KR102112995B1 - 고처리량 주사 탐침 현미경 장치 - Google Patents

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하메드 사데이안 마나니
테우니스 코넬리스 반 델 돌
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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

본 발명은 시료 표면 상에 나노구조물을 맵핑하기 위한 주사 탐침 현미경 장치에 관한 것으로서, 상기 시료 표면을 주사하기 위한 복수의 탐침 및 상기 시료에 대해 상기 탐침을 구동할 수 있는 하나 이상의 구동 액추에이터를 포함하고, 상기 복수의 탐침은 각각 상기 시료 표면에 주사하기 위해 상기 시료 표면에 접촉하도록 배치된 캔틸레버 상에 실장되는 탐침 팁을 포함하고, 상기 장치는, 상기 나노구조물을 맵핑하기 위해, 상기 탐침 팁이 상기 시료 표면에 접촉하는 경우, Z 방향에 따라 각각의 탐침 팁의 위치를 결정하기 위한 복수의 Z 위치 검출기를 더 포함하고, 상기 Z 방향은 상기 시료 표면에 대해 횡방향이고; 상기 복수의 탐침은 복수 헤드 상에 실장되고, 각각의 헤드는 상기 복수 탐침 중 하나 이상을 포함하고; 상기 각각의 헤드는 상기 헤드에 결합된 지지체 베이스 상에 실장되고, 각각의 지지체 베이스는 그 결합된 헤드가 상기 시료에 대해 개별적으로 구동되도록 배치되고; 상기 결합 헤드의 개별적인 구동이 가능하도록, 각각의 지지체 베이스는 상기 시료 표면에 평행한 적어도 한 방향으로 상기 시료에 대해 상기 지지체 베이스에 결합된 헤드를 구동시키기 위해 적어도 하나의 상기 구동 액추에이터를 포함하는 면 액추에이터 유닛을 포함하고, 상기 면 액추에이터 유닛은 상기 지지체 베이스에 따라 제1실장 위치에 위치하고, 상기 제1실장 위치는 제2실장 위치로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 지지체 베이스에 결합된 헤드는 상기 지지체 베이스 상의 상기 제2실장 위치에 실장된다.

Description

고처리량 주사 탐침 현미경 장치{HIGH THROUGHPUT SCANNING PROBE MICROSCOPY DEVICE}
본 발명은 시료 표면 상의 나노구조물을 맵핑하기 위한 주사 탐침 현미경 장치에 관한 것으로, 시료 표면을 주사하기 위해 복수의 탐침 및 시료에 대해 탐침을 구동하기 위한 하나 이상의 구동 액추에이터를 포함하고, 복수의 탐침은 각각 탐침 팁을 포함하고, 탐침 팁은, 시료 표면을 주사하기 위해 시료 표면에 접촉하도록 배치된 캔틸레버 상에 실장되고, 주사 탐침 현미경 장치는, 나노구조물을 맵핑하기 위해, 탐침 팁이 시료 표면에 접촉하는 경우, Z-방향에 따라 각각의 탐침 팁의 위치를 결정하는 복수 Z-위치 검출기를 포함하고, Z-방향은 시료 표면에 대한 횡방향을 의미한다.
상기 기재된, 주사 탐침 현미경(SPM) 장치, 예를 들면, 원자력 현미경(AFM) 장치는, 예를 들면, 표면 상의 반도체 토폴로지를 주사하기 위해, 반도체 산업에서 사용되고 있다. 이러한 기술의 그 외의 용도는, 생물의약 산업 및 과학적 응용이 확인된다. 특히, AFM은 중요한 결함 계측학(CD-계측학), 입자 주사, 응력 및 조도 측정에 사용될 수 있다. AFM 현미경은, 표면을 매우 높은 정밀도로 가시화할 수 있고, 표면 엘리먼트를 서브나노미터의 해상도로 가시화할 수 있다.
그러나, 이러한 기술의 매우 높은 해상도 및 정밀도에 의해서, 처리량의 성능이 감소한다. 원자력 현미경은, 고정밀 광학적 감지계(예를 들면, 빔 편광 또는 간섭계)를 사용해서, 탐침 팁의 방향을 시료 표면의 횡방향(z-방향)으로 정확하게 조정하면서, 탐침 팀을 표면에 접촉 또는 탭핑(즉, 반복적으로 접촉)하고, 주사 구동(scanning motion)에 의해 시료 표면을 추적함으로써 수행된다. 맵핑될 표면에 대해 주사 구동을 실시하면서 팁을 z 방향으로 진행시킴으로써 주사를 수행한다. 시료 표면의 소정의 구역에, 예를 들면, 웨이퍼 표면 상의 구조체를 정확하게 맵핑하기 위해, 서브 나노미터 치수의 구역의 모든 부분에 탐침 팁이 적어도 한번 접촉 또는 탭핑되도록 주사되는 것이 필요하다. 알려진 바와 같이, 이러한 방법은 다소 느릴 수 있다.
주사 탐침 현미경(SPM) 기술의 개발에 따라, 복수의 탐침이 평행하게 실장된 탐침 헤드를 포함하는 원자력 현미경(AFM) 시스템을 제공한다. 각각의 탐침은 캔틸레버 및 탐침 팁을 포함하고, 탐침 팁에 의해 z 방향에서의 위치를 독립적으로 측정할 수 있다. 이것에 의해, 주사 헤드의 하나의 통로에서 복수의 '주사 레인'의 주사가 가능하고, 알려진 바와 같이, 하나의 구역의 주사 속도에, 헤드 상에 존재하는 탐침 팁의 수를 곱한다.
상기에 의해 처리량이 개선되더라도, 시료 표면 상의 복수의 부위를 주사하기 위해서는 상당한 시간이 걸린다. 이러한 이유 및 그 외의 이유에 대해, 산업 환경에서, 예를 들면, 반도체 산업에서 웨이퍼 시험을 위해서 이러한 기술의 적용은 이상적인 것이 아니다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제를 해결하고 시료 표면 상의 다수의 위치를 고속 고처리량으로 주사하는 것이 가능한 주사형 탐침 현미경 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 그 외의 목적은, 시료의 표면 상에 나노구조물을 맵핑하기 위해 주사 현미경 장치를 제공하고, 시료 표면을 주사하기 위한 복수의 탐침 및 시료에 대해 탐침을 구동하기 위한 하나 이상의 구동 액추에이터를 포함하고, 복수의 탐침은 각각의 시료 표면을 주사하기 위해 시료 표면에 접촉하도록 배치된 캔틸레버 상에 실장된 탐침 팁을 포함하고, 탐침 팁이 시료 표면에 접촉하는 경우 z 방향에 따라 탐침 팁의 위치를 결정하기 위한 복수의 z 위치 검출장치를 포함하고, z 방향은 나노구조를 맵핑하기 위해 시료 표면에 대한 횡방향을 의미하고; 복수의 탐침은 복수의 헤드 상에 실장되고, 각각의 헤드는 상기 복수의 탐침 중 하나 이상을 포함하고; 상기 헤드는 각각 상기 헤드에 결합된 지지체 베이스 상에 실장되고, 각각 지지체 베이스는 시료에 대해 결합된 헤드가 개별적으로 구동하도록 배치되고; 결합된 헤드를 개별적으로 구동하기 위해, 각각의 지지체 베이스는 시료 표면에 평행한 적어도 한 방향에서 시료에 대해 지지체 베이스에 결합된 헤드를 구동하기 위해 상기 구동 액추에이터 중 적어도 하나를 포함하는 면 액추에이터 유닛을 포함하고, 면 액추에이터 유닛은 상기 지지체 베이스를 따라 제1실장 위치에 위치하고, 제1장착 위치는 제2장착 위치로부터 멀리 떨어지게 위치하고, 지지체 베이스에 결합된 헤드는 지지체 베이스 상의 제2실장 위치에 실장한다.
본 발명의 주사 탐침 현미경은, 예를 들면, 원자력 현미경(AFM) 장치일 수 있다. 본 명세서에는 원자력 현미경 장치의 실시형태가 구체적으로 기재되어 있지만, 본 명세서 내의 이러한 교시는 이러한 적용으로 제한되지 않고, 하기 분야에서 유사한 장치에 적용될 수 있다: BEEM (ballistic electron emission microscopy, 탄도 전자현미경); CFM(chemical force microscopy, 화학적 작용력 현미경); C-AFM(conductive atomic force microscopy, 전도성 원자력 현미경); ECSTM(electrochemical scanning tunneling microscope, 전기화학적 주사 터널링 현미경); EFM(electrostatic force microscopy, 정전력 현미경); FluidFM(fluidic force microscope, 유동력 현미경); FMM(force modulation microscopy, 힘 변조 현미경); FOSPM(feature-oriented scanning probe microscopy, 피처-방향 주사 탐침 현미경); KPFM(kelvin probe force microscopy, 켈빈 탐침력 현미경); MFM(magnetic force microscopy, 자기력 현미경); MRFM(magnetic resonance force microscopy, 자기공명력 현미경); NSOM,(near-field scanning optical microscopy, 근접장 주사 광학 현미경), (또는 SNOM(scanning near-field optical microscopy, 주사 근접장 광학 현미경); PFM, (Piezoresponse Force Microscopy, 압전감응력 현미경); PSTM(photon scanning tunneling microscopy, 광자 주사 터널 현미경); PTMS(photothermal microspectroscopy/microscopy, 광열 미세분광법/현미경), SCM(scanning capacitance microscopy, 주사 용량 현미경); SECM(scanning electrochemical microscopy, 주사 전기화학 현미경); SGM(scanning gate microscopy, 주사 게이트 현미경).
대부분의 실시형태에 따르면, 탐침 헤드를 포함하는 지지체 베이스는 지지체 암으로서 구현될 것이다. 이러한 실시형태에 따른, 본 명세서에서 사용되는 '지지체 베이스'는 '지지체 암'으로서 해석될 것이다. 알려진 바와 같이, 본 발명의 개념은 상이한 형태의 지지체 베이스를 사용해서 수행될 수 있다.
주사 탐침 현미경 장치, 예를 들면, 원자력 현미경 장치는, 탐침 팁을 시료 표면에 대해 3개의 수직 방향으로 구동하기 위한 액추에이터를 사용한다. 상기 기재된 바와 같이, 팁은, 일반적으로 탐침 팁에 z-방향으로 진동을 적용함으로써, z-방향으로 구동되어야 한다. 표면을 주사하기 위해서, 탐침 팁은 시료 표면에 평행한 2개의 수직 방향으로 구동되어야 한다.
본 발명의 원리에 따라, 시료 표면에 평행한 적어도 하나의 탐침 팁을 포함하는 헤드를 구동하기 위한 액추에이터는, 지지체 베이스 또는 지지체 암 상의 헤드의 실장 위치로부터 멀게 위치한다. 시료 표면에 대해 면내 헤드를 구동하기 위한 면 액추에이터 유닛은, 액추에이터를 수용하기 위한 공간이 있는 경우, 헤드로부터 떨어진 거리에 배치된다. 이는, 헤드에 대한 문제를 해결하고 헤드를 훨씬 더 작게 만들 수 있다. 따라서, 본 발명의 원자력 현미경 장치에는, 복수의 지지체 베이스 또는 암이 실장될 수 있고, 각각의 베이스는 헤드를 갖고, 각각의 헤드는 탐침 팁이 실장된 하나 이상의 탐침을 포함한다. 각각의 암은 그 자체의 면 액추에이터 유닛을 포함하고, 각각의 지지체 베이스는 다른 베이스와 독립적으로 개별적으로 구동될 수 있다.
따라서, 본 발명의 원자력 현미경 장치는, 단일 시료 표면 상의 복수의 먼 부위를 동시에 주사할 수 있고, 각각의 부위를 종래의 현미경의 일반적인 주사속도로 주사할 수 있다. 따라서, 처리량에, 적용된 지지체 베이스 또는 지지체 암의 수를 곱하고, 이것에 의해 처리시간이 상당히 감소된다. 예를 들면, 종래의 AFM 방법은, 10 ㎛ * 10 ㎛의 하나의 부위를 주사하기 위해, 40초가 필요한 것으로 가정한다. 실험될 50 개의 부위를 포함하는 웨이퍼는, 종래의 AFM 방법을 사용해서 시험하면 30분 넘게 걸릴 것이다. 본 발명의 AFM 방법은, 50 개의 개별적으로 구동 가능하고 조절 가능한 지지체 베이스 또는 암을 포함하는 AFM 장치를 적용함으로써, 이러한 웨이퍼는 40 초만에 실험될 수 있다. 알려진 바와 같이, 제공된 지지체 베이스 또는 암의 수는 장치의 설계에 의해 제한되고, 50 개의 베이스 또는 암의 특정한 예로 제한되지 않는다. 30 개의 베이스 또는 암을 포함하는 장치는, 모든 부위(제1패스에서 먼저 30개 부위 및 제2패스에서 남은 20개 부위)를 주사하기 위해 80초가 필요할 것이다.
특정한 실시형태에서, 제1실장 위치는 지지체 암의 제1단부 근방에 위치하고, 제2실장 위치는 지지체 암의 제2단부 근방에 위치한다. 본 실시형태에서, 액추에이터는 확장된 방향으로 지지체 암을 통해 축 방향으로 배열해서 배치될 수 있다. 설계 유연성은 이러한 방법으로 얻어지고, (지지체 암 측의 제어부 및 액추에이터가 없기 때문에)많은 지지체 암이 서로 인접해서 배치되고, 처리량이 증가될 수 있다.
주로, 임의의 좌표계에 따라 임의의 2개 수직 방향이 사용될 수 있지만, 본 발명의 실시형태에 따라 상기 지지체 베이스 또는 암의 하나 이상에 대해 하나 이상의 지지체 암 각각의 면 액추에이터 유닛은 X-방향 구동 액추에이터 및 Y-방향 구동 액추에이터 중 적어도 하나를 포함한다. X-방향 및 Y-방향은 카테시안 좌표계에 상응하는 시료 표면에 평행한 방향에 대해 수직 방향일 수 있다.
구체적인 실시형태에서, X-방향 액추에이터는 제2단부를 X-방향에 따라 구동하기 위한 선형 시프트 액추에이터를 포함한다. 또 다른 구체적인 실시형태에서, Y-방향 액추에이터는 Y 방향으로 제2단부를 구동하도록 지지체 베이스 또는 암을 피벗팅(pivoting)하는 회전 액추에이터를 포함한다. 후자의 실시형태에서, Y 방향으로의 구동을 제공하기 위해 지지체 베이스 또는 암의 피벗 작동은 주사 중 서로 방해하는 지지체 암 사이의 충돌을 피하는 것이다.
구체적인 실시형태에 따르면, 회전 액추에이터는 사용 시 동일한 표면에 평행한 면에서 지지체 암을 회전하기 위한 힌지 엘리먼트를 포함하고, 상기 힌지 엘리먼트는 지지체 암의 회전 작용을 제공하기 위해 선형 시프트 액추에이터와 연동한다. 이것에 의해 탐침 팁을 시료 표면에 대해 Y 방향으로 매우 정확하게 위치시킬 수 있다. 또한, 정밀도를 더 증가시키기 위해, 또 다른 실시형태에 따라, 힌지 엘리먼트는 크로스 힌지, 하버랜드 힌지(Haberland hinge), 또는 하나 이상의 리프 스프링을 포함하는 힌지를 포함하는 군으로부터 적어도 하나의 엘리먼트를 포함한다. 또한, 탐침 팁이 매우 정밀하게 위치되도록 하기 위해, 일부 실시형태에서, 힌지 엘리먼트와 연동하는 선형 시프트 액추에이터는, 힌지 엘리먼트에 의해 암을 피벗팅하기 위해 오프 축 위치에서 암을 통해 축 방향에 대해 평행한 방향으로 지지체 암을 구동하도록 배치한다.
본 발명의 실시형태에 따른 원자력 현미경 장치에서, 각각의 지지체 베이스 또는 암은 탐침 팁을 Z 방향으로 구동하기 위한 Z 방향 액추에이터를 더 포함할 수 있다. Z 방향 액추에이터는 탐침 팁이 시료 표면을 왕복하기 위한 Z 위치 액추에이터 및/또는 상기 시료 표면을 주사하기 위해 시료 표면에 인접한 탐침 팁을 Z 방향으로 진동하기 위한 Z 진동 액추에이터를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 따라, Z 방향 액추에이터는 지지체 베이스 또는 암의 제2실장 위치에 위치하고, 헤드 상 또는 근방에 실장된다. 헤드 상에 Z 방향 액추에이터를 실장하면, 이 방향으로 필요한 매우 정밀하고 정확한 스트로크가 가능하다.
본 발명에 따라 원자력 현미경 장치의 실시형태는, 사용 시에 시료 표면에 평행한 적어도 한 방향으로 시료 표면에 대해 헤드 각각의 일반적인 위치를 결정하기 위해 배치되는 구동 제어 로케이터 유닛을 포함한다. 알려진 바와 같이, 구동 제어 로케이터는 각각의 헤드 및 결합된 암의 위치에 정확한 정보를 제공함으로써 지지체 베이스 또는 암의 구동을 제어할 수 있다. 이것은 구동 제어 로케이터 유닛이 광학 레퍼런스들(optical references)의 배열에 의해 형성된 그리드를 포함하고, 각각의 헤드는 광학 레퍼런스를 검출하기 위한 광 센서를 포함하고, 상기 그리드는 시료 표면에 대해 지지체 베이스 또는 암의 대향하는 위치에 시료 표면에 실질적으로 평행하게 배치되고, 지지체 베이스 또는 암은 사용 시 센서 그리드와 샘플 표면 사이에 있도록 함으로써 구현될 수 있다. 광학 레퍼런스에는, 광 콘트래스트 영역, 예를 들면, 반사 영역 및 흡수 영역을 포함할 수 있다. 종래의 AFM 방법에서, 헤드의 위치(즉, X-Y-위치)는 시료 표면 측으로부터 광센서를 이용해서 측정된다. 본 발명에서, 일부 헤드 측으로부터 광 통로는 그 외의 암 및 헤드에 의해 방해될 수 있다. 따라서, 상기 방해 문제를 해결할 수 있는, 새로운 타입의 로케이터 유닛은 본 발명의 일부 실시형태에서 개발되었다. 위치는, 사용시 시료 표면에 대해 암 및 헤드의 대향 측에서 그리드를 사용해서 측정된다.
알려진 바와 같이, 본 발명에 따른 원자력 현미경 장치는 웨이퍼와 같이, 사용시 상기 시료를 수용하도록 배치된 시료 캐리어를 더 포함할 수 있다. 또한, 일부 특정 실시형태에 따라, 중력 방향으로, 헤드는 광학 레퍼런스 그리드 상에 위치하고, 시료 캐리어는 헤드 상에 위치하고, 시료 캐리어는 헤드를 대면하는 측에서 시료 표면을 노출하도록 배치된다. 이것은 장치 기능층의 매우 일반적인 배치로서, 시료를 상부에 배치하는 것은, 시료를 효율적으로 대체하기 위해, 시료 캐리어에 용이하게 접근할 수 있기 때문이다. 동시에, 시료 표면의 대향 측에, 암 바로 아래에 광학 레퍼런스 그리드를 갖고 근접한 헤드 및 탐침 팁의 위치를 정확하게 결정할 수 있다. 또 다른 개선으로서, 각각의 헤드에 결합된 지지체 베이스는 그리드에 높은 강성을 가지면서 고정될 수 있고, 토포그래피 측정에 대한 안정한 기준을 제공한다. 본 명세서에 사용된 액추에이터는, 압전 액추에이터, 스텝퍼 모터 등을 포함하는, 당업자에게 공지된 임의의 높은 정밀한 액추에이터를 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 각각 지지체 베이스에 결합된 면 액추에이터 유닛은 지지체 베이스 바로 위에 실장하고, 지지체 베이스와 지지체 베이스 아래의 지지체 구조체 사이의 구동력을 제공한다. 알려진 바와 같이, 상기는 초기의 실시형태의 기계적인 전환이며, 청구범위 내에 포함된다.
또 다른 실시형태에 따르면, 복수의 헤드는 복수의 지지체 베이스 상에 실장되고, 지지체 베이스는 상기 표면을 주사하기 위해 사용 시 시료 위에 또는 아래에 지지체 베이스를 확장하기 위해 시료를 수용하는 영역의 둘레에 원형으로 배치된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조해서 일부 특정한 실시형태의 설명이 기재될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현 예를 제공하지만, 본 발명의 범위 내에 있는 실시형태만이 기재되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위로 한정되고, 설명은 본 발명을 제한하지 않고 설명되는 것으로 기재되어야 한다. 도면에서:
도 1은 일반적인 종래기술의 원자력 현미경의 작용 원리를 개략적으로 도시하고;
도 2는 본 발명에 따른 원자력 현미경의 작용 원리를 개략적으로 도시하고;
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 원자력 현미경 장치를 개략적으로 도시하고;
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 원자력 현미경의 지지체 암을 개략적으로 도시하고;
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 원자력 현미경 내에 탐침 헤드의 확대도를 개략적으로 도시하고;
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 원자력 현미경 내에 암의 원형 배치를 포함하는 또 다른 실시형태를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 주사 탐침 현미경 장치는, 예를 들면, 원자력 현미경(AFM) 장치일 수 있다. 하기 설명에서 구체적으로 원자력 현미경 장치의 실시형태가 기재될 것이지만, 본 명세서의 교시에 따라서 이러한 적용으로 제한되는 것은 아니다. 알려진 바와 같이, 본 발명의 교시는 탐침을 사용해서 표면 영역을 주사하는 원리에 기초한 임의의 현미경 장치에 적용될 수 있다. 적용되는 특정한 분야는 본 명세서의 초기에 언급되었다.
도 1은 일반적인 종래 기술 원자력 현미경의 작용 원리를 개략적으로 도시한다. 도 1에서, 탐침 헤드(2)는 탐침(8)의 X, Y, 및 Z 방향 구동을 위한 압전형 드라이버(3)를 포함한다. 탐침(8)은 시료 표면(5)을 주사하도록 배치된 탐침 팁(10)을 갖는 캔틸레버(9)로 이루어진다. 주사 중, 진동 압전(미도시)은, 예를 들면, 공명 주파수에 근접해서 다양한 방식으로 캔틸레버를 구동하고, 탐침 팁의 표면을 탭핑할 수 있다. 탐침 팁에 진동 운동을 적용하는 방법은 당업자에게 공지되어 있다.
시료 표면(5)의 주사는, 시료 표면(5)에 평행한 X 및 Y 방향으로 탐침 팁(10)을 구동시켜서(또는 X 및 Y 방향에 고정된 탐침 팁의 위치를 유지하면서 기판 표면을 구동시켜서) 수행된다. 탐침 팁(10)은 z 방향 압전 드라이버에 의해 표면(5)에 근접시킨다. 탐침 팁(10)이 이러한 근접한 위치에 있으면, 탐침 팁(10)은 주사 중 표면(5)에 반복적으로 접촉하도록 진동한다. 동시에, 레이저(16)는 탐침 팁에 레이저 빔(15)을 조사한다. z 방향에서 정확한 위치는 반사된 레이저 빔(15)을 수용하는 광 다이오드(18)를 사용해서 결정된다.
시료 표면(5)은 시료 캐리어(4)를 사용해서 구동된다. 탐침 헤드(2) 상에 위치한 압전 드라이버(3)의 구동은 검출기 및 피드백 전자장치(20)를 사용해서 수행한다. 동시에, 검출기 및 피드백 전자장치(20)는 광 다이오드(18)를 사용해서 결정된 검출된 z 위치를 수용한다. 이러한 원리에 의해 표면 엘리먼트, 예를 들면, 시료 표면 상에 표면 엘리먼트(13)의 매우 정확한 맵핑이 가능하다. 상기 기재된 바와 같이, 표면의 맵핑이 매우 정밀하게 수행되어야 하기 때문에, 이러한 방법을 수행하는 속도는 다소 느리다.
도 2는 본 발명에 따라 원자력 현미경 장치를 개략적으로 도시한다. 도 2는 특히 본 발명의, AFM 현미경의 작동 원리를 도시한다. 특히, 본 발명의 AFM 현미경은 복수의 지지체 암(23)을 포함하고, 각각의 지지체 암(23)은 탐침 헤드(25)를 갖는다. 지지체 암(23)은 서로 독립적으로 개별적으로 구동되고, 복수의 암(23)에 의해 웨이퍼(20)의 표면 상의 복수의 부위(27)를 동시에 주사할 수 있다. 도 2에 도시된 AFM 현미경은 10개의 암을 포함하지만, 암의 수는 단지 AFM 현미경의 설계 의해서만 제한되는 것을 알 수 있다. 현미경은 실시형태에 따라 AFM 현미경에서 본 발명의 원리의 구체적인 구현 및 장치의 크기에 따라 20, 30, 40, 50, 60, 70 개 이상의 암을 쉽게 포함할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시형태에 따라 제공된 원자력 현미경 장치의 개략 단면도이다. 도 3a에서, 본 실시형태에서 50개 암 중 2개가 도시된다. 도 3a에서, 고정된 프레임(33)은 본 발명의 AFM 현미경을 사용해서 주사될 시료 표면을 형성하는 웨이퍼(36)가 매달려 있는 시료 캐리어(35)를 포함한다. 시료 캐리어(35)의 양측 상의 엘리먼트(37)는 배치를 교정하고, 공정 중 각각의 탐침 헤드(43 및 53) 상에 실장된 탐침 팁을 교체한다. 도 3a에 도시된 AFM 현미경(30)은 2개의 지지체 암(41 및 51)을 포함한다. 각각의 지지체 암(41 및 51)은 웨이퍼(36) 상에 시료 표면에 대해 x 방향으로 암(41 및 51)을 구동하도록 배치된 선형 시프트 액추에이터(39 및 50) 상에 실장한다. x 방향은 화살표(31)로 표시된다. z 방향은 도 3a에 화살표(32)로 나타낸다. 도 3에는 웨이퍼(36)의 표면을 주사하기 위한 탐침 팁을 포함한 탐침(45 및 55)이 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 도 3a에는, 작동자에 의한 웨이퍼(36)의 외관 검사를 위해, 촬상 유닛(57)을 포함하는 비전 엘리먼트(58)가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3b는 지지체 암(예를 들면, 암 41)의 일부를 포함하는 광학 레퍼런스 그리드(48)의 개략적인 상면도이다. 도 3b에는 비전 엘리먼트(58) 상에 배치된 촬상 유닛(57)이 도시된다. 도시된 바와 같이, 선형 시프트 액추에이터(59)는 웨이퍼(36) 하부 근방의 촬상 유닛(57)을 구동시킬 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 원자력 현미경 장치에 탐침 헤드(67)를 갖는 지지체 암(70)의 개략도이다. 지지체 암(70)은 선형 시프트 액추에이터(60)에 의해 x 방향(74)으로 구동된다. 선형 시프트 액추에이터(60)는 2개의 글라이더 레일(63) 및 글라이더 레일(63)의 방향으로 구동할 수 있는 구동 엘리먼트(64)로 구성된다.
또한, 지지체 암(70)은 엘리먼트(68)에 의해 왕복으로 구동하는 선형 시프트 액추에이터(65)에 연결된다. 선형 시프트 액추에이터(65)는, 도 4a에 화살표(67a 및 67b)에 의해 개략적으로 나타낸 회전 운동을 제공하도록 힌지 엘리먼트(66)와 연동한다. 이것에 의해, 시료 표면 상에 임의의 부위에 도달하도록 y 방향(73)으로 지지체 암(70)의 탐침 헤드(69)를 구동할 수 있다.
힌지 엘리먼트(66)는 탄성 힌지, 예를 들면, 크로스 힌지 또는 하버랜드 힌지일 수 있다. 탐침 헤드(69)(특히, 탐침 팁(미도시)의 특정 위치는 탐침 헤드(69) 아래에 광학 레퍼런스 그리드(72)를 사용해서 모니터링될 수 있다. 도 4b는, 도 4a의 개략적인 측면도이다. 이것은 선형 시프트 액추에이터(64)에 의해 지지체 암(70)이 x 방향으로 왕복 이동하는 레일(63)을 도시한다. 헤드(69) 상에, z 방향 액추에이터(78)가 존재한다. z 방향 액추에이터(68)는, 시료 표면을 왕복으로 이동시키는 것과 같이, 탐침의 캔틸레버(75) 상의 탐침 팁(76)을 z 방향으로 상하로 이동하도록 작동한다. 액추에이터(78)는 시료 표면의 주사 중 z 방향으로 탐침(76)에 진동을 적용하기 위해 배치된다. 이것에 의해 시료 표면이 더 상세하게 맵핑될 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 원자력 현미경 장치에 지지체 암(70)의 단부 상에 헤드(69)의 개략적인 확대도이다. 헤드(69)는 z 방향 액추에이터(78)를 포함한다. z 방향 액추에이터(78) 상의 캐리어 구조체(79)는 캔틸레버(75) 및 탐침 팁(76)을 진동하기 위한 압전 엘리먼트(83)을 포함한다. 탐침 팁(76)이 시료 표면에 접촉할 때에 z 위치를 정확하게 모니터링하기 위해 사용되는 레이저(15)가 도시된다.
헤드(69) 아래에 2개의 인코더 헤드(80 및 81)는 탐침 헤드(69) 위치를 정확하게 결정하기 위해 광학 레퍼런스 그리드(72)와 연동한다. 탐침 헤드(69)는, 표면(72) 내에 공기 베어링에 의해, 즉 작은 핀홀을 통해 공기를 송풍함으로써 광학 레퍼런스 그리드 면(72) 상에 장착된다. 도 5b는 표면(72) 상에 탐침 헤드(69)의 풋프린트를 도시한다. 도 5b에는, 인코더 헤드(80 및 81) 및 2 방향 액추에이터가 도시될 수 있다. 본 발명에서 지지체 베이스 및 그 외의 부품은 충분한 기계적 및 열적 강도를 가지고 일반적인 고정된 프레임에 위치한다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따라 원자력 현미경 장치에 암의 원형 배치를 포함하는 실시형태를 개략적으로 도시한다. 도 6a에서, 웨이퍼(20')는 본 발명의 일 실시형태에 따라 원자력 현미경(AFM)을 사용해서 조사된다. AFM 장치는 웨이퍼(20')의 둘레에 원형으로 배치된 복수의 암(23')을 포함한다. 도 6a에 따르면, 도 6a의 이해가 불명확하게 되지 않도록 도면에 암의 전체 6개 암(23')부가 생략된 것을 도시한다. 실제로, 임의의 수의 암(23')은 웨이퍼(20') 둘레의 일부뿐만 아니라 둘레 전체에 배치될 수 있다.
여기에 부착된 암(23') 및 헤드(25')의 방사상 배치는, 웨이퍼 주위에(필요에 따라 50개를 초과한 헤드) 복수의 암이 배치될 수 있다. AFM 현미경의 처리량에 헤드의 수를 곱하기 때문에(2개의 헤드의 주사는 1개의 헤드의 주사에 비해 2배 빠름), 본 실시형태에 따른 시스템은 주사 웨이퍼에 대해 매우 큰 처리량을 갖는다. 따라서, 이러한 시스템을 산업적 환경에 적용하는 것이 바람직하다(이들로 한정되지 않는다). 또한, 원형 배치는 자동적으로 액추에에터가 배치된 암의 후단(주사 영역 외측)에 충분한 공간을 제공한다.
도 6b는 제2실시형태에서 암의 클래싱(clashing) 없이 전체 표면을 가장 효율적으로 주사할 수 있도록 하는 암의 작동 방법의 개략도이다. 화살표(90)는 웨이퍼의 에지로부터 중심을 향하도록 가리킨다. 이 방향에서, 반경은 감소하고, 따라서 클래싱 가능성은 일반적으로 증가한다. 그러나, 동시에, 주사될 표면 영역은 감소하고 조사될 영역의 수도 감소된다. 암은 스태거방식으로 확장된다. 암(23'-2 및 23'-4)은 웨이퍼의 주위 영역에서 주사하는 헤드(23'-2 및 25'-4)를 포함한다. 중심에 더 가까운 영역에서, 각각의 헤드(23'-1 및 25'-5)를 갖는 암(23'-1 및 23'-5)은 표면을 능동적으로 주사한다. 그 중심에서 및 중심에 가장 가까운 영역에서, 암(23'-3)의 헤드(25'-3)는 능동적이다.
본 발명은 일부 특정 실시형태의 점에서 기재되었다. 상기 본원에 기재되고 도면에 도시된 실시형태는 예시 목적으로 의도되고, 본 발명에 제한적인 임의의 방법 또는 수단으로 제한되지 않는 것을 알 수 있다. 본원에 기재된 본 발명의 문맥은 즉 수반한 청구범위에 의해 제한된다.

Claims (15)

  1. 시료 표면 상의 나노구조물을 맵핑하기 위한 주사 탐침 현미경 장치로서, 상기 장치는 시료 표면을 주사하기 위한 복수의 탐침들 및 시료에 대해 상기 탐침들을 구동할 수 있는 하나 이상의 구동 액추에이터들을 포함하고, 상기 복수의 탐침들의 각각은 캔틸레버 상에 실장된 탐침 팁을 포함하고, 이때 상기 캔틸레버는 주사를 가능하게 하기 위해 상기 탐침 팁이 상기 시료 표면과 접촉하도록 하는 Z 방향 액추에이터에 의해 작동가능한(operable) 것이고, 상기 장치는, 상기 탐침 팁이 상기 시료 표면에 접촉할 때 Z 방향에 따라 각각의 탐침 팁의 위치를 결정하기 위한 복수의 Z 위치 검출기들을 더 포함하고, 상기 Z 방향은 나노구조물을 맵핑하는 것이 가능하도록 하기 위해, 상기 시료 표면에 대해 횡단하는(transverse) 방향인 것이고;
    상기 복수의 탐침들은 복수의 헤드들 상에 실장되고, 각각의 헤드는 상기 복수의 탐침들 중 하나 이상, 하나 이상의 탐침들을 구동하기 위한 Z 방향 액추에이터, 및 적어도 하나의 Z 위치 검출기를 포함하고;
    각각의 헤드는 상기 헤드에 결합된 지지체 베이스 상에 실장되고, 각각의 지지체 베이스는 상기 시료에 대해 결합된 헤드가 개별적으로 구동되도록 배치되고;
    결합된 헤드의 개별적인 구동이 가능하도록, 각각의 지지체 베이스는, 각각의 지지체 베이스의 개별적인 구동을 가능하게 하기 위해 각각의 지지체 베이스와 연동하는 면 액추에이터 유닛을 포함하고, 상기 면 액추에이터 유닛은 상기 시료 표면에 평행한 적어도 하나의 방향으로, 상기 시료에 대해, 상기 지지체 베이스의 이동에 의해 상기 지지체 베이스에 결합된 헤드를 구동시키기 위한 적어도 하나의 구동 액추에이터를 포함하고, 상기 면 액추에이터 유닛은 상기 지지체 베이스에 따라 제1실장 위치에 위치하고, 상기 제1실장 위치는 제2실장 위치로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 지지체 베이스에 결합된 헤드는 상기 지지체 베이스 상의 상기 제2실장 위치에 실장되는, 주사 탐침 현미경 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체 베이스들 중 하나 이상에서, 하나 이상의 지지체 베이스 각각의 면 액추에이터 유닛은 X 방향 구동 액추에이터 및 Y 방향 구동 액추에이터 중 적어도 하나를 포함하는, 주사 탐침 현미경 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    X 방향 액추에이터는 상기 X 방향을 따라 상기 지지체 베이스와 결합된 헤드를 구동하기 위한 선형 시프트 액추에이터를 포함하는, 주사 탐침 현미경 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    Y 방향 액추에이터는 상기 지지체 베이스와 결합된 헤드를 상기 Y 방향으로 구동하도록 상기 지지체 베이스를 피벗팅(pivoting)시키는 회전 액추에이터를 포함하는, 주사 탐침 현미경 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전 액추에이터는 사용 시에 상기 시료 표면에 평행한 면 내에서 상기 지지체 베이스를 회전하기 위한 힌지 엘리먼트를 포함하고, 상기 힌지 엘리먼트는 상기 지지체 베이스의 회전 작동을 제공하기 위한 추가의 선형 시프트 액추에이터와 연동하는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 힌지 엘리먼트는 크로스 힌지, 하버랜드 힌지, 또는 하나 이상의 리프 스프링을 포함하는 힌지를 포함하는 군의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함하는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 추가의 선형 시프트 액추에이터는 상기 지지체베이스를 통하는 축방향에 평행한 방향 및 상기 지지체 베이스의 오프 축 위치에서, 상기 지지체 베이스 상에서 작동하도록 배치되어, 상기 힌지 엘리먼트에 의해 상기 지지체 베이스의 피벗팅을 가능하게 하는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 지지체 베이스는 Z 방향에서 탐침 팁을 구동하기 위한 Z 방향 액추에이터를 더 포함하고, 이때 상기 Z 방향 액추에이터는, 상기 탐침 팁을 상기 시료 표면에 대해 왕복으로 구동하기 위한 Z 위치 액추에이터 또는 상기 탐침 팁을 탭핑함으로써 상기 시료 표면을 주사하도록 상기 시료 표면에 인접한 Z 방향으로 상기 탐침 팁을 진동시키기 위한 Z 진동 액추에이터를 포함하는 군 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용 시, 상기 시료 표면에 평행한 적어도 한 방향으로 상기 시료 표면에 대해 각각의 헤드의 현재 위치를 결정하기 위해 배치된 구동 제어 로케이터 유닛을 더 포함하는, 주사 탐침 현미경 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동 제어 로케이터 유닛은 광학 레퍼런스(optical reference)들의 배열에 의해 형성되는 그리드를 포함하고, 각각의 헤드는 광 센서를 포함하고, 상기 그리드는 상기 시료 표면에 실질적으로 평행하게 배치되는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용 시 상기 시료를 수용하기 위해 배치되는 시료 캐리어를 더 포함하고, 중력 방향에서 상기 헤드는 센서 그리드 위(above)에 위치하고, 상기 시료 캐리어는 상기 헤드 위에 위치하고, 상기 시료 캐리어는 상기 헤드를 대면하는 측에 상기 시료 표면을 노출하도록 배치되는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1실장 위치는 상기 지지체 베이스의 제1단부 근방에 위치하고, 상기 제2실장 위치는 상기 지지체 베이스의 제2단부 근방에 위치하는, 주사 탐침 현미경 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 지지체 베이스에 결합된 면 액추에이터 유닛은 상기 지지체 베이스 바로 위에 실장되어, 상기 지지체 베이스와, 상기 지지체 베이스 하부의 지지체 구조체 사이의 구동력을 제공하는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 광학 레퍼런스들의 배열에 의해 형성되는 그리드를 추가로 포함하고, 각각의 헤드에 결합된 지지체 베이스는 상기 그리드에 높은 강성을 가지면서 고정되어, 토포그래피 측정을 위한 안정적인 레퍼런스를 제공할 수 있는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 헤드는 복수의 지지체 베이스 내에 실장되고, 상기 지지체 베이스는 상기 표면을 주사하기 위해 사용시에 시료 상부 또는 하부에 상기 지지체 베이스를 확장하도록 상기 시료를 수용하기 위한 영역의 둘레 근처에 원형 배치로 배열되는 것인, 주사 탐침 현미경 장치.
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