KR102414946B1

KR102414946B1 - 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102414946B1
Application number: KR1020200066191A
Authority: KR
Inventors: 박상일; 안병운; 조아진; 최수봉
Original assignee: 파크시스템스 주식회사
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2022-07-04
Also published as: KR20210149919A; US20210373046A1; JP7192035B2; US11598788B2; JP2021189185A; US20230184808A1

Abstract

본 발명은 열감지 탐침을 이용하여 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법으로서, 온도 변화를 측정할 수 있는 열감지 탐침을 상기 특정 공간 내에서 선형적으로 이동시키는 단계; 및 상기 이동시키는 단계 동안 상기 열감지 탐침으로부터 얻어지는 연속적인 온도 변화값을 이용하여 상기 특정 공간의 열분포를 산출하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 열감지 탐침을 이용하여 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치에 따르면, 열감지 탐침으로 작은 공간 내의 온도 분포를 맵핑할 수 있고, 이를 이용하여 빔스팟을 정확히 검출할 수 있다.

Description

광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DETECTING BEAM SPOT OF LIGHT SOURCE}

본 발명은 열감지 탐침을 이용하여 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

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 세분화될 수 있다.

원자현미경은 캔틸레버 (cantilever) 일측에 형성된 팁 (tip) 을 시료 표면 가까이 가져갈 때 생기는 원자 간의 상호작용력을 측정해 시료 표면을 측정한다. 하지만 팁에는 시료와 팁 끝 부분 간의 원자 간 상호작용력 외에 다른 힘들이 작용될 수 있다. 예를 들어, 팁을 자화시킨 경우, 시료의 자기력이 팁에 힘을 작용시킬 수 있고, 시료의 자기 특성을 측정할 수도 있다. 이는 MFM (Magnetic Force Microscopy) 이라고 불리우는 측정 방식으로 불리운다. 이외에도 다양한 종류의 팁을 사용하여 다양한 시료 표면의 특성을 측정할 수 있는 응용 모드들이 개발되었고, EFM (Electric Force Microscopy), SCM (Scanning Tunneling Microscopy) 등을 예로 들 수 있다.

원자현미경의 여러가지 응용 모드 중, 열감지 탐침을 활용하여, 시료 표면의 온도 변화를 측정하거나 (이를 TCM 이라 함), 시료 표면의 열전도율을 측정하는 (이를 CCM 이라 함) 응용 모드를 주사형 열현미경 (Scanning Thermal Microscopy, SThM) 이라고 한다.

일반적으로 주사형 열현미경은 시료 표면의 온도 변화, 열전도율을 측정하는 것으로 이용되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 열감지 탐침을 이용하여 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법으로서, 온도 변화를 측정할 수 있는 열감지 탐침을 상기 특정 공간 내에서 선형적으로 이동시키는 단계; 및 상기 이동시키는 단계 동안 상기 열감지 탐침으로부터 얻어지는 연속적인 온도 변화값을 이용하여 상기 특정 공간의 열분포를 산출하는 단계; 를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 광원의 빔스팟 (beam spot) 을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 빔스팟이 맺히도록 상기 광원이 제1 방향으로 광을 조사하는 단계; 탐침의 끝이 상기 제1 방향과 대략적으로 반대 방향을 향하면서 상기 빔스팟이 맺힌 주변부에 위치되도록, 열감지 탐침을 위치시키는 단계; 상기 열감지 탐침을 상기 제1 방향과 대략적으로 수직인 방향으로 이동시키면서, 온도 변화값을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 온도 변화값으로부터 빔스팟을 검출하는 단계; 를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 빔스팟 검출 장치는, 광원을 포함하여, 상기 광원으로부터 광이 특정 지점에서 빔스팟을 형성하도록 구성되는 광학계; 상기 광원으로부터의 광의 진행 방향과 대략적으로 반대방향을 향하여 탐침의 끝이 향하도록 배치되는 열감지 탐침; 상기 열감지 탐침을 이동시킬 수 있도록 구성되는 이동수단; 및 상기 이동수단의 이동을 제어하고, 상기 열감지 탐침으로부터 정보를 얻어 상기 열감지 탐침의 이동 경로 상의 온도 변화를 계산하는 제어 장치; 를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 빔스팟의 형상이 시인가능하도록 CCD 카메라가 더 포함된다.

본 발명의 열감지 탐침을 이용하여 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법 및 장치에 따르면, 열감지 탐침으로 작은 공간 내의 온도 분포를 맵핑할 수 있고, 이를 이용하여 빔스팟을 정확히 검출할 수 있다.

도 1은 XY 스캐너와 Z 스캐너가 분리된 원자 현미경의 개략적인 사시도이다.
도 2는 비젼 장치를 포함한 광학계를 측면에서 도시한 개념도이다.
도 3은 열감지 탐침을 이동시키는 이동수단의 예시를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 중성 농도 필터를 변경해가면서 열감지 탐침을 사용하여 X 방향의 열분포를 측정한 그래프이다.
도 5는 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법의 순서도이다.
도 6은 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법의 순서도이다.

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.

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. 아울러, 제1 코팅 후 제2 코팅을 행한다 기재하였더라도, 그 반대의 순서로 코팅을 행하는 것도 본 발명의 기술적 사상 내에 포함되는 것은 물론이다.

본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 의한 방법과 장치는, 반드시 원자 현미경을 이용하거나, 원자 현미경의 일부 구성을 채용할 필요는 없다. 그러나, 원자 현미경의 구성을 이용하여 본 발명의 방법과 장치가 구현될 수 있으므로, 이하에서는 먼저 원자 현미경의 구성에 대해 설명한다.

도 1은 XY 스캐너와 Z 스캐너가 분리된 원자 현미경의 개략적인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 원자 현미경 (1000) 은 헤드 (1110) 와, XY 스캐너 (1120) 와, XY 스테이지 (1130) 와, Z 스테이지 (1140) 와, 고정 프레임 (1150) 과, 비젼 장치 (1160) 를 포함하여 구성된다.

헤드 (1110) 는, Z-스캐너 (1111) 와, 프로브 핸드 (1112) 를 포함한다. Z-스캐너 (1111) 는 프로브 핸드 (1112) 를 상하로 변위시키며, 액추에이터로서는 피에조 스택이 활용될 수 있다. 프로브 핸드 (1112) 는 Z-스캐너 (1111) 의 구동을 단부에 고정되는 프로브 (10) 에 전달한다.

XY 스캐너 (1120) 는 측정 대상 (1) 을 XY 평면에서 X 방향 및 Y 방향으로 스캔하도록 구성된다. 또한, XY 스테이지 (1130) 는 측정 대상 (1), XY 스캐너 (1120) 를 상대적으로 큰 변위로 X 방향 및 Y 방향으로 이동시키도록 구성된다.

또한, Z 스테이지 (1140) 는 헤드 (1110) 를 상대적으로 큰 변위로 Z 방향으로 이동시키도록 구성된다. 또한, 고정 프레임 (1150) 은 XY 스테이지 (1130) 와 Z 스테이지 (1140) 를 고정하도록 구성된다.

비젼 장치 (1160) 는 프로브 (10) 를 확대하여 보여주거나 측정 대상 (1) 을 보여줄 수 있도록 구성된다. 비젼 장치 (1160) 는 도 1에서 간략화하여 도시하였으나, 경통, 대물렌즈, 광공급장치 및 CCD 카메라를 포함하여, 광공급장치로부터 광을 공급받아 대물렌즈에 의해 확대되어진 화상을 CCD 카메라에서 시인 가능하게 변환하여 별도의 디스플레이 장치에 의해 보여질 수 있도록 구성된다. 자세한 것은 도 2를 참조하여 더 설명한다.

또한, 비젼 장치 (1160) 는 고정 프레임 (1150) 에 고정될 수 있다. 그러나, 이와는 달리 고정 프레임 (1150) 에 고정되지 않고 다른 부재에 의해 고정될 수도 있다.

또한, 비젼 장치 (1160) 는 Z 축으로 이동될 수 있도록 구성되어, 프로브 (110) 를 보이게 하거나, 샘플 (1) 의 표면을 보이게 할 수도 있다. 즉, 비젼 장치 (1160) 의 초점은 Z 축을 따라 변경될 수 있다.

이러한 구성은 일반적인 원자 현미경의 구성에 해당되고, 본 명세서에 포함되지 않은 기술적 사항은 본 출원인인 ㈜파크시스템스의 상용화된 NX10^TM 등의 제품에 반영된 사항을 참조로 추가할 수 있다.

도 2는 비젼 장치를 포함한 광학계를 측면에서 도시한 개념도이고, 도 3은 열감지 탐침을 이동시키는 이동수단의 예시를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 광학계 (2000) 는 도 1의 비젼 장치 (1160) 를 포함하여 구성된다.

비젼 장치 (1160) 는 경통 (1161) 과, CCD 카메라 (1162) 와, 대물렌즈 (1163) 와, 조명소스 (1164) 를 포함하여 구성된다. 경통 (1161) 의 하측으로는 대물렌즈 (1163) 가 연결되고, 상측으로는 CCD 카메라 (1162) 가 연결되어, 대물렌즈 (1163) 에 의해 확대된 상이 CCD 카메라 (1162) 에 맺힌다. 경통 (1161) 의 일측으로 조명소스 (1164) 가 예를 들어 백색광을 공급하여 CCD 카메라 (1162) 의 시인성을 담보한다. 이러한 비젼 장치 (1160) 는 본 출원인인 ㈜파크시스템스의 상용화된 NX10^TM등에 반영된 구성과 동일하다.

광원 (R) 의 빔스팟 (beam spot) 을 검출하기 위해서는 비젼 장치 (1160) 외에 추가적 구성이 필요하다.

먼저, 측정의 대상이 되는 광원 (R) 은 광을 방출하기만 하면 어떠한 종류라도 무관하나, 본 실시예에서는 광원 (R) 레이저 광을 방출하는 레이저 장치로서 설명한다. 더 구체적으로는 광원 (R) 은 빔스팟이 맺히도록 조정된 레이저 장치로서, 633nm 파장의 헬륨-네온 레이저 (He-Ne laser) 장치일 수 있다.

광원 (R) 의 광은 적어도 제1 방향 (도 2에서는 -z 방향) 으로 진행한다. 광원 (R) 이 직접 제1 방향으로 광을 진행시킬 수도 있으나, CCD 카메라 (1162) 를 광원 (R) 이 가리게 되므로, 복수의 미러 (M) 및 빔스플리터 (Beam Spliter, BS) 를 도 2와 같이 배치하여 최종적인 광의 진행 방향을 제1 방향으로 변경하는 것이 바람직하다.

이때, 빔스플리터 (BS) 는 경통 (1161) 내에 설치되는 것이 바람직하다. 그리고, 광의 경로 상에는 중성 농도 필터 (Neutral Density Filter, ND) 가 배치될 수 있다. 중성 농도 필터 (ND) 는 원하는대로 광의 투과양을 감소시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 2에서 광원 (R), 미러 (M) 및 빔스플리터 (BS) 는 광을 생성하고 빔스팟을 형성하게 하는 광학계로서 기능한다.

열감지 탐침 (100) 은 탐침 (110) 의 끝이 제1 방향과 대략적으로 반대 방향을 향하면서 빔스팟이 맺힌 주변부에 위치된다. 여기서 제1 방향과 대략적으로 반대 방향이란 것은 정확히 도 2에서의 +Z 방향을 포함하되, 제1 방향의 반대 방향과 30° 이내의 방향으로 탐침 (110) 의 끝이 향하는 방향을 의미한다. 즉, 열감지 탐침 (100) 의 탐침 (110) 의 끝이 온도 변화를 감지할 수 있도록 빔스팟을 향하면 된다.

열감지 탐침 (100) 은 상용화되어 SThM 팁이라고 불리우기도 하며, 탐침 (110) 에서 온도 변화 (T) 를 감지할 수 있는 원자 현미경 용 탐침이다. 구체적으로 열감지 탐침 (100) 으로 온도 변화에 따라 출력되는 저항이 변동되도록 구성되는 상용화된 탐침을 사용하면 된다. 예를 들어, 열감지 탐침 (100) 으로 ANASYS instrument 사의 ThermaLever Probe, NT-MDT Spectrum Instruments 사의 SThM_P 등이 비제한적으로 사용될 수 있다.

열감지 탐침 (100) 은 공간을 이동하면서 이동된 공간의 온도 변화를 측정한다. 열감지 탐침 (100) 은 이동수단에 의해 이동될 수 있다.

열감지 탐침 (100) 의 이동수단은 다양하게 채용될 수 있으나, 도 3과 같이 원자 현미경 (1000) 의 구성 중 일부를 채용해서 구비하여도 된다.

도 3의 (a) 와 같이, XY 스캐너 (1120) 가 이동수단으로 채용될 수 있다. 또한, 도 3의 (b) 와 같이, Z 스캐너 (1111) 및 프로브 아암 (1112) 이 이동수단으로 채용될 수 있다.

XY 스캐너 (1120) 를 이동수단으로 채용한다면, XY 평면 상에서 열감지 탐침 (100) 을 이용해 열분포를 측정할 수 있다. 또한, Z 스캐너 (1111) 및 프로브 아암 (1112) 을 이동수단으로 채용한다면, Z 방향 상에서 열감지 탐침 (100) 을 이용해 열분포를 측정할 수 있다.

도 2에서와 같은 구성을 활용하여, 광원 (R) 의 빔스팟을 검출하기 위해서는 XY 평면 상에서의 열분포를 확인하는 것으로 충분하다. 따라서, 광원 (R) 의 빔스팟을 검출하기 위해서 이동수단으로 도 3의 (a) 와 같은 XY 스캐너 (1120) 를 채용함이 바람직하다.

도 4는 도 2의 중성 농도 필터를 변경해가면서 열감지 탐침을 사용하여 X 방향의 열분포를 측정한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 중성 농도 필터 (ND) 를 사용하지 않은 경우, 이점쇄선으로 도시된 바와 같은 열분포를 가지는 빔스팟이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 중성 농도 필터 (ND) 의 필터 팩터 (filter factor) 를 높임으로써 광의 투과율을 낮출 경우, 빔스팟의 중심은 유지되면서 온도가 낮아지는 것도 확인할 수 있다.

따라서, 도 4와 같이 열감지 탐침 (100) 을 이용하여 공간 내에서 이동시키는 것만으로 이동 중 온도 변화 (T) 가 계속 측정되고, 이를 누적하여 합산하면 공간 내의 열분포에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 이를 통해서, 빔스팟을 검출할 수 있게 된다.

열감지 탐침 (100) 에서 정보를 수신하여, 열감지 탐침 (100) 의 이동 경로 상의 온도 변화를 계산하는 것은 미도시한 제어 장치에서 수행된다. 이 제어 장치는 이동수단의 이동을 제어하는 기능도 수행할 수 있다. 제어 장치는 상술한 원자 현미경 (1000) 의 컨트롤러에 통합될 수도 있다.

도 5는 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법의 순서도이고, 도 6은 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법의 순서도이다.

도 5를 참조하면, 특정 공간의 열분포를 측정하기 위한 방법은 온도 변화를 측정할 수 있는 열감지 탐침 (100) 을 특정 공간 내에서 선형적으로 이동시키는 단계 (S110) 및 이동시키는 동안 열감지 탐침 (100) 으로부터 얻어지는 연속적인 온도 변화값을 이용하여 특정 공간의 열분포를 산출하는 단계 (S120) 를 포함한다.

여기서, 특정 공간이 X방향, Y방향 및 Z방향으로 모두 길이를 가진 공간이라면 그 공간을 그리드 (grid) 로 나누고 그 그리드를 열감지 탐침 (100) 의 탐침 (110) 이 모두 지나가도록 경로를 설정할 수 있다. 열감지 탐침 (100) 은 특정 공간을 모두 지나가게 되고, 온도 변화값은 계속 누적되어 특정 공간의 열분포를 맵핑할 수 있게 된다.

도 6을 참조하면, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법은, 광 조사 단계 (S210), 열감지 탐침 위치 단계 (S220), 온도 변화값 측정 단계 (S230) 및 빔스팟 검출 단계 (S240) 를 포함하여 이루어진다. 본 방법은 이미 도 2를 참조하여 설명한 바 있지만, 구체적으로 다시 설명한다.

광 조사 단계 (S210) 는, 광원 (R) 이 제1 방향으로 광을 조사하여 빔스팟을 맺히게 하는 단계이다. 도 2에서 제1 방향은 -z 방향이다.

열감지 탐침 위치 단계 (S220) 는 열감지 탐침 (100) 의 탐침 (110) 의 끝이 제1 방향과 대략적으로 반대 방향을 향하면서 빔스팟이 맺힌 주변부에 위치되도록, 열감지 탐침 (100) 을 위치시키는 단계이다. 도 2를 참조하면, 열감지 탐침 (100) 의 탐침 (110) 의 끝은 +z 방향을 향한다.

여기서, 열감지 탐침 위치 단계 (S220) 가 먼저 수행되고, 광 조사 단계 (S210) 가 나중에 수행되어도 무방하고, 각 단계가 동시에 수행되어도 무방하다.

이후, 열감지 탐침을 제1 방향과 대략적으로 수직인 방향으로 이동시키면서, 온도 변화값을 측정한다 (S230). 즉, 열감지 탐침 (100) 을 도 2에서의 XY 평면 상에서 이동시킨다. 예를 들어, 열감지 탐침 (100) 은 X 축을 따라 이동될 수도 있고, Y 축을 따라 이동될 수도 있다.

여기서, '대략적으로 수직인 방향'은 제1 방향 (-z 방향) 과 완전히 수직인 방향 뿐만 아니라, ±10° 이내의 각을 이루는 방향도 포함한다. 즉, 열감지 탐침 (100) 의 이동 방향은 광의 진행 방향과 완전히 수직이면 가장 바람직하겠으나, 약간 기운다 하더라도 빔스팟을 검출하는 데에는 문제가 없다.

이후, 측정된 온도 변화값으로부터 빔스팟을 검출한다 (S240). 도 4와 같이 온도 분포를 측정함으로써 빔스팟을 검출할 수 있다.

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.

1000…원자 현미경
1110…헤드
1111…Z 스캐너
1112…프로브 핸드
1120…XY 스테이지
1130…XY 스캐너
1140…Z 스테이지
1150…고정 프레임
1160…비젼 장치
1161…경통
1162…카메라
1163…대물렌즈
1164…조명소스
100…열감지 탐침

Claims

삭제
광원의 빔스팟 (beam spot) 을 검출하기 위한 방법으로서,
상기 빔스팟이 맺히도록 상기 광원이 제1 방향으로 광을 조사하는 단계;
탐침의 끝이 상기 제1 방향과 대략적으로 반대 방향을 향하면서 상기 빔스팟이 맺힌 주변부에 위치되도록, 열감지 탐침을 위치시키는 단계;
상기 열감지 탐침을 상기 제1 방향과 대략적으로 수직인 방향으로 이동시키면서, 온도 변화값을 측정하는 단계; 및
측정된 상기 온도 변화값으로부터 빔스팟을 검출하는 단계; 를 포함하는, 광원의 빔스팟을 검출하기 위한 방법.
광원을 포함하여, 상기 광원으로부터 광이 특정 지점에서 빔스팟을 형성하도록 구성되는 광학계;
상기 광원으로부터의 광의 진행 방향과 대략적으로 반대방향을 향하여 탐침의 끝이 향하도록 배치되는 열감지 탐침;
상기 열감지 탐침을 이동시킬 수 있도록 구성되는 이동수단; 및
상기 이동수단의 이동을 제어하고, 상기 열감지 탐침으로부터 정보를 얻어 상기 열감지 탐침의 이동 경로 상의 온도 변화를 계산하고, 상기 온도 변화값으로부터 상기 빔스팟을 검출하는 제어 장치; 를 포함하는, 광원의 빔스팟 검출 장치.
제3 항에 있어서,
상기 빔스팟의 형상이 시인가능하도록 CCD 카메라가 더 포함된, 광원의 빔스팟 검출 장치.