KR101794549B1 - Tip structure of electrical resonance mode scanning probe microspoe for large-area image obtaining and the manufacturing method of this - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 층을 형성하는 커패시터에 복수의 탐침이 배열된 팁 어레이를 포함하여, 대면적 표면 이미지의 획득이 가능하도록 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tip structure of an electro-resonant mode scanning probe microscope for large area image acquisition, which enables the acquisition of a large-area surface image, including a tip array in which a plurality of probes are arranged in a capacitor forming a plurality of layers, And a manufacturing method thereof.

Description

대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법{TIP STRUCTURE OF ELECTRICAL RESONANCE MODE SCANNING PROBE MICROSPOE FOR LARGE-AREA IMAGE OBTAINING AND THE MANUFACTURING METHOD OF THIS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for acquiring a large area image, and a method of manufacturing the tip structure.

본 발명은 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적 표면 이미지의 획득이 가능하도록 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electric resonance mode scanning probe for large area image acquisition, To a tip structure of a microscope and a manufacturing method thereof.

등록특허 제10-1133932호의 "에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경"과, 공개특허 제10-2014-0147589호의 "주사 탐침 현미경 및 그의 구동 방법"에 기재된 바와 같은 원자힘 현미경(Atomic force microscope, AFM)은 일반적으로, 캔틸레버(cantilever)와 팁(tip)으로 이루어진 1개의 탐침을 이용하여 표면지형(topography)을 이미지화시키는 기술이다.A high-speed scanning probe microscope using an eddy current measurement method "of Patent No. 10-1133932 and an atomic force microscope as described in" A scanning probe microscope and its driving method "of Japanese Patent Laid-Open No. 10-2014-0147589, AFM) is a technique for imaging a surface topography using one probe consisting of a cantilever and a tip.

표면의 지형을 얻는 방법으로는 접촉식 방식(contact mode)과 비접촉식 방식(non-contact mode)으로 크게 구분될 수 있다.The surface topography can be roughly divided into contact mode and non-contact mode.

우선, 접촉식 방식에서는 탐침의 휘어짐(deflection)에 의하여, 비접촉식 방식에서는 기계적 진동을 준 상태에서의 진폭 변화를 광학계를 이용하여 정량적으로 얻을 수 있으며, 이런 원리를 바탕으로 수nm의 해상도를 가지고 최대 수십 ㎛2의 면적을 한 번에 이미지화시킬 수 있다.First, in the contact-type method, the change of the amplitude in the state of mechanical vibration can be quantitatively obtained by the optical system by the deflection of the probe. In the non-contact type method, based on this principle, An area of several tens of 탆 2 can be imaged at one time.

원자힘 현미경 기술의 발전은 표면지형을 이미지화하는 것을 넘어서 표면의 전기적, 자기적, 기계적 특성을 분석하는 기술들이 개발되었다.Advances in atomic force microscopy techniques have developed techniques for analyzing the electrical, magnetic, and mechanical properties of surfaces beyond imaging the surface topography.

또한, 주사탐침을 이용한 나노패터닝(nano patterning) 기술이 IBM에서 처음 선보인 이후 주사탐침 현미경의 패터닝 기술도 그 발전을 같이 해왔다. In addition, since nano patterning technology using scanning probes first appeared in IBM, patterning technology for scanning probe microscopy has also been developed.

원자힘 현미경은 연구적인 측면에서는 매우 의미 있고 저변이 확대되어 있는 기술이지만 산업적인 측면에서는 점차 사용이 어려운 기술로 분류되고 있다.Atomic force microscopy is a technology that is very meaningful and expanding in terms of research but it is classified as a technology that is increasingly difficult to use from an industrial point of view.

왜냐하면, 원자힘 현미경은 단일탐침을 이용하기 때문에 최대 수십 μm2의 면적만을 이미지화 또는 패터닝할 수 있는 속도적인 한계가 존재하기 때문이다.Because the atomic force microscope uses a single probe, there is a speed limit to image or pattern only the area of up to several tens of μm 2.

이런 한계를 극복하기 위해서 2000년대 초반에 미 스탠포드 대학과 IBM을 중심으로 기존의 캔틸레버/팁 구조를 이용한 대면적 이미징 기술이 추진되었다.In order to overcome these limitations, large area imaging technology using conventional cantilever / tip structure was promoted in the early 2000s mainly at Stanford University and IBM.

2000년 IBM 연구팀은 1,024개의 탐침을 제작하여 대면적 표면 이미징 기술의 가능성을 보였지만, 기술적 및 비용적 측면에서 성공적으로 개발되지 못하였다.In 2000, the IBM research team produced 1,024 probes, showing the potential of large area surface imaging technology, but it was not successfully developed in terms of both technical and cost.

이에 따라 최근에는 탐침의 스캔 속도를 높여 처리량을 증대시키는 연구들이 진행되고 있지만, 스캔 속도를 높이는 것만으로 수 cm2 면적의 표면지형을 이미지화기에는 어려움이 있다.Recently, studies have been made to increase the throughput by increasing the scan speed of the probe, but it is difficult to image the surface topography of several cm 2 by merely increasing the scan speed.

반면에 패터닝 기술은 대면적 리소그래피(lithography)를 위한 다수의 팁이 병렬 구조(parallelism)를 가지는 기술이 개발되어 많은 성공적인 연구결과가 보고되었다.On the other hand, many successful research results have been reported in the patterning technique, in which a technique in which a plurality of tips for large-scale lithography have parallelism is developed.

본 발명자들도 캔틸레버가 없는 실리콘 팁 어레이 기술 개발에 성공했다(Nature, 469, 516, 2011).The present inventors have also succeeded in developing a cantilever-free silicon tip array technology ( Nature , 469 , 516, 2011).

패터닝은 새로운 기술적 접근으로 속도의 한계를 극복하였지만 이미징 기술의 경우 이를 근본적으로 해결하기 위한 패러다임 변화가 전무한 상태이다.Patterning has overcome the limitations of speed with a new technological approach, but in the case of imaging technology, there is no paradigm shift to fundamentally solve it.

등록특허 제10-1133932호Patent No. 10-1133932 공개특허 제10-2014-0147589호Published Japanese Patent Application No. 10-2014-0147589

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 대면적의 표면 이미지 획득이 가능하도록 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition and a method of manufacturing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 정전용량의 변화를 나타내는 커패시터(capacitor); 및 상기 커패시터 상에 배열되는 복수의 탐침으로 이루어진 팁 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체를 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a capacitor; And a tip array composed of a plurality of probes arranged on the capacitor. The tip structure of the resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image can be provided.

여기서, 상기 팁 어레이는 표면지형(topography)에 따른 상기 정전용량의 변화를 유도하는 것을 특징으로 한다.Wherein the tip array induces a change in capacitance due to surface topography.

이때, 상기 커패시터는, 제1 전극층과, 상기 제1 전극층 상에 형성되는 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되는 제2 전극층을 포함하며, 상기 팁 어레이는 상기 제2 전극층 상에 배열되는 것을 특징으로 한다.Here, the capacitor includes a first electrode layer, a dielectric layer formed on the first electrode layer, and a second electrode layer formed on the dielectric layer, and the tip array is arranged on the second electrode layer do.

그리고, 상기 유전체층을 형성하는 유전체는 탄성중합체인 것을 특징으로 한다.The dielectric forming the dielectric layer is an elastomer.

또한, 상기 제1 전극층과 상기 유전체층과 상기 제2 전극층은 동일하거나 다른 두께인 것을 특징으로 한다.The first electrode layer, the dielectric layer, and the second electrode layer may have the same or different thicknesses.

한편, 본 발명은, 일정 면적을 형성하며 표면지형(topography)을 인식하는 팁 어레이를 포함하며, 상기 팁 어레이는 정전용량 변화로 표면을 이미지화하는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체를 제공할 수도 있을 것이다.On the other hand, the present invention comprises a tip array forming a constant area and recognizing the surface topography, wherein the tip array images the surface with a capacitance change, the electrical resonance mode scan The tip structure of the probe microscope may be provided.

또한, 본 발명은, 복수의 층을 형성하는 커패시터를 제작하는 제1 단계; 및 상기 커패시터 상에 복수의 탐침을 배열하여 팁 어레이를 형성하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법을 제공할 수도 있음은 물론이다.The present invention also provides a method of manufacturing a capacitor, comprising: a first step of fabricating a capacitor forming a plurality of layers; And a second step of arranging a plurality of probes on the capacitor to form a tip array. It is of course possible to provide a method of manufacturing a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for acquiring a large area image to be.

여기서, 상기 제1 단계는, 금속재를 진공 열증착(thermal evaporation)하여 일정 두께의 제1 전극층을 형성하는 과정과, 상기 제1 전극층 위에 유전체인 탄성중합체로써 일정 두께의 유전체층을 형성하는 과정과, 상기 유전체층 위에 금속재를 진공 열증착하여 일정 두께의 제2 전극층을 형성하는 과정을 포함하며, 상기 팁 어레이는 상기 제2 전극층이 형성된 후 상기 제2 전극층 위에 형성되는 것을 특징으로 한다.The first step may include forming a first electrode layer having a predetermined thickness by vacuum evaporation of a metallic material, forming a dielectric layer having a predetermined thickness from the elastomer as a dielectric on the first electrode layer, And forming a second electrode layer having a predetermined thickness by vacuum depositing a metal material on the dielectric layer, wherein the tip array is formed on the second electrode layer after the second electrode layer is formed.

이때, 상기 제1 전극층과 상기 유전체층과 상기 제2 전극층은 동일하거나 다른 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.Here, the first electrode layer, the dielectric layer, and the second electrode layer may have the same or different thickness.

그리고, 상기 유전체층을 형성하는 유전체는 탄성중합체인 것을 특징으로 한다.The dielectric forming the dielectric layer is an elastomer.

그리고, 상기 탄성중합체의 스프링 계수는 1N/m 이하인 것을 특징으로 한다.The spring constant of the elastomer is 1 N / m or less.

그리고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 상기 금속재를 진공 열증착함에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The first electrode layer and the second electrode layer are formed by vacuum deposition of the metallic material.

그리고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 금을 일정 두께로 진공 열증착하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The first electrode layer and the second electrode layer are formed by vacuum thermal deposition of gold to a predetermined thickness.

그리고, 상기 제1 전극층은, 유리 기판상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하는 과정과, 상기 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착하는 과정을 포함하며, 상기 탄성중합체는 상기 금 위에 스핀코팅(spin coating)됨으로써 상기 유전체층이 형성되는 것을 특징으로 한다.The first electrode layer may be formed by vacuum depositing chromium to a thickness of 1 to 10 nm on a glass substrate and subjecting the chromium to vacuum thermal deposition of gold to a thickness of 50 to 200 nm, And the dielectric layer is formed by spin coating on gold.

그리고, 상기 제2 전극층은, 상기 유전체층상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하는 과정과, 상기 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착하는 과정을 포함하며, 상기 팁 어레이는 상기 금 위에 형성되는 것을 특징으로 한다.The second electrode layer may be formed by vacuum depositing chromium to a thickness of 1 to 10 nm on the dielectric layer and subjecting the chromium to vacuum thermal deposition of gold to a thickness of 50 to 200 nm, And is formed on the gold.

또한, 상기 제2 단계는, 상기 커패시터상에 실리콘층을 형성하는 과정과, 상기 복수의 탐침에 대응하는 형상의 캐비티가 형성된 소프트 스템프를 상기 실리콘층과 대면되게 배치하는 과정과, 상기 캐비티에 KOH 에칭액을 공급하여 습식 에칭함으로써 상기 복수의 탐침이 형성되는 것을 특징으로 한다.The second step may include forming a silicon layer on the capacitor, disposing a soft stamp having a cavity having a shape corresponding to the plurality of probes so as to face the silicon layer, And the plurality of probes are formed by supplying an etchant and performing wet etching.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the following effects can be achieved.

우선, 본 발명은 복수의 층을 형성하는 커패시터에 복수의 탐침이 배열된 팁 어레이를 포함한 실시예로부터, 기존의 캔틸레버와 팁으로 이루어진 원자힘 현미경에 비하여 대면적의 표면 이미지의 획득이 가능하게 된다.First, the present invention makes it possible to acquire a large-area surface image in comparison with an atomic force microscope consisting of a conventional cantilever and a tip, from an embodiment including a tip array in which a plurality of probes are arranged in a capacitor forming a plurality of layers .

특히, 본 발명은 기존의 원자힘 현미경과 비교할 때 캔틸레버를 없애고 커패시터에 복수의 탐침을 배열한 팁 어레이와의 협력에 의하여 표면 이미지를 얻을 수 있도록 함으로써, 장치 전체의 컴팩트화 구현과 함께 더욱 넓은 면적의 표면 이미지를 확실하고 정확하게 얻을 수 있게 될 것이다.Particularly, the present invention can obtain a surface image by cooperating with a tip array in which a cantilever is eliminated and a plurality of probes are arranged in a capacitor in comparison with a conventional atomic force microscope, It will be possible to obtain a clear and accurate surface image.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체를 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조 방법을 도시한 플로우 차트
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조 방법을 순차적으로 도시한 개념도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 전자 현미경 사진
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터(100)의 정전용량 변화 감지를 위하여 제작된 공진회로의 개념도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터 중 유전체층의 스프링 계수와 영의 계수를 표시한 그래프
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터를 공진회로에 연결하여 측정한 값을 그래프로 나타낸 그래프
1 is a conceptual view showing a tip structure of an electro-resonant mode scanning probe microscope for acquiring a large-area image according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image according to an embodiment of the present invention
3 to 6 are conceptual diagrams sequentially illustrating a method of manufacturing a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image according to an embodiment of the present invention
FIG. 7 is an electron micrograph of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition according to an embodiment of the present invention
FIG. 8 is a conceptual diagram of a resonance circuit fabricated for sensing a capacitance change of a capacitor 100, which is a main part of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the spring coefficient and the Young's modulus of the dielectric layer among the capacitors which are the main part of the tip structure of the resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition according to the embodiment of the present invention
FIG. 10 is a graph showing a graph of values measured by connecting a capacitor, which is a main part of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition according to an embodiment of the present invention,

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various other forms.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is thoroughly disclosed and that those skilled in the art will fully understand the scope of the present invention.

그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well known components, well known operations, and well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, throughout the specification, like reference numerals refer to like elements, and the terms (mentioned) used herein are intended to illustrate the embodiments and not to limit the invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise, and the constituents and acts referred to as " comprising (or comprising) " do not exclude the presence or addition of one or more other constituents and actions .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless they are defined.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체를 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual view showing a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for acquiring a large area image according to an embodiment of the present invention.

그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조 방법을 도시한 플로우 차트이며, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조 방법을 순차적으로 도시한 개념도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a tip structure of an electro-resonant mode scanning probe microscope for acquiring a large-area image according to an embodiment of the present invention. FIGS. 3 to 6 illustrate an embodiment of the present invention FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a method of manufacturing a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition according to an embodiment of the present invention.

그리고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 전자 현미경 사진이다.7 is an electron micrograph of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터(100)의 정전용량 변화 감지를 위하여 제작된 공진회로의 개념도이다.FIG. 8 is a conceptual diagram of a resonance circuit fabricated for sensing a capacitance change of a capacitor 100, which is a main part of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for acquiring a large area image according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터(100) 중 유전체층(130)의 스프링 계수와 영의 계수를 표시한 그래프이다.9 is a graph showing the spring coefficient and the zero coefficient of the dielectric layer 130 of the capacitor 100, which is the main part of the tip structure of the resonance mode scanning probe microscope for obtaining a large area image according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터를 공진회로에 연결하여 측정한 값을 그래프로 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing a graph of values measured by connecting a capacitor, which is a main part of a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition according to an embodiment of the present invention, to a resonance circuit.

본 발명은 도 1과 같이, 일정 면적을 형성하며 표면지형(topography)에 따른 정전용량의 변화를 유도하는 팁 어레이(200)를 포함하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 1, the present invention includes a tip array 200 that forms a certain area and induces a change in capacitance due to surface topography.

팁 어레이(200)는 정전용량의 변화가 가능한 커패시터(100, capacitor) 상에 배열되는 복수의 탐침(201)으로 이루어진 것이며, 팁 어레이(200)로 유도되는 정전용량의 변화에 의하여 표면을 이미지화하게 된다.The tip array 200 is formed of a plurality of probes 201 arranged on a capacitor 100 capable of changing a capacitance and is configured to image the surface by a change in capacitance induced in the tip array 200 do.

다시말해, 표면의 이미지화는 커패시터(100)의 정전용량 변화에 의하여 이루어지게 된다.In other words, the imaging of the surface is effected by the capacitance change of the capacitor 100.

따라서, 본 발명은 기존의 캔틸레버와 팁으로 이루어진 원자힘 현미경에 비하여 대면적의 표면 이미지의 획득이 가능하게 된다.Therefore, the present invention can acquire a surface image of a large area as compared with an atomic force microscope comprising a conventional cantilever and a tip.

특히, 본 발명은 기존의 원자힘 현미경과 비교할 때 캔틸레버를 없애고 커패시터에 복수의 탐침을 배열한 팁 어레이와의 협력에 의하여 표면 이미지를 얻을 수 있도록 함으로써, 장치 전체의 컴팩트화 구현과 함께 더욱 넓은 면적의 표면 이미지를 확실하고 정확하게 얻을 수 있게 될 것이다.Particularly, the present invention can obtain a surface image by cooperating with a tip array in which a cantilever is eliminated and a plurality of probes are arranged in a capacitor in comparison with a conventional atomic force microscope, It will be possible to obtain a clear and accurate surface image.

본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or scope of the invention.

우선, 커패시터(100)는, 제1 전극층(110)과, 제1 전극층(110) 상에 형성되는 유전체층(130)과, 유전체층(130) 상에 형성되는 제2 전극층(120)을 포함한다.First, the capacitor 100 includes a first electrode layer 110, a dielectric layer 130 formed on the first electrode layer 110, and a second electrode layer 120 formed on the dielectric layer 130.

여기서, 팁 어레이(200)는 제2 전극층(120) 상에 배열되는 것을 알 수 있다.Here, it can be seen that the tip array 200 is arranged on the second electrode layer 120.

이때, 제1 전극층(110)은 유리 기판(300) 상에 형성될 수 있다.At this time, the first electrode layer 110 may be formed on the glass substrate 300.

그리고, 유전체층(130)을 형성하는 유전체는 탄성중합체일 수 있으며, 탄성중합체는 스프링 계수가 1N/m 이하인 것이 바람직하다.The dielectric forming the dielectric layer 130 may be an elastomer, and the elastomer preferably has a spring coefficient of 1 N / m or less.

또한, 탄성중합체의 스프링 계수는 영의 계수(Young's modulus)와 비례하므로, 영의 계수가 큰 PDMS를 탄성중합체로 사용한 기존의 기술에 비하여 영의 계수가 PDMS보다 훨씬 작은 ecoflex와 같은 생분해성 합성수지를 이용한다.In addition, since the spring coefficient of the elastomer is proportional to the Young's modulus, the biodegradable synthetic resin such as the ecoflex having a Young's modulus much smaller than that of the PDMS, compared with the existing technology using PDMS as the elastomer having a large Young's modulus .

또한, 제1 전극층(110)과 유전체층(130)과 제2 전극층(120)은 동일하거나 다른 두께로 형성될 수 있다.The first electrode layer 110, the dielectric layer 130, and the second electrode layer 120 may have the same or different thicknesses.

따라서, 본 발명은 제2 전극층(120) 상에 배열된 팁 어레이(200)를 구성하는 복수의 탐침(201) 중 임의의 탐침(201)들이 눌려지면, 유전체층(130)의 두께가 변화하게 되며, 이때의 정전용량 변화를 이용하여 표면지형의 이미징이 이루어지게 되는 것이다.Accordingly, when any of the probes 201 constituting the tip array 200 arranged on the second electrode layer 120 is pressed, the thickness of the dielectric layer 130 is changed , And the surface topography is imaged using the capacitance change at this time.

한편, 본 발명은 도 2와 함께 도 3 내지 도 6과 같이 복수의 층을 형성하는 커패시터(100)를 제작하는 제1 단계(S1)와, 커패시터(100) 상에 복수의 탐침(201)을 배열하여 팁 어레이(200)를 형성하는 제2 단계(S2)를 포함하여 제조될 수 있다.3 through 6, the present invention includes a first step S1 of fabricating a capacitor 100 forming a plurality of layers, a second step S1 of forming a plurality of probes 201 on the capacitor 100, And a second step (S2) of arranging the tip array (200).

여기서, 제1 단계(S1)는, 금속재를 진공 열증착(thermal evaporation)하여 일정 두께의 제1 전극층(110)을 형성하는 과정과, 제1 전극층(110) 위에 유전체인 탄성중합체로써 일정 두께의 유전체층(130)을 형성하는 과정과, 유전체층(130) 위에 금속재를 진공 열증착하여 일정 두께의 제2 전극층(120)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.The first step S1 includes the steps of forming a first electrode layer 110 having a predetermined thickness by vacuum evaporation of a metal material and forming a second electrode layer 110 having a predetermined thickness A process of forming the dielectric layer 130 and a process of vacuum depositing a metal material on the dielectric layer 130 to form the second electrode layer 120 having a predetermined thickness.

이때, 팁 어레이(200)는 제2 전극층(120)이 형성된 후 제2 전극층(120) 위에 형성될 수 있을 것이다.At this time, the tip array 200 may be formed on the second electrode layer 120 after the second electrode layer 120 is formed.

제1 전극층(110)은 전술한 바와 같이 유리 기판(300) 상에 형성될 수 있으며, 제1 전극층(110)과 유전체층(130)과 제2 전극층(120)은 동일하거나 다른 두께로 형성된다.The first electrode layer 110 may be formed on the glass substrate 300 as described above and the first electrode layer 110 and the dielectric layer 130 and the second electrode layer 120 may have the same or different thicknesses.

한편, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 금속재를 진공 열증착함에 의하여 형성될 수 있으며, 구체적으로는 금을 일정 두께로 진공 열증착하여 형성될 수 있다.The first electrode layer 110 and the second electrode layer 120 may be formed by vacuum evaporation of a metal material. Specifically, the first electrode layer 110 and the second electrode layer 120 may be formed by vacuum thermal deposition of gold to a predetermined thickness.

제1 전극층(110)은, 구체적으로 살펴보면, 도 3과 같이 유리 기판(300)상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하고, 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착함으로써 형성될 수 있다.As shown in FIG. 3, the first electrode layer 110 may be formed by vacuum-depositing chromium in a thickness of 1 to 10 nm on a glass substrate 300 by vacuum thermal evaporation and depositing gold in a thickness of 50 to 200 nm on chromium have.

그리고, 탄성중합체로 이루어진 유전체층(130)은 도 4와 같이 금 위에 스핀코팅(spin coating)됨으로써 형성될 수 있다.The dielectric layer 130 made of an elastomer may be formed by spin coating on gold as shown in FIG.

여기서, 스핀코팅 조건은 100rpm에서 30초간 실시되었으며, 스핀코팅된 탄성중합체는 상온에서 24시간 동안 경화되어 유전체층이 형성되었다.Here, the spin coating was carried out at 100 rpm for 30 seconds, and the spin-coated elastomer was cured at room temperature for 24 hours to form a dielectric layer.

아울러, 제2 전극층(120)은, 도 5와 같이 유전체층(130)상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하고, 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착함으로써 형성될 수 있다.5, the second electrode layer 120 may be formed by vacuum-depositing chromium in a thickness of 1 to 10 nm on the dielectric layer 130 by vacuum thermal evaporation and depositing gold in a thickness of 50 to 200 nm on chromium by vacuum thermal deposition.

이후, 실리콘 재질의 탐침으로 이루어진 팁 어레이(200)는 기존의 방식대로(Nature, 469, 516, 2011) KOH 에칭액을 이용한 습식 에칭을 통하여 금 위에 도 6과 같이 형성되는 것이다.Thereafter, the tip array 200 made of a probe made of a silicon material is formed as shown in FIG. 6 on gold through wet etching using a KOH etchant in a conventional manner ( Nature , 469 , 516, 2011).

따라서, 본 발명은 팁 어레이(200)가 배열된 커패시터(100)는 전술한 바와 같은 제1 단계(S1)를 통하여 전체적으로 전극/유전체/전극의 형태로 형성되어 고감도 커패시터의 구현이 가능하게 된다.Accordingly, the present invention enables the capacitor 100 in which the tip array 200 is arranged to be formed in the form of an electrode / dielectric / electrode as a whole through the first step S1 as described above, thereby realizing a high-sensitivity capacitor.

표면지형에 의하여 변하는 정전용량(capacitance)은 후술할 공진회로(resonant circuit)를 통해 감지하여 대면적 표면 이미지를 획득할 수 있게 되는 것이다.The capacitance, which is changed by the surface topography, can be detected through a resonant circuit to be described later to obtain a large-sized surface image.

이렇게 제작된 커패시터(100)의 유전체층(130)의 스프링 계수(spring constant)를 다음과 같은 방식으로 측정하였다.The spring constant of the dielectric layer 130 of the manufactured capacitor 100 was measured in the following manner.

본 발명에서는 기존의 원자힘 현미경의 구동방식과 유사한 방식으로 대면적 이미징을 구현하고자 한다.In the present invention, large-area imaging is implemented in a manner similar to that of a conventional atomic force microscope.

접촉식 방식의 원자힘 현미경은 일반적으로 스프링 계수가 1 N/m 이하의 값을 가지는 캔틸레버를 이용하여 표면지형을 얻는다.A contact-type atomic force microscope usually obtains a surface topography using a cantilever with a spring coefficient of 1 N / m or less.

전술한 1 N/m 이하의 스프링 계수는, 캔틸레버의 휘어짐이 표면변화에 민감해야하고 또한 접촉시의 시료표면을 손상시키지 않기 위해서 필수적인 조건이다.The above-mentioned spring coefficient of 1 N / m or less is an essential condition for the warping of the cantilever to be sensitive to surface changes and not to damage the sample surface at the time of contact.

탄성중합체인 유전체층(130)은 탐침 구조에서 캔틸레버의 역할을 대신하게 된다. 따라서, 캔틸레버가 없는 본 발명의 구조에서는 유전체층(130)의 스프링 계수도 1 N/m 이하로 조절되는 것이 선행과제이다.The dielectric layer 130, which is an elastomer, replaces the role of a cantilever in the probe structure. Therefore, in the structure of the present invention without the cantilever, the spring coefficient of the dielectric layer 130 is adjusted to 1 N / m or less.

탄성중합체의 스프링 계수는 영의 계수(Young’s modulus)와 비례한다는 것이 선행연구로 보고되었다(Nano Lett., 16(9), 1666).The spring coefficient of the elastomer is proportional to the Young's modulus ( Nano Lett. , 16 (9) , 1666).

기존의 팁 구조체는 영의 계수가 큰 PDMS를 탄성중합체로 사용하여 1 N/m 이하의 스프링 계수를 가지기 어렵다.The conventional tip structure is difficult to have a spring coefficient of 1 N / m or less by using PDMS having a large Young's modulus as an elastic polymer.

이런 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 PDMS보다 영의 계수가 훨씬 작은 ecoflex를 이용하여 팁 어레이(200)를 제작하였다.In order to solve this problem, the tip array 200 is fabricated using ecoflex having a much smaller zero coefficient than PDMS.

스프링 계수의 측정은 원자힘 현미경(XE-150 ppl, Park Systems)을 이용하여 측정하였다.The spring coefficient was measured using an atomic force microscope (XE-150 ppl, Park Systems).

캔틸레버만 있는 탐침(TL-CONT, Nanosensors)을 이용하여 팁 어레이(200)를 압입(indentation)하고 포토다이오드(Position-sensitive photodiode, PSPD) 신호 변화를 측정하였다.The tip array 200 was indentated using a cantilever-only probe (TL-CONT, Nanosensors) and the change in position-sensitive photodiode (PSPD) signal was measured.

신호 변화는 두 가지 방식(이하의 (a) 및 (b) 참조)으로 스프링 계수로 환산하였다.The signal changes were converted into spring coefficients in two ways (see (a) and (b) below).

(a)첫 번째 방식은 원자힘 현미경의 포토다이오드 신호를 압입한 힘으로 변환하여 스프링 계수를 구하였다.(a) In the first method, the photodiode signal of the atomic force microscope was converted into a force to obtain a spring coefficient.

원자힘 현미경에서 캔틸레버로 압입한 경우의 힘은

Figure 112016027288817-pat00001
이다.The force when indented by a cantilever in an atomic force microscope
Figure 112016027288817-pat00001
to be.

여기서,

Figure 112016027288817-pat00002
는 캔틸레버의 휘어짐 정도이고,
Figure 112016027288817-pat00003
는 캔틸레버의 스프링 계수이다.here,
Figure 112016027288817-pat00002
Is the degree of bending of the cantilever,
Figure 112016027288817-pat00003
Is the spring coefficient of the cantilever.

이때,

Figure 112016027288817-pat00004
로 구할 수 있으며,
Figure 112016027288817-pat00005
는 포토다이오드에서 읽어내는 전압 변화량이고,
Figure 112016027288817-pat00006
는 민감도(sensitivity)로 특정 포토다이오드 신호 변화가 나타나기 위해서 실제로 캔틸레버가 변형된 길이다.At this time,
Figure 112016027288817-pat00004
And,
Figure 112016027288817-pat00005
Is a voltage variation amount read from the photodiode,
Figure 112016027288817-pat00006
Is a path where the cantilever is actually deformed to show a certain photodiode signal change due to its sensitivity.

민감도는 단단한 샘플을 AFM으로 눌렀을 때 나오는 전압변화량 그래프의 기울기로 구할 수 있다.Sensitivity can be determined by the slope of the graph of the voltage change when a hard sample is pressed by the AFM.

또한, 힘을 전체 시스템에서 계산하면

Figure 112016027288817-pat00007
임을 알 수 있다.Further, when the force is calculated in the entire system
Figure 112016027288817-pat00007
.

캔틸레버와 팁 구조체는 모두 스프링이기 때문에 가해지는 힘은 마찬가지로 후크의 법칙(Hooke’s law)에 따른다.Since both the cantilever and the tip structure are springs, the force applied is also in accordance with Hooke's law.

구한 힘은 시스템의 스프링 계수(

Figure 112016027288817-pat00008
)로 나타낼 수 있으며, 시스템의 변형은 원자힘 현미경의 스캐너의 이동거리에 대응된다.The obtained force is the spring coefficient of the system
Figure 112016027288817-pat00008
), And the deformation of the system corresponds to the moving distance of the scanner of the atomic force microscope.

따라서, 두 식을 이용해 팁 구조체의 스프링 계수를 구할 수 있다.Therefore, the spring coefficient of the tip structure can be obtained using the two equations.

(b) 두 번째 방식은 신호를 힘을 변환하지 않고, 신호를 직접적으로 스프링 계수로 환산하는 방법이다.(b) The second method is to directly convert the signal into a spring coefficient without converting the signal to force.

이를 위해 두 번의 연속적인 압입 실험을 수행해야 한다.To do this, two successive indentation experiments must be performed.

첫번째 압입은 캔틸레버로 단단한 표면(실리콘)에 누르면서 나타나는 전압변화를 측정하게 된다.The first indentation measures the change in voltage as it is pressed against a hard surface (silicon) with a cantilever.

Figure 112016027288817-pat00009
을 눌리는 표면의 스프링 계수라고 정의하고,
Figure 112016027288817-pat00010
를 캔틸레버의 스프링 계수라고 하면, 첫 번째 실험에서 측정되는 시스템의 스프링 계수는
Figure 112016027288817-pat00011
이기 때문에
Figure 112016027288817-pat00012
이다.
Figure 112016027288817-pat00009
Is defined as the spring coefficient of the surface to be pressed,
Figure 112016027288817-pat00010
And the spring coefficient of the cantilever, the spring coefficient of the system measured in the first experiment is
Figure 112016027288817-pat00011
Because
Figure 112016027288817-pat00012
to be.

두번째 압입은 측정하고자 하는 팁 구조체를 캔틸레버로 누르고 스프링 계수를 측정하는 것이다.The second indentation is to press the tip structure to be measured with the cantilever and measure the spring coefficient.

두번째 압입에서 측정되는 스프링 계수는

Figure 112016027288817-pat00013
이며, 측정되는 전압 변화는
Figure 112016027288817-pat00014
이고 캔틸레버의 변형은
Figure 112016027288817-pat00015
이다.The spring coefficient measured at the second indentation is
Figure 112016027288817-pat00013
, And the measured voltage change is
Figure 112016027288817-pat00014
And the deformation of the cantilever
Figure 112016027288817-pat00015
to be.

이를 적용하게 되면, 첫 번째 실험에서 전압변화는

Figure 112016027288817-pat00016
이고, 두 번째 실험에서는
Figure 112016027288817-pat00017
임을 알 수 있다.Applying this, the voltage change in the first experiment
Figure 112016027288817-pat00016
, And in the second experiment
Figure 112016027288817-pat00017
.

여기서, 변수 D는 전술한 변수 S와 동일한 것으로, 캔틸레버가 휘어질 때 포토다이오드의 신호변화 정도를 나타낸다.Here, the variable D is the same as the variable S described above, and indicates the degree of signal change of the photodiode when the cantilever is bent.

동일한 전압변화 지점을 정하여서 두 식을 나누어주면, 구하고자 하는 팁 구조체의 스프링 계수는

Figure 112016027288817-pat00018
로 구할 수 있다.The spring constant of the tip structure to be obtained is given by
Figure 112016027288817-pat00018
.

원자힘 현미경은 일반적으로 탐침과 시료 표면에 존재하는 원자간의 인력 및 척력을 감지하여 표면 지형을 얻는다.The atomic force microscope generally detects the attraction and repulsion between the probe and the atoms present on the surface of the sample to obtain the surface topography.

인력 및 척력의 변화는 캔틸레버의 구부림 정도를 광학적인 신호변화를 통해 얻을 수 있으며, 광학적인 신호는 포토다이오드를 이용하여 정량화가 가능함은 전술한 바와 같다.The change in attraction and repulsion can be obtained by optical signal change of the degree of bending of the cantilever, and the optical signal can be quantified by using a photodiode as described above.

본 발명에서는 캔틸레버가 없는 구조를 이용하기 때문에 다른 방식의 표면지형 이미지화 기술이 필요하므로, 전술한 바와 같은 제조방법에 의하여 제작된 고감도의 커패시터(100)의 정전용량 변화를 이용하여 표면지형을 얻고자 한다.In the present invention, since a structure having no cantilever is used, another type of surface topography imaging technology is required. Therefore, in order to obtain a surface topography by using the capacitance change of the high-sensitivity capacitor 100 manufactured by the above- do.

캔틸레버를 이용한 표면 이미지화 기술은 일반적으로 기계적 진동을 이용하며, 캔틸레버는 공진주파수(

Figure 112016027288817-pat00019
) 근처에서 기계적으로 진동되는 상태로 구동되는데, 캔틸레버가 표면 근처에서는 표면 원자의 인력 및 척력에 의하여 유효스프링 계수(
Figure 112016027288817-pat00020
, effective spring constant)가 변화한다.Surface imaging technology using cantilevers generally uses mechanical vibration, while cantilevers use resonance frequency
Figure 112016027288817-pat00019
The cantilever is driven near the surface by the attraction force of the surface atoms and the repulsive force,
Figure 112016027288817-pat00020
, effective spring constant) changes.

따라서, 공진주파수도 옮겨지고 처음과 다른 진폭으로 진동되는 것이다.Therefore, the resonant frequency is also shifted and oscillated at a different amplitude from the first.

여기서, 진폭의 변화는 광학적 신호로 정량화되어 표면지형으로 변환된다.Here, the change in amplitude is quantified as an optical signal and converted into a surface topography.

본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버가 없는 커패시터(100) 및 팁 어레이(200)를 포함한 구조에서도 진동구조를 모사했다.The structure including the capacitor 100 without a cantilever and the tip array 200 according to an embodiment of the present invention also simulates the vibration structure.

전기적 신호는 공진주파수(

Figure 112016027288817-pat00021
) 근처에서 인가하며, 인덕터(1008LS-104XJL, Coilcraft)는 고정한 상태에서 커패시터(100)에 의해서 정전용량의 변화면 공진주파수가 옮겨지고, 이에 따라 전압의 진폭이 변한다.The electrical signal is the resonant frequency (
Figure 112016027288817-pat00021
And the inductor (1008LS-104XJL, Coilcraft) is fixed, the resonance frequency of the change surface of the capacitance is shifted by the capacitor 100, and the amplitude of the voltage is changed accordingly.

진폭의 변화는 전압계(Agilent 33220A, Agilent)로 측정되었다.The change in amplitude was measured with a voltmeter (Agilent 33220A, Agilent).

이때, 전술한 바와 같은 제조 방법에 의하여 제조된 팁 구조체는 외부의 인덕터와 연결함으로 LC 소자를 구성하게 된다.At this time, the tip structure manufactured by the above-described manufacturing method is connected to an external inductor to constitute an LC element.

다음으로, 표면지형의 높이 변화를 감지하기 위해서는 정전용량 변화를 감지해야 한다.Next, in order to detect the change in the height of the surface topography, the capacitance change must be detected.

감지해야 하는 정전용량의 변화는 수십 펨토페럿 수준으로 이를 상용화된 LCR 미터로 측정할 경우 수십 초의 측정시간이 필요한 문제점이 있다.The change in the capacitance to be sensed is several tens of femtofertes, which is a problem that requires a measurement time of several tens of seconds when it is measured with a commercially available LCR meter.

따라서 고속, 고정밀 측정을 위해서 도 8과 같은 공진회로(400)를 구성하되, 공진회로(400)의 고정밀성은 LC 공진회로의 반사계수가 미세한 정전용량 변화에 지수 함수적으로(exponentially) 변하는 성질에 기인하며, 고속 측정은 최종속도가 회로의 저주파 통과 필터에 의해 결정되기 때문이다.Therefore, the high-precision and high-accuracy measurement of the resonance circuit 400 is performed in a manner that the reflection coefficient of the LC resonance circuit changes exponentially with the minute capacitance change. And the high speed measurement is because the final speed is determined by the low pass filter of the circuit.

발진기(410, AFG 3252C function generator, Tektronix)는 제작된 LC 소자에 1~240MHz의 주파수를 가진 RF(radio frequency)를 인가한다.The oscillator 410 (AFG 3252C function generator, Tektronix) applies a radio frequency (RF) having a frequency of 1 to 240 MHz to the fabricated LC device.

RF 파워 스플리터(RF power splitter)를 이용하여 발진기와 동일한 주파수를 가지는 RF를 RF 믹서(420, ZP-3MH+, Mini-circuit)에 연결하여 믹서의 표준주파수로 이용하였다.An RF mixer (420, ZP-3MH +, Mini-circuit) was used as a standard frequency of the mixer by using an RF power splitter and RF having the same frequency as the oscillator.

발진기(410)에서 인가된 RF 전력은 방향 커플러(430, ZEDC-15-2B, Mini-circuit)를 사용하여 공진회로(400)로 주입된다.The RF power applied from the oscillator 410 is injected into the resonant circuit 400 using a directional coupler 430, ZEDC-15-2B, Mini-circuit.

방향 커플러(430)는 입력 전력과 LC 소자에서 반사된 전력을 각기 다른 케이블로 나누는 역할을 하며, 측정부(440)에서는 입력부의 변화에 의한 잡음이 없이 반사전력의 변화만을 민감하게 측정할 수 있다.The directional coupler 430 divides the input power and the power reflected by the LC element into different cables. In the measuring unit 440, only the change in the reflected power can be sensitively measured without noise due to the change of the input unit .

입사된 RF 전력의 일부는 소자의 임피던스에 따라 반사되며 이때의 반사계수는

Figure 112016027288817-pat00022
이다.A part of the incident RF power is reflected according to the impedance of the device.
Figure 112016027288817-pat00022
to be.

여기서,

Figure 112016027288817-pat00023
는 반사계수, Z는 소자의 임피던스,
Figure 112016027288817-pat00024
는 특성임피던스(50Ω)를 각각 나타낸다.here,
Figure 112016027288817-pat00023
Is the reflection coefficient, Z is the impedance of the element,
Figure 112016027288817-pat00024
Represents a characteristic impedance (50?).

일반적으로, 펨토페럿의 정전용량은 RF 주파수 영역에서 매우 높은 임피던스를 가지므로 반사계수는 1로 수렴하므로, 민감한 측정이 불가능하다.In general, since the capacitance of the femtoplekt has a very high impedance in the RF frequency domain, the reflection coefficient converges to 1, so that a sensitive measurement is impossible.

그러나, 외부 인덕터(450)를 추가하면, 특정주파수에서 소자의 임피던스가

Figure 112016027288817-pat00025
에 가까운 값으로 변환된다.However, by adding an external inductor 450, the impedance of the device at a particular frequency
Figure 112016027288817-pat00025
Quot ;.

이때, 반사된 RF 전력은 RF 믹서(420)에 전달되어 DC 전력으로 변조되고, 발진기(410)의 주파수와 반사된 전력을 곱하여 5MHz의 저주파 통과 필터(460, BLP-1.9+, Mini-circuit)를 통과시키면, RF 전력에 비례하는 DC 전압신호를 얻을 수 있었다.At this time, the reflected RF power is transmitted to the RF mixer 420 and is modulated by DC power. The RF power is multiplied by the frequency of the oscillator 410 and the reflected power to generate a low-pass filter 460 (BLP-1.9 +, Mini-circuit) , A DC voltage signal proportional to the RF power was obtained.

다음으로, 팁 구조체의 스프링 계수를 측정하기 전에 Ecoflex 제품의 영률을 확인하는 실험을 우선적으로 진행하였다.Next, prior to measuring the spring constant of the tip structure, the experiment to check the Young's modulus of the Ecoflex product was given priority.

Ecoflex gel, Ecoflex-0010, Ecoflex-0020, Ecoflex-0050으로 영의 계수를 나노인덴테이션(nano indentation)으로 측정하였다.The Young's modulus was measured by nanoindentation with Ecoflex gel, Ecoflex-0010, Ecoflex-0020 and Ecoflex-0050.

상대적인 비교를 위해서 PDMS도 측정되었고, 도 9와 같이 Ecoflex의 영률은 PDMS보다 2~10배 이상 낮음을 확인하였다.PDMS was also measured for relative comparison, and it was confirmed that the Young's modulus of Ecoflex was 2 to 10 times lower than that of PDMS as shown in FIG.

확인된 영률을 바탕으로 Ecoflex를 탄성중합체로 만든 커패시터(100) 중 유전체층(130)의 스프링 계수를 측정하였다.Based on the identified Young's modulus, the spring coefficient of the dielectric layer 130 of the capacitor 100 made of an elastomer was measured.

유전체층(130)의 스프링 계수를 측정은 팁이 없는 캔틸레버(TL-CONT, Nanosensors)를 AFM(XE-150 ppl, Park systems)에 장착하여 측정을 진행하였다.The spring coefficient of the dielectric layer 130 was measured by mounting a tipless cantilever (TL-CONT, Nanosensors) on an AFM (XE-150 ppl, Park systems).

캔틸레버의 스프링 계수는 0.2 N/m이고 민감도 S는 8.765 V/μm로 구해졌다.The spring coefficient of the cantilever was 0.2 N / m and the sensitivity S was found to be 8.765 V / μm.

커패시터(100)상에 배열된 복수의 탐침(201)들 중에서 임의로 10개 이상을 선택하여 스프링 계수가 측정되었다.More than ten arbitrary probes 201 selected from the plurality of probes 201 arranged on the capacitor 100 were selected and the spring coefficients were measured.

모든 탐침(201)이 동일한 실험조건에서 진행되도록, 동일한 힘으로 압입하는 방식으로 진행되었고, 다시 동일한 탐침(201)을 누르더라도 실험결과에 차이가 나지 않았다.All of the probes 201 proceeded under the same force so that they proceed under the same experimental conditions. Even if the probe 201 was pressed again, there was no difference in the experimental results.

이런 조건하에서 탄성중합체인 ecoflex를 이용한 커패시터(100) 및 팁 어레이(200)의 스프링 계수가 1 N/m 이하로 조절되는 것을 확인하였다.Under these conditions, it was confirmed that the spring coefficient of the capacitor 100 and the tip array 200 using the ecoflex, which is an elastomer, was adjusted to 1 N / m or less.

도 9를 참조하면, Ecoflex gel을 이용한 유전체층(130)의 스프링 계수는 0.65~0.67N/m, Ecoflex-0010은 0.69 N/m, Ecoflex-0020은 0.85 N/m 그리고 Ecoflex-0050은 0.87 N/m 값을 가진다.9, the spring coefficient of the dielectric layer 130 using Ecoflex gel is 0.65 to 0.67 N / m, Ecoflex-0010 is 0.69 N / m, Ecoflex-0020 is 0.85 N / m and Ecoflex- m. < / RTI >

모든 종류의 ecoflex를 이용한 유전체층(130)의 스프링 계수가 1 N/m 이하이고 두 가지 측정식과는 거의 동일한 값을 가지므로, 두 가지 측정방법 모두 타당한 측정방법임을 알 수 있다.Since the spring coefficient of the dielectric layer 130 using all types of ecoflex is less than 1 N / m and both measurement equations are almost the same, both methods are valid measurement methods.

따라서 본 발명의 커패시터(100)는 접촉식 원자힘 현미경과 유사한 감도를 가질 수 있음을 확인할 수 있다.Thus, it can be seen that the capacitor 100 of the present invention can have a sensitivity similar to that of a contact atomic force microscope.

Ecoflex를 유전체층(130)으로 하는 커패시터(100) 및 팁 어레이(200)는 AFM에 장착하여 제작된 공진회로에 연결했다.The capacitor 100 and the tip array 200 using Ecoflex as the dielectric layer 130 were connected to the resonance circuit mounted on the AFM.

참고로, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 중 주요부인 커패시터(100)를 공진회로에 연결하여 측정한 값을 그래프로 나타낸 것으로, 도 10(a)는 공진회로에 연결하여 측정된 압력에 따른 공진주파수의 변화를, 도 10(b)는 고정된 인가 주파수에서 탐지된 압력값의 변화를 각각 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing a measured value of a capacitor 100, which is a main part of a tip structure of an electrical resonance mode scanning probe microscope for acquiring a large area image, connected to a resonance circuit, according to an embodiment of the present invention. 10 (a) is a graph showing changes in the resonance frequency depending on the measured pressure in connection with the resonance circuit, and FIG. 10 (b) is a graph showing changes in the pressure value detected at the fixed applied frequency.

제작된 LC 소자의 공진주파수를 확인하기 위해서 도 10(a)와 같이 1~240MHz 범위 주파수 스윕(frequnecy sweep)을 이용하여 공진주파수를 확인하였다.In order to confirm the resonance frequency of the fabricated LC device, the resonance frequency was confirmed using a frequnecy sweep in the range of 1 to 240 MHz as shown in FIG. 10 (a).

압력이 커질수록 정전용량이 증가하여 공진주파수는 왼쪽으로 이동하게 되며 이에 따라 신호가 변화하는 것을 확인할 수 있었다.As the pressure increases, the capacitance increases and the resonant frequency shifts to the left.

제작된 LC 소자는 47.5MHz에서 공진주파수를 갖는 것을 확인하여 인가 주파수는 50MHz를 이용했다.It was confirmed that the fabricated LC element had a resonance frequency at 47.5 MHz, and the applied frequency was 50 MHz.

주파수를 50MHz로 고정된 상태에서 압력을 주었을 때 변화하는 신호를 측정하였다.증가하는 압력에 따라 신호 변화가 도 10(b)와 같이 수십 mV씩 변화하여 민감한 측정이 가능함을 확인하였다.The signal changes when the pressure is fixed with the frequency fixed at 50 MHz is measured. It is confirmed that the signal change according to the increasing pressure changes by tens of mV as shown in FIG. 10 (b), and the sensitive measurement is possible.

보다 더 정밀한 측정을 위해서는 높은 Q인자(quality factor)를 구현해야 한다.For more precise measurements, a higher Q factor should be implemented.

왜냐하면, 회로의 정전용량과 전기저항을 최소화하기 위하여 최종적으로는 모든 소자가 통합된 On-chip형 공진회로를 제작해야 하기 때문이다.This is because, in order to minimize the capacitance and the electric resistance of the circuit, finally, an on-chip type resonance circuit integrated with all elements must be fabricated.

또한, 복수의 탐침(201)들을 동시에 측정하는 다중화 기술의 구현도 요구된다.In addition, it is also required to implement a multiplexing technique for measuring a plurality of probes 201 simultaneously.

다중화 기술을 위해서는, 사용하는 인덕터의 값을 다르게 하여 복수의 탐침(201) 각각의 공진주파수를 조절하는 원리를 이용한다.For the multiplexing technique, the principle of adjusting the resonance frequency of each of the plurality of probes 201 by changing the value of the inductor used is used.

서로 다른 공진주파수를 가지는 여러 개의 탐침(201)이 존재할 경우 멀티톤 발진기 또는 임의파형 출력 발전기를 사용하여 RF 전력을 인가하여 여러 탐침(201)들을 동시에 구동할 수 있는 것이다.When there are a plurality of probes 201 having different resonance frequencies, a plurality of probes 201 can be simultaneously driven by applying RF power using a multitone oscillator or an arbitrary waveform output generator.

이러한 원리를 이용하면 단일 탐침(201)의 측정을 넘어서 복수의 탐침(201)들의 신호를 측정하여 대면적 표면지형 이미지화가 가능하게 되는 것이다.By using this principle, signals of a plurality of probes 201 can be measured beyond the measurement of the single probe 201, thereby making it possible to form a large-area surface topography image.

따라서, 본 발명자들은 ecoflex를 이용한 팁 구조체의 스프링 계수가 1N/m 이하로 조절됨을 확인하였다.Therefore, the present inventors confirmed that the spring coefficient of the tip structure using the ecoflex was adjusted to 1 N / m or less.

Ecoflex 종류에 따라 0.6~0.9 N/m의 스프링 계수를 가지는 팁 구조체를 만드는데 성공하였다.We succeeded in fabricating a tip structure with a spring coefficient of 0.6 to 0.9 N / m depending on the type of Ecoflex.

이를 이용해 압력에 따른 팁 구조체의 정전용량 변화를 측정하였고, 정전용량 변화는 수십 펨토페럿의 값을 가져서 이를 탐지하기 위한 공진회로를 설계하였음은 전술한 바와 같다.The change in the capacitance of the tip structure due to the pressure was measured using the same, and the change in capacitance was several tens of femtofoters, so that a resonance circuit was designed to detect the capacitance.

설계한 공진회로를 이용해 압력에 따른 전압변화가 측정되어 커패시턴스 변화를 통한 이미징이 가능하다는 것을 확인하였다.It was confirmed that the voltage change due to the pressure was measured using the designed resonance circuit, and the imaging through the capacitance change was possible.

대면적 이미징을 구현하기 위해서는 보다 향상된 Q인자를 가지는 공진회로와 다중화 기술 구현이 필수적이다.In order to realize large-area imaging, it is essential to implement a resonant circuit and a multiplexing technique with improved Q factor.

이상과 같이 본 발명은 대면적의 표면 이미지 획득이 가능하도록 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체 및 이것의 제조방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, it is understood that the present invention provides a tip structure of an electric resonance mode scanning probe microscope for large area image acquisition and a method of manufacturing the same, which enables a surface image of a large area to be obtained.

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.It will be apparent to those skilled in the art that many other modifications and applications are possible within the scope of the basic technical idea of the present invention.

100...커패시터
110...제1 전극층
120...제2 전극층
130...유전체층
200...팁 어레이
201...복수의 탐침
300...유리 기판
400...공진회로
410...발진기
420...RF 믹서
430...방향 커플러
440...측정부
450...외부 인턱터
460...저주파 통과 필터
S1...제1 단계
S2...제2 단계
100 ... capacitors
110 ... first electrode layer
120 ... second electrode layer
130 ... dielectric layer
200 ... tip array
201 ... multiple probes
300 ... glass substrate
400 ... resonance circuit
410 ... Oscillator
420 ... RF mixer
430 ... directional coupler
440 ... measuring part
450 ... external inductor
460 ... low pass filter
S1 ... Step 1
S2 ... Step 2

Claims (15)

정전용량의 변화를 나타내는 것으로, 제1 전극층을 포함하는 커패시터(capacitor); 및
상기 커패시터 상에 배열되는 복수의 탐침으로 이루어진 팁 어레이를 포함하며,
상기 팁 어레이는 표면지형(topography)에 따른 상기 정전용량의 변화를 유도하고,
상기 제1 전극층은, 유리 기판상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하며, 상기 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체.
A capacitor including a first electrode layer; And
And a tip array of a plurality of probes arranged on the capacitor,
The tip array induces a change in the capacitance due to surface topography,
Wherein the first electrode layer is formed by vacuum depositing chromium by 1 to 10 nm thick on a glass substrate and subjecting the chromium to vacuum thermal deposition of gold to a thickness of 50 to 200 nm, The tip structure of a scanning probe microscope.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 커패시터는,
상기 제1 전극층 상에 형성되는 유전체층과,
상기 유전체층 상에 형성되는 제2 전극층을 더 포함하며,
상기 팁 어레이는 상기 제2 전극층 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체.
The method according to claim 1,
The capacitor
A dielectric layer formed on the first electrode layer,
And a second electrode layer formed on the dielectric layer,
Wherein the tip array is arranged on the second electrode layer. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 3에 있어서,
상기 유전체층을 형성하는 유전체는 탄성중합체인 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체.
The method of claim 3,
Characterized in that the dielectric forming the dielectric layer is an elastomer. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 3에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 유전체층과 상기 제2 전극층은 동일하거나 다른 두께인 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체.
The method of claim 3,
Wherein the first electrode layer, the dielectric layer, and the second electrode layer are the same or different thicknesses. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
삭제delete 복수의 층을 형성하는 커패시터를 제작하기 위하여 금속재를 진공 열증착(thermal evaporation)하여 일정 두께의 제1 전극층을 형성하는 제1 단계; 및
상기 커패시터 상에 복수의 탐침을 배열하여 팁 어레이를 형성하는 제2 단계를 포함하며,
상기 제1 전극층은, 유리 기판상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하며, 상기 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
A first step of forming a first electrode layer having a predetermined thickness by vacuum evaporating a metal material to fabricate a capacitor forming a plurality of layers; And
And a second step of arranging a plurality of probes on the capacitor to form a tip array,
Wherein the first electrode layer is formed by vacuum depositing chromium by 1 to 10 nm thick on a glass substrate and subjecting the chromium to vacuum thermal deposition of gold to a thickness of 50 to 200 nm, Method of manufacturing a tip structure of a scanning probe microscope.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 단계는,
상기 제1 전극층 위에 유전체인 탄성중합체로써 일정 두께의 유전체층을 형성하는 과정과,
상기 유전체층 위에 금속재를 진공 열증착하여 일정 두께의 제2 전극층을 형성하는 과정을 더 포함하며,
상기 팁 어레이는 상기 제2 전극층이 형성된 후 상기 제2 전극층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 7,
In the first step,
Forming a dielectric layer having a predetermined thickness on the first electrode layer using an elastomer as a dielectric;
Depositing a metal material on the dielectric layer by vacuum thermal deposition to form a second electrode layer having a predetermined thickness,
Wherein the tip array is formed on the second electrode layer after the second electrode layer is formed. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 8에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 유전체층과 상기 제2 전극층은 동일하거나 다른 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the first electrode layer, the dielectric layer, and the second electrode layer are formed to have the same or different thicknesses. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 8에 있어서,
상기 유전체층을 형성하는 유전체는 탄성중합체인 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the dielectric forming the dielectric layer is an elastomer. ≪ Desc / Clms Page number 20 >
청구항 10에 있어서,
상기 탄성중합체의 스프링 계수는 1N/m 이하인 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 10,
Wherein the elastomer has a spring coefficient of 1 N / m or less. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 8에 있어서,
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 상기 금속재를 진공 열증착함에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the first electrode layer and the second electrode layer are formed by vacuum evaporation of the metal material.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 금을 일정 두께로 진공 열증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the first electrode layer and the second electrode layer are formed by vacuum thermal deposition of a predetermined thickness of gold. The method of claim 1, wherein the first electrode layer and the second electrode layer are formed by vacuum thermal evaporation.
청구항 8에 있어서,
상기 탄성중합체는 상기 금 위에 스핀코팅(spin coating)됨으로써 상기 유전체층이 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
Wherein the elastomer is spin-coated on the gold to form the dielectric layer. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 8에 있어서,
상기 제2 전극층은,
상기 유전체층상에 1 내지 10nm 두께로 크롬을 진공 열증착하는 과정과,
상기 크롬 위에 50 내지 200nm 두께로 금을 진공 열증착하는 과정을 포함하며,
상기 팁 어레이는 상기 금 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 대면적 이미지 획득용 전기공명 모드 주사탐침 현미경의 팁 구조체의 제조방법.
The method of claim 8,
And the second electrode layer
Depositing chromium in a thickness of 1 to 10 nm on the dielectric layer by vacuum thermal deposition;
And vacuum depositing gold on the chromium to a thickness of 50 to 200 nm,
Wherein the tip array is formed on the gold. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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