상기 전류는 500pA 이하인 것이 바람직하고, 상기 전류는 60fA 내지 120pA인 것은 더욱 바람직하다.
본 실시예의 또 다른 태양에서, 상기 전기적 성질은 용량이며, 이는 SCM 측정치를 나타낸다. 상기 방법은 샘플의 토포그래피를 동시 측정하는 단계를 또한 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에서, SPM를 동작시키기 위한 방법은 프로브를 이용하여 샘플의 전기적 성질을 측정하는 단계와, 상기 프로브와 상기 샘플 사이에서 존재하는 힘이 50nN 이하의 총합으로 유지하는 단계를 포함한다. 상기 총합은 25nN 이하인 것이 바람직하며, 상기 총합은 1nN 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또 다른 실시예에서, SPM를 동작시키기 위한 방법은 프로브를 이용하여 샘플의 전기적 성질을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 샘플은 1Gp 이하의 탄성률을 갖는 것이 일반적이다. 상기 측정 단계는 샘플의 소성 변형없이 수행되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 캔틸레버를 포함하는 SPM을 이용하여 전기적 성질 측정을 수행하는 방법은, 비틀림 공진(torsional resonance)과 횡방향 공진(lateral resonance) 중 하나 이상으로, 또는 그와 유사하게, 상기 캔틸레버를 진동시키는 단계와, 상기 진동하는 캔틸레버의 속성을 측정하는 단계와, 상기 속성을 측정하는 단계의 결과로써, 상기 프로브-샘플 이격 거리를 조정하는 단계와, 상기 샘플과 상기 프로브 사이의 전류를 측정하는 단계를 포함하며, 이때 상기 프로브의 탐침이 샘플의 표면으로부터 0나노미터 내지 5나노미터만큼 이격되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예의 또 다른 태양에서, 샘플을 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는 프로브를 지지하는 프로브 홀더(probe holder)와, 비틀림 공진으로 상기 프로브를 진동시키기 위한 에너지를 상기 프로브로 연결시키는 비틀림 공진 모드 액추에이터와, 상기 프로브와 전기 통신하는 컨덕터와, 상기 프로브와 상기 컨덕터 사이에 배치되는 샘플을 측정하기 위한 전기적 성질 측정 검출기를 포함한다.
도 1은 샘플 표면과 접촉하도록 이동된 프로브를 도식한 도면이다.
도 2는 “연성” 캔틸레버를 사용하는 AFM에 의해 생성되는 힘 곡선을 도식한 그래프이다.
도 3은 도 1의 분석도이다.
도 4는 비틀림 공진 모드에서, 샘플의 전기적 성질을 측정하기 위한 AFM의 바람직한 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 5는 비틀림 공진 모드에서 샘플의 전기적 특정을 측정하기 위한 AFM의 더욱 세부적인 블록 다이어그램이다.
도 6은 비틀림 공진 모드 SPM을 도식한 도면이다.
도 7은 비틀림 공진 모드에서 SPM을 동작시키기 위한 방법을 도식한 흐름도이다.
도 8은 도 6의 현미경과 유사한 비틀림 공진 모드 SPM을 도식한 도면이다.
도 9는 바람직한 실시예의 전류 검출 장치를 도식한 도면이다.
도 10은 능동 캔틸레버와 네스티드 피드백 제어기를 포함하는 바람직한 실시예에 따르는 AFM의 도면이다.
도 11은 비틀림 공진 모드에서 동작하는 프로브를 도식한 도면이다.
도 12는 바람직한 실시예에서 사용되는 차폐된 프로브 홀더의 도면이다.
도 13은 바람직한 실시예에 따르는 TR-SCM의 도면이다.
도 14A 및 14B는 카본 블랙으로 충진된 열 플라스틱 폴리머를 이미징할 때, 비틀림 공진 모드를 이용하여 포지티브 바이어스를 갖는 토포그래피와 전류 분포를 나타내는 이미지이다.
도 15A 및 15B는 비틀림 공진 모드를 사용하여, 네거티브 바이어스를 갖는 트포그래피와 전류 분포를 나타내는 이미지이다.
도 16A 및 16B는 도 15A 및 15B와 유사한 이미지로서, HOPG 표면 상에 카본 나노튜브를 이미징할 때, 네거티브 바이어스를 갖는다.
도 17A 및 17B는 포지티브 바이어스를 갖는, HOPG 표면 상의 카본 나노튜브를 이미징할 때, 토포그래피와 투과 전류 분포 이미지이다.
도 18은 반도체(SRAM) 샘플의 TR 토포그래피(좌)와, TR-SCM(우) 이미지이다.
도 19는 TR-SCM(좌)와 접촉-SCM(우)의 비교 이미지이다.
도 20은 바람직한 실시예의 기기가 동작할 수 있는 서로 다른 공진 주파수 범위를 나타내는 그래프이다.
바람직한 실시예는, US Ser. Nos. 10/189,108과 10/937,597에서 설명되는 종래의 비틀림 공진 모드(TR mode: torsional resonance mode)에서 발전된 AFM 동작의 새로운 모드에 의해 제공되는 장점을 취한다. 상기 기법은 캔틸레버 프로브를 자신의 비틀림 공진 주파수로 구동시키는 것과, 상기 샘플 표면의 인접부에 탐침을 유지하는 피드백 제어의 공진으로, 진동의 진폭을 사용하는 것을 포함한다. AFM 동작의 또 다른 모드에서와 같이, 이러한 피드백 신호는 샘플의 특성, 가령 샘플 토포그래피를 나타내기 위해, 그리고 표면의 맵을 생성하기 위해 사용될 수 있다. TR 모드에서, 4-사분면 광 검출기에 의해, 레버의 비틀림 공진이 측정된다. 더욱 세부적으로, 상기 검출기는 캔틸레버의 휨(flexural) 움직임과 비틀림(torsional) 움직임을 각각 나타내는 프로브 움직임의 수직 요소와 수평 요소 모두 구분한다.
프로브가 샘플 표면의 인접부로 가져가질 때, 검출된 비틀림 신호의 RMS 진폭을 감소시키는 것이, 탐침 표면 상호작용의 측정으로서 사용된다. 비틀림 진동의 측정을 기반으로 하여, 탐침-샘플 이격 거리가 조정되기 위해, 피드백 루프가 사용된다. 가령, 상기 피드백 루프는, 비틀림 공진의 진폭, 위상, 주파수, 또는 그 밖의 다른 측정치에 반응하여, 탐침-샘플 이격 거리를 조정할 수 있다. 상기 피드백 루프는 탐침, 또는 샘플, 또는 둘 모두를 이동시켜 탐침-샘플 이격 거리를 조정할 수 있다. 이러한 이격 거리에서 약간의 진동이 발생할지라도, 피드백 루프는 탐침-샘플 이격 거리가 충분히 같게 유지되도록 최적화되는 것이 바람직하다. 상기 피드백 루프는 아날로그, 디지털, 또는 그 둘의 하이브리드일 수 있다. 상기 피드백 루프는 단순한 PI(Proportional/integral) 알고리즘을 사용할 수 있거나, 임의의 종 류의 더 복잡한 제어 설계를 사용할 수 있으며, 그 예로는 모델 기반 제어기 H2, 또는 H-infinity 제어일 수 있다. 제어 이론 교본은 이러한 많은 제어 알고리즘을 내포하고 있다.
한편, 휨 진동 모드(TappingMode)와 대조적으로, 전체 진동 사이클(듀티 사이클) 동안, 상기 탐침은 표면에 인접하게 유지된다. 이에 따라 상기 팁과 샘플 사이에 바이어스가 제공되는 것이 가능하고, 팁을 통과하는 최종 전류가 측정되는 것이, 상기 표면의 토포그래피를 사상하는 동안에 동시에 발생할 수 있다. 이러한 측정은, 큰 관련 전단응력이 섬세한 샘플에 손상을 입히는 접촉 모드에서 이뤄진다는 중대한 단점을 가지며, 따라서 이러한 샘플의 바람직한 데이터를 획득하는 것은 원칙적으로 불가능하다. 덧붙이자면, 접촉 모드 대신, TR 모드를 사용함으로써, 명확하게 더 큰 강성(즉, 스프링 상수)을 갖는 캔틸레버가 사용될 수 있고, 따라서 접촉 모드에서 사용되는 “연성” 캔틸레버에 관련되어 있는 스냅 접촉 문제 없이, 정확하게 근방 영역(near field)의 내부에서, 전기적 매개변수를 측정하기 위해 상기 프로브가 위치할 수 있다.
TR 모드 이미징에서, 상기 캔틸레버는 탐침과 샘플 사이의 수직 방향에서, 인력에 의해 아래쪽으로 끌려지도록, 위치할 수 있다. 척력 접촉 모드의 경우와 대조적으로, TR 모드에서는 탐침, 또는 샘플이 손상되지 않는 작은 인력이 최적화될 수 있다. 또한, TR 모드는 진동 동작 모드이며, 따라서 동적 측정(dynamic measurement)이다. 그러므로 TR 모드는, 대기 중에서 대응하는 캔틸레버의 높은 “Q” 값에 의해 이득을 취한다. 또한, 캔틸레버 진동의 더 높은 Q 인자가, 프로브의 캔틸레버의 진폭 및 위상의 변화를 기반으로 하는 측정에 있어서 신호-대-노이즈 비를 개선시킨다. 따라서 이러한 부가적인 이유로, TR 모드에서의 동작될 때, 접촉 모드에서 동작하는 것보다 측정의 감도가 더 뛰어나다.
높은 Q 진동과, 감소된 수직 힘 때문에, 탐침과 샘플 사이의 횡력은, 정적 전단응력보다 더 작다. 이러한 경우에서, TR 모드에서의 에너지 손실이 표면 팽창(즉, 표면의 탄성 소성)일 수 있다. 따라서 TR 모드는 TappingMode와 마찬가지로, 연성의 섬세한 샘플을 이미징할 수 있으나, 표면의 근방 영역 내부에서 탐침을 항상 유지한다. 그와 같이, 탐침을 일정한 높이로, 특정 샘플 영역내에 유지하기 위해 비틀림 모드를 사용하여, STM(Scanning Tunneling Microscopy)에서 획득되는 일정한 전류-전압 곡선 및 전류-전압 곡선(이른바 STS: Scanning Tunneling Spectroscopy)과 유사한, 국부적인 힘 분광 정보를 획득하기 위해 상기 탐침과 샘플 사이에 바이어스를 만드는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에 의해 해결되는 또 다른 문제는, 앞서 언급된 STM의 단점 중 하나에 관한 것이다. STM에서, 토포그래픽 피드백은 탐침과 샘플 간의 투과 전류(tunneling current)를 바탕으로 하기 때문에, 상기 탐침을 표면 상에서 유지하기 위해, 전체 샘플 표면이 전도성을 띄어야 한다. 토포그래픽 피드백을 위해 비틀림 공진 진폭을 사용함으로써, 상기 탐침은 상기 표면보다 약간 위의 위치에서, 상기 표면과 기계적으로 접촉하지 않고 유지될 수 있고, 토포그래픽 피드백 루프를 유지하기 위해 지속적인 전류를 유지하느냐에 관계없이, STM-타입 투과 데이터를 획득할 수 있다. 물론, 언급한 바와 같이, 통상적인 접촉 모드의 캔틸레버보다 더 큰 강성을 갖는 캔틸리버가 사용되기 때문에, 즉, 탐침이 샘플 표면과 스냅 접촉하지 않고, 작은 탐침-샘플 이격 거리가 유지될 수 있기 때문에, 이것이 가능하다.
도 4를 다시 참조하여, 작은 수준의 전류와 샘플의 토포그래피를 측정하기 위한 기구(30)는, 전기적 성질 검출기(34)에 연결되어 있는 AFM(32)을 포함한다. 다음에서 더욱 자세하게 서술될 바와 같이, AFM(32)은 비틀림 공진으로 진동하는 프로브와, 상기 프로브의 비틀림 진동의 변동을 감지하는 검출기를 포함한다. AFM(32)은 이러한 변동을 사용하여 AFM 동작을 설정-포인트에서 유지하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 도 4에서 “출력 A”라고 나타내어지는 이러한 제어 신호는 샘플 특성, 가령 토포그래피를 나타낸다. 다음에서 더 설명될 전기적 성질 검출기(34)는 샘플, 또는 탐침-샘플 접합의 하나 이상의 속성, 가령 AFM(32)의 프로브의 탐침과 샘플 사이에서 흐르는 전류를 측정할 수 있고, 그에 따라서 가령, 상기 샘플을 가로지르는 전류 분포의 맵을 생성하기 위한 “출력 B”를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 비틀림 공진의 변동에 의해, 탐침-샘플 이격 거리를 유지하기 위한 피드백이 제공되는 동안, 샘플의 비-전도성 부분이 스캔되는 동안일지라도 전류 측정이 동시에 이뤄질 수 있다. 덧붙이자면, 앞서 언급된 바와 같이, 분광 전류 측정이 관심 스캔 영역에서 이뤄질 수 있다. TR 모드 피드백과, 비교적 강성인 프로브를 사용함으로써, 이러한 분광 측정이 얻어질 수 있다.
도 5를 참조하여, 시스템(30)의 더욱 세부화된 블록 다이어그램이 나타난다. 프로브의 비틀림 진동의 변동을 검출함으로써 AFM 데이터 획득을 동시에 제어하는 동안, 기기(30)가 샘플의 전기적 성질을 검출할 수 있다. 상기 기기(30)는 비틀림 공진 주파수로 구동되는 스캐닝 프로브(36)를 갖는 AFM(32)을 포함한다(US Ser. Nos. 10/189,108과 10/937,597). 상기 비틀림 공진 주파수는 1㎑ 내지 10㎓이다.
일반적으로 광학 검출 시스템(가령, 사분면 광검출기를 사용하는 레이저 빔-바운스 시스템)인 검출기(38)에 의해, 프로브(36)의 편향이 모니터된다. 그러나 검출기(38)는 캔틸레버의 이동의 측정을 제공하기 위한 임의의 장치를 가질 수 있다. 적합한 검출기의 또 다른 예로는 광학 간섭계, 용량 검출기, 압전기 및 압저항 검출기가 있다(그러나 제한받지 않음).
검출기(38)의 출력이, 비틀림 진동의 측정을 획득하기 위해 사용될 수 있는 신호 프로세서(40)로 전달된다. 가장 간단한 구현에서, 상기 신호 프로세서가 비틀림 진동의 진폭을 측정하기 위한 하드웨어, 또는 소프트웨어로 구성될 수 있다. 상기 하드웨어, 또는 소프트웨어를 대체하는, 또는 추가되는 것이 사용되어, 비틀림 진동의 위상, 또는 주파수, 또는 그 밖의 다른 매개변수를 측정할 수 있다. 이러한 신호 프로세서는 전체적으로 아날로그 회로, 가령 RMS-대-DC 컨버터, 락-인 증폭기, 위상 고정 루프일 수 있다. 또는, 고속 데이터 획득 시스템에 의해, 높은 주파수의 캔틸레버 편향 신호가 직접적으로 샘플링될 수 있고, 전용 디지털 회로, 디지털 신호 프로세서, FPGA, 컴퓨터 중 하나를 이용한 디지털 연산을 사용하여 상기 획득된 신호가 복조될 수 있다. 또 다른 대안예에서, 아날로그와 디지털 구성요소 중 하나 이상으로 조합된 하이브리드 시스템(hybrid system)이 사용되어 요망 신호 조정이 획득될 수 있다.
신호 프로세서(40)는, 요망 설정 포인트와 비교를 위해 획득된 신호를 조정 하도록 동작한다. 상기 설정-포인트는 사용자에 의해 설정되거나, 시스템에 의해 자동으로 결정될 수 있다. 에러 노드(42)에서, 상기 설정-포인트는 신호 프로세서의 출력에서 차감된다. 상기 에러 노드(42)에서의 감산은 아날로그 회로, 가령 기구 증폭기(instrumentation amplifier), 또는 연산 증폭기(operational amplifier)에 의해 수행될 수 있다. 또는, 상기 설정-포인트 감산이 디지털 전자기기에 의해 수행되거나, 컴퓨터 내부에서 수행될 수 있다. 에러 노드(42)는 제어기(44)로 전송되는 에러 신호를 출력한다. 제어기(44)는 탐침-샘플 이격 거리를 조정하는 하나 이상의 z-액추에이터의 움직임을 제어하기 위해 사용되는 신호를 출력한다. 아날로그 회로와, 디지털 전자기기(가령, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이, 컴퓨터)에 의해, 또는 이 둘의 하이브리드에 의해, 제어기(44)가 구현될 수 있다. 상기 제어기(44) 루프는 단순한 PI(propotional/integral) 피드백 알고리즘을 사용하거나, 더욱 복잡한 제어 설계, 예를 들어 모델 기반의 제어기 H2, 또는 H-infinity 제어를 사용할 수 있다.
제어기(44)는 비틀림 공진 진동을 선택된 설정-포인트로 복귀시키는 제어 신호를 생성한다. 더욱 상세히는, 상기 세어 신호가, 프로브, 또는 샘플을 수직 방향으로 이동시키기 위한 액추에이터(46)로 제공된다. 이러한 경우에서, 용어“수직 방향”은 프로브와 샘플 사이의 이격 거리의 중심 축을 일컬으며 편의를 위해 사용된다. 상기 액추에이터(46)는 전압이 공급될 때 팽창하고 수축하는 압전기 액추에이터이다. 휨 수단, 또는 그 밖의 다른 수단에 의해, 상기 압전기 액추에이터는 추가적으로 유도되거나 제약받을 수 있다. 덧붙이자면, 상기 액추에이터는 개별 요 소, 또는 다-축 스캐너(multi-axis scanner)의 한 부분, 가령 XYZ 압전기 튜브일 수 있다. z-엑추에이터는 균형 운동량 액추에이터일 수 있다(U.S. 특허 Nos. 6,323,483과 6,861,649). 대안적 실시예에서, 상기 액추에이터는 전왜(electrostrictive) 장치, 또는 자성 장치, 또는 입력 신호에 응답하여 움직임을 생성하는 그 밖의 다른 장치일 수 있다.
마지막으로, 기구(30)는, 피코앰프 범위(picoamp range)에서, 프로브와 샘플 간의 전류를 측정하기 위한 저-노이즈 pA-증폭기(48)인 것이 바람직한 전기적 성질 검출기(34)를 포함한다. 상기 전기적 성질 검출기(34)는 별도의 게인 스테이지(gain stage)와 필터 스테이지를 포함하며, 이는 궁극적으로 약 60fA의 요망 범위에서 전류 측정을 가능하게 하는 ADC(analog-to-digital converter)로 신호를 출력한다. 또한 상기 전기적 성질 검출기는, 전압, 전류, 전도성, 저항성, 전도 전류, 투과 전류, dI/dV, dI/dz, 표면 퍼텐셜, 작업 함수, 용량, 유전 상수, 임피던스, 유도된 광전압 같은 속성을 측정하기 위한 장치일 수 있다. 예를 들어, 저항 측정에 대한 장치는 탐침/샘플 이격 거리로 전압을 제공하고, 최종 전류를 측정한다. 표면 퍼텐셜 측정에 대하여, 추가적인 피드백 루프가 탐침 상에서 전압을, 상기 표면 상의 퍼텐셜과 일치할 때까지 조정한다. 요망 전기적 성질이 임피던스일 경우, 예를 들어 Agilent에 의해 제조되는 벡터 임피던스 미터(vector impedance meter)가 전기적 성질 검출기(34)일 수 있다. 덧붙이자면, 이러한 장치는 “애플리케이션 모듈(applications module)”, 즉 특정 전기적 측정을 가능하게 해주는 양수인에 의해 판매되는 보조 유닛일 수 있다. 예를 들어, 본 양수인이 확산 저항 스캐닝 애플리케이션 모듈, 용량 검사 스캐닝 애플리케이션 모듈, 투과 AFM(TUNA)애플리케이션 모듈, 4-사분면 프로브 측정 애플리케이션 모듈을 판매한다. 전기적 성질 검출기(34)가 단일 박스로서 개략적으로 나타나며, 이는 단순한 전자 회로, 가령 증폭기로 구성될 수 있다. 또는, 원하는 측정에 따라, 더욱 정교한 전자 기기로 구성될 수 있으며, 이는 컴퓨터, 또는 그 밖의 다른 디지털 전자기기의 부분, 또는 전체로 구현될 수 있다. 앞서 언급된 모든 전기적 성질 측정에 있어서, 이를 세부적으로 설명하는 다수의 출판물이 존재하며, 따라서 본원에서는 더 이상 상세히 서술되지 않을 것이다. 그러나 필수 요구사항은 전기적 성질 검출기(34)가 샘플, 또는 탐침-샘플 접합의 하나 이상의 전기적 성질을 측정한다는 것이다.
각각의 블록(32, 34)에 관련되어 있는 바람직한 장치에 대한 재설명이 지금부터 이어진다. 우선, 비틀림 공진 모드에서의 AFM 동작은 도 6-8을 참조하여 서술되며, 그 후 전류 검출이 도 9를 참조하여 설명된다.
비틀림 공진 모드 ( Torsional Resonance Mode )
비틀림 공진 모드에서 샘플의 하나 이상의 특성을 분석하는 프로브 기반 기구, 가령 AFM이 도 6~9에서 나타나며, 본원에서 설명된다. SPM 프로브의 캔틸레버에서, 임의의 개수의, 지속적인 비틀림 공진을 생성하기 위한 기법이, 피드백 제어와 함께 사용되어 샘플 표면을 이미징하거나 아니면 상기 표면의 특징이 규정될 수 있다. 동작 중에, 상기 프로브의 비틀림 진동의 속성(가령, 진폭, 위상, 주파수)이 모니터링되어 샘플 표면 특성이 판단될 수 있다. 가령, TR 모드가 수용될 수 있는 AFM(Veeco Instrument Inc.)에서 비틀림 신호 검출이 구현되는 것이 바람직하다.
용어 “수평 방향 움직임(horizontal motion)”이 본원에서 사용되며, 탐침을 회전시키는 토크(torque)에 의해 생성되는 움직임을 일컫기 위해 사용된다. 그러나 탐침의 움직임에 의해 추적되는 아크(arc)의 크기 때문에, 비틀림 공진 모드에서는 움직임은 단지 수평 방향에서만 유효하다. 이러한 움직임은 .3㎚ 내지 3㎚ 정도인 것이 일반적이다. 또한 탐침이 표면에 데이터 획득 시간의 1%의 시간 동안 접촉하는 TappingMode와 대조적으로, TR 모드에서, 상기 탐침은 시간의 거의 100%동안 표면 근처에서 유지된다.
비틀림 공진 모드 AFM(50)의 바람직한 실시예가 도 6에서 더욱 상세하게 나타난다. AFM(50)은 피드백 제어기(44)와, 프로브 진동 편향 검출 시스템(54)과, 액추에이터(56)와, 프로브 어셈블리(70)를 포함한다. 프로브 어셈블리(70)는 베이스(72)와, 프로브(71)를 포함한다. 상기 프로브는 상기 베이스(72)로부터 뻗어 있는 캐틸레버(74)와, 작업 중에 샘플(78)의 표면(80)과 상호작용하는 탐침(76)을 포함한다. 프로브 어셈블리(70)는 또한, 주파수 합성기(frequency synthesizer)를 포함하는 제어기 전자를 이용하여 상기 캔틸레버를 진동 상태로 가동하기 위한 액추에이터를 포함한다. 능동 레버(active lever)의 경우에 있어서, 압전기 층(122)이 액추에이터 기능을 수행한다. 또는, 하나 이상의 압전기 플레이트가 상기 캔틸레버를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
이러한 실시예에서, 프로브 어셈블리(70)는 액추에이터(56)에 의해 지지된다. 액추에이터(56)는, 가령 3개의 서로 수직인 방향으로, 자유 단부(60)를 이동시킬 수 있는, 따라서 이에 연결되어 있는 프로브 어셈블리(70)를 이동시킬 수 있는 압전기 튜브, 또는 압전기 스택과 함께 구현될 수 있는 XYZ 스캐너(58)를 형성하는 것이 바람직하다. 더욱 상세하게는, 가령 데이터 획득 동안 제어기(44)로부터의 피드백에 반응하여, 스캐너(58)의 Z 구동 섹션이 프로브 어셈블리를 상기 샘플의 표면에 수직 방향으로 이동시키는 동안, 스캐너(58)의 XY 섹션이 샘플 표면(80)을 따라 프로브를 이동시킨다. 대안적 실시예에서, XYZ 스캐너는 개별 요소, 가령 샘플의 XY 스캐닝과 프로브의 Z 구동, 또는 상기 프로브와 샘플 사이의 상대적인 움직임을 생성하는 임의의 변환으로 대체된다.
비틀림 공진 모드에서 AFM(50)을 동작시키기 위해, 최소한은 탐침(76), 그리고 바람직하게는 프로브(71)의 전체 캔틸레버의 움직임이, 프로브(71)의 비틀림 공진에 가까운 진동으로 구동되며, 이는 US. Ser. Nos. 10/189,108 및 10/937,597에서 서술된 기법 중 임의의 것을 사용하여 이뤄진다. 탐침(76)과 샘플(78) 간의 이격 거리는 축소되어(가령, Z방향으로 액추에이터(58)를 활성화시킴에 따라), 둘은 상호작용하게 된다. 프로브 진동 검출 시스템(54)에 의해 생성되는 광선 "L"(가령 레이저(51))이 캔틸레버(74)의 후부(75) 방향으로 발사되어, 반사된다. 그 후, 상기 반사된 광선이 검출기(62)에 의해 감지된다. 검출기(62)는 사분면 광검출기(quadrant photodetector)인 것이 바람직하다.
탐침(76)과 샘플(78) 간의 상호 작용에 의해, 상기 반사된 광선이 검출기(62)를 가로질러 횡 방향으로 이동한다. 이러한 반사된 광선의 횡방향 움직임은 하나 이상의 샘플 표면 특성을 나타낸다. 더욱 세부적으로, 대응하느 AC 신호를 생성하는 사분면 검출기(62)의 횡방향 셀에 의해, 상기 캔틸레버(74)의 진동 움직임 이 검출된다. 이러한 AC 신호의 변동은 표면, 그리고 가능하다면 샘플의 그 밖의 다른 특성의 나타낸다.
이러한 특성을 정량화하기 위해, 검출기(62)에 의해 출력되는 AC 신호(가령 횡방향 편향 신호)가 아날로그, 또는 디지털 수단에 의해 신호 처리 블록(40)으로 전송된다. 신호 처리 블록(40)은 캔틸레버의 횡방향, 즉 비틀림(torsional) 움직임에 관련되어 있는 신호를 출력한다. 이러한 경우에서 신호는 아날로그 신호, 가령 상기 캔틸레버의 비틀림 움직임을 나타내는 전압, 또는 디지털 신호(또는 디지털 데이터)를 일컫는다. 이러한 경우에서, 프로세싱 블록(40)에 의해 출력되는 횡적 신호가 에러 노드(42)로 전달되며, 상기 에러 노드는 요망 비틀림 진동에 따르는 지정 설정 포인트를 기반으로 하여 에러 신호를 생성한다. 이러한 맥락에서, 상기 에러 신호는 컴퓨터 내부의 아날로그 전압, 디지털 신호(또는 데이터)일 수 있다. 요망 비틀림 진동이 진동 진폭으로서 규정될 수 있다. 또는 검출기(62)에 의해 출력되는 신호의 위상은 분석되어, 적정 비틀림 진동의 설정-포인트 위상과 비교될 수 있다. 이러한 방식으로, 위상, 또는 주파수 신호는, 프로브-샘플 상호작용을 제어하기위한 피드백 루프의 에러 신호로서 사용될 수 있고, 또한 비틀림 공진 피드백으로서 알려 있다. RMS-대-DC 컨버터, 또는 락-인 증폭기, 또는 동일한 기능을 수행하는 그 밖의 다른 구조물이 사용될 수 있다.
그 후, 에러 노드(42)에 의해 출력되는 에러 신호가 제어기(68)로 전달되어, 상기 제어기(68)에서, 상기 프로브의 비틀림 진동을 설정-포인트 값으로 복귀시키는 제어 신호를 생성함으로써 에러가 보상된다. 피드백 루프에서 제어기(68)는 P- I(proportional-integral) 게인 스테이지일 수 있으며, 이때 XYZ 스캐너(58)에게 보정 신호가 전송된다. 상기 보정 신호에 반응하여, 스캐너(58)가 프로브 어셈블리(70)를 샘플(78)의 표면에 수직으로 이동시켜, 상기 프로브(71)의 진동을 설정-포인트 값으로 복귀시킨다. 이는 샘플 표면이 내포하고 있는 데이터를 제공하는 제어기(68)에 의해 출력되는 제어 신호이다.
덧붙이자면, 프로브 어셈블리(70)와 샘플(78) 사이의 상대적 스캐닝 움직임이 사용되어, 각각의 스캔 위치에 대하여, 상기 제어기(68)에 의해 생성되는 보정 신호를 표시함으로써, 샘플 표면(80)의 맵이 생성될 수 있다. 스캐너(58)의 X-Y 구성요소가 사용되어, 맵을 생성하기 위해, 탐침(76)을 샘플(78)의 표면(80)의 서로 다른 위치에서 있게 할 수 있다. 또는 비틀림 모드가 사용되어 힘 측정을 진행시킬 수 있고, 이에 대응하는 곡선을 생성할 수 있다. 이러한 측정에서, 서로 다른 “Z" 위치에서 상기 탐침(76)은 샘플(78)과 상호작용하고, 이에 대응하는 힘이 측정된다. 하나의 실험은 샘플의 표면 상의 분사 위로 끌어당기기 위해, 탐침(76)을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 힘 측정(가령, 국부적 강성 측정)은 U.S. Patent No.5,224,376에서 서술되며, 현재의 양수인에게 양도되었고, 이는 본원에서 참조로서 인용된다.
도 7을 참조하여, 흐름도가 AFM(50)을 사용하여 비틀림 모드 동작의 방법(90)을 도식한다. 블록(92)에서, AFM(50)은, 프로브 어셈블리(70)의 캔틸레버(74)의 중앙, 또는 세로 축에 대한 토크를 발동하는 임의의 개수의 기법을 사용하여 AFM 프로브(71)를 적정하게 구동시킴으로써, 비틀림 진동 모드로 들어간다. 이러한 기법과, 그 연계된 장치가 US. Ser. No. 10/189,108에서 서술된다.
그 후, 탐침(76)과 샘플(78) 간의 이격 거리는 감소하여 상호작용이 시작된다. 이러한 상호작용의 결과로서, 프로브(71)의 비틀림 움직임에 변동이 생긴다. 이러한 변동은, 검출 시스템(도 6에서는 참조번호 54)이 상기 프로브를 모니터하고, 대응하는 출력 신호를 생성함에 따라, 블록(96)에서 감지된다. 예를 들어, 방법(90)은 상기 비틀림 진동의 측정치를 판단하기 위해, RMS-대-DC 컨버터, 또는 락-인 증폭기, 또는 위상 잠금 루프, 또는 디지털 연산을 사용할 수 있다. 블록(100)에서, (가령, 도 6의 신호 프로세서(40)로부터) 조정된 출력이 프로브의 요망 진동과 관련되어 있는 설정-포인트와 비교된다. 이러한 비교에 따라서, 상기 프로브의 검출된 진동과 상기 설정-포인트 간의 차이를 포함하는 에러 신호가 생성된다. 블록(100)에서 비교가 완료되어 에러 신호가 생성되면, 상기 에러 신호가 제어기(44, 도6)로 전송되고, 상기 제어기에서 방법(90)은 에러 보정, 또는 제어 신호를 생성한다(블록(102)). 앞서 언급된 바와 같이, 상기 제어 신호는 P-I 게인 스테이지를 이용하여 생성된다.
블록(104)에서, 제어 신호가 도 3의 XYZ 스캐너(58)로 전송되어, 상기 탐침, 또는 샘플을 “Z”로 이동시키며, 상기 프로브의 진동을 설정-포인트 값으로 복귀시킨다. 상기 설정-포인트는 캔틸레버의 비틀림 공진 진동의 진폭, 또는 상기 진동의 주파수, 또는 상기 진동의 위상과 연계되어 있을 수 있다. 그 후, 블록(106)에서, 방법(90)은 상기 샘플 표면의 추가적인 포인트가 고려될 수 있는지의 여부를 판단한다. 고려될 수 있다고 판단될 경우, 스캐너가 상기 프로브(71)의 탐침(76) 을, 샘플 표면 상의 다음 지점으로 위치하게 하고(블록 (108)), 데이터 획득 단계를 반복한다. 모든 포인트가 고려되면, 상기 획득된 데이터를 사용하여 이미지가 생성될 수 있고(선택적 블록(110)), 상기 방법이 블록(112)에서 완료된다.
도 8을 참조하여, 대체적 배열에서, 샘플(78)이 XYZ 스캐너(56)의 자유 단부(60) 상에 위치하여, 프로브 어셈블리(70)보다는 샘플(78)을 이동시킴으로써, 샘플(78)과 프로브 어셈블리(70) 간의 상대적 위치가 수정될 수 있다. 이러한 배열은 가령 본 출원의 양수인의 Multi-ModeTM AFM을 사용하는 연구 애플리케이션에서 특히 유용하다. 이러한 경우에서, 검출 시스템(62)이 캔틸레버(74)의 비틀림 진동의 변동을 감지한다. 그러나 상기 설정 포인트 비틀림 진동을 유지하기 위해서, 프로브 어셈블리(70)의 위치를 이동시키는 것보다는, 샘플(78)이 설정 포인트 비틀림 진동을 유지하도록 이동된다. 물론, 3개의 서로 수직을 이루는 방향에서의, 샘플과 프로브 어셈블리 간의 상대적 움직임을 제공하도록 액추에이터의 임의의 조합이 구현될 수 있다.
비틀림 공진과 피드백에 대해 앞서 논의된 바와 같이, 동일한 장치와 방법이 비틀림 공진을 대신하여, 또는 비틀림 공진에 추가하여 횡방향 공진 주파수로 캔틸레버를 진동시킬 수 있다.
상기 비틀림 공진에 의해, 탐침이 횡방향 공진에서보다 덜 움직이기 때문에 상기 비틀림 공진이 더욱 바람직하며, 따라서 더 높은 분해능의 이미지가 가능하다. 표준 진동의 모달 분석(modal analysis), 또는 조화 분석(harmonic analysis) 기법을 사용하여, 주어진 캔틸레버 지오메트리에 대한 올바른 주파수를 단순히 선택함으로써, 비틀림 공진을 대신하여 횡방향 공진을 선택하는 것이 이뤄진다. 도 20은 휨 공진, 비틀림 공진, 횡방향 공진을 식별하는 225um(길이)x30um(폭)의 캔틸레버에 대하여 ANSYS를 사용하여 연산되는 스펙트럼을 나타낸다. 비틀림 공진을 대신하여 횡방향 공진 동작을 가능하게 하기 위해, 횡방향 공진에 대응하는 진동 주파수를 선택하는 것이 필요하다. 도 20에서, 비틀림 공진 동작이 1㎒에 걸쳐 발생할 것이고, 횡방향 공진은 800㎑ 부근에서 발생할 것이다. 설명의 간략성을 위해, 비틀림 공진에 대한 예비 지식에 대한 논의는 생략한다. 그러나 횡방향 공진의 진동에 적용되는 것과 동일한 장치 및 방법임 자명하다.
전류 검출 ( Current Detection )
그 후, 도 9에서 나타나는 바와 같이, 전기적 성질 검출기(34)에 연계되어 있는 전류 검출 설계(120)가 나타난다. 전도성 프로브(122)를 포함하는 AFM 프로브 어셈블리가 제공되어 상기 프로브와 샘플(127) 사이에서 전류가 흐를 수 있도록 한다. 프로브(122), 특히 프로브(122)의 캔틸레버(123)는, 종래의 접촉 모드 AFM 프로브보다 더 뛰어난 강성을 갖는 것이 이상적이고, 이에 따라 약 수 나노미터의 탐침-샘플 이격 거리에서, 근방 영역 내부에서 이미징할 수 있다(이때 1 내지 40N/m의 스프링 상수). 전도성 프로브(122)가 pA-증폭기(48)에 전기 연결되며, 상기 pA-증폭기는 바람직한 적용예에서 측정되는 작은 수준의 전류에 대해 특히 적응되는 저-노이즈 구성요소이다. 증폭기(48)는, 별도 게인 및 필터 스테이지(130)에 전기 연결되어 있는 전류 출력 신호를 생성한다.
동작 중에, DC 바이어스 전업 +/- 12V가 소스(126)를 통해, 프로브(22)와 샘플(127) 사이로 공급된다. 전도성 탐침(124)과, 예를 들어 샘플(127)의 표면 상에 위치하는 얇은 유전 막(128) 사이에서, 측정 전류가 흐른다. 동작 중에, pA-증폭기(48)에 의해 전류가 측정되고, 전류 데이터가 수집되거나, 사용자를 위해 디스플레이되는 아날로그-대-디지털 컨버터(132)로 전송되기에 앞서, 게인/필터 스테이지(130)에 의해 처리된다. 게인/필터 스테이지(130)가 약 30fA RMS 이하의 노이즈를 갖는 1pA/V의 게인을 제공하는 것이 바람직하다. 진폭 진동 모드와는 달리, 비틀림 공진 모드에서의 동작의 공진 주파수는 더 작고, 따라서 앞서 제시된 바와 같이, pA-증폭기(48)를 이용하여, 전류 검출의 준비가 촉진된다.
하나의 바람직한 실시예에서, 도 9에서 나타난 장치가 도 6에서 나타난 비틀림 공진 모드 AFM(50)으로 통합된다. 또는, 도 9에서 나타난 전류 검출 설계는, 빠른 응답형(즉, 능동, 또는 자기-발동형) 프로브와, 도 10에서 나타난 네스티드(nested) 피드백 제어기 회로를 포함하는 AFM(140)으로 통합될 수 있다. 도 10을 더 자세히 참조하면, AFM(140)은 AFM Z-위치 액추에이터(146)와 프로브 어셈블리(148)를 각각 제어하는 두 개의 피드백 루프(142, 144)를 포함한다. 프로브 어셈블리(148)는 베이스와, 탐침(154)을 지지하는 캔틸레버(152)를 형성하는 자기-발동형 프로브(150)와, 스캐닝 동안 샘플(155)과 상호 작용하는 탐침(154)을 포함한다.
샘플의 표면을 스캔하는 동안, 프로브(150)는 피드백 루프(142)의 출력에 응답하여, 상기 샘플의 표면의 토포그래피를 사상할 수 있다. 최대 스캐닝 속도에서 동작하기 위해, Z-위치 액추에이터(146)를 제어하는 제 2 피드백 루프(144)의 게인 이 0으로, 또는 작은 값으로 감소된다. 그 결과로서, 500micron/sec 보다 더 큰 스캐닝 속도에서, 샘플 표면의 토포그래피가, 제 1 피드백 루프(142)에 의해 자기-발동형 프로브(150)에 제공되는 피드백 제어 신호로서 나타난다. 이러한 경우에서, Z 위치 액추에이터(146)는, 예를 들어 샘플 표면의 경사를 따르도록, 또는 탐침(154)의 횡방향 스캐닝에 따른 연결을 제거하도록 미리 프로그래밍된 방식으로 제어될 수 있다. 능동 프로브 기법의 상세한 설명은 US Pat. Nos. 6,189,374와 6,530,266을 참조하라.
본 실시예에서, 신속한 Z 응답을 위해, 자기 발동형 프로브(150)의 빠른 Z 액추에이터(151)에 의해, 비틀림 진동 캔틸레버의 위치가 제어된다. 신속한 Z 액추에이터(151)는 아연 옥사이드 층을 포함할 수 있고, 예를 들어, 높은 대역폭에서, 감지 캔틸레버를 상·하로 이동시킬 수 있다. 종래 기술에서 이해되는 바와 같이, 압전기 Z 튜브(146)는 (프로브(150)를 이동시켜) 탐침-샘플 이격 거리를 액추에이터(151)보다 더 크게 변동시킬 수 있으나, 그 대역폭은 더 낮아진다. 능동 프로브(150)의 동일한 액추에이터에 의해 비틀림 응답이 구동된다. 프로브가 전도성을 띄게 함에 따라, DC 바이어스 전압이 상기 탐침과 상기 샘플 표면 사이에 제공되어, 앞서 언급한 바와 같이 전류가 측정될 수 있다.
TR - TUNA 프로브 ( TR - TUNA Probe )
도 11에서, 프로브(122)의 바람직한 비틀림 움직임이 더욱 상세하게 나타난다. 프로브 어셈블리(121)는 캔틸레버(123)의 회전을 일으키기 위해, 그리고 그에 따른 프로브(122) 전체의 회전을 캔틸레버(123)의 세로 방향 축 A-A'에 대하여 일으키기 위해, 구동된다. 상기 캔틸레버(123)의 자유 단부 근처에서의 각도의 변동은 상기 캔틸레버의 길이에 따르는 회전의 일체이다. 이러한 변동은 사분면 광검출기(160)의 좌 섹션(162)과 우 섹션(164) 간의 차이로서 특정된다. 회전 암이 상기 프로브(122)의 폭의 방향으로 놓여 있기 때문에, 광검출기(160)에 의해 검출되는 각도의 변경은, 휨 보드(flexural mode)에서 동작할 때보다 더 크다. 캔틸레버 움직임에서 광검출기 신호의 생성(궁극적으로, 캔틸레버 진동의 제어)으로의 변환 효율이 더 높다는 것이다. 비틀림 공진 모드에서 사용되는 프로브는 강성이 더 뛰어날 수 있고, 따라서 AFM으로 하여금, 근방 영역에서의 탐침-샘플 이격 거리를 나노미터 범위에서 유지할 수 있도록 한다. 이러한 프로브는 상기 탐침 측에서 전도성 코팅을 갖는 Si로 구성되는 것이 일반적이며, 약 1 내지 40N/m의 스프링 상수를 갖는다. 덧붙이자면, 상기 탐침이 샘플 상의 최소한의 힘을 갖고 근방 영역에서 유지되기 때문에, 가령, 1Gpa 이하의 탄성 계수를 갖는 샘플을 포함하여, 샘플의 더 넓은 범위에서 전기적 성질/특성이 측정될 수 있다. 상기 탐침과 샘플 사이에서 생성되는 전단응력은 약 30pN의 범위에서 존재하고, 1nM보다 작은 것이 바람직하다. 그리고 그 결과로서, 종래의 시스템과는 달리, 샘플이 샘플 지지대에 고정되어 있을 필요가 없다. 실제로, 샘플은, 물리적 흡수의 양에 의해 정해진 범위의 수직 힘과, 모든 표면 사이에서 자연적으로 존재하는 반 데르 발스 힘 사이에서 존재하는 화학 결합력보다 작은 힘을 이용하여, 단지 표면에 접합되어 있기만 하면 된다.
동작 동안, 검출된 (사분면 광검출기(160)를 통해 감지되는) 횡방향 신호가 신호 프로세서(40)에 의해 조정된다(도 6의 경우 참조). 신호 프로세서(40)는 에러 를 생성하기 위하여 설정-포인트와 비교될 수 있는 신호를 생성한다. 그 후, 상기 에러 신호가 적정 제어 신호를 생성하는 P-I(propotional-integral) 피드백 루프를 통해, Z 포지션을 보정하기 위해 사용된다. 상기 제어 신호가 Z 액추에이터로 적용되어(가령, 도 6에서 XYZ 스캐너(58)의 Z-섹션), 상기 프로브 비틀림 공진 RMS를 설정 포인트로 복귀시킬 수 있다.
도 12를 참조하여, TR 모드 전기적 성질의 캔틸레버 홀더(170)가 제공된다. 스캐너(Z 압전기 액추에이터)로부터 샘플 상의 탐침에 의해 생성된 전기적 측정을 차폐하기 위해, 상기 홀더(170)가 프로브를 보호한다. 상기 프로브를 비틀림 공진으로 구동하기 위한 수단(172), 가령 두 개의 압전기 요소가 차폐된 캔틸레버 홀더에 장착된다. 칩 장착기(176)에서 프로브 칩을 보호하는 전도성 스프링 클립(174)이 또한 제공되어 요청되는 전기 접촉을 형성할 수 있다.
TR - SCM
프로브-기반 기구를 이용하여 측정될 수 있는 샘플에 연계되어 있는 또 다른 전기 매개변수는 용량(capacitance)이다. 이러한 실시예에서, 샘플의 선택된 전기적 성질의 특징을 규정하기 위해, SCM(Scanning Capacitance Microscopy)에서 비틀림 공진 모드의 이점이 나타난다.
일반적인 SCM에서, 나노 수준의 전도성 탐침이 샘플 표면을 가로질러 스캔되고, 용량 검출기가 프로브-샘플 용량 C의 변동을 측정한다. 다양한 응용예가 있지만, SCM의 가장 일반적인 사용예 중 하나는 반도체 특징을 규정하는 것이 있다. 현존하는 반도체 장치뿐 아니라 핵심 장치 구조에 대한 이러한 프로파일과 관련하여, SCM은 두 개의 차원에서의 캐리어 농도 프로파일을 나타낼 수 있다. 용량 변동, 또는 기울기(dC/dV)가 국부 캐리어 농도와 캐리어 타입(n, 또는 p)의 측정을 제공하며, 따라서 높은 분해능의 2-차원 캐리어(즉, 도펀트) 프로파일링을 위해 사용될 수 있다. 약 10 내지 20㎚의 범위의 공간 분해능을 제공하는 작업에 대하여, SCM이 특히 유용하다.
더욱 세부적으로, 금속 프로브가 반도체 샘플을 갖는 금속-절연체-반도체(MIS) 커패시터를 형성한다. 스캐닝 접촉 AFM 탐침과 샘플 사이에 적용되는 AC 바이어스는 용량의 변동을 야기하며, 상기 변동은 기가헤르츠(㎓) 공진 용량 센서를 사용하여 측정되는 것이 바람직하다. 상기 측정된 용량은, 탐침의 인접부의 대기의 용량과, 샘플 상의 옥사이드 층의 용량과, 상기 탐침의 인접부에서의 샘플의 용량에 대한 직렬 연결된 3개의 용량 기여자를 필요로 한다.
이미징에 추가로, SCM이 사용되어 dC/dV 대 V의 곡선이 생성될 수 있다, 즉, 샘플 상의 횡적 스캔 경로를 가로지르는 바이어스 전압의 함수로서, 기울기가 생성될 수 있다. 이러한 경우에서, dC/dV(즉, 센서 출력)가 모니터되고 도표로 표시되는 동안, DC 샘플 바이어스가 사용자에 의해 선택되는 값 사이에서 기울어질 수 있다. 반도체 적용예에서 사용될 때, 신호의 강도에 의해 도펀트 레벨이 표시되는 동안, 신호의 부호에 의해, 도펀트 타입이 알려질 수 있다.
무엇보다, 이러한 적용예에서, 종래의 SCM은 이점을 갖는다. 그러나 SCM이 접촉 모드에서 정상적으로 동작될 경우, 사용자가 더 섬세한 샘플의 전기적 성질을 매우 높은 분해능(가령 나노미터)을 갖고 이미징하기를 원할 때, 이는 특히 유용한 것은 아니다. 본 발명의 실시예에서, 접촉 모드에서 동작되는 것보다, TR-SCM 시스템이 제공되어, 상기 프로브가 더 낮은 힘의 비틀림 공진 모드에서 진동된다. 따라서 TR-SCM은, 예를 들어 탐침-샘플 힘이 50nN 이하로 유지되는 것이 보장됨으로써, 전기적으로 특징이 규정된 섬세한 샘플에게 개선된 기능을 제공한다. 이럴 경우, SCM 측정이 나노 수준으로 구현된다.
도 13을 참조하여, TR-SCM(200)이 나타난다. TR-SCM(200)은 비틀림 공진에서 어셈블리(202)의 전기 전도성 프로브(203)를 진동시키기 위해, TR 드라이브 소스(204)에 의해 구동되는 프로브 어셈블리(202)를 포함한다. 프로브(203)는 샘플(21)과 상호작용하는 탐침(208)을 지지하는 캔틸레버(206)를 포함한다. 가령 샘플을 스캔하기 위해, 샘플(210)이 XY 스테이지(214) 상에 장착된 척(212) 상에 위치한다. 비틀림 진동을 측정하기 위해, 종래의 방식대로, 레이저(216)가 레버(206)의 후부로 발사되고, 그 반사된 빔이 광검출기(218) 방향으로 발사된다.
SCM을 실시하기 위해, 용량 측정 블록(220)에 의해 생성되는 AC 샘플 바이어스 전압이 척(즉, 전도체)(212)으로 공급된다(도면 참조, 또한 절연체-샘플(가령, 실리콘) 인터페이스를 나타냄). 블록(220)은 SPM 헤드(head)의 전자기기 블록(222)과 통신하며, 각각은 SPM 제어기와 컴퓨터(224)와 통신한다. 또한 블록(220)이 UHF 공진 용량 센서(226)와 통신하여, 전력을 센서로 공급하고, 상기 센서를 조정하거나, 아니면 데이터를 시스템 제어기/컴퓨터(224)로 통신한다. 도 13에서 나타난 바와 같이, 용량 센서(226)가 UHF 전송 라인을 통해 전기 전도성 프로브(203)에 연결되어 있다.
일반적으로, UHF 전기적 공진 용량 센서(226)가 이러한 검출의 토대를 제공한다. 상기 전기 공진기(resonator)는 전송 라인을 통해, 전도성 SPM 프로브에 연결되어 있다. 상기 공진하는 프로브 탐침이 반도체와 접촉하도록 놓일 때, 예를 들어, 센서와, 전송 라인과, 프로브와, 샘플이 모두 상기 공진기의 일부가 된다. 그 결과로서, 탐침-샘플 용량 변동이 그 끝부분을 전송 라인으로 로딩하고, 시스템의 공진 주파수를 변경시킬 것이다. 알려진 바와 같이, 공진 주파수의 작은 변동에 의해, 볼트(volt)로 측정되는, 공진의 진폭의 큰 변동이 야기된다. 이러한 시스템은 아토패럿(10-18패럿)만큼 작은 변동에도 민감하도록 나타내어진다.
동작 중에, 스캐닝 접촉 AFM 탐침과 샘플 사이의 전기장을 적용함으로써, SCM이 탐침 인근의 샘플에서의 요망 용량 변동을 유도한다. 이는 반도체에 공급되는 킬로헤르츠(㎑) AC 바이어스 전압을 사용하여 이뤄진다. 교번 전기장 때문에, 탐침 아래에 위치하는 자유 캐리어는 상기 탐침에 의해, 교대로 끌어당겨지거나, 방출된다. 탐침 아래에서 이뤄지는 이러한 교대적인 전하의 방출과 충전이 이동 커패시터 플레이트로서 모델링된다. 반도체 샘플에서, SCM(Scanning capacitance microscope)이 캐리어를 포함하는 전하의 이동을 측정하여, 이를 낮은 캐리어 밀도에 대한 더 강력한 신호로 번역하며, 이때, 샘플은 얇은 옥사이드의 층을 가질 수 있다.
이미지( Images )
도 14A, 도 14B ~ 도 19에서 바람직한 실시예를 사용하여 획득된 여러 이미 지가 나타나며, 이때 일부 이미지는 진동 모드 같은 종래의 기법과의 비교를 나타낸다. 우선, 카본 블랙(carbon black)으로 충진된 열 플라스틱 폴리머 샘플을 스캐닝함으로써, 도 14A와 14B가 생성된다. 도 14A의 이미지는 탐침과 샘플 표면 사이에 적용되는 바이어스 전압과의 진동 모드 피드백을 사용하여 획득된다. 당업자라면 알고 있는 바와 같이, 도 14A 이미지에서는 어떠한 전류 콘트라스트(contrast)도 존재하지 않는다. 한편, 도 14B는 AFM 동작을 제어하기 위해, 비틀림 공진 모드를 사용하여 획득된다. 동일한 포지티브-바이어스 전압(positive bias voltage)을 이용하여, 카본 블랙과 연계되어 있는 전도성 영역이 쉽게 획득된다. 포지티브-전류(positive current)를 가리키는 전류 이미지는 밝은 영역이고, 네거티브-전류(negative current)를 가리키는 전류 이미지는 어두운 영역이다.
도 15A 및 15B를 참조하여, 도 14A 및 14B에서와 동일한 샘플이 사용된다. 도 15A는 TR 모드 피드백을 사용하여 획득되는 토포그래피 이미지이다. 도 15B는 전류 분포 이미지이며, 이때 어두운 영역은 네거티브-전류를 나타낸다. 도 16A 및 도 16B는 유사한 토포그래피와 전류 분포 이미지를 나타내고 있으나, 네거티브-바이어스(negative bias)를 이용하여, 샘플이 HOPG(흑연) 표면 상에서 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 포함한다. 도 17A 및 도 17B는 HOPG 표면 상의 카본 나노튜브의 토포그래피와 전류 분포 이미지를 각각 나타내나, 상기 탐침과 샘플 사이에서 포지티브 바이어스가 제공된 상태이다. 각각의 경우에서, TR 모드 피드백을 사용할 때, 전류 콘트라스트가 쉽게 획득될 수 있다.
최종적으로, TR-SCM 이미지가 도 18 및 19에서 나타난다. 도 18은 TR 높이 (좌)와, NSIV(열 측정)와, 종래의 SPM 헤드와, 외부 락-인 증폭기를 사용하는 반도체 샘플(SRAM, 20미크론) 상의 SCM 데이터를 도식한다. 도 19는 GaN 막(30um)의 특징을 규정할 때, TR-SCM과 접촉 SCM의 차이점을 나타내며, 옥사이드 코팅된 탐침을 사용하지 않고 획득된 TR-SCM 데이터 쪽이 이미지 콘트라스트에 있어 더 우수함을 알 수 있다.
종래의 전기적 특징화 기법, 가령 STM을 통한 바람직한 실시예의 추가적인 이점은, 전류 피드백이 사용되지 않는다는 사실로 인하여, 전기 측정을 수행하기 위해, 투과 전류(tunneling current)가 필요하지 않다는 것이다. 이와 관련하여, 프로브와 샘플 사이에서 발생되는 3종류의 방출(emission)이 관찰될 수 있다. 가령, 터널링(tunneling) 방출, 쇼트키(Shottky) 방출, 전계 방출이 그것이다. 따라서 본원에서, 용어“전류 측정”은 단순하게 투과 전류(tunneling current)를 검출하는 것이 아니라, 임의의 전류를 검출하는 것을 일컫는다.
다양한 적용예에서, 이전까지는 특성을 규정하기 어려운 샘플의 전기적 특성화를 위해, 바람직한 실시예가 사용된다. 예를 들어, 최신 장치를 구성하는 유기 전도체와 전도성 폴리머뿐 아니라 연성 폴리머의 특성이 쉽게 판단될 수 있다. 덧붙이자면, 과거에는 표준 접촉 모드 기법을 이용하여 그 특징을 판단할 수 없었던 DNA 증착된 전도체, 금 막, 카본 나노튜브뿐 아니라 나이트라이트, 실리콘, 게르마늄 등으로 구성된 나노와이어의 특징이 지금은 쉽게 측정될 수 있다. 이것은 접촉 모드와 전단응력을 사용하는 기법과는 다르게, 바람직한 실시예에 따르는 기법이 기판에 느슨하게 접착된 샘플, 혹은 쉽게 부러지는 샘플(가령 DNA)을 측정할 수 있 다는 사실 때문이다. 전체 샘플 표면에 걸친 전류 분포, 또는 부분에 걸친 전류 분포뿐 아니라, (나노미터 수준의) 분광 힘(spectroscopic force) 측정도 샘플의 넓은 범위에 걸쳐 쉽게 이뤄질 수 있다.
발명자에 의해 가장 바람직한 모드가 고려될 지라도, 본 발명의 실현은 이에 제한받지 않는다. 가령, 샘플이 대안적 환경(가령, 다양한 매체, 대기 조건 등)에 종속될 수 있으며, 이에 대응하는 비틀림 모드 응답이 분석된다. 이러한 대안들이 사용자가 원하는 대로, 프로브의 진동 속성을 변경시킬 수 있다.

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  34. 샘플을 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는
    프로브를 지지하는 프로브 홀더(probe holder),
    비틀림 공진으로 상기 프로브를 진동시키기 위한 에너지를 상기 프로브로 연결시키는 비틀림 공진 모드 액추에이터,
    상기 프로브와 전기 통신하는 컨덕터, 그리고
    상기 프로브와 상기 컨덕터 사이에 배치되는 샘플을 측정하기 위한 전기적 성질 측정 검출기
    를 포함하며, 상기 프로브와 상기 샘플 간의 공간은 10㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 전기적 성질은 전류임을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  36. 제 34 항에 있어서, 상기 전기적 성질은 용량임을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  37. 제 34 항에 있어서, 상기 전기적 성질은 DC에서부터 Tera㎐까지의 전자기장의 주파수 범위내에 존재하는 것을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  38. 제 34 항에 있어서, 상기 전기적 성질은, 국부적 전자기 편광으로 인한 광학 분광 측정치임을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  39. 제 34 항에 있어서, 상기 프로브의 탐침과 샘플 사이의 공간은 5나노미터 이하임을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  40. 제 34 항에 있어서, 상기 샘플은 1GPa 이하의 탄성률을 가짐을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  41. 제 34 항에 있어서, 상기 프로브 홀더는 차폐되는 것을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  42. 제 34 항에 있어서, 상기 샘플과 표면 사이의 화학 결합력보다 작은 힘에 의해, 상기 샘플이 표면에 접착되는 것을 특징으로 하는 샘플을 측정하기 위한 장치.
  43. 캔틸레버(cantilever)를 갖는 프로브를 포함하는 SPM(Scanning Probe Microscope)을 동작시키기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    상기 캔틸레버의 공진(resonance)하는곳, 또는 그 가까이에서 상기 캔틸레버를 진동시키는 동안, SPM의 프로브와 샘플 사이의 전기적 성질을 측정하는 단계로서, 이때, 상기 공진은 비틀림 공진(torsional resonance)과, 횡 방향 공진(lateral resonance) 중 하나 이상인 단계, 그리고
    상기 캔틸레버의 비틀림 진동의 특징을 측정하는 것을 기반으로 하여, 프로브-샘플 이격 거리를 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 샘플은, 전도성 폴리머, 유기 LED, 생체 분자, 카본 나노튜브(carbon nanotube), 나노와이어, 반도체, 생체 세포 중 하나인 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  45. 제 43 항에 있어서, 상기 조정 단계는 피드백 루프를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  46. 제 43 항에 있어서, 상기 이격 거리는 10나노미터 이하인 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 이격 거리는 1나노미터 내지 5나노미터인 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  48. 제 43 항에 있어서, 비틀림 공진 주파수는 1㎑ 내지 10㎓인 것을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
  49. 제 43 항에 있어서, 상기 프로브는 능동 요소(active element)를 포함하는 캔틸레버를 갖는 자기-가동형 프로브(self-acutated probe)임을 특징으로 하는 SPM(Scanning Probe Microscope)를 동작시키기 위한 방법.
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