KR101569960B1 - 다이나믹 탐침 검출 시스템 - Google Patents

다이나믹 탐침 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

다이나믹 탐침 검출 시스템(29, 32)은 샘플 표면을 향해 또한 샘플 표면으로부터 멀어지게 반복적으로 운동되는 탐침을 포함하는 형식의 스캐닝 탐침 현미경에 사용하기 위한 것이다. 샘플 표면이 스캐닝될 때, 간섭계(88)는 탐침(80a, 80b, 80c)으로부터 반사된 광과 높이 기준 비임 사이의 경로 차이를 나타내는 출력 높이 신호를 발생한다. 신호 처리장치는 높이 신호를 감시하고, 탐침의 높이를 나타내는 각각의 진동 사이클을 위한 측정값을 유도한다. 이것은 샘플의 영상을 형성하는데 사용되는 평균화나 필터링에 의지하지 않고 샘플의 높이를 나타내는 측정값을 추출할 수 있게 한다. 검출 시스템은 피드백 매개변수의 평균값을 세팅 레벨로 유지시키도록 작동가능한 피드백 메카니즘도 포함한다.

Description

다이나믹 탐침 검출 시스템{DYNAMIC PROBE DETECTION SYSTEM}
본 발명은 탐침 현미기술(microscopy)의 분야에 관한 것으로서, 특히 샘플 표면에 대해 진동하는 탐침의 위치를 검출하는데 사용되는 검출 시스템에 관한 것이다.
스캐팅 탐침 현미경(SPM)에 숨어 있는 원리는 샘플의 영상을 생산하기 위해 나노미터(10억분의 1미터)의 탐침 팁으로 샘플 표면 위의 기계적 스캐닝을 실행하는 것이다. 영상내의 특징은 팁과 샘플 사이의 상호작용의 변화로부터 유래한다.
SPM 의 특정 실시예는 샘플과 탐침의 예리한 팁 사이의 힘 상호작용이 감시(monitor)되는 원자력 현미경(AFM) 이다. 전형적인 AFM 의 탐침은 그 베이스에서 지지체에 고정되고 그 반대쪽 단부(자유단부)에 팁을 갖는 매우 작은 외팔보를 포함한다. 탐침 팁이 샘플에 가까워질 때, 샘플과 팁 사이에 상호작용 힘이 전개된다. 만일 팁이 예를 들어 진동과 같은 운동중이라면, 상호작용 힘은 이 운동을 어떻게 해서든 수정할 것이다. 만일 팁이 정지되어 있다면, 힘은 팁을 샘플 표면에 대해 변위시킬 것이다.
스캐닝 과정중에, 팁과 샘플 표면 사이의 상호작용의 강도는 탐침 팁 아래의 표면의 특징들이 변함에 따라 변화될 것이다. 3축 고분해능 스캐너는 전형적으로 샘플과 탐침 사이의 상대운동을 발생시켜, 샘플 및/또는 탐침 지지체를 구동한다. 탐침 팁의 위치 및/또는 운동에 대한 상호작용 힘의 효과는 스캐닝 과정중에 감시된다. 표준 AFM 작동에 있어서, 상호작용 힘의 강도는 일정하게 유지된다. 즉, 탐침상의 그 효과가 감시되고, 피드백 시스템은 감시된 매개변수를 미리 결정된 값인, 셋포인트(set point)로 복귀시키기 위해 그 어떤 변화에 대한 응답으로 샘플과 탐침의 베이스의 분리를 조정하도록 작동된다. 이 조정과 관련된 데이터(통상적으로, 수직 또는 "z" 운동)가 수집되어, 그 표면의 영역을 횡단하는 샘플의 영상을 구성하는데 사용된다.
AFM에 의해 형성된 영상의 해석은 어느 정도는 탐색중인 표면의 특성에 의존할 것이다. 표면 형상은 일반적으로 영상에 가장 중요하게 기여하며, 샘플의 높이는 스캐닝시 탐침에 의해 가깝게 이어지고, 표면 소수성 및 친수성, 점탄성 등과 같은 다른 특징들도 기여한다. 탐침 및 현미경은 자장 또는 전기장과 같은 다른 샘플 특성을 적절한 상호작용 힘을 통해 측정하는데도 사용된다.
AFM 은 다양한 영상 모드에서 작동되도록 설계되었다. 접촉 모드에서, 탐침은 샘플과 연속적인 접촉 상태로 존재한다. 다이나믹 모드에서, 탐침은 진동되어, 주기적으로 샘플에 가깝게 근접하거나 샘플과 접촉된다.
표면을 조사하기 위해 만일 정적 팁이 사용되면, 스캐닝 과정중의 그 위치는 외팔보의 굴곡이나 편향시 상호작용 힘이 갖는 효과를 사용하여 감시된다. 팁과 표면 사이의 상호작용 힘이 변화될 때, 팁은 표면을 향해 당겨지거나 표면으로부터 멀리 밀린다. 이 팁 운동은 탐침의 외팔보 부분에 연통되어, 그 길이를 따라 굴곡되거나 구부러진다. AFM 은 본 기술분야에 공지된 바와 같이 옵티칼 레버 시스템과 같은 위치감지 검출기 또는 다른 편향 검출기로 외팔보의 편향을 측정하도록 세팅된다. 상기 편향은 탐침의 상부면의 경사를 지칭하며, 외팔보 굴곡의 표시를 제공하기 위해 AFM 에 의해 사용된다.
선택적으로, AFM 은 다이나믹 모드로 작동될 수도 있다. 탐침은 그 공진 주파수로 또는 공진주파수에 가까운 주파수로 진동된다. 샘플-탐침 상호작용의 변화는 탐침의 운동에 영향을 끼친다. 특히, 상기 진동의 진폭, 위상, 주파수가 감시되며, 일정한 평균적인 상호작용을 유지하기 위해 탐침-샘플 분리가 조정된다
AFM 은 많은 상이한 모드로 형성 및 사용될 수 있다. 접촉 및 다이나믹 모드의 상기 서술은 원자력 현미경의 분야에 대한 일반적인 도입을 제공하기 위한 것이며, 본 발명의 적용 분야에 대한 어떤 제한을 부여하기 위한 것이 아님을 인식해야 한다.
그 작동 모드에 관계없이, AFM 은 환경(공기, 액체 또는 진공)의 범위에서 다양한 샘플의 원자 크기에 대한 영상을 얻는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 이들은 압전 작동기와, 옵티칼 레버 편향 검출기와, 실리콘 제조기술을 사용하여 생산된 작은 외팔보를 이용한다. 그 고분해능 및 다재다능은 산업용 검사, 반도체 제조, 생물학적 리서치, 재료과학 및 나노리톨로지(nanolithology)와 같은 다양한 분야에서 적용될 수 있게 한다.
이 명세서에서, 팁(또는 탐침 팁)은 외팔보 비임의 자유단부에 배치된 3차원의 원추형 또는 피라미드 구조로 지칭된다. 팁은 질문(interrogation)하에서 표면과의 상호작용의 가장 가까운 지점으로 경사진다. 외팔보는 팁을 배제한 비임 그 자체로서, 한쪽 단부에서는 팁을 지지하고 다른쪽 단부에서는 현미경 장치가 보유된다. 외팔보 및 팁은 함께 탐침으로서 지칭된다.
탐침은 일반적으로 실리콘 또는 실리콘 질화물로부터 제조된다(AFM 인 경우). 전형적으로, 외팔보는 길이가 약 50-200 ㎛ 이고, 폭이 20-50 ㎛ 이며, 약 0.2-2㎛ 의 두께를 갖지만, 물론 이 크기는 적용에 따라 변화될 수 있다. 형상도 변화될 수 있다. 전형적으로는 삼각형 또는 직사각형 형태를 취할 수 있으며, 삼각형의 경우에는 그 정점 근방에 팁을 갖는다. 팁은 전형적으로 5㎛ 의 베이스와, 3-10 ㎛ 의 높이와, 10-20㎛ 의 단부 곡률반경을 갖는다. 사용시, 팁의 단부에서 가는 포인트는 샘플을 향해 위치된다.
전형적인 AFM 은 탐침에 의해 조사될 샘플이 장착되는 가동형 스테이지를 포함한다. 탐침은 외팔보 비임과, 가는 포인트로 경사져서 외팔보 비임의 한쪽 단부를 향해 배치되는 팁을 포함한다. 외팔보 비임의 다른쪽 단부는 장착부에 고정된다. 스테이지 및 탐침을 서로 향하게 하거나 서로 멀어지게 운동시키도록 작동가능한 압전 드라이버를 포함하는 z 위치조정 시스템이 적절히 연결된다. AFM 이 다이나믹 모드로 작동될 때, 오실레이터도 탐침에 연결되어, 샘플 표면과 간헐적으로 접촉되도록 탐침을 수직으로 구동한다. 또한, 드라이버는 장착부나 스테이지에 연결되거나 또는 장착부 및 스테이지 모두에 연결되며, 샘플의 평면(x, y)에서 샘플과 탐침 사이의 상대운동을 제공하도록 작동될 수 있다. 광원은 팁이 장착되는 단부에서 외팔보의 상부면(후방)상으로 지향되는 레이저 비임을 방출하도록 배치된다. 외팔보의 후방으로부터 반사된 광은 외팔보의 편향을 나타내는 출력을 발생시키며 전형적으로 분할(split) 포토다이오드인 위치감지 검출기(PSD)로 된다. 검출기의 출력은 피드백 제어기를 통해 z 위치조정 시스템에 연결된다.
PSD로부터의 출력 신호는 탐침 편향, 진폭, 위상, 또는 다른 매개변수와 같은 양을 추출하도록 처리된다. 피드백 제어기는 추출된 양들중 하나에 따라 z 위치조정 시스템을 조정한다.
본 발명의 목적은 표면 위에서 진동하는 탐침 팁에 의해 트레이싱될 때 샘플 표면의 높이와 관련된 정보를 추출함으로써 팁과 표면 사이의 분리를 변화시킬 수 있으며 종래기술 보다 정확도 및/또는 속도가 개량된 스캐닝 탐침 현미경에 사용하기 위한 선택적 검출 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 샘플 표면에 반복적으로 접근하는 진동하는 탐침을 조사하는 비임을 발생시키기 위한 광원과, 탐침으로부터 반사된 광과 높이 기준 비임 사이의 경로 차이를 검출하고 이 경로 차이를 나타내는 높이 신호를 출력하도록 배치된 간섭계와, 높이 신호를 감시하고 탐침의 높이를 나타내는 각각의 진동 사이클을 위한 측정값을 유도하도록 배치된 신호 처리장치를 포함하며; 상기 탐침은 베이스 및 자유단부를 갖는 외팔보를 포함하고, 상기 자유단부는 예리한 팁을 지지하는 스캐닝 탐침 현미경에 사용하기 위한 검출 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 검출 시스템은 샘플 표면을 스캐닝할 때 탐침의 높이를 직접(간섭계에 의해) 측정할 수 있다. 이것은 시스템으로 하여금 피드백 시스템을 실행할 필요성으로부터 자유롭게 하기 때문에 바람직하다. 검출된 높이 신호는 탐침 진동의 사이클당 하나 이상의 측정 포인트가 추출되는 것을 보장하는 비율로 샘플링된다. 탐침 진동 주파수의 10배, 더욱 바람직하기로는 100배가 유리한 이 오버샘플링은 평균화(averaging) 또는 필터링에 의지하지 않고 샘플의 높이를 나타내는 측정값의 추출을 가능하게 한다. EP 2 017 599호에 게재된 평균화 및 필터링은 데이터 획득의 비율을 낮추며, 이것은 영상화 시스템의 스캐닝 속도 또는 분해능도를 제한한다. 예를 들어 EP 2 017 599호에 게재된 시스템은 필터링된 신호가 샘플 높이의 정확한 표시를 제공하도록 일정한 값으로 유지되는 진동 진폭에 의존한다. 상기 진동 진폭은 피드백의 사용에 의해 일정하게 유지되며, 따라서 스캐닝 속도에 대한 제한을 세팅한다. 만일 스캐닝 속도가 너무 빠르다면, 추출된 데이터 측정값에 에러가 발생되어 영상화 정확도를 감소시킨다.
신호 처리장치는 미리 결정된 측정 기준을 만족시키는 각각의 진동 사이클내의 위치로부터 데이터를 추출하도록 배치된다. 이것은 사이클이 극단적인 경로 차이, 경로 차이의 최소 변화율, 또는 다른 적절한 표시를 나타낼 때이다. 이것은 측정 포인트가 샘플의 진정한 높이를 가장 잘 반사할 것 같은 위치에서 추출되는 것을 보장한다. 예를 들어, 최소(또는 최대) 경로 차이에서, 탐침은 샘플 표면과 접촉되어 있는 것으로 유추될 수 있다. 이것은 검출 시스템에 의해 추출된 정보의 정확성을 개량시키며, 샘플 표면의 영상을 발생시키는데 사용된다. 이 영상은 표면 높이 또는 표면의 다른 물질 특성을 반사한다.
본 발명에 피드백 시스템을 실행하는 요구는 없었지만, 만일 샘플과 관련하여 탐침의 평균 높이가 유지된다면 바람직하다. 이것은 종래기술의 제한이 상기 시스템상에 있어야 된다고 말하는 것이 아니다. 피드백은 선택된 피드백 매개변수를 그 셋포인트로 복귀시키도록 응답할 필요가 없다. 샘플 형상이 급격히 변화된 경우에 발생되는 큰 힘의 가능성을 감소시키고 결과적으로 탐침 및/또는 샘플에 대한 손상을 감소시킨다는 점에서 평균적인 탐침-샘플 분리를 유지하는 것이 바람직하다. 피드백은 다양한 방법으로 통합될 수 있다. 신호 처리장치는 높이 신호로부터 피드백 신호를 추출하도록 배치될 수도 있다. 상기 피드백 신호는 탐침 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수를 기초로 한다. 선택적으로, 시스템은 탐침으로부터 반사된 광의 성분을 수용하고 이로부터 피드백 신호를 추출하도록 배치된 제2검출기를 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 이 실시예의 피드백은 각각의 측정 포인트에 의존하지 않는다. 영상 데이터는 외팔보의 편향/경사 에도 불구하고 간섭계 높이 측정으로부터 추출된다. 이것은 영상화 시스템의 속도 및 유용한 분해능도를 증가시킬 뿐만 아니라 종래의 AFM과 비교하여 시스템을 z 드라이버의 사용에 고유한 제한으로부터 자유롭게 한다. 종래의 AFM 시스템은 탐침 높이가 피드백 시스템에 의해 조정될 때 z 드라이버의 위치로부터 유도되는 측정된 데이터 포인트를 추출한다. 이 방법은 정확하게 보정될 수 있는 z 위치조정 메카니즘을 필요로 한다. 위치조정 시스템을 조정할 필요없이, 탐침 높이 조정을 제공하기 위해 많은 가능성이 열려 있다. 본 발명의 이 실시예는 일체형 작동기를 갖는 탐침의 사용에 특히 적합하다. 이런 탐침은 실제로 조정이 어려우며, 보정은 탐침을 교체할 때 반복될 필요가 있다. 예를 들어, 이것은 압전 저항 코팅에 의해 또는 원격의 광원 또는 저항성 히터의 전기접속에 의한 열 바이모르프(bimorph) 탐침에 의해 이루어진다. 본 발명의 검출 시스템은 다수의 분리된 작동기를 조정할 필요성을 제거하기 때문에, US 6,189,374호에 개시된 자리잡은 피드백 루프와의 실행에도 이상적이다.
상기 시스템은 탐침으로부터 반사된 광을 2개의 성분으로 분리하도록 배치된 비임분할기를 포함하며, 상기 2개의 성분중 하나는 간섭계로 입력되고, 다른 하나는 제2검출기로 입력된다.
피드백의 실행에 있어서, 제2검출기는 탐침으로부터 반사된 광과 제2높이 기준 비임 사이의 경로 차이를 검출하고 이 경로 차이를 나타내는 제2높이 신호를 출력하도록 배치된 간섭계이다. 따라서, 이 제2높이 신호로부터 피드백 신호를 추출하기 위해 제2신호 처리장치가 배치되며, 상기 피드백 신호는 탐침 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수에 관한 정보를 기초로 한다.
선택적으로, 제2검출기는 그 출력이 피드백 신호를 추출하는 제2신호 처리장치에 의해 처리되는 편향 검출기일 수도 있다. 피드백 신호는 탐침 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수에 관한 정보를 기초로 한다.
간섭계는 호모다인(homodyne) 간섭계이며, 한쌍의 직각 위상(phase quadrature) 간섭계를 발생시키기 위한 수단을 포함한다. 프린지(fringe) 재분할 장치를 이상적으로 포함하는 프린지 카운팅 장치는 각각의 간섭그림(interferogram)에서 검출된 다수의 프린지에 의존하는 출력을 생산하도록 배치된다.
선택적으로, 간섭계는 헤테로다인 간섭계일 수도 있다.
간섭계 시스템에 있어서, 높이 기준 비임은 고정된 기준 포인트로부터의 반사에 의해 발생되는 것이 바람직하다. 기준 포인트는 샘플의 위치와의 관계에 대해 알려져 있지만 변할 수 있으며, 또는 샘플에 대해 고정되어 있다.
이상적으로, 신호 처리장치는 각각의 탐침 진동 사이클의 오버샘플링에 의해 현미경이 가장 효과적으로 작동될 때 얻어지는 데이터의 큰 체적을 처리할 수 있는 FPGA(field programmable gate array) 이다. 선택적으로, 신호 처리장치는 샘플 및 유지 회로(hold circuit)를 포함할 수도 있다.
다른 특징에 있어서, 본 발명은 샘플과 탐침 사이의 상호작용에 따라 샘플을 영상화하기 위해 스캐닝 탐침 현미경을 제공하며; 상기 현미경은 탐침과 샘플 표면 사이의 상대운동을 제공하도록 배치된 구동 수단과, 실질적으로 샘플 표면과 직교하는 방향으로 탐침을 진동시키는 오실레이터와, 상술한 바와 같은 탐침 검출 시스템을 포함한다.
상기 탐침은 0.5 내지 2 Nm-1 범위의 탄성계수를 갖는 외팔보 부분을 갖는다.
상기 오실레이터는 표면과의 간헐 접촉을 제공하기 위해 탐침을 굴곡 운동으로 구동하도록 배치된다. 선택적으로, 팁은 탐침의 길이방향 축선으로부터 오프셋되며, 오실레터는 탐침을 그 길이방향 축선 주위로 비틀림 진동으로 구동하도록 배치된다. 후자의 배치는 고속 스캐닝 작동에 특히 유리하며, 이것은 낮은 굴곡 탄성계수를 갖는 높은 진동 주파수를 가능하게 하여, 큰 피드백 에러 신호(예를 들어 표면 높이의 급작스러운 변화로 인한)인 경우 표면상의 탐침에 의해 발휘된 힘을 감소시킨다. 비틀림 작동시, 탐침은 적어도 3㎛ 의 길이로 길이방향 축선으로부터 오프셋된 팁을 갖는 T 형상을 취하는 것이 바람직하다.
현미경은 샘플 표면에 평행한 평면에서 탐침과 샘플 표면 사이에 상대운동을 제공하도록 배치된 xy 스캐너와, 샘플 표면과 직교하는 방향으로 상대운동을 제공하도록 배치된 z 드라이버를 포함한다. 피드백 시스템은 z 드라이버를 통합하며, 검출 시스템에 의해 발생된 정보를 기초로 하여 작동될 수 있다.
z 드라이버는 탐침의 베이스를 운동시키도록 이상적으로 배치된다. 이것은 탐침내에 일체화된 또는 부분적으로 일체화된 작동기를 포함한다. 오실레이터는 하나의 작동기이거나 다수의 작동기이며, 탐침과 일체형이거나 또는 부분적으로 일체형이다.
본 발명은 본 발명은 탐침이 샘플 표면을 향해 진동되고 또한 샘플 표면으로부터 멀어지게 진동하는 AFM 의 작동모드에 관한 것이다. 탐침이 공진으로 또는 공진 근처에서 진동하는 AFM 의 다이나믹 작동모드가 한 예다. 간헐 접촉을 이루기 위해 운동하는 탐침을 사용하면 탐침 팁과 샘플 사이의 횡방향 힘을 감소시킨다. 이런 횡방향 힘은 부드러운 샘플과 부서지기 쉬운 탐침 팁에 해롭다. 부서지기 쉬운 팁의 실시예는 높은 종횡비를 갖는 것으로서, 즉 샘플 표면에서 좁은 트라프(trough)를 조사하는데 사용되는 상당히 긴 길이를 갖는 것이다. 또한, 다이나믹 모드로 작동되는 AFM 은 종종 더 많은 물질-특정 정보를 추출할 수 있다.
샘플의 영상을 획득할 때, 종래기술의 AFM 은 하기와 같이 다이나믹 모드로 작동된다. 팁은 일반적으로 수직 방향으로 진동되며, 그후 z 위치조정 시스템을 사용하여 팁 운동이 설정된 레벨로 안정될 때까지 샘플을 향해 운동한다. 이 레벨은 사용되는 것은 무엇이든지 특정의 위상, 진폭, 또는 주파수에 관해 한정되지만, 그 미리 결정된 레벨은 피드백 제어를 위한 셋포인트이다. 외팔보의 진동은 레이저 비임 및 검출기를 사용하여 감시된다.
이제 팁은 샘플을 표면을 가로질러 스캐닝되며, 통상적으로 래스터(raster) 패턴을 뒤따른다. 팁이 예를 들어 높이가 증가된 표면의 일부와 만났을 때, 그 운동이 변화되며, 예를 들어 진폭과 같은 감시된 매개변수는 그 셋포인트로부터 멀리 운동된다. 피드백 제어기는 탐침 장착부를 샘플로부터 멀리 운동시키고 검출기로부터 수신된 신호를 그 셋포인트로 복귀시키기 위해 탐침 장착부의 수직 위치를 조정하도록 세팅된다. 따라서, 탐침은 표면과의 일정한 평균적인(진동 횟수를 넘는) 상호작용을 갖는 위치로 유지된다.
이 방식으로, 현미경 시스템의 피드백은 감시된 매개변수, 즉 이 실시예에서는 탐침 수직 진동의 진폭이 스캐닝 과정중 일정하게 유지되는 것을 보장한다. 스캐닝이 진행됨에 따라, z 위치조정 시스템에 의해 세팅된 장착부의 수직 위치가 감시되고 영상을 구성하는데 사용된다. 전형적으로, 상기 영상은 샘플 표면의 높이 표시(indication)를 제공한다.
탐침 현미경에서의 최근의 진보는 데이터 수집시간이 더욱 빠른 신속한 스캐닝 기술로 이끌었다. PCT 특허출원 WO 02/063368호 및 WO 2004/005844호에 게재된 바와 같은 이 새로운 현미경의 발생에 의해, AFM 부품 자체에 의해 제기된 구속은 제한적인 영상 수집시간임이 점점 명확해지고 있다.
상술한 종래기술의 AFM 에 있어서, 팁은 세팅된 초당 픽셀수를 커버하도록 샘플 표면을 연속적으로 가로질 운동한다. 외팔보 진동이 감시되고, 피드백 시스템은 탐침을 그 미리 세팅한 진동 레벨로 유지하기 위해 탐침과 샘플의 수직 분리에 대해 계속적인 조정을 실행한다. 진동 변화가 검출될 수 있는 속도와 그후 응답하여 조정된 수직 분리는 정확한 AFM 작동을 위해 기본적으로 상부 스캐닝 속도 제한을 세팅한다. 정확한 정보가 수집될 수 있도록, 탐침-샘플 상호작용은 모든 픽셀 위치를 통해 일정해야만 한다. 그 결과, 탐침-샘플 분리는 단일의 픽셀 위치에 대응하는 영상 데이터를 수집하기 위해 탐침에 의해 얻어진 것 보다 짧은 타임스케일(timescale)에 대해 피드백 시스템에 의해 조정되어야만 한다. 즉, 높이 조정은 탐침이 래스터 스캔내의 새로운 픽셀 위치로 운동되기 전에 이루어져야만 한다.
스캐닝 속도가 증가함에 따라, 각각의 픽셀 위치에서 탐침에 의해 소비된 시간은 더 짧다. 일부 포인트에서는 탐침이 다음 픽셀 영역으로 운동되기 전에 그 미리 설정된 진동 레벨로 복귀될 수 없는 속도에 도달될 것이다. 시스템은 안정된 피드백 상태로 복귀될 시간을 갖고 있지 않다. 따라서, 피드백은 데이터 수집 시스템 보다 뒤처져 있으며, 높이 정보(수직 조정으로부터 얻어진)는 픽셀 위치에서 진정한 샘플 높이를 반영하지 않을 것이다. 각각의 픽셀 크기를 증가시켜 영상 분해능도를 감소시킴으로써 또는 스캐닝을 느리게 하고 그에 따라 당연히 데이터 수집시간을 증가시킴으로써, 픽셀 비율이 감소되어야만 한다.
이 제한의 효과를 감소시키기 위해, 피드백 시스템의 속도를 개량시키려는 시도가 이루어져 왔다. 미국특허 제6,189,374호에 게재된 한가지 접근방법은 외팔보의 운동을 z 방향으로 제공하기 위해 2개의 작동기를 사용하는 것이다. 제1작동기는 탐침 조립체를 구동하고, 상기 탐침과 일체인 제2작동기는 오직 탐침만을 운동시키도록 작동될 수 있다. 상기 제2작동기에 의해 제공된 운동 범위는 제1작동기에 의해 제공된 범위 보다 좁지만, 오직 탐침만을 구동하는데 사용되는 바와 같이 그 응답 시간이 더욱 빠르다. 이 방식으로, 팁 높이에 대한 초기 조정은 빠른 작동기를 통해 적절한 때에 이어지는 느리고 큰 조정으로 이루어진다. 그러나, 일체형 제2작동기를 갖는 자리잡은(nested) 이 피드백 루프의 사용은 성공이 제한되어 있다. 이것은 부분적으로는 조합된 피드백 시스템의 응답에 대한 해석과 이에 따른 팁의 높이의 결정에 대한 어려움에 기인한다. 이 정보가 없다면, 표면 형상(또는 다른 샘플 특성)은 정확하게 유추될 수 없다.
상술한 다이나믹 모드에서, 탐침은 전형적으로 굴곡진동(flexural oscillation)으로 구동된다. 즉, 탐침은 그 베이스에 고정되고, 외팔보는 그 고정된 포인트를 통해 횡방향 축선 주위로 굴곡된다. 이것은 고정된 포인트에 집중된 아치형 경로를 따르는 팁에 나타나며, 따라서 팁과 샘플 표면 사이에는 간헐 접촉이 이루어진다. 진동이 적기 때문에, 팁 운동은 기본적으로 수직인 것으로 간주될 수 있다.
선택적 AFM 실행은 샘플 특성의 측정값을 유도하기 위해 탐침을 상이한 진동 모드로 구동하는 것을 기초로 하고 있다. 예를 들어, 전단력 영상화에서, 탐침은 예를 들어 표면 마찰에 영향을 끼치는 전단력 또는 힘 구배 측정 처럼 탐침과 샘플 사이에서 일어나는 횡방향 힘과 관련된 정보를 추출하기 위해 표면을 가로질러 횡방향으로 진동된다.
탐침의 비틀림 진동은 US 6,945,099호 및 US 7,163,301호에 게재되어 있다. 비틀림 진동에 의해, 외팔보는 비틀림 운동을 실행하기 위해 그 길이방향 축선 주위로 진동된다. 따라서, 팁은 기본적으로 (상대적으로 작은 크기의 아치형 경로에 기인하여) 샘플의 표면을 가로질러 횡방향 운동을 실행한다. 전단력 영상화에 의해, 비틀림 운동을 통해 일어나는 횡방향 힘 상호작용은 굴곡진동을 사용하여 측정을 보충하는 물질관련 데이터를 추출하는데 사용된다.
상술한 종래기술의 AFM 시스템은 널링 시스템(nulling system) 이다. 즉, 탐침의 진동 운동이 일정하게 유지되는 것을 보장하는데만 필요하다. 탐침 높이 정보는 탐침 자체로부터가 아니라 피드백 시스템을 작동시키는 드라이버로부터 얻어진다. 이것은 추가적인 잠재적 에러소스를 도입하며, 만일 어떤 이유로 인해 널(null) 값이 일정하게 유지되지 않는다면, 그 변화는 추출된 측정값 및 그에 따른 영상을 에러로 이끌것이다.
또 다른 접근방법은 샘플 표면을 가로질러 운동할 때 탐침 팁의 높이를 직접 측정하는 것이다. 이 접근방법은 표면 높이(또는 다른 특징)의 간접 측정을 제공하기 위한 피드백 시스템의 적절한 기능에 대한 신뢰성이 없지만, 정확하게 실행하기에는 거의 적합하지 않다. 그 결과, 이 접근방법은 널리 채택되지 않는다. 직접 높이 측정의 예는 US 5,144,150호(요시즈미), EP 1 892 727호(미츠토요), EP 2 017 599호에 게재되어 있다. 이들 문헌에 게재된 현미경은 모두 탐침의 높이와 관련된 정보를 추출하기 위해 모두 간섭계를 사용하고 있다.
US 5,144,150호는 구형 렌즈, 프레즈넬 렌즈, 또는 반도체상의 패터닝의 표면과 같은 굴곡된 표면의 형상을 측정하기 위해 접촉 탐침을 사용하는 것에 대해 게재하고 있다. 이런 표면들의 측정시 문제점은 샘플 표면상에 허용될 수 없는 압력이 발휘되고, 예를 들어 탐침이 특히 높은 표면 영역을 트레이싱할 때 외팔보 비임이 굴곡된다는 점이다. 해결책은 샘플 표면이 스캐닝될 때 외팔보 비임의 굴곡이 일정하게 유지되는 것을 보장하는 것이다. 이것은 외팔보의 베이스를 이른바 옵티칼 탐침에 연결함으로써 달성된다. 옵티칼 탐침은 팁 위에서 외팔보 비임의 후방에 포커싱(focusing)된다. 만일 비임이 굴곡되면, 팁은 옵티칼 탐침의 촛점으로부터 멀리 운동하게 될 것이다. 그후 옵티칼 탐침은 팁을 그 촛점으로 복귀시키고 팁-옵티칼 탐침 분리를 보존하기 위해 물리적으로 운동하며, 이것은 외팔보가 그 본래의 굴곡 형상으로 복귀되는 것을 보장한다. 달리 말하면, 이미 서술된 종래기술에서처럼 피드백 시스템은 외팔보를 일정한 편향으로 유지하는데 사용된다. 그러나, 차이점은 샘플 높이 정보가 이 피드백 시스템으로부터 유추되지 않는다는 점이다. 따라서, 이 장치는 피드백 시스템으로부터 높이 측정의 해석 및 추출에 대한 필요성과 이로 인한 잠재적 에러 소스를 제거한다는 점에서 유익하다.
US 5,144,150호에 게재된 장치는 비교적 느리게 운동하는 탐침을 사용한 스캐닝으로 제한되어 있다. 외팔보 편향을 유지시키는 피드백 시스템은 변화에 즉시 반응할 수 없다. 따라서, 스캐닝 속도는 영상 픽셀을 수집하는데 소요된 시간이 자동촛점 피드백 시스템의 응답시간 보다 크도록 제한된다. 더구나, 간섭측정이 운동하는 탐침으로부터 도플러 주파수 시프트(shift)를 기초로 하더라도, 속도가 샘플 표면 위치를 나타낼 수 있는 한, 이 정보는 높이 정보만을 추출하는데만 유용하다. 즉, 높이는 이동된 거리가 유추될 수 있도록 탐침의 마지막 알려진 위치에 대해 세팅 시간에 측정된다. 그것은 픽셀들 사이에서 샘플 높이의 작은 변화가 발생되는 시스템에 대한 그 적용을 제한한다. 진동 운동이 급속하게 변화되는 높이로 나타나는 탐침을 감시하는 것은 적절치 않다.
상기 2개의 미츠토요 공보인 EP 1 892 727호 및 EP 2 017 599는 탐침 현미경이 작동될 수 있는 정확도 및 이에 따른 영상의 분해능도의 개량과 관련되어 있다. 이것은 간섭계를 사용하여 고정된 기준 포인트에 대한 탐침 높이의 직접 측정을 추출함으로써 달성된다. 일실시예에서, 탐침의 후방으로부터 반사된 비임은 기준 비임 및 추출된 경로 차이와 간섭된다. 이것은 스캐너에 의해 도입된 운동 에러의 문제를 극복하며, 탐칩 팁의 z방향 운동은 순수하게 샘플 표면의 형상으로부터 일어난다. 그 어떤 스캐너 에러라도 탐침이 굴곡되게 할 것이며, 이것은 직접 높이 측정에 영향을 끼칠 수 없다.
EP 1 892 727호에 게재된 시스템은 그 어떤 피드백 시스템도 사용하지 않는다. 즉, 탐침의 과도한 굴곡을 방지하기 위해 이루어지는 조정이 없다. 따라서 시스템은 매우 평탄한 표면의 스캐닝으로 제한된다.
본 출원의 우선일 이후에 2009년 1월 21일 공개된 EP 2 017 599호는 피드백이 사용되는 보다 이른 미츠토요 문헌에 게재된 장치의 전개를 게재하고 있다. 이 피드백 시스템은 일정한 힘(피드백 신호)과 탐침의 변위(높이)를 검출하기 위해 단일 센서가 사용된다는 점에서, 이미 서술한 피드백 AFM 종래기술과 관련하여 단순화되었다. 스캐닝시 탐침에는 작은 수직 고주파 진동[디더(dither)]이 부여된다. 이 진동의 진폭은 상호작용 탐침의 강도에 관한 정보를 제공한다. 따라서 간섭계에 의해 측정된 직접 높이 신호는 상기 디더로부터 유발된 고주파 성분과 중첩되는 샘플 높이 변화에 대응하는 저주파 성분을 갖는다. 상기 두개의 성분을 연속적인 신호 처리로 분리하기 위해 필터가 사용된다. 탐침의 베이스의 높이는 고주파 성분의 진폭을 일정한 값으로 유지하기 위해 조정된다. 그러나, 이 장치의 속도는 표면 높이의 그 어떤 변화에 응답하기 위해서는 피드백 시스템에 충분한 시간이 주어져야만 한다는 사실로 인해 아직까지 제한되고 있다. 즉, 디더 진폭은 영상 데이터 수집 포인트들 사이에서 미리 세팅된 값으로 복구된다. 데이터는 첫째로, 진폭 측정이 다수의 사이클(이 경우 5-10)에 대한 진동을 감시할 필요가 있기 때문에, 둘째로 진폭을 그 세팅값으로 되돌리기 위하여 z 구동 시스템에는 탐침 위치를 조정하는 시간이 주어져야만 하기 때문에, 빠른 비율로 수집될 수 없다. 더구나, 탐침 높이 정보는 디더로 인한 성분을 제거하고 탐침의 평균 높이를 나타내는 신호를 남기기 위해, 검출된 신호를 필터링함으로써 얻어진다. 따라서, 만일 탐침 높이가 탐핌의 진동 보다 짧은 타임스케일로 변화된다면, 이것은 추출된 높이 측정의 에러를 도입할 것이다. 유사하게도, 필터는 유한의 응답 시간을 가질 것이며, 이것은 출력에서 이어지는 입력에서의 변화들 사이의 타임 래그(lag)이다. 이 보다 짧은 타임스케일상의 탐침 높이 변화는 검출될 수 없으며, 추출된 높이 측정의 에러를 초래할 것이다.
US 6,952, 952호 및 US 7,152,462호는 진동 탐침이 감시되고 샘플 표면상의 특정한 에이전트(agent)를 검출하는데 사용되는 인식 현미경을 게재하고 있다. 샘플 표면상의 어떤 지역에 부착될 항체(antibody)는 탐침 팁상에 배치된다. 표면을 향한 탐침 진동 및 표면으로부터 먼 탐침 진동이 감시된다. 각각의 진동 주기에서 가장 낮은 포인트는 표면의 위치에 관한 정보를 제공하며, 가장 높은 포인트는 항체 부착의 여부에 의해 탐침이 표면과 연결되는 2개의 상태중 하나를 결정할 것이다. 이 장치는 높이를 직접 측정하진 않지만, 외팔보의 후방의 편향 또는 경사를 측정한다. 가장 낮은 편향 포인트는 샘플 표면 정보를 제공하는데 사용할 뿐만 아니라 평균 편향을 유지하기 위해 피드백 시스템으로의 입력을 제공하는데도 사용된다. 따라서, 추출된 지형 데이터는 탐침의 베이스의 위치의 콘볼루션(convolution)이며, 이것은 피드백 시스템에 의해 또한 탐침의 편향에 의해 연속적으로 조정된다. 피드백 시스템의 사용은 이 장치의 사용가능한 스캔 속도를 제한한다.
따라서 요약하면, 종래기술의 AFM 시스템은 탐침 위치조정 시스템으로부터 영상을 간접적으로 유도하기 위해 피드백 시스템에 의존하며, 따라서 이것은 스캐닝 속도를 제한하고 잠재적 에러 소스를 나타낸다. 직접 높이 측정의 사용은 드라이버의 위치와는 독립적으로 높이 정보를 유도하기 위한 잠재력을 제공한다. 그러나 지금까지, 진동 탐침을 이용하는 AFM 영상화 시스템은 피드백 시스템의 요구에 의한 영상 수집의 속도나 정확도가 제한된 상태로 잔류한다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명에 따른 탐침 검출 시스템을 갖는 원자력 현미경의 부품을 개략적으로 도시한 도면.
도2는 본 발명에 따른 제2실시예의 탐침 검출 시스템을 갖는 원자력 현미경의 부품을 개략적으로 도시한 도면.
도3은 본 발명에 사용하기 위한 간섭계 높이 검출 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도4는 본 발명에 따른 AFM 의 다이나믹 작동모드에서 진동하는 탐침 운동을 개략적으로 도시한 도면.
도5a 및 도5b는 본 발명에 따른 다른 다이나믹 영상화 모드로 작동되는 AFM에 사용하기에 적합한 탐침의 평면도 및 측면도.
도1은 본 발명에 따른 AFM(10)의 수정된 실행을 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 AFM 장치는 그 표면이 탐침(16)에 의해 조사될 샘플(14)을 수용하도록 적용된 가동형 스테이지(12)를 포함한다. 탐침(16)은 외팔보 비임(18)과, 포인트(20a)로 기울어지고 외팔보 비임(18)의 한쪽 단부를 향해 배치된 팁(20)을 포함한다. 외팔보 비임(18)의 다른쪽 단부는 장착부(22)에 의해 지지된다.
서로에 대해 3차원으로, 즉 x, y, z 방향으로 스캐닝될 수 있도록 샘플(14)[스테이지(12)와 함께] 및/또는 탐침(16)을 구동하기 위해 하나이상의 구동 모터(24, 도시않음)가 사용된다. 본 기술분야에서 통상적인 것처럼, 데카르트 좌표계의 z 축은 샘플(14)에 의해 점유된 평면에 직교하는 것으로 인식된다. 즉, 탐침(16)과 샘플(14) 사이의 상호작용 힘의 강도는 샘플(14) 위의 팁(20)의 xy 위치에 의존하며(영상화하고 있는 픽셀), 그 위의 높이에도 의존한다.
z 위치조정 시스템(24)은 팁(20)을 샘플(14)을 향해 운동시키고 또한 샘플로부터 멀어지게(z 방향) 운동시키는 압전 드라이버를 포함한다. 이 실시예에서, z 위치조정 시스템은 탐침 장착부(22)에 연결된다. 선택적으로, 이것은 샘플 스테이지에 연결될 수도 있으며, 음성 코일(voice coil) 또는 열 바이모르프 작동기와 같은 비압전식 구동 메카니즘을 포함할 수도 있다. 또한, 모터는 장착부(22)나 스테이지(12)에 또는 장착부 및 스테이지 모두에 연결되며, 샘플의 평면(x, y)에서 샘플(14)과 팁(20) 사이에 상대운동을 제공하여, 팁(20)이 래스터식으로 스캐닝되도록 또는 그렇지 않을 경우 샘플(14) 위에서 스캐닝되도록 작동될 수 있다.
오실레이터(26)는 탐침에 부착되거나 연결되며, 탐침을 화살표(27)로 도시된 바와 같이 기본적으로 수직 방향으로 구동하는 탐침의 굴곡 진동 운동을 발생시키도록 배치된다. 도1에 도시된 오실레이터(26)는 탐침의 베이스에 장착된 압전 작동기이다. 선택적으로, 이 목적에 적합한 것으로 알려진 다른 많은 구동 메카니즘중 하나가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 적절히 채택된 탐침을 갖는 자기장 또는 전기장, 탐침에 열 바이모르프의 포함, 또는 음향 여자(acoustic excitation) 등이 포함된다. 탐침 운동은 공진에서 또는 공진없이 이루어지며, 또는 간단히 표면을 향해 또는 표면으로부터 멀어지는 운동이다. 이것은 주기적으로, 거의 주기적으로, 또는 심지어 비주기적으로 이루어진다. 그러나, 이것은 탐침 팁을 샘플 표면을 향해 또는 샘플 표면으로부터 멀어지게 반복적으로 운동시키기 위한 것이다.
탐침(16)은 저질량 AFM 탐침이며, 스캐닝중 팁(20)은 샘플 표면과 매우 근접하게 된다. 하기에 상세히 서술될 탐침 검출 메카니즘(29)은 이 실시예에서는 팁(20) 위의 외팔보의 후방에서 포인트(18b)의 수직(z) 변위와 그 편향(경사)의 표시를 얻도록 배치된다. 물론, 진동의 결과로, 탐침 검출 메카니즘에 의해 제공된 그 어떤 표시라도 순간적인 감시가 될 거라는 것은 명백하다. 수직(z) 변위 및 경사는 2개의 기여 소스, 즉 탐침이 민감한 표면 특성을 반사하는, 전형적으로 표면 지형인, 제1성분과 수직 진동에 의해 기여된 높은 주파수의 제2성분으로부터 유발된다. 수직 변위와 관련된 데이터가 분석되고 디스플레이(도시않음)로 출력된다. 외팔보의 후방(18b)의 경사/편향과 관련된 정보는 z 위치조정 시스템(24)의 구동 메카니즘에 연결되는 피드백 제어기(30)에 입력된다. 피드백 제어기(30)는 그 입력 정보로부터 피드백 매개변수를 추출하고 그에 수반되는 제어 신호를 z 드라이버에 제공하도록 배치된 신호 프로세서를 포함한다.
탐침(16)은 일반적으로(AFM 인 경우) 실리콘 또는 실리콘 질화물로부터 제조되며, 종래기술과 관련하여 이미 서술한 바의 형상 및 크기로 형성된다.
샘플의 영상을 취득함에 있어서, AFM(70)은 하기와 같이 다이나믹 모드로 작동된다. 탐침(16)은 오실레이터(26)에 의해 진동 운동으로 세팅된다.
z 위치조정 시스템(24) 및 다른 드라이버를 사용하여, 먼저 샘플(14)이 팁(20)과 간헐적으로 접촉된다. 통상적으로, AFM 용어에서, 팁(20)은 원자 상호작용 힘이 반발 체제에 있을 때 샘플(14)과 접촉된다고 한다. 이 실시예에서 검출 시스템(29)이 외팔보의 진동 및 경시형 편향을 감시할 동안, 장착부(22)가 하강하여 샘플(14)을 향해 탐침(16)을 운동시킨다. 편향 진동의 진폭이 미리 결정된 레벨에 도달되었을 때, 피드백 제어기의 제어하에 있는 장착부의 운동이 정지된다. 상기 미리 결정된 진폭 레벨은 피드백 제어기(30)를 위한 셋포인트이다.
스캐닝이 진행됨에 따라, 팁(20)은 표면 높이/상호작용 힘이 변화될 때 팁(20)은 상하로 운동한다. 탐침의 진동 운동으로부터 발생된 고주파 성분은 이 표면유도된 운동에 중첩된다. 팁의 운동의 이 진동 성분의 진폭과 위상 및 주파수는 모두 오실레이터 세팅과 표면과 팁 사이의 상호작용 힘에 의존하게 될 것이다. 이와 마찬가지로, 외팔보의 경사는 샘플 표면과의 상호작용으로부터 발생되는 성분과 탐침 진동에 기인한 제2성분의 중첩이다. 제2성분의 진폭과 위상 및 주파수는 표면에 대한 탐침의 위치에 의해 영향을 받는다. 스캐닝이 진행됨에 따라, 편향의 ac 성분의 진폭이 감시된다. 그 어떤 변화라도 피드백 제어기(30)로 공급된 신호를 변화시키며, 이에 따라 z 위치조정 시스템(24)이 조정된다.
본 발명에 따른 검출 시스템(29)의 작동이 하기에 상세히 서술될 것이다. 광원(도시않음)은 대물 렌즈(78)에 의해 포커싱된 레이저 비임(76)을 외팔보의 후방(18b)으로 방출한다. 반사된 광(80a, 80b, 80c)은 렌즈(78)에 의해 수집되고, 비편광 비임분할기(82)를 향하게 된다. 도1로부터 인식할 수 있는 바와 같이, 외팔보(18b)의 순간적인 경사는 광이 반사되는 각도에 영향을 끼친다. 탐침의 한쪽 위치에서, 반사된 비임은 경로(80b)를 따른다. 그러나 만일 외팔보의 후방(18b)이 (도면에 대해)좌향으로 경사졌다면, 반사된 비임(80a)은 반시계방향으로 편향될 것이며, 우향 경사는 반사된 비임(80c)을 시계방향으로 편향시킬 것이다. 외팔보의 후방(18b)이 렌즈(78)의 촛점에 배치되거나 또는 촛점 근처에 배치되었을 때, 반사된 비임의 각 변화는 렌즈 이후의 횡방향 변위로 전환된다. 즉, 각도 경사에 관계없이, 반사된 비임(80a, 80b, 80c)은 검출 시스템의 옵티칼 축선에 평행하게 전파될 것이며, 좌향 경사는 중앙 위치에 대해 좌향 횡방향 변위를, 우향 경사는 우향 변위를 발생시킨다.
비임분할기(82)는 입사된 광의 절반(84a, 84b, 84c)을 90°로 반사시키고, 나머지 절반(86a, 86b, 86c)을 전달한다. 전달된 성분(86a, 86b, 86c)은 간섭계(88)로 입력된다. 이 간섭계의 작동은 도2를 참조하여 하기에 상세히 서술될 것이다. 요약하면, 반사된 비임(86a, 86b, 86c)은 스테이지(12)의 상부면으로부터 반사된 기준 비임과 간섭된다. 선택적으로, 스테이지 표면과의 관계가 알려진 다른 고정된 포인트가 사용될 수도 있다. 이것은 2개의 비임들 사이의 경로 차이의 측정과 이에 따른 스테이지 표면 위의 외팔보의 후방(18b)의 순간적인 높이의 표시를 제공한다. 이 데이터로부터, 표면 높이에 관한 정보가 추출되어 영상을 형성한다.
비임분할기(82)로부터 반사된 성분(84a, 84b, 84c)은 렌즈(90)에 의해 편향 검출기(28)상에 모아진다. 이 실시예에서 검출기(28)는 그 길이를 가로질러 독립적인 검출기 영역(A, B)으로 분할된다. 이들 영역으로부터 발생된 출력 신호는 2개의 채널 사이의 차이와 동일한 신호를 출력하는 차동 증폭기(92)로 입력된다. 검출기(28)는 반사된 광(80b, 84b)이 채널(A, B) 사이에 분배되도록 수집 옵틱과 정렬된다. 외팔보의 후방(18b)의 좌향 경사는 검출기(28)로부터의 신호가 채널(B)에서 증가되어 차동 증폭기(92)로부터의 출력에 이르게 한다. 역으로, 우향 경사는 채널(A)이 신호 증가를 수용하고 상기 차동 증폭기(92)에 의해 출력의 증가가 발생된다는 것을 의미한다. 탐침이 진동함에 따라, 채널(A, B) 신호들 사이의 차이는 증폭기(92)의 출력에서 시간에 따라 변하는 신호를 생산할 것이다. 이 출력 신호는 탐침의 시간에 따라 변하는 편향을 나타낸다. 따라서, 이 신호의 진폭은 탐침 진동의 진폭의 직접 표시를 제공한다. 따라서, 증폭기(92)의 출력은 피드백 제어기(30)로 공급되는 피드백 신호를 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 피드백 제어기(30)는 그 셋포인트로 진폭 신호를 유지하기 위해 z 위치조정 시스템(24)을 작동시킨다.
다른 실시예에서, 편향 검출기(28)는 탐침 진동의 위상 및/또는 주파수와 같은 다른 매개변수를 감시하기 위해 셋업된다.
또 다른 실시예에서는 편향 검출기(28)에서 평균적인 (dc) 편향이 감시된다. 편향 검출 시스템은 상술한 바와 같이 셋업된다. 탐침이 진동함에 따라, 차동 증폭기(92)로부터 출력된 신호도 진동될 것이다. 이 실시예에서는 차동 증폭기(92)와 피드백 제어기(30) 사이에 배치된 필터(도시않음)가 포함된다. 필터 매개변수는 필터 출력이 하나 이상의 진동 주기에 대해 차이 신호의 평균값에 대응하도록 형성된다. 이 평균 신호는 다수의 사이클에 대한 평균적인 탐침 위치의 표시를 제공한다.
피드백 신호와는 독립적으로 또는 외팔보의 편향과 동등하게, 표면 위의 진정한 탐침 높이는 간섭계 높이 검출 시스템에 의해 측정된다. 따라서, 편향 또는 높이의 일부 매개변수에 대한 그 효과를 통해 감시된 평균적인 탐침-샘플 상호작용을 보장하는데 피드백 시스템이 사용된다.
검출 시스템의 광(76)이 외팔보의 후방(18b)에 포커싱되는 것이 중요하다. 이 이유로 인해, z 위치조정 시스템도 대물 렌즈(78)에 연결되고, 만일 탐침(16)이 상승하거나 하강하면 렌즈(78)가 동일한 양으로 상승하거나 하강하도록 배치된다. 다른 실시예에서, 대물 렌즈(78)는 팁으로부터 예상되는 운동 범위 보다 큰 촛점 깊이를 갖도록 선택된다. 따라서, 팁(20)에 대한 물체의 위치를 조정할 필요가 없다.
또 다른 실시예에서, (x, y) 스캐닝 구동 메카니즘(도면에는 도시않음) 및 z 위치조정 시스템(24)은 압전식이 아닌 적절한 구동 수단으로 대체될 수 있다. 드라이버는 샘플 스테이지(12), 탐침 장착부(22), 또는 이들의 조합물에 부착된다.
상술한 검출 시스템(29)은 외팔보(18)의 편향을 측정하는 다른 공지의 수단과 통합된다. 예를 들어, 탐침은 일체형 압전저항 센서와 일체로 형성된다. 외팔보의 높이를 측정하는데 사용된 것과 유사한 높이 검출 시스템이 편향을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 외팔보의 베이스의 높이에 대한 팁(20)의 높이를 측정하기 위해 간섭계가 사용된다.
피드백을 위해 또 다른 매개변수를 사용하도록 셋업된 검출 시스템(32)의 실시예가 도2에 도시되어 있다. 이 도면에서, 도1에 도시된 시스템과 공통인 부품들은 유사한 도면부호가 부여되었다. 이 실시예에서, 탐침 편향은 검출되지 않으며, 따라서 검출 시스템(32)은 편향 검출기(28) 및 관련된 옵티칼 요소(82, 90, 92)를 포함하지 않는다. 탐침으로부터 반사된 모든 광(80b)은 간섭계(88)로 전달된다. 반사된 비임(80b)과 기준 비임 사이에는 간섭 패턴이 다시 발생된다. 간섭 신호는 경로 차이를 제공하기 위해 처리되며, 이것은 스테이지 표면 위의 외팔보의 후방의 높이를 나타낸다. 이 높이 신호는 탐침의 진동을 통해 발생되는 진동 성분을 보유할 것이다. 높이 신호의 이들 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수는 탐침 높이의 간섭계 측정으로부터 추출되며, 베이스 피드백에 대한 매개변수로서 사용된다. 만일 예를 들어 진폭이 사용된다면, 진동의 진폭은 단순히 진동 주파수에서 높이 변화의 진폭이 될 것이다. 선택적으로, 정점-정점 진폭은 각각의 진동 주기중 최대 높이 측정값과 최소 높이 측정값 사이의 차이로부터 추출될 수도 있다.
어떤 피드백 시스템이 실행되더라도, 중요한 것은 선택된 피드백 매개변수의 평균값이 그 셋포인트에서 피드백 시스템에 의해 유지된다는 점이다. 셋포인트 값이 각각의 픽셀 위치에 대해 설정되도록 피드백을 실행할 필요는 없다. 피드백 매개변수는 각각의 픽셀 진동 사이클중 추출되지만, 다음 측정이 추출되기 전에 피드백 널 위치에 도달될 필요는 없다. 탐침 운동이 유지되는 평균값은 전형적으로 다수의 탐침 진동 사이클에 대해 유도된다.
이 실시예에 사용된 광원은 레이저 소스이지만, 다른 소스도 사용될 수 있다. 간섭 검출을 위해, 광은 간섭계의 특성에 의해 요구되는 정도의 간섭성이어야 한다.
도3에는 도1에 도시된 바와 같은 검출 시스템(29)의 제1실시예의 옵티칼 성분을 상세히 도시하고 있다. 레이저 소스(100)로부터의 광은 제2비임분할기(102)에 의해 입사 비임(76)과 기준 비임(104)으로 분할된다. 입사 비임(76)은 대물 렌즈(78)에 의해 외팔보의 후방(18b)에 포커싱된다. 외팔보로부터의 반사후, 비임(80)은 제1비임분할기(82)에 의해 분할된다. 상술한 바와 같이, 제1성분(84)은 편향 검출기(90, 28, 92)로 지향되고, 제2성분(86)은 간섭계(88)로 지향된다.
간섭계의 내부에서, 외팔보(18b)로부터 반사된 비임(86)은 비임분할기(106)에 의해 분할된다. 기준 비임(104)은 적절히 위치된 역반사체(retroreflector)(108)상에 지향된 후 비임분할기(106)로 지향된다. 상기 역반사체(108)는 샘플의 수직(z) 위치에 대해 고정된 옵티칼 경로 길이를 제공하도록 정렬된다. 비임분할기(106)는 에너지 흡수 코팅을 가지며, ∼90°의 상대 위상 시프트를 갖는 제1 및 제2간섭그림을 생산하기 위해 입사 비임(86) 및 기준 비임(104)으로 분할된다. 2개의 간섭그림은 제1광검출기(112) 및 제2광검출기(114)에서 각각 검출된다.
이상적으로, 광검출기 신호는 90°의 위상 차이를 갖는 상보적인(complementary) 사인 및 코사인 신호이다. 또한, 이들은 dc 오프셋을 갖지 않고, 동일한 진폭을 가지며, 외팔보의 위치 및 레이저의 파장(λ)에만 의존한다. 공지의 방법은 직각 위상에서 동일한 진폭을 가지며 완벽하게 조화되지 않은 2개의 광검출기 신호로 인해 발생되는 에러의 보정을 결정하고 이를 적용하기 위해 옵티칼 경로 차이를 변화시킬 동안, 광검출기(112, 114)의 출력을 감시하는데 사용된다. 이와 유사하게, dc 오프셋 레벨도 본 기술분야에 공지된 방법으로 수정된다.
상기 광검출기 신호는 전용 하드웨어로서 또는 프로그램된 컴퓨터로서 제공되는 종래의 간섭계 가역 프린지 카운팅 장치 및 프린지 재분할(subdividing) 장치에 사용하기에 적합하다. 직각 위상 프린지 카운팅 장치는 외팔보의 위치에서 변위를 λ/8 의 정확도로, 즉 532 nm 광에 대해 66nm 로 측정할 수 있다. 신호의 아크 탄젠트를 기초로 하는 공지의 재분할 기술은 나노미터 정도의 개량된 정확도를 허용한다.
2개의 일관된 비임들 사이의 경로 차이를 추출하는 간섭계 방법은 본 기술분야에 널리 공지되어 있으므로, 이에 대해서는 더 이상 서술하지 않는다.
상술한 실시예에서, 기준 비임은 샘플의 z 위치에 대해 고정된 옵티칼 경로 길이를 갖도록 배치된다. 따라서, 이것은 샘플이 장착되는 스테이지의 표면으로부터 반사되거나 또는 상술한 바와 같이 그 위치가 스테이지의 표면에 링크된 역반사체로부터 반사된다. 기준 경로 길이는 탐침으로부터 반사된 비임에 의해 이어지는 경로의 길이 보다 길거나 짧다. 선택적으로, 반사기 및 샘플 z 위치 사이의 관계는 고정될 필요가 없다. 이런 실시예에서, 기준 비임은 고정된 포인트로부터 반사되며, 상기 고정된 포인트는 샘플의 z 위치와의 공지의(그러나 변하는) 관계를 갖는다. 따라서, 팁의 높이는 간섭계로 측정된 경로 차이와 고정된 포인트에 대한 샘플의 z 위치로부터 추정된다.
여기에 서술된 간섭계는 호모다인 시스템중 하나의 예이다. 서술된 특정 시스템은 본 출원에 많은 장점을 제공한다. 2개의 직각 위상 간섭그림을 사용하면 다수의 프린지에 대한, 또한 이에 따른 넓은 변위 범위에 대해 외팔보 변위의 측정을 가능하게 한다. 비임 분할기(106)상의 위상-시프팅 코팅을 사용하면 예를 들어 광 비임이 외팔보로부터 반사될 때의 편광 변화로부터 발생되는 편광 효과에 대해 간섭계를 둔감하게 한다. 이들 원리를 기초로 하는 간섭계의 실시예가 US 6,678,056호에 게재되어 있다. 옵티칼 경로 길이의 변화를 측정할 수 있는 다른 간섭계 시스템도 본 발명에 사용될 수 있다. 적절한 호모다인 편광 간섭계가 EP 1 892 727호에 게재되어 있으며, 적절한 헤테로다인 간섭계가 상술의 US 5,144,150호에 게재되어 있다.
상술한 탐침 현미경은 피드백에 의해 부여된 제한을 초과하는 스캐닝 속도로 작동될 수 있음이 명백하다. 검출 시스템에 의해 추출된 높이 정보는 탐침의 진정한 순간 높이를 나타낸다. 이것은 팁에 대한 탐침의 베이스의 위치, 즉 편향과는 독립적이다. 따라서, 스캐닝 과정중 편향(또는 다른 피드백 매개변수)이 대략 그 평균값으로의 변화가 허용되더라도, 이것은 간섭계에 의한 높이 측정과는 분리되어 있다.
도4에는 샘플 표면과의 간헐 접촉시 탐침의 운동이 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 탐침 운동을 예시적으로 도시한 것이다. 탐침에 부여된 운동에 따라, 어느 정도는 탐침과 샘플 표면 사이의 상호작용에 따라 많은 파형이 뒤따른다. 전형적으로, 탐침 진동은 사인파형을 따를 것이다.
검출 시스템(29, 32)에 의해 추출된 높이 정보는 탐침의 높이와 관련하여 정확한 정보를 보유하고 있지만, 이것은 유용한 정보를 얻기 위해 샘플 표면의 특징과 관련되어야만 하는 것을 인식해야 한다. 이론적으로는 도4로부터 각각의 진동 사이클의 가장 낮은 포인트가 표면의 진정한 높이를 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, 데이터 처리 시스템은 탐침 진동의 각각의 주기에 대해 가장 낮은 높이 측정값을 찾을 수 있도록 셋업되며, 그후 이것은 영상을 형성하는데 사용될 수 있는 측정값을 제공하도록 출력된다. 즉, 각각의 진동 사이클에서 가장 낮은 포인트는 샘플 표면의 위치를 나타낸다. 신호의 고주파 진동 성분상의 다른 포인트도 샘플 표면 위치의 의미있는 표시를 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 진동 사이클의 하부 절반중 최소 속도의 포인트는 데이터 처리 시스템에 의해 추출된다. 만일 순응성 표면을 영상화한다면, 탐침 속도 또는 높이 신호의 등가 변화율은 펴면과 만나 표면을 변형시킬 때 떨어질 것이다. 이 경우, 샘플 높이의 측정값은 탐침 높이의 변화율의 변화가 감시되는 각각의 높이 진동의 포인트로부터 추출된다.
표면의 위치를 결정하는 이 방법은 고주파 디더 진동으로부터 저주파 샘플 높이 변화를 분리하기 위해 필터를 사용하는 EP 2 017 599호에 게재된 것 보다 훨씬 정확하다. 이 디콘볼루션(deconvolution) 작동은 고주파 신호가 중첩되는 평균 저주파 신호를 추출한다. 그러나, 이것은 표면 높이의 진정한 측정이 아니며, 이것은 고속 스캐닝에서 부정확을 유발할 수 있으며, 또는 널 피드백 배개변수에 에러가 도입된 경우 그 값의 변화를 초래한다. 여과된 평균 신호가 샘플 높이의 정확한 표시를 제공할 수 있도록, 피드백 매개변수는 측정 위치들 사이에서 그 널 값으로 복귀되어야만 한다. 탐침 높이는 샘플 높이와 디더 진동의 진폭의 총합이다. 만일 디더 진동의 진폭이 변화된다면, 샘플 표면에 대한 탐침의 평균 위치도 변할 것이다. 즉, 표면 높이의 실제 변화없이 새로운 탐침 위치가 감시될 것이다. 이 에러를 피하기 위해, 피드백 매개변수가 그 널 값으로 유지되어야만 한다. 따라서 정확한 데이터 수집을 위해, 시스템은 피드백 시스템의 에러를 최소화하여 고속 스캐닝에서의 작동을 배제하기 위한 조정 시간을 가져야만 한다. 또한, 만일 스캐닝의 속도가 샘플 높이가 탐침의 진동 보다 짧은 타임스케일로 변하거나 또는 실제로 필터 응답 보다 짧은 타임스케일이라면, 이 변화는 종래기술의 시스템에 의해서는 측정될 수 없으며, 실제로 샘플 높이 측정에 에러를 도입하게 된다.
필요한 처리 능력을 제공하기 위해 필드 프로그램가능한 게이트 어레이(FPGA)가 형성된다. 다이나믹 모드에서, AFM 탐침 진동 주파수는 전형적으로 약 40 kHz 내지 400 kHz 이다. 본 발명에 따라 셋업된 현미경에서, 데이터 기록을 위한 샘플링 주파수는 40 MHz 범위 이다. 따라서, 탐침 진동의 각각의 사이클은 최소 높이를 정확하게 결정하기에 충분한 100 내지 1000배의 영역에서 샘플링된다. 각각의 탐침 진동 사이클에서 표면에 가장 가까운 접근 포인트는 기준 경로 길이가 탐침으로부터 반사된 비임의 경로 길이 보다 각각 짧거나 긴 여부에 따라, 가장 긴 또는 가장 짧은 경로 차이인 간섭계 데이터로부터 추출된다.
본 발명에는 다른 데이터 처리 시스템이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 샘플 및 유지 회로 또는 고속 디지탈 신호 프로세서도 필요로 하는 신호 처리 능력을 제공할 수 있다.
상기 100 내지 1000 의 오버샘플링 비율은 정확도의 상당한 손실없이 감소된다. 그러나 명확히, 샘플링 주파수는 의미있는 데이터를 추출할 수 있도록 탐침이 진동하는 주파수 보다 이상적으로는 10 배 이상 높아야 한다.
도5a 및 도5b에는 본 발명에 따라 선택적인 다이나믹 모드에서 작동되는 AFM 에 사용하기 적합한 T 형상 탐침(40)이 도시되어 있다. 도5a는 평면도이고, 도5b는 측면도이다. 탐침(40)은 베이스(44)로부터 자유단부(46)까지 신장되는 길이방향 아암(42)을 갖는 외팔보를 포함한다. 횡단 바아(48)는 자유단부(46)에서 아암(42)을 가로질러 횡방향으로 신장되어, T 형상을 형성한다. 팁(50)은 비대칭으로 배치되며, 횡단 바아(48)에 의해 지지된다.
T 형상 탐침은 종래기술에 공지되어 있으며, AFM 다이나믹 모드에서 굴곡되어 구동된다. 그 형상은 샘플의 물질 특성과 관련된 데이터를 추출하는데 특히 유용하도록 형성된다.
본 발명에 따른 AFM 의 실시예에서, 탐침(40)은 비틀려서 진동된다. 즉, 탐침(40)은 그 길이방향 아암(42) 주위에서 공진 또는 공진에 가깝게 진동된다. 이렇게 하여, 오프셋 팁(50)은 표면을 향해 또한 표면으로부터 멀어지게 수직으로 운동하여, 그것과 간헐 접촉을 이루게 하는 작을 아크를 기술한다. 따라서 사용시, 스캐닝을 시작하기 위해 표면을 향해 피드백 셋포인트로 운동하는 탐침(40)에는 비틀림 진동이 설정된다. 그후, 탐침은 팁의 위치에서 감시되며, 팁 위치 및 운동과 관련된 데이터는 도1 내지 도4에 도시된 실시예를 참조하여 서술된 바와 동일한 방법으로 추출된다.
도5의 팁(50)은 횡단 바아(48)의 우측에 도시되어 있지만, 좌측으로 동일하게 오프셋될 수 있다. 주어진 현재의 탐침 제조 오차상 최소한의 오프셋 길이는 3㎛ 이다. 선택적으로, 탐침은 T 형상이 아닐 수도 있으며, 오프셋 팁을 갖는 직사각형일 수도 있다.
비틀림 진동에 의해 설정된 간헐 접촉 모드는 고속 현미경 스캐닝에 사용되었을 때 다른 모드에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 비틀림 공진은 굴곡 공진 보다 높은 주파수에서 이루어진다. 이상적으로, 비틀림 진동 주파수는 약 0.5 내지 1 MHz 이고, 굴곡 탄성계수는 0.5 내지 2 Nm-1 이다. 이것은 표면이 샘플링되는 비율이 비틀림 작동 보다 높다는 것을 의미한다. 따라서, 이것은 스캐닝 속도를 증가시키거나 분해능도를 개량하는데 사용될 수 있다. 다이나믹 영상화에서 만나게 되는 다른 문제점은 가끔 피드백 시스템의 큰 에러가 샘플-탐침 베이스 분리시 에러를 수용하기 위해 굴곡 벤딩(편향)이 증가될 때 표면에 적용되는 큰 힘으로 나타난다는 점이다. 다이나믹 진동을 제공하기 위해 비틀림 진동 모드의 사용은 다이나믹 기능의 손실없이 굴곡 벤딩의 경도가 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 적용된 표면 힘상의 에러의 효과를 교시한다.
14: 샘플 16: 탐침
18: 외팔보 20: 팁
22: 장착부 26: 오실레이터
30: 피드백 제어기

Claims (40)

  1. 스캐닝 탐침 현미경에 사용하기 위한 검출 시스템에 있어서,
    샘플 표면에 반복적으로 접근하는 진동하는 탐침을 조사하는 비임을 발생시키기 위한 광원과,
    탐침으로부터 반사된 광과 높이 기준 비임 사이의 경로 차이를 검출하고 이 경로 차이를 나타내는 높이 신호를 출력하도록 배치된 간섭계와,
    높이 신호를 감시하고 탐침의 높이를 나타내는 각각의 진동 사이클을 위한 측정값을 유도하도록 배치된 신호 처리장치를 포함하며,
    상기 탐침은 베이스 및 자유단부를 갖는 외팔보를 포함하고, 상기 자유단부는 예리한 팁을 지지하고,
    상기 신호 처리장치는 미리 결정된 측정 기준을 만족시키는 각각의 진동 사이클내의 위치로부터 데이터를 추출하도록 배치되고,
    상기 각각의 사이클내의 위치는 극단적인 경로 차이에 있는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 사이클내의 위치는 경로 차이에서 최소한의 변화율인 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 추출된 데이터는 샘플 표면의 영상을 구성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 높이 신호가 샘플링되는 비율은 탐침 진동 주파수의 적어도 10배인 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 높이 신호는 탐침 진동 주파수 보다 큰 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리장치는 탐침을 표면 위의 세팅된 평균 높이로 복귀시키는데 사용하기 위해 높이 신호로부터 피드백 신호를 추출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 탐침으로부터 반사된 광의 성분을 수용하도록 배치되는 제2검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2검출기는 상기 수용된 성분으로부터 피드백 신호를 추출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 시스템은 탐침으로부터 반사된 광을 2개의 성분으로 분리시키도록 배치되는 비임분할기를 포함하며, 상기 2개의 성분중 하나는 간섭계로 입력되고 나머지 하나는 제2검출기로 입력되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제2검출기는 탐침으로부터 반사된 광과 제2높이 기준 비임 사이의 경로 차이를 검출하고 이 경로 차이를 나타내는 제2높이 신호를 출력하도록 배치된 간섭계이며, 상기 제2높이 신호로부터 피드백 신호를 추출하기 위해 제2신호 처리장치가 배치되고, 상기 피드백 신호는 탐침 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수에 관한 정보를 기초로 하는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 제2검출기는 편향 검출기이고, 그 출력은 피드백 신호를 추출하기 위해 제2신호 처리장치에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
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  25. 제1항에 있어서, 상기 높이 기준 비임은 고정된 기준 포인트로부터의 반사에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
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  30. 샘플과 탐침 사이의 상호작용에 따라 샘플을 영상화하기 위한 스캐닝 탐침 현미경에 있어서,
    탐침과 샘플 표면 사이에 상대운동을 제공하도록 배치된 구동 수단과,
    탐침을 샘플 표면에 직교하는 방향으로 진동시키는 오실레이터와, 청구항 제1항에 따른 탐침 검출 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  31. 제30항에 있어서, 상기 탐침은 0.5 내지 2 Nm-1 범위의 탄성계수를 갖는 외팔보를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  32. 제30항에 있어서, 상기 오실레이터는 탐침을 굴곡 운동으로 구동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  33. 제30항에 있어서, 팁은 탐침의 길이방향 축선으로부터 오프셋되며, 상기 오실레이터는 탐침을 그 길이방향 축선 주위로 비틀림 진동으로 구동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  34. 제33항에 있어서, 상기 탐침은 T 형상인 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  35. 삭제
  36. 제30항에 있어서, 상기 구동 수단은 샘플 표면에 평행한 평면에서 탐침과 샘플 표면 사이에 상대운동을 제공하도록 배치되는 xy 스캐너와, 상기 샘플 표면에 직교하는 방향으로 상대운동을 제공하도록 배치되는 z 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  37. 제36항에 있어서, 상기 현미경은 z 드라이버와 통합되고 상기 검출 시스템에 의해 발생되는 정보를 기초로 하여 작동가능한 피드백 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
  38. 삭제
  39. 삭제
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