KR101566178B1 - 절대 변위 센서를 이용한 광학식 원자현미경 - Google Patents

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Abstract

실시예는 광학식 원자 현미경으로서, 샘플을 수평 방향으로 이동시키는 XY축 나노 스캐너, 상기 샘플의 표면을 켄틸레버로 스캐닝하는 Z축 나노 스캐너 헤드부, 상기 Z축 나노 스캐너 헤드부의 상대 변위를 측정하는 광센서, 상기 Z축 나노 스캐너를 지지하는 프레임 및 상기 Z축 나노 스캐너의 일측에 마련된 나노 스캐너 헤드부의 절대 변위를 측정하는 절대 변위 센서를 포함하고, 상기 Z축 나노 스캐너 헤드부의 변위 측정은 측정하고자 하는 샘플 표면 형상이 가지는 높이에 따라 상기 광센서 또는 상기 절대 변위 센서로 수행된다. 따라서, 원자현미경의 광센서 외에 추가적으로 스트레인 게이지 센서를 이용하여 Z축 나노스캐너의 절대 변위를 측정함으로써, 기존의 컨트롤 제어 출력값을 이용하여 형상 정보를 얻는 경우에 발생되는 Z축 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 측정 에러를 제거하여, 보다 정확한 형상 정보를 얻을 수 있다.

Description

절대 변위 센서를 이용한 광학식 원자현미경{Optical Atomic Force Microscope Using Absolute Displacement Sensor}
본 발명은 원자현미경에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 절대 변위 센서를 이용한 광학식 원자현미경에 관한 것이다.
원자현미경(Atomic Force Microscope, AFM)은 나노미터 크기의 정밀 형상 및 물리적 특성까지 측정 가능한 초정밀 측정 장치이다. 스캔 속도 및 스캔 영역 등이 개선됨에 따라 최근 신소재, 생명과학, MEMS 등 여러 분야에서 사용되고 있는 중요한 연구 장비이다. 원자현미경은 측정방식에 따라 샘플은 고정되고 켄틸레버(Cantilever)가 부착된 XY축 스캐너와 Z축 스캐너가 각각 움직이면서 샘플의 높이가 측정되는 프로브 스캐닝 방식과, 샘플이 XY축 스캐너 위에서 움직이고 분리된 Z축 스캐너가 샘플에 따라 움직이면서 측정되는 샘플 스캐닝 방식이 있다.
그러나 기존의 샘플 스캐닝 방식의 원자현미경은 상대 센서 하나만 사용하였기 때문에 일정한 간격을 유지하는 피드백 제어는 가능하나, Z축 피에조 나노 스캐너의 절대 변위를 직접 얻어낼 수는 없다.
실제 Z축 피에조 나노 스캐너는 hysteresis 및 creep 현상과 같은 비선형성을 가지고 있어서 실제 Z축 피에조 나노 스캐너에 입력되는 제어 출력 신호와 샘플 표면의 형상 이미지 간에 비선형적인 관계를 가져 측정에러가 발생한다. 수 나노미터의 높이가 낮은 샘플을 측정할 때에는 비선형성으로 인한 측정 에러가 미비해서 무시할 수 있으나, 수백 나노미터 이상의 높은 샘플을 측정할 시에는 비선형성으로 인해 발생되는 측정 에러를 무시할 수 없다.
위와 같이, Z축 피에조 나노스캐너의 비선형성이 나타나는 경우 발생되는 측정 에러를 줄이기 위해서는 Z축 피에조 나노스캐너의 절대 변위를 측정하는 센서를 별도로 사용해야 할 필요가 있다.
즉, Z축 피에조 나노스캐너의 절대 변위를 측정하기 위해서는 높은 선형성과 고정밀 분해능을 가진 센서가 필요하다. 상용제품이 아닌 기존 연구에서는 광 간섭계 변위 센서(laser interferometer displacement sensor) 및 정전형 변위 센서(capacitive displacement sensor)를 사용하여 Z축 피에조 나노스캐너의 절대 변위를 측정하여 Z축 피에조 나노스캐너의 비선형성을 제거하는 방법들이 소개되어 있다. 하지만 광 간섭계 변위 센서 및 정전형 변위 센서의 경우에는 센서의 구성 및 관리 특성상 기존의 상용 제품에 적용이 용이하지 않다.
먼저, 광 간섭계 변위 센서의 경우, 광학 부품 및 구동 회로 등 구성이 매우 복잡하기 때문에 기존 제품에 적용하기가 쉽지 않다. 그리고 각 광학 소자의 정렬 상태에 따라서 센서 이득 및 선형성에 큰 영향을 주기 때문에 수시로 재정렬 및 켈리브레이션(Calibration) 작업이 필요하다. 정전형 변위 센서의 경우에도 Z축 나노스캐너와 같은 동일 축 및 동일 위치에 피에조 소자가 배치되야 하기 때문에 구조 설계 및 설치가 쉽지 않다. 또한, 정전 센서의 두 전극 사이의 평행도 및 초기 간격에 따라 센서 이득 및 선형성이 바뀌기 때문에, 이 또한 수시로 정렬 및 켈리브레이션 등의 유지보수가 필요하여 제품으로 상용화하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존 원자현미경에서 광센서만을 사용하여 피드백 제어를 하고 Z축 나노 스캐너의 변위를 제어 출력 신호로부터 얻는 경우에 Z축 나노 스캐너의 비선형성에 대한 에러가 그대로 측정 형상 데이터에 반영된다.
따라서, Z축 나노 스캐너로서 피에조 물질을 사용한 경우 비선형적인 특성이 나타나는 것을 방지하기 위하여 광센서 외에 또 다른 센서를 사용하여 Z축 나노 스캐너의 절대 변위를 직접 측정할 수 있는 원자현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.
실시예는 광학식 원자 현미경으로서, 샘플을 수평 방향으로 이동시키는 XY축 나노 스캐너; 상기 샘플의 표면을 켄틸레버로 스캐닝하는 Z축 나노 스캐너 헤드부; 상기 Z축 나노 스캐너 헤드부의 상대 변위를 측정하는 광센서; 상기 Z축 나노 스캐너를 지지하는 프레임; 및 상기 Z축 나노 스캐너의 일측에 마련된 나노 스캐너 헤드부의 절대 변위를 측정하는 절대 변위 센서;를 포함하고, 상기 Z축 나노 스캐너 헤드부의 변위 측정은 측정하고자 하는 샘플 표면 형상이 가지는 높이에 따라 상기 광센서 또는 상기 절대 변위 센서로 수행될 수 있다.
또한, 실시예의 원자 현미경 동작 방법은, Z축 나노 스캐너의 움직임에 따른 광센서의 피드백으로 제어기에서 샘플 표면 형상에 대한 제1 위상 신호를 검출하는 단계; 상기 제1 위상 신호가 기설정된 값보다 작은지를 판별하는 단계; 상기 제1 위상 신호의 값에 따라, 광센서에 연결된 제1 스위치와 스트레인 게이지 센서에 연결된 제2 스위치 중 어느 하나를 온시키는 단계; 및 온상태로 제어된 스위치로 들어오는 위상 신호를 샘플 형상의 최종 위상 신호로 판별하고, 이에 대한 최종 형상 이미지를 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예의 스트레인 게이지 센서는, 원자 현미경에 구비되며 Z축 나노 스캐너에 부착되는 스트레인 게이지 센서로서, 상기 Z축 나노 스캐너의 상하방향에 따른 움직임에 대해 절대 변위를 측정하여 샘플의 형상 정보를 측정하는 액티브 게이지 센서; 상기 액티브 게이지 센서와 대향되도록 상기 Z축 나노 스캐너에 부착되며, 상기 액티브 게이지 센서의 열 변형에 의한 에러를 보상하도록 구비되는 더미 게이지 센서; 상기 액티브 게이지 센서와 더미 게이지 센서는 휘트스톤 브리지 회로로 구성되며, 상기 휘트스톤 브리지 회로에서 출력된 신호를 증폭하는 증폭부; 및 상기 출력된 신호값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환부;를 포함할 수 있다.
실시예는 원자 현미경에 구비되며 Z축 방향의 샘플 형상 이미지를 얻기 위한 Z축 나노 스캐너에 스트레인 게이지 센서를 부착하는 방법으로서, 상기 Z축 나노 스캐너의 일측에 Z축 나노 스캐너의 구동축과 평행하도록 액티브 게이지 센서를 부착하는 단계; 및 상기 액티브 게이지 센서의 연장 방향과 직교하도록 더미 게이지 센서를 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원자현미경의 광센서 외에 추가적으로 스트레인 게이지 센서를 이용하여 Z축 나노 스캐너의 절대 변위를 측정함으로써, 기존의 컨트롤 제어 출력값을 이용하여 형상 정보를 얻는 경우에 발생되는 Z축 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 측정 에러를 제거하여 보다 정확한 형상 정보를 얻을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 샘플 스캐닝 방식의 원자현미경을 나타낸 사시도
도 2는 실시예에 따른 원자현미경의 개략적인 구성을 나타낸 블록도
도 3은 원자현미경의 측정 원리와 측정시 에러의 원인을 나타낸 그래프
도 4는 원자현미경에 구비된 켄틸레버의 스캐닝 방향에 따라 Z축 나노 스캐너의 측정값이 달라지는 모습을 나타낸 그래프
도 5는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 구성 및 작동방법을 나타낸 블록도
도 6은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 열 보상 회로를 나타낸 도면
도 7는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 부착을 나타낸 도면
도 8는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 부착시의 에러 보상 방법을 나타낸 도면
도 9는 실시예에 따른 원자현미경의 샘플 측정을 수행하기 위한 스위칭 방법을 나타낸 흐름도
도 10는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 선형성을 나타낸 그래프
도 11은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서를 사용할 시, 측정 시작점에 따라 발생되는 측정 결과와 스캐닝 방향에 따른 측정결과를 나타낸 그래프
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 샘플 스캐닝 방식의 원자현미경을 나타낸 사시도이며, 원자현미경의 구성 중 샘플의 형상을 측정하는 구성요소만을 나타낸 것이다. 다른 구성요소는 공지된 원자현미경의 구조와 동일하게 구성될 수 있다.
실시예의 원자현미경은 도 1과 같이 XY축 나노 스캐너(10), Z축 나노 스캐너(15), Z축 나노 스캐너의 헤드부를 구성하는 켄틸레버(14)와 켄틸레버 팁(16), 하나의 상대 변위 센서인 광원(Laser Diode, 13)과 광센서(QPD, 12) 및 Z축 나노 스캐너(15)에 부착된 절대 변위 센서(20)를 포함하도록 구성되어 있다. 그리고, 상기 Z축 나노 스캐너(15)는 피에조(Piezo) 물질로 구성된 압전소자일 수 있다.
켄틸레버 팁(16)이 측정하고자 하는 샘플(11)에 접근함에 따라 샘플(11)과 켄틸레버 팁(16) 사이의 원자력이 발생하고 이는 광센서(12)를 통해 켄틸레버(14)가 휘어지는 정도로 측정된다. XY 나노스캐너(10)는 샘플(11)을 XY 방향으로 움직이며, Z축 방향으로는 켄틸레버(14)와 샘플(11) 사이에 일정한 힘(간격)이 작용하도록 Z축 나노 스캐너(15)가 힘 제어를 수행한다. 이때, 샘플(11)의 높이는 켄틸레버 팁(16)을 움직이는 Z축 나노스캐너(15)의 변위와 같다.
도 2는 실시예에 따른 원자현미경의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2를 참조하면, 절대 변위 센서로서 스트레인 게이지 센서(Strain Gage Sensor)를 구비한 원자현미경(AFM)의 구성도로, XY축 나노 스캐너가 샘플을 스캐닝하면서 Z축 방향으로는 켄틸레버 팁과 샘플 사이에 일정한 원자력(간격)이 작용하도록 Z축 피에조 나노 스캐너를 제어한다. Z축 피에조 나노 스캐너가 선형적 특성을 가진다는 가정하에 Z축 피에조 나노 스캐너에 입력되는 광센서에서 피드백 받은 제어기 출력값으로 위상 데이터가 산출되고 샘플 표면의 형상 이미지를 얻을 수 있다.
그러나, 이는 Z축 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 에러를 포함한 값으로 샘플 형상에 대한 측정 에러를 발생시킨다. 하기의 도면에서 Z축 나노 스캐너의 비선형성에 대해 좀 더 살펴보기로 한다.
도 3은 원자현미경의 측정 원리와 측정시 에러의 원인을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 원자현미경으로 측정하고자하는 샘플의 높이를 Zs라 하고, Z가 일정한 값을 갖도록 제어될 때, Z값은 결국 Zs와 상대적 변위가 같게 된다. Z축 나노 스캐너와 전압 앰프가 동특성이 없고 선형적이라고 가정하면, 제어 출력(u)에서 결국 샘플 형상 Zs와 같은 상대 변위 값을 얻을 수 있게 된다. Z축 피에조 나노스캐너의 동특성이 없다는 가정은 수~수십 나노미터의 높이가 낮은 샘플에서는 유효하다. 그러나 수백 나노미터~마이크로 규격 크기의 샘플을 측정하는 경우에는 Z축 피에조 나노스캐너의 hysteresis 및 creep 현상과 같은 비선형성에 의해 위의 가정은 유효하지 않으며, 정확한 샘플의 형상의 정보를 얻을 수 없다.
도 4는 원자현미경에 구비된 켄틸레버의 스캐닝 방향에 따라 Z축 나노 스캐너의 측정값이 달라지는 모습을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 높이의 단차가 있는 샘플을 켄틸레버의 팁이 이동하면서 스캐닝할 경우, 측정되는 샘플의 형상 정보를 나타낸 그래프이다. 켄틸레버의 팁이 샘플의 표면을 상승하는 방향으로 스캐닝할 경우에는 PZT 구동기(actuator)가 상승하면서 샘플과의 거리가 감소하며, 그래프(A)와 같이 입력 전압이 감소하는 곡선의 그래프가 나타난다. 반면에, 하강하는 방향으로 스캐닝할 경우에는 PZT 구동기(actuator)가 하강하면서 샘플과의 거리가 증가하며 그래프(B)와 같이 입력 전압이 증가하는 곡선의 그래프가 나타난다. 이와 같이 입력 전압에 따른 위치 변화를 비교하여 보면, 곡선의 기울기 차이로 인해 Z축 나노 스캐너의 출력 변위가 달라지게 된다.
따라서 수백 나노미터~마이크로의 높이를 갖는 샘플에서 Z축 피에조 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 측정 에러를 제거하기 위해서는 원자현미경(AFM) 구조 내에 삽입 가능하며 나노 스캐너의 변위를 직접 측정할 수 있는 센서 제작 기술이 요구된다. 본 실시예에서는 도 1에서와 같이 상기와 같은 측정 에러를 제거하기 위하여 기존의 광센서 이외의 Z축 나노 스캐너의 절대 변위를 측정하기 위한 별도의 절대 변위 센서를 구비하며, 상기 절대 변위 센서는 구체적으로 스트레인 게이지 센서(Strain Gage Sensor)일 수 있다.
스트레인은 변형도 또는 변형률을 나타내며, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값을 의미하며, 스트레인 게이지라 함은 물체의 힘이 작용하여 물체의 변형이 일어나는 효과를 이용하여 재료의 응력인 스트레인을 측정하는 센서를 말한다. 스트레인 게이지 센서는 반도체에서 압력에 의해 결정의 균형이 변하면 저항률이 변화하는 피에조(piezo) 저항 효과를 이용하는 센서이며, 압전물질을 이용하는 소자이다. 압전물질은 어떤 결정에 압력을 가했을 때 전위차가 발생되고 또 이들의 물질에 전위차가 인가되면 물리적 변위가 생기는 원리를 이용한 물질이며, 상기와 같은 압전효과가 나타나는 물질로는 수정, 로셀염, 티탄산바륨, 인공세라믹 등이 있으며 본 실시예에서는 인공세라믹(PZT)을 사용한 스트레인 게이지 센서가 적용될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 실시예에서는 Z축 나노 스캐너의 출력 단에서 바로 Z신호를 얻어서 Z축 나노 스캐너의 비선형성과 상관없이 샘플의 형상 정보를 직접적으로 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에서는 Z축 나노 스캐너의 변위를 스트레인 게이지 센서를 이용하여 직접 측정함으로써, 비선형성 에러가 보상된 샘플의 형상정보를 얻을 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 구성 및 작동방법을 나타낸 블록도이다. 도 5를 참조하면, 실시예의 스트레인 게이지 센서(20)는 Z축 나노 스캐너(15)의 일측에 부착된 액티브 게이지(active gage, 21)와 상기 액티브 게이지(21)와 대향하도록 부착되는 더미 게이지(dummy gage, 22)로 이루어진다.
액티브 게이지(21)는 실질적으로 Z축 나노 스캐너(15)의 절대 변위를 측정하기 위해 구비되며, 더미 게이지(22)는 상기 액티브 게이지(21)에서 발생하는 열에 의한 에러를 보상하기 위해 구비되고, 액티브 게이지(21)와 더미 게이지(22)는 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge circuit, 23)로 구성될 수 있다.
상기 휘트스톤 브리지 회로에서 출력된 신호는 측정하고자 하는 샘플의 형상 및 ADC(Analog digital converter, 27)의 스케일에 따라 증폭부(24)에서 증폭된다. 증폭된 신호는 로우 패스 필터(Low pass filter, 25)를 거쳐 높은 주파수 대역의 노이즈가 제거되고 SNR(Signal to noise ratio)이 향상된 출력 신호를 얻을 수 있다. Z축 나노 스캐너의 초기 위치에 따라 센서 출력값이 바뀌게 되므로, 최종적으로 DC Offset 회로(26)값을 조절하여 초기화 해준 후, ADC(27)를 통해 디지털 값으로 변환하여 최종 형상 이미지(28)를 출력할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 열 보상 회로를 나타낸 도면이다. Z축 나노 스캐너에 부착된 스트레인 게이지 센서 중 액티브 게이지 센서(21)는 휘트스톤 브리지 회로로 구성되어 열이 발생하게 되며, 열에 의해 발생된 변형에 의해 샘플의 형상 정보에 에러를 발생시킬 수 있다. 따라서, 휘트스톤 회로에 더미 게이지(22)를 추가하여 열에 의해 발생된 에러가 상기 더미 게이지(22)를 통해 보상되어 Z축 나노 스캐너의 길이 변화에 대한 결과만 센서 출력에 영향을 미치도록 할 수 있다. 하기에서 스트레인 게이지 센서를 휘트스톤 브리지로 구성하는 점에 대해 좀 더 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 4개의 저항이 사각형의 각 변에 위치하고 대각선 CD를 연결하는 저항이나 전압계를 브리지로 하여 휘트스톤 브리지가 구성될 수 있다. AB 사이에는 기전력(E)이 주어지며, R값은 고정될 수 있다.
피에조 나노 스캐너가 동일한 힘을 유지하기 위해 수직으로 움직이게 되면, 액티브 게이지 저항인 R1은 Z축 나노 스캐너의 구동에 따라 변화하게 되며, 이 때 열로 인한 추가적인 스트레인의 변형이 발생할 수 있다.
즉, R1은 R값에 액티브 게이지에서 발생되는 피에조의 스트레인으로 인한 저항의 변화인 △R3와 온도변화에 의한 저항의 변화인 △R4를 합산한 값으로 추정할 수 있다. 더미 게이지는 이러한 액티브 저항의 변화인 △R4를 보상하기 위해 구비되며, 더미 게이지의 저항(R2)은 R값에 온도변화에 의한 저항 변화인 △R4을 합산한 값이 될 수 있다. 따라서, 출력 전압인 e0는 다음과 같은 수식으로 도출될 수 있다.
Figure 112014025730602-pat00001
이 때, R값은 R3 및 R4값에 비해 매우 크기 때문에 상기 수학식 1은 다음과 같은 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112014025730602-pat00002
상기 수학식 2에서, 스트레인 게이지 센서의 팩터(factor)인 k에 의해 열에 의한 저항의 변화와 스트레인의 변형율이 같다고 가정하면, 상기 수학식 2는 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112014025730602-pat00003
따라서, 상기 수학식 3과 같이 출력전압인 e0는 온도 변화에 따른 영향이 배제되며, Z축 나노 스캐너의 길이 변화에 대한 결과만 출력값으로 나타나게 된다.
도 7는 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 부착을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 왼쪽 그림은 Z축 나노 스캐너(15)의 일측에는 액티브 스트레인 게이지 센서(21)가 부착되는데, 상기 Z축 나노 스캐너의 구동축과 평행하도록 부착되어 있다. 그리고 오른쪽 그림은 더미 스트레인 게이지 센서(22)가 상기 Z축 나노 스캐너(15) 다른 측면에 구동축과 직교하도록 부착되어 있다.
더미 스트레인 게이지 센서(22)는 압전 물질(PZT)의 길이 변화에는 영향을 받지 않고, 열에 대한 변형만 측정하여 액티브 스트레인 게이지 센서의 출력값을 보상하여야 하기 때문에 상기 Z축 나노 스캐너의 구동축과 직교하도록 부착되어 Z축 나노 스캐너의 구동에 따라 변형이 일어나지 않도록 부착될 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 부착시의 에러 보상 방법을 나타낸 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지 센서가 Z축 나노 스캐너의 구동축과 평행하지 않도록 부착된 경우에는 측정되는 샘플의 형상 정보에 에러가 발생하게 된다. Z축 나노 스캐너의 구동축과 스트레인 게이지 센서(액티브 게이지)간의 틀어진 각도(α)를 알 수 있다면 다음의 수식으로 스트레인 게이지 센서의 부착 방향을 보상할 수 있다.
Figure 112014025730602-pat00004
S= 스트레인 게이지 센서가 Z축 나노 스캐너의 구동축이 일치하도록 부착된 경우
S'= 스트레인 게이지 센서가 Z축 나노 스캐너의 구동축이 α의 각도만큼 틀어져 부착된 경우
따라서, Z축 나노 스캐너의 구동축에 스트레인 게이지 센서가 평행하도록 부착되기 위해 구동축에 해당하는 기준선을 형성하고, 상기 기준선과 일치하도록 스트레인 게이지 센서를 부착할 수도 있다.
실시예의 스트레인 게이지 센서는 금속의 가는 선에 장력 또는 압축력이 가해지면 변형을 일으켜 전기 저항값이 달라지는 것을 이용한 변형센서이며, 변형 게이지의 저항소자에는 폴리 이미드 수지를 절연 필름에 접착한 것을 수감부에 접착하여 사용하였으며, 이에 한정되지는 않는다.
도 9는 실시예에 따른 원자현미경의 샘플 측정을 수행하기 위한 스위칭 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 측정하고자 하는 샘플 형상의 크기에 따라 자동으로 측정 방식을 선택하여 형상 정보를 측정하는 방식을 나타낸 것이다.
PZT 나노 스캐너는 수 ㎚~ 200㎚ 수준의 높이 변화가 있는 형상을 측정할 시에는 PZT 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 에러가 무시할 수 있을 만큼 미비하다. 그러나, 수백 ㎚~ 수 ㎛급의 높이 변화가 있는 형상을 측정할 시에는 PZT 나노 스캐너의 비선형성에 의한 에러가 무시할 수 없을 정도로 크게 발생하기 때문에 본 발명에서 제안하는 스트레인 게이지 센서를 사용하여 PZT 나노 스캐너의 절대 변위를 측정하는 방법을 사용해야 한다.
한편, 스트레인 게이지 센서는 분해능의 수준이 수 ㎚ 수준으로, 수십 ㎚ 이하의 샘플 형상을 측정시에는 ㎚급의 에러가 발생할 수 있다. 따라서, 실시예에서는 수십 ㎚이하의 높이 변화가 있는 샘플의 형상을 측정할 시에는 기존의 제어기 출력신호를 이용하여 형상 이미지를 출력하고, 그 이상의 높이 변화가 있는 샘플의 형상을 측정하는 경우에는 스트레인 게이지 센서의 출력 신호를 이용하여 형상 이미지를 출력하도록 한다. 이하에서, 도 9에 도시된 측정 방식에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
우선, 스트레인 게이지 센서가 포함된 원자현미경의 구성에서 샘플의 높이 변화가 일정 수준, 예를 들면 500㎚를 초과하는지에 대한 여부를 판별하여 스트레인 게이지 센서의 동작 여부를 선택하는 단계를 수행한다. 만약, 샘플의 높이 변화가 500㎚보다 작다면 제1 스위치는 온시키고 제2 스위치는 오프시키며, 스트레인 게이지 센서의 전원을 오프시킨다. 이 때, 샘플의 최종 형상 정보는 기존의 방식처럼 제어기의 출력단에서 출력된 제1 위상 신호로 선택될 수 있다.
한편, 샘플의 높이 변화가 500㎚를 초과한다면, 제1 스위치는 오프시키고 제2 스위치는 온시키며 스트레인 게이지 센서의 전원을 온시킨다. 전원이 인가된 스트레인 게이지 센서는 PZT 나노 스캐너의 움직임을 따라 절대 변위를 측정하게 되고, 이에 따른 제2 위상 신호를 출력한다. 샘플의 최종 형상 정보는 스트레인 게이지 센서에서 출력된 제2 위상 신호로 선택될 수 있다.
즉, 실시예는 샘플의 형상 정보를 받아 기설정된 값에 대해 소정의 높이차가 발생하는 샘플에 대해서 스트레인 게이지 센서의 전원을 제어하여, 스트레인 게이지 센서에서 측정되는 절대 변위 신호값을 선택하여 최종 형상 이미지를 도출하도록 구성될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서의 선형성을 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 스트레인 게이지 센서는 10㎛의 구간에서 선형적으로 나타나며, 스트레인 게이지 센서의 최고 전압은 6.5㎛의 위치에서 14V로 나타난다. 스트레인 게이지 센서의 아날로그 노이즈 수준은 6.5㎛의 위치에서 약 7.2mV로 측정된다. 스트레인 게이지 센서의 분해능은 신호대비 잡음의 수준으로 결정되기 때문에, 상기 센서의 분해능은 약 3.5㎚인 것으로 계산될 수 있다.
스트레인 게이지 센서의 분해능은 기존 광센서의 분해능보다 떨어지기 때문에 스트레인 게이지 센서를 통해 얻는 위상 신호 정보의 정밀도는 종래보다 떨어진다. 그러나, 상기와 같이 실시예의 스트레인 센서를 통해 얻는 위상 신호 정보는 수 ㎚~ 수 ㎛급의 높이 변화가 있는 측정할 경우 사용될 수 있다. 이러한 높이 변화를 측정할 시에 약 약 3.5㎚의 분해능은 허용가능한 오차범위 내에 있으며, 기존 Z축 나노 스캐너의 비선형성에 따른 형상 왜곡률이 낮아져 더욱 정확하게 샘플의 형상 정보를 측정할 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 스트레인 게이지 센서를 사용할시, 측정 시작점에 따라 발생되는 측정 결과와 스캐닝 방향에 따른 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 스트레인 게이지 센서를 사용하여 서로 다른 위치에서 측정된 샘플의 위상 정보를 나타낸 것이다. (a)와 (b)를 비교하면 샘플의 최고 높이는 샘플의 측정 시작 위치에 상관없이 항상 같은 값을 나타내었다. (c)를 살펴보면, 샘플의 단차에 따라 켄틸러버 팁이 샘플의 표면에서 상승 또는 하강함에 따라 동일한 위상을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 스트레인 게이지 센서를 통해 출력되는 위상 신호를 통한 샘플의 형상 정보가 선형적인 특성을 가지는 것으로 해석할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원자현미경의 광센서 외에 추가적인 센서로서, 샘플의 측정 시작 위치에 대해 선형적인 특성을 가지는 스트레인 게이지 센서를 이용하여 Z축 피에조 나노스캐너의 절대 변위를 측정한다. 따라서, 기존의 컨트롤 제어 출력값을 이용하여 형상 정보를 얻는 경우에 발생되는 Z축 피에조 나노 스캐너의 비선형성으로 인한 측정 에러를 제거하여 보다 정확한 형상 정보를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: XY축 나노 스캐너
11: 샘플
12: 광센서
13: 광원
14: 켄틸레버
15: Z축 나노 스캐너
16: 켄틸레버 팁
20: 절대 변위 센서
21: 액티브 게이지 센서
22: 더미 게이지 센서
24: 증폭기
25: 로우 패스 필터
26: DC Offset 회로
27: ADC

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  7. Z축 나노 스캐너의 움직임에 따른 광센서의 피드백으로 제어기에서 샘플 표면 형상에 대한 제1 위상 신호를 검출하는 단계;
    상기 제1 위상 신호가 기설정된 값보다 작은지를 판별하는 단계;
    상기 제1 위상 신호의 값에 따라, 광센서에 연결된 제1 스위치와 스트레인 게이지 센서에 연결된 제2 스위치 중 어느 하나를 온시키는 단계; 및
    온상태로 제어된 스위치로 들어오는 위상 신호를 샘플 형상의 최종 위상 신호로 판별하고, 이에 대한 최종 형상 이미지를 도출하는 단계;를 포함하는 광학식 원자 현미경의 동작 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 위상 신호가 기설정된 값보다 작으면, 상기 광센서에 연결된 제1 스위치는 온되고 상기 제2 스위치는 오프되며, 상기 스트레인 게이지 센서에 연결된 전원은 오프되는 광학식 원자 현미경의 동작 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 Z축 나노 스캐너의 움직임에 따른 광센서의 피드백에 따라 제어기에서 출력된 샘플 표면 형상에 대한 제1 위상 신호가 최종 위상 신호로 선택되어 상기 샘플에 대한 최종 형상 이미지가 도출되는 광학식 원자 현미경의 동작 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 위상 신호가 기설정된 값보다 크면, 상기 광센서에 연결된 제1 스위치는 오프되고 상기 제1 스위치는 온되며, 상기 스트레인 게이지 센서에 연결된 전원은 온되는 광학식 원자 현미경의 동작 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지 센서가 온됨에 따라, 상기 Z축 나노 스캐너의 움직임에 따른 절대 변위에 대한 제2 위상 신호가 최종 위상 신호로 선택되어 상기 샘플에 대한 최종 형상 이미지가 도출되는 광학식 원자 현미경의 동작 방법.
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  14. 원자 현미경에 구비되며 Z축 방향의 샘플의 형상 이미지를 얻기 위한 Z축 나노 스캐너에 스트레인 게이지 센서를 부착하는 방법으로서,
    상기 Z축 나노 스캐너의 일측에 Z축 나노 스캐너의 구동축과 평행하도록 액티브 게이지 센서를 부착하는 단계; 및
    상기 액티브 게이지 센서의 연장 방향과 직교하도록 더미 게이지 센서를 부착하는 단계;를 포함하고,
    상기 액티브 게이지 센서와 더미 게이지 센서는 상기 Z축 나노 스캐너와 같은 높이에 위치하도록 부착되는 스트레인 게이지 센서 부착 방법.
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