KR101816657B1 - Method for Calibrating Height Using Atomic Force Microscope - Google Patents
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Abstract
실시예는 원자현미경을 사용하여 물체의 높이를 측정하는 과정에 포함되는 높이 교정 방법으로서, 측정하고자 하는 물체를 원자현미경의 측정부에 올려놓는 단계, 절대 변위 센서로 측정된 압전구동기 절대변위값과 상기 압전구동기의 절대변위값에 따른 제1 제어기의 제1 출력값을 통해 상기 측정부에 올려진 물체의 높이 변환 계수를 교정하는 단계 및 광센서로 측정되는 압전구동기의 변위에 따른 제2 제어기의 제2 출력값에 상기 높이 변환 계수를 곱하여 상기 물체의 높이를 구하는 단계를 포함하고, 상기 높이 변환 계수는 상기 압전구동기의 절대변위값을 상기 제1 출력값으로 나누어준 값일 수 있다 실시예는 원자 현미경으로 물체의 높이를 측정시 높이변환계수를 교정하는 과정에만 선형적인 특성을 가지는 센서를 적용함으로써, 분해능이 좋은 기존의 광센서를 통해 정밀한 높이 측정이 가능하다.The embodiment is a height correction method included in a process of measuring the height of an object using an atomic microscope, comprising the steps of placing an object to be measured on a measuring unit of an atomic force microscope, measuring the absolute displacement value of the piezoelectric actuator, A step of calibrating a height conversion coefficient of an object placed on the measurement unit through a first output value of the first controller according to an absolute displacement value of the piezoelectric actuator and a step of calibrating a height conversion coefficient of the second controller based on the displacement of the piezoelectric actuator, And the height conversion coefficient may be a value obtained by dividing the absolute displacement value of the piezoelectric actuator by the first output value. In an embodiment, the height conversion coefficient may be a value obtained by dividing an object And the height conversion coefficient is measured, the sensor having a linear characteristic can be applied only in the process of calibrating the height conversion coefficient, Through the existing optical sensor can measure a precise height.
Description
본 발명은 원자현미경을 이용한 높이 교정 방법으로, 보다 구체적으로는 압전구동기의 비선형성에 의해 야기되는 측정 오류를 해결하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a height correction method using an atomic microscope, and more particularly, to a method for correcting a measurement error caused by nonlinearity of a piezoelectric actuator.
원자현미경(Atomic force microscope)은 미세한 탐침 끝과 측정물체 표면 간에 작용하는 원자력(Atomic force)이 일정하게 유지되도록 탐침에 부착된 압전구동기(PZT actuator)의 변위를 제어하면서 제어기의 출력으로 측정물체의 형상을 측정하는 정밀 계측 장치이다. 도 1에 이러한 원자현미경의 구조가 개시되어 있다. 기존의 원자현미경은 XY축 나노 스캐너(10), Z축으로 구동하는 압전구동기(15), 압전구동기의 헤드부를 구성하는 켄틸레버(14)와 켄틸레버 팁(16), 광원(13), 광센서(12) 및 제어기(17)를 포함하여 구성될 수 있다. Atomic force microscope is an atomic force microscope that controls the displacement of the PZT actuator attached to the probe so that the atomic force between the probe tip and the surface of the object is kept constant, It is a precision measuring device that measures shape. Fig. 1 shows the structure of such an atomic force microscope. The conventional atomic microscope includes an XY-axis nano-
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. XY축 나노 스캐너(10)는 샘플(11)을 XY축 방향으로 움직이며, Z축 방향으로는 켄틸레버(14)와 샘플(11) 사이에 일정한 힘(간격)이 작용하도록 제어기(17)에서 압전구동기(15)의 힘을 제어한다.As the
이 때 제어기(17)의 출력(압전구동기의 입력)은 압전구동기의 변위가 되는데 이 값은 측정물체의 높이 정보에 비례한다. 따라서 정확한 형상 높이 정보를 얻기 위해서는 압전구동기(15)에 입력되는 제어기(17)의 출력 크기와 측정물체의 높이 정보간의 비례 계수(높이 변환 계수)를 정확히 교정해야 한다. At this time, the output of the controller 17 (the input of the piezoelectric actuator) is the displacement of the piezoelectric actuator, which is proportional to the height information of the measured object. Therefore, in order to obtain accurate shape height information, the proportional coefficient (height conversion coefficient) between the output size of the
하지만 압전구동기(15)는 히스테리시스와 크립 현상과 같은 비선형성을 가지고 있으며, 이로 인해 높이 변환 계수가 측정물체의 높이에 따라 일정하지 않다. 따라서 물체의 정확한 높이측정을 위해서는 측정물체의 높이에 맞추어 높이 변환 계수를 매번 교정해 주어야 할 필요가 있었다. However, the
일반적인 원자현미경의 높이 변환 계수 교정방법은 표준시편을 사용하여 이루어진다. 표준시편 측정 시 획득한 제어기의 출력크기에 대한 표준시편의 높이의 비율을 이용해서 높이 변환 계수를 교정한다. 측정물체의 높이에 따라 높이 변환 계수가 일정하지 않기 때문에 정확한 교정을 위해서는 측정물체의 높이와 유사한 높이를 갖는 표준시편이 필요하다. 그러나 다양한 측정물체의 높이에 해당하는 표준시편을 모두 보유하고 있는 것은 불가능하고, 매번 표준시편을 측정해야 하는 단점이 있다.Height conversion coefficient correction method of general atomic microscope is done using standard specimen. The height conversion factor is calibrated using the ratio of the height of the standard specimen to the output size of the controller obtained during standard specimen measurement. Since the height conversion coefficient is not constant depending on the height of the object to be measured, a standard specimen having a height similar to the height of the object to be measured is required for accurate calibration. However, it is impossible to have all the standard specimens corresponding to the heights of various measurement objects, and there is a disadvantage that standard specimens must be measured every time.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 원자현미경으로 물체의 높이를 측정시에 표준시편을 사용하지 않고도 압전구동기 입출력의 비선형성으로 인한 측정 에러를 제거하여 물체의 높이를 정확히 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to accurately measure the height of an object by eliminating a measurement error due to nonlinearity of a piezoelectric actuator input / output without using a standard specimen when measuring an object height using an atomic microscope I want to provide a way to do that.
본 발명은 나노미터 수준으로 높이가 낮은 물체에 대해서도 정밀한 분해능을 유지하면서 물체의 높이를 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for measuring the height of an object while maintaining a precise resolution with respect to an object having a low height at a nanometer level.
본 발명의 실시예는 원자현미경을 사용하여 물체의 높이를 측정하는 과정에 포함되는 높이 교정 방법으로서, 측정하고자 하는 물체를 원자현미경의 측정부에 올려놓는 단계; 절대 변위 센서로 측정된 압전구동기 절대변위값과 상기 압전구동기의 절대변위값에 따른 제1 제어기의 제1 출력값을 통해 상기 측정부에 올려진 물체의 높이 변환 계수를 교정하는 단계; 및 광센서로 측정되는 압전구동기의 변위에 따른 제2 제어기의 제2 출력값에 상기 높이 변환 계수를 곱하여 상기 물체의 높이를 구하는 단계를 포함하고, 상기 높이 변환 계수는 상기 압전구동기의 절대변위값을 상기 제1 출력값으로 나누어준 값일 수 있다. An embodiment of the present invention is a height correction method included in a process of measuring the height of an object using an atomic microscope, comprising: placing an object to be measured on a measurement unit of an atomic microscope; Correcting a height conversion coefficient of an object placed on the measurement unit through the first output value of the first controller according to the absolute displacement value of the piezoelectric actuator measured by the absolute displacement sensor and the absolute displacement value of the piezoelectric actuator; And obtaining a height of the object by multiplying the second output value of the second controller by the height conversion coefficient according to the displacement of the piezoelectric actuator measured by the optical sensor, wherein the height conversion coefficient is an absolute displacement value of the piezoelectric actuator And may be a value divided by the first output value.
그리고, 상기 절대변위 센서는 상기 압전구동기의 입력전압에 대한 출력변위의 값이 측정높이 범위 내에서 선형성을 갖는 스트레인 게이지 센서일 수 있다.The absolute displacement sensor may be a strain gauge sensor in which the value of the output displacement with respect to the input voltage of the piezoelectric actuator has a linearity within a measured height range.
그리고, 상기 제1 출력값은 상기 제1 제어기가 상기 압전구동기가 일정 변위를 가지도록 제어할 때의 출력 신호일 수 있다. 또한, 상기 제2 출력값은 상기 제2 제어기가 상기 압전구동기게 구비된 켄틸레버에 가해지는 힘에 의한 상대적인 변위에 따른 출력 신호일 수 있다.The first output value may be an output signal when the first controller controls the piezoelectric actuator to have a predetermined displacement. The second output value may be an output signal according to a relative displacement due to a force applied to the cantilever provided in the piezoelectric actuator by the second controller.
그리고, 상기 측정부에 측정물체가 올려지면, 상기 압전구동기는 상기 제1 제어기와 연결되어 상기 높이 변환 계수를 도출한 후에 상기 제2 제어기와 연결되는 것을 특징으로 한다.When the measured object is mounted on the measurement unit, the piezoelectric actuator is connected to the first controller, and after the height conversion coefficient is derived, the piezoelectric actuator is connected to the second controller.
그리고, 상기 물체의 실제 높이는 상기 제1 출력값을 통해 도출된 상기 높이 변환 계수와 상기 제2 출력값을 곱하여 도출되는 것을 특징으로 한다. The actual height of the object is calculated by multiplying the height conversion coefficient derived through the first output value by the second output value.
본 발명의 실시예에 따르면, 원자 현미경으로 물체의 높이를 측정시 기존에는 높이별로 여러 개의 표준시편을 요구하였으나, 표준시편을 구비하지 않고도 물체의 높이를 측정 오류 없이 정확하게 산출할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, when measuring the height of an object using an atomic force microscope, a plurality of standard specimens are required for each height, but the height of the object can be accurately calculated without a measurement error without a standard specimen.
본 발명의 실시예에 따르면, 원자 현미경으로 물체의 높이를 측정시 높이 변환 계수를 교정하는 과정에만 선형적인 특성을 가지는 센서를 적용함으로써, 분해능이 좋은 기존의 광센서를 통해 정밀한 높이 측정이 가능한 장점이 있다.According to the embodiment of the present invention, when a height of an object is measured by an atomic microscope, a sensor having a linear characteristic can be applied only to a process of calibrating a height conversion coefficient. .
도 1은 종래의 원자현미경을 나타낸 구성도
도 2는 종래 원자현미경의 제어 블록도를 나타낸 도면
도 3은 압전구동기의 입력전압에 대한 출력 변위 관계를 나타낸 그래프
도 4는 측정 물체의 높이에 따른 높이 변환 계수의 차이를 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 압전구동기의 교정을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 압전구동기의 변위를 제어할 수 있는 제어기를 구성한 도면
도 7은 실시예에 따른 원자현미경의 물체 높이 측정 시스템을 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 원자현미경의 물체 높이 측정 방법을 나타낸 흐름도1 is a schematic view showing a conventional atomic force microscope
2 is a view showing a control block diagram of a conventional atomic force microscope
3 is a graph showing the output displacement relationship with respect to the input voltage of the piezoelectric actuator
4 is a view showing the difference in height conversion coefficient according to the height of the measurement object
5 shows calibration of a piezoelectric actuator according to an embodiment
6 is a view showing a constitution of a controller capable of controlling the displacement of the piezoelectric actuator according to the embodiment
7 is a view showing an object height measurement system of an atomic force microscope according to an embodiment
8 is a flowchart showing a method of measuring an object height of an atomic force microscope
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.The embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for the sake of clarity of the present invention.
일반적인 원자현미경의 높이 변환 계수 교정방법은 주로 표준시편을 사용하여 이루어진다. 실시예는 표준시편 없이도 높이 변환 계수를 교정하여 물체의 높이를 측정하는 방법에 특징이 있는 것으로, 물체의 높이 측정시 표준시편을 사용되어야 하는 이유에 대해 살펴보기로 한다. In general, the method of calibrating the height conversion factor of an atomic force microscope is mainly performed using a standard specimen. The embodiment is characterized by a method of measuring the height of an object by calibrating the height conversion coefficient without a standard specimen. The reason why the standard specimen should be used when measuring the height of the object will be described.
도 1에 개시된 바와 같이 켄틸레버가 측정물체에 접근함에 따라 측정물체 표면과 켄틸레버 탐침 사이의 거리에 비례해서 원자력이 발생한다. 원자력에 크기에 따라 켄틸레버가 변형되고, 변형의 정도(△Z)는 광센서의 신호를 통해 얻어진다. 측정물체의 높이(Zs)가 높아짐에 따라 켄틸레버의 변형(△Z)이 줄어들게 되고, △Z가 일정하게 되도록 압전구동기의 변위(Z)를 제어할 때 Zs는 Z에서 △Z를 빼줌으로써 구할 수 있다. As shown in Fig. 1, as the cantilever approaches the measurement object, the atomic force is generated in proportion to the distance between the measurement object surface and the cantilever probe. The cantilever is deformed according to the size of the atomic force, and the degree of deformation (ΔZ) is obtained through the signal of the optical sensor. As the height Zs of the object to be measured increases, the strain DELTA Z of the cantilever is reduced. When controlling the displacement Z of the piezoelectric actuator so that DELTA Z is constant, Zs is obtained by subtracting DELTA Z from Z .
원자현미경은 절대 높이가 아닌 샘플의 상대 높이를 측정하기 때문에, △Z가 일정한 고정된 값이라고 하면 Z는 결국 Zs라고 가정할 수 있다.Since the atomic force microscope measures the relative height of the sample, not the absolute height, if ΔZ is a constant fixed value, then Z can be assumed to be Zs.
압전구동기의 변위(Z)는 직접 측정이 불가능하기 때문에, 압전구동기의 입력신호이자 제어기의 출력 신호인 u와 선형적인 관계를 이용해서 Z값을 얻어낼 수 있다. 도 2는 종래 원자현미경의 제어 블록도를 나타낸 도면으로, 이를 참조하면 Z는 제어기 출력 신호의 크기(u)에 대한 측정물체의 높이(Zs)의 비율인 높이 변환 계수(h, height scale factor)와 제어기 출력 신호의 크기(u)를 곱해줌으로써 구할 수 있다. 높이 변환 계수는 이전 측정 결과들에서 미리 설정된 값이라 할 수 있다. Since the displacement (Z) of the piezoelectric actuator can not be measured directly, the Z value can be obtained by using the linear relationship between the input signal of the piezoelectric actuator and the output signal u of the controller. 2 is a control block diagram of a conventional atomic microscope. Referring to FIG. 2, Z is a height scale factor (h), which is a ratio of a height (Zs) of a measurement object to a size (u) And the magnitude (u) of the controller output signal. The height conversion factor may be a preset value in the previous measurement results.
그리고 Z는 Zs로 대체될 수 있기 때문에 Z를 Zs로 치환하면, 측정물체의 높이(Zs)는 높이 변환 계수와 제어기 출력 신호 크기의 곱으로 나타낼 수 있다. Since Z can be replaced by Zs, if Z is replaced by Zs, the height of the measured object (Zs) can be expressed as the product of the height conversion factor and the controller output signal magnitude.
그러나 실제 압전구동기는 입력되는 전압(제어기의 출력 신호)과 출력변위(측정물체의 높이)에 대해 비선형성(크립, 히스테리시스)을 가지고 있어 측정물체의 높이는 제어기 출력 신호의 크기에 선형적으로 비례하지 않게 된다. 즉, 높이 변환 계수(h)는 제어기 출력 신호의 크기에 따라 일정하지 않다.However, the actual piezoelectric actuator has a nonlinearity (creep, hysteresis) with respect to the input voltage (the output signal of the controller) and the output displacement (height of the object to be measured), so that the height of the object to be measured is linearly proportional to the magnitude of the controller output signal . That is, the height conversion coefficient h is not constant depending on the size of the controller output signal.
도 3은 압전구동기의 입력전압에 대한 출력 변위 관계를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing an output displacement relationship with respect to an input voltage of a piezoelectric actuator.
도 3을 참조하면, 압전구동기의 입력전압에 대한 출력 변위는 히스테리시스에 따라 비선형적인 곡선을 나타내게 되는데, A 및 B와 같이 측정물체의 높이에 따라 서로 다른 곡선을 나타내게 된다. 도 4는 측정 물체의 높이에 따른 높이 변환 계수의 차이를 나타낸 도면이다. A의 곡선과 B의 곡선 사이 영역에 있는 두개의 직선 중에서 짧은 직선은 측정물체의 높이가 Z1일 때 입력 전압(u1)에 대한 출력 변위(Z1)의 관계를 나타내며, 입력 전압(u1)이 압전구동기에 입력될 때 출력 변위는 Z1과 같이 나타난다. 이 경우에 높이 변환 계수 h1은 Z1/u1와 같이 결정된다. Referring to FIG. 3, the output displacement of the piezoelectric actuator with respect to the input voltage exhibits a nonlinear curve according to the hysteresis. The curves A and B have different curves depending on the height of the object to be measured. 4 is a view showing the difference in height conversion coefficient according to the height of the measurement object. Among the two straight lines in the area between the curve of A and the curve of B, the short straight line represents the relationship of the output displacement (Z 1 ) to the input voltage (u 1 ) when the height of the measurement object is Z 1 , 1 ) is input to the piezoelectric actuator, the output displacement appears as Z1. In this case, the height conversion coefficient h 1 is determined as Z 1 / u 1 .
A의 곡선과 B의 곡선 사이 영역에 있는 두개의 직선 중에서 긴 직선은 측정물체의 높이가 Z1보다 높은 Z2일 때 입력 전압(u2)에 대한 출력 변위(Z2)의 관계를 나타내며, 입력 전압(u2)이 압전구동기에 입력될 때 출력 변위는 Z2와 같이 나타난다. 이 경우에 높이 변환 계수 h2은 Z2/u2 와 같이 결정된다.Of the two straight lines in the area between the curve of A and the curve of B, the long straight line represents the relationship of the output displacement (Z 2 ) to the input voltage (u 2 ) when the height of the measurement object is Z 2 higher than Z 1 , When the input voltage (u 2 ) is input to the piezoelectric actuator, the output displacement appears as Z 2 . In this case, the height conversion coefficient h 2 is determined as Z 2 / u 2 .
즉, Z1과 Z2의 크기에 따라 h1과 h2의 크기가 달라지기 때문에, 측정물체의 높이가 달라짐에 따라서 높이 변환 계수의 교정이 필요하다. 기존에는 측정하고자 하는 물체에 이미 적용된 적이 있는 높이의 표준시편을 측정하여 해당 높이의 높이 변환 계수를 얻는 방법을 사용하였으나, 이러한 방법은 측정 물체가 다양해질 경우 측정 효율이 현저히 감소한다.That is, since the sizes of h 1 and h 2 vary depending on the magnitudes of Z 1 and Z 2 , it is necessary to calibrate the height conversion coefficient as the height of the measurement object changes. In the past, a method of obtaining a height conversion coefficient of a corresponding height by measuring a standard sample having a height already applied to the object to be measured has been used. However, this method significantly reduces the measurement efficiency when the measurement object is varied.
도 5는 실시예에 따른 원자현미경에서 압전구동기를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 실시예의 원자현미경에 구성되는 압전구동기에는 측정높이 범위 내에서 선형성을 갖는 추가적인 변위센서가 마련될 수 있다. 상기 변위 센서는 압전구동기의 절대 변위를 측정하는 센서로서 스트레인 게이지(Strain gage) 센서일 수 있다. 5 is a view showing a piezoelectric actuator in an atomic force microscope according to an embodiment. Referring to FIG. 5, in the piezoelectric actuator constructed in the atomic microscope of the embodiment, an additional displacement sensor having linearity within the measurement height range may be provided. The displacement sensor is a sensor for measuring the absolute displacement of the piezoelectric actuator, and may be a strain gage sensor.
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.Strain refers to the degree of deformation or strain and refers to the ratio of the length of a stretched or reduced length to the original length when an object is stretched or compressed. Strain gauge means that the force of the object acts on the object It is a sensor that measures strain, which is the stress of a material, using the effect of deformation. A strain gauge sensor is a sensor that utilizes a piezo resistance effect in which the resistivity changes when a crystal balance is changed by a pressure in a semiconductor, and is a device using a piezoelectric material.
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. 상기와 같은 스트레인 게이지 센서를 사용하면 압전 구동기의 절대 변위를 직접 측정할 수 있다. The piezoelectric material is a material using a principle in which a potential difference is generated when a certain crystal is pressurized and a physical displacement is generated when a potential difference is applied to the material. Examples of the material exhibiting the piezoelectric effect include quartz, rhodium, barium titanate , And artificial ceramics. In this embodiment, strain gauge sensors using artificial ceramics (PZT) can be applied. Using the strain gauge sensor as described above, the absolute displacement of the piezoelectric actuator can be directly measured.
도 5에서와 같이 원자현미경으로 물체의 높이를 측정시에, 물체의 표면과 접촉하는 켄틸레버는 동일한 각도를 유지하도록 제어되고, 켄틸레버에 가해지는 힘에 따라 압전구동기의 위치가 변화하게 된다. 5, when the height of an object is measured by an atomic microscope, the cantilever which is in contact with the surface of the object is controlled to maintain the same angle, and the position of the piezoelectric actuator is changed according to the force applied to the cantilever.
도 6은 압전구동기의 변위를 제어할 수 있는 제어기를 구성한 도면이다. 압전구동기를 일정 변위인 Zs'이 되도록 제어할 때 제어기의 출력을 u'이라 하면 압전구동기의 입출력 비례 계수 h는 Zs'/u' 과 같이 표현될 수 있다. Fig. 6 is a view showing a constitution of a controller capable of controlling the displacement of the piezoelectric actuator. Fig. Assuming that the output of the controller is u 'when controlling the piezoelectric actuator to be a constant displacement Zs', the input / output proportional coefficient h of the piezoelectric actuator can be expressed as Zs '/ u'.
여기서, h는 제어기의 출력 신호와 측정물체의 높이와의 관계를 나타내는 높이 변환 계수일 수 있다. 즉, 높이 변환 계수에 제어기의 출력값을 곱해주면 압전구동기의 변위가 되며, 이는 물체의 높이가 된다.Here, h may be a height conversion coefficient indicating the relationship between the output signal of the controller and the height of the measurement object. That is, when the height conversion coefficient is multiplied by the output value of the controller, the displacement of the piezoelectric actuator becomes the height of the object.
실시예에서는 물체의 높이를 측정하기 전에 해당 물체의 높이 변환 계수를 결정하기 위한 1차 측정을 실시하게 되는데, 이 때 해당 물체에 대한 1차적인 높이 측정은 절대 변위 센서인 스트레인 게이지 센서를 통해 수행할 수 있다. 스트레인 게이지 센서를 통해 높이 변환 계수를 교정한 후에는 기존의 광센서를 통해 측정 물체의 실질적인 높이를 측정하는 과정이 수행될 수 있다. In the embodiment, a primary measurement for determining the height conversion coefficient of the object is performed before the height of the object is measured. In this case, the primary height measurement for the object is performed through the strain gauge sensor which is an absolute displacement sensor can do. After the height conversion coefficient is calibrated through the strain gage sensor, a process of measuring the actual height of the measurement object through the conventional optical sensor can be performed.
도 7은 실시예에 따른 원자현미경을 이용한 물체 높이 측정 시스템을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 실시예의 원자현미경을 이용한 물체 높이 측정 시스템은 광원(23), 광센서(26), 압전구동기(25), 변위센서(29), XY축 나노스캐너(20) 켄틸레버(24), 스위치(22), 제1 제어기(27) 및 제2 제어기(28)를 포함하여 구성될 수 있다.7 is a view showing an object height measuring system using an atomic force microscope according to an embodiment. Referring to FIG. 7, the object height measuring system using the atomic force microscope of the embodiment includes a light source 23, an
압전구동기(25)는 측정 물체의 높이에 따라 일정한 변위값을 갖도록 제어되는 구성으로서, 하단부에 켄틸레버(24)가 부착되어 있으며 켄틸레버가 휘어진 각도가 일정하게 유지되면서 압전구동기(25)의 위치가 이동된다. 실시예는 압전구동기에 부착이 가능한 추가적인 변위센서를 마련하고, 상기 변위센서로 압전구동기의 절대 위치에 따른 변위 정보(절대변위값)를 받아 이를 측정하고자 하는 물체에 대해 높이 변환 계수를 교정하는데 사용한다. The
상기 변위센서(29)는 입력전압에 대한 출력변위의 값이 측정높이 범위 내에서 선형성을 갖는 스트레인 게이지 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 변위센서(29) 기준으로 압전구동기의 변위를 제어할 수 있는 제1 제어기(27)가 마련될 수 있다. The
상기 압전구동기(25)의 하단에 구비되는 스위치(22)는 2개의 노드로 구성되며, 스위치가 접촉되는 노드에 따라 압전구동기(25)의 출력값은 제1 제어기(27) 또는 제2 제어기(28)의 입력으로 들어갈 수 있다. The
제1 제어기(27)는 스위치(22)가 1번 노드와 접촉하는 경우에 연결되며, 상기 제1 제어기(27)는 압전 구동기(25)에 부착된 스트레인 게이지 센서(29)와 연결될 수 있다. 상기 스트레인 게이지 센서(29)로 압전구동기(25)의 변위의 절대값을 측정하여, 입력 전압값과 변위에 따른 높이 변환 계수가 결정될 수 있다. The
그리고, 스위치(22)가 2번 노드와 접촉하는 경우에 연결되는 제2 제어기(28)가 마련될 수 있으며, 상기 제2 제어기(28)는 압전구동기(25)와 광센서(26)를 연결함으로써 물체의 형상 정보를 측정할 수 있다. 제2 제어기(28)는 기존의 원자현미경에 구비되었던 제어기의 구성과 동일하며, 실시예는 제1 제어기를 추가적으로 마련하여 제2 제어기에서 사용할 높이 변환 계수를 교정하는 점에 특징이 있다. The
실시예는 스위치가 접촉되는 노드에 따라 선택적으로 압전구동기와 연결되는 센서의 종류를 선택할 수 있다. 실시예의 원자현미경을 이용한 물체 높이 측정 시스템에 사용되는 센서는 압전구동기의 절대변위를 사용하여 측정 물체에 대한 높이 변환 계수를 결정하기 위한 스트레인 게이지 센서와, 실제 물체의 형상 정보를 측정하기 위한 광센서를 포함할 수 있다. The embodiment can select the type of sensor selectively connected to the piezoelectric driver according to the node to which the switch is to be contacted. The sensor used in the object height measuring system using the atomic force microscope of the embodiment includes a strain gauge sensor for determining the height conversion coefficient for the measurement object using the absolute displacement of the piezoelectric actuator, . ≪ / RTI >
도 8은 실시예에 따른 원자현미경의 물체 높이 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 실시예의 따른 원자현미경을 사용한 물체의 높이 측정 방법은 우선 측정하고자 하는 물체를 원자현미경의 측정부에 올려놓는 단계(S10)를 수행한다. 상기 측정부는 물체를 XY 방향으로 움직이는 XY축 나노 스캐너일 수 있다. 8 is a flowchart illustrating a method of measuring an object height of an atomic force microscope according to an embodiment. Referring to FIG. 8, in the method of measuring the height of an object using an atomic force microscope according to the embodiment, a step (S10) of placing an object to be measured on a measurement unit of the atomic microscope is performed. The measuring unit may be an XY axis nano scanner that moves an object in the XY direction.
이어서, 압전구동기에 마련된 변위센서가 제1 제어기와 연결되도록 스위치를 1번 노드로 이동하고, 제1 제어기의 제1 출력값을 획득하는 단계(S20)를 수행한다. 변위센서는 스트레인 게이지 센서일 수 있으며, 제1 제어기는 현재 측정대상 물체에 대해 압전구동기가 일정한 절대변위값을 가지도록 하여 이에 대한 출력 신호를 획득할 수 있다. Next, the switch is moved to the
이어서, 압전구동기의 변위(출력변위)와 제1 제어기의 출력 신호인 제1 출력값에 따라서 높이 변환 계수를 결정하는 S30 단계를 수행한다. 높이 변환 계수는 출력변위를 제1 출력값로 나누어준 값으로 설정될 수 있다. S10 내지 S30 단계는 실제 물체의 형상 정보(높이값)를 얻기 전에, 현재 물체에 대한 정확한 높이 변환 계수를 얻기 위해 수행되는 과정들이다. Subsequently, in step S30, the height conversion coefficient is determined according to the displacement (output displacement) of the piezoelectric actuator and the first output value, which is the output signal of the first controller. The height conversion coefficient may be set to a value obtained by dividing the output displacement by the first output value. Steps S10 to S30 are the processes performed to obtain an accurate height conversion coefficient for the current object before obtaining the shape information (height value) of the actual object.
이어서, 스위치를 2번 노드로 이동하여 압전구동기와 광센서 사이에서 제2 제어기가 작동하도록 하여, 제2 제어기로부터 제2 출력값을 얻는 D10 단계를 수행한다. D10 단계는 광센서를 기반으로 하여 수행될 수 있으며, 제2 제어기는 켄틸레버에 가해지는 힘에 따라 현재 물체에 대한 출력 신호인 제2 출력값을 얻는다. Next, the switch is moved to the second node so that the second controller is operated between the piezoelectric driver and the optical sensor, and a step D10 for obtaining the second output value from the second controller is performed. Step D10 may be performed based on the optical sensor, and the second controller obtains a second output value, which is an output signal for the current object, according to the force applied to the cantilever.
이어서, 제2 제어기에서 얻어진 제2 출력값과 S30 단계에서 얻어진 높이 변환 계수를 곱하여 물체의 실질적인 높이값을 산출하는 D20 단계가 수행될 수 있다. Then, a D20 step of calculating a substantial height value of the object by multiplying the second output value obtained in the second controller by the height conversion coefficient obtained in step S30 may be performed.
측정하고자 하는 물체를 교체하는 경우에는 스위치를 다시 1번 노드로 이동시키고, S10 내지 S30의 단계를 거쳐 새로운 물체에 해당되는 높이 변환 계수를 도출하고, D10 및 D20의 과정을 수행하여 물체의 높이를 보다 정확하게 산출할 수 있다. When the object to be measured is to be replaced, the switch is moved to the
실시예는 기존의 원자현미경의 높이 측정 방법과는 달리, 압전구동기에 추가적인 변위센서를 마련하여 이를 높이 변환 계수의 교정에 사용한다. 그러나, 절대 변위센서는 입력 전압과 출력 변위 사이에 선형성을 가지는 특징을 가지지만, 분해능이 기존의 광센서에 비해 수십~수백배 이상 낮은 단점이 있다. Unlike the conventional method of measuring the height of an atomic force microscope, the embodiment provides an additional displacement sensor for the piezoelectric actuator and uses it to calibrate the height conversion coefficient. However, the absolute displacement sensor has a linearity between the input voltage and the output displacement, but has a disadvantage in that the resolution is several tens to several hundred times lower than that of the conventional optical sensor.
따라서, 실시예는 추가적인 절대 변위센서를 통해 높이 변환 계수만을 교정하고, 원자 현미경의 제어기를 광센서와 연결하여 정밀한 출력값을 얻고 이 값을 교정된 높이 변환 계수와 곱하여 정확한 물체의 높이값을 구할 수 있다. 실시예는 기존과 같은 표준 시편을 이용한 측정 방법보다 높이 변환 계수의 교정시간이 훨씬 단축되고, 높이 측정의 효율성을 크게 개선할 수 있다. Thus, the embodiment can calibrate only the height conversion factor through an additional absolute displacement sensor, obtain a precise output value by connecting the controller of the atomic microscope to the optical sensor, and multiply this value by the corrected height conversion coefficient to obtain the accurate height value of the object have. The embodiment can significantly reduce the correction time of the height conversion coefficient and greatly improve the height measurement efficiency compared with the conventional measurement method using the standard specimen.
즉, 실시예는 원자 현미경으로 물체의 높이를 측정시 높이 변환 계수를 교정하는 과정에만 선형적인 특성을 가지는 센서를 적용함으로써, 분해능이 좋은 기존의 광센서를 통해 정밀한 높이 측정이 가능한 장점이 있다.In other words, the embodiment has an advantage that accurate height measurement can be performed through a conventional optical sensor having good resolution by applying a sensor having a linear characteristic only in the process of calibrating the height conversion coefficient when measuring the height of an object using an atomic microscope.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications other than those described above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
20: XY축 나노스캐너
21: 샘플
22: 스위치
23: 광원
24: 켄틸레버
25: 압전구동기
26: 광센서
27: 제1 제어기
28: 제2 제어기
29: 절대 변위센서20: XY axis nano scanner
21: Sample
22: Switch
23: Light source
24: Cantilever
25: Piezoelectric actuator
26: Light sensor
27: First controller
28: second controller
29: Absolute displacement sensor
Claims (6)
측정하고자 하는 물체를 원자현미경의 측정부에 올려놓는 단계;
상기 물체의 높이가 이전에 측정된 물체의 높이와 상이할시에 절대 변위 센서로 측정된 압전구동기 절대변위값과 상기 압전구동기의 절대변위값에 따른 제1 제어기의 제1 출력값을 통해 상기 측정부에 올려진 물체의 높이 변환 계수를 교정하는 단계; 및
광센서로 측정되는 압전구동기의 변위에 따른 제2 제어기의 제2 출력값에 상기 높이 변환 계수를 곱하여 상기 물체의 높이를 구하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 출력값은 상기 제1 제어기가 상기 압전구동기가 일정 변위를 가지도록 제어할 때의 출력 신호이며, 상기 제2 출력값은 상기 제2 제어기가 상기 압전구동기게 구비된 켄틸레버에 가해지는 힘에 의한 상대적인 변위에 따른 출력 신호이고,
상기 높이 변환 계수는 상기 압전구동기의 절대변위값을 상기 제1 출력값으로 나누어준 값인 원자현미경을 이용한 높이 교정 방법.As a method included in a process of measuring the height of an object using an atomic force microscope,
Placing an object to be measured on a measuring part of an atomic force microscope;
When the height of the object is different from the height of the previously measured object, the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value of the absolute value Correcting the height conversion coefficient of the object placed on the object; And
And a height of the object by multiplying the second output value of the second controller by the height conversion coefficient according to the displacement of the piezoelectric actuator measured by the optical sensor,
Wherein the first output value is an output signal when the first controller controls the piezoelectric actuator to have a predetermined displacement and the second output value is an output signal when the second controller applies the force to the cantilever provided on the piezoelectric actuator Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > relative displacement,
Wherein the height conversion coefficient is a value obtained by dividing an absolute displacement value of the piezoelectric actuator by the first output value.
상기 절대변위 센서는 상기 압전구동기의 입력전압에 대한 출력변위의 값이 측정높이 범위 내에서 선형성을 갖는 스트레인 게이지 센서인 원자현미경을 이용한 높이 교정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the absolute displacement sensor is a strain gauge sensor having a linearity of an output displacement with respect to an input voltage of the piezoelectric actuator within a measurement height range.
상기 측정부에 측정물체가 올려지면, 상기 압전구동기는 상기 제1 제어기와 연결되어 상기 높이 변환 계수를 도출한 후에 상기 제2 제어기와 연결되는 원자현미경을 이용한 높이 교정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric actuator is connected to the second controller after the height conversion coefficient is connected to the first controller when the measurement object is mounted on the measurement unit.
상기 물체의 실제 높이는 상기 제1 출력값을 통해 도출된 상기 높이 변환 계수와 상기 제2 출력값을 곱하여 도출되는 원자현미경을 이용한 물체의 높이 교정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the actual height of the object is derived by multiplying the height conversion coefficient derived through the first output value by the second output value.
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| KR1020160065642A KR101816657B1 (en) | 2016-05-27 | 2016-05-27 | Method for Calibrating Height Using Atomic Force Microscope |
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