KR101390063B1 - 레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경 - Google Patents

레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레벨링 대상물에 인가되는 힘을 직접 측정하여 기판의 표면과의 수평을 조정하여 레벨링하는 레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레벨링 장치는, 대상물의 일측부를 기판 (substrate) 의 표면에 평행하게 접하도록 레벨링 (leveling) 하는 장치로서, 상기 대상물의 타측부의 적어도 3 지점에 인가되는 힘을 측정하도록 배치된 힘센서들; 상기 대상물과 상기 기판의 표면 간의 상대적인 각도를 조절할 수 있도록 배치된 각도조정부; 및 상기 힘센서들과 상기 각도조정부와 연결되어, 상기 힘센서들로부터 얻어진 데이터를 기초로 상기 각도조정부를 구동하는 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 기설정된 각도로 상기 대상물의 일측부를 상기 기판의 표면에 접촉시킴으로써 상기 힘센서들에 각각 인가되는 힘 데이터를 측정하고, 얻어진 상기 힘 데이터로부터 상기 기판의 표면과 상기 대상물이 상대적으로 기울어진 정도를 산출하며, 이를 토대로 상기 각도조정부에 의해 상기 대상물 또는 상기 기판의 각도를 조정하여 상기 대상물을 상기 기판의 표면에 레벨링하는 것을 특징으로 한다.

Description

레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경{LEVELING APPARATUS AND ATOMIC FORCE MICROSCOPE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 레벨링 대상물에 인가되는 힘을 직접 측정하여 기판의 표면과의 수평을 조정하여 레벨링하는 레벨링 장치 및 이를 포함하는 원자현미경에 관한 것이다.
리소그래피는 집적회로, 저장매체, 비디오 스크린, MEMS (microelectromechanical systems), 소형화 센서, 미세유체장치, 바이오칩, 광밴드갭 (photonic bandgap) 구조물 및 회절광학소자 (diffractive optical elements)의 생산을 포함한 여러 분야의 과학 기술에 사용되고 있으며, 최근에는 딥펜 나노리소그래피와 폴리머 펜 리소그래피가 개발되었다.
딥펜 나노리소그래피 (DPN ; Dip-pen nanolithography) 는 원자현미경 (AFM ; Atomic Force Microscope) 의 캔틸레버 (cantilever) 의 팁 (tip) 을 “펜 (pen)”으로서 기능하게 하고, “잉크 (ink)”로서 기능하는 화학 합성물 (chemical compound) 이나 혼합물 (mixture) 을 팁에 입혀, 기판 (substrate) 상에 팁을 접하게 함으로써 행하는 리소그래피로서, 채드 머킨 (Chad Mirkin) 이 이끄는 노스웨스턴 대학 (Northwestern University) 의 연구팀에서 개발되었다.
이후, 노스웨스턴 대학의 F. Huo 등이 전통적인 포토리소그래피 방법과 화학적 습식 (wet etching) 방법으로 제작한 폴리머 펜 어레이 (PPA ; Polymer Pen Array) 를 사용하여 90 nm 에서 수백 ㎛의 점 크기로 빠르고 저렴하게 인쇄할 수 있는 폴리머 펜 리소그래피 (PPL ; Polymer Pen Lithography) 를 개발하였다.
상술한 DPN과 PPL은 접촉 방식의 나노리소그래피 접근법 (direct-write nanolithographic approach) 으로서, 높은 스루풋 (throughput), 멀티플렉싱 (multiplexing), 생산성을 기대할 수 있으며, 다양한 용도로 활용될 수 있어, 최근에 활발히 연구가 진행되고 있다.
한편, 상술한 DPN과 PPL에 있어서, 팁이나 폴리머 펜이 1차원의 직선 혹은 2차원의 평면에 배열된 어레이 (array) 가 주로 사용되는데, 어레이를 이루는 팁이나 폴리머 펜의 개수가 증가하거나, 그 배열이 복잡해질수록, 어레이를 기판의 표면에 수평으로 접촉시키는 레벨링이 어려워진다. 만약, 어레이가 기판의 표면에 수평으로 위치하지 않는다면, 다른 팁이나 폴리머 펜이 기판의 표면에 닿기 전에 하나의 팁이나 폴리머 펜이 먼저 기판의 표면에 닿게 되고, 결국 전혀 닿지 않게 되는 팁이나 폴리머 펜이 발생하게 된다.
이렇게 팁이나 폴리머 펜 중에서 기판의 표면에 전혀 닿지 않는 부분이 발생하게 되면, 기판에 원하는 리소그래피가 행하여질 수 없으며, 먼저 표면에 닿게 되는 팁이나 폴리머 펜은 필요 이상의 압력을 받아 손상되기 쉽다. 따라서, 어레이가 높은 평면성을 가져야 함과 함께, 팁이나 폴리머 펜이 배열된 어레이를 기판의 표면에 수평으로 레벨링하는 것이 중요하다.
그런데, 상술한 팁이나 폴리머 펜이 배열된 어레이는 매우 작은 면적을 가지므로, 이러한 어레이가 기판의 표면에 레벨링되는 것을 확인하는 것은 쉬운 일이 아니다.
팁이나 폴리머 펜이 배열된 어레이를 기판의 표면에 평행하게 레벨링하는 방법에 대해 연구가 진행되고 있는데, 어레이가 접촉하게 되는 기판을 저울 위에 놓고 접촉하는 순간 기판의 표면에 인가되는 힘을 측정하는 장치를 준비하고, 어레이의 각도를 변화시키면서 상기 힘의 변화를 측정하여, 최대의 힘이 인가되는 각도로 어레이를 기판의 표면에 수평으로 레벨링하는 방법이 개시되어 있다 (특허문헌 1).
도 1은 특허문헌 1에 개시된 장치로 측정된 힘의 분포를 그래프로 나타낸 도면으로서, 도 1을 참조하면 어레이가 X 축과 이루는 각도 θ와 Y 축과 이루는 각도 φ를 변화시켜 반복 측정함으로써, 평행하게 레벨링되는 지점에서 가장 큰 힘이 측정된다는 점이 확인된다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 레벨링 방법은 도 1과 같은 그래프를 얻기 위해 많은 반복 실험이 필요하므로, 시간이 많이 소요되며, 실험 도중에 어레이가 파손이 될 수 있고, 어레이의 수명 저하로 인해 비용이 증가되는 점에 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 복수 개의 힘 센서로 적어도 3 개의 지점에서 힘을 측정하여 빠른 시간 내에 팁이나 폴리머 펜이 배열된 어레이를 기판의 표면에 레벨링할 수 있는 레벨링 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨링 장치는, 대상물의 일측부를 기판 (substrate) 의 표면에 평행하게 접하도록 레벨링 (leveling) 하는 장치로서, 상기 대상물의 타측부의 적어도 3 지점에 인가되는 힘을 측정하도록 배치된 힘센서들; 상기 대상물과 상기 기판의 표면 간의 상대적인 각도를 조절할 수 있도록 배치된 각도조정부; 및 상기 힘센서들과 상기 각도조정부와 연결되어, 상기 힘센서들로부터 얻어진 데이터를 기초로 상기 각도조정부를 구동하는 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 기설정된 각도로 상기 대상물의 일측부를 상기 기판의 표면에 접촉시킴으로써 상기 힘센서들에 각각 인가되는 힘 데이터를 측정하고, 얻어진 상기 힘 데이터로부터 상기 기판의 표면과 상기 대상물이 상대적으로 기울어진 정도를 산출하며, 이를 토대로 상기 각도조정부에 의해 상기 대상물 또는 상기 기판의 각도를 조정하여 상기 대상물을 상기 기판의 표면에 레벨링하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 힘센서들이 위치하는 위치 좌표와 상기 힘센서들에 인가되는 힘 데이터를 토대로, 평균적인 힘의 위치 좌표를 산출하여, 산출된 평균적인 힘의 위치 좌표가 상기 대상물의 기하 중심의 좌표와 일치하도록 상기 각도조정부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 구동 스테이지와 연결되는 상부 케이스; 상기 힘센서들이 고정 배치되는 인쇄회로기판; 및 상기 상부 케이스와 함께 상기 인쇄회로기판을 내장하도록 상기 상부 케이스와 결합되며, 상기 힘센서가 하부로 노출되도록 형성된 하부 케이스; 를 더 구비하며, 상기 각도조정부는, 상기 기판을 지지하여, 상기 기판의 각도를 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 구동 스테이지와 연결되는 상부 케이스; 상기 힘센서들이 고정 배치되는 인쇄회로기판; 및 상기 상부 케이스와 함께 상기 인쇄회로기판을 내장하도록 상기 상부 케이스와 결합되며, 상기 힘센서들이 하부로 노출되도록 형성된 하부 케이스; 를 더 구비하며, 상기 각도조정부는 상기 상부 케이스와 상기 인쇄회로기판 사이에 삽입 배치되어, 상기 대상물의 각도를 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 자석을 더 포함하며, 상기 힘센서들은 외부로 노출된 접촉부를 구비하며, 상기 대상물의 타측부는, 자성체이며 판상인 캐리어에 부착되고, 상기 캐리어는 상기 자석에 의해 상기 접촉부에 접촉한 채로 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대상물은 폴리머 펜 어레이 (Polymer Pen Array) 로서, 상기 폴리머 펜 어레이의 일측부에는 복수의 펜이 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대상물의 일측부에는 복수의 캔틸레버 (cantilever) 가 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자현미경은, 상술한 레벨링 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레벨링 장치 및 이를 이용한 원자현미경에 따르면, 대상물과 기판이 이루는 각을 바로 측정하여 조정할 수 있어, 레벨링에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며, 자동으로 레벨링을 행할 수 있다.
도 1은 특허문헌 1에 개시된 장치로 측정된 힘의 분포를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레벨링 장치에 의해 레벨링되는 폴리머 펜 어레이의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 레벨링 장치가 적용될 수 있는 원자현미경에 대한 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레벨링 장치가 적용된 원자현미경에 대한 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 힘측정유닛의 개략적인 사시도이다.
도 6은, 도 5의 힘측정유닛의 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 힘측정유닛의 힘센서의 배치를 직교 좌표화하여 평면적으로 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레벨링 장치의 개략적인 분해사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 실시예인 레벨링 장치 및 이를 이용한 원자현미경에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 레벨링 장치에 의해 레벨링되는 폴리머 펜 어레이의 개략적인 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 레벨링 장치가 적용될 수 있는 원자현미경에 대한 개략적인 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 레벨링 장치가 적용된 원자현미경에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 레벨링 장치 (1000) 의 대상물 (10), 본 발명에 따른 레벨링 장치 (1000) 가 적용될 수 있는 원자현미경 (30) 과 적용된 예를 먼저 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명에 따른 레벨링 장치는, 대상물의 일측부를 기판 (substrate) 의 표면에 평행하게 접하도록 레벨링 (leveling) 하는 장치로서, 주로 딥펜 나노리소그래피, 폴리머 펜 리소그래피에 사용될 수 있다. 예를 들어, 대상물의 일측부에 복수의 배열된 칩이 형성되어 있는 경우, 딥펜 나노리소그래피에 적용될 수 있으며, 또한 대상물의 일측부에 복수의 폴리머 펜이 형성되어 있는 경우, 폴리머 펜 리소그래피에 적용될 수 있다. 이하에서는 대상물이 폴리머 펜 어레이인 경우를 상정하여 설명하나, 이는 설명상의 편의를 위한 것이다.
도 2를 참조하면, 대상물은 복수의 펜 (1) 이 배열된 폴리머 펜 어레이 (10) 에 해당되며, 모든 펜 (1) 이 동시에 기판 (20) 에 접촉하도록 레벨링 장치가 기능한다.
폴리머 펜 어레이 (10) 는 대체적으로 평면 형상을 가지며, 그 일측부에는 복수의 펜 (1) 이 배열되고, 타측부에는 편평한 면이 제공된다. 펜 (1) 은 예를 들어, 엘라스토머 (elastomer) 로 형성될 수 있으며, 펜 (1) 에 잉크나 단백질 등의 물질을 묻혀 기판 (20) 에 펜 (1) 이 배열된 모양으로 인쇄할 수 있다.
균일한 인쇄를 위해서는, 폴리머 펜 어레이 (10) 가 기판 (20) 에 평행하게 접촉하는 것이 바람직하다. 즉, 도 2에서 폴리머 펜 어레이 (10) 가 기판 (20) 의 X 축, Y 축과 각각 이루는 각인 θ, φ를 0° 에 가깝도록 레벨링하는 것이 필요하다. 본 발명에 따른 레벨링 장치는 도 2의 M1, M2 및 M3 의 적어도 3 지점에 인가되는 힘을 측정하여 폴리머 펜 어레이 (10) 와 같은 대상물을 기판 (20) 에 레벨링하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 레벨링 장치는, 도 3과 같은 원자 현미경 (AFM; Atomic Force Microscope, 30) 에 장착될 수 있다. 도 3을 참조하면, 원자현미경 (30) 은, 측정 대상 (W) 의 표면을 접촉 또는 비접촉 상태로 따르는 캔틸레버 (31) 와, 측정 대상 (W) 을 XY 평면에서 X 방향 및 Y 방향으로 스캔하는 XY 스캐너 (32) 와, 캔틸레버 (31) 와 연결되어 캔틸레버 (31) 를 Z 방향으로 상대적으로 작은 변위로 이동시키는 Z 스캐너 (33) 와, 캔틸레버 (31) 와 Z 스캐너 (33) 를 상대적으로 큰 변위로 Z 방향으로 이동시키는 Z 스테이지 (34) 와, XY 스캐너 (32) 와 Z 스테이지 (34) 를 고정하는 고정 프레임 (35) 을 포함하여 구성된다.
원자현미경 (30) 은 측정 대상 (W) 의 표면을 캔틸레버 (31) 로 스캔하여 토포그래피 등의 이미지를 얻는다. 측정 대상 (W) 의 표면과 캔틸레버 (31) 의 상대이동은 XY 스캐너 (32) 에 의해 행하여질 수 있으며, 측정 대상 (W) 의 표면을 따르도록 캔틸레버 (31) 를 상하로 이동시키는 것은 Z 스캐너 (33) 에 의해 행하여질 수 있다.
도 3에서 예시하는 원자현미경 (30) 에서는, XY 스캐너 (32) 는 평면적으로 측정 대상을 스캔하고, Z 스캐너 (33) 는 XY 스캔과 상관 관계 (correlation) 가 발생하지 않도록 분리된 형태의 원자현미경 (30) 을 예시하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 레벨링 장치는, 도 3과 같은 원자현미경 (30) 의 형태에서 적용되는 것에 국한되는 것은 아니며, XY 스캔과 Z 스캔을 하나의 튜브 스캐너 (tube scanner) 에 의해서 행하는 공지의 원자현미경에서도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 레벨링 장치는, 원자현미경 (30) 뿐만 아니라, 대상물을 상하로 이동시킬 수 있는 스테이지를 갖춘 장치에 적용될 수 있으며, 원자현미경 (30) 은 하나의 예시에 불과하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨링 장치 (1000) 는, 힘측정유닛 (1100) 과, 각도조정부 (1200) 를 구비하며, 원자현미경에 장착될 수 있다.
힘측정유닛 (1100) 은 Z 스캐너 (33) 에 고정되어, Z 스캐너 (33) 및 Z 스테이지 (34) 를 통해 상하로 이동될 수 있다. 힘측정유닛 (1100) 의 하측에는 대상물 (10, 예를 들어 폴리머 펜 어레이) 이 고정되어, 대상물 (10) 에 인가되는 힘을 측정하여, 제어부 (미도시) 로 보낸다.
Z 스캐너 (32) 위에는, 기판 (20) 이 힘측정유닛 (1100) 과 이루는 각도를 상대적으로 조정할 수 있는 각도조정부 (1200) 가 구비된다. 각도조정부 (1200) 로서는 틸트 스테이지 (tilt stage) 가 사용될 수 있으며, 각도조정부 (1200) 상에 대상물 (10) 로 인쇄될 기판 (20) 이 위치한다. 여기서, 각도조정부 (1200) 는, 도 2의 θ, φ를 조절할 수 있는 공지의 장치가 사용될 수 있으며, 자동 방식이나 수동 방식이 모두 적용될 수 있으나, 정밀한 제어를 위해서는 스텝모터를 이용한 자동 방식의 틸트 스테이지를 이용함이 바람직하다.
힘측정유닛 (1100) 은 구동 스테이지로서, 원자현미경 (30) 의 Z 스테이지 (34) 와 Z 스캐너 (33) 를 이용하는데, Z 스테이지 (34) 는 상대적으로 긴 거리의 이송, Z 스캐너 (33) 는 상대적으로 작은 거리의 이송을 담당하게 된다.
도 5는 도 4의 힘측정유닛 (1100) 의 개략적인 사시도이며, 도 6은, 도 5의 힘측정유닛 (1100) 의 개략적인 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 힘측정유닛 (1100) 의 상세한 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 힘측정유닛 (1100) 은 상측 케이스 (1110) 와, 힘센싱부 (1120) 와, 하측 케이스 (1130) 를 포함하여 구성된다.
상측 케이스 (1110) 는 Z 스캐너 (33) 에 연결되어 고정되는 연결부 (1111) 를 포함하여 구성되며, 후술할 힘센싱부 (1120) 를 내장할 수 있도록 내측에 빈 공간을 구비한다.
힘센싱부 (1120) 는 상측 케이스 (1110) 에 내장되며, 인쇄회로기판 (1121) 과 이 인쇄회로기판 (1121) 에 고정 설치된 적어도 3개의 힘센서 (1122) 를 포함하여 구성된다.
힘센서 (1122) 는 외측으로 설치되어 있는 금속제의 볼 (1123) 에 인가되는 힘을 측정하는 센서를 말한다. 인쇄회로기판 (1121) 은 힘센서 (1122) 에 전원을 공급하며, 힘센서 (1122) 에서 측정된 힘 데이터는 인쇄회로기판 (1121) 을 통해 제어부 (미도시) 로 보내진다. 인쇄회로기판 (1121) 은 나사 등에 의해 상측 케이스 (1110) 에 고정되며, 도 5와 같이 하측 케이스 (1130) 의 결합 후에는 힘센서 (1122) 가 하측으로 노출된다.
하측 케이스 (1130) 는 힘센싱부 (1120) 를 하측으로부터 덮어 보호하는 역할을 수행하며, 상측 케이스 (1110) 와 결합용 나사에 의해 고정된다. 하측 케이스 (1130) 에는 힘센서 (1122) 가 노출될 수 있도록 노출용 홀 (1131) 이 형성되어 있다.
또한, 하측 케이스 (1130) 의 내측에는 힘센서 (1122) 와 겹치지 않도록 하여, 자석 (미도시) 이 고정 설치되어 있다. 자석으로서는, 예를 들어 영구자석이 사용될 수 있으며, 후술할 캐리어 (1140) 에 인력을 가하여 힘센서 (1122) 의 볼 (1123) 에 캐리어 (1140) 를 고정하는 역할을 수행할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상측 케이스 (1110) 와 하측 케이스 (1130) 에 의해 힘센싱부 (1120) 가 상하측으로 보호되며, 힘센서 (1122) 가 하측으로 노출된다. 한편, 힘센싱부 (1120) 의 인쇄회로기판 (1121) 의 배선은 상측 케이스 (1110) 의 연결부 (1111) 내부를 통해 제어부로 연결될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 폴리머 펜 어레이와 같은 대상물 (10) 은 캐리어 (1140, carrier) 를 통해 힘측정유닛 (1100) 에 고정될 수 있다. 캐리어 (1140) 는 자석에 의해 인력이 작용될 수 있는 자성체로서 이루어지며, 힘센서 (1122) 의 볼 (1123) 이 일부 삽입되어 자리를 잡을 수 있도록 하나의 원형 홀 (1141) 과 하나의 장공형 홀 (1142) 이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
대상물 (10) 은 캐리어 (1140) 의 하부에 양면 테이프, 접착제 등을 이용하여 부착되며, 캐리어 (1140) 가 힘측정유닛 (1100) 내에 실장된 자석에 의해 끌어당겨져 고정됨으로써, 결과적으로 힘측정유닛 (1100) 에 고정될 수 있다. 대상물 (10) 은 캐리어 (1140) 를 통해 힘센서 (1122) 의 볼 (1123) 과 세 지점에서 접촉하고 있게 된다. 따라서, 대상물 (10) 에 하측으로부터 힘이 인가되면, 캐리어 (1140) 에 그대로 전달되어 힘센서 (1122) 에 의해 그 힘이 측정될 수 있다. 여기서, 힘센서 (1122) 에 의해 적어도 세 지점에서의 힘의 분포를 알 수 있고, 그 분포를 통해 평균적인 힘의 위치 좌표를 산출할 수 있다.
도 7은 힘측정유닛의 힘센서의 배치를 직교 좌표화하여 평면적으로 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하여, 평균적인 힘의 위치 좌표를 산출하는 방법 및 이를 이용하여 대상물 (10) 을 기판 (20) 에 평행하게 접촉하도록 레벨링하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 7에서, 제1 힘센서 (1122a), 제2 힘센서 (1122b) 및 제3 힘센서 (1122c) 의 좌표를 각각 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) 라고 하고, 제1 힘센서 (1122a), 제2 힘센서 (1122b) 및 제3 힘센서 (1122c) 에 인가되는 힘을 각각 F1, F2, F3라고 하여, 평균적인 힘 F가 어느 위치 (x, y)에 인가되는 것과 등가인가를 산출하는 방법에 대해 설명한다.
여기서, F1, F2 및 F3는 좌표 평면에 수직하게 작용되는 힘으로 가정하며, 평균적인 힘 F도 좌표 평면에 수직하게 작용되는 힘으로 가정한다.
상기와 같은 가정에 따라, 힘의 평형식을 이용하면 아래와 같은 수학식 1이 얻어진다.
Figure 112013029178454-pat00001
또한, 모멘트의 평형식을 이용하여 아래와 같은 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure 112013029178454-pat00002
상술한 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 행렬로 나타내면 아래와 같은 수학식 3이 얻어질 수 있다.
Figure 112013029178454-pat00003
F1, F2 및 F3를 각각 F로 나눈 값을 f1, f2 및 f3라고 한다면, 상술한 수학식 3은 아래와 같은 수학식 4로 정리될 수 있다.
Figure 112013029178454-pat00004
수학식 4를 이용한다면, 평균적인 힘이 가해지는 좌표인 (x, y)를 구할 수 있다. 그 이유는 제1 힘센서 (1122a) 내지 제3 힘센서 (1122c) 의 위치 좌표는 미리 결정되어 있고, 그 좌표에 인가되는 힘은 제1 힘센서 (1122a) 내지 제3 힘센서 (1122c) 에 의해 측정될 수 있기 때문이다.
만약에 대상물 (10) 이 기판 (20) 에 대해 기울어진채로 접촉하게 된다면, 먼저 접촉한 방향으로 더 큰 힘이 인가되게 되어, 평균적인 힘이 위치하는 좌표가 먼저 접촉한 방향으로 쏠리게 된다. 이와는 반대로 대상물 (10) 이 기판 (20) 과 평행하게 접촉되어 거의 모든 면 (예를 들어, 폴리머 펜 어레이의 경우 폴리머 펜) 이 기판 (20) 에 동시에 접촉된다면, 평균적인 힘이 위치하는 좌표는 기판 (20) 의 기하 중심이 위치하는 좌표 (xm, ym) 와 일치하게 될 것이다.
이와 같이, 수학식 4에 의해 산출된 평균적인 힘의 좌표 (x, y)가 기판 (20) 의 기하 중심의 좌표 (xm, ym) 으로부터 멀리 떨어지면 떨어질수록 대상물 (10) 이 기판 (20) 에 대하여 더 기울어진 것으로 생각될 수 있다.
따라서, 산출된 평균적인 힘의 좌표 (x, y)를 기판 (20) 의 기하 중심의 좌표 (xm, ym) 로 보정함으로써, 대상물 (10) 을 기판 (20) 에 레벨링할 수 있다. 이러한 보정은 힘측정유닛 (1100) 과 각도조정부 (1200) 가 이루는 상대적인 각도를 조정함으로써 행해질 수 있으며, 도 4 내지 도 6에서 예시한 실시예에서는 각도조정부 (1200) 가 기판 (20) 을 기울임으로써 행해질 수 있다.
이러한 평균적인 힘의 좌표의 산출과 각도 조정은 힘측정유닛 (1100) 및 각도조정부 (1200) 와 연결된 제어부에 의해 행하여질 수 있다. 각도 조정은, 측정되어 산출된 평균적인 힘의 좌표를 미리 결정되어 있는 변환표에 의해 조정해야 할 x 축의 회전값, y 축의 회전값으로 변환하는 방법으로 행하여 질 수도 있으며, 또한 실시간으로 폐루프 피드백 (closed loof feedback) 을 행하여 평균적인 힘의 좌표를 기판 (20) 의 기하 중심의 좌표로 실시간 조정하는 방법으로 행하여 질 수도 있다. 이외에도, 상술한 변환표 대신에 변환식을 미리 구해놓고, 변환식을 이용하여 각도 조정을 실시할 수도 있다.
바람직하게는, 대상물 (10) 을 기판 (20) 에 접촉시킨 상태에서도 각도를 실시간으로 조정하는 피드백을 행하는 것이 정확한 레벨링에 적합하며, 또한 빠른 시간 내에 레벨링이 가능하다. 구체적으로 설명하면, 대상물 (10) 로서의 폴리머 펜 어레이 중 일부 펜이 먼저 기판 (20) 에 접촉한 경우, 접촉한 펜의 접촉을 해제하지 않고, 접촉하지 않은 부분을 접촉하게 함에 의해 레벨링이 진행되므로, 접촉을 해제하고 에러 보정 후 다시 접촉하게 하는 방식인 일종의 시행착오법 (trial and error method) 에 비해 레벨링에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있다. 또한, 장비의 열팽창 등으로 인해 접촉 상태에서 레벨링이 틀어지는 경우에도 실시간으로 이를 조정할 수 있어, 바람직하다.
즉, 다시 말해서, 미도시한 제어부는 기설정된 각도로 대상물 (10) 의 일측부를 기판 (20) 의 표면에 접촉시킴으로써, 힘센서들 (1122a 내지 1122c) 에서 각각 인가되는 힘 데이터를 측정하고, 얻어진 힘 데이터로부터 기판 (20) 의 표면과 대상물 (10) 이 상대적으로 기울어진 정도를 산출하며, 이를 토대로 각도조정부 (1200) 에 의해 기판 (20) 의 각도를 조정하여 대상물 (10) 을 기판 (20) 의 표면에 레벨링하게 된다. 한편, 본 실시예와는 달리 기판 (20) 의 각도를 조정하지 않고, 아래의 실시예와 같이 대상물 (10) 의 각도를 조정함으로써, 레벨링을 행할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레벨링 장치의 개략적인 분해사시도이다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레벨링 장치 (2000) 에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 레벨링 장치 (2000) 는, 도 4 내지 도 6의 레벨링 장치 (1000) 에서 힘측정유닛 (1100) 과 각도조정부 (1200) 를 일체화하여 구성한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 레벨링 장치 (2000) 는, 상측 케이스 (2110) 와, 각도조정부 (2150) 와, 힘센싱부 (2120)와, 하측 케이스 (2130) 를 포함하여 구성된다. 여기서, 상측 케이스 (2110), 힘센싱부 (2120) 및 하측 케이스 (2130) 는 상술한 레벨링 장치 (1000) 의 상측 케이스 (1110), 힘센싱부 (1120) 및 하측 케이스 (1130) 와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 설명한다.
본 실시예의 레벨링 장치 (2000) 는 상측 케이스 (2110) 와 힘센싱부 (2120) 사이에 각도조정장치 (2150) 가 개재되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 각도조정장치 (2150) 는 힘센싱부 (2120) 를 상측 케이스 (2110) 에 대해 각도를 조정할 수 있도록 하는 장치이다.
각도조정장치 (2150) 로는, 본 실시예에서는 복수의 피에조 액츄에이터 (Piezo Actuator) 를 사용한 것을 예시하고 있다. 도 8에서와 같이, 힘센서 (2112) 의 상측에 각각 피에조 액츄에이터를 부착함으로써, 힘센서 (2112) 들끼리 이루는 각도를 조절할 수 있다. 한편, 도 8과 달리, 두 개의 힘센서 (2112) 에 대해 피에조 액츄에이터를 부착하고, 하나의 힘센서 (2112) 에 대해서는 피봇 회전 운동이 가능하도록 하여 두 개의 피에조 액츄에이터로 각도를 조정할 수도 있다.
또한, 각도조정장치 (2150) 로서는, 상술한 피에조 액츄에이터 이외에 틸팅 스테이지를 이용할 수도 있으며, 그 외에 각도조정이 가능한 모든 구성이 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 레벨링 장치 (2000) 도, 도 4 내지 도 6의 레벨링 장치 (1000) 와 동일한 방법으로 작동될 수 있으나, 각도 조정을 대상물 (10) 을 기울여서 행한다는 점에서 차이가 있다. 그 외에는 상술한 방법과 동일한 방법이 사용되므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상술한 본 발명에 따른 레벨링 장치 (1000, 2000) 에 따르면, 대상물 (10) 과 기판 (20) 간의 한 번의 접촉 후 레벨링하거나, 실시간으로 한 번에 레벨링이 가능하여, 레벨링에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있다. 또한, 레벨링에 있어 반복적인 시행 착오에 따른 대상물 (10) 의 손상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 특히 딥펜 나노리소그래피나 폴리머 펜 리소그래피에 있어서, 생산성의 향상을 기대할 수 있다..
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 상술한 실시예들에서는 힘센서 (1122, 2122) 를 세 개를 사용한 것으로서 설명하였으나, 네 개 이상의 힘센서가 사용될 수 있다. 이 경우에도, 상술한 방법과 동일하게 평균적인 힘의 좌표를 계산하여, 레벨링을 수행할 수 있다.
또한, 하측 케이스 (2130) 의 내측에 자석이 배치될 수 있다고 설명하였으나, 하측 케이스 (2130) 의 외측의 하부에 자석이 노출되어 배치될 수도 있다.
1…폴리머 펜 10…대상물 (폴리머 펜 어레이)
20…기판 30…원자현미경
33…Z 스캐너 34…Z 스테이지
1100…힘측정유닛 1110, 2110…상측 케이스
1120, 2120…힘센싱부 1122, 2122…힘 센서
1130, 2130…하측 케이스 1200…각도조정부
2150…각도조정장치
1000, 2000…본 발명에 따른 레벨링 장치

Claims (8)

  1. 대상물의 일측부를 기판 (substrate) 의 표면에 평행하게 접하도록 레벨링 (leveling) 하는 장치로서,
    상기 대상물의 타측부의 적어도 3 지점에 인가되는 힘을 측정하도록 배치된 힘센서들;
    상기 대상물과 상기 기판의 표면 간의 상대적인 각도를 조절할 수 있도록 배치된 각도조정부; 및
    상기 힘센서들과 상기 각도조정부와 연결되어, 상기 힘센서들로부터 얻어진 데이터를 기초로 상기 각도조정부를 구동하는 제어부; 를 포함하며,
    상기 제어부는, 기설정된 각도로 상기 대상물의 일측부를 상기 기판의 표면에 접촉시킴으로써 상기 힘센서들에 각각 인가되는 힘 데이터를 측정하고, 얻어진 상기 힘 데이터로부터 상기 기판의 표면과 상기 대상물이 상대적으로 기울어진 정도를 산출하며, 이를 토대로 상기 각도조정부에 의해 상기 대상물 또는 상기 기판의 각도를 조정하여 상기 대상물을 상기 기판의 표면에 레벨링하는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 힘센서들이 위치하는 위치 좌표와 상기 힘센서들에 인가되는 힘 데이터를 토대로, 평균적인 힘의 위치 좌표를 산출하여, 산출된 평균적인 힘의 위치 좌표가 상기 대상물의 기하 중심의 좌표와 일치하도록 상기 각도조정부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    구동 스테이지와 연결되는 상부 케이스;
    상기 힘센서들이 고정 배치되는 인쇄회로기판; 및
    상기 상부 케이스와 함께 상기 인쇄회로기판을 내장하도록 상기 상부 케이스와 결합되며, 상기 힘센서들이 하부로 노출되도록 형성된 하부 케이스; 를 더 구비하며,
    상기 각도조정부는, 상기 기판을 지지하여, 상기 기판의 각도를 조정하는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    구동 스테이지와 연결되는 상부 케이스;
    상기 힘센서들이 고정 배치되는 인쇄회로기판; 및
    상기 상부 케이스와 함께 상기 인쇄회로기판을 내장하도록 상기 상부 케이스와 결합되며, 상기 힘센서들이 하부로 노출되도록 형성된 하부 케이스; 를 더 구비하며,
    상기 각도조정부는 상기 상부 케이스와 상기 인쇄회로기판 사이에 삽입 배치되어, 상기 대상물의 각도를 조정하는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    자석을 더 포함하며,
    상기 힘센서들은 외부로 노출된 접촉부를 구비하며,
    상기 대상물의 타측부는, 자성체이며 판상인 캐리어에 부착되고, 상기 캐리어는 상기 자석에 의해 상기 접촉부에 접촉한 채로 고정되는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 대상물은 폴리머 펜 어레이 (Polymer Pen Array) 로서, 상기 폴리머 펜 어레이의 일측부에는 복수의 펜이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 대상물의 일측부에는 복수의 캔틸레버 (cantilever) 가 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 레벨링 장치.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 기재된 레벨링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자현미경.
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