KR101381922B1 - 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

특성화기의 단일 주사를 통해 재-진입 주사 탐침 현미경 탐침 팁을 특성화 하여, 이전 공지의 특성화 기술과 비교할 때 처리량, 정확도 및 반복가능성을 극적으로 증가시킨 방법 및 장치가 제공된다. 특성화기특성화기특성화기특성화기정확도를 최대로 하기 위해 높은 수준의 확실성으로 알려질 수 있는 것이다. 이러한 크기는 매우 안정적이거나, 또는 만약 불안정적이라면, 검출하는 것이 어렵거나 또는 불가능한 방식이기 보다는 비극적으로 변한다. 탄소 나노튜브(CNT), 바람직하게 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)는 이러한 목적에 잘 부합되는 것으로 밝혀졌다. 다중-벽 탄소 나노튜브(130, MWCNTS) 및 다른 구조 또한 이러한 목적에 충분할 수도 있다. 또한 탄소 나노튜브의 무결성을 모니터링 하기 위한 방법 및 장치도 제공된다.
탐침, 팁, 특성화, 탄소 나노튜브, 이미지, 원자간력 현미경

Description

탐침 팁을 특성화하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CHARACTERIZING A PROBE TIP}
본 출원은 미국 특허법 제119(e)조에 의해 발명의 명칭이 나노튜브 특성화기의 임계 치수 원자간력 현미경 측정-개발이고, 2006년2월20일에 출원된 미국 가출원번호 제60/743,321호에 대한 우선권을 주장하는데, 그 내용은 참조로서 전체적으로 여기에 합체된다.
본 발명은 주사 탐침 현미경에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 획득된 데이터를 이용하여 탐침 팁의 형상을 결정하고 팽창된 이미지를 재구성하기 위한 방법에 관한 것이다. 추가적으로 본 발명은 탄소 나노튜브의 무결성(integrity)을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
원자간력 현미경(AFM)과 같은 주사 탐침 현미경(SPM)은 전형적으로 팁과 낮은 힘을 사용하여 원자단위 이하의 샘플의 표면을 특성화하는 장치이다. 전체적으로, 주사 탐침 현미경은 시료의 표면에 안내되어 시료의 특성에 있어 변화를 검출하는 팁을 가지는 탐침을 포함한다. 팁과 시료 사이에서 상대적인 주사 운동(scanning movement)을 제공함으로써, 표면 특성이 시료의 특정 영역 위에서 획득될 수 있고, 시료의 해당 지도가 생성될 수 있다.
원자간력 현미경(AFM)은 주사 탐침 현미경의 매우 대중적인 형태이다.
전형적인 원자간력 현미경의 탐침은 그것의 베이스에서 지지체에 고정되고 자유단인 반대편에 부착된 날카로운 탐침 팁을 가지는 초소형 캔틸레버를 포함한다. 탐침 팁은 검사될 시료에 매우 근접되거나 또는 접촉되게 이동되고, 그리고 탐침 팁의 시료와의 상호작용에 반응한 캔틸레버의 편향은 매우 민감한 편향 검출기, 가끔 Hansma 등에 의한 U.S. Pat. No. RE 34,489에 개시된 광학 지레 시스템(optical lever system) 또는 스트레인 게이지, 정전용량변위센서(capacitance sensors)와 같은 다른 편향 검출기로 측정된다. 탐침은 시료 지지부 및/또는 탐침 상에서 작동하는 고해상도 3축 스캐너를 이용함으로써 표면 위에서 주사된다. 예를 들어 Hansma 등에 의한 U.S. Pat. No. RE 34,489, Elings 등에 의한 U.S. Pat. No. 5,226,801 및 Elings 등에 의한 U.S. Pat. No. 5,412,980에서 개시된 토포그래피, 또는 시료의 그 밖의 다른 표면 성질을 측정하는 동안, 상기 기구는 탐침과 시료 사이의 상대적인 운동을 생성할 수 있게 된다.
원자간력 현미경은 접촉 모드(contact mode) 및 진동 모드(oscillating mode)를 포함한 다양한 모드에서 작동하도록 디자인 될 수 있다. 이러한 효과는 탐침 조립체의 캘틸레버의 편향에 반응하여 시료 표면에 수직하게 시료 또는 탐침 조립체를 상하로 이동시킴으로써 성취될 수 있는데 왜냐하면 그것이 표면을 가로질러 주사되기 때문이다. 이러한 방식으로, 수직 운동과 관련된 데이터는 저장되어 예를 들어 표면 토포그래피와 같이 측정된 시료 특성에 상응하는 시료 표면의 이미지를 구성하도록 사용될 수 있다. 마찬가지로, 태핑모드(TappingMode™, Veeco Instruments, Inc.의 상표)로 알려진, 원자간력 현미경 작동의 또 다른 바람직한 모드에 있어, 팁은 탐침의 관련된 캔틸레버의 공명 주파수에서 또는 공명 주사수 근처에서 진동된다. 이러한 진동의 진폭 또는 위상은 피드백 신호를 이용함으로써 주사하는 동안 일정하게 유지되는데, 상기 피드백 신호는 팁-시료 상호작용에 반응하여 생성된다. 접촉 모드에서, 그런 다음 이러한 피드백 신호는 수집되고, 저장되며 시료를 특성화하는 데이터로서 사용된다. 주사 탐침 현미경 및 여기에서 현미경 장치 또는 “원자간력 현미경”과 같은 관련된 기술을 지칭할 수도 있는 주사 탐침 현미경의 특정 타입에 대한 두문자를 주목하자.
원자간력 현미경은 압전기 스캐너, 광학 지레 굴절 탐지기 및 사진석판 기술을 이용해서 만든 작은 캔틸레버를 이용하여 현미경의 작업 모드에 관련 없이 공기, 액체, 및 진공의 다양한 절연성 및 전도성 표면상에서 원자 수준까지 낮아진 해상도를 얻을 수 있다. 원자간력 현미경의 해상도와 다용도 때문에, 이 현미경은 반도체 제작부터 생물학적 연구까지 많은 분야에서 중요한 측정 장치이다.
비록 주사 탐침 현미경은 고해상도 도구이지만, 이 현미경으로 얻을 수 있는 데이터의 최종적 해상도는 탐침 팁의 물리적인 특성에 의해 제한되어 있다. 특히, 얼마나 작거나 또는 날카로운 팁이 제조될 수 있는가에 대하여 한계가 있다. 그 결과, 미세한 (옹스트롬 단위) 시료 특징부를 이미지 처리할 때, 팁 형상은 획득된 데이터에 전형적으로 반영된다. 다시 말하면, 획득된 원자간력 현미경 이미지는 본래의 표면 토폴로지 및 이미지를 얻을 때 사용된 탐침의 형상의 결합이다. 탐침의 모양이 표면 토폴로지 이미지에 중첩되는 것을 이미지 “팽창”이라 알려져 있으며 이것은 본래의 토폴로지의 왜곡으로 인식된다. 이미지 처리된 데이터가 시료 표면의 특징부와 탐침 형상의 특징을 모두 포함하고 있기 때문에, 정밀도는 명확하게 손상된다. 많은 응용에 있어서는, 이 한계는 무시 할 수 있다. 하지만 몇몇 응용에 있어서는, 시료 표면의 특징부를 알기위해서 요구되는 정밀도는 매우 중요하여 탐침의 모양이 획득된 데이터에 상당한 오류를 불러올 수 있다. 예를 들어, 반도체 제조 산업 내에서는, 라인, 트렌치, 및 비아 같은 이미지 특징부는 100nm 범위의 정확도를 요구하고, 지속적으로 작아지고 있다. 탐침의 폭이 70nm 범위에 있기에, 이것은 점차 어려워지고 있다. 명확하게, 이 같은 상황에서, 팁 형상은 데이터에 반영이 되고 그리고 시료 표면을 정확하게 재구성하기 위해 제거되어야만 한다.
또한, 복잡한 시료 표면의 토폴로지가 시료 표면을 이미지 처리하기 위해 팁 형상 복잡성에 있어 적당한 증가를 요구하고 있다는 사실에 의해 앞서 언급한 문제점은 복잡해질 수 있다.
예를 들어, 시료는 X-Y 평면에서 특정 주사 위치가 다중 수직선 또는 “Z" 위치를 가지는 언더컷(undercut) 영역을 시료는 포함할 수도 있다. 하나의 그러한 시료 특징부(10)는 도1A 및 도1B에 개략적으로 도시되어 있고 특징부(10)의 대향 측면상에 언더컷(12, 14)를 가진다. 두 종류의 주지의 팁 형상은 시료 특징부와 상호 작용하고 있는 도1A 및 1B에 개략적으로 도시된다. 도1A에서는, 전통적인 주사 탐침 현미경의 탐침 팁(20)은 상대적으로 쉽게 특성화할 수 있는 포물선 또는 다른 지정된 형상을 포함한다. 팁(20)은 샤프트(22) 및 날카롭지만 전형적으로 약간 둥근 활성 표면(26)을 지닌 말단부분(24)을 포함한다(비록 다른 탐침의 부분이 어느 정도의 시료 표면과 상호작용하고 있지만, “활성”표면은 수학적으로 정한 탐침의 부분이며 시료 표면과 활동적으로 상호작용하고 있는 부분이다.). 스캔하는 동안, 예를 들어 탐침이 진동모드로 작동하고 있으면 팁(20)이 시료 특징부(10)에 작용하여 그 특징부의 표면의 특성을 이미지 처리한다. 이러한 상호작용은 실질적인 탐침-대-시료 접촉을 포함할 수도 있고 또는 검출된 탐침/시료 상호작용의 다른 근-표면 효과와 짧은 접촉을 중단할 수도 있다.
탐침 팁(20)과 시료(10)의 실질적인 상호작용은 도1A에 나와 있는 팁 프로파일(28)을 따라서 지점에서 발생하는데 이는 시료 특징부 형상 및 시료 특징부에 대한 팁의 X 위치에 따라 변할 수 있다. 주목할 점은 팁(20)의 활성 영역(26)이 물리적으로 시료와 접촉할 수가 없기 때문에 시료에 가장 가까운 지점은 시료의 특징부(10)의 표면으로부터 가끔 이격된다. 이러한 결과는 팁(20)의 외형에 의해 일부분 발생한다. 상세하게, 팁(20)이 점점 가늘어지기 때문에, 탐침(20)이 수직하게 진동하는 동안 활성 영역(26)은 시료 특징부(10) 상에서 수직한 또는 하부가 표면과 접촉할 수 없다. 결과 이미지는 결과 데이터 지점(28)에 의해 도시되고 도1A에서 해치 영역을 포함하는데, 이는 특징부(10)을 주사함으로써 생성되는 실질적인 프로파일을 도시한다. 이미지 프로파일은 이미지 팽창으로 생긴 왜곡과 팁(20)이 시료형태(10)의 표면과 접촉하지 못해 생긴 가공품을 포함한다.
소위 “재진입 탐침”은 개발되어 부분적으로 이런 유사한 요구를 충족시킨다. 재진입 탐침의 팁은 말단부가 샤프트나 끝 바로 윗부분 보다 넓은 것으로 묘사 할 수 있다. 이것은 수직 및 심지어 언더컷 표면의 양면 주사를 할 수 있다.
광범위하게 사용되는 하나의 재진입 팁은, 도1B 및 도2에서 30으로 개략적으로 도시된 예와 같은 “임계 치수(critical dimension)” 또는 임계 치수 팁이다. 임계 치수 팁(30)은 스캔할 때나 “x” 방향으로 바닥 단부(36)에 돌출부(32, 34)를 가지는데, “y"방향으로 봤을 땐, 팁을 향해 “장화(boot)” 모양으로 보인다. 돌출부(32, 34)는 언더컷(12, 14)을 포함한 복잡한 표면의 특징부와 상호작용을 하여 복잡한 토포그래피의 이미지 처리를 할 수 있도록 한다. 임계 치수 팁은 30nm 정도의 작은 범위의 직경을 갖고 있다. 이것은 10nm보다 작은 시료 특징부를 주사 할 수 있다.
하지만, 전통적인 팁(20)과 마찬가지로, 임계 치수 팁(30)은 팽창을 획득된 이미지로 소개하는데 왜냐하면 그것이 체적 또는 시료와 상호작용을 하는 38로 도시된 “활성 영역”을 차지하기 때문이다. 이 결과 데이터 지점은 도1B에서 40으로 도시된다. 특징부(10)를 주사하는 과정동안, 원자간력 현미경의 팁 기준 위치가 지점(38)로 고정되어 있는 반면 팁/시료 접촉점은 팁의 말단부를 가로질러 해석한다(즉, 예를 들어 지점(32)로부터 지점(34)까지 해석한다). 따라서, 원자간력 현미경 이미지는 시료 특징부(10)의 형상 및 팁(30)의 형상 모두를 통합한다. 이러한 팽창 효과는 획득된 데이터 지점(40)과 도1B에 도시된 해치된 영역에 의해 도시된다.
임계 치수 팁 또는 다른 팁을 이용한 팽창된 이미지는 팽창된 이미지로부터의 팁 형상에 기인한 이미지 왜곡을 제거함으로써 “재구성”될 수 있고, 그에 따라, 실제적인 표면 특징부의 이미지를 획득할 수 있다. 팽창된 이미지는 "기울기 매칭" 재구성 기술 및 "부식" 기술과 같은 다양한 주지의 기술 중 임의의 것을 이 용하여 재구성할 수 있는데, 이들 모두는 예를 들어, Veeco Instruments, Inc에 의해 판매되는 X3D, CD, AFM에서 구입가능하다. 예를 들어, 그들은 다랜(G. Dahlen)의 "임계 치수 원자간력 현미경을 이용한 복잡한 구조의 팁 형태표면 재구성 (Tip Characterization Surface Reconstruction Of Complex Structures With Critical Dimension Atomic Force Microscopy; 2005)”에서도 기술된다.
모든 재구성 기술은 팁 형상 또는 적어도 팁 형상의 중요 인자(parameters)에 대한 실질적인 지식을 요구한다. 이러한 인자는 이미지 처리 과정 동안에 시료와 상호작용을 하는 팁 부분의 프로파일 데이터를 포함한다. 예를 들어, 임계치수 팁에 있어서 지식을 요구하는 부분은 적어도 돌출부(32, 34)를 포함한다. 그러므로 적어도 이러한 “상호작용 부분”의 형상은 팽창된 이미지 데이터로부터 시료 표면 데이터를 재구성하기 위해 우선 결정되어야만 한다.
팁 형상 결정은 간단한 일이 아니다. 이것은 특히 위에서 논의된 바와 같이 다소 복잡한 형상을 가진 임계치수 팁의 경우에 더욱 그렇다. 예를 들어, 바닥(36), 돌출부(32, 34) 또는 돌출부(32, 34) 위의 측벽을 포함하는 팁(30)의 임의의 부분은 시료 상호작업 과정에 참여할 수 있기 때문에, 정확한 재구성을 위해 팁의 모든 상호작용 부분이 알려지게 되는 것은 필수적이다. 팁 형상은 예를 들어 원자간력 현미경 모델 기반 특성화기 이미지, 블라인드 팁 재구성, 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy), 주사 전사 현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 방법들 또는 이들 방법의 임의의 조합과 같은 다양한 기술들로부터 획득될 수 있다. 하지만, 각각의 방법은 각각의 한계가 있으며 이것의 적용을 통해 얻을 수 있는 유익성은 한정돼 있다.
블라인드 팁 재구성은 원자간력 현미경 이미지에서 돌출부분이 팁의 자기 이미지를 나타낸다는 가정에 기반되는데, 이는 시료 표면상에서 날카로운 특징부가 원자간력 현미경 팁을 이미지 처리하기 위한 탐침으로 작용한다는 말과 등가이다. 이 방법은 적절한 특성화기 시료를 사용할 때 팁 외부덮개의 형태를 짐작하는데 유용하게 쓰인다고 증명되었다. 하지만 블라인드 팁 재구성은 복잡한 팁 형상을 이미지 처리하기 위해 쉽게 사용될 수 없다. 더욱이, 특성화기가 내구성 있도록 하는 것은 또한 신속한 팁 마모를 초래하는 재료 선택에 따른 결과이다. 현재, 이 방식은 임계 치수 원자간력 현미경 탐침에 적용되지 않는다. 　
투과 전자 현미경은 전자빔이 팁을 통해 전송되어, 확대된 이미지가 형광 스크린 또는 사진 필름 층에 나타나게 하거나, 또는 CCD 카메라에 의해 검출되도록 하는 이미지 처리 기술이다. 투과 전자 현미경은 굉장히 시간소모가 많고 힘든 시료 준비가 필요하다. 이것으로 인해 자동 장치를 이용하거나 처리량이 중요한 응용에는 부적절하다. 또한, 그것은 전자빔의 노출 동안에 팁 표면을 손상시킬 수 있다. 또한 그것은 인 시츄(in situ)에서 사용될 수 없는데 왜냐하면 팁이 투과 전자 현미경의 시료 받침에 위치되어야 하기 때문이다.
주사 전자 현미경 방식에서, 전자빔은 매우 미세한 1~5nm 정도의 초점을 가지는 빔으로 초점이 맞춰지는데, 이것은 나중에 시료 표면의 영역에 지향되어 산란된다. 이 영역과의 상호작용은 차후의 전자 방사를 유발하는데, 이것은 이미지를 생성하기 위해 검출된다. 주사 전자 현미경은 한정된 해상도를 가지고 그리고 형상 특성화를 위해 충분한 확대를 이용할 때 팁 표면을 손상시키는 경향을 가진다. 또한, 주사 전자 현미경은 투과 전자 현미경과 비슷하게 인 시츄에서 사용될 수 없다.
다른 주지의 팁 형상 결정 방법의 결점은 팁이 주지의 형상의 “특성화기”를 주사할 때 팁 형상 결정을 위한 모델 기반 특성화기 접근의 개발을 유도한다는 것이다. 이 주사는 다음의 수학식1로 표현될 수 있다.
P = IcθSc
여기에서, P=팁의 모양, θ = 부식 작동자, Sc = 주지의 특성화기의 형상.
임계 치수 원자간력 현미경에 있어서, 현재까지 팁 특성화의 가장 정밀한 방법은 개별적으로 주사되어 전체 팁 형상을 결정하는 두 개의 구조로 구성된 “분산형” 특성화기였다. 도3에 도시된 바와 같이, 첫 번째 구조는 전형적으로 개선된 수직 평행 표면(Improved Vertical Parallel Surface, IVPS, 50)이다. 전형적인 개선된 수직 평행 표면은 일정한 폭(약 100nm 정도)을 가지나 미지의 높이를 가지고 있어, 그 결과 임계 치수 팁(30)에게 너비 측정만을 제공할 수 있다. 그것은 극도로 평탄한 측벽(52, 54)과 균일한 폭을 가진 라인 특징으로부터 형성된다. 예를 들어, 개선된 수직 평행 표면(50)은 하나의 실리콘 결정으로부터 형성될 수도 있다. 유사한 나노CD™ 구조들은 초대규모 집적 회로로 통해 이용할 수 있고 국가 표준 및 과학기술 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 추적할 수 있다. 그들은 실리콘 기판(56)으로부터 돌출한 폴리실리콘 라인으로부터 형성된다.
도3에서 단면으로 도시된 바와 같이, 두 번째 구조(60)는 역주사로 특징부로 재진입을 허용하고 임계 치수 팁(30)의 이미지 처리를 허용하여, 그 결과 높이에 의존하는 팁 프로파일 데이터 취득을 허용하도록 형상화된다. 실리콘 돌출 특성화기 구조 또는 SOCS는 이러한 목적에 적합하다. 실리콘 돌출 특성화기 구조는 수직 건식 에칭(vertical dry etching) 및 이방성 습식 에칭(anisotropic wet etching)의 조합에 의해 제조되어, 실리콘 기판(62)에 다이아몬드 형상의 트렌치를 생성한다. 특성화 공정 동안에 이미지 처리된, 트렌치의 상부 표면(64, 66)은 위쪽으로 경사가 이루어졌고 에지(68, 70)에서 뒤따르는 10nm에서 차후의 산화로 인해 작으면 1nm정도의 반경을 갖고 있는 날카로운 에지(68, 70)를 갖고 있다. 임계 치수 주사에서 날카로운 에지(68, 70)를 포함하는 큰 트렌치 언더컷의 접촉으로 팁 프로파일 정보를 제공하고 큰 플레어를 가지는 팁(30)의 특성을 허용한다(플레어란 말단부를 위쪽으로 올리면서 샤프트(31)와 팁(30)이 벌어지는 현상을 말한다.). 팁의 형상을 특성화하기 위해 실리콘 돌출 특성화기 구조의 형성과 사용은 예를 들어, Veeco Instruments Inc에게 양도되고 그 주제가 전체적으로 참조로 여기에 합체된, 미국특허번호 제7,096,711호에서 개시된다. 팁/실리콘 돌출 특성화기 구조 스캔의 이미지로부터 실리콘 돌출 특성화기 구조의 특성화기 팽창의 제거는 미국특허번호 제6,810,354호에 개시되는데, 이 또한 Veeco Instruments Inc.에게 양도되었다.
위에서 언급한 두 단계를 걸치는 특성화 과정은 효율적이지만, 이것은 중대한 결점과 불이익이 있다.
예를 들어, 개선된 수직 평행 표면(50)과 실리콘 돌출 특성화기 구조(60)는 하나의 구조로 형성될 수 없다. 따라서, 팁(30)의 특성화를 하려면, 두 개의 독립된 구조가 각각 주사되어야 한다. 이것은 굉장히 많은 시간을 소비하는 과정이다.
또한, 개선된 수직 평행 표면(50)과 실리콘 돌출 특성화기 구조(60)는 처리량 및 반복가능성을 제한하는 한계를 가진다. 예를 들어, 개선된 수직 평행 표면의 너비가 상당히 큰 변동이 있다고 알려져 있으며 제조자가 규정한 너비보다 평균적으로 20% 차이가 있다. 이러한 편차는 폭 측량의 정확성 및 반복가능성 모두에 악영향을 끼친다. 그러므로, 개선된 수직 평행 표면(50)은 사용 전에 이것을 금 라인 또는 나노CD같은 다른 참조 구조로 조정되어야만 한다. 이러한 현상은 팁 특성화 공정에 복잡성 및 비용을 추가한다.
더욱이, 개선된 수직 평행 표면(50)의 특성은 주어진 개선된 수직 평행 표면의 길이에 따라서 상당히 변한다. 그렇기 때문에, 소위 2디에스피엠(DSPM) 줌 기술을 사용하는 모든 특성화 공정 동안 개선된 수직 평행 표면(50)의 길이를 따라서 동일한 위치에 대하여 팁(30)을 주의깊게 등록하는 것은 중요하다. 이 공정에서, 2-라인 참조 주사가 먼저 실행되고, 패턴인지를 사용함으로써 y-기준 위치가 정의된다. 그런 다음, 두 번째 2-라인 참조 주사가 실행되고, x-기준 위치가 결정된다. 마지막으로, x와y에 관해 차감계산을 이용하여 고해상도 데이터 주사가 실행된다. 이러한 등록 필요성은 복잡성 및 특성화 공정 시간을 상당히 증가시킨다.
또한, 정밀한 팁 프로파일 데이터를 제공하기 위해 실리콘 돌출 특성화기 구조의 에지는 매우 날카로워야한다. 정확한 반경은 모르기 때문에 짐작을 통해 특성화기 에지 반경을 제거하면 (“침식”을 예로 이용해서) 높은 신뢰도의 팁 재구성을 허용한다. 전형적으로, 반경은 1-5nm의 범위에서 추정한다. 이런 가정에서의 임의의 오차는 재구성 계산에서 대응한 오차를 발생시킨다. 특성화기 에지 불확실성 문제점은 에지 비균질성 및 시간이 지나면서 발생하는 에지 마모 및 파손에 의해 복잡해진다. 예를 들어, 반복된 팁과의 접촉을 이용한 특성파악으로 반경이 5nm보다 작았던 테두리가 10nm나 그 이상의 반경을 가질 수 있다. 이러한 에지 반경의 변화는 팁/특성화기 이미지를 직접적으로 팽창시키지만, 차후의 이미지 재구성동안 일정한 에지 반경 값이 제거된다. 그 결과, 파손되거나 마모된 특성화기 에지의 더 커진 반경은 더 커진 재구성된(또는 “파손된) 팁 에지 반경으로 해석한다. 이것은 품질 분석동안 실질적인 팁 수직 에지 높이를 증가시킬 수 있고 팁이 망가졌다는 잘못된 결정을 유도할 수 있다. 예를 들어, 비록 수직 에지 높이가 20nm보다 낮지만, 마모된 실리콘 돌출 특성화기 구조 수직 에지로 인해 임계 치수 팁이 15~25nm 증가했다고 판단할 수 있다. 만약 사용자-선택 “장애 임계값(failure threshold)”이 20nm이면, 작동자 (아니면 자동화된 소프트웨어)는 팁이 장애상태이고 비록 팁이 완벽하게 사용 가능 하더라도 버리게 될 것이다. 임계 치수 팁의 하나의 가격이 몇 백 불 아님 몇 천 불인 것을 가만하면 이것은 매우 바람직하지 않다.
더욱이, 실리콘 돌출 특성화기 구조의 에지의 각진 형상(약 54.7° 정도로 각짐)은 탐침(3)의 말단부와의 접촉을 방해한다. 이러한 무능력은 재진입 팁의 특성화 과정 중에 “블라인드 존(blind zones)”를 유도하는데 이는 팁의 “재진입” 또는 돌출이 특성화기의 그것을 초과하는 지역이다. 그러므로 재구성된 팁의 형상은 이 구역에 남아있는 왜곡을 보유한다. 그 왜곡은 재구성된 시료 이미지에 전달된다. 그러므로 기존보다 더 증가한 처리량을 지니고 있는 주사 탐침 현미경 특성화 절차의 필요성이 생겼다. 시료의 팁을 첫 번째 특성화기에서 떼어서 두 번째 특성화기로 옮기는 대신에 한 번의 주사로 실행될 수 있는 팁 특성화 과정에 대한 필요성도 생겼다.
이러한 필요성을 충족시키는 것은 팁 특징파악에 소비되는 시간을 대략 반으로 줄일 수 있고 원자간력 현미경의 처리량을 개선할 수 있다.
또한 팁 특성화기의 알려진 치수가 반복된 특성화 사이클 후에도 유지돼야 하는 필요성이 생겼다.
마지막으로 임계 치수 원자간력 현미경 탐침의 말단부와 접촉할 수 있는 팁 특성화기에 대한 필요성도 생겼다.
본 발명의 일 측면에 따라, 단일의 특성화기의 단일 주사를 통해 재진입 주사 탐침 현미경 탐침 팁을 특성화하여, 그 결과 종래 주지의 팁 특성화 기술과 비교할 때 처리량, 정확도 및 반복가능성을 획기적으로 증진시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다(단일 특성화기의 단일 주사는 본 발명에 대하여 필수적인 것은 아니다. 팁의 삼차원 이미지를 획득하기 위해 상이한 방향의 상이한 특성화기를 주사하는 것이 유리할 수 있다.). 바람직하게 특성화기는 또한 그것의 크기가 특성화 정확도를 최대로 하기 위해 높은 확실도로 알려질 수 있다. 바람직하게 이러한 크기는 또한 매우 안정적이거나 또는 만약 안정적이지 못하면, 검출하기 어렵거나 또는 불가능한 방식으로 변한다. 탄소 나노튜브(CNT), 바람직하게 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 본 목적에 잘 부합되게 발견된다. 다중 벽 탄소 나노튜브 및 다른 구조들은 또한 본 목적을 위해 충분할 수도 있다.
바람직하게 특성화기는 팁의 측면 및 바닥이 장애 없이 특성화기와 접촉할 수 있도록 하기 위해 적어도 하나의 단부에 장력으로 거치되고 위치된다. 이러한 목적을 달성하기 위한 하나의 배열은 팁이 트렌치 안에 위치되고 특성화기를 보증하도록 트렌치를 가로질러서 특성화기를 매다는 것이다. 예를 들어, 특성화기의 단부들은 트렌치에 인접하거나 또는 기판의 표면 위로 뻗은 기둥들(posts) 상에 거치된 기판 재료에 실장(embedded) 될 수도 있다. 특성화기는 이차원 팁 특성을 제공하기 위해 선형일수도 있고 또는 삼차원 특성화를 제공하기 위해 비선형(전형적으로 사각형 또는 원형)일 수도 있다. 탄소 나노튜브도 본 목적에 또한 잘 부합된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상이하고, 손상되지 아니한 특성화기의 사용, 또는 마모 또는 손상을 검출한 후 특성화기의 세그먼트의 사용을 허용하도록 하기 위해 그 완전한 상태(integrity)가 인 시츄에서 용이하게 모니터될 수 있는 특성화기가 제공된다. 탄소 나노튜브는 또한 본 목적에 잘 부합된다. 바람직한 특성화기의 이러한 특성은 재진입 탐침, 표준 탐침 및 특성화를 요구하는 임의의 다른 장치에 사용가능하다. 사실, 탄소 나노튜브의 완전한 상태를 모니터하도록 요구되는 응용분야에서 유용하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상술된 특성화 기술을 통해 획득된 데이터를 이용하여 팽창된 이미지를 재구성하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다.
본 발명의 이러한 장점 및 특징 그리고 장점들은 첨부된 도면과 상세설명으로부터 당해업자들에게 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 선호되는 실시예를 나타내는 특정한 예와 자세한 설명은 설명을 위한 것이지 제한하려는 것이 아니다. 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하며, 본 발명은 이러한 모든 변형을 포함한다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예는 첨부된 도면에 도시되었고 참조번호가 각 부분에 나타나 있다.
도1A는 전통적인 파라볼릭 주사 탐침 현미경 팁과 시료 특징부 사이의 상호작용의 개략적 측면도이다.
도1B는 임계 치수 주사 탐침 현미경 팁과 시료 특징부 사이의 상호작용의 개략적 측면도이다.
도2는 도1B에서 도시된 임계 치수 팁의 개략적 확대 측면도이다.
도3은 “종래 기술”로 명명된 종래 기술 팁 특성화 절차의 개략적 측면도이다.
도4는 임계 치수 탐침을 가지는 원자간력 현미경을 도시하되, 그 팁은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 팁 특성화기를 이용함으로써 특성화 될 수 있다.
도5A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 특성화기로서 사용가능한 탄소 나노튜브(CNT)의 측면도이다.
도5B는 도5A의 탄소 나노튜브를 권취하지 않음으로써 형성된 그라파이트(graphite) 시트의 벌집 구조의 상부 평면도이다.
도6은 금속 전극(또는 전도성 패드)에 연결된 단부를 가지는 탄소 나노튜브의 개략적 상부 평면도이다.
도7은 본 발명에 따라 특성화기로서 사용 가능한 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)의 편향 대 컨덕턴스(conductance)의 그래프이다.
도8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따라 구성되고 탄소 나노튜브와 상호작용을 하려는 탄소 나노튜브 크로스 트렌치 특성화기의 상부 평면도이다.
도9A는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따라 구성된 탄소 나노튜브 크로스 트렌치 특성화기의 단면도이다.
도9B는 도9A의 탄소 나노튜브 크로스 트렌치 특성화기의 상부 평면도이다.
도10은 도9A 및 도9B의 특성화기의 제1 실제 응용예의 단면도이다.
도11은 도9A 및 도9B의 특성화기의 제2 실제 응용예의 상부 평면도이다.
도12는 도9A 및 도9B의 특성화기의 제3 실제 응용예의 상부 평면도이다.
도13은 크로스 트렌치 팁 특성화기를 팽팽하게 하기 위한 기술을 나타내는 측단면도이다.
도14는 이미지 처리 동안 주사 탐침 현미경의 임계 치수 탐침 팁과 시료 특징부 사이의 상호작용을 개략적으로 도시한다.
도15는 도14로부터 획득된 팽창된 이미지를 재구성하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다. 그리고,
도16은 팁 특성화 데이터를 이용한 팽창된 이미지를 재구성하도록 사용될 수 있는 이미지 재구성 기술의 플로우차트이다.
“기술 요약”에서 논의된 바와 같이, 본 발명은 단일한 통과 그리고 매우 정확하고 반복가능한 방식으로 재진입 탐침 팁을 특성화하기 위한 프로세스 및 장치에 관한 것이다. 여기에서 기술되는 특성화 과정 및 구조는 매우 다양한 재진입 탐침 팁을 특성화하도록 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예가 원자간력 현미경의 임계 치수 팁과 관련하여 기술되지만, 특성화기는 다른 원자간력 탐침 팁, 다른 주사 탐침 현미경용 팁, 또는 다른 구조의 형상을 결정하도록 사용될 수 있음은 이해되어야 한다. 또한, 여기에서 기술되는 나노튜브 완전한 상태 검사 기술은 나노튜브 무결성이 중요한 응용분야에 적용가능하다.
여기에서 설명되는 기술을 실행할 수 있는 원자간력 현미경(80)이 도4에 도시된다. 원자간력 현미경(80)은 시료 지지부(84) 위로 장착된 탐침(82)를 포함한다. 탐침(82)는 캔틸레버(86) 및 캔틸레버(86)의 자유단부에 장착된 팁(30)을 포함한다. 본 실시예에서 탐침(82)은 탐침의 공명 주파수에서 또는 공명 주파수 근처에 서 탐침(82)을 진동하도록 구동시키는데 사용되는 진동 액추에이터 또는 드라이브(88)에 결합된다. 진동 드라이브(88)는 스캐너(94, 후술함) 및 탐침(82)에 결합될 수도 있고 또는 자가-작동 캔틸레버/탐침의 부품으로서 탐침(82)의 캔틸레버와 통합적으로 형성될 수도 있다. 전자 신호는 원자간력 현미경 제어기(92)의 제어 하에서 교류 신호원(90)으로부터 드라이브(88)로 인가되어 탐침(82)을, 바람직하게 자유 진동 폭(A0)으로 진동시킨다. 전형적으로 제어기(92)는 원자간력 현미경의 데이터 취득 및 제어 작업을 수행하는 적어도 하나의 컴퓨터 및 관련 전자장치 그리고 소프트웨어로 구성된다. 제어기(20)는 하나의 통합된 아날로그 및/또는 디지털 유닛으로 구성될 수도 있고, 또는 전자장치 및 소프트웨어의 분산형 배열로 구성될 수도 있다. 제어기(92)는 전형적인 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 산업용 컴퓨터 및/또는 하나 이상의 임베디드 프로세서들을 사용할 수 있다.
피드백을 통해 제어기(92)에 의해 제어되는 적절한 액추에이터 또는 스캐너(94)를 이용함으로써 탐침(82)는 시료 지지부(84)에 대하여 x, y 및 z방향으로 움직이도록 작동될 수 있다. 더욱이, 비록 액추에이터(94)가 탐침(82)에 결합되도록 도시되었지만, 액추에이터(94), 또는 그것의 일부는 시료 지지부(84)를 이동시키도록 채택될 수도 있다. 예를 들어, 탐침(82)은 수직 또는 z 방향으로 움직이도록 탐침을 구동시키는 Z 액추에이터상에 장착될 수도 있고, 시료 지지부(84)는 시료 지지부(84)를 x-y 평면으로 이동시키도록 구동시키는 개별적인 x-y 액추에이터상에 장착될 수도 있다.
작동시, 탐침(82)이 진동되어 시료 지지부(84) 상에서 시료와 접촉되기 때문 에, 시료 특성은 탐침(82)의 진동으로 변화를 검출함으로써 모니터 될 수 있다. 실제로, 빔(beam)은 레이저(미도시)로부터 탐침(82)의 배면을 향하도록 지향되고 그런 다음 사분면 감광장치와 같은 검출기(96)를 향해 반사된다. 빔이 검출기(96)를 통해 해석하기 때문에, 적절한 신호는 제어기(92)로 전송되는데, 제어기는 신호를 처리하여 탐침(82)의 진동에 있어 변화를 결정한다. 제어기(92)는 전형적으로 피드백 하에서 액추에이터(94)의 z-액추에이터를 작동시키기 위한 제어신호를 생성하여 탐침(82) 진동의 설정지점 특성을 유지한다. 예를 들어, 제어기(92)는 설정지점 값(As)에서 진폭을 유지하여 팁과 시료 사이에서 전체적으로 일정한 힘을 유지하도록 사용될 수도 있다. 선택적으로, 설정지점 위상 또는 주파수가 사용될 수도 있다. 또한 워크스테이션은 컨트롤러(92) 및/또는 개별적인 컨트롤러 또는 연결형이거나 자립형(stand-alone) 컨트롤러의 시스템으로 제공되는데, 이는 제어기로부터 수집된 데이터를 수신하고 주사하는 동안 획득된 데이터를 조작하여 지점 선택, 곡선 피팅 및 거리 결정 작업을 수행한다. 워크스테이션은 메모리에 그 결과를 저장하고, 추가적인 계산을 위해 그들을 이용하고, 그리고/또는 적당한 모니터에 그들을 디스플레이하고, 그리고/또는 그들을 또 다른 컴퓨터로 전송할 수 있다.
팁(30)은 도1B 및 도2와 관련하여 위에서 간단히 기술된 임계 치수 주사에 일반적으로 사용되는 “장화 형상(boot shaped)”의 팁일 수 있으나, 반드시 필수적인 것은 아니다. 다시 도2를 참조하여, 팁(30)은 주목되는 예외를 가진 전체적으로 원통형이다. 상세하게, 팁은 인접한 수직 부 또는 팁(30)의 샤프트(37)와 비교 될 때 외부로 뻗은 돌출부(32, 34)를 그 바닥 단부(36)에서 가진다. 샤프트(37)는 그것의 바닥 단부로부터 위로 향하기 때문에 직경을 크게 하도록 하기 위한 “플레어 모양(flared)”이다. 그에 따른 팁(30)은 탐침/시료 상호작용에 영향을 미치고 이미지 팽창에 기여할 수도 있는 몇몇 특성 치수를 가진다. 이러한 치수는
- 돌출물 에지 반경(Protuberance edge radius, PER),
- 팁 폭(tip width, TX),
- 특정 돌출 길이(specific overhang length, OX)
- 수직 에지 높이(vertical edge height, VEZ)
- 작동 길이 시작(operating length start, OZS)
- 작동 길이 끝(operating length end, OZE)
- 유효 높이(effective height, EZ)
- 최대 돌출 높이(maximum overhang height, OZMAX), 그리고
- 최대 돌출 폭(maximum overhang width, OXMAX)
임의의 또는 모든 이러한 치수들은 주사된 이미지의 팽창에 기여할 수 있고, 그리고 많은 치수들은 팁에서 팁으로 상당히 변할 수 있다. 예를 들어, 팁 폭, 에지 반경, 돌출 폭, 최대 돌출 폭, 최대 돌출 길이 및 수직 에지 높이 모두는 돌출부(32, 34)의 형상에 상당히 의존한다. 유효 길이, 최대 돌출 폭, 최대 돌출 높이 및 작동 길이 시작 및 끝은 돌출부의 형상 및 샤프트(37)의 플레어 모두에 의존한다. 이러한 치수들 중 다수는 또한 팁/시료 상호작용의 결과로서 마모 또는 파손 때문에 특정 팁에 대하여 시간에 따라 변한다. 사용 중에, 팁 폭 및 수직 에지 높이는 가장 중요한 파라미터로 빈번히 인식된다.
팽창된 이미지의 재구성을 허용하기 위해, 팁(30)은 본 발명에 따라 구성된 특성화기를 이용함으로써 특성화 된다. 탄소 나노튜브(CNT) 특성화기의 바람직한 실시예가 이제 기술되는데, 본 발명이 예를 들어 탄소 와이어 및 비탄소 와이어 또는 필라멘트와 같은 다른 특성화기에도 적용가능하다는 것은 이해되어야 한다.
바람직한 특성화기는 팁(30)의 바닥 및 측면에 의해 연결될 수(engaged) 있도록 위치된 탄소 나노튜브(CNT)를 포함한다. 상세하게, 탄소 나노튜브는 팁(30)이 탄소 나노튜브 아래의 임의의 구조로부터 간섭없이 탄소 나노튜브를 연결하는 것을 허용하는 높이에 배치되도록 위치된다. 바람직하게, 탄소 나노튜브는 트렌치의 상단을 가로질러 뻗도록 위치된다. 바람직하게 그것의 적어도 하나의 단부는 팁 특성화에 있어 탄소 나노튜브의 벤딩 효과를 줄이거나 또는 제거하기 위해 장력으로 거치된다. 트렌치를 가로질러 탄소 나노튜브를 장착하기 위한 바람직한 기술에 의해, 탄소 나노튜브가 이제 기술될 것이다.
탄소 나노튜브는 공동 튜브를 형성하기 위해 권취된 육각형 격자를 형성하는 3가 탄소의 원통 구조이다. 다중 벽 탄소 나노튜브(MWCNTs)를 형성하기 위해 적층된 벽을 가지는 탄소 나노튜브는 팁 특성화기로서 사용될 수 있다. 하지만, 현재, 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNTs)가 다중 벽 탄소 나노튜브보다 더 많이 획득되고 공간 차원에서 매우 잘 특성화된다. 따라서 단일 벽 탄소 나노튜브가 현재 선호된다.
도5A는 도5B에서 권취되지 아니한 단일 벽 탄소 나노튜브를 도시한다. 시트(sheet)가 튜브로 권취될 때, 지점(A)과 지점(B)은 연결된다. 연결 지점(A)과 연결 지점(B) 사이의 벡터는 카이럴 벡터(chiral vector, R)로 알려져 있다. 카이럴 벡터(R)는 단위 벡터(a1, a2)를 가진다. 이러한 벡터들은 A에서 C까지의 “공론적 라인(armchair line)”의 용어로 정의된다. 공론적 라인은 풀린 튜브를 가로지르고 육각형을 이등분하는 최단 라인이다. 성분 벡터(a1, a2)는 도5B에 도시된 바와 같이 공론적 라인 위 및 아래에 놓인다. 본 도면에서 카이럴 벡터(R)는 절선 벡터에 의해 도시된 바와 같이, 네 개의 a1 벡터 및 a2 벡터의 합과 동일하다. 따라서, 단일 벽 탄소 나노튜브에 대한 카이럴 벡터는 (4, 2)로서 표시된다. 만약 지점(A)과 지점(B)가 연결되도록 튜브가 권취된다면, 카이럴 벡터는 (3, 3)일 것이고 공론적 라인을 따라 놓여진다. 단일 벽 탄소 나노튜브는 예를 들어 지점(A)이 지점(D) 또는 지점(E)에 연결되도록 권취될 수도 있다.
카이럴 벡터는 결점 없는 탄소 나노튜브의 직경을 정확하게 정의한다. 카이럴 벡터의 성분이 (n, m)인 경우, 튜브 직경(d)은 아래의 수학식2에 의해 나도미터로 주어진다.
d = 0.0883[(n2 + m2 + mn)]1/2
탄소 나노튜브는 현존하는 것으로 알려진 가장 강하고 가장 탄력 있는 재료 이다. 단일 벽 탄소 나노튜브는 1.2 TPA의 영율(Young's Modulus)을 갖고 강철의 강도보다도 더 큰 크기의 인장 강도를 가진다. 그것은 또한 기계적 고장 이전에 큰 스트레인을 수인할 수 있다. 카이랠러티 벡터에 따라, 또한 그것은 상당히 전도성일 수 있다. 단일 벽 탄소 나노튜브는 수십 옹스트롬으로부터 수십 nm까지의 직경을 갖도록 마련될 수 있다. 약 3nm 이상의 직경을 가지는 단일 벽 탄소 나노튜브는 붕괴되는 경향을 나타내는 약점을 가진다. 약 0.4 내지 2.7의 직경, 더욱 바람직하게 0.8 내지 1.7nm의 직경을 가지는 단일 벽 탄소 나노튜브가 필요하다. 비록 위의 범위가 예시의 방식으로 제공되지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 공간적 범위 또한 채택될 수 있고 사용될 수 있다. 형성 조건을 선택함으로써, 동일한 카이럴 벡터를 갖고 소수의 결함 또는 결함이 없는 단일 벽 탄소 나노튜브가 제조될 수 있다. 그 결과, 단일 벽 탄소 나노튜브는 10nm 이하 그리고 더욱 전형적으로는 1nm 범위의 로트 대 로트 직경 변형(lot-to-lot diameter variation)을 나타내는 직경에 있어서 매우 균질하다. 그들은 수백 마이크론 또는 심지어 센티미터의 길이를 가질 수도 있다.
단일 벽 탄소 나노튜브 및 다른 탄소 나노튜브를 제조하기 위한 다양한 기술이 이용가능하다. 일반적으로 사용되는 하나의 기술은 금속 촉매, 일반적으로 니켈 코발트, 철 또는 이들의 혼합물로 처리되는 가열된 탄소 타겟의 레이저 절제(laser ablation)이다. 또 다른 방법은 직류 탄소 아크를 이용하여 금속 촉매 주입 탄소 전극을 기화시킨다. 선택 공정이 채택되어 크기 또는 결함 발생에 기반된 탄소 나노튜브를 분류할 수도 있다. 탄소 나노튜브 및 그들은 기준 구조로서 사용되는데 왜냐하면 주사 탐침 현미경 탐침은 미국특허 제6,354,133 및 제6,591,658호에 개시되어 있기 때문인데, 두 특허의 주제는 참조로서 전체로 여기에 합체되어 있다.
단일 벽 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 나노튜브는 그들이 재-진입 팁 특성화기로서 사용하기에 매우 적합하도록 하는 몇 가지 특성을 갖는다.
첫 번째로, 그들은 원통형이기 때문에, 폭 및 길이 모두에 의존하는 팁에 대한 데이터를 제공하는 임계 치수 팁의 바닥 및 돌출부 모두에 의해 그들은 연결될 수 있다. 따라서, 관심있는 모든 팁 치수, 심지어 임계 치수 또는 다른 재진입 팁의 모든 치수는 한번의 통과로 탄소 나노튜브를 주사함으로써 획득될 수 있다. 이것은 종래 두 단계(개선된 수직 평행 표면 + 실리콘 돌출 특성화기 구조) 특성화 기술과 비교될 때 처리량을 상당히 증가시킨다.
두 번째로, 바람직한 실시예의 경우처럼, 만약 탄소 나노튜브 또는 와이어가 인접한 지지 구조로부터 자유롭게 매달린다면, 특성화기/팁 접촉은 팁의 측면 돌출부 위로 모든 재진입 영역을 포함하여, 임계 치수 팁의 완전한 활동 영역에 대하여 유지될 수 있다. 접촉 구조의 포함된 각도가 54.7°인 실리콘 돌출 특성화기 구조 타입의 특성화기를 사용함으로써 재구성된 재진입 팁에 현존하는 “블라인드 존(blind zones)”을 이것은 제거한다.
세 번째로, 그들의 분자구조에 기인하여, 단일 벽 탄소 나노튜브를 포함한 탄소 나노튜브의 직경은 주어진 튜브의 길이를 따라 매우 균일하고 최소의 로드 대 로드 변형을 가진다. 상술한 것으로부터 명백해 진 것처럼, 단일 벽 탄소 나노튜브의 직경은 5nm 이하 그리고 심지어 3nm 또는 그 이하(1nm 범위)인 것으로 알려진다. 이것은 개선된 수직 평행 표면 및 실리콘 돌출 특성화기 구조 모두에 대하여 극적인 개선을 의미한다. 예를 들어, 실질적인 로트 대 로트 변형 때문에 개선된 수직 평행 표면이 금 라인(gold line) 또는 이와 유사한 것을 이용하여 주의깊게 조정되어야만 한다는 사실을 상기하자. 또한 개선된 수직 평행 표면으로 팁을 정확하게 등록하여 반복가능성을 보증하는 것이 필요하다는 사실을 상기하자. 실리콘 돌출 특성화기 구조의 에지 반경이 가정되어야만 하고 이러한 가정이 종종 부정확하다는 사실 또한 상기하자. 탄소 나노튜브는 이러한 임의의 약점을 결여하고 있기 때문에, 팽창된 이미지는 5nm, 바람직하게 3nm, 그리고 더욱 바람직하게 1nm 이하의 높은 정밀도를 가지고서 재구성될 수 있다.
네 번째로, 단일 벽 탄소 나노튜브는 1 내지 3nm 범위의 직경을 가지고 있기 때문에, 더 높은 해상도 이미지 처리는 현존하는 실리콘 돌출 특성화기 구조와 비교될 때 팁 표면 상에서 획득될 수 있다.
다섯 번째로, 단일 벽 탄소 나노튜브를 포함한 탄소 나노튜브는 실리콘 돌출 특성화기 구조 특성화기보다 훨씬 내구성을 가진다. 사실, 실리콘 팁 특성과 탄소 팁 특성의 비교는 탄소 팁 마모율이 실리콘 팁 마모율보다 적어도 더 느리다는 것을 나타낸다. 즉, 탄소 팁의 팁 수명은 실리콘 팁의 약 200 주사인 것에 비해서, 전형적으로 약 4000 내지 5000 주사이다. 탄소 나노튜브 특성화기는 실리콘 돌출 특성화기 구조의 특성화기와 비교할 때 적어도 증가된 수명을 가질 것이라고 예상될 수 있다.
여섯 번째로, 팁은 매우 높은 반복가능성으로 특성화될 수 있다. 반복된 특성화 주사의 결과로서 실리콘 돌출 특성화기 구조의 에지의 마모 또는 심지어 파손 및 그러한 마모 또는 파손이 검출 불가능하다는 사실을 회상하자. 따라서, 비록 초기 특성화가 팽창된 이미지의 매우 정확한 재구성의 결과를 초래하였다 하더라도, 원자간력 현미경 이미지 처리 과정 동안에 발생하는 차후적인 주사는 특성화에 있어서 상당히 낮은 해상도 및 이미지 재구성에 있어서의 감소를 유도한다. 특히 단일벽 탄소 나노튜브를 포함한 탄소 나노튜브는 그들이 마모하는 특성에 기인하여 실리콘 돌출 특성화 장치와 연관된 에지 반경 불확실성을 나타내지 않는다. 특히, 상술된 바와 같이, 처음에 탄소 나노튜브는 그 주축을 따라 극도로 균일한 직경을 가진다. 만약 벽 두께에 있어서 임의의 의미 있는 감소가 탄소 나노튜브의 임의의 지점에서 발생한다면, 그 지점에서의 모듈러스가 극단적으로 떨어져서, 탄소 나노튜브의 비극적인 고장을 유도할 것이다. 이러한 장애는 팁/나노튜브 상호작용 사이트(NAT 사이트)에서 탄소 나노튜브의 역학적, 전기적 또는 전기역학적 특성을 측정함으로써 검출될 수 있다. 일단 주어진 NAT 사이트가 손상된 특성화기로서 플래깅되면, 또 다른 NAT 사이트는, 탐침을 손상되지 아니한 탄소 나노튜브로 이동시키거나, 또는 탄소 나노튜브의 부분적인 장애만이 있는 경우 손상된 탄소 나노튜브의 손상되지 아니한 부분으로 탐침을 이동시킴으로써, 팁 특성화를 위해 선택될 수 있다.
탄소 나노튜브 장애를 검출하기 위한 하나의 바람직한 기술은 탄소 나노튜브가 전기적으로 전도성이 있게 형성될 수 있다는 사실에 기반된다. 그와 같이, 만약 전도성 또는 저항성이 인 시츄에서 수동적으로 모니터 되고 급격한 감소를 보이거나 또는 완전하게 사라지는 경우, 부분적 또는 완전한 탄소 나노튜브 장애는 검출될 수 있다. 물론, 이러한 모니터링은 도 6에 도시된 바와 같이 탄소 나노튜브(100)가 전극 또는 패드(110, 112)와 접촉되게 위치되는 것이 요구된다. 이러한 효과를 달성하기 위한 몇가지 기술이 ‘Dai, Surface Science, 볼륨 500, 페이지 218-241, 2002’에서 논의되었는데, 그 주제는 배경 기술의 방식으로 참조에 의해 합체된다. 예를 들어, 개별적인 단일벽 탄소 나노튜브는 액체 서스펜션으로부터 소정의 전극(110, 112)까지 단일벽 탄소 나노튜브를 레이저 절제에 의해 적층함으로써 산화 실리콘 기판(114) 위에 성장될 수 있다. 기판(114) 상의 단일벽 탄소 나노튜브는 또한 원자간력 현미경 또는 유사한 장치에 의해 위치될 수 있고, 그러면 전극(110, 112)은 탄소 나노튜브 단부와 접촉되게 위치될 수 있다. 스탠포드 대학교에서 개발된, 성장 및 집적 방법은 또한 패턴화된 촉매 섬(patterned catalyst islands)으로부터 성장된 단일벽 탄소 나노튜브와 접촉하도록 사용될 수 있다. 그 방법은 개별적으로 어드레스로 불러낼 수 있는 탄소 나노튜브를 다수 생산하는데 장점을 가지고 있다. 복잡한 탄소 나노튜브 전기 장치는 또한 다양한 접근 방법에 의해 획득된다. 이러한 장치들은 접합점, 탄소 나노튜브 크로스 및 기판에 날카로운 비틀림(sharp kinks)을 포함하는 내부-튜브 헤테로접합을 포함하고, 그리고 매달린 탄소 나토튜브 구조를 교차시킨다.
스트레인 되거나 또는 왜곡된 탄소 나노튜브와 같은 가변 저항 장치의 측정은 전기 공학 분야에서 일반적이다. 단지 두 가지 방법의 예시는 휘트스톤 브리지 회로에서 요소로서 가변 저항을 위치시키거나 또는 커패시터 및 주파수 소스를 가지는 회로에서 가변저항을 이용하는 것이다. 바람직한 실시예는 실리콘 특성화기 기판 상에 인-시츄(in-situ)에서 회로를 이용한다.
탄소 나노튜브의 완전한 상태가 수동적이기보다 능동적으로 모니터링 될 수 있다는 것은 상상할 수 있다. 이러한 가능성은 탄소 나노튜브의 전도성이 상대적으로 낮은 굴곡 각도에서 보다 상대적으로 높은 굴곡 각도에서 급격히 더 높아진다는 사실의 인식에 기반된다. 이러한 효과는 도7에서 곡선(120)에 의해 도시되는데, 상기 도면은 단일벽 탄소 나노튜브의 전도도가 5°보다 작은 범위에서의 작은 굴곡 각도에 대하여 상대적으로 느리게 감소하고 더 높은 각도에서 훨씬 급격해 진다는 것을 나타낸다. 더욱 상세하게, 측정된 힘과 전도성 대 편향의 조사는 3.1nm 직경의 단일벽 탄소 나노튜브가 SiO2에서 에칭된 605nm 폭의 트랜치에 대하여 편향되는 것으로 수행되었고, 산화 실리콘이 5° 또는 그 이하의 작은 편향일 때, 편향에 인가된 힘에 비례한다는 것을 드러냈다. 편향이 3% 평균 스트레인으로 14°로 증가되었기 때문에 저항은 그 후에 5°에서 200 Kohm으로부터 25 mohm까지 급격하게 증가하였다.
큰 편향에 대한 탄소 나노튜브 저항의 높은 민감도는 탄소 나노튜브의 완전한 상태를 능동적으로 체크하는데 사용될 수 있다.
만약 탄소 나노튜브 부분이 부분적으로 또는 완전하게 작동하지 않는다면, 그것은 보전이 완벽하다면 이루어지는 것보다 상대적으로 낮게 인가된 힘 하에서 더 많이 변형될 것이다. 따라서 탄소 나노튜브의 완전한 상태는, 예를 들어 5°보다 작게 손상되지 아니한 탄소 나노튜브를 굽히기 위해 알려진 제어된 힘으로 탐침과 상호작용을 하는 동안 그것의 저항을 모니터링 함으로써 체크될 수 있다. 만약 모니터된 전도성이 그 영향의 결과로서 상당히 감소한다면, 튜브 고장은 가정될 수 있다. 선택적으로, 탄소 나노튜브 편향은 인가된 힘의 함수로서 직접적으로 모니터 될 수 있고, 그리고 만약 예상보다 더 높은 편향이 검출된다면, 부분적 또는 완전한 탄소 나노튜브 장애가 발생한다고 가정될 수 있다. 이러한 모니터링은 원자간력 현미경의 작동 사이클 동안 특성화 단계 이전에 또는 이후에 수행될 수 있었다.
간단히 상술된 바와 같이, 탄소 나노튜브는 팁이 주변 기판으로부터 간섭 없이 탄소 나노튜브를 연결하도록 허용하는 팁 또는 다른 오목한 곳(recess) 위에 매달릴 수 있다. 그러므로 그것은 “크로스 트렌치 특성화기”로 생각될 수 있다. 바람직하게, 필수적이지는 않지만, 전체적으로 탄소 나노튜브의 편향 또는 굴곡을 방지하거나 또는 적어도 제한하기 위해 그것은 또한 안전하게 양단에 거치될 수도 있다. 만약 허용된다면, 그러한 굴곡은 잘못된 팁 형상 데이터로서 획득된 이미지에 편향될 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 현재까지 바람직한 기술은 도8에 개략적으로 도시된 바와 같이 트렌치(132)를 수직하게 가로질러 탄소 나노튜브(130)를 매다는 것이다. 팁(30)은 그것이 탄소 나노튜브(130)와 직면하여 임의의 필요한 방식으로 탄소 나노튜브(130) 위로 그것을 주사하는 동안 트렌치(132)의 축을 따라 그것을 주사함으로써 특성화가 될 수 있다.
몇몇 기술은 트렌치 또는 유사한 구조 위에서 나노튜브를 보유하는데 유용하다. 도8에 개략적으로 도시된 바와 같이 하나는 트렌치-크로싱(trench-crossing) 탄소 나노튜브(130)의 적어도 하나의 단부(136, 138)를 트렌치(132)를 포함하는 산화 실리콘 또는 다른 기판(140)에 실장하는 단계를 포함한다.
더 상업적으로 실행 가능한 크로스-트렌치 특성화기(140)가 도9A 및 도9B에 도시된다. 특성화기(140)는 리소그래피로 패턴이 형성된 필라(pillar) 또는 기둥(144, 146) 사이에 매달린 탄소 나노튜브(142)를 포함하는데 필라 또는 기둥은 산화 실리콘 기판(148)의 표면으로부터 위쪽으로 뻗어있다. 기둥들(144, 146)이 충분히 이격되어 그들 사이에 팁을 수용할 수 있는 효율적인 트렌치를 형성하기 위해 패터닝 공정은 제어되어야 한다. 니켈 코발트, 철, 또는 다른 적당한 금속으로 형성된 촉매 사이트는 기둥(144, 146)의 꼭대기에 형성된다. 하나 이상의 탄화수소, 전형적으로 메탄은 화학 기상 증착(CVD)에 의해 촉매 재료 위에 증착된다. 화학 기상 증착 성장 동안, 탄소 나노튜브(142)의 최외각 벽은 그 주변과 반데르 바알스 힘으로 상호작용을 하여 번들(bundle)을 형성하는데, 이는 탄소 나노튜브가 자기 지향 및 기판 표면에 수직하게 성장하도록 한다. 화학 기상 증착 공정 동안, 탄소 나노튜브는 기둥들(144, 146)의 꼭대기에서 핵을 이루고 그들이 성장할 때 선형적으로 증식한다. 메탄 흐름은 탄소 나노튜브가 “플로팅(floating)” 또는 웨이빙(waving) 하는 것을 방지하는데 플로팅 또는 웨이빙은 바닥 기판 근처의 메탄 흐름 속도가 기둥(144, 146) 꼭대기 수준에서의 속도보다 작다는 사실에 기인한다. 이것은 탄소 나노튜브가 기판 표면 또는 기둥(144, 146)의 바닥에 의해 “포획” 되는 것을 방지한다. 다른 한편 근처 기둥이 증식 튜브에게 고정 지점을 제공한다.
만약 하나의 기둥(144)으로부터 성장한 탄소 나노튜브가 근처 기둥(146)과 접촉하 는 경우, 튜브 기둥 반데르 바알스 인력은 탄소 나노튜브(142)를 붙잡고 높이 거치한다. 0.2nm 길이의 단일 벽 탄소 나노튜브는 이 방식으로 성장될 수 있다.
따라서, 이러한 기판을 사용하는 메탄의 화학 기상 증착은 매달린 탄소 나노튜브가 거의 정렬된 네트워크를 형성하도록 유도하고 그리고 탄소 나노튜브의 방향이 기둥(144, 146)의 패턴에 의해 지향되도록 유도한다. 만약 모니터링 목적을 위해 필요한 경우, 전극은 상술된 기술 중 하나를 이용함으로써 기둥(144, 146)의 꼭대기 상에 위치될 수도 있다.
실제로, 탄소 나노튜브의 방향은 기둥 패턴에 의존하는데, 즉 이는 기둥을 형성하기 위해 사용된 리소그라피 패턴의 선택에 의해 결정된다.
예를 들어, 탄소 나노튜브(152)의 매달린 열은 도10에 도시된 바와 같이 전력선과 같은 정렬된 기둥(154)의 열을 따라 형성되고 묶일 수 있다. 만약 필요하다면, 전극은 상술된 바와 같이 탄소 나노튜브의 단부 위에 위치될 수도 있다. 그에 따른 특성화기(150)는 팁 특성화에 유용한 다수의 정렬된 크로스-트렌치 탄소 나노튜브를 가진다.
도11에 도시된 바와 같이, 특성화기(160)는 기판(166)으로부터 위쪽으로 뻗은 실리콘 필러(164)의 상에 정사각형 또는 직사각형의 매달린 단일벽 탄소 나노튜브(162, 162’)의 네트워크를 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 만약 필요하다면, 전극은 탄소 나노튜브의 단부 위에 위치될 수 있다. 직사각형 안에 또는 직사각형 배열 안에 탄소 나노튜브를 제공하는 장점은 탄소 나노튜브가 x 및 y 방향 모두로 뻗는다는 것이다. 그와 같이, 도11에 도시된 바와 같이 탐침 팁(30)은 직사각형 안에 위치될 수 있고 그리고 y로 뻗은 탄소 나노튜브(162) 또는 x로 뻗은 탄소 나노튜브(162) 중 어느 하나와 작동적으로 연결함으로써 x 및 y 방향 모두로 특성화가 될 수 있다. 이러한 능력은 상업적으로 중요한데 왜냐하면 수요자가 트랜지스터 또는 다른 피측정물에 관한 삼차원 정보를 요구하고 있기 때문이다. 물론, 삼차원 이미지 처리는 이상적으로 x 및 y 방향 모두로 주사를 요구한다. 그러므로 이들 방향 중 단지 하나의 방향으로 팁(30)을 특성화하는 특성화 기술은 팽창된 이미지로부터 재구성 이미지를 부분적으로 최적화한다.
실리콘 돌출 특성화기 구조에 대하여 탄소 나노튜브 기반 특성화기의 또 다른 장점은 여기에서 주목될 것이다. 상세하게, 팁을 위치시키고 특성화하기 위해 요구되는 주사 크기는, 더욱 처리량을 증가하더라도, 탄소 나노튜브-기반 특성화를 위해 더욱 작다. 즉, 전형적인 실리콘 돌출 특성화기 구조를 형성하는 오목한 곳은 전형적으로 10 마이크론 크기로 상대적으로 넓다. 그 오목한 곳의 에지는 특성화를 위해 위치되어야만 한다. 대조적으로, 탄소 나노튜브-기반 특성화 동안 트렌치 에지를 위치시킬 필요는 없는데 왜냐하면 팁(30)이 그 길이를 따르는 임의의 위치에서 탄소 나노튜브를 접할 수 있기 때문이다(추가적으로, 전형적인 트렌치는 전형적인 실리콘 돌출 특성화기 공동(cavity)보다 더 좁은 크기이다.). 따라서 실리콘 돌출 특성화기 기반 특성화에 요구되는 에지 위치결정(locating) 단계는 제거될 수 있다. 탄소 나노튜브-기반 특성화를 위해 트렌치 안에 튜브를 위치시키는 것은 필요하지만, 그러한 공정은 기둥-형성 과정을 제어하여 트렌치-크로싱 탄소 나노튜브의 밀집 배열을 형성함으로써 용이하게 될 수 있다. 특히, 기둥-형성 과정은 제어되어 200nm보다 작고, 더욱 바람직하게 100nm보다 작고, 그리고 50nm 또는 그 이하까지 공간을 가지는 기둥을 제공한다. 이제까지 실리콘 돌출 특성화기-기반 특성화에 사용된 스캔 스피드로 그렇게 짧은 트렌치에 탄소 나노튜브를 위치시키는 것은 최고 많아야 5분 그리고 더욱 전형적으로 단지 일분 또는 이분 또는 그 미만을 요구한다.
다시 한번 이것은 종래 기술인 개선된 수직 평행 표면+실리콘 돌출 특성화기 구조 기술과 비교할 때 본 발명의 바람직할 실시예의 처리양 증가를 강조한다. 더욱 상세하게, 개선된 수직 평행 표면을 주사하고, 탐침을 실리콘 돌출 특성화기 구조로 이동시켜 , 그리고 실리콘 돌출 특성화기 구조를 위치시켜 스캐닝하는 단계를 포함하는 종래 기술에 대한 최적의 특성화 주사 시나리오는 적어도 약 육분에서 팔분이 소요된다. 대조적으로, 여기에서 기술된 탄소 나노튜브-기반 특성화 기술은 항상 오분 미만에 수행될 수 있고 그리고 가끔은 2분 또는 그 미만, 또는 심지어 일분 또는 그 미만에 수행될 수 있다.
예를 들어 2002년 05월 27일에 Liu 등에 의해 작성되어 Physics Review Letters의 Vol. 88, No. 21에 기재되고 그 주제는 참조로 여기에 합체된 것과 같이 탄소 나도튜브는 또한 링으로 형성될 수 있다. 만약 그러한 원형의 탄소 나노튜브(172)가 도12에 도시된 바와 같이 기판(176)으로부터 위쪽으로 뻗은 기둥들(174)에 대하여 성장된다면, 그에 따른 특성화기(170)는 기둥들(174) 사이에서 정확한 트렌치를 가질 것이다. 이러한 구조를 가지고서, 원자간력 현미경 팁(30)은 x-y 안에서 임의의 방향으로 이동되고, 탄소 나노튜브를 연결하여, 더욱 정확한 삼차원 팁 특성화 및 더 좋은 이미지 재구성의 결과를 초래한다.
도8에 도시된 바와 같이 기판에 탄소 나노튜브의 단부를 단순히 실장하는 것 또는 도9-12에 도시된 바와 같이 기둥에 그들을 매다는 것은 탄소 나노튜브에 장력을 제공하여 수용가능한 범위에 대한 팁 특성화시 탄소 나노튜브 굴곡의 영향을 충분히 줄일 수 있다. 만약 필요하다면, 기술은 추가적으로 탄소 나노튜브에 장력을 제공하도록 채택될 수도 있다. 그러한 하나의 기술은 도13에 도시되어 있는데, 이는 탄소 나노튜브(182)의 단부(184, 86)가 도8과 연결되어 전체적으로 상술된 것처럼 트렌치(190)의 대향 측면상에 산화 실리콘 기판(188)에 실장되는 특성화기(180)를 도시한다. 저항성 가열 요소(192)는 트렌치(190)의 대향 측면상에 기판(188)에 실장된다. 가열 요소(192)에 전류를 인가함으로써, 기판의 상부 표면(194)은 탄소 나노튜브(192)에 추가적인 장력을 제공하도록 확장한다.
상술된 바와 같은 특성화기(150, 160, 170, 180)와 같은 특성화기로부터 특성화 데이터를 획득하기 위한 팁(30)의 이미지 처리는 임의의 필요한 방식으로 수행될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 도4의 원자간력 현미경(80)의 원자간력 현미경 작동기(94)는, 만약 임계 치수 팁에 대한 비재진입 또는 2-차원 스캐닝 모드의 팁이라면 TappingMode™와 같은 진동 모드에서 진동하는 탐침을 구동하는 동안, x 방향으로 크로스 트렌치 탄소 나노튜브를 향해 탐침(82)을 구동한다. 이러한 진동의 위상 폭은 피드백 신호를 이용하는 주사 동안 일정하게 유지되는데, 피드백 신호는 팁 형상을 나타내는 데이터를 제공하기 위해 팁(30)과 탄소 나노튜브 사이의 상호작용에 반응하여 생성된다. 이러한 상호작용은 실제적인 팁/탄소 나노튜브 짧은 접촉을 중단시킬 수 있으나, 그 대신, 반데르 바알스 힘과 같은 표면 근처 영향을 반영할 수도 있다. 사실, 실제적인 팁/탄소 나노튜브보다 표면 근처 영향에 반응하는 셋포인트를 선택하는 것은 팁 또는 특성화기 마모를 줄일 수 있고 팁 또는 특성화기 파손을 방지할 수 있다. 이러한 피드백 신호는 수집되고, 저장되며, 팁(30)을 특성화하기 위한 데이터로서 사용된다. 추가적으로 차후의 이미지 재구성 공정 동안 사용되도록 하기 위해, 결과로서 생기는 데이터는 직접적으로 또는 다른 이미지-의존 데이터와 결합된 후에 디스플레이될 수 있다.
팁 특성화에 의해 획득된 데이터를 이용하는 팽창된 이미지를 재구성(또는 “deconvolving”)하는 방법은 도4의 원자간력 현미경과 관련하여 이제 기술된다. 그러한 영향을 얻기 위한 택일적인 방법뿐만 아니라 바람직한 방법은 Veeco Instruments에 의한 미국특허번호 제7,143,005호에서 기술되는데, 그 주제는 전체로서 참조로 여기에 합체된다.
도14로 가서, 도4의 원자간력 현미경(80)의 탐침(82)에 대한 도2의 장화 형상의 임계 치수 탐침 팁(30)은 역 주사 또는 재진입 주사를 포함할 수도 있는 주사로 시료(200)의 트렌치 벽(202)을 가로질러 주사된다. 탐침 팁(30)은 돌출부(32, 34)를 포함함을 상기하자. 도시된 주사는 우선 트렌치 벽(202)을 따라 좌측 상단에서 하단 우측으로 실행되어, 일련의 삼각형(206)에 의해 표현되는 데이터를 획득한다. 삼각형(206)으로 표현되는 획득된 데이터는 팁(30) 형상을 설명하기 위해서 수정되어야만 하는 팽창된 데이터이다. 팽창된 데이터는 팁(30)의 고정된 기준점, 예를 들어 말단부에서 팁(30)의 중간-지점 “x"을 이용함으로써 생성된다. 중요하게, 이러한 기준점 “x"는 전형적으로 벽(202)과 탐침(30) 사이의 상호작용 지점으로부터 옮겨진다. 그 지점은 돌출부(34)와 같이, 팁(30)의 전혀 상이한 부분에 가끔 위치되기도 한다. 실제적인 접촉점은 도14에서 직사각형(208)에 의해 표현된다.
도14를 계속 참조하여, 탐침 팁(30)은 세 개의 위치에 표시되는데 왜냐하면 그것이 주사 방향에 있어 좌우로 진행하기 때문이다. 한 쌍의 문자, 예를 들어 a-aa는 탐침 팁(30)과 시료 특징부(202) 사이에서 접촉점, 그리고 팽창된 이미지 프로파일을 생성하기 위해 사용되는 원자간력 현미경(30) 팁 상에서 선택된 기준 점(즉, “x")에 상응하는 위치를 나타낸다. 그와 같이, 각각의 쌍(즉, a-aa, b-bb 및 c-cc)의 지점 사이의 거리 및 방향(즉, 벡터)은 원자간력 현미경 이미지 데이터가 필요한 재구성 이미지를 생성하도록 수정되어야만 하는 양이다. 도14에서 일련의 사각형에 의해 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예는 이러한 수정을 제공한다.
본 실시예에 따라 적용된 두 개의 수정 벡터가 도시된다. 위치(30‘)에 있을 때, 팁(30)은 지점(b)에서 시료(202)와 접촉하고, 그리고 기준점(x)는 "bb"에 있다. 바람직한 실시예는, 예를 들어 직교 성분(V1x and V1z)을 가지는 보정 벡터(V1)를 확인하기 위해 (아래에서 기술될) 팁-시료 표면 법선 벡터(tip-sample surface normals)를 분석함으로써, 이러한 두 개의 지점(즉, 팽창) 사이에서 그 차이를 보정하도록 작동한다. 마찬가지로, 팁(30)이 위치(30”)에 있을 때, 그것은 지점(c)에서 측벽(202)와 접촉하여, 데이터 이미지 점(cc)를 생성한다. (도16)의 방법(280)은 지점 “cc"에서 "c"까지를 해석하기 위한 보정 벡터(V2)를 결정하고 적용 하여, 그 결과 팽창된 이미지로부터 접촉점 "c"에서 팁(30)의 형상을 추출한다.
아래에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 팽창된 이미지 데이터의 수직 부분, 그리고 측벽(202)의 언더컷 영역(U)에서 재구성된 이미지(즉, 사각형 영역)의 상응하는 수직 부분(39)은 측벽(202)의 돌출 지점(b)에서 표면(202)과 접촉하는 팁(30)의 샤프트(37)에 의해 야기된다. 즉, 팁(30)의 좌측(34)은 이미지 데이터의 지점(35)에서 측벽(202)과 접촉하지 않는다. 그 결과, 돌출부와 접촉한 팁(30)의 샤프트 부분(37)으로, 사각형 블록의 수직선의 좌측에 대한 언더컷 영역(U)의 부분(즉, 수정된 데이터)은, 그 영역에서 팁-시료의 접촉이 없기 때문에, 빗금이 쳐졌다. 빗금친 영역(U)을 이미지 처리하는 것은 더 큰 돌출부를 가진 팁을 요구한다.
도15로 가면, 원자간력 현미경 데이터 취득 동안 팁-시료 상호작용의 구조가 도시된다. 탐침 팁(30)과 시료 특징부(202) 사이의 임의의 특정 접촉점에 대한 이러한 구조를 설명하기 위해 원형의 2-차원 단면으로 이상화되도록 도시될 수 있는데, 여기에서 접촉점(278)은 두 구조의 경계에 있는 접선 평면에 위치한다. 중요하게, 접촉점(278)에서, 접선 평면에 대한 표면 법선 벡터(277, 279)는 동일하고 각각 시료(202)와 탐침(30)에 대하여 정반대이다. (도15에 도시된 바와 같이) 일련의 유일한 표면 법선 벡터에 의해 특성화되는 표면 점을 정의하는 형상을 가지는 팁을 이용할 때, 이러한 표면 법선 벡터는 원자간력 현미경 이미지 데이터와 비교되어 표면상에서 팁의 정확한 접촉점을 식별할 수 있다. “균등면 법선 벡터(equal surface normals)”는 법선 벡터가 동일한 방향으로 연장한 것을 지칭하는 것임을 주목하자.
더욱 상세하게, 각각의 지점에서 팁 형상은 그 점에서 데이터의 기울기 및 지정된 기울기 방향으로서 주사 탐침 현미경에 의해 기록된 데이터에 반영된다. 주사 탐침 현미경 이미지 데이터의 (예를 들어, 주사 방향 또는 X-Z 평면의 X축에 대한) 기울기 및 지정된 기울기 방향을 계산함으로써, 그리고 주사 방향을 인식함으로써, 지점(276)에서 이미지 단위 평면 법선 벡터는 277’이다. 팁 시료 접촉점(278)에서, 시료 단위 표면 법선 벡터(277)는 동일하다. 이러한 정보를 가지고서, 시료(200)의 측벽(202) 상에서 팁(30)의 접촉점은 결정될 수 있다. 또한, 탐침 팁 접촉점과 연관된 표면 법선 벡터(279)는 시료 단위 표면 벡터(277)와 동일하나 반대 방향일 것이다. 표면 법선 벡터(279)를 인식함으로써, 표면 법선 벡터(279)와 연관된 (이전에 탐침 팁의 특성화시 계산된) 적절한 보정 벡터가 지점(276)에 적용될 수 있다.
이전에 강조한 바와 같이, (도4) 주사 탐침 현미경이 계속해서 시료(200)를 주사하기 때문에, 접촉점은 팁 표면을 따라 해석하고, 그 결과 전형적으로 새로운 접선 평면 및 새로운 표면 법선 벡터를 정의한다. 현재 설명되는 기술은 (팁의 활성 영역과 연관된 유일한 표면 법선 벡터를 가정한) 주사 데이터에 있어 각각의 지점에서 팁 접촉점을 결정할 수 있기 때문에, 각각의 주사 점에 대한 적절한 보정 벡터는 결정될 수 있고, 시료 표면의 재구성된 이미지는 생성될 수 있다. 그 결과, 팁 형상에 의해 소개된 팽창 에러는 본질적으로 제거된다.
결국, 팁 형상이 주사 탐침 현미경 이미지 데이터에서 컨벌브(convolved) 되 고 팁(30)의 접촉점의 표면 법선 벡터가 그 점에서 시료 표면 법선 벡터와 동일하고 방향이 반대이기 때문에, 시료(200) 상에서 팁(30)의 접촉점은 결정될 수 있다. 시료 상에서 팁의 하나의 접촉점에 해당하는 주사 탐침 현미경 이미지 데이터의 국소적 기울기를 계산함으로써, 그런 다음 해당 표면 법선 벡터를 확인함으로써, 이것은 성취된다. 확인된 표면 법선 벡터에 연관된 보정 벡터가 포인트-바이-포인트(point-by-point)에 기초하여 팁 접촉점에 해당하는 데이터를 사용함으로써 결정되기 때문에, 높은 정확도를 가지는 재구성된 이미지는 계산적으로 집중적이지 아니한 방식으로 획득될 수 있다. 이렇게 재구성된 이미지의 생성은 도16에서 280으로 개략적으로 도시된 방법의 설명과 관련하여 지금 기술될 것이다. 바람직하게 본 방법은 도4의 원자간력 현미경(80)의 제어기(92)에서 수행하나 원자간력 현미경상에서 전체적으로 또는 부분적으로 수행되거나 또 다른 장치에서 전체적으로 수행될 수도 있다.
도16의 방법(280)은, 팁(30)의 형상이 상술된 탄소 나노튜브-기반 특성화 과정 중 하나를 이용하여 특성화되는, 블록(282)에서 시작한다. 더욱 상세하게, 관심 있는 표면 특징부를 연결할 수 있는 최소의 팁(30) 부분은 포인트-바이-포인트에 기초하여 특성화 된다. 이러한 부분은 적어도 팁(30)의 바닥(36) 및 돌출부(32, 34)를 전형적으로 포함한다. 수직 에지 높이 및 돌출부 에지 반경과 같이 필요한 치수는 결정될 수 있다. 필요한 경우, 특성화 단계(282)는 모든 주사 이전에 수행될 수 있다. 하지만, 팁이 다시 특성화되는 것을 필요로 하기 전에 팁 마모 또는 파손은 몇몇 상이한 사이트가 주사될 수 있는 대부분의 응용기기에서 충분히 낮은 비율로 발생한다. 팁이 다시 분석되는 것을 필요로 하기 전에 주사될 수 있는 사이트 개수는 작동자의 선호도 및 시료 특성에 따라 변할 수도 있다. 예를 들어, 작동자가 매우 정밀함을 필요로 때 그리고 팁(30)이 폴리실키콘과 같이 상대적으로 연마성 재료를 주사할 때, 단지 2-3 사이트를 주사한 후에 팁(30)을 다시 특성화하는 것은 필요하다. 반대로, 만약 팁이 실리콘 또는 생물학적 시료와 같은 낮은 연마성 재료를 주사하도록 사용된다면 그리고/및 작동자가 정확도에 덜 관심이 있는 경우, 팁(30)은 그것이 마모, 파손 또는 오염에 대한 조사를 위해 다시 특성화되기 전에 열 개 또는 그 이상의 사이트를 주사하도록 사용될 수도 있다.
방법(280)은 그런 다음 블록(284)로 진행하는데, 여기에서 탐침 표면의 활성 영역 상에서 몇몇 지점과 연관된 표면 법선 벡터를 결정한다. 이러한 표면 법선 벡터는 탐침 칩(30)의 표면으로부터 외부로 수직하게 뻗어 있다. 바람직하게, 표면 법선 벡터는 (도 14)의 X-Z 공간에서 해당 특정 각도(Θ)로 컴파일 되어 팁 표면의 특성화된 지점 또는 영역을 식별한다. 극 좌표계를 사용하는 삼차원 X-Y-Z 공간에 있어서, r은 거리 스칼라, 제1 각도(Θ) 및 제2 각도(Φ)는 표면 법선 벡터를 정의하도록 사용되는데, 거리 스칼라는 0에서 Nnm의 범위를 가지고, 제1 각도는 0에서 360°이며, 제2 각도는 0에서 180°이다.
블록(286)에서 팁 형상이 특성화된 후, 적절한 보정 인자는 탐침 팁(30)의 활성 부분의 각각의 지점 또는 영역에 대하여 결정된다. 이러한 보정 인자는 탐침 팁의 기준 점, 즉 원자간력 현미경에 의해 획득된 이미지 데이터를 플로팅하도록 사용된 팁의 점에 대하여 계산된다. 이러한 보정 인자는 보정 벡터의 간편한 ΔX 및 ΔZ(도14 참조)(또는 X-Y-Z 공간에서 ΔX, ΔY, ΔZ)일 수도 있고, 또는 특성화된 지점 또는 영역과 연관된 더욱 복잡한 방정식일 수도 있다. 그런 다음 보정 벡터는 연관된 표면 법선 벡터와 함께 컴파일 되고, 이미지 재구성 동안 준비된 접속 및 응용을 위해 저장된다. 예를 들어, 표면 법선 벡터의 배열은 이미지 재구성 동안 준비된 접속을 위해 해당 보정 벡터를 따라 룩-업 테이블(look-up table)에 저장될 수도 있다.
그런 다음, 블록(288)에서, 원자간력 현미경(80)으로 선택된 시료의 주사는, 탐침(82)이 y방향에 있는 많은 밀접 공간 선(closely spaced lines)을 따라 x 방향으로 주사되는 소위 “래스터 주사(raster scan)”와 같은, 임의의 필요한 기술을 이용하여 수행된다.
블록(290)에서, 방법(280)은 주사가 수행되었기 때문에 시료 표면의 이미지 프로파일을 선택적으로 획득한다. 물론, 이것은 원자간력 현미경에 의해 획득된 팽창된 데이터, 즉 보정되지 아니한 데이터이다.
다음으로, 방법(280)은 블록(292)에서 획득된 미가공 데이터(raw data) 중 적어도 두 개의 점을 이용함으로써 프로파일을 따라 (지점과 연관된) 영역에 대한 이미지 프로파일의 기울기 및 기울기 방향을 계산한다. 이러한 기울기는 이차원 데이터를 보정할 때 주사 방향(X축)에 대하여 ΔZ/ΔX로서 측정될 수도 있다. 마찬가지로, 삼차원 데이터에 대하여, 이전에 기술된 접선 평면은 XY 평면에 대하여 측정될 수도 있다. 블록(294)에서, 방법(280)은 주사 기울기 및 방향에 기반된 그 지점에 대한 시료 표면에 대한 단위 법선 벡터(도15에서 77)를 결정한다. 특히, 주사 방향에 대하여, 이미지 프로파일을 왼쪽으로부터 오른쪽으로 주사하고 처리할 때 시료 단위 표면 법선 벡터는 “시료의 내부”로부터 멀리, 예를 들어 좌측으로 지향된다.
그 후에, 블록(296)에서, 예를 들어(2-차원: r, Θ 그리고 3-차원 테이블에 대하여는 r, Θ 및 Φ) 룩-업 테이블에 있어서 스칼라 거리(r) 및 각도(Θ)를 통해, 방법(280)은 팽창된 데이터(블록(294))에 연관된 단위 법선 벡터와 팁 특성화에 연관된 저장된 표면 법선 벡터를 비교한다. 블록(298)에서, 방법(280)은 그 지점에 대한 단위 법선 벡터에 연관된 적절한 보정 인자를 결정한다. 또한, 이러한 결정은 팁 형상의 특성화에 기반되어 이루어진다(블록(282)).
블록(300)에서 이미지 프로파일의 현재 지점에 대한 적절한 보정 인자(즉, 벡터)를 인식함은 보정된 이미지 프로파일의 점(즉 재구성된 이미지)을 플롯팅 한다. 그런 다음, 블록(302)에서 방법(280)은 팽창된 이미지 프로파일에서 모든 지점이 고려되었는지 여부를 문의한다. 만약 그렇지 않다면, 블록(292) 내지 블록(300)은 이미지 프로파일에 있어서 적어도 몇몇 지점들에 대하여 반복되어 보정된 이미지 프로파일, 즉 실제 시료 표면을 더욱 닮은 프로파일을 생성한다. 만약 블록(304)의 질문에 대한 답이 예스이면, 이미지상의 모든 지점이 분석되었고, 재구성이 완성되었음을 나타낸다. 그러면 재구성된 이미지는 디스플레이될 수 있고 그리고/또는 그 이미지의 표시 데이터는 원자간력 현미경 제어기(92)에 저장될 수 있고 그리고/또는 다른 컴퓨터 또는 추가적인 조작을 위해 제어기로 전송될 수 있다. 이러한 작동은 전체적으로 블록(306)에서 도시된다.
상술된 방법은 단지 임계 치수 원자간력 현미경에 사용된 바와 같이 재진입 재구성을 위한 하나의 방법일 뿐이다. 추가적인 방법은 미국특허 제 7,143,005호에 개시되어 있다.
지금까지 기술된 재구성 기술은 특성화 단계(282) 동안 발생할 수도 있는 제한된 정적 나노튜브 편향의 효과를 고려하지 아니하였다. 100nm의 트렌치 폭 그리고 3nm의 직경 및 영율 1500GPa를 가지는 탄소 나노튜브를 가지는 크로스 트렌치 탄소 나노튜브 특성화기와, 임계 치수 원자간력 현미경 팁에 의해 인가된 10nN 힘에 대하여, 탄소 나노튜브는 팁에 의한 10nN의 힘의 인가시에 2nm 이하로 편향된다. 만약 탄소 나노튜브가 (예상하는 바와 같이) 방사상 이방성이고 팁에 의해 인가된 임이 Z 및 X 방향에서 동일하다면, 탄소 나노튜브는 방사상 방향으로 그리고 축상 방향으로 동일하게 변형할 것이다. 주사 데이터에서 탄소 나노튜브의 편향 효과는 국소 기울기의 방법, 또는 견본 이미지로부터 팁 형상을 제거하기 위해 사용된 것과 유사한 공정(즉, 팁/탄소 나노튜브로부터 탄소 나노튜브를 부식시키는데 사용된 탄소 나노튜브 의 유효 단면을 수정함)을 가지는 다른 방법을 사용함으로써 제거될 수 있다. 추가적으로, 만약 Z 및 X 힘이 상이하지만, 알려져 있다면, 그에 따른 이미지의 왜곡을 제거하는 것은 여전히 가능하다.
비록 본 발명의 수행에 있어서 발명자에 의해 고려된 최적 모드가 위에서 개시되었지만, 본 발명의 실시는 이에 한정되지 아니한다. 근본적인 발명 사상의 정신 및 범위로부터 일탈 없이, 본 발명의 형태의 다양한 추가, 수정 및 재구성이 가능한 것은 명백하다. 본 발명의 범위이지만 구체적으로 위에서 논의되지 아니한 개 시된 실시예에 대한 다른 변경 범위는 청구된 청구범위 및 다른 첨부서류로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면 종래기술과 비교하여 데이터 처리량, 정확도 및 반복가능성을 증가시킬 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브의 무결성을 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (53)

  1. 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 주사 탐침 현미경의 재-진입 팁으로 단일의 특성화기의 단일주사를 수행하는 단계;
    (B) 이미지 처리 과정동안에 시료의 수직 또는 언더컷 특징들과 상호작용을 할 수 있는 상기 재-진입 팁의 적어도 부분들의 형상을 결정하기위하여 상기 주사로부터 데이터를 획득하는 단계로서, 상기 획득된 데이터는 상기 부분들의 폭과 높이에 관한 정보를 반영하고; 상기 획득 단계는 상기 단일의 특성화기의 상기 단일 주사로 수행되는, 상기 데이터를 획득하는 단계;
    (C) (1)적어도 상기 팁의 상기 상호작용하는 부분들의 형상 및 (2) 팁-의존 이미지 부분들을 포함하는 재구성된 이미지에 의해 생성된 이미지 중 적어도 하나를 생성하고 그리고 저장, 전송 및 디스플레이 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함하는 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팁은 임계 치수(critical dimension, CD) 팁이고,
    상기 데이터 획득 단계는 팁상의 돌출부(protuberances)의 상기 형상을 결정하기에 충분한 데이터를 획득하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 돌출부 에지 반경(protuberance edge radius, PER) 및 수직 에지 높이(vertical edge height, VEZ) 중 적어도 하나를 결정하기에 충분한 데이터를 획득하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 100nm 로트 대 로트 직경 변화(lot-to-lot diameter variation) 미만의 반복가능성을 가지는 팁 폭 데이터를 획득하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 10nm 로트-대-로트 변화 미만의 반복가능성을 가지는 팁 폭 데이터를 획득하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 1nm 로트-대-로트 변화 미만의 반복가능성을 가지는 팁 깊이 폭 데이터를 획득하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 상기 특성화기의 단일 주사로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 특성화기는 탄소 나노튜브(CNT) 특성화기인, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 보이드(void)에 매달린, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 트렌치를 가로질러 매달린, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 기판으로부터 위쪽으로 연장하는 기둥들(posts) 사이에 매달린, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 정렬된 기둥들 사이에 매달린 복수의 탄소 나노튜브들 중 하나인, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 기둥들의 배열 사이에 매달린 복수의 탄소 나노튜브 들 중 하나이고,
    상기 주사 단계는 서로 상이한 방향들로 연장하는 적어도 두 개의 탄소 나노튜브들을 주사하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 원형의 탄소 나노튜브이고,
    상기 주사 단계는 상기 원형의 탄소 나노튜브의 적어도 두 개의 상이한 아치형 부분을 주사하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 단일 벽 탄소 나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT)인, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 주사 단계 이전에 또는 상기 주사 단계 동안에 인 시츄(in situ)에서 상기 특성화기의 무결성(integrity)을 모니터링 하는 단계를 더 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 모니터링 단계는 만약 상기 특성화기의 저항성 또는 특성화기 저항성을 반영하는 특성이 지정된 문턱값 또는 변화를 초과하는 경우 상기 특성화기의 무결성이 손상되었음을 결정하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 모니터링 단계는 인 시츄에서 상기 특성화기의 저항성을 모니터링 함으로써 수동적으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 모니터링 단계는 상기 특성화기 상에 힘의 인가에 대한 특성화기 응답을 모니터링 함으로써 능동적으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 주사 단계는 상기 탐침 팁과 상기 특성화기를 포함하는 기판을 맞물리게 하는 단계, 및
    상기 특성화기를 위치시키는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 주사 단계 및 데이터 획득 단계는 3분 미만으로 수행되고, 상기 특성화기를 주사하는 단계는 5분 미만으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 주사 단계 및 데이터 획득 단계는 1분 또는 그 미만으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  23. 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 주사 탐침 현미경의 재-진입 팁으로 특성화기를 주사하는 단계로서, 상기 주사 단계는 탐침 팁과 상기 특성화기를 포함하는 기판을 맞물리게 하는 단계와, 상기 특성화기를 위치시키는 단계와, 상기 특성화기를 주사하는 단계를 포함하는, 상기 특성화기를 주사하는 단계;
    (B) 이미지 처리 과정동안에 시료의 수직 또는 언더컷 특징들과 상호작용을 할 수 있는 상기 재-진입 팁의 적어도 부분들의 형상을 결정하기 위하여 상기 주사로부터 데이터를 획득하는 단계; 및
    (C) 적어도 상기 팁의 상기 상호작용하는 부분들의 형상 및 팁-의존 이미지 부분들을 포함하는 재구성된 이미지중 적어도 하나를 생성하고 그리고 저장, 전송 및 디스플레이 중 적어도 하나를 수행하는 단계로서, 상기 주사 단계 및 데이터 획득 단계는 5분 미만으로 수행되는, 상기 수행하는 단계를 포함하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 주사 단계 및 데이터 획득 단계는 3분 미만으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 주사 단계 및 데이터 획득 단계는 1분 또는 그 미만으로 수행되는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 데이터 획득 단계는 10nm 로트-대-로트 변화 미만의 반복가능성을 가지는 팁 폭 데이터를 획득하는, 상기 탐침 팁을 특성화하기 위한 방법.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 주사 탐침 현미경에 있어서,
    (A) 주사 탐침 현미경의 상기 재-진입 팁으로 단일의 특성화기의 단일주사를 수행하기 위한 수단; 및
    (B) 이미지 처리 과정동안에 시료의 수직 또는 언더컷 특징들과 상호작용을 할 수 있는 상기 재-진입 팁의 적어도 부분들의 형상을 결정하기 위하여 상기 주사로부터 데이터를 획득하기 위한 수단으로서, 상기 단일 주사로부터 획득된 상기 데이터는 상기 부분들의 폭과 높이에 관한 정보를 반영하는, 상기 데이터 획득 수단을 포함하는 주사 탐침 현미경.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 특성화기는 보이드(void)에 매달린 탄소 나노튜브(CNT) 특성화기인, 상기 주사 탐침 현미경.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 트렌치 상에 매달린, 상기 주사 탐침 현미경.
  35. 제32항에 있어서,
    주사 작동 이전에 또는 주사 작동 동안에 인 시츄(in situ)에서 상기 특성화기의 무결성을 모니터링 하기 위한 수단을 더 포함하는, 상기 주사 탐침 현미경.
  36. 제32항에 있어서,
    주사를 위한 상기 수단은 상기 탐침 팁과 상기 특성화기를 포함하는 기판을 맞물리게 하고, 상기 특성화기를 위치시키며, 5분 미만으로 상기 특성화기를 주사하는, 상기 주사 탐침 현미경.
  37. 주사 탐침 현미경에 있어서,
    (A) 재-진입 탐침 팁을 가지는 탐침;
    (B) 시료 지지부;
    (C) x, y 및 z 방향으로 상기 탐침 및 시료 지지부 사이의 상대적인 운동을 야기하는 액추에이터;
    (D) 탐침 운동을 모니터하는 변위 센서; 및
    (E) 상기 액추에이터 및 상기 변위 센서와 결합된 제어기를 포함하는 주사 탐침 현미경으로서, 상기 제어기는,
    상기 재-진입 탐침 팁으로 상기 특성화기를 주사하고, 그리고
    이미지 처리 과정동안에 시료의 수직 또는 언더컷 특징부와 상호작용을 하는 재-진입 탐침 팁의 적어도 부분들의 형상을 결정하기 위하여 상기 단일 주사로부터 상기 부분들의 폭과 높이에 관련된 정보를 반영하는 테이터를 획득하도록 상기 시료 지지부 상에 지지된 단일의 특성화기와 상호작용을 하는, 상기 주사 탐침 현미경.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 주사 작동 이전에 또는 주사 작동 동안에 인 시츄에서 상기 특성화기의 무결성을 모니터 하는, 상기 주사 탐침 현미경.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 제어기는 재-진입 탐침 팁과 상기 특성화기를 포함하는 기판을 맞물리게 하고, 상기 특성화기를 위치시키며, 5분 미만으로 상기 특성화기를 주사하는, 상기 주사 탐침 현미경.
  40. 주사 탐침 현미경(SPM)용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기에 있어서,
    단일의 구조로서 주사 탐침 현미경 재-진입 탐침 팁이 상기 구조와 상호작용을 할 수 있고 그리고 재-진입 탐침 팁으로 상기 특성화기의 단일 주사를 수행함에 의해 이미지 처리동안에 시료의 수직 또는 언더컷 특징들과 상호작용할 수 있는 상기 재-진입 탐침 팁 부분의 적어도 부분들의 형상을 결정하기 위한 데이터를 제공할 수 있도록 형성되고 위치된 단일의 구조를 포함하고, 상기 단일의 주사에 의해 제공된 데이터는 상기 부분들의 폭과 높이 모두에 관한 정보를 반영하는, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 특성화기는 탄소 나노튜브 특성화기(CNT)이고, 상기 특성화기는 5분 미만으로 주사되는, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 보이드(void)에 매달린, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 탄소 나토튜브는 트렌치 상에 매달린, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  44. 제42항에 있어서,
    기둥들을 더 포함하고 그 사이에 상기 탄소 나노튜브가 매달린, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 정렬된 기둥들 사이에 매달린 복수의 탄소 나노튜브 들 중 하나인, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 기둥들의 배열 사이에 매달린 복수의 탄소 나노튜브들 중 하나인, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  47. 제41항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 원형의 탄소 나노튜브인, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
  48. 제41항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)인 것, 상기 주사 탐침 현미경용 재-진입 탐침 팁을 위한 특성화기.
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