KR102093989B1 - Apparatus for measuring physical properties of thin films at high frequencies - Google Patents

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KR102093989B1
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김윤영
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Abstract

The present invention relates an apparatus for measuring the physical properties of thin films at high frequencies. The present invention comprises: an ultrasonic generator generating high-power ultrasonic waves; a micro cantilever unit vibrating due to the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic generator; a probe unit which is coupled to the lower portion of the micro cantilever unit and is connected to the ultrasonic generator unit; and a measuring unit receiving the surface displacement of the micro cantilever unit and obtaining a waveform in a time domain. Therefore, the present invention is capable of being operated in a megahertz band and increases the sensitivity of mass detection.

Description

고주파 박막 물성 측정장치{Apparatus for measuring physical properties of thin films at high frequencies}Apparatus for measuring physical properties of thin films at high frequencies}

본 발명은 고주파 박막 물성 측정장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 마이크로 캔틸레버부 하부에 탐촉자부가 결합되어 메가헤르츠 대역에서 마이크로 캔틸레버부가 작동하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 종래에 비해 마이크로 캔틸레버부의 고유 진동수가 증대되어 검출 가능한 최소 질량이 증대되고, 민감도 및 분해능이 증대되는 효과가 있다.The present invention relates to an apparatus for measuring a high-frequency thin film property, and more particularly, a micro cantilever unit is operated in a megahertz band by combining a probe unit under a micro cantilever unit. For this reason, compared with the prior art, the natural frequency of the micro cantilever portion is increased, so that the minimum detectable mass is increased, and the sensitivity and resolution are increased.

반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 만들어지는 마이크로 캔틸레버는 가스센서, 생체물질 검출, 나노재료 평가 등 다양한 활용이 가능하기 때문에, 물리학, 화학, 공학 등 여러 분야에서 활발히 연구되고 있다.Since the micro cantilever made on a silicon substrate using a semiconductor process can be used in various ways such as gas sensors, biomaterial detection, and nanomaterial evaluation, it is actively researched in various fields such as physics, chemistry, and engineering.

기본적인 원리는 마이크로 캔틸레버의 표면에 물질이 흡착될 때에 발생하는 보의 처짐을 분석하여 물질의 질량, 응력 혹은 화학적 반응의 정도를 평가하는 정적인 방법과, 진동하는 보의 질량 혹은 강성변화로부터 발생하는 고유진동수의 변화를 분석하여 물질의 특성을 파악하는 동적인 방법이 있다.The basic principle is a static method that evaluates the mass, stress, or chemical reaction level of a material by analyzing the deflection of a beam that occurs when a material is adsorbed on the surface of a micro cantilever, and the mass or stiffness of a vibrating beam. There is a dynamic way to understand the properties of a material by analyzing changes in natural frequency.

마이크로 캔틸레버의 종류에는 여러 가지가 있으나, 보의 진동을 유발시키는 여기원(excitation source)이 구조체 내부에 포함되어 있는지 여부에 따라 액티브(active) 혹은 패시브(passive)방식으로 구분될 수 있다.There are various types of micro cantilevers, but can be classified into an active or passive method depending on whether an excitation source that causes beam vibration is contained inside the structure.

액티브 방식의 대표적인 사례는 압전박막을 이용한 PZT 캔틸레버 혹은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 구동 외팔보가 있으며, 패시브 방식의 대표적인 사례는 원자현미경(atomic force microscopy, AFM) 프로브(probe)와 같이, 마이크로 캔틸레버가 자체적으로 진동하는 것이 아니라 피에조 스택(piezo stack)처럼 별도로 마련된 공진기로부터 여기된다.A typical example of an active method is a PZT cantilever using a piezoelectric thin film or a metal oxide semiconductor field effect transistor-driven cantilever, and a typical example of a passive method is an atomic force microscopy (AFM) probe, such as a micro cantilever itself. Rather than vibrating, it is excited from a resonator provided separately, such as a piezo stack.

이러한 패시브 방식은 몇 단계의 미세가공공정만 거치면 완성되기 때문에 상대적으로 제작이 간편하고 비용이 적게 드는 장점을 갖는다. 대한민국 등록특허공보 제10-1112505호 또한 AFM 기술에 기반을 둔 종래의 선행문헌이다.This passive method has the advantage of being relatively easy to manufacture and low in cost because it is completed after only a few steps of micro-processing. Korean Registered Patent Publication No. 10-1112505 is also a prior art document based on AFM technology.

하지만, 많은 경우 위치센서(position sensitive detector, PSD)를 활용한 AFM 기술에 기반을 두고 있기 때문에, 그 구조적 한계로 인하여 작동 주파수가 킬로헤르츠(kHZ) 대역에 머무르게 된다. 반도체 제작에 활용되는 100nm 이하의 박막이나, DNA 혹은 나노 입자 등의 물질을 평가하기 위해서는 높은 민감도와 분해능이 요구된다. 따라서, 종래의 기술보다 높은 대역에서 작동이 가능한 장치가 필요한 실정이다.However, in many cases, since it is based on AFM technology using a position sensitive detector (PSD), the operating frequency remains in the kilohertz (kHZ) band due to its structural limitations. High sensitivity and resolution are required to evaluate materials such as thin films of 100 nm or less, DNA or nanoparticles used for semiconductor manufacturing. Therefore, there is a need for a device capable of operating in a higher band than the prior art.

대한민국 등록특허공보 제10-1112505호Republic of Korea Registered Patent Publication No. 10-1112505

본 발명은 고주파 박막 물성 측정장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 마이크로 캔틸레버부 하부에 탐촉자부가 결합되어 메가헤르츠 대역에서 마이크로 캔틸레버부가 작동하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 종래에 비해 마이크로 캔틸레버부의 고유 진동수가 증대되어 검출 가능한 최소 질량이 증대되고, 민감도 및 분해능이 증대되는 효과가 있다.The present invention relates to an apparatus for measuring a high-frequency thin film property, and more particularly, a micro cantilever unit is operated in a megahertz band by combining a probe unit under a micro cantilever unit. For this reason, compared with the prior art, the natural frequency of the micro cantilever portion is increased, so that the minimum detectable mass is increased, and the sensitivity and resolution are increased.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치는 고출력의 초음파를 발생시키는 초음파 발생부; 상기 초음파 발생부로부터 전달된 초음파로 인해 진동하는 마이크로 캔틸레버부; 상기 마이크로 캔틸레버부의 하부에 결합되되, 상기 초음파 발생부와 연결되는 탐촉자부; 및 상기 마이크로 캔틸레버부의 표면 변위를 수신하되, 시간 영역에서의 파형을 획득하는 측정부;를 포함한다.In order to achieve the object of the present invention, an apparatus for measuring physical properties of a high-frequency thin film according to the present invention includes an ultrasonic generator for generating high-power ultrasonic waves; A micro cantilever unit vibrating due to ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic generator; A probe unit coupled to a lower portion of the micro cantilever unit and connected to the ultrasonic generator unit; And a measuring unit receiving the surface displacement of the micro cantilever unit and obtaining a waveform in a time domain.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 측정부는, 50x 대물 렌즈, 거울, 빔 스플리터, 5x 빔 익스펜더, 가변 감쇠기, 레이저 장치, 포커싱 렌즈 및 광 검출기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the measuring unit of the high-frequency thin film physical property measuring device according to the present invention is characterized in that it comprises a 50x objective lens, a mirror, a beam splitter, a 5x beam expander, a variable attenuator, a laser device, a focusing lens and a photo detector.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 측정부는, 동작점을 안정화하고 광로차 보상을 위한 피에조 거울 및 PID 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the measuring unit of the high-frequency thin film physical property measuring apparatus according to the present invention is characterized in that it further comprises a piezo mirror and a PID controller for stabilizing the operating point and compensating for the optical path difference.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 초음파 발생부는, 200Hz의 반복율로 5 사이클의 톤버스트 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ultrasonic generator of the high-frequency thin film physical property measuring apparatus according to the present invention is characterized in that it generates a tone burst signal of 5 cycles at a repetition rate of 200 Hz.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 레이저 장치는, 532nm 파장의 100mW 연속파 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the laser device of the high-frequency thin film physical property measuring device according to the present invention is characterized in that it generates a 100mW continuous wave laser of 532nm wavelength.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 마이크로 캔틸레버부의 하부 표면에는 커플런트가 사용되어 상기 탐촉자부로부터 상기 마이크로 캔틸레버부의 신호 전달이 증폭되는 것을 특징으로 한다.In addition, a coupling agent is used on the lower surface of the micro cantilever portion of the high-frequency thin film physical property measuring apparatus according to the present invention, characterized in that signal transmission from the probe portion to the micro cantilever portion is amplified.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치는 메가헤르츠 대역에서 작동하는 것을 특징으로 한다.In addition, the high-frequency thin film property measuring apparatus according to the present invention is characterized in that it operates in the megahertz band.

또한, 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 상기 마이크로 캔틸레버부는 첨탑 형상인 것을 특징으로 한다.In addition, the micro cantilever portion of the high-frequency thin film physical property measuring device according to the present invention is characterized in that it has a spire shape.

본 발명에 의하면, 마이크로 캔틸레버부 하부에 탐촉자부가 결합되고, 초음파 발생부로부터 발생된 초음파가 탐촉자부를 거쳐 마이크로 캔틸레버부에 전달되는 구성을 지녀, 종래의 킬로헤르츠(kHz) 대역을 넘어 메가헤르츠(MHz) 대역에서도 작동 가능하게 된다. 이로 인해, 민감도 및 분해능이 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, the probe portion is coupled to the lower portion of the micro cantilever portion, and the ultrasonic wave generated from the ultrasonic generator portion is transmitted to the micro cantilever portion through the probe portion, thus exceeding the conventional kilohertz (kHz) band to megahertz (MHz) ) It can be operated in the band. Due to this, there is an effect that the sensitivity and resolution are improved.

도 1은 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 마이크로 캔틸레버부의 실제 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 탐촉자부 위에 연마광택작업을 거친 두께 80mm의 알루미늄 블록(Aluminum block)을 설치한 상태를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에서 마이크로 캔틸레버부가 설치된 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 두께 80mm의 알루미늄 블록(Aluminum block)을 제거하여 마이크로 캔틸레버부가 탐촉자부 위에 설치한 상태를 나타낸 것이다.
도 7(a), 7(b) 및 7(c)는 도 4 내지 도 6 상태의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 마이크로 캔틸레버부의 시간영역의 파형을 나타낸 것이고, 도 8(b)는 0.02ms에서 0.03ms 사이의 구간을 확대한 것이다.
도 9(a)는 고속푸리에변환(FFT)를 통한 측정 결과의 주파수 특성을 나타낸 것이고, 도 9(b)는 고속푸리에변환(FFT)의 실수 및 허수값을 나타낸 것이다.
도 10은 도 2 및 도 3의 첨탑형상을 기반으로 한 수치해석 모델이다.
도 11 (a)는 base state의 수치해석 결과값이며, 도 11(b) 내지 11(f)는 1차 내지 5차 모드에서의 수치해석 결과값을 나타낸 것이다.1 shows the configuration of a high-frequency thin film physical property measuring device according to the present invention.
2 and 3 show an actual electron scanning microscope photograph of the micro cantilever portion.
Figure 4 shows a state in which an aluminum block (Aluminum block) having a thickness of 80 mm, which has been subjected to abrasive polishing operation, is installed on the probe portion.
FIG. 5 shows a state in which the micro cantilever portion is installed in FIG. 4.
FIG. 6 shows a state in which a micro cantilever portion is installed on a probe portion by removing an aluminum block having a thickness of 80 mm.
7 (a), 7 (b) and 7 (c) are graphs showing signals in the state of FIGS. 4 to 6.
8 (a) shows the waveform of the time domain of the micro cantilever portion, and FIG. 8 (b) shows an enlarged section between 0.02ms and 0.03ms.
9 (a) shows frequency characteristics of a measurement result through a fast Fourier transform (FFT), and FIG. 9 (b) shows real and imaginary values of a fast Fourier transform (FFT).
10 is a numerical analysis model based on the spire shape of FIGS. 2 and 3.
FIG. 11 (a) is a numerical analysis result value of the base state, and FIGS. 11 (b) to 11 (f) show numerical analysis result values in the first to fifth order modes.

이하, 본 발명의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 통상의 실시자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, with reference to the drawings of the present invention will be described in detail. The following examples are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be sufficiently transmitted to ordinary practitioners. Accordingly, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In addition, in the drawings, the size and thickness of the device may be exaggerated for convenience. Throughout the specification, the same reference numbers indicate the same components.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification. The size and relative size of layers and regions in the drawings may be exaggerated for clarity of explanation.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing the embodiments, and thus is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified in the phrase. As used herein, "comprise" and / or "comprising" refers to the components, steps, operations and / or elements mentioned above, the presence of one or more other components, steps, operations and / or elements. Or do not exclude additions.

설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.In the detailed description of the present invention described, it has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but those skilled in the art or those skilled in the art will appreciate the spirit of the present invention as set forth in the claims below and It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the technical field. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치는 초음파 발생부(100), 캔틸레버부(200), 탐촉자부(300) 및 측정부(400)를 포함한다.The high-frequency thin film physical property measuring apparatus according to the present invention includes an ultrasonic generator 100, a cantilever part 200, a probe part 300, and a measuring part 400.

본 발명을 설명하기 앞서, 마이크로 캔틸레버를 활용한 센서의 질량 검출 민감도는 다음과 같이 표현된다.Prior to explaining the present invention, the sensitivity of mass detection of a sensor using a micro cantilever is expressed as follows.

Δm ∝ 1/fo Δm ∝ 1 / f o

여기서, Δm은 검출 가능한 최소 질량을 나타내며, fo는 마이크로 캔틸레버의 고유진동수를 나타낸다. 따라서, 종래의 대역보다 높은 메가헤르츠(MHz) 대역에서 마이크로 캔틸레버가 작동할수록, 검출 가능한 최소 질량이 작아지며, 이로 인해 분해능이 증대된다.Here, Δm represents the minimum detectable mass, and f o represents the natural frequency of the micro cantilever. Therefore, as the micro cantilever operates in a megahertz (MHz) band higher than the conventional band, the minimum detectable mass becomes smaller, thereby increasing resolution.

따라서, 본 발명에서는 고주파 박막 물성 측정장치의 메가헤르츠(MHz)대의 공진주파수가 측정 가능하여 질량 검출 민감도가 증대되는 효과가 있다.Therefore, in the present invention, the resonance frequency of the megahertz (MHz) band of the high-frequency thin film physical property measuring device can be measured, thereby increasing the sensitivity of mass detection.

발명의 설명에서는 이러한 효과를 뒷받침하기 위해 고주파 박막 물성 측정장치의 구성을 설명하고, 구성요소를 통해 측정된 마이크로 캔틸레버의 공진주파수와 초음파 발생부로부터 발생되는 초음파의 진동수가 일치 또는 유사함을 확인하여 실제로 메가헤르츠(MHz) 대역에서 본 발명이 작동 가능함을 증명하고자 한다.In the description of the invention, the configuration of the high-frequency thin film physical property measuring device is described to support this effect, and the resonance frequency of the micro cantilever measured through the component and the frequency of ultrasonic waves generated from the ultrasonic generator are identical or similar. Indeed, it is intended to prove that the present invention is operable in the megahertz (MHz) band.

본 발명의 구성을 설명하기 위해 도 1을 참조하도록 한다. 도 1은 본 발명에 의한 고주파 박막 물성 측정장치의 구성을 나타낸 것이다.Reference is made to FIG. 1 to describe the configuration of the present invention. 1 shows the configuration of a high-frequency thin film physical property measuring device according to the present invention.

초음파 발생부(100)는 고출력 초음파를 발생시킨다. 일 예로, RITEC RPR-4000 펄서일 수 있다. 이때, 초음파 발생부(100)는 200Hz의 반복율로 5 사이클의 톤버스트(tone burst) 신호를 생성하는 것이 바람직하다.The ultrasonic generator 100 generates high-power ultrasonic waves. For example, it may be a RITEC RPR-4000 pulsar. At this time, it is preferable that the ultrasonic generator 100 generates a tone burst signal of 5 cycles at a repetition rate of 200 Hz.

마이크로 캔틸레버부(200)는 초음파 발생부(100)로부터 발생된 초음파가 전달되고, 이로 인해 마이크로 캔틸레버부(200)는 진동하게 된다.The micro cantilever unit 200 transmits ultrasonic waves generated from the ultrasonic generator unit 100, and thereby the micro cantilever unit 200 vibrates.

도 2 및 도 3은 마이크로 캔틸레버부의 실제 전자주사현미경 사진을 나타낸 것으로, 본 발명에서는 Nanoworld AG사의 고속 프로브가 사용된다. 실리콘 재질에 폭 25μm, 길이 45μm, 두께 1.8μm의 치수를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 대형 나노팹 시설을 요구하는 PZT 캔틸레버가 아닌, 상용 AFM 프로브를 이용한다.2 and 3 show an actual electron scanning micrograph of the micro cantilever part, and in the present invention, a high-speed probe from Nanoworld AG is used. It is desirable to have dimensions of 25 μm width, 45 μm length, and 1.8 μm thickness in the silicone material. In addition, the present invention uses a commercial AFM probe, not a PZT cantilever that requires a large nanofab facility.

마이크로 캔틸레버부(200)의 하부에는 탐촉자부(300)가 결합된다. 종래와는달리, 탐촉자부(300)가 추가된 것으로, 소위 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer, UT)라고도 불린다.The probe portion 300 is coupled to the lower portion of the micro cantilever portion 200. Unlike the conventional one, the probe unit 300 is added, and is also called a so-called ultrasonic transducer (UT).

탐촉자부(300)는 초음파 발생부(100)와 연결된다. 따라서, 탐촉자부(300)는 매개체 역할로, 초음파 발생부(100)에서 발생된 초음파를 마이크로 캔틸레버부(200)에 전달하게 된다. 탐촉자부(300)로부터 전달되는 가진 신호를 확인하여 증명하는 과정은 후술하도록 한다.The probe unit 300 is connected to the ultrasonic generator 100. Therefore, the probe unit 300 serves as a medium, and transmits ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator unit 100 to the micro cantilever unit 200. The process of confirming and verifying the excitation signal transmitted from the probe unit 300 will be described later.

이때, 마이크로 캔틸레버부(200)의 하부 표면에는 커플런트가 사용되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 탐촉자부(300)로부터의 신호 전달이 증폭되는 효과가 발생된다.At this time, a coupling agent is preferably used on the lower surface of the micro cantilever portion 200. Due to this, an effect of amplifying signal transmission from the probe unit 300 is generated.

측정부(400)는 대물 렌즈(OBJ, 410), 거울(MRR, 420), 빔 스플리터(BS, 430), 빔 익스펜더(BE, 440), 가변 감쇠기(ATTN, 450), 레이저 장치(LASER, 460), 포커싱 렌즈(LNS, 470) 및 광 검출기(PD, 480)를 구비한다.The measurement unit 400 includes an objective lens (OBJ, 410), a mirror (MRR, 420), a beam splitter (BS, 430), a beam expander (BE, 440), a variable attenuator (ATTN, 450), a laser device (LASER, 460), a focusing lens (LNS, 470) and a photo detector (PD, 480).

대물 렌즈(410)는 50x인 것이 바람직하고, 빔 익스펜더(440)은 5x인 것이 바람직하며, 레이저 장치(460)는 532nm 파장의 100Mw 연속파 레이저를 광원으로 하는 것이 바람직하다.The objective lens 410 is preferably 50x, the beam expander 440 is preferably 5x, and the laser device 460 is preferably a 100Mw continuous wave laser of 532nm wavelength as a light source.

위와 같은 측정부(400)의 구성은 소위 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)의 구성이다. 따라서, 측정부(400)로 인해, 표면 변위를 수신하고, 시간 영역에서의 파형을 획득할 수 있게 된다.The configuration of the measurement unit 400 as described above is a configuration of a so-called Michelson interferometer. Therefore, due to the measurement unit 400, it is possible to receive a surface displacement and acquire a waveform in the time domain.

이때, 측정부(400)는 피에조 드라이버(Piezo Driver, 491), PID 제어기(PID Controller, 492) 및 피에조 거울(PZT, 493)을 더 구비할 수 있다. 이를 통해 광로차 보상이 가능하며, 동작점이 안정화되는 효과가 있다.At this time, the measurement unit 400 may further include a piezo driver (Piezo Driver 491), a PID controller (PID Controller, 492) and a piezo mirror (PZT, 493). Through this, compensation of the optical path difference is possible, and the operation point is stabilized.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 탐촉자부(300)로부터 전달되는 가진 신호를 확인하고, 본 발명에 따른 고주파 박막 물성 측정장치의 적정성을 증명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 4 to 6, the excitation signal transmitted from the probe unit 300 is confirmed, and the adequacy of the high-frequency thin film physical property measuring apparatus according to the present invention is proved.

먼저 도 4는 마이크로 캔틸레버부(200) 없이, 탐촉자부(300) 위에 연마광택작업을 거친 두께 80mm의 알루미늄 블록(Aluminum block)을 설치한 상태의 신호 측정을 나타낸 것이다.First, FIG. 4 shows signal measurement in a state in which an aluminum block having a thickness of 80 mm, which has undergone abrasive polishing operation, is installed on the transducer unit 300 without the micro cantilever unit 200.

탐촉자부(300)를 설치하여 체적종파를 형성하고, 블록 표면에 도달한 파형을 측정부(400)를 통해 검출하고, 표면에서 반향되어 돌아오는 신호를 탐촉자부(300)에서 수신하여 상호 비교한다.The transducer unit 300 is installed to form a volume longitudinal wave, the waveform reaching the block surface is detected through the measuring unit 400, and signals returned from the surface are returned to the transducer unit 300 and compared. .

다음으로, 도 5는 마이크로 캔틸레버부(200)가 설치된 상태의 신호 측정을 나타낸 것으로, 도 4와는 달리, 마이크로 캔틸레버부(200)의 표면으로부터 수신되는 신호와 반향되어 돌아와 탐촉자부(300)에서 수신되는 신호를 비교한다.Next, FIG. 5 shows signal measurement in a state in which the micro cantilever part 200 is installed. Unlike FIG. 4, the signal received from the surface of the micro cantilever part 200 is echoed back and received by the probe part 300 Compare the signals.

마지막으로, 도 6은 두께 80mm의 알루미늄 블록(Aluminum block)을 제거하여 마이크로 캔틸레버부(200)가 탐촉자부(300) 위에 설치한 상태에서 마이크로 캔틸레버부(200)의 신호 측정을 나타낸 것이다. 이때, 가진 신호는 전술한 바와 같이 5 사이클의 톤버스트 신호이다.Finally, Figure 6 shows the signal measurement of the micro cantilever portion 200 in a state in which the micro cantilever portion 200 is installed on the probe portion 300 by removing the aluminum block having a thickness of 80 mm. At this time, the excitation signal is a tone burst signal of 5 cycles as described above.

이때, 측정부(400)의 레이저 빔(L)을 마이크로 캔틸레버부(200)의 끝단에 위치시켜 마이크로 캔틸레버부(200)가 자유진동하는 신호만 검출되도록 한다.At this time, the laser beam L of the measurement unit 400 is positioned at the end of the micro cantilever unit 200 so that only the signal that the micro cantilever unit 200 freely vibrates is detected.

도 7(a), 7(b) 및 7(c)는 도 4 내지 도 6 상태의 신호를 나타낸 그래프이다. 이때, 가로축은 시간(μs)이며, 세로축은 진폭이다.7 (a), 7 (b) and 7 (c) are graphs showing signals in the state of FIGS. 4 to 6. At this time, the horizontal axis is time (μs), and the vertical axis is amplitude.

도 7(a), 7(b) 및 7(c)를 비교하면, 신호 대 잡음비의 차이는 있지만, 시간영역대의 파형이 일치함을 확인할 수 있다.7 (a), 7 (b), and 7 (c), it can be seen that although the signal-to-noise ratio is different, the waveforms in the time domain match.

또한, 도 7(d), 7(e) 및 7(f)는 도 7(a), 7(b) 및 7(c)에 따른 결과값을 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)한 것이다. 도 7(d), 7(e) 및 7(f)를 살펴보면, 중심주파수가 초음파 발생부(100)로부터 생성한 신호와 동일한 2.25 MHz에 해당하는 것을 확인할 수 있다.7 (d), 7 (e), and 7 (f) are fast Fourier transforms (FFT) of the results according to FIGS. 7 (a), 7 (b), and 7 (c). . 7 (d), 7 (e) and 7 (f), it can be seen that the center frequency corresponds to the same 2.25 MHz as the signal generated from the ultrasonic generator 100.

이로 인해, 탐촉자부(300)로부터 발생된 신호가 마이크로 캔틸레버부(200)에 이상 없이 전달되는 것을 확인할 수 있으며, 자유진동조건을 부여할 수 있음을 입증할 수 있다.Due to this, it can be confirmed that the signal generated from the probe unit 300 is transmitted to the micro cantilever unit 200 without abnormality, and free vibration conditions can be imparted.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 마이크로 캔틸레버의 고유 진동수 측정 결과를 검토한다. 도 8(a)는 마이크로 캔틸레버부(200)의 시간영역의 파형을 나타낸 것이고, 도 8(b)는 0.02ms에서 0.03ms 사이의 구간을 확대한 것이다. 또한, 도 9(a)는 고속푸리에변환(FFT)를 통한 측정 결과의 주파수 특성을 나타내며, 도 9(b)는 고속푸리에변환(FFT)의 실수 및 허수값을 나타낸 것이다.Hereinafter, the natural frequency measurement results of the micro cantilever will be reviewed with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 (a) shows the waveform of the time domain of the micro cantilever part 200, and FIG. 8 (b) shows an enlarged section between 0.02ms and 0.03ms. In addition, Figure 9 (a) shows the frequency characteristics of the measurement result through the fast Fourier transform (FFT), Figure 9 (b) shows the real and imaginary values of the fast Fourier transform (FFT).

실험 과정에서, 두께 80mm의 알루미늄 블록은 제거하여 블록 내에서 전파 및 반향되는 체적종파의 영향을 배제시킨다. 이로 인해, 자유진동조건을 유지할 수 있다.In the course of the experiment, the aluminum block having a thickness of 80 mm is removed to exclude the influence of propagation and reverberation in the block. For this reason, free vibration conditions can be maintained.

먼저, 도 8을 참조하면, 탐촉자부(300)에 의한 가진으로 인하여 마이크로 캔틸레버부(200)의 진동이 시작되며, 시간의 흐름에 따라 에너지의 소산에 따른 진폭의 감소가 발생한다는 것을 확인할 수 있다.First, referring to FIG. 8, vibration of the micro cantilever unit 200 starts due to excitation by the probe unit 300, and it can be confirmed that the amplitude decreases with the dissipation of energy over time. .

또한, 도 9(a)를 참조하면, 1.88MHz에서 고유진동수에 해당되는 피크값이 확인되며, 도 9(b)에서는 FFT 변환의 실수 및 허수값이 동일 주파수에서 급격하게 변하는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 9 (a), it is confirmed that the peak value corresponding to the natural frequency at 1.88 MHz, and in FIG. 9 (b), it can be seen that the real and imaginary values of the FFT transformation change rapidly at the same frequency.

이때, 실험결과의 타당성을 검증하기 위해 범용유한요소해석 소프트웨어 ABAQUS 6.12를 이용하여 모드해석을 수행하였다. 마이크로 캔틸레버부(200)의 형상이 직사각형이 아니기 때문에, 도 2 및 도 3의 첨탑형상을 기반으로 해석형상을 구현하였으며, 도 10은 수치 해석 모델이다.At this time, in order to verify the validity of the experimental results, the mode analysis was performed using the universal finite element analysis software ABAQUS 6.12. Since the shape of the micro cantilever portion 200 is not rectangular, an analysis shape is implemented based on the spire shape of FIGS. 2 and 3, and FIG. 10 is a numerical analysis model.

상세규격은 Length(L) 45, Width(w) 25, Thickness(t) 1.8로 설정하였다. 또한, 3차원의 8개 절점을 가지는 요소인 C3D8R을 사용하였으며, 요소 한 개 당 0.5μm의 크기로 지정하였다.The detailed specifications were set to Length (L) 45, Width (w) 25, and Thickness (t) 1.8. In addition, C3D8R, an element having eight nodes in three dimensions, was used, and was designated as a size of 0.5 μm per element.

총 요소의 수는 33,450개이고, 절점의 수는 41,220개이다. 해석을 위한 모델의 경계조건은 마이크로 캔틸레버부(200)의 y축 밑면을 6자유도 구속으로 설정하여 외팔보 형태의 진동이 가능하도록 하였고, 자유진동의 경우를 상정하여 외력 조건이나 별도의 하중 조건은 부여하지 않았다. 고유진동수는 1차 모드에서 5차 모드까지 추출하였다.The total number of elements is 33,450, and the number of nodes is 41,220. The boundary condition of the model for analysis was to set the base of the y-axis of the micro cantilever part 200 to be 6 degrees of freedom to enable vibration in the form of a cantilever beam, and assuming the case of free vibration, an external force condition or a separate load condition Did not grant. The natural frequency was extracted from the 1st mode to the 5th mode.

도 11 (a)는 base state이며, 도 11(b) 내지 11(f)는 1차 내지 5차 모드에서의 수치해석 결과값을 나타낸 것이다.11 (a) is a base state, and FIGS. 11 (b) to 11 (f) show the results of numerical analysis in the first to fifth order modes.

마이크로 캔틸레버부(200)의 공진발생에 가장 큰 영향을 미치는 1차 모드(11b)를 통해, 고유 진동수가 1.93MHz인 것을 확인하였다. 이로 인해, 광학적 측정으로부터 얻은 결과인 1.88MHz와 거의 일치함을 알 수 있다. 0.05MHz 오차는 마이크로 캔틸레버부(200)의 두께산포(±0.5μm)와 해석과정에서 팁(tip)의 형상을 생략한 데에서 발생한 것이다.It was confirmed that the natural frequency was 1.93 MHz through the primary mode 11b, which has the greatest influence on the resonance generation of the micro cantilever unit 200. As a result, it can be seen that the result obtained from the optical measurement is almost consistent with 1.88 MHz. The 0.05 MHz error is caused by omitting the thickness distribution (± 0.5 μm) of the micro cantilever part 200 and the shape of the tip in the analysis process.

위와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 캔틸레버부(200)가 MHz에서 작동 가능한 것을 입증하였다. 본 발명으로 인해, 기존 PZT 기반 센서에 따른 방식에 비해 더욱 높은 대역(MHz)에서 마이크로/나노스케일 재료의 물성, 화학 및 바이오 물질에 대한 평가가 가능한 장점이 있게 된다.As above, it has been demonstrated that the micro cantilever part 200 according to the present invention is operable at MHz. Due to the present invention, it is possible to evaluate the physical properties, chemical and biomaterials of micro / nanoscale materials in a higher band (MHz) than the conventional PZT-based sensor.

100 : 초음파 발생부, 200 : 마이크로 캔틸레버부,
300 : 탐촉자부, 400 : 측정부,
410 : 대물 렌즈, 420 : 거울
430 : 빔 스플리터, 440 : 빔 익스펜더
450 : 가변 감쇠기, 460 : 레이저 장치
470 : 포커싱 렌즈, 480 : 광 검출기,
491 : 피에조 드라이버, 492 : PID 제어기
493 : 피에조 거울.100: ultrasonic generating unit, 200: micro cantilever unit,
300: probe portion, 400: measuring portion,
410: objective lens, 420: mirror
430: beam splitter, 440: beam expander
450: variable attenuator, 460: laser device
470: focusing lens, 480: light detector,
491: Piezo driver, 492: PID controller
493: Piezo mirror.

Claims (7)

고출력의 초음파를 발생시키는 초음파 발생부;
상기 초음파 발생부로부터 전달된 초음파로 인해 진동하는 마이크로 캔틸레버부;
상기 마이크로 캔틸레버부의 하부에 결합되되, 상기 초음파 발생부와 연결되는 탐촉자부; 및
상기 마이크로 캔틸레버부의 표면 변위를 수신하되, 시간 영역에서의 파형을 획득하는 측정부;를 포함하고,
상기 측정부는,
동작점을 안정화하고 광로차 보상을 위한 피에조 거울 및 PID 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하고,
상기 초음파 발생부는,
200Hz의 반복율로 5 사이클의 톤버스트 신호를 생성하는 것을 특징으로 하고,
상기 마이크로 캔틸레버부의 하부 표면에는 커플런트가 사용되어 상기 탐촉자부로부터 상기 마이크로 캔틸레버부의 신호 전달이 증폭되는 것을 특징으로 하고,
상기 마이크로 캔틸레버부는 첨탑 형상인 것을 특징으로 하고,
상기 마이크로 캔틸레버부는 메가헤르츠 대역에서 작동하고,
상기 마이크로 캔틸레버부의 고유 진동수가 증대되어 검출 가능한 질량이 증대되는 것을 특징으로 하는
고주파 박막 물성 측정장치.An ultrasonic generator that generates high-power ultrasonic waves;
A micro cantilever unit vibrating due to ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic generator;
A probe unit coupled to a lower portion of the micro cantilever unit and connected to the ultrasonic generator unit; And
It includes; a measurement unit for receiving the surface displacement of the micro-cantilever portion, obtaining a waveform in the time domain; includes,
The measuring unit,
It is characterized by further comprising a piezo mirror and a PID controller for stabilizing the operating point and compensating for the optical path difference,
The ultrasonic generator,
Characterized in that it generates a toneburst signal of 5 cycles with a repetition rate of 200 Hz,
A coupling agent is used on the lower surface of the micro cantilever portion, so that signal transmission from the probe portion to the micro cantilever portion is amplified,
The micro cantilever portion is characterized in that the spire shape,
The micro cantilever unit operates in the megahertz band,
Characterized in that the natural frequency of the micro cantilever portion is increased to increase the detectable mass.
High-frequency thin film property measuring device. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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