KR102104059B1 - 전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법 - Google Patents

전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법은 탐침과 상기 탐침에 연결되어 있는 캔틸레버를 각각 구비하는 복수의 프로브 구조체; 기준 시료 및 측정 시료 각각에 바이어스 전압을 인가하는 전원부; 상기 기준 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류 및 상기 측정 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류를 각각 검출하고, 상기 기준 시료 및 상기 측정 시료 각각의 대표 전류값을 계산하는 전류 검출부; 및 상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 기준 시료의 대표 전류값의 비율을 계산하여, 상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 측정 시료의 대표 전류값을 스케일링하는 스케일링 계수(Scaling Factor)를 산출하는 알고리즘을 수행하는 제어부를 포함하는 전도성 원자힘 현미경 장치및 그 동작 방법을 제공한다.

Description

전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법{Conductive atomic force microscope and method for operating the same}
본 발명은 전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법에 관한 것으로, 특히 탐침 프로브를 포함하는 전도성 원자힘 현미경에서 서로 다른 탐침 프로브로 측정된 시료의 측정 전류값들을 스케일링하는 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
전도성 원자힘 현미경(Conductive Atomic Force Microscope, c-AFM)은 측정 시료에 바이어스 전압을 인가하고, 탐침과 측정 시료 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써 측정 시료의 전도성과 저항성을 수십 나노미터의 공간 분해능으로 측정할 수 있는 장비이다. 전도성 원자힘 현미경을 사용하여 전류를 측정하기 위해 도전성 물질로 코팅된 탐침을 측정 시료에 접촉시켜 전류 경로를 형성 시킨다. 탐침과 측정 시료가 접촉된 상태에서 측정 시료 또는 탐침을 이동시켜 탐침을 통해 흐르는 전류값을 위치별로 측정하고, 이를 통해서 측정 시료의 저항 및 전도성 분포를 측정할 수 있다.
탐침을 이용하는 전도성 원자힘 현미경의 특성상 탐침과 측정 시료의 접촉 저항이 측정 결과에 영향을 미치기 때문에, 탐침과 시료 사이 접촉부분의 저항을 일정히 유지하는 것이 측정의 신뢰성 및 재현성을 확보하기 위해 중요하다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전도성 원자힘 현미경의 탐침 프로브를 사용하여 측정 시료의 전류값을 모니터링하고, 탐침 프로브에 따라 서로 다른 전류값이 측정되는 경우 상기 서로 다른 전류값을 스케일링하는 전도성 현미경 장치 및 전도성 현미경 장치의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 탐침과 상기 탐침에 연결되어 있는 캔틸레버를 각각 구비하는 복수의 프로브 구조체; 기준 시료 및 측정 시료 각각에 바이어스 전압을 인가하는 전원부; 상기 기준 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류 및 상기 측정 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류를 각각 검출하고, 상기 기준 시료 및 상기 측정 시료 각각의 대표 전류값을 계산하는 전류 검출부; 및 상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 기준 시료의 대표 전류값의 비율을 계산하여, 상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 측정 시료의 대표 전류값을 스케일링하는 스케일링 계수(Scaling Factor)를 산출하는 알고리즘을 수행하는 제어부를 포함하는 전도성 원자힘 현미경 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 시료의 저항값과 상기 측정 시료의 저항값이 동일한 경우, 상기 스케일링 계수는 기준 시료의 대표 전류값의 비(ratio)로 산출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 시료 및 상기 측정 시료 중 적어도 어느 하나에 대하여 픽셀(pixel) 단위로 래스터 주사(Raster Scan)하는 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스캐너는 상기 탐침을 픽셀 단위로 제1 방향, 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향으로 이동시키는 액츄에이터(actuator)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류 검출부는 상기 탐침이 픽셀 단위로 측정한 전류값을 각각 더하여 전체 픽셀수로 나누어 대표 전류값을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 시료 및 상기 측정 시료 중 어느 하나의 대표 전류값을 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류 검출부는 상기 측정 시료에서 측정되는 대표 전류값이 일정한지 여부를 검사하는 전류값 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 복수의 프로브 구조체 각각으로 측정한 기준 시료 및 측정 시료 각각에 대한 대표 전류값을 저장하는 메모리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 또한, 제1 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계; 기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1 프로브로 전류 이미지를 측정하는 단계; 전류 검출부에서 상기 측정된 전류 이미지로 제1 대표 전류값을 계산하는 단계; 측정 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1 프로브로 제1 실측 전류값을 측정하는 단계; 제2 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계; 기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제2 프로브로 전류 이미지를 측정하는 단계; 상기 전류 검출부에서 상기 기준 시료의 전류 이미지로 제2 대표 전류값을 계산하는 단계; 측정 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제2 프로브로 제2 실측 전류값을 측정하는 단계; 및 상기 제1 대표 전류값 및 상기 인가된 바이어스 전압을 피드백하여 상기 제2 대표 전류값을 상기 제1 대표 전류값으로 나누어 스케일링 계수를 계산하는 단계를 포함하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스케일링 계수를 통해 상기 측정 시료의 전도성 및 저항성을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스케일링 계수를 계산하는 단계는 상기 측정 시료에 인가되는 바이어스 전압과 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브 각각에서 측정된 전류값의 관계가 선형적(linear)인 범위 내에서만 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 시료와 상기 측정 시료의 저항값이 서로 다른 경우, 상기 스케일링 계수는 상기 측정 시료의 저항값과 상기 기준 시료의 저항값의 차에 상기 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압을 제1 대표 전류값으로 나눈 값을 더하고, 상기 계산된 값을 상기 측정 시료의 저항값과 상기 기준 시료의 저항값의 차에 상기 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압을 상기 제2 대표 전류값으로 나눈 값을 더한 값으로 나누어 계산되고, 상기 기준 시료의 저항값은 상기 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압을 상기 제2 대표 전류값으로 나눈 값으로 계산되며, 상기 측정 시료의 저항값은 상기 측정 시료 측정 시 인가되는 바이어스 전압을 상기 제2 실측 전류값으로 나누어 계산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 실측 전류값 및 상기 제2 실측 전류값을 표시부에 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류 검출부는 상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브 각각으로 상기 기준 시료를 픽셀 단위로 스캔하여 전류 이미지를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 대표 전류값 및 상기 제2 대표 전류값을 계산하는 단계는 상기 기준 시료를 픽셀 단위로 스캔하여 측정된 전류 이미지의 값을 각각 더하여 픽셀 수로 나누어 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 대표 전류값 및 상기 제2 대표 전류값을 메모리부에 각각 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 또한, 기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 측정 프로브로 전류 이미지를 스캔하는 단계; 전류 검출부에서 상기 스캔된 전류 이미지로 대표 전류값을 계산하는 단계; 메모리부에서 상기 대표 전류값을 저장하는 단계; 상기 측정 프로브로 상기 기준 시료에 바이어스 전압을 다시 인가하여 전류 이미지를 스캔하고, 전류 검출부에서 대표 전류값을 반복하여 계산하고, 상기 대표 전류값을 상기 메모리부에 저장하는 단계; 전류값 모니터링부에서 상기 대표 전류값이 각각의 측정 단계에 따라 변화하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 대표 전류값의 변화 추이를 표시부에 표시하는 단계를 포함하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 프로브로 측정 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계; 및 상기 전류 검출부에서 상기 측정 시료의 실측 전류값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대표 전류값을 계산하는 단계는 상기 기준 시료의 전류값을 픽셀 단위로 측정하여 각각의 전류값을 모두 더하고 픽셀수로 나누어 평균값을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 측정 프로브로 상기 기준 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계; 상기 제2 측정 프로브로 측정된 전류 이미지를 통해 상기 기준 시료의 대표 전류값을 계산하는 단계; 상기 제2 측정 프로브로 측정 시료의 전류 이미지를 스캔하여 실측 전류값을 계산하는 단계; 상기 측정 프로브의 대표 전류값과 상기 제2 측정 프로브의 대표 전류값의 비율 및 상기 측정 프로브의 실측 전류값과 상기 제2 측정 프로브의 실측 전류값의 비율을 통해 스케일링 계수를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치 및 전도성 원자힘 현미경 장치 동작 방법은 탐침 프로브로 측정한 시료의 대표 전류값의 변화를 모니터링할 수 있다. 또한, 서로 다른 탐침을 사용하여 시료의 전류값을 측정하는 경우에는 스케일링 계수를 사용하여 측정 결과의 차이를 제거할 수 있다. 따라서, 탐침 프로브의 상태 및 탐침 프로브의 종류에 상관 없이 재현성있는 측정 결과를 얻을 수 있고, 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 3는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경의 동작 알고리즘을 도시한 순서도이다.
도 4은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 전원부에서 인가된 바이어스 전압과 시료와 탐침 사이에 흐르는 전류값에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 프로브 구조체 및 전원부를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 알고리즘을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치의 탐침의 구조 및 탐침의 상태에 따른 접촉 저항을 나타내는 그래프에 대해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경의 탐침 종류에 따른 시료의 측정 전류값에 대한 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 구성 요소를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 프로브 구조체(100), 스캐닝부(200), 전류 검출부(300), 제어부(400) 및 표시부(500). 상기 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 전원부를 더 포함할 수 있다.
프로브 구조체(100)는 탐침(110)과 캔틸레버(120)를 포함할 수 있다. 상기 탐침(110)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 탐침(110)은 그 표면에 도전성 물질로 도금된 도전성 프로브일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 탐침(110)은 Pt, Ir, Au, Ru, Ag 및 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 탐침(110)은 100nm 이하의 크기로 형성될 수 있다. 캔틸레버(120)는 스캐닝부(200)와 연결되고, 발진기를 통해 일정한 주파수로 진동될 수 있다. 상기 캔틸레버(120)가 진동함에 따라 상기 탐침(110)이 시료(S)의 표면에 접근하여 양자간의 원자힘에 의해 진동 진폭이나 위상 변화를 발생될 수 있다. 상기 탐침(110)이 상기 시료(S)의 표면에 접촉하여 상기 시료(S)와 상기 탐침(110) 간 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 상기 캔틸레버(120)의 진동 진폭이나 위상 변화는 레이저 광 등을 이용한 위치 검출 수단에 의해 측정되고, 제어될 수 있다. 따라서 상기 탐침(110)은 상기 시료(S)의 표면 이미지를 계측할 수도 있다. 상기 시료(S)에 인가되는 바이어스 전압 및 상기 탐침(110)과 상기 시료(S) 사이에 흐르는 전류의 검출 등에 대한 상세한 설명은 도 5에서 후술하기로 한다.
스캐닝부(200)는 검사대(230) 상에 거치된 시료(S)의 표면과 탐침(110) 사이의 거리를 제어하는 위치 신호에 따라 제1 방향(X) 및 상기 제1 방향(X)에 수직하는 제2 방향(Y)으로 캔틸레버(120)를 이동시킬 수 있다. 상기 캔틸레버(120)가 상기 제1 방향(X) 및 상기 제2 방향(Y)으로 이동함에 따라 상기 탐침(110)은 상기 시료(S)의 표면을 픽셀 단위로 이동하고, 상기 시료(S)의 표면에 접촉하여 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 스캐닝부(200)는 상기 탐침(110)과 상기 시료(S)의 표면 사이에 흐르는 전류를 픽셀 단위로 스캔하여 전류 이미지를 측정할 수 있다. 상기 스캐닝부(200)는 상기 시료(S)의 표면을 픽셀 단위로 래스터 스캔할 수 있다.
전류 검출부(300)는 탐침(110)과 시료(S)의 표면 사이에 흐르는 전류를 계측할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)는 전원부로부터 시료(S)에 인가된 바이어스 전압에 의해 상기 탐침(110)과 상기 시료(S)의 표면 사이에 발생되는 전류값을 측정하여 대표 전류값을 계산할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)는 스캐닝부(200)에서 측정된 픽셀 단위의 전류 이미지 값을 모두 더하고, 더한 값을 상기 시료(S)의 전체 픽셀수로 나누는 알고리즘을 수행할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)는 상기 전류 검출부(300)에서 대표 전류값을 여러 번에 거쳐 계산하는 경우 각 계산된 대표 전류값이 일정한지 여부를 판정할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)는 탐침(110)의 마모 또는 탐침(110) 표면에 증착되는 불순물 등 탐침(110)의 상태에 따라 다르게 측정되는 대표 전류값의 추이를 추적할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)에 대한 상세한 설명은 도 6 내지 도 8에서 후술하기로 한다.
제어부(400)는 예컨대, 설비용 계측 장비 또는 독립된 워크스테이션을 포함할 수 있다. 상기 제어부(400)는 전류 검출부(300)에서 계산된 대표 전류값을 메모리부에 저장시키고, 기준 시료의 대표 전류값, 측정 시료의 전류값 및 바이어스 전압을 토대로 서로 다른 프로브 구조체로 측정한 전류값을 스케일링하는 알고리즘을 수행할 수 있다. 상기 제어부(400)는 기준 시료의 대표 전류값, 측정 시료의 전류값 및 바이어스 전압 등에 대한 정보를 표시부(500)에 표시하기 위해 상기 표시부(500)에 전송할 수 있다.
상기 제어부(400)는 메모리부(410, 도 2 참조)를 포함할 수 있다. 상기 메모리부(410)는 설비용 계측 장비 또는 컴퓨터 등에서 읽을 수 있는 데이터 저장 매체로서, 예를 들어 컴퓨터 램, 하드디스크, 네트워크 저장장치, 플래시 드라이브 또는 씨디 롬 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제어부(400)는 측정 시료의 전류값 스케일링 등 논리 연산을 처리할 수 있는 연산 반도체 칩을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(400)는 예컨대, 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU), 컨트롤러(Controller), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 또는 AP(Application Processor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
표시부(500)는 전류 검출부(300) 및 제어부(400)와 연결되어 상기 전류 검출부(300) 및 상기 제어부(400)에서 수신된 정보들을 표시할 수 있다. 상기 표시부(500)는 일반적인 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 상기 표시부(500)에는 기준 시료의 대표 전류값, 측정 시료의 측정 전류값 및 바이어스 전압 등에 대한 정보가 표시될 수 있다. 상기 표시부(500)에 표시되는 정보는 서로 다른 프로브로 측정한 값들이 각 프로브 별로 구분되어 표시될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 표시부(500)는 제어부(400)와 일체로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 구성 요소를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 상기 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 제1 프로브 구조체(100-1), 제2 프로브 구조체(100-2), 스캐닝부(200), 전류 검출부(300), 제어부(400), 표시부(500) 및 전원부(600)를 포함할 수 있다.
제1 프로브 구조체(100-1) 및 제2 프로브 구조체(100-2)는 선택적으로 스캐닝부(200)와 연결될 수 있다. 상기 제1 프로브 구조체(100-1)는 시료(S)에 접촉하여 상기 시료(S)의 표면과 상기 제1 프로브 구조체(100-1) 사이에 흐르는 전류를 측정하는 제1 탐침(110-1) 및 상기 제1 탐침(110-1)과 연결되는 제1 캔틸레버(120-1)를 포함할 수 있다. 상기 제2 프로브 구조체(100-2)는 상기 제1 프로브 구조체(100-1)와 마찬가지로 제2 탐침(110-2) 및 제2 캔틸레버(120-2)를 포함할 수 있다. 상기 제1 프로브 구조체(100-1) 및 상기 제2 프로브 구조체(100-2)는 시료(S)의 표면에 접촉하여 상기 시료(S)의 표면에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 구체적으로는, 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 바이어스 전압(V)이 인가되고, 상기 제1 프로브 구조체(100-1)와 상기 시료(S)의 표면 사이에서 흐르는 전류를 상기 제1 프로브 구조체(100-1)가 측정할 수 있다. 상기 제2 프로브 구조체(100-2)도 마찬가지로 상기 시료(S)의 표면과 상기 제2 프로브 구조체(100-2) 사이에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 상기 제1 탐침(110-1) 및 상기 제2 탐침(110-2)은 서로 다른 저항값을 가질 수 있다. 따라서, 상기 제1 탐침(110-1) 및 상기 제2 탐침(110-2)으로 시료(S)의 표면에 흐르는 전류를 측정할 때, 각각 다른 값이 측정될 수 있다.
스캐닝부(200)는 스캐너(210)와 액츄에이터(220)를 포함할 수 있다. 상기 액츄에이터(220)는 시료(S)의 표면과 탐침(110-1, 110-2) 사이의 거리를 제어하는 위치 신호에 따라 제1 방향(X) 및 상기 제1 방향(X)에 수직하는 제2 방향(Y)으로 캔틸레버(120-1, 120-2)를 이동시킬 수 있다. 상기 스캐너(210)는 상기 탐침(110-1, 110-2)과 상기 시료(S)의 표면 사이에 흐르는 전류를 픽셀 단위로 래스터 스캔할 수 있다.
전류 검출부(300)는 전류값 측정부(310) 및 전류값 모니터링부(320)를 포함할 수 있다. 상기 전류값 측정부(310)는 스캐너(210)로 측정된 시료(S)의 측정 전류값들을 이용하여 대표 전류값을 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류값 측정부(310)는 시료(S)의 표면을 픽셀 단위로 스캔하여 측정된 전류값을 픽셀 단위로 더하여, 상기 더한 값을 상기 시료(S)의 픽셀 수로 나누는 알고리즘을 수행하여 대표 전류값을 계산할 수 있다. 전류값 모니터링부(320)는 상기 전류값 측정부(310)에서 대표 전류값을 여러 번 반복적으로 계산한 후 상기 계산된 대표 전류값이 일정한지 여부를 판단하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 전류값 모니터링부(320)는 상기 대표 전류값의 변화 추이를 검사함으로써, 선택된 탐침(110-1, 110-2)의 불량 여부 또는 상기 선택된 탐침(110-1, 110-2)의 접촉 저항 변경 여부를 파악할 수 있다. 상기 전류 검출부(300)에 대한 상세한 설명은 도 5의 설명 부분에서 후술하기로 한다.
제어부(400)는 메모리부(410)와 스케일링 제어부(420)를 포함할 수 있다. 상기 메모리부(410)는 전류 검출부(300)와 연결되어 제1 프로브 구조체(100-1)로 시료(S)의 전류 이미지를 측정하여 계산된 제1 대표 전류값과 제2 프로브 구조체(100-2)로 상기 시료(S)의 전류 이미지를 측정하여 계산된 제2 대표 전류값을 각각 저장할 수 있다. 상기 스케일링 제어부(420)는 상기 제1 대표 전류값과 상기 제2 대표 전류값의 비율로 스케일링 계수를 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 스케일링 제어부(420)는 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 인가된 바이어스 전압의 값과 상기 제1 대표 전류값, 상기 바이어스 전압값과 상기 제2 대표 전류값의 상대적인 비율로 스케일링 계수를 계산할 수도 있다. 상기 스케일링 계수를 계산하는 알고리즘에 대한 상세한 설명은 도 3의 설명 부분에서 후술하기로 한다.
표시부(500)는 제어부(400)와 연결되어 제1 프로브 구조체(100-1)로 시료(S)를 측정한 제1 대표 전류값 및 제2 프로브 구조체(100-2)로 시료(S)를 측정한 제2 대표 전류값을 표시할 수 있다. 상기 표시부(500)는 상기 제1 대표 전류값 및 상기 제2 대표 전류값 중 어느 하나의 전류값 변화의 추이를 표시할 수도 있다.
전원부(600)는 시료(S)에 바이어스 전압(V)을 인가할 수 있다. 따라서, 상기 시료(S)의 표면과 탐침(110-1, 110-2) 사이에 전류를 흐를 수 있고, 프로브 구조체(100-1, 100-2)가 상기 전류를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 동작 알고리즘을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 동작 방법은 기준 시료를 검사대로 이동하고 거치하는 단계(S1001), 제n 프로브로 기준 시료의 전류 이미지를 측정하는 단계(S1002), 제어부에서 기준 시료의 제n 대표 전류값을 계산하는 단계(S1003), 메모리부에서 제n 대표 전류값을 저장하는 단계(S1004), 측정 시료를 검사대로 이동하고 거치하는 단계(S1005), 제n 프로브로 측정 시료의 전류 이미지를 스캔하여 상기 측정 시료의 제n 실측 전류값을 측정하는 단계(S1006), 다른 프로브를 선택할지 여부를 판단하는 단계(S1007) 및 제n 대표 전류값과 제(n-1) 대표 전류값의 비율로 제n 실측 전류값의 스케일링 계수를 계산하는 단계(S1008)을 포함할 수 있다. 상기 다른 프로브를 선택할지 여부를 판단하는 단계(S1007)에서 제n 프로브와 다른 프로브를 선택하는 경우(Yes), n 대신 n+1을 대입하여 상기 기준 시료를 검사대로 이동하고 거치하는 단계(S1001)부터 제n 프로브로 측정 시료의 제n 실측 전류값을 측정하는 단계(S1006)를 다시 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기준 시료는 상기 측정 시료와 같은 표면 상태를 갖는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기준 시료의 저항 분포는 균일하게 유지되고, 상기 측정 시료와 동일한 저항 수준을 갖는 것을 선택하는 것이 바람직하다.
기준 시료의 전류 이미지를 측정하는 단계(S1002)는 제n 프로브와 연결되어 있는 스캐닝부(200, 도 1 참조)로 상기 기준 시료의 표면을 픽셀 단위로 스캔하여 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 스캐닝부(200)는 상기 기준 시료의 표면을 래스터 스캔할 수 있다.
기준 시료의 전류 이미지를 측정하는 단계(S1002) 이후 상기 기준 시료의 제n 대표 전류값을 계산하는 단계를 수행될 수 있다(S1003). 상기 단계(S1003)는 전류 검출부(300, 도 1 및 도 2 참조)에서 수행될 수 있다. 상기 전류 검출부(300)는 상기 기준 시료의 표면을 픽셀 단위로 스캔하여 측정된 전류 이미지 각각의 값을 더하고, 상기 더한 값을 전체 픽셀수로 나누어 제1 대표 전류값을 계산할 수 있다. 예컨대, 대표 전류값 I0은 하기 제1 식으로 계산될 수 있다. 하기 수학식 1에서 p는 시료(S) 전체 픽셀의 수를 나타낸다.
Figure 112014072942283-pat00001
상기 제n 대표 전류값은 제어부(400)의 메모리부(410, 이상 도 1 및 도 2 참조)에 저장될 수 있다(S1004).
상기 제n 대표 전류값을 저장하는 단계(S1004) 이후에는 측정 시료를 검사대로 이동하여 거치하고(S1005), 상기 측정 시료의 전류 이미지를 스캔하여 제n 실측 전류값을 측정할 수 있다(S1006). 상기 측정 시료도 상기 기준 시료와 마찬가지로 상기 측정 시료의 표면을 픽셀 단위로 스캔하고, 픽셀 단위의 전류 이미지 값을 각각 더하고, 전체 픽셀수로 나누어 제n 실측 전류값을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제n 프로브로 측정한 제n 대표 전류값 및 제n 실측 전류값은 표시부(500, 도 1 및 도 2 참조)에 의해 표시될 수 있다.
다른 프로브를 선택할지 여부를 판단하는 단계(S1007)에서 제n 프로브와 다른 프로브를 선택하는 경우(Yes), n 대신 n+1을 대입하여 상기 기준 시료를 검사대로 이동하고 거치하는 단계(S1001)부터 제n 프로브로 측정 시료의 제n 실측 전류값을 측정하는 단계(S1006)를 다시 수행할 수 있다. 예컨대, n=1인 경우, 제1 프로브를 사용하여 제1 대표 전류값과 제1 실측 전류값이 계산되고, 다른 프로브를 선택할 지 여부를 판단하는 단계(S1007)에서 다른 프로브, 즉 제2 프로브를 선택하는 경우 제2 대표 전류값과 제2 실측 전류값을 계산할 수 있다. 더 이상 다른 프로브를 선택하지 않는 경우, (n-1)의 대표 전류값 및 실측 전류값을 피드백(feed-back)하여 상기 제n 실측 전류값의 스케일링 계수를 계산할 수 있다. 즉, 전술한 예에서는, (n-1)의 대표 전류값 및 실측 전류값인 제1 대표 전류값 및 제1 실측 전류값을 피드백하여, 상기 제2 실측 전류값의 스케일링 계수를 계산할 수 있다.
전술한 예에서, 상기 n값은 2로 한정되어, 측정 프로브는 제1 프로브 및 제2 프로브 두 개로 설명되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 예에서, 스케일링 계수(I2’/I1’)는 스케일링 제어부(420, 도 1 및 도 2 참조)에서 계산될 수 있다. 기준 시료의 저항값(R0)과 측정 시료의 저항값(Rx)이 동일한 경우, 상기 스케일링 계수(I2’/I1’)는 제2 대표 전류값과 제1 대표 전류값의 비율과 동일한 값일 수 있다. 이 경우, 상기 스케일링 계수(I2’/I1’)는 하기의 수학식 2로 계산될 수 있다.
Figure 112014072942283-pat00002
다만, 상기 측정 시료의 저항값(Rx)과 상기 기준 시료의 저항값(R0)이 다른 경우에 스케일링 계수(I2’/I1’)는 측정 시료의 저항값(Rx)과 기준 시료의 저항값(R0)의 차에 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(V0)와 제1 대표 전류값(I1)의 비를 더한 값을 상기 측정 시료의 저항값(Rx)과 상기 기준 시료의 저항값(R0)의 차에 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(V0)과 제2 대표 전류값(I2)의 비를 더한 값으로 나누어 계산될 수 있다.
Figure 112014072942283-pat00003
상기 수학식 3은 다음과 같은 관계식에 의해여 유도될 수 있다.
Figure 112014072942283-pat00004
상기 수학식 4의 (4-1) 및 (4-2)를 참조하면, 제1 대표 전류값(I1)은 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(V0)을 기준 시료의 저항값(R0)과 제1 프로브의 내부 저항(r1)을 더한 값으로 나눈 값이고, 제1 측정 전류값(I1’)은 측정 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(Vx)을 측정 시료의 저항값(Rx)과 제1 프로브의 내부 저항(r1)의 합으로 나눈 값과 같다. 상기 수학식 4의 수식 (4-3) 및 (4-4)를 참조하면, 제2 대표 전류값(I2)은 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(V0)을 기준 시료의 저항값(R0)과 제2 프로브의 내부 저항(r2)을 더한 값으로 나눈 값이고, 제2 측정 전류값(I2’)은 측정 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(Vx)을 측정 시료의 저항값(Rx)과 제1 프로브의 내부 저항(r2)의 합으로 나눈 값과 같다.
상기 수학식 4의 (4-1) 내지 수식 (4-4)를 연립하여 제1 프로브의 내부 저항(r1)과 제2 프로브의 내부 저항(r2)을 상쇄하면, 상기 수학식 3이 도출될 수 있다. 상기 수학식 3에서, 상기 제1 프로브의 저항값(r1) 및 상기 제2 프로브의 내부 저항(r2)은 기준 시료의 저항값(R0) 및 측정 시료의 저항값(Rx)에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으므로, R0=V0/I2, Rx=Vx/I2’ 로 치환하면, 수학식 5를 얻을 수 있다.
Figure 112014072942283-pat00005
상기 수학식 5를 참조하면, 기준 시료의 저항값(R0)와 측정 시료의 저항값(Rx)가 다른 경우(Rx≠R0), 제2 실측 전류값(I2’)과 제1 실측 전류값(I1’)의 스케일링 계수(Scaling factor)는 측정 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(Vx)을 제2 측정 전류값(I2’)으로 나눈 값과 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압값(V0)을 제2 대표 전류값(I2)으로 나눈 값의 차에 상기 기준 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압값(V0)을 제1 대표 전류값(I1)으로 나눈 값을 더하고, 상기 계산 값을 측정 시료 측정 시 인가된 바이어스 전압(Vx)과 제2 측정 전류값(I2’)의 비로 나누어서 계산할 수 있다. 이 때, 상기 인가된 바이어스 전압(V0, Vx)와 제1 대표 전류값(I1), 제2 대표 전류값(I1) 및 제2 측정 전류값(I2’)은 모두 알 수 있는 값이기 때문에 상기 스케일링 계수(I2’/I1’)를 계산할 수 있다.
반도체 소자를 제조하는 공정에 있어서, 반도체 소자의 전도성을 측정해야 되는 경우 또는 일정치의 전류가 흐르는 것을 확인해야 되는 경우에 탐침 프로브를 포함하는 전도성 원자힘 현미경을 사용할 수 있다. 이 때, 서로 다른 탐침 프로브에 따라 즉, 탐침 프로브가 바뀔 때마다 서로 다른 전류값이 측정될 수 있다. 예컨대, 제1 프로브와 제2 프로브로 동일한 측정 시료의 전류값을 측정하더라도 상기 측정 시료에 인가되는 바이어스 전원 및 프로브의 내부 저항과도 같은 변수 때문에 동일한 전류값을 측정할 수 없다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 전술한 바와 같이 서로 다른 프로브로 측정한 실측 전류값을 스케일링하는 스케일링 제어부(420, 도 1 참조)를 포함함으로써 프로브의 종류에 따라 측정되는 전류값을 보정하여 프로브의 종류에 상관없이 재현성 있는 측정치를 산출할 수 있다. 따라서 보다 높은 신뢰성을 가진 전류값 측정이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 전원부(600, 도 1 참조)에서 인가된 바이어스 전압(V)과 시료(S, 도 1 참조)와 서로 다른 복수의 프로브(100-1, 100-2) 사이에 흐르는 전류값 각각에 대한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 인가된 바이어스 전압(V)과 시료(S)-프로브(100-1, 100-2)간 전류값의 관계 그래프는 세 개의 구간으로 나눌 수 있다. 제1 구간(I)은 상기 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 인가된 바이어스 전압이 음(negative)인 경우, 즉 역 바이어스 구간이다. 제2 구간(II)은 상기 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 음의 바이어스 전압이 걸리지만, 상기 시료(S)와 프로브(100-1, 100-2) 사이에 흐르는 전류는 일정한 비선형(non-linear) 구간이다. 제3 구간(III)은 상기 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 인가된 전압값(V)과 시료(S)-프로브(100-1, 100-2)간 흐르는 전류값이 비례하는 선형(linear) 구간이다.
제1 프로브 구조체(100-1)로 측정한 측정 시료의 전류값을 피드백하여 제2 프로브 구조체(100-2)로 측정한 측정 시료의 전류값을 스케일링하는 스케일링 계수를 계산하는 단계(S1008, 도 3 참조)는 상기 제3 구간(III)에서만 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 스케일링 계수를 계산하는 단계(S1008)는 시료(S)에 인가된 바이어스 전압이 0.5V 이상인 경우에 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 프로브 구조체(100), 전류 검출부(300) 및 전원부(600)를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 상기 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)에서 기준 시료(S)의 대표 전류값을 측정하기 위해서, 전원부(600)에서 상기 시료(S)에 바이어스 전압(V)을 인가할 수 있다. 상기 전원부(600)로부터 인가된 바이어스 전압은 상기 시료(S)와 프로브 구조체(100)의 탐침(110) 사이에 전류를 흐르게 할 수 있다. 전류 검출부(300)는 상기 탐침(110)과 연결된 캔틸레버(120)를 통해 상기 탐침(110)과 상기 시료(S) 사이에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전류 검출부(300)는 전류값 측정부(310) 외에 필터(330) 및 증폭기(340)를 더 포함할 수 있다. 시료(S)와 탐침(110) 사이에 흐르는 전류는 캔틸레버(120)를 통해 상기 전류 검출부(300)로 전달되어 상기 전류 검출부(300)에서 검출되는데, 이때 검출되는 전류는 노이즈를 포함할 수 있다. 상기 필터(330)는 상기 검출된 전류값 중 컷 오프(cut off) 이하의 전류값을 0A로 조정할 수 있다. 이로 인해 상기 탐침(110)의 크기가 100nm 이하로 작은 경우 측정 전류값의 노이즈에 따라 발생될 수 있는 오프셋(offset) 효과를 최소화할 수 있다. 상기 증폭기(340)는 상기 필터(330)로부터 필터링된 전류값을 증폭하여 전류값 측정부(310)에 전송할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 전류 검출부(300)에서 대표 전류값을 계산하고, 상기 대표 전류값을 모니터링하는 동작 알고리즘을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 전원부(600, 도 5 참조)에서 기준 시료에 바이어스 전압을 인가하는 단계(S2001), 측정 프로브로 기준 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계(S2002), 전류 검출부(310, 도 5 참조)에서 제i 대표 전류값을 계산하는 단계(S2003), 메모리부(410, 도 2 참조)에 제i 대표 전류값을 저장하는 단계(S2004), 제i 대표 전류값이 제(i-1) 대표 전류값과 동일한지 판정하는 단계(S2005), 제i 대표 전류값의 변화 추이를 메모리부(410)에 저장하는 단계(S2006) 및 제i 대표 전류값의 변화 추이를 표시부에 표시하는 단계(S2007)를 포함할 수 있다. 상기 제i 대표 전류값이 제(i-1) 대표 전류값과 동일한지를 판정하는 단계(S2006)에서 상기 제I 대표 전류값이 상기 제(i-1) 대표 전류값과 같은 경우(Yes), i에 i+1을 대입하여 측정 프로브로 기준 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계(S2001)부터 다시 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 i=3 인 경우, 제3 대표 전류값을 계산하고(S2003), 메모리부에 상기 제3 대표 전류값을 저장하며(S2004)하며, 제2 대표 전류값과 비교하여(S2005) 동일한 경우(Yes), i에 4를 대입시켜 제4 대표 전류값을 계산한다(S2003). 전술한 예에서, 상기 제4 대표 전류값이 상기 제3 대표 전류값과 다른 경우(S2005의 No), 상기 제4 대표 전류값의 변화 추이를 메모리부(410)에 저장하고(S2006), 표시부(500, 도 1 및 도 2 참조)에 표시할 수 있다(S2007).
측정 프로브로 기준 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계(S2002)는 상기 기준 시료의 표면을 픽셀 단위로 래스터 스캔하는 단계를 포함할 수 있다. 전류 검출부(310, 도 5 참조)에서 기준 시료의 대표 전류값을 계산하는 단계(S2003)는 상기 기준 시료의 표면을 픽셀 단위로 스캔하여 측정한 전류값을 모두 더하고, 상기 더한 값을 상기 기준 시료의 전체 픽셀수로 나누어 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
전류값 모니터링부(320, 도 2 참조)는 기준 시료에서 측정한 제i 대표 전류값이 제(i-1) 대표 전류값과 동일한지 여부를 판단하는 단계(S2005)를 수행할 수 있다. 상기 제i 대표 전류값이 상기 제(i-1) 대표 전류값과 동일한 경우, 즉 여러 번 측정한 대표 전류값이 일정한 경우 측정이 정상적으로 진행된 것인바, 대표 전류값의 추이를 파악하기 위해 기준 시료의 대표 전류값을 측정하는 단계를 반복 수행(i←i+1)한다. 상기 대표 전류값이 일정하지 않은 경우(S2005의 No)는 변화된 제i 대표 전류값을 메모리부(410, 도 2 참조)에 저장하고(S2006), 상기 제i 대표 전류값의 변화 추이를 표시부(500, 도 1 및 도 2 참조)에 표시하는 단계(S2007)를 수행한다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 시료의 전도성 또는 저항성을 측정하기 위해 탐침(110, 도 5 참조)이 상기 시료의 표면에 접촉되는바, 상기 탐침(110)의 마모 등으로 인해 측정되는 대표 전류값이 달라질 수 있다. 상기 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 도 6에 도시된 대표 전류값을 계산하고 모니터링하는 알고리즘을 수행함으로써, 탐침(110)의 상태 변화 및 상기 탐침(110)의 접촉 저항 변경점을 파악할 수 있다. 따라서, 탐침(110)의 관리가 용이하고, 시료의 전도성 또는 저항성에 대한 재현성 높은 측정 결과를 얻을 수 있다.
도 7a 및 도 7b은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 탐침(110)의 구조 및 탐침(110)의 상태에 따른 접촉 저항을 나타내는 그래프에 대해 도시한 도면이다.
도 7a에 도시된 캔틸레버(120)에 연결된 탐침(110a)은 시료 접촉부(110a’)에 물리적인 마모가 발생하여 형태의 변형이 일어난 경우이다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)는 탐침(110a)이 시료의 표면에 접촉되기 때문에 상기 시료 접촉부(110a’)가 마모되어 탐침(110a)의 접촉 저항이 변할 수 있다. 도 7a의 그래프를 참조하면 탐침(110a)의 접촉 저항이 규칙 없이 들쑥날쑥하게 변하는 것을 알 수 있다. 상기 시료 접촉부(110a’)에 마모가 일어나는 경우 탐침(110a)의 접촉 저항은 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 탐침(110a)으로 측정된 시료의 대표 전류값은 원래의 값보다 크게 측정될 수 있다.
도 7b에 도시된 탐침(110b)의 표면에는 산화막(130)이 형성될 수 있다. 상기 산화막(130)은 상기 탐침(110b)의 하단부와 시료 사이에 발생하는 전기장으로 인해 증착될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 탐침(110)은 Pt, Ir, Au, Ru, Ag 및 이들의 합금 중에서 선택되는 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있는바, 상기 산화막(130)은 상기 도전성 금속의 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 산화막(130)은 전도성이 없는 부도체인바, 상기 탐침(110b)의 접촉 저항이 상승될 수 있다. 따라서, 상기 탐침(110b)과 시료 사이에 흐르는 전류값이 급격히 낮아질 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)의 탐침(100-1 내지 100-3)에 따른 시료의 측정 전류값에 대한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 기준 시료의 대표 전류값은 기준 시료의 제i 대표 전류값을 계산하는 단계(S2003) 및 제i 대표 전류값이 제(i-1) 대표 전류값과 동일한지 여부를 판정하는 모니터링 단계를 수행(S2005 및 S2006)하여 표시부에 표시(S2007, 이상 도 6 참조)될 수 있다. 도 8에는 제1 프로브 구조체(100-1)로 측정한 대표 전류값, 제2 프로브 구조체(100-2)로 측정한 대표 전류값 및 제3 프로브(100-3)로 측정한 대표 전류값을 포함한 세 개의 대표 전류값이 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되지는 않는다. 상기 제1 프로브 구조체(100-1)로 측정한 대표 전류값은 4.60E-3[A] 수준으로 일정하고, 상기 제2 프로브 구조체(100-2)로 측정한 대표 전류값은 3.70E-3 [A] 수준으로 일정하게 유지된다. 다만, 제3 프로브(100-3)로 측정한 대표 전류값은 2.90E-3 [A] 수준에서 1.70E-3 [A] 수준으로 낮아지는 변화가 나타난다. 이는 본 발명의 기술적 사상에 의한 전도성 원자힘 현미경 장치(1000)가 프로브 구조체(100)의 탐침(110)을 시료의 표면에 접촉시켜 전류를 검출하는바, 상기 탐침(110)의 시료 접촉부에 물리적인 마모가 발생하거나 탐침(110) 표면에 산화막 등이 증착되는 등의 불량이 발생했기 때문이다. 상기 제3 프로브(100-3)는 도 7a 및 도 7b에 도시된 탐침(110a, 110b)와 같은 물리적인 변화가 발생할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은 전류값 모니터링부(320, 도 2 및 도 6의 설명 부분 참조)에서 상기 대표 전류값의 변화 추이를 검출하여 메모리부(410, 도 2 및 도 6의 설명 부분 참조)에 저장하고, 표시부(500, 도 2 및 도 6의 설명 부분 참조)에 표시함으로써, 탐침(110)의 상태 변화를 파악할 수 있다. 또한, 상기 탐침(110)의 상태 변화에 따라 측정된 전류값을 모니터링하고, 변화하기 전의 대표 전류값에 대해 스케일링 함으로써 보다 시료의 전도성 또는 저항성에 대한 재현성 높은 측정 결과를 얻을 수 있고, 측정 전류값에 대한 탐침 의존성을 낮출 수 있다.
100: 프로브 구조체, 110: 탐침, 120: 캔틸레버, 130: 산화막, 200: 스캐닝부, 210: 스캐너, 220: 액츄에이터, 230: 검사대, 300: 전류 검출부, 310: 전류값 측정부, 320: 전류값 모니터링부, 330: 필터, 340: 증폭기, 400: 제어부, 410: 메모리부, 420: 스케일링 제어부, 500: 표시부, 600: 전원부, 1000: 전도성 원자힘 현미경 장치

Claims (10)

  1. 탐침과 상기 탐침에 연결되어 있는 캔틸레버를 각각 구비하는 복수의 프로브 구조체;
    기준 시료 및 측정 시료 각각에 바이어스 전압을 인가하는 전원부;
    상기 기준 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류 및 상기 측정 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류를 각각 검출하고, 상기 기준 시료 및 상기 측정 시료 각각의 대표 전류값을 계산하는 전류 검출부; 및
    상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 상기 기준 시료의 상기 대표 전류값의 비율을 계산하여, 상기 프로브 구조체 각각으로 측정한 측정 시료의 대표 전류값을 스케일링하는 스케일링(Scaling) 계수를 산출하는 알고리즘을 수행하는 제어부를 포함하는 전도성 원자힘 현미경 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기준 시료의 저항값과 상기 측정 시료의 저항값이 동일한 경우, 상기 스케일링 계수는 상기 기준 시료의 상기 대표 전류값의 비(ratio)로 산출되는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버와 연결된 스캐닝부를 더 포함하되,
    상기 스캐닝부는 상기 탐침이 상기 시료의 표면을 픽셀(pixel) 단위로 이동하며 상기 기준 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류 및 상기 측정 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 전류를 측정하도록, 상기 캔틸레버를 이동시키는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전류 검출부는,
    상기 탐침이 픽셀 단위로 이동하며 측정한 상기 기준 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 상기 전류의 값들을 더해 제1 전류합을 계산하고,
    상기 제1 전류합을 전체 픽셀수로 나누어 상기 기준 시료의 상기 대표 전류값을 계산하고,
    상기 탐침이 픽셀 단위로 이동하며 측정한 상기 측정 시료와 상기 프로브 구조체 사이에 흐르는 상기 전류의 값들을 더해 제2 전류합을 계산하고, 및
    상기 제2 전류합을 상기 전체 픽셀수로 나누어 상기 측정 시료의 상기 대표 전류값을 계산하는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 측정 시료의 상기 대표 전류값이 일정한지 여부를 검사하는 전류값 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경 장치.
  6. 제1 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계;
    기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1 프로브로 전류 이미지를 측정하는 단계;
    전류 검출부에서 상기 측정된 전류 이미지로 제1 대표 전류값을 계산하는 단계;
    제2 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계;
    기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제2 프로브로 전류 이미지를 측정하는 단계;
    상기 전류 검출부에서 상기 기준 시료의 전류 이미지로 제2 대표 전류값을 계산하는 단계;및
    상기 제1 대표 전류값 및 상기 인가된 바이어스 전압을 피드백하여 상기 제2 대표 전류값을 상기 제1 대표 전류값으로 나누어 스케일링 계수를 계산하는 단계를 포함하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계 이전에, 측정 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제1 프로브로 제1 실측 전류값을 측정하는 단계; 및
    상기 제2 프로브를 측정 프로브로 선택하는 단계 이후에, 측정 시료에 바이어스 전압을 인가하여 상기 제2 프로브로 제2 실측 전류값을 측정하는 단계;를 더 포함하되,
    상기 기준 시료와 상기 측정 시료의 저항값이 서로 다른 경우, 상기 스케일링 계수는 상기 측정 시료의 저항값과 상기 기준 시료의 저항값의 차에 상기 기준 시료를 측정할 때 인가된 바이어스 전압을 제1 대표 전류값으로 나눈 값을 더하고, 상기 계산된 값을 상기 측정 시료의 저항값과 상기 기준 시료의 저항값의 차에 상기 기준 시료를 측정할 때 인가된 바이어스 전압을 상기 제2 대표 전류값으로 나눈 값을 더한 값으로 나누어 계산되고,
    상기 기준 시료의 저항값은 상기 기준 시료를 측정할 때 인가된 바이어스 전압을 상기 제2 대표 전류값으로 나눈 값으로 계산되며, 상기 측정 시료의 저항값은 상기 측정 시료를 측정할 때 인가되는 바이어스 전압을 상기 제2 실측 전류값으로 나누어 계산되는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경 장치의 동작 방법.
  8. 기준 시료에 바이어스 전압을 인가하여 측정 프로브로 전류 이미지를 스캔하는 단계;
    전류 검출부에서 상기 스캔된 전류 이미지로 대표 전류값을 계산하는 단계;
    메모리부에서 상기 대표 전류값을 저장하는 단계;
    상기 측정 프로브로 상기 기준 시료에 바이어스 전압을 다시 인가하여 전류 이미지를 스캔하고, 전류 검출부에서 대표 전류값을 반복하여 계산하고, 상기 대표 전류값을 상기 메모리부에 저장하는 단계;
    전류값 모니터링부에서 상기 대표 전류값이 각각의 측정 단계에 따라 변화하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 대표 전류값의 변화 추이를 표시부에 표시하는 단계를 포함하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 대표 전류값을 계산하는 단계는 상기 기준 시료의 전류값을 픽셀 단위로 측정하여 각각의 전류값을 모두 더하고 픽셀수로 나누어 평균값을 계산하는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    제2 측정 프로브로 상기 기준 시료의 전류 이미지를 스캔하는 단계;
    상기 제2 측정 프로브로 측정된 전류 이미지를 통해 상기 기준 시료의 대표 전류값을 계산하는 단계;
    상기 제2 측정 프로브로 측정 시료의 전류 이미지를 스캔하여 실측 전류값을 계산하는 단계;
    상기 측정 프로브의 대표 전류값과 상기 제2 측정 프로브의 대표 전류값의 비율 및 상기 제2 측정 프로브의 실측 전류값과 상기 제2 측정 프로브의 실측 전류값의 비율을 통해 스케일링 계수를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 원자힘 현미경의 동작 방법.
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