KR102102637B1 - Topography signal and option signal acquisition apparatus, method and atomic force microscope having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매 지점마다 정지된 상태에서 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻음으로써 신호들로부터 얻어지는 이미지의 신뢰성을 높일 수 있는 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법, 장치 및 이를 구비하는 원자 현미경에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법은, 팁을 가진 캔틸레버를 사용하여 측정 대상의 표면에 대한 토포그래피 신호 (topography signal) 및 옵션 신호 (option signal) 를 얻기 위한 방법이다. 상기 방법은, 상기 캔틸레버를 상기 측정 대상의 표면에 어프로치하는 단계를 포함하고, 상기 측정 대상을 일정 위치에 정지시킨 상태로 상기 캔틸레버를 사용하여 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻는, 토포그래피 신호 획득 단계; 상기 토포그래피 신호 획득 단계 후 상기 캔틸레버와 상기 측정 대상 간을 Z 방향으로 떨어뜨리는, 리프팅 단계; 상기 리프팅 단계 후 옵션 신호를 얻는, 옵션 신호 획득 단계; 및 상기 측정 대상 및 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 이동시키는, 이동 단계; 를 포함하며, 상기 토포그래피 신호 획득 단계, 상기 리프팅 단계, 상기 옵션 신호 획득 단계 및 상기 이동 단계가 연속하여 적어도 2회 반복되며, 상기 어프로치하는 단계 및 상기 리프팅 단계 중 하나 이상의 단계의 수행 시 옵션 신호를 얻는다.
The present invention relates to a method and apparatus for obtaining a topography signal and an option signal, and an atomic microscope having the same, which can increase the reliability of an image obtained from the signals by obtaining the topography signal and the option signal at a stationary state at every point.
A method for obtaining a topography signal and an optional signal for a surface to be measured according to an embodiment of the present invention, a topography signal and an optional signal for the surface of the measurement object using a cantilever with a tip Is the way to get it. The method includes the step of approaching the cantilever on the surface of the measurement object, and obtaining a topography signal at a specific point using the cantilever while the measurement object is stopped at a predetermined position. ; A lifting step of dropping the cantilever and the measurement object in a Z direction after the topography signal acquisition step; Obtaining an option signal after the lifting step, an option signal obtaining step; And moving at least one of the measurement target and the cantilever in the XY direction. Including, the topography signal acquisition step, the lifting step, the option signal acquisition step and the moving step is repeated at least two times in succession, the option signal when performing one or more of the approaching step and the lifting step Get

Description

토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법, 장치 및 이를 구비하는 원자 현미경{TOPOGRAPHY SIGNAL AND OPTION SIGNAL ACQUISITION APPARATUS, METHOD AND ATOMIC FORCE MICROSCOPE HAVING THE SAME}A method for obtaining a topography signal and an optional signal, an apparatus and an atomic microscope equipped with the same {TOPOGRAPHY SIGNAL AND OPTION SIGNAL ACQUISITION APPARATUS, METHOD AND ATOMIC FORCE MICROSCOPE HAVING THE SAME}

본 발명은 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법, 장치 및 이를 구비하는 원자 현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 매 지점마다 정지된 상태에서 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻음으로써 신호들로부터 얻어지는 이미지의 신뢰성을 높일 수 있는 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법, 장치 및 이를 구비하는 원자 현미경에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for obtaining a topography signal and an option signal, and an atomic microscope having the same, more specifically, the reliability of an image obtained from signals by obtaining the topography signal and the option signal in a stationary state at every point It relates to a method and apparatus for obtaining a topography signal and an optional signal, and an atomic microscope having the same.

주사탐침현미경 (SPM, Scanning Probe Microscope) 은 MEMS공정 등을 통하여 제작된 미세한 프로브를 시료의 표면 위로 훑고 지나가게 하면서 (Scanning), 그 시료의 표면 특성을 측정하여 3D 이미지로 보여주는 현미경을 말한다. 이러한 주사탐침 현미경은 측정 방식에 따라, 원자현미경 (AFM, Atomic Force Microscope), 주사터널링현미경 (STM, Scanning Tunneling Microscope) 등으로 세분화된다.Scanning Probe Microscope (SPM) refers to a microscope that scans and passes a microscopic probe made through MEMS process on the surface of a sample (Scanning) to measure the surface characteristics of the sample and show it in a 3D image. The scanning probe microscope is subdivided into an atomic force microscope (AFM, atomic force microscope), a scanning tunneling microscope (STM), and the like, according to a measurement method.

원자현미경의 경우 캔틸레버 팁 (cantilever tip) 이 형성된 프로브를 사용하는데, 캔틸레버 팁에 특정 처리를 함으로써 토포그래피 (topography) 이외에도 시료의 표면의 다양한 물리적 성질을 매핑할 수 있다. 대표적으로 EFM (Elecrostatic Force Microscopy), MFM (Magnetic Force Microscopy) 등이 있는데, EFM 은 시료 표면의 전기적 특성, MFM은 자기적 특성을 매핑하는 원자 현미경 고유의 측정 방식이다.In the case of an atomic microscope, a probe with a cantilever tip is used. By performing a specific treatment on the cantilever tip, various physical properties of the surface of the sample can be mapped in addition to topography. Typically, there are EFM (Elecrostatic Force Microscopy), MFM (Magnetic Force Microscopy), etc. EFM is an atomic microscope-specific measurement method that maps the electrical properties of a sample surface and MFM is a magnetic property.

EFM은 바이어스 전압이 인가된 캔틸레버와 표면 사이의 정전력을 측정하여 시료 표면의 전기적 특성을 매핑하는 측정 방식이다. EFM에서는, 캔틸레버 팁이 표면에 접촉하지 않고 표면 위를 선회하는 동안 팁과 시료 사이에 전압을 인가한다. 시료 표면과 캔틸레버 팁 간의 정전력에 의해 캔틸레버가 휘어지게 되고, 이를 통해 정전력을 측정할 수 있다.EFM is a measurement method that maps the electrical properties of the sample surface by measuring the constant power between the cantilever and the surface to which the bias voltage is applied. In the EFM, a voltage is applied between the tip and the sample while the cantilever tip does not touch the surface and turns over the surface. The cantilever is bent by the constant power between the sample surface and the cantilever tip, and the constant power can be measured.

MFM도 EFM과 측정 방식은 유사한데, 차이점은 팁을 강자성 박막으로 코팅시키거나 자화시킨 MFM용 팁을 사용한다는 점이다. 즉, MFM은 자성을 띄는 팁을 이용하여 표면과의 자기력을 측정하게 된다.MFM is similar in measurement method to EFM, but the difference is that the tip is coated with a ferromagnetic thin film or magnetized to use a tip for MFM. In other words, the MFM measures magnetic force with a surface using a magnetic tip.

도 1은 원자현미경의 구조를 나타내는 개략적인 사시도이며, 도 2는 캔틸레버의 휨을 측정하는 원리를 설명한 개념도이며, 도 3은 원자현미경을 사용하여 표면 특성을 측정하는 방법을 설명한 순서도이며, 도 4는 EFM 및 MFM에 활용되는 2회 반복 기법을 설명한 개념도이다.1 is a schematic perspective view showing the structure of an atomic force microscope, FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the principle of measuring the bending of a cantilever, FIG. 3 is a flow chart illustrating a method of measuring surface properties using an atomic force microscope, and FIG. It is a conceptual diagram explaining the 2 iteration technique used in EFM and MFM.

도 1을 참조하면, 원자현미경 (10) 은, 측정 대상 (1) 의 표면을 접촉 또는 비접촉 상태로 따르는 캔틸레버 (프로브) (11) 와, 측정 대상 (1) 을 XY 평면에서 X 방향 및 Y 방향으로 스캔하는 XY 스캐너 (12) 와, 캔틸레버 (11) 와 연결되어 캔틸레버 (11) 를 Z 방향으로 상대적으로 작은 변위로 이동시키는 Z 스캐너 (13) 와, 캔틸레버 (11) 와 Z 스캐너 (13) 를 상대적으로 큰 변위로 Z 방향으로 이동시키는 Z 스테이지 (14) 와, XY 스캐너 (12) 와 Z 스테이지 (14) 를 고정하는 고정 프레임 (15) 을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the atomic force microscope 10 includes a cantilever (probe) 11 that follows the surface of the measurement object 1 in a contact or non-contact state, and the measurement object 1 in the X and Y directions in the XY plane. The XY scanner 12 to scan with, the Z scanner 13 connected to the cantilever 11 to move the cantilever 11 with a relatively small displacement in the Z direction, and the cantilever 11 and Z scanner 13 It comprises a Z stage 14 which moves in the Z direction with a relatively large displacement, and a fixed frame 15 that fixes the XY scanner 12 and the Z stage 14.

원자현미경 (10) 은 측정 대상 (1) 의 표면을 캔틸레버 (11) 로 스캔하여 토포그래피 등의 이미지를 얻는다. 측정 대상 (1) 의 표면과 캔틸레버 (11) 의 수평 방향의 상대이동은 XY 스캐너 (12) 에 의해 행하여질 수 있으며, 측정 대상 (1) 의 표면을 따르도록 캔틸레버 (11) 를 상하로 이동시키는 것은 Z 스캐너 (13) 에 의해 행하여질 수 있다.The atomic force microscope 10 scans the surface of the measurement object 1 with a cantilever 11 to obtain an image such as topography. The relative movement of the surface of the measurement object 1 and the cantilever 11 in the horizontal direction can be performed by the XY scanner 12, and the cantilever 11 is moved up and down to follow the surface of the measurement object 1. This can be done by the Z scanner 13.

도 2를 참조하면, 캔틸레버 (11) 의 휨 (deflection) 은 레이저 시스템에 의해 측정될 수 있는데, 구체적으로 휨 측정은 캔틸레버 (11) 에 주사되어 반사되는 레이저 빔 (16) 을 포토다이오드 센서 (17) 가 센싱함으로써 행할 수 있다. 이러한 포토다이오드 센서 (17) 에 의해 측정될 수 있는 것은 캔틸레버 (11) 의 휨 정보 뿐만이 아니라, 캔틸레버 (11) 가 진동하고 있는 경우에는 그 진폭이나 위상일 수도 있다.Referring to FIG. 2, the deflection of the cantilever 11 can be measured by a laser system. Specifically, the deflection measurement is performed by the photodiode sensor 17 that reflects the laser beam 16 that is scanned and reflected by the cantilever 11. ) Can be performed by sensing. What can be measured by the photodiode sensor 17 may be not only the bending information of the cantilever 11, but also the amplitude or phase when the cantilever 11 is vibrating.

이에 따라 토포그래피 신호를 얻는 경우, 캔틸레버 (11) 를 측정 대상 (1) 의 표면에 접촉하도록 한 상태로 XY 스캐너 (12) 에 의해 측정 대상 (1) 을 스캔 라인을 따라 스캔하면서 캔틸레버 (11) 의 휜 정도를 측정함으로써 토포그래피 이미지를 얻는 접촉 모드 (contact mode) 및 캔틸레버 (11) 를 공진 주파수로 진동시키면서 측정 대상 (1) 의 표면과 접촉시키지 않은 채로 캔틸레버 (11) 의 진동의 변동 (예를 들어, 주파수, 진폭, 위상 등) 을 피드백함으로써 토포그래피 이미지를 얻는 비접촉 모드 (non-contact mode) 가 도 2의 시스템으로서 구현 가능한 것이다.When the topography signal is thus obtained, the cantilever 11 is scanned while the measurement object 1 is scanned along the scan line by the XY scanner 12 with the cantilever 11 being brought into contact with the surface of the measurement object 1. Variation of the vibration of the cantilever 11 without contacting the surface of the measurement object 1 while vibrating the cantilever 11 and the contact mode to obtain a topographic image by measuring the degree of power of For example, a non-contact mode in which a topographic image is obtained by feedbacking frequency, amplitude, phase, etc.) can be implemented as the system of FIG. 2.

도 3을 참조하면, 측정 대상 (1) 은 스캔 라인을 따라 표면 특성이 변화되는 표면을 가지고 (S10), 이에 따라 캔틸레버 팁과 측정 대상 (1) 표면 간의 상호 힘 (interaction force) 이 변화된다 (S20). 이러한 변화는 캔틸레버 (11) 의 휨 (접촉 모드일 경우) 또는 캔틸레버 (11) 의 진동의 진폭 및 위상의 변화 (비접촉 모드일 경우) 를 야기한다 (S30). 이로 인하여, 포토다이오드 센서 (17) 에 의해 측정되는 레이저 신호가 변화되게 되며 (S40), 이러한 변화되는 레이저 신호가 전기적 신호로 원자현미경 (또는 컨트롤러) 으로 송신된다 (S50). 이 전기적 신호를 처리하여 2차원 혹은 3차원의 이미지가 생성되며 (S60), 이에 따라 측정 대상 (1) 의 표면의 표면 특성이 매핑된다.Referring to FIG. 3, the measurement object 1 has a surface whose surface characteristics are changed along the scan line (S10), whereby the interaction force between the cantilever tip and the measurement object 1 surface is changed ( S20). This change causes bending of the cantilever 11 (in contact mode) or change in amplitude and phase of vibration of the cantilever 11 (in non-contact mode) (S30). Due to this, the laser signal measured by the photodiode sensor 17 is changed (S40), and the changed laser signal is transmitted to the atomic force microscope (or controller) as an electrical signal (S50). By processing this electrical signal, a two-dimensional or three-dimensional image is generated (S60), and accordingly, surface characteristics of the surface of the measurement object 1 are mapped.

여기서, 표면 특성이란 토포그래피 (topography), 전기적 특성, 자기적 특성, 열적 특성 등일 수 있는데, 기본적으로는 이러한 특성을 매핑하는 방식은 도 3의 측정 방식을 모두 따른다. 특히, 전기적 특성과 자기적 특성은 캔틸레버 (11) 에 바이어스 전압을 인가한다던지 (EFM의 경우), 캔틸레버 (11) 표면에 강자성 박막 코팅을 행하던지 (MFM의 경우) 하여 얻어질 수 있는데, 이는 토포그래피를 얻을 때 사용되는 반데르발스 힘 이외의 다른 힘 (정전력, 자기력 등) 을 발생하게 함으로써 다른 상호 힘을 발생시키기 위함이다.Here, the surface properties may be topography, electrical properties, magnetic properties, thermal properties, etc. Basically, the method of mapping these properties follows the measurement method of FIG. 3. In particular, the electrical and magnetic properties can be obtained by applying a bias voltage to the cantilever 11 (for EFM) or by applying a ferromagnetic thin film coating to the cantilever 11 surface (for MFC), which is This is to generate a mutual force by generating a force (static power, magnetic force, etc.) other than the van der Waals force used when obtaining topography.

필연적으로 상호 힘들은 서로 중첩될 수 있는데, 예를 들어 EFM 모드에서 정전력을 측정할 때 반데르발스 힘이 영향을 미칠 수 있다. 이러한 경우에 측정 대상 (1) 표면의 전기적 특성을 매핑한 이미지에는 표면의 굴곡 등이 반영되어 신뢰성이 떨어지는 이미지가 얻어질 수 있다. 따라서, 중첩되는 힘들을 각각 분리하여 중첩되지 않는 EFM 또는 MFM 이미지를 얻는 것이 이미지의 신뢰성 측면에서 중요하다.Inevitably, mutual forces can overlap each other, for example, the van der Waals force can be influenced when measuring constant power in EFM mode. In this case, an image in which the electrical characteristics of the surface to be measured (1) is mapped may reflect a curvature of the surface, and thus an image with low reliability may be obtained. Therefore, it is important in terms of image reliability to separate overlapping forces to obtain non-overlapping EFM or MFM images.

위와 같은 문제점을 해결하고자, 당 업계에서는 힘 범위 기법 (force range technique) 과 2회 반복 기법 (two pass technique) 이 개발되었다. 힘 범위 기법이란 1차 스캔에서 반데르발스 힘이 우세한 영역에서 팁을 스캔하여 토포그래피 이미지를 얻고, 설정 지점을 변화시켜 정전력 또는 자기력이 우세한 권역으로 팁을 이동하고 스캔하여 EFM 혹은 MFM 이미지를 얻는 방식을 말한다.To solve the above problems, the force range technique and the two pass technique were developed in the art. The force range technique is a first scan to obtain a topographic image by scanning the tip in a region where van der Waals forces predominate, and by changing the set point to move and scan the tip into a region predominantly electrostatic or magnetic force to scan the EFM or MFM image. Say how to get.

도 4를 참조하면, 2회 반복 기법은 제1 스캔에서 토포그래피 이미지를 얻고, 제2 스캔에서는 팁 - 측정 대상 표면 간의 거리를 늘리고 1차 스캔에서 얻은 표면의 형상선을 따라 바이어스 전압이 인가된 팁을 스캔함으로써, EFM 이미지를 얻는 방식을 말한다 (여기서는 EFM 중심으로 설명하지만, MFM도 유사함).Referring to FIG. 4, the second repetition technique obtains a topography image in the first scan, increases the distance between the tip-surface to be measured in the second scan, and a bias voltage is applied along the shape line of the surface obtained in the first scan. Refers to a method of obtaining an EFM image by scanning a tip (this is explained in terms of EFM, but MFM is similar).

형상선은 팁 - 측정 대상 표면 간의 거리가 일정한 선이며, 결과적으로 반데르발스 힘이 일정한 선과 같으므로, 제2 스캔의 신호에 영향을 주는 힘의 변화는 오로지 정전력의 변화이다. 이에 따라 토포그래피 이미지가 중첩되지 않은 EFM 이미지를 얻을 수 있다.Since the shape line is a line having a constant distance between the tip and the surface to be measured, and consequently, the van der Waals force is the same as a constant line, the change in force affecting the signal of the second scan is only a change in static power. Accordingly, it is possible to obtain an EFM image in which the topography image is not superimposed.

그러나, 위와 같은 2회 반복 기법은 제1 스캔 이후, 제2 스캔에서 캔틸레버 (11) 가 형상선을 정확히 따라 움직일 것이 요구되며, 이것이 담보되지 않을 경우 이미지의 신뢰성에 의문이 갈 수 밖에 없다. 이러한 2회 반복 기법을 통한 이미지의 신뢰성을 높이기 위해서는 XY 스캐너 (12) 와 Z 스캐너 (13) 의 정밀성을 높이는 것 이외에도 제1 스캔과 제2 스캔 간의 시간 차이에 의해 발생할 수 있는 위치 변동 요인들 (예를 들어, 온도 차에 의한 드리프트 (thermal drift), 크립 (creep)) 을 최소화하는 것이 필요하다.However, the above-described two-repeat technique requires that the cantilever 11 is accurately moved along the contour line in the second scan after the first scan, and the reliability of the image is inevitably questioned if it is not secured. In addition to increasing the precision of the XY scanner 12 and the Z scanner 13, in order to increase the reliability of the image through the two-time iteration technique, position variation factors that may be caused by a time difference between the first scan and the second scan ( For example, it is necessary to minimize thermal drift and creep.

더욱이, 제1 스캔 시에 정전력이 팁에 어느 정도 영향을 미칠 수 있는데, 이러한 정전력의 간섭으로 인해 토포그래피 이미지가 왜곡될 수 있다. 이에 따라, 토포그래피 이미지를 이용해 얻은 제2 스캔의 형상선을 따라 움직인다 하더라도, 팁- 측정 대상 표면 간의 거리가 일정하게 유지되지 않을 가능성이 존재한다.Moreover, in the first scan, the static power may affect the tip to some extent, and the interference of the static power may distort the topographic image. Accordingly, even if it moves along the shape line of the second scan obtained using the topography image, there is a possibility that the distance between the tip and the surface to be measured is not kept constant.

하지만, 이러한 제1 스캔과 제2 스캔 간의 시간 차이에 의해 발생하는 위치 변동 요인들을 최소화하는 방법 및 제2 스캔 시 팁 - 측정 대상 표면 간의 거리를 일정하게 유지하는 방법에 대해 해결책을 제시한 원자현미경 장치는 현재 개시되어 있지 않다.However, Atomic Force Microscopy has proposed a solution for minimizing the position fluctuation factors caused by the time difference between the first scan and the second scan, and a method for keeping the distance between the tip and the surface to be measured constant during the second scan. The device is not currently disclosed.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 매 지점마다 정지된 상태에서 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻음으로써 신호들로부터 얻어지는 이미지의 신뢰성을 높일 수 있는 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법, 장치 및 이를 구비하는 원자 현미경을 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the problem to be solved in the present invention is to increase the reliability of an image obtained from signals by obtaining a topography signal and an option signal in a stopped state at every point. It is to provide a method and apparatus for obtaining a topography signal and an optional signal, and an atomic microscope having the same.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법은, 팁을 가진 캔틸레버를 사용하여 측정 대상의 표면에 대한 토포그래피 신호 (topography signal) 및 옵션 신호 (option signal) 를 얻기 위한 방법이다. 상기 방법은, 상기 측정 대상을 일정 위치에 정지시킨 상태로 상기 캔틸레버를 사용하여 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻는, 토포그래피 신호 획득 단계; 상기 토포그래피 신호 획득 단계 후 상기 캔틸레버와 상기 측정 대상 간을 Z 방향으로 떨어뜨리는, 리프팅 단계; 상기 리프팅 단계 후 옵션 신호를 얻는, 옵션 신호 획득 단계; 및 상기 측정 대상 및 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 이동시키는, 이동 단계; 를 포함하며, 상기 토포그래피 신호 획득 단계, 상기 리프팅 단계, 상기 옵션 신호 획득 단계 및 상기 이동 단계가 연속하여 적어도 2회 반복된다.The method for obtaining a topography signal and an optional signal for a surface to be measured according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a topography signal for a surface of a measurement object using a cantilever with a tip and This is how to get the option signal. The method includes: obtaining a topography signal at a specific point using the cantilever while the measurement object is stopped at a predetermined position; A lifting step of dropping the cantilever and the measurement object in the Z direction after the topography signal acquisition step; Obtaining an option signal after the lifting step, an option signal obtaining step; And moving at least one of the measurement target and the cantilever in the XY direction. It includes, the topography signal acquisition step, the lifting step, the option signal acquisition step and the moving step is repeated at least twice in succession.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 옵션 신호 획득 단계는 상기 캔틸레버의 진동이 사라질 때까지 기다린 후 행하여진다.Further, according to another feature of the present invention, the step of obtaining the option signal is performed after waiting for the vibration of the cantilever to disappear.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 리프팅 단계가 반복될 때, 상기 캔틸레버와 상기 측정 대상 간의 높이는 일정하다.Further, according to another feature of the present invention, when the lifting step is repeated, the height between the cantilever and the measurement object is constant.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이동 단계에서 상기 측정 대상은 일직선의 스캔 라인을 따라 일직선으로 스캔된다.Further, according to another feature of the present invention, in the moving step, the measurement object is scanned in a straight line along a straight scan line.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 토포그래피 신호 획득 단계는 상기 캔틸레버를 상기 측정 대상의 표면에 어프로치하는 단계를 포함한다.Further, according to another feature of the present invention, the step of acquiring the topography signal includes approaching the cantilever to the surface of the measurement object.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 어프로치하는 단계는 상기 캔틸레버가 상기 측정 대상의 표면에 접촉하도록 어프로치하는 단계이며, 상기 리프팅 단계는 힘-거리 곡선 (Force - Distance Curve) 을 추출하는 단계를 더 포함한다.In addition, according to another feature of the present invention, the approaching step is a step of approaching the cantilever to contact the surface of the measurement object, and the lifting step of extracting a force-distance curve It further includes.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 어프로치하는 단계 또는 상기 리프팅 단계에서, 상기 캔틸레버는 사인 모션 (sine motion) 으로 어프로치하거나 들어올려진다.Further, according to another feature of the present invention, in the approaching step or the lifting step, the cantilever is approached or lifted in a sine motion.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이동 단계에서, 상기 측정 대상은 사인 모션으로 이동된다.Further, according to another feature of the present invention, in the moving step, the measurement object is moved in a sine motion.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 옵션 신호는, 전기적 힘에 의한 신호 또는 자기적 힘에 의한 신호이다.Further, according to another feature of the present invention, the option signal is a signal by an electric force or a signal by a magnetic force.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 리프팅 단계의 수행 시에 옵션 신호를 얻는다.Further, according to another feature of the present invention, an optional signal is obtained when performing the lifting step.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 어프로치하는 단계의 수행 시에 옵션 신호를 얻는다.In addition, according to another feature of the present invention, when performing the approaching step, an option signal is obtained.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 리프팅 단계의 수행 시에 얻어지는 옵션 신호를 이용하여 높이에 따른 3차원 매핑을 수행하는 단계를 더 포함한다.In addition, according to another feature of the present invention, further comprising the step of performing a three-dimensional mapping according to the height using the option signal obtained when performing the lifting step.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 어프로치하는 단계의 수행 시에 얻어지는 옵션 신호를 이용하여 높이에 따른 3차원 매핑을 수행하는 단계를 더 포함한다.In addition, according to another feature of the present invention, further comprising the step of performing a three-dimensional mapping according to the height using the option signal obtained when performing the approach step.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 3차원 매핑을 수행하는 단계에서 얻어진 3차원 맵을 이용하여 상기 리프팅 단계에서의 리프팅 파라미터 (lifting parameter) 를 결정하는 단계를 더 포함한다.Further, according to another feature of the present invention, further comprising the step of determining a lifting parameter (lifting parameter) in the lifting step using the three-dimensional map obtained in the step of performing the three-dimensional mapping.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치는, 측정 대상과 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 상대 이동시키는 XY 이동 수단; 상기 측정 대상과 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 Z 방향으로 상대 이동시키는 Z 이동 수단; 및 상기 XY 이동 수단과 상기 Z 이동 수단의 운동을 제어하고, 상기 캔틸레버로부터 얻어지는 신호들을 수신하는 제어장치; 를 포함하며, 상기 제어장치는, 상기 XY 이동 수단을 정지시킨 상태로 상기 Z 이동 수단으로 상기 캔틸레버를 특정 지점에 어프로치하여 상기 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻고, 이후 상기 Z 이동 수단으로 상기 캔틸레버를 상기 측정 대상으로부터 Z 방향으로 들어올리고, 이후 옵션 신호를 얻음으로써, 상기 특정 지점에서의 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 획득하고, 이후 상기 XY 이동 수단을 이용하여 상기 측정 대상과 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 이동시켜 상기 특정 지점과 다른 특정 지점에서의 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 획득하는 것을 연속하여 적어도 2회 반복하도록, 상기 XY 이동 수단과 상기 Z 이동 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for acquiring a topography signal and an option signal according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes: XY moving means for relatively moving at least one of a measurement target and a cantilever in an XY direction; Z moving means for moving at least one of the measurement object and the cantilever relative to the Z direction; And a control device that controls movements of the XY moving means and the Z moving means and receives signals obtained from the cantilever. Including, the control device, the XY moving means in a state of stopping the cantilever with the Z moving means to approach the specific point to obtain the topography signal of the specific point, and then the Z moving means to the cantilever By lifting in the Z direction from the measurement object, and then obtaining an option signal, a topography signal and an option signal at the specific point are obtained, and then at least one of the measurement object and the cantilever is obtained using the XY moving means. It is characterized in that the XY moving means and the Z moving means are controlled so as to repeat at least two times in succession to obtain a topography signal and an optional signal at a specific point different from the specific point by moving in the XY direction.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 XY 이동 수단은 상기 측정 대상을 XY 방향으로 이동시키도록 구성된 XY 스캐너이다.Further, according to another feature of the present invention, the XY moving means is an XY scanner configured to move the measurement object in the XY direction.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 Z 이동 수단은 상기 캔틸레버를 Z 방향으로 이동시키도록 구성된 Z 스캐너이다.Further, according to another feature of the present invention, the Z moving means is a Z scanner configured to move the cantilever in the Z direction.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 옵션 신호는 전기적 힘에 의한 신호 또는 자기적 힘에 의한 신호이다.Further, according to another feature of the present invention, the option signal is a signal by an electric force or a signal by a magnetic force.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자 현미경은 상술한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치를 포함한다.The atomic microscope according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes the above-described topography signal and an optional signal acquisition device.

본 발명에 따른 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치에 따르면, 옵션 신호에 토포그래피 신호가 중첩되지 않고, 매 지점 (pixel) 마다 팁 - 측정 대상 표면 간의 거리를 일정하게 유지하기 때문에 시간 변화에 따라 발생할 수 있는 열 또는 크립 등에 의한 변형을 최소화하여 보다 신뢰성 높은 옵션 이미지를 얻을 수 있게 한다. 또한, 상술한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치에 따르면, 정지된 상태에서 토포그래피 신호 및 옵션 신호가 얻어지므로, 이동하면서 얻어지는 기존의 토포그래피 신호 및 옵션 신호에 의한 이동 평균 (moving averaging) 효과를 최소화하여, 더욱 선명한 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻을 수 있다. 또한, 토포그래피 신호에 옵션 신호의 중첩을 최소화하여 더욱 신뢰성 있는 신호를 얻을 수 있다.According to the method and apparatus for obtaining a topography signal and an option signal according to the present invention, the topography signal is not superimposed on the option signal, and the tip-to-pixel distance is maintained at a constant distance at each point, and thus the time is not changed. Accordingly, it is possible to obtain a more reliable option image by minimizing deformation caused by heat or creep. In addition, according to the above-described method and apparatus for obtaining the topography signal and the option signal, since the topography signal and the option signal are obtained in a stopped state, moving averaging by the existing topography signal and the option signal obtained while moving By minimizing the effect, a clearer topography signal and an optional signal can be obtained. In addition, it is possible to obtain a more reliable signal by minimizing the overlap of the option signal with the topography signal.

도 1은 원자현미경의 구조를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 캔틸레버의 휨을 측정하는 원리를 설명한 개념도이다.
도 3은 원자현미경을 사용하여 표면 특성을 측정하는 방법을 설명한 순서도이다.
도 4는 EFM 및 MFM에 활용되는 2회 반복 기법을 설명한 개념도이다.
도 5는 측정 대상의 측정 표면을 상측에서 바라본 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법의 순서도이다.
도 7은 어프로치 상태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 XY 스캐너 및 Z 스캐너의 운동 방식과 A-B 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9는 리프팅 단계 및 어프로치 단계에서 옵션 신호를 얻는 경우에 있어서의 XY 스캐너 및 Z 스캐너의 운동 방식과 A-B 신호를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9의 방식으로 얻어진 옵션 신호로 3차원 매핑을 행하는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 리프팅 단계 또는 어프로치하는 동안 옵션 신호를 얻음으로써 획득된 옵션 신호의 3차원 맵 및 단면도를 도시한다.
도 12는 SThM의 CCM 방식을 이용하여 캔틸레버를 어프로치하면서 얻은 휨값 및 캔틸레버에 인가되는 전류량에 관한 그래프이다.
1 is a schematic perspective view showing the structure of an atomic force microscope.
2 is a conceptual diagram illustrating the principle of measuring the bending of a cantilever.
3 is a flowchart illustrating a method of measuring surface properties using an atomic force microscope.
4 is a conceptual diagram illustrating a two-time iteration technique utilized in EFM and MFM.
5 is a plan view of the measurement surface of the measurement object as viewed from above.
6 is a flowchart of a method for obtaining a topography signal and an option signal of a surface to be measured according to an embodiment of the present invention.
7 is a conceptual diagram schematically showing an approach state.
8 is a graph showing the movement method and the AB signal of the XY scanner and the Z scanner.
Fig. 9 is a graph showing the movement method and the AB signal of the XY scanner and the Z scanner in the case of obtaining the option signal in the lifting step and the approach step.
10 are diagrams for explaining that 3D mapping is performed with the option signal obtained in the method of FIG. 9.
11 shows a three-dimensional map and cross-sectional view of an option signal obtained by obtaining an option signal during a lifting step or approach.
12 is a graph of the bending value obtained while approaching the cantilever and the amount of current applied to the cantilever using the CCM method of SThM.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 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. 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 knowledge in the technical field 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.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. An element or layer being referred to as another element or layer "on" includes all instances of other layers or other elements immediately above or in between.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various components, it goes without saying that these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical spirit of the present invention.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.The size and thickness of each component shown in the drawings are illustrated for convenience of description, and the present invention is not necessarily limited to the size and thickness of the illustrated component.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.Each of the features of the various embodiments of the present invention may be partially or totally combined with or combined with each other, and technically various interlocking and driving may be possible as those skilled in the art can fully understand, and each of the embodiments may be independently implemented with respect to each other. It can also be implemented together in an association relationship.

1. 기본적 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치1. Basic topography signal and optional signal acquisition method and device

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 측정 대상 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치에 대해 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for obtaining a topography signal and an optional signal on a surface to be measured according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

측정 대상 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법은 다양한 장치에서 활용될 수 있으나, 설명의 편의상 도 1 및 도 2의 원자 현미경 (10) 에서 구현되는 것을 예시한다.The method of obtaining the topography signal and the optional signal of the surface to be measured can be utilized in various devices, but for convenience of explanation, it is exemplified that it is implemented in the atomic microscope 10 of FIGS. 1 and 2.

도 5는 측정 대상의 측정 표면을 상측에서 바라본 평면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법의 순서도이다. 또한, 도 7은 어프로치 상태를 개략적으로 도시한 개념도이며, 도 8은 XY 스캐너 및 Z 스캐너의 운동 방식과 A-B 신호를 나타내는 그래프이다.5 is a plan view of the measurement surface of the measurement object as viewed from above, and FIG. 6 is a flowchart of a method for obtaining a topography signal and an option signal of the measurement object surface according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 7 is a conceptual diagram schematically showing the approach state, and FIG. 8 is a graph showing the movement method and the A-B signal of the XY scanner and the Z scanner.

도 5를 참조하면, 도 1과 같은 원자 현미경 (10) 에서는 측정 대상 (1) 의 표면 중 사각형의 스캔 영역 (MA) 에 대해 스캔을 행함으로써 토포그래피 신호 및 옵션 신호가 구해질 수 있다. 스캔 영역 (MA) 중에서 신호를 얻는 부분은 점 (A1, A2, A3 … ) 으로 표시되었으며, 이러한 각 지점 (즉, 픽셀 (pixel)) 마다 토포그래피 신호 및 옵션 신호가 얻어진다. 이러한 지점들은 그리드 형태로 매핑되어 미리 설정될 수 있다.Referring to FIG. 5, in the atomic microscope 10 as shown in FIG. 1, a topography signal and an optional signal can be obtained by scanning a rectangular scan area MA among the surfaces of the measurement object 1. The portion of the scan area MA that acquires a signal is indicated by points A1, A2, A3 ..., and a topography signal and an optional signal are obtained for each of these points (ie, pixels). These points may be mapped in a grid form and set in advance.

측정 대상 (1) 표면의 지점들의 측정 순서는 다양하게 설정될 수 있는데, 예를 들어 A1 (1, 1) → A2 (2, 1) → A3 (3, 1) 의 순서대로 측정할 수 있다. 이 경우 X 축과 평행한 방향으로 스캔 라인 l1 이 형성된다.The measurement order of the points on the surface of the measurement object (1) can be variously set, for example, A1 (1, 1) → A2 (2, 1) → A3 (3, 1). In this case, the scan line l 1 is formed in a direction parallel to the X axis.

스캔 라인 l1 상의 신호 획득이 완료되면, 다음 스캔 라인인 l2에서의 스캔이 진행된다. 이 때, 우측의 지점으로부터 좌측의 지점으로 스캔이 진행될 수도 있고, 그 반대일 수도 있다. 이러한 스캔 방향은 자유로이 선택될 수 있다. 예를 들어, 스캔 라인은 Y 축과 평행할 수도 있고, 직선이 아닐 수도 있다. 그러나, 신호의 획득 후 이미지 처리 과정의 복잡성 등을 고려할 때, 도 5와 같이 스캔 라인은 일직선인 것이 바람직하다.When the acquisition of the signal on the scan line l 1 is completed, the scan on the next scan line l 2 proceeds. At this time, the scan may proceed from the point on the right to the point on the left, or vice versa. The scan direction can be freely selected. For example, the scan line may or may not be parallel to the Y axis. However, considering the complexity of the image processing process after acquiring the signal, it is preferable that the scan line is straight as shown in FIG. 5.

스캔 영역 (MA) 내의 모든 지점에서의 신호 획득이 완료되면, 각 지점에서의 토포그래피 신호, 옵션 신호에 따른 이미지가 컨트롤러 (미도시) 의 프로세싱에 의해 도식화되어 도출될 수 있다. 이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여, 구체적인 신호 획득 방법에 대해 기술한다.When signal acquisition at all points in the scan area MA is completed, an image according to a topography signal at each point and an optional signal can be schematically derived by processing by a controller (not shown). Hereinafter, a specific signal acquisition method will be described with reference to FIGS. 6 to 8.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법은, 토포그래피 신호 획득 단계 (S110), 리프팅 단계 (S120), 옵션 신호 획득 단계 (S130), 이동 단계 (S140) 를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 6, a method for obtaining a topography signal and an optional signal on a surface to be measured according to an embodiment of the present invention includes a topography signal acquisition step (S110), a lifting step (S120), and an optional signal acquisition step (S130) , It comprises a moving step (S140).

먼저, 측정 대상 (1) 을 일정 위치에 정지시킨 상태로 캔틸레버 (즉, 프로브) (11) 를 사용하여 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻는다 (S110). 토포그래피 신호는 캔틸레버 (11) 에 형성된 팁을 측정 대상 (1) 의 표면에 어프로치 (approach) 상태에 있게 함으로써 얻어질 수 있다. 여기서, 특정 지점이란 도 5의 A1, A2, A3 와 같은 미리 결정된 지점일 수 있다.First, a topography signal at a specific point is obtained using a cantilever (ie, a probe) 11 while the measurement object 1 is stopped at a predetermined position (S110). The topography signal can be obtained by placing the tip formed on the cantilever 11 in an approach state to the surface of the measurement object 1. Here, the specific point may be a predetermined point such as A1, A2, A3 of FIG. 5.

도 7과 같이, 어프로치 상태란 측정 대상 (1) 의 표면과의 반데르발스 힘에 의해 상호 작용력이 어느 정도 작용한 상태에서 피드백 가능하게 유지된 채로 토포그래피 신호를 얻을 수 있도록 준비된 상태를 의미하며, 이러한 어프로치 상태는 원자현미경 (10) 의 측정 모드에 따라 다양하게 정의될 수 있다. 예를 들어, 이러한 어프로치 상태는 캔틸레버 (11) 의 팁을 측정 대상 (1) 의 표면에 접촉하도록 함으로써 일정 정도 휜 상태로 위치되도록 피드백한 상태 [이를 접촉 모드 (contact mode) 에서의 어프로치 상태라고 한다] 와, 캔틸레버 (11) 를 공진 주파수로 진동시킨 후 측정 대상 (1) 의 표면에 근접시켜 측정 대상 (1) 의 표면에 접촉하지 않은 채 진동되는 주파수가 일정 정도 이동된 상태로 캔틸레버 (11) 가 위치되도록 피드백한 상태 [이를 비접촉 모드 (non-contact mode) 에서의 어프로치 상태라고 한다] 를 포함할 수 있다. 또한, 어프로치 상태는, 캔틸레버 (11) 가 일정 주파수로 진동하면서 측정 대상 (1) 의 표면을 치도록 하여 피드백한 상태 [이를 탭핑 모드 (tapping mode) 에서의 어프로치 상태라고 한다] 도 포함할 수 있다.As shown in FIG. 7, the approach state refers to a state prepared to obtain a topography signal while being able to feedback in a state in which an interaction force is applied to a certain degree by a van der Waals force with the surface of the object to be measured (1). , This approach state may be variously defined according to the measurement mode of the atomic force microscope 10. For example, such an approach state is a state in which the tip of the cantilever 11 is brought into contact with the surface of the measurement object 1, so that it is fed back in a state of being deflected to a certain degree [this is called an approach state in contact mode]. ], And the cantilever 11 is vibrated at a resonant frequency and then brought close to the surface of the object 1 to be measured, and the cantilever 11 is moved in a state in which the oscillating frequency is moved to a certain degree without contacting the surface of the object 1 to be measured. It may include a state that is fed back so that it is located (this is called an approach state in a non-contact mode). In addition, the approach state may also include a state in which the cantilever 11 is fed back by hitting the surface of the measurement object 1 while vibrating at a constant frequency (this is referred to as an approach state in a tapping mode). .

토포그래피 신호는 어프로치 상태로 캔틸레버 (11) 가 위치할 때 캔틸레버 (11) 의 높이에 관한 신호 예를 들어, 피드백 온 상태 (Z servo on) 에서 Z 스캐너 (13) 의 길이 신호에 해당한다. 여기서, Z 스캐너 (13) 의 길이 신호란 Z 스캐너 (13) 를 구동하는 액츄에이터의 길이 변동 신호일 수 있는데, 예를 들어 액츄에이터에 인가되는 전압 신호, 또는 액츄에이터에 부착된 스트레인 게이지 센서 (strain gauge sensor) 에 의해 측정된 액츄에이터의 길이와 관련된 신호일 수 있다. 이외에도 다양한 방식으로 토포그래피 신호가 얻어질 수 있으며, 공지의 방식을 포함할 수 있다.The topography signal corresponds to a signal relating to the height of the cantilever 11 when the cantilever 11 is positioned in an approach state, for example, a length signal of the Z scanner 13 in a feedback on state (Z servo on). Here, the length signal of the Z scanner 13 may be a length variation signal of the actuator that drives the Z scanner 13, for example, a voltage signal applied to the actuator, or a strain gauge sensor attached to the actuator. It may be a signal related to the length of the actuator measured by. In addition, the topography signal may be obtained in various ways, and may include known methods.

즉, 토포그래피 신호는 측정 대상 (1) 의 표면과 캔틸레버 (11) 의 팁 간의 반데르발스 힘에 의한 상호 힘이 작용되는 영역 내에서 얻어진다. 이에 따라 캔틸레버 (11) 는 하강되어 측정 대상 (1) 의 표면과 어프로치 상태에 있게 된다.That is, the topography signal is obtained within a region where mutual forces due to van der Waals forces between the surface of the measurement object 1 and the tip of the cantilever 11 are applied. Accordingly, the cantilever 11 is lowered to be in an approach state with the surface of the measurement target 1.

어프로치 이후에는 일정 시간 동안 대기시키면서 토포그래피 신호를 얻게 된다. 이때에는 피드백 온 상태를 유지함이 바람직한데, 피드백 온 상태란 접촉 모드에서는 캔틸레버의 휨이 일정 정도에 유지되도록 서로 접촉한 상태에서 Z 스캐너 (13) 를 피드백하는 상태를 나타내며, 비접촉모드에서는 캔틸레버의 공진 주파수가 일정 주파수로 유지되도록 Z 스캐너 (13) 를 피드백하는 상태를 나타낸다. 즉, 피드백 온 상태란 캔틸레버 (11) 의 팁과 측정 대상 (1) 의 표면 간에 일정한 간격을 유지하거나, 캔틸레버 (11) 의 휨이 일정하도록 피드백이 작동하는 상태를 의미한다.After the approach, the topography signal is obtained while waiting for a certain period of time. In this case, it is desirable to maintain the feedback-on state. The feedback-on state refers to a state in which the Z scanner 13 is fed back in contact with each other so that the cantilever bending is maintained at a certain level in the contact mode, and in the non-contact mode, the resonance of the cantilever The state in which the Z scanner 13 is fed back is shown so that the frequency is maintained at a constant frequency. That is, the feedback-on state means a state in which the feedback operates to maintain a constant distance between the tip of the cantilever 11 and the surface of the measurement object 1, or to allow the bending of the cantilever 11 to be constant.

여기서 토포그래피 신호를 얻는 일정 시간이란 수 밀리초일 수도 있고, 예를 들어 2~3ms 일 수도 있다. 토포그래피 신호는 여러 번 측정하여 평균값으로 얻어질 수도 있고, 이외의 다른 방식으로 얻어질 수도 있다.Here, the constant time for obtaining the topography signal may be several milliseconds, for example, 2 to 3 ms. The topography signal may be obtained by measuring multiple times and obtaining an average value, or may be obtained by other methods.

토포그래피 신호가 얻어지면 캔틸레버 (11) 를 측정 대상 (1) 의 표면으로부터 Z 방향으로 들어올린다 (S120). 이 때, 피드백 오프 상태 (Z servo off) 를 먼저 만든 후 캔틸레버 (11) 를 들어올리는 것이 바람직하다.When the topography signal is obtained, the cantilever 11 is lifted from the surface of the measurement object 1 in the Z direction (S120). At this time, it is preferable to first make the feedback off state (Z servo off) and then lift the cantilever (11).

캔틸레버 (11) 가 들어올려지는 높이는 토포그래피 신호가 얻어지지는 않으면서 (즉, 반데르발스 힘이 캔틸레버 (11) 에 영향을 적게 혹은 아예 미치지 않으면서) 옵션 신호가 효과적으로 얻어질 수 있도록 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 옵션 신호로서 EFM 신호를 얻고자 하는 경우, 캔틸레버 (11) 가 들어올려지는 높이는 약 50~200 nm 일 수도 있다. 이러한 높이의 설정은 측정 대상 (1) 의 전기적, 자기적 힘의 크기, 측정 대상 (1) 의 종류 등에 달라질 수 있으므로, 측정 시 적절히 선정하면 된다. 이 외에도 높이를 측정에 의해 적절히 선정할 수도 있는데, 이는 뒤에 자세히 서술한다.The height at which the cantilever 11 is lifted is varied so that the optional signal can be effectively obtained without obtaining a topography signal (i.e., a van der Waals force having little or no effect on the cantilever 11). Can be set. For example, when an EFM signal is to be obtained as an optional signal, the height at which the cantilever 11 is lifted may be about 50 to 200 nm. Since the setting of the height may vary depending on the size of the electrical and magnetic forces of the measurement object 1, the type of the measurement object 1, etc., it may be appropriately selected during measurement. In addition to this, the height may be appropriately selected by measurement, which will be described later in detail.

또한, 캔틸레버 (11) 가 들어올려지는 높이는 리프팅 단계 (S120) 가 반복될 경우에 일정하도록 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 하나의 스캔 영역 (MA) 의 이미지 동안에 캔틸레버 (11) 가 들어올려지는 높이는 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the height at which the cantilever 11 is lifted is set to be constant when the lifting step S120 is repeated. That is, it is preferable to set the height at which the cantilever 11 is lifted during the image of one scan area MA.

한편, 접촉 모드로 어프로치되었던 캔틸레버 (11) 가 들어올려질 때 포토다이오드 센서 (17) 에 의해 캔틸레버 (11) 가 휘는 정도를 측정할 수 있고, 이를 활용하면 힘-거리 곡선 (Force-Distance curve) 이 얻어질 수 있다. 힘-거리 곡선에 의하면 표면 오염물의 점도, 윤할재 두께 등의 표면 정보가 획득될 수 있다. 이에 따라 힘-거리 곡선을 더 얻고 싶다면, 접촉 모드로 어프로치를 한 후 토포그래피 신호를 얻는 것이 바람직하다.On the other hand, when the cantilever 11, which was approached in the contact mode, is lifted, the degree of bending of the cantilever 11 by the photodiode sensor 17 can be measured, and utilizing this, force-distance curve This can be obtained. According to the force-distance curve, surface information such as viscosity of a surface contaminant and thickness of a lubricating material can be obtained. Therefore, if you want to obtain more force-distance curves, it is desirable to obtain a topography signal after approaching in contact mode.

한편, 리프팅 단계 (S120) 시에도 옵션 신호를 얻을 수도 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.On the other hand, it is also possible to obtain an option signal in the lifting step (S120). This will be described later in detail.

리프팅 단계 (S120) 이후, 옵션 신호를 얻는다 (S130). 여기서 옵션 신호는 전기적 힘에 의한 신호 (EFM 신호) 또는 자기적 힘에 의한 신호 (MFM 신호) 일 수 있다.After the lifting step (S120), an option signal is obtained (S130). Here, the option signal may be an electrical force signal (EFM signal) or a magnetic force signal (MFM signal).

구체적으로는, 리프팅 단계 (S120) 직후에 예를 들어 캔틸레버 (11) 에 AC 바이어스를 인가하거나 (EFM의 경우), 캔틸레버 (11) 를 진동시킨다 (MFM의 경우). 자세한 설명은 후술한다.Specifically, immediately after the lifting step (S120), for example, AC bias is applied to the cantilever 11 (for EFM) or the cantilever 11 is vibrated (for MFC). Details will be described later.

옵션 신호를 얻기 위해서는 기본적인 원자 현미경에 부가적인 준비가 필요할 수도 있다. 예를 들어, EFM 신호를 얻기 위해서는 캔틸레버 (11) 가 도전성 물질로 도포되어야 하며, MFM 신호를 얻기 위해서는 캔틸레버 (11) 가 강자성 물질로 도포되거나 외부의 자석에 의해 자성화되어야 한다. EFM 용 캔틸레버의 예시로는 마이크로 매쉬 사 (Mikromasch) 사의 NSC14/CR-AU, NSC36/CR-AU, 나노센서스 사 (Nanosensors) 의 PPP-NCSTAu, PPP-EFM, CDT-CONTR, CDT-NCHR 등이 있다. Additional preparation may be necessary for a basic atomic microscope to obtain an optional signal. For example, in order to obtain an EFM signal, the cantilever 11 must be coated with a conductive material, and in order to obtain an MFM signal, the cantilever 11 must be coated with a ferromagnetic material or magnetized by an external magnet. Examples of cantilevers for EFM include NSC14 / CR-AU, NSC36 / CR-AU from Micromasch, PPP-NCSTAu, PPP-EFM, CDT-CONTR, CDT-NCHR from Nanosensors, etc. have.

옵션 신호를 얻기 위해서는 다양한 방식이 채택될 수 있다. 예를 들어, 전기적 힘을 측정하기 위해서는 측정 대상 (1) 과 캔틸레버 (11) 에 Vaccosωt의 형태를 가지는 AC 바이어스를 각각 인가하고, 포토다이오드 센서 (17) 로부터 캔틸레버 (11) 의 진동 정보를 락인 앰프 (lock in amplifier) 에 의해 처리하여 ω로 진동하는 캔틸레버 (11) 에 대한 진폭 (amplitude) 및 위상 (phase) 을 얻는다. 여기서, ω에 대한 진폭 및 위상은 캔틸레버 (11) 와 측정 대상 (1) 표면 간의 정전력에 의해 달라지게 되는데, 이를 측정하면 전기적 힘에 대한 정보를 얻을 수 있다.Various methods can be adopted to obtain the option signal. For example, in order to measure electrical force, AC biases having the form of V ac cosωt are applied to the measurement object 1 and the cantilever 11, respectively, and vibration information of the cantilever 11 is transmitted from the photodiode sensor 17. Processed by a lock in amplifier to obtain the amplitude and phase for the cantilever 11 vibrating at ω. Here, the amplitude and phase for ω are varied by the constant power between the cantilever 11 and the surface of the measurement object 1, and measurement of this can provide information on the electrical force.

또한, 예를 들어, 자기적 힘을 측정하기 위해서는 일정한 주파수로 캔틸레버 (11) 를 진동시킨 후, 자력으로 인한 캔틸레버의 진동의 진폭 또는 위상의 변화를 얻게 된다. 따라서, 캔틸레버의 진동의 진폭 및 위상 (또는 그 변화량) 이 MFM 신호에 해당될 수 있다. 이 때에도, 락인 앰프가 사용될 수 있다.In addition, for example, to measure the magnetic force, after vibrating the cantilever 11 at a constant frequency, a change in amplitude or phase of vibration of the cantilever due to magnetic force is obtained. Therefore, the amplitude and phase (or the amount of change) of the vibration of the cantilever may correspond to the MFM signal. Again, a lock-in amplifier can be used.

한편, 락인 앰프는 원자 현미경의 컨트롤러 내부에 내장될 수도 있고, 외부에 별도로 구비될 수도 있다는 점에 유의해야 한다.On the other hand, it should be noted that the lock-in amplifier may be embedded inside the controller of the atomic microscope, or may be separately provided outside.

위에서 설명한 EFM 신호 및 MFM 신호 이외에도 다양한 형식의 옵션 신호가 존재할 수 있는데, 옵션 신호란 토포그래피 신호 이외의 신호를 통칭함에 유의해야 한다. 예를 들어, SThM 신호 (SThM 에러값, 캔틸레버에 인가되는 전류, 휨값 등) 도 이에 포함될 수 있다. 그런데, SThM 신호의 경우, EFM 신호 및 MFM 신호를 얻는 것과 상이한 방법에 의해 얻어지기 때문에 이에 대해서는 별도로 후술한다.In addition to the EFM signal and the MFM signal described above, there may be various types of option signals. It should be noted that the option signals collectively refer to signals other than the topography signal. For example, the SThM signal (SThM error value, current applied to the cantilever, bending value, etc.) may also be included in this. However, since the SThM signal is obtained by a method different from that of obtaining the EFM signal and the MFM signal, this will be described later separately.

한편, 리프팅 단계 (120S) 가 완료된 직후에는 측정 대상 (1) 으로부터 캔틸레버 (11) 가 떨어질 때 발생하는 진동이 남아있을 수 있으므로, 일정 시간 기다린 후 옵션 신호를 획득하는 것이 바람직하다.On the other hand, immediately after the lifting step 120S is completed, since vibrations that occur when the cantilever 11 falls from the measurement object 1 may remain, it is preferable to wait for a certain period of time to obtain an option signal.

또한, 도 8과 같이 옵션 신호 획득 단계 (S130) 를 일정 기간 유지하고 측정값을 에버리징 (averaging) 할 수 있으며, 이 경우 더욱 정확한 옵션 신호가 얻어질 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8, the option signal acquisition step (S130) may be maintained for a certain period and a measurement value may be averaging, in which case a more accurate option signal may be obtained.

측정 대상을 XY 방향으로 이동시킨다 (S140). 여기서 이동 단계 (S140) 는 옵션 신호 획득 단계 (S130) 가 완료된 후 행하여 져야 한다.The measurement object is moved in the XY direction (S140). Here, the moving step (S140) should be performed after the option signal obtaining step (S130) is completed.

도 5에서 A1 (1, 1) 에서의 토포그래피 신호 및 옵션 신호가 얻어졌다면, 이동 단계 (S140) 완료 후에는 캔틸레버 팁이 A2 (2, 1) 를 향하고 있게 된다. 즉, 측정을 위한 다음 지점인 A2로 측정 대상 (1) 또는 캔틸레버 (11) 가 이동될 수 있다. 이 경우 정해진 스캔이 완료되지 않은 것으로 판단되면 (S150의 No) 다시 토포그래피 신호 획득 단계 (S110) 가 반복되며, 순차적으로 리프팅 단계 (S120), 옵션 신호 획득 단계 (S130) 및 이동 단계 (S140) 가 반복된다. 반복되다가 측정하고자 하는 모든 지점에서의 신호 획득이 완료되면 (S150의 Yes) 본 방법은 종료된다.If the topography signal and the optional signal in A1 (1, 1) are obtained in Fig. 5, the cantilever tip is facing A2 (2, 1) after completion of the moving step (S140). That is, the measurement target 1 or the cantilever 11 may be moved to A2, the next point for measurement. In this case, if it is determined that the predetermined scan has not been completed (No in S150), the topography signal acquisition step (S110) is repeated, and the lifting step (S120), the optional signal acquisition step (S130), and the moving step (S140) are sequentially performed. Is repeated. When the acquisition of signals at all points to be measured is repeated and completed (Yes in S150), the method ends.

도 8을 참조하여, 다시 상술한 단계들을 시간에 따른 XY 방향의 이동량, A-B 신호 및 Z 방향의 이동량 그래프로 설명한다.Referring to FIG. 8, the above-described steps will be described again with a graph of a movement amount in the XY direction, an A-B signal, and a movement amount in the Z direction over time.

도 8의 (a) 를 참조하면, XY 방향으로 측정 대상 (1) 은 연속적으로 이동하는 것이 아니고 정지 구간을 과도적으로 가지면서 한쪽 방향 (즉, 스캔 방향) 으로 이동된다. 또한, 도 8의 (c) 를 참조하면, 캔틸레버 (11) 팁과 측정 대상 (1) 의 표면 간의 거리는 주기적으로 가까워졌다 멀어졌다를 반복하되, 정지 구간을 과도적으로 가진다.Referring to (a) of FIG. 8, the measurement object 1 is not continuously moved in the XY direction, but is moved in one direction (ie, the scan direction) while having a stop section excessively. Further, referring to FIG. 8 (c), the distance between the tip of the cantilever 11 and the surface of the object to be measured 1 is periodically close and farther away, but has a stop section excessively.

도 8을 다시 참조하면, 토포그래피 신호 획득 단계 (S110) 에서는 Z 방향으로 캔틸레버 (11) 가 아래 방향으로 이동하여 측정 대상 (1) 의 표면에 어프로치되고, 일정 시간 동안 토포그래피 신호를 획득한다. 이 때, XY 방향으로는 측정 대상 (1) 이 이동되지 않는다. 이후, Z 방향으로 캔틸레버 (11) 가 들어올려지고 (S120), 이후 Z 방향으로 이동을 멈춘 채 옵션 신호를 얻는다 (S130). 옵션 신호를 얻는 동안 (S130) 에는 XY 방향으로 측정 대상 (1) 이 동되지 않고 정지된다. 옵션 신호가 얻어지면, 측정 대상 (1) 이 XY 방향으로 이동되고 (S140), 이후 다시 토포그래피 신호 획득 단계 (S110) 가 다른 지점에서 시작된다.Referring to FIG. 8 again, in the topography signal acquisition step (S110), the cantilever 11 is moved downward in the Z direction to approach the surface of the measurement object 1 and acquires the topography signal for a certain time. At this time, the measurement target 1 does not move in the XY direction. Thereafter, the cantilever 11 is lifted in the Z direction (S120), and then an option signal is obtained while the movement in the Z direction is stopped (S130). While obtaining the option signal, the measurement target 1 is not moved in the XY direction (S130) and is stopped. When the option signal is obtained, the measurement object 1 is moved in the XY direction (S140), and then the topography signal acquisition step (S110) is started again at another point.

도 8의 (b) 를 참조하여, 신호 획득 방법에 대해서 설명한다. A-B 신호는 도 2의 포토다이오드 센서 (17) 의 상측 영역과 하측 영역에서 얻어지는 전압의 차이를 말하는데, 결과적으로 캔틸레버 (11) 의 휨 정도를 의미한다.Referring to FIG. 8B, the signal acquisition method will be described. The A-B signal refers to the difference between the voltages obtained in the upper region and the lower region of the photodiode sensor 17 of FIG. 2, and as a result, means the degree of deflection of the cantilever 11.

팁을 측정 대상 (1) 의 표면에 어프로치하는 동안에는 Z 방향으로 측정 대상 (1) 을 향해 하측으로 캔틸레버 (11) 가 이동하게 되며, 이때 하강 초기에는 캔틸레버 (11) 가 휘지 않다가 측정 대상 (1) 의 표면에 팁이 접촉하는 순간 (또는 반데르발스 힘에 의해 영향을 받는 순간) 캔틸레버 (11) 는 휘게 되며 (A-B 신호의 증가), 어프로치의 완료 후에는 A-B 신호가 피드백 온 상태 (Z servo on) 에 의해 일정하게 유지된다.While the tip is approached to the surface of the object to be measured (1), the cantilever (11) moves downward toward the object to be measured (1) in the Z direction. ), The moment the tip touches the surface (or the moment it is affected by the van der Waals force), the cantilever 11 bends (increases the AB signal), and after completing the approach, the AB signal is fed back on (Z servo on).

이후, 토포그래피 신호를 획득한 후 다시 캔틸레버 (11) 를 상승시키면 A-B 신호는 다시 감소하게 된다. 이후 옵션 신호 획득 단계 (S130) 에서는 AC 바이어스와 정전력의 상호 작용에 의해 (EFM의 경우), 팁의 자성과 자기력의 상호 작용에 의해 (MFM의 경우) 캔틸레버 (11) 가 진동하게 되며, A-B 신호가 진동하게 된다. 옵션 신호 획득 단계 (S130) 이후에 A-B 신호는 다시 일정하게 유지된다.Then, after obtaining the topography signal and raising the cantilever 11 again, the A-B signal is reduced again. Thereafter, in the step of acquiring the optional signal (S130), the cantilever 11 is vibrated by the interaction of AC bias and constant power (for EFM), and the interaction between the magnetic force and magnetic force of the tip (for MFC), and AB The signal vibrates. After the option signal acquisition step (S130), the A-B signal remains constant again.

한편, 어프로치 과정 (S110에 포함) 및 리프팅 단계 (S120) 에서 캔틸레버 (11) 는 사인 모션 (sine motion) 으로 어프로치하거나 들어올려지는 것이 정지 후 진동을 최소화할 수 있다는 점, 캔틸레버 (11) 의 팁의 손상을 방지할 수 있다는 점에서 바람직하다.On the other hand, in the approach process (included in S110) and in the lifting step (S120), the cantilever 11 is approached or lifted in a sine motion to minimize vibration after stopping, the tip of the cantilever 11 It is preferable in that it can prevent damage.

또한, 이동 단계 (S140) 에서 측정 대상 (1) 도 사인 모션으로 이동되는 것이 정지 후 진동을 최소화할 수 있다는 점에서 바람직하다.In addition, it is preferable in the moving step (S140) that the object to be measured (1) is moved in a sine motion to minimize vibration after stopping.

상술한 측정 대상 (1) 의 표면의 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻기 위한 방법은 원자 현미경 (AFM; Atomic Force Microsope) 에 의해 행하여질 수 있다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 구체적인 장치 구성에 대해서 설명한다.The method for obtaining the topography signal and the optional signal on the surface of the measurement object 1 described above can be performed by an atomic force microscope (AFM). Hereinafter, a specific device configuration will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

이동 단계 (S140) 의 수행은 XY 이동 수단에 의해 행하여질 수 있다. XY 이동 수단은 측정 대상 (1) 및 캔틸레버 (11) 중 적어도 하나를 XY 방향으로 상대 이동시킨다. 도 1의 예시에서는 XY 이동 수단은 XY 스캐너 (13) 로서 측정 대상 (1) 을 XY 방향으로 이동시킨다.The performing of the moving step S140 can be performed by XY moving means. The XY moving means relatively moves at least one of the measurement target 1 and the cantilever 11 in the XY direction. In the example of FIG. 1, the XY moving means moves the measurement object 1 in the XY direction as the XY scanner 13.

XY 스캐너의 예시로서는, 한국특허 공개번호 제10-2004-0106699호 및 한국특허 공개번호 제10-2014-0065031호를 참조할 수 있으며, 이외에도 XY 방향으로 측정 대상 (1) 과 캔틸레버 (11) 간의 상대 위치를 정밀하게 포지셔닝할 수 있는 스캐너이면 어떤 종류의 스캐너도 사용될 수 있다.As an example of an XY scanner, reference may be made to Korean Patent Publication No. 10-2004-0106699 and Korean Patent Publication No. 10-2014-0065031, in addition, between the measurement object (1) and the cantilever (11) in the XY direction. Any type of scanner can be used as long as it is a scanner capable of precisely positioning relative positions.

토포그래피 신호 획득 단계 (S110) 및 리프팅 단계 (S120) 의 수행은 Z 이동 수단에 의해 행하여질 수 있다. Z 이동 수단은 측정 대상 (1) 및 캔틸레버 (11) 중 적어도 하나를 Z 방향으로 상대 이동시킨다. 도 1의 예시에서는 Z 이동 수단은 Z 스캐너 (14) 로서, 캔틸레버 (11) 를 Z 방향으로 이동시킨다.The performance of the topography signal acquisition step (S110) and the lifting step (S120) can be performed by Z moving means. The Z moving means relatively moves at least one of the measurement target 1 and the cantilever 11 in the Z direction. In the example of FIG. 1, the Z moving means is the Z scanner 14, and moves the cantilever 11 in the Z direction.

Z 스캐너의 예시로서는, 한국특허 공개번호 제10-2003-0068375호 및 한국특허 출원번호 제10-2013-0078245호를 참조할 수 있으며, 이외에도 Z 방향으로 측정 대상 (1) 과 캔틸레버 (11) 간의 상대 위치를 정밀하게 포지셔닝할 수 있는 스캐너이면 어떤 종류의 스캐너도 사용될 수 있다.As an example of the Z scanner, reference may be made to Korean Patent Publication No. 10-2003-0068375 and Korean Patent Application No. 10-2013-0078245, in addition, between the measurement object 1 and the cantilever 11 in the Z direction. Any type of scanner can be used as long as it is a scanner capable of precisely positioning relative positions.

제어장치는 XY 이동 수단과 Z 이동 수단의 운동을 제어하고, 캔틸레버 (11) 로부터 얻어지는 신호들을 수신하고, 이를 처리한다. 제어장치는, 상술한 도 8과 같이 XY 구동 수단 및 Z 구동 수단이 이동될 수 있도록 제어 신호를 생성하여 XY 구동 수단 및 Z 구동 수단에 보내고, 캔틸레버 (11) 의 피드백 온 상태에서는 피드백을 행하고, 얻어진 토포그래피 신호로부터 토포그래피 이미지를 만들고, 얻어진 옵션 신호로 옵션 신호에 대한 이미지 (예를 들어, EFM amplitude image, EFM phase image, MFM amplitude image, MFM phase image 등) 를 만드는 것 등을 수행하도록 구성된다.The control device controls the movement of the XY moving means and the Z moving means, receives signals obtained from the cantilever 11, and processes them. The control device generates a control signal so that the XY driving means and the Z driving means can be moved as shown in FIG. 8 described above, and sends them to the XY driving means and the Z driving means, and performs feedback in the feedback on state of the cantilever 11, Constructed to create a topography image from the obtained topography signal, and perform an image for the option signal (e.g., EFM amplitude image, EFM phase image, MFM amplitude image, MFM phase image, etc.) with the obtained option signal, etc. do.

제어장치는 여러 개의 보드로 구성된 컨트롤러, 컴퓨터, 락인 앰프 등을 포함할 수 있다. 즉, 제어장치는 모든 것이 하나로 내장된 시스템일 수도 있고, 물리적으로 떨어져서 각각의 기능을 수행하는 장치들의 집합일 수도 있다.The control device may include a controller composed of several boards, a computer, and a lock-in amplifier. That is, the control device may be a system in which everything is built in one, or may be a set of devices that physically separate and perform each function.

한편, 도 1 및 도 7과 관련된 레이저 시스템에 대해서는 공지의 시스템을 사용하면 되고, 특히 한국 특허등록 번호 제10-0646441호의 시스템이 사용될 수도 있다.Meanwhile, a known system may be used for the laser systems related to FIGS. 1 and 7, and a system of Korean Patent Registration No. 10-0646441 may also be used.

상술한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치에 따르면, 옵션 신호에 토포그래피 신호가 중첩되지 않고, 매 지점 (pixel) 마다 팁 - 측정 대상 표면 간의 거리를 일정하게 유지하기 때문에 시간 변화에 따라 발생할 수 있는 열 또는 크립 등에 의한 변형을 최소화하여 보다 신뢰성 높은 옵션 이미지를 얻을 수 있게 한다. 또한, 상술한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법 및 장치에 따르면, 정지된 상태에서 토포그래피 신호 및 옵션 신호가 얻어지므로, 이동하면서 얻어지는 기존의 토포그래피 신호 및 옵션 신호에 의한 이동 평균 (moving averaging) 효과를 최소화하여, 더욱 선명한 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 얻을 수 있다. 또한, 토포그래피 신호에 옵션 신호의 중첩을 최소화하여 더욱 신뢰성 있는 신호를 얻을 수 있다.According to the above-described method and apparatus for obtaining the topography signal and the option signal, the topography signal is not superimposed on the option signal, and the tip-for-pixel distance is maintained at a constant distance. By minimizing the deformation caused by heat or creep, it is possible to obtain a more reliable option image. Further, according to the above-described method and apparatus for obtaining the topography signal and the option signal, since the topography signal and the option signal are obtained in a stopped state, moving averaging by the existing topography signal and the option signal obtained while moving By minimizing the effect, a clearer topography signal and an optional signal can be obtained. In addition, it is possible to obtain a more reliable signal by minimizing the overlap of the option signal with the topography signal.

2. 리프팅 단계 또는 어프로치하는 도중에서의 옵션 신호 획득에 의한 3차원 매핑 (3D mapping)2. 3D mapping by acquiring optional signals during the lifting phase or approaching

이하에서는, 리프팅 단계 (S120) 또는 어프로치하는 도중 (S111) 에서 옵션 신호를 획득하고 이를 통해 3차원으로 매핑된 데이터를 산출하는 것에 대해 설명한다.Hereinafter, it is described that the option signal is obtained in the lifting step (S120) or approaching (S111) and 3D mapped data is obtained through the option signal.

도 9는 리프팅 단계 및 어프로치 단계에서 옵션 신호를 얻는 경우에 있어서의 XY 스캐너 및 Z 스캐너의 운동 방식과 A-B 신호를 나타내는 그래프이고, 도 10은 도 9의 방식으로 얻어진 옵션 신호로 3차원 매핑을 행하는 것을 설명하기 위한 도면들이다.Fig. 9 is a graph showing the movement method and AB signal of the XY scanner and the Z scanner in the case of obtaining the option signal in the lifting step and the approach step, and Fig. 10 performs three-dimensional mapping with the option signal obtained in the method of Fig. 9 These are drawings for explaining.

3차원 매핑을 위해서는 기본적으로는 상술한 실시예의 방법을 따른다. 여기서는 이미 설명한 단계의 구체적 설명을 생략하고, 부가되는 구성에 대해서만 구체적으로 설명한다.For 3D mapping, basically, the method of the above-described embodiment is followed. Here, the detailed description of the steps already described is omitted, and only the added configuration will be described in detail.

도 9를 참조하면, 본 실시예의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법은, 리프팅 단계 (S120) 의 수행 중에도 옵션 신호를 얻는 것을 특징으로 한다. 즉, 캔틸레버 (11) 를 Z 스캐너 (13) 를 사용하여 리프팅하는 동안에도 옵션 신호 획득 단계 (S130) 에서와 동일한 작동을 하게 하여 옵션 신호를 얻는다.Referring to FIG. 9, the method for acquiring the topography signal and the option signal of the present embodiment is characterized in that the option signal is obtained even while performing the lifting step S120. That is, while lifting the cantilever 11 using the Z scanner 13, the same operation as in the optional signal acquisition step S130 is obtained to obtain the optional signal.

또한, 토포그래피 신호 획득 단계 (S110) 중의 어프로치하는 도중 (S111) 에도 옵션 신호를 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 리프팅 단계 (S120) 및 어프로치하는 동안 (S111) 에 모두 옵션 신호를 얻는 것을 예시하나, 이 중 어느 하나에서만 옵션 신호를 얻어도 무방하다.Also, an option signal may be obtained during the approach (S111) during the topography signal acquisition step (S110). In the present embodiment, it is exemplified to obtain the option signal both in the lifting step (S120) and during the approach (S111), but only one of them may obtain the option signal.

도 10을 참조하면, 본 실시예의 방법을 통해 캔틸레버 (11) 의 XYZ 방향 즉 3차원으로 각 지점에서의 옵션 신호가 얻어진다. 이를 통해 동일한 높이에서의 옵션 값에 대한 매핑 (즉, 단면도) 이 가능하고, 또한 동일한 옵션 신호 값을 가지는 부분을 연결하여 등고선 형태로 매핑이 가능하다. 이러한 매핑을 통해 3차원 공간에서의 옵션 신호의 분포를 직관적으로 알 수 있고, 쉽게 이해할 수 있게 된다.Referring to FIG. 10, through the method of this embodiment, an option signal at each point in the XYZ direction of the cantilever 11, that is, in three dimensions, is obtained. Through this, it is possible to map the option values at the same height (ie, cross-section), and it is also possible to map the contours by connecting parts with the same option signal values. Through this mapping, the distribution of the option signal in the 3D space can be intuitively understood and easily understood.

3. 3차원 매핑을 이용한 파라미터 튜닝 (parameter tuning)3. Parameter tuning using 3D mapping

위에서 설명한 바와 같이 3차원 매핑을 행한 후에 이 3차원 맵을 이용하여 리프팅 단계 (S120) 에서의 적절한 리프팅 높이를 산정할 수 있다. 이에 대해 도 11을 이용하여 설명한다.After performing the 3D mapping as described above, it is possible to calculate an appropriate lifting height in the lifting step S120 using the 3D map. This will be described with reference to FIG. 11.

도 11은 리프팅 단계 또는 어프로치하는 동안 옵션 신호를 얻음으로써 획득된 옵션 신호의 3차원 맵 및 단면도를 도시한다.11 shows a three-dimensional map and cross-sectional view of an option signal obtained by obtaining an option signal during a lifting step or approach.

도 11을 참조하면, 각 리프팅 높이에서의 2차원 맵이 단면도의 형태로 얻어질 수 있다. 이렇게 얻어진 2차원 맵의 이미지의 선명도 (sharpness) 또는 명암도 (contrast) 를 산출한다. 이러한 선명도 또는 명암도의 산출 방식은 공지의 방식을 따르면 된다.Referring to FIG. 11, a two-dimensional map at each lifting height can be obtained in the form of a cross-sectional view. The sharpness or contrast of the image of the 2D map thus obtained is calculated. The method of calculating the sharpness or contrast may be a known method.

얻어진 선명도 또는 명암도가 가장 최대가 되는 값을 가지는 높이를 이용하여 캔틸레버의 리프팅 높이를 정하면 된다. 여기서, 리프팅 높이를 정하는 방식은 선명도 또는 명암도가 최대인 높이로 정하는 것, 또는 최대인 높이보다 일정값 큰 값을 리프팅 높이로 정하는 것 등 다양한 방식이 채택될 수 있다.The lifting height of the cantilever may be determined by using a height having the maximum value of the obtained sharpness or contrast. Here, as a method of determining the lifting height, a variety of methods may be adopted, such as determining the maximum height of sharpness or contrast, or determining a value larger than the maximum height as the lifting height.

이러한 파라미터 튜닝 방식은 도 6의 방법이 수행되어 옵션 신호를 본격적으로 얻기 전에 먼저 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 본 파라미터 튜닝은 정확한 3차원 맵을 얻기 위함이 아니고 적절한 리프팅 높이를 정하기 위하여 수행되는 것이기 때문에, 측정 포인트를 줄여서 실시하는 것이 측정 시간을 줄일 수 있어 바람직하다. 예를 들어, 원하는 3차원 맵의 측정 포인트가 256X256X16 이라 하면, 파라미터 튜닝 시의 측정 포인트는 128X128X8로 설정할 수 있다.The parameter tuning method is preferably performed first before the method of FIG. 6 is performed to obtain the option signal in earnest. At this time, since the tuning of the parameter is not performed to obtain an accurate 3D map, but is performed to determine an appropriate lifting height, it is preferable to reduce the measurement time by performing a measurement point. For example, if the desired measurement point of the 3D map is 256X256X16, the measurement point for parameter tuning can be set to 128X128X8.

이러한 파라미터 튜닝 방식을 사용하면 자동적으로 최적의 리프팅 높이를 선정할 수 있다.Using this parameter tuning method, it is possible to automatically select the optimal lifting height.

4. SThM 모드에 있어서의 활용4. Application in SThM mode

SThM이란 시료 표면의 온도와 열 전도율 (thermal conductivity) 을 측정하는데 사용되는 원자현미경의 한 모드이다. SThM용 캔틸레버 (프로브) 는 국소 온도 (local temperature) 의 변화를 측정할 수 있도록 민감한데, 예를 들어 써모커플 (thermocouple) 을 이용하여 제작될 수 있다. 그러나, 이에 국한되는 것은 아니며 SThM용 캔틸레버 및 장치 구성은 공지의 기술이 제한없이 사용될 수 있다.SThM is a mode of atomic force microscope used to measure the temperature and thermal conductivity of a sample surface. The cantilever (probe) for SThM is sensitive to measure the change in local temperature, and can be manufactured using, for example, a thermocouple. However, the present invention is not limited thereto, and the structure of the cantilever and device for SThM can be used without a known technique.

SThM 측정 방법으로는 TCM (temperature contrast mode) 과 CCM (conductivity contrast mode) 이 있는데, 열 전도율을 측정하기 위해서는 CCM을 사용한다. CCM은 캔틸레버에 전류를 흘려서 캔틸레버를 자가 가열시키고, 캔틸레버가 일정한 온도를 유지하도록 전류를 제어함으로써 수행된다. 이 캔틸레버에 인가되는 전류를 이용해서 열 전도율의 콘트라스트 (contrast) 를 이미지하게 된다.SThM measurement methods include TCM (temperature contrast mode) and CCM (conductivity contrast mode). CCM is used to measure thermal conductivity. CCM is performed by flowing a current through the cantilever to self-heat the cantilever and controlling the current so that the cantilever maintains a constant temperature. The current applied to the cantilever is used to image the contrast of thermal conductivity.

도 12는 SThM의 CCM 방식을 이용하여 캔틸레버를 어프로치하면서 얻은 휨값 및 캔틸레버에 인가되는 전류량에 관한 그래프이다.12 is a graph of the bending value obtained while approaching the cantilever and the amount of current applied to the cantilever using the CCM method of SThM.

도 12를 참조하면, 캔틸레버가 시료에 점점 가까워질 때, 캔틸레버가 시료에 접촉되기 전에는 휘지 않으면서 캔틸레버에 인가되는 전류량이 점진적으로 증가되는 것을 알 수 있다. 이는 공기와 캔틸레버 간의 열전달에 의한 것이라고 생각된다.Referring to FIG. 12, it can be seen that when the cantilever gradually approaches the sample, the amount of current applied to the cantilever gradually increases without bending before the cantilever contacts the sample. This is thought to be due to the heat transfer between the air and the cantilever.

캔틸레버가 시료에 접촉되는 것은 A-B의 그래프를 통해 알 수 있다. 즉, 캔틸레버가 휘기 시작하면 캔틸레버는 시료에 접촉된 것이고, 접촉되는 순간에 캔틸레버에 인가되는 전류량이 급격히 증가된다. 이후, 접촉 후에는 전류량이 거의 일정하다.The contact of the cantilever with the sample can be seen through the graph of A-B. That is, when the cantilever starts to bend, the cantilever is in contact with the sample, and the amount of current applied to the cantilever increases rapidly at the moment of contact. Thereafter, the amount of current is almost constant after the contact.

여기서, 급격히 불연속적으로 증가되는 전류량, 즉 △C를 이용하면 시료의 열적 특성을 알 수 있게 된다. 이는 국소적인 열 전도율의 계산에 이용될 수도 있다. 이러한 기법들은 공지의 방법을 통해 비제한적으로 수행될 수 있다.Here, when the amount of current that is rapidly and discontinuously increased, that is, ΔC, the thermal characteristics of the sample can be known. It can also be used to calculate local thermal conductivity. These techniques can be performed without limitation through known methods.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, a person skilled in the art to which the present invention pertains may be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

1…측정 대상 10…원자 현미경
11…캔틸레버 12…XY 스캐너 (XY 이동 수단)
13…Z 스캐너 (Z 이동 수단) 14…Z 스테이지
16…레이저 광 17…포토다이오드 센서
One… Measurement target 10… Atomic microscope
11… Cantilever 12… XY scanner (XY vehicle)
13… Z Scanner (Z Vehicle) 14… Z stage
16… Laser light 17… Photodiode sensor

Claims (19)

팁을 가진 캔틸레버를 사용하여 측정 대상의 표면에 대한 토포그래피 신호 (topography signal) 및 옵션 신호 (option signal) 를 얻기 위한 방법으로서,
상기 캔틸레버를 상기 측정 대상의 표면에 어프로치하는 단계를 포함하고, 상기 측정 대상을 일정 위치에 정지시킨 상태로 상기 캔틸레버를 사용하여 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻는, 토포그래피 신호 획득 단계;
상기 토포그래피 신호 획득 단계 후 상기 캔틸레버와 상기 측정 대상 간을 Z 방향으로 떨어뜨리는, 리프팅 단계;
상기 리프팅 단계 후 옵션 신호를 얻는, 옵션 신호 획득 단계; 및
상기 측정 대상 및 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 이동시키는, 이동 단계; 를 포함하며,
상기 토포그래피 신호 획득 단계, 상기 리프팅 단계, 상기 옵션 신호 획득 단계 및 상기 이동 단계가 연속하여 적어도 2회 반복되며,
상기 어프로치하는 단계 및 상기 리프팅 단계 중 하나 이상의 단계의 수행 시 옵션 신호를 얻는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
As a method for obtaining a topography signal and an option signal for a surface of a measurement object using a cantilever with a tip,
A step of approaching the cantilever to the surface of the measurement object, and obtaining a topography signal at a specific point using the cantilever while the measurement object is stopped at a predetermined position;
A lifting step of dropping the cantilever and the measurement object in the Z direction after the topography signal acquisition step;
Obtaining an option signal after the lifting step, an option signal obtaining step; And
A moving step of moving at least one of the measurement object and the cantilever in an XY direction; It includes,
The topography signal acquisition step, the lifting step, the option signal acquisition step and the moving step are repeated at least twice in succession,
A method for obtaining a topography signal and an option signal for a surface to be measured, characterized in that an option signal is obtained when performing one or more of the approaching step and the lifting step.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 리프팅 단계는 힘-거리 곡선 (Force - Distance Curve) 을 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
According to claim 1,
The lifting step is characterized in that it further comprises the step of extracting a force-distance curve (Force-Distance Curve), a method for obtaining a topography signal and an optional signal for a surface to be measured.
삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 옵션 신호는, 전기적 힘에 의한 신호, 자기적 힘에 의한 신호 및 온도에 의한 신호 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
According to claim 1,
The option signal, characterized in that at least one of a signal by electrical force, a signal by magnetic force, and a signal by temperature, a method for obtaining a topography signal and an option signal for a surface to be measured.
삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
적어도 상기 리프팅 단계의 수행 시에 옵션 신호를 얻으며,
상기 리프팅 단계의 수행 시에 얻어지는 옵션 신호를 이용하여 높이에 따른 3차원 매핑을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
According to claim 1,
Obtain an option signal at least when performing the lifting step,
And performing a three-dimensional mapping according to a height using an option signal obtained when performing the lifting step, a method for obtaining a topography signal and an option signal for a surface to be measured.
제1 항에 있어서,
적어도 상기 어프로치하는 단계의 수행 시에 옵션 신호를 얻으며,
상기 어프로치하는 단계의 수행 시에 얻어지는 옵션 신호를 이용하여 높이에 따른 3차원 매핑을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
According to claim 1,
At least the option signal is obtained when performing the approach step,
And performing a three-dimensional mapping according to height using an option signal obtained when performing the approaching step.
제12 항 또는 제13 항에 있어서,
상기 3차원 매핑을 수행하는 단계에서 얻어진 3차원 맵을 이용하여 상기 리프팅 단계에서의 리프팅 파라미터 (lifting parameter) 를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 표면에 대한 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 방법.
The method of claim 12 or 13,
And determining a lifting parameter in the lifting step using the 3D map obtained in the step of performing the 3D mapping, a topography signal and options for a surface to be measured. Signal acquisition method.
측정 대상과 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 상대 이동시키는 XY 이동 수단;
상기 측정 대상과 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 Z 방향으로 상대 이동시키는 Z 이동 수단; 및
상기 XY 이동 수단과 상기 Z 이동 수단의 운동을 제어하고, 상기 캔틸레버로부터 얻어지는 신호들을 수신하는 제어장치; 를 포함하며,
상기 제어장치는, 상기 XY 이동 수단을 정지시킨 상태로 상기 Z 이동 수단으로 상기 캔틸레버를 특정 지점에 어프로치하여 상기 특정 지점의 토포그래피 신호를 얻고, 이후 상기 Z 이동 수단으로 상기 캔틸레버를 상기 측정 대상으로부터 Z 방향으로 들어올리고, 이후 옵션 신호를 얻음으로써, 상기 특정 지점에서의 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 획득하고, 이후 상기 XY 이동 수단을 이용하여 상기 측정 대상과 상기 캔틸레버 중 적어도 하나를 XY 방향으로 이동시켜 상기 특정 지점과 다른 특정 지점에서의 토포그래피 신호 및 옵션 신호를 획득하는 것을 연속하여 적어도 2회 반복하도록, 그리고 상기 캔틸레버를 특정 지점으로 어프로치하는 도중 및 상기 측정 대상으로부터 Z 방향으로 들어올리는 도중 중 하나 이상에서 옵션 신호를 얻도록, 상기 XY 이동 수단과 상기 Z 이동 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는, 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치.
XY moving means for relatively moving at least one of the measurement object and the cantilever in the XY direction;
Z moving means for moving at least one of the measurement object and the cantilever relative to the Z direction; And
A control device that controls movements of the XY moving means and the Z moving means and receives signals obtained from the cantilever; It includes,
The control device approaches the cantilever with the Z moving means at a specific point while the XY moving means is stopped to obtain a topography signal at the specific point, and then uses the Z moving means to move the cantilever from the measurement target. By lifting in the Z direction, and then obtaining the option signal, the topography signal and the option signal at the specific point are obtained, and then at least one of the measurement object and the cantilever is moved in the XY direction using the XY moving means. By repeating at least two successive acquisitions of a topography signal and an optional signal at a specific point different from the specific point, and while approaching the cantilever to a specific point and lifting the Z-direction from the measurement object. To get the optional signal from one or more, the XY Means for obtaining, and the topography signal option signal, characterized in that for controlling the Z movement device means.
제15 항에 있어서,
상기 XY 이동 수단은 상기 측정 대상을 XY 방향으로 이동시키도록 구성된 XY 스캐너인 것을 특징으로 하는, 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치.
The method of claim 15,
The XY moving means is characterized in that the XY scanner configured to move the measurement object in the XY direction, a topography signal and an optional signal acquisition device.
제15 항에 있어서,
상기 Z 이동 수단은 상기 캔틸레버를 Z 방향으로 이동시키도록 구성된 Z 스캐너인 것을 특징으로 하는, 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치.
The method of claim 15,
The Z moving means is a Z scanner configured to move the cantilever in the Z direction, a topography signal and an optional signal acquisition device.
제15 항에 있어서,
상기 옵션 신호는 전기적 힘에 의한 신호, 자기적 힘에 의한 신호 및 온도에 의한 신호 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치.
The method of claim 15,
The option signal is characterized in that at least one of a signal by electrical force, a signal by magnetic force, and a signal by temperature, a device for obtaining a topography signal and an option signal.
제15 항 내지 제18 항 중 어느 한 항의 토포그래피 신호 및 옵션 신호 획득 장치를 포함하는 원자 현미경.An atomic microscope comprising the apparatus for obtaining the topographic signal and an optional signal according to any one of claims 15 to 18.
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