KR102481156B1 - 헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법 및 시스템 - Google Patents

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마르텐 후베르투스 반 에스
폴 루이스 마리아 조셉 반 니르
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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

본 발명은 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징하기 위한 헤테로다인 주사 탐침 현미경 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 트랜스듀서를 사용하여, 음향 입력 신호를 상기 샘플에 적용하는 단계; 상기 표면과 접촉하는 탐침 팁을 포함하는 탐침을 사용하여, 음향 출력 신호를 센싱하는 단계를 포함하고, 상기 음향 출력 신호는, 상기 음향 입력 신호에 의해 유도된 음향 표면 파장을 나타내고, 상기 음향 입력 신호는, 1 기가헤르쯔 보다 높은 주파수를 갖는 적어도 제1 신호 성분을 포함하고, 상기 음향 출력 신호를 검출하기 위해, 상기 방법은, 혼합 음향 신호를 획득하기 위해 상기 탐침 또는 상기 샘플 중 적어도 하나에 추가 음향 입력 신호를 적용하는 단계를 포함하고, 상기 추가 음향 입력 신호는, 1 기가헤르쯔 보다 높은 주파수를 갖는 적어도 제2 신호 성분을 포함하고, 상기 혼합 음향 신호는, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 제3 신호 성분을 포함하고, 상기 제3 신호 성분의 주파수는 1 기가헤르쯔 보다 아래이다.

Description

헤테로다인 주사 탐침 현미경 방법 및 시스템
본 발명은 샘플(sample)의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징(imaging)하기 위한 헤테로다인 주사 탐침 현미경 방법(Heterodyne scanning probe microscopy method)에 관한 것이며, 상기 방법은, 트랜스듀서(transducer)를 사용하여, 음향 입력 신호(acoustic input signal)를 상기 샘플에 적용하는 단계; 상기 표면과 접촉하는 탐침 팁(probe tip)을 포함하는 탐침(probe)을 사용하여, 음향 출력 신호(acoustic output signal)를 센싱(sensing)하는 단계를 포함하고, 상기 음향 출력 신호는, 상기 표면에서 측정 가능한 상기 음향 입력 신호에 의해 유도(induced)된 음향 파장(acoustic waves)을 나타낸다. 또한, 본 발명은 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징하기 위한 주사 탐침 현미경 시스템에 관한 것이며, 상기 샘플 표면을 주사하기 위한 탐침을 포함하고, 상기 탐침은, 캔틸레버(cantilever)에 장착된 탐침 팁을 포함하고, 상기 탐침은, 상기 샘플링 표면과 접촉하는 상기 탐침 팁을 데리고 오기(bringing) 위해 배열된 센싱 헤드(sensing head)에 장착되고, 상기 시스템은, 상기 샘플에 대해 상기 탐침의 모션(motion)을 가능하게 하는 모션 액추에이터(motion actuator), 음향 입력 신호를 상기 샘플에 적용하기 위한 트랜스듀서(transducer), 및 상기 탐침 팁을 통해 수신된 음향 출력 신호를 나타내는 센서 신호를 생성하기 위한 탐침 편향 센서(probe deflection sensor)를 더 포함하고, 상기 음향 출력 신호는, 상기 표면에서 측정 가능한 상기 음향 입력 신호에 의해 유도된 음향 파장을 나타낸다. 또한, 본 발명은 상기 정의된 바와 같은 시스템 또는 방법에서 사용을 위한, 탐침 팁 및 캔틸레버를 포함하는 탐침에 관한 것이다.
울트라소닉 원자력 현미경(UAFM; ultrasonic atomic force microscopy)과 같은 음향 주사 탐침 현미경 방법은 샘플에서의 표면 아래 피쳐(sub-surface features)의(즉, 샘플의 표면 위 또는 아래의) 정확한 이미징을 가능하게 하는 이미징 및 연구 방법의 클래스(class)를 형성한다. 이들 방법을 수행하기 위해, 음향 신호가 표면을 통해, 어사이드로부터(from aside), 샘플의 뒤 측(backside)을 통해(즉, 탐침에 접촉된 샘플 표면 반대 측), 또는 샘플의 임의의 다른 부분을 통해 샘플에 적용된다. 표준 주사 탐침 현미경(SPM; scanning probe microscopy) 방법 이외의, 음향 SPM 방법은 힘 또는 진폭 피드백을 사용하여 표면 토폴로지(surface topology)를 맵핑(mapping)하는 것에 기반하지 않는다. 대신, 샘플에 적용된 음향 신호는 샘플 표면에서의 음향 파장(acoustic waves)의 발현(manifestation)의 결과가 나오며, 국부적인 탄성 속성(local elastic properties)의 결정 및 맵핑을 허용하며, 이는 어느 정도 샘플 내의 내부 구조를 검출할 수 있게 한다.
예를 들어, 이러한 유형의 기존 방법은 울트라소닉 원자력 현미경을 포함한다. 이 기술의 잠재력에도 불구하고, 반도체 요소의 크기가 계속 줄어들고 기술의 발전이 진행됨에 따라 이러한 이미징 기술의 해상도를 더욱 향상시킬 필요성이 생겨났다. 또한, 기존 방법에 의해 제공되는 콘트라스트(contrast)는 이러한 목적을 위한 적용을 가능하게 하기 위해 개선을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 주사 탐침 현미경 방법 및 시스템을 제공하고, 그러므로 기존 시스템의 단점을 극복하고 매우 작은 크기의 구조의 검출 및 양호한 콘트라스트를 갖는 표면 아래 구조의 고해상도 이미징을 가능하게 하는 것을 의미한다.
이를 위해, 샘플(sample)의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징(imaging)하기 위한 헤테로다인 주사 탐침 현미경 방법(Heterodyne scanning probe microscopy method)이 제공되며, 상기 방법은, 트랜스듀서(transducer)를 사용하여, 음향 입력 신호(acoustic input signal)를 상기 샘플에 적용하는 단계; 상기 표면과 접촉하는 탐침 팁(probe tip)을 포함하는 탐침을 사용하여, 음향 출력 신호(acoustic output signal)를 센싱(sensing)하는 단계를 포함하고, 상기 음향 출력 신호는, 상기 음향 입력 신호에 의해 유도(induced)된 상기 표면에 도달하는 음향 파장(acoustic waves)을 나타내고, 상기 음향 입력 신호는, 1 기가헤르쯔(gigahertz) 보다 높은(above) 주파수를 갖는 적어도 제1 신호 성분(signal component)을 포함하고, 상기 음향 출력 신호를 검출하기 위해, 상기 방법은, 혼합 음향 신호(mixed acoustic signal)를 획득하기 위해 상기 탐침 또는 상기 샘플 중 적어도 하나에 추가 음향 입력 신호(further acoustic input signal)를 적용하는 단계를 포함하고, 상기 추가 음향 입력 신호는, 1 기가헤르쯔 보다 높은 주파수를 갖는 적어도 제2 신호 성분을 포함하고, 상기 혼합 음향 신호는, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 제3 신호 성분을 포함하고, 상기 제3 신호 성분의 주파수는 1 기가헤르쯔 보다 아래(below)이다.
1 기가헤르쯔(GHz) 보다 높은 주파수 범위 내에서 음향 입력 신호의 사용은 다수의 상황에서 음향 주사 탐침 현미경 방법(즉, 주사 음향 현미경(SAM; scanning acoustic microscopy)이라고도 함)의 해상도 및 콘트라스트을 향상시킨다. 더 낮은 주파수 범위(예를 들어, 최대 100 MHz)에서 음향 입력 신호를 갖는 음향 주사 탐침 현미경 방법의 경우, 입력 신호로부터 출력 신호로의 전송 메커니즘(the transfer mechanism)은 주로 기계적 특성에 의해 지배되어 로컬 탄성 속성(local elastic properties)의 결정을 가능하게 한다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 더 높은 음향 주파수에서, 예를 들어 1 GHz 보다 높은 주파수를 갖는 음향 입력 신호에 대해, 구조에서의 신호의 내부 산란(internal scattering), 샘플 내의 밀도 변화 및 재료 차이는 또한 입력으로부터 출력으로의 전송 함수(transfer function) 및 그에 따른 음향 출력 신호에 상당한 영향을 미친다. 예를 들어, 산란이 발생하면 출력 신호가 표면 아래의 구조의 깊이에 대한 정보를 전달하게 되고, 표면 아래의 더 깊은 구조가 검출될 수 있다(100MHz 보다 아래의 주파수에서의 측정과 비교하여). 본 발명은 표면 아래 구조의 검출과 관련하여 향상된 정확도, 해상도 및 콘트라스트를 제공함으로써 이로부터 이점을 얻는다.
본 명세서에서 적용되는 용어 "음향(acoustic)"은 이 용어가 일반적으로 당업자에 의해 잘 이해되지만, 기계적 성질의 파동 또는 신호(예를 들어, 특정 기간 동안의 주기적 성질의 연속적인 변위, 즉 진동)를 언급하는 것으로 당업자에게 알려진 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. 따라서, 음향 입력 신호는 신호 특성(진폭, 주파수 등)을 특징으로 하는 진동 또는 기계적 파동이다. 신호는 상이한 신호 성분 특성을 갖는 하나 이상의 신호 성분으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 20oC에서 많은 고체 재료의 사운드(sound)의 속도는 보통 2500m/s와 6500m/s 사이의 범위이다(종파(longitudinal waves)의 경우). 전형적 값으로서 5*103m/s의 사운드의 속도를 갖는 재료를 가정하면, 1GHz의 음향 파장은 5*10-6미터(meter) 즉 5 마이크로미터(micrometer)의 파장을 가질 것이다. 따라서, 이 재료의 회절 한계(diffraction limit)는 1GHz의 음향 입력 신호로 5 마이크로미터 보다 큰 표면 아래 구조를 분해(resolvable)할 수 있다. 회절 한계는 더 높은 주파수 및 사운드의 속도가 더 작은 재료에서 더 감소한다. 예를 들어, 10GHz의 음향 입력 신호로 500 나노미터 보다 큰 표면 아래 구조가 검출 가능하게 되고; 또한 50GHz의 음향 입력 신호로 100 나노미터 보다 큰 표면 아래 구조가 검출 가능하게 되고; 100GHz의 음향 입력 신호로 50 나노미터 보다 큰 표면 아래 구조가 검출 가능하게 된다. 이론적으로 주파수는 그보다 훨씬 클 수 있다. 예를 들어, 1 테라헤르츠(terahertz)(THz)에서, 5 나노미터 보다 큰 표면 아래 구조가 검출 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 이러한 주파수에서의 파동의 센싱이 이미 1MHz 보다 높은 음향 파장에 대한 주사 탐침 현미경 시스템에 문제가 있다는 통찰에 기초한다. 본 발명은 헤테로다인 측정 기술을 적용함으로써 이를 극복한다. 본질적으로, (제1) 음향 입력 신호의 주파수 f1으로부터 약간 오프셋된 주파수 f2를 갖는 추가 음향 입력 신호를 적용함으로써, 차이 주파수 |f2-f1| 및 중첩 주파수(superposed frequency) (f1+f2)에서의 주파수 성분을 포함하는 혼합 신호가 획득될 수 있다. 이들 성분의 이전, 주파수 |f2-f1|에서의 성분은 두 주파수 사이의 오프셋이 충분히 작아지면 잘 측정할 수 있다. 음향 파장을 유도하는 음향 입력 신호는 표면 아래 구조를 만날 때 회절할 것이다. 그러므로, 주파수 f1 및 f2를 정확하게 튜닝함으로써, 음향 출력 신호에서 전달된 회절 영향 음향 신호는, 1GHz 보다 높은 범위에서의 음향 신호에 대해서도, 차이 주파수 |f2-f1|에서의 신호 성분을 분석함으로써, 측정 가능하게 된다. 따라서, 이는 마이크로미터 및 나노미터 스케일의 표면 아래 구조가 가시화되도록 하여, 본 발명의 방법을 사용하여 그를 이미징할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 헤테로다인 측정 기술의 적용의 또 다른 중요한 이점은 위상 및 진폭 모두를 측정할 수 있다는 것이다. 이 점에서, 본 방법은 진폭만을 측정할 수 있는 진폭 변조된 입력 신호를 적용하는 호모다인 방법(homodyne methods)과 구별된다. 위상과 진폭을 측정하는 조합은 다양한 재료 구성 사이를 구별하고 깊이 정보를 추출할 수 있으므로 표면 아래 구조의 검출 가능성을 향상시킨다.
본 발명의 원리를 이해하기 위해서는, 두 음향 입력 신호를 가산하는 것이 원하는대로 차이 주파수에서 신호 성분을 획득하는 것으로 충분하지 않다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 원하는 주파수 성분은 샘플 표면과 탐침 팁 사이의 상호 작용으로 인해 혼합에서의 그 근원(its origin)을 찾는다. 이는 이 상호 작용이 샘플 표면의 원자(atoms)와 탐침 팁을 형성하는 원자 사이의 (비선형) 반 데르 발스 (van der Waals) 및 척력(repulsive forces)에 의해 지배된다는 사실에 기인합니다. 그러므로, 탐침 팁을 사용하여 측정된 출력 신호는 차이 주파수에서 원하는 신호 성분이 포함한다.
일부 실시예에 따라, 혼합 음향 신호를 획득하기 위해 탐침 또는 샘플 중 적어도 하나에 적용된 추가 음향 입력 신호는 탐침의 탐침 팁에 음향 진동(acoustic vibrations)을 유도함으로써 적용된다. 혼합 음향 신호를 획득하기 위하여, 검사될 샘플 내에서 혼합을 수행할 필요가 없다. 일부 실시예에 따라, 음향 입력 신호 및 추가 음향 입력 신호의 샘플 내의 혼합이 적용될 수 있지만, 주사 탐침 현미경 시스템의 탐침 팁을 통해 추가 음향 입력 신호를 제공함으로써 더 우수한 신호 대 잡음비가 획득될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에 따르면, 탐침 팁의 적절한 성형으로 (특정한 공진 주파수를 가지는 것이 아니라) 탐침 팁이 복수의 주파수에 응답할 수 있다는 사실 때문에, 탐침 팁을 통해 추가 음향 입력 신호가 적용될 수 있다. 예를 들어, 원추형(cone shaped) 또는 피라미드형(pyramid shaped) 탐침 팁을 적용하는 것은 추가 음향 입력 신호가 팁을 통해 적용될 수 있는 정도까지 탐침 팁의 자극을 허용한다. 물론, 바람직하게는, 음향 입력 신호는 탐침 팁의 음향 속성이 여기 프로세스(excitation process)에 의해 부정적인 영향을 받지 않는 방식으로 적용되어야 한다. 한편, 캔틸레버는 그 모양 때문에 캔틸레버를 통해 추가 음향 입력 신호를 적용할 가능성을 제한하는 공진 주파수를 갖는다. 이러한 통찰은 적용되는 음향 신호가 캔틸레버의 전형적인 공진 주파수보다 훨씬 높은 1 GHz(기가헤르쯔) 보다 높은 범위의 주파수를 갖는 본 발명의 실시예에 특히 유용하다.
일부 실시예에 따르면, 상기 탐침 팁에 상기 음향 진동을 유도하는 단계는 상기 탐침 팁에 입사하는 광학 여기 빔(optical excitation beam)을 사용함으로써 수행되고, 광학 여기 빔은 상기 음향 진동을 유도하기 위해 상기 탐침 팁의 광열 여기(photothermal excitation)를 가능하게 하는 시변 광학 파워(time varying optical power)를 갖는다. 광학 여기 빔은 가변 세기를 갖는 레이저 (또는 다른) 광학 빔으로 구성될 수 있다. 빔의 세기 또는 빔의 파워는 여기 주파수, 즉 적용될 추가 음향 입력 신호의 주파수에서 변할 수 있다. 탐침 팁의 열 효과로 인해 탐침 팁이 광학 여기 빔을 통해 적용된 주파수로 진동하기 시작한다. 이것은 샘플을 통해 적용된 음향 신호와 그것을 혼합하고, 팁-표면 상호 작용(tip-surface interactions)으로부터 원하는 차이 주파수 신호 성분을 획득하기 위해 추가 음향 진동 신호를 탐침 팁에 적용하는데 사용될 수 있다.
일부 특정 실시예에 따르면, 음향 출력 신호를 센싱하는 단계는 광학 센싱 빔(optical sensing beam)을 상기 탐침 팁에 입사시키고, 광학 센서(optical sensor)를 사용하여 상기 광학 센싱 빔의 반사 빔(reflected beam)을 센싱함으로써 수행되며, 광학 센싱 빔은 상기 광학 여기 빔에 의해 형성된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 주사 탐침 현미경에서, 탐침 이동은 탐침 팁에서 반사되고 광학 센서에 의해 검출되는 입사 광학 빔을 사용하여 센싱된다. 탐침 팁의 모션은 빔의 반사 각도의 변화를 가져오고, 이는 광학 센서의 반사된 빔의 위치의 변화를 초래한다. 광학 센서의 이러한 변화는 시스템의 출력 신호로 검출되고 분석될 수 있다. 본 실시예에서, 탐침 팁에 입사되는 광학 여기 빔은 시스템의 광학 센서에 의한 광학 여기 빔의 반사를 센싱함으로써 광학 센싱 빔으로서 사용된다.
일부 추가의 실시예에 따르면, 탐침 팁에 음향 진동을 유도하는 단계는 탐침 팁에 전기적 신호(electric signal)를 적용함으로써 탐침 팁의 정전기 여기(electrostatic excitation)에 의해 수행되며, 전기적 신호는 탐침 팁에서의 음향 진동을 유도하기 위한 시변 전압(time varying voltage)을 갖는다. 탐침 팁의 정전기 여기는 탐침 팁을 통해 추가 음향 입력 신호를 제공하는 대체 방법을 제공한다. 예를 들어, 탐침 팁은 시변 전압을 갖는 가변 전기 신호를 적용함으로써 자극될 수 있으며, 이에 따라 탐침 팁의 진동을 유발하는 시변 정전기 장(time varying electrostatic field)이 생기게 된다. 추가 음향 입력 신호의 원하는 주파수와 동일한 주파수에서 시변 전압을 변화시킴으로써, 이 주파수에서 탐침 팁의 진동이 획득되며, 이는 샘플을 통해 적용된 음향 입력 신호와 혼합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 음향 출력 신호를 센싱하는 단계는 센서를 사용하여 센서 신호를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 상기 센서 신호를 기준 신호(reference signal)와 비교함으로써 상기 센서 신호를 분석하는 단계를 더 포함하며, 기준 신호는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 기준 신호 성분(reference signal component)을 포함하는 기준 신호(reference signal)를 획득하기 위해 음향 입력 신호를 추가 음향 입력 신호와 혼합함으로써 형성된다. 상이한 주파수(different frequency) |f2-f1|에서 출력 신호의 주파수 성분을 분석하기 위한 본 발명의 헤테로다인 방법은, 음향 입력 신호와 추가 음향 입력 신호를 샘플 또는 탐침 팁에 적용하지 않고 혼합함으로써 상이한 주파수 성분을 형성함으로써 분석될 수 있다.
본 발명의 추가 측면에 따르면, 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징하기 위한 주사 탐침 현미경 시스템(Scanning probe microscopy system)은 상기 샘플 표면을 주사하기 위한 탐침(probe)을 포함하고, 상기 탐침은, 캔틸레버(cantilever)에 장착된 탐침 팁(probe tip)을 포함하고, 상기 탐침은, 상기 샘플링 표면과 접촉하는 상기 탐침 팁을 데리고 오기(bringing) 위해 배열된 센싱 헤드(sensing head)에 장착되고, 상기 시스템은, 상기 샘플에 대해 상기 탐침의 모션(motion)을 가능하게 하는 모션 액추에이터(motion actuator), 음향 입력 신호(acoustic input signal)를 상기 샘플에 적용하기 위한 트랜스듀서(transducer), 및 상기 탐침 팁(probe tip)을 통해 수신된 음향 출력 신호(acoustic output signal)를 나타내는 센서 신호를 생성하기 위한 탐침 편향 센서(probe deflection sensor)를 더 포함하고, 상기 음향 출력 신호는, 상기 음향 입력 신호에 의해 유도된 음향 파장(acoustic waves)을 나타내고, 상기 트랜스듀서는, 1 기가헤르쯔(gigahertz) 보다 높은(above) 주파수를 갖는 적어도 제1 신호 성분(signal component)을 포함하도록 상기 음향 입력 신호를 생성하기 위해 배열되고, 상기 시스템은, 혼합 음향 신호(mixed acoustic signal)를 획득하기 위해 상기 탐침 또는 상기 샘플 중 적어도 하나에 추가 음향 입력 신호(further acoustic input signal)를 적용하도록 더 구성되고, 상기 추가 음향 입력 신호는, 1 기가헤르쯔 보다 높은 주파수를 갖는 적어도 제2 신호 성분을 포함하고, 상기 혼합 음향 신호는, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 제3 신호 성분을 포함하고, 상기 제3 신호 성분의 주파수는, 1 기가헤르쯔 보다 아래(below)이다.
상기 탐침 편향 센서는 상기 광학 센싱 빔을 생성하고, 상기 광학 센싱 빔을 상기 탐침 팁으로 향하게 하도록 배열된 광학 소스(optical source), 및 상기 탐침 팁에 의한 상기 광학 센싱 빔의 반사에 의해 획득된 반사 빔을 수신하도록 배열된 광학 센서(optical sensor)를 포함할 수 있다. 그러나, 탐침 편향 센서의 임의의 적절한 유형이 적용될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 센싱 기술은 피에조-저항 층(piezo-resistive layer)의 적용을 포함하며, 그 전기 저항은 탐침 편향에 따라 변한다. 이 경우, 탐침 편향은 피에조-저항 층에 적용된 전기 신호의 전압 차이를 검출함으로써 검출될 수 있다. 다른 대안으로서, 탐침 편향은 캔틸레버 모션에 따라 전위가 변화하는 압전 소자(piezo-electric element) 또는 층을 사용하여 검출될 수 있다. 대안으로, 용량성 측정이 정전 센싱 기술에 적용될 수 있다. 일부 다른 대안으로서, 탐침 편향을 측정하기 위해 간섭계를 적용하거나 탐침과 샘플 사이의 온도 차이를 사용하여 열적 방법으로 열유속 측정(heat flux measurement)을 수행할 수도 있다. 당업자는 그러한 기술에 익숙할 것이며, 본 발명의 실시예에서 이들 기술을 적용할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 특정 실시예의 설명에 의해 더 설명될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현의 예시를 제공하지만, 범위에 속하는 유일한 실시예를 설명하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 청구항에 정의되어 있으며, 이 설명은 본 발명을 제한하지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 방법을 개략적으로 도시한다.
본 발명은 주사 탐침 현미경, 특히 헤테로다인 힘 현미경(heterodyne force microscopy)에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경은 탐침 팁을 표면에 접촉시키거나(접촉 모드) 탐침 팁을 진동시켜 진동의 각 주기 동안 표면과 접촉하여 탐침 팁을 탭핑하여(탭핑 모드) 샘플 표면에 걸쳐 탐침 팁으로 탐침을 주사함으로써 샘플의 표면에 나노구조(nanostructures)를 이미징하는 매우 정확한 방법이다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 주사 탐침 현미경을 수행하기 위해 다른 센싱 모드가 이용 가능하며, 여기에서는 더 이상 설명하지 않지만 당업자에게 공지되어 있다. 원자력 현미경과 같은 일반적인 주사 탐침 현미경에서, 기판의 표면에서의 나노구조만 시각화된다. 원칙적으로 주사 탐침 현미경은 원하는 거리를 가로 질러 주사를 할 수 있으므로, 정확성은 원하는 치수의 범위에서 획득될 수 있다.
그러나, 주사 탐침 현미경의 다수의 응용 분야에서, 기판의 표면에 존재하는 구조를 시각화하는 것은 바람직하지 않다. 예를 들어, 반도체 산업에서, 예를 들어, 디바이스 층이 반도체 디바이스의 다른 디바이스 층 밑(underneath)에 커버될 수 있기 때문에, 기판의 표면 아래에 존재하는 구조를 가시화하는 것에 관심이 있다. 본 발명은 헤테로다인 힘 현미경에 관한 것이며, 이는 표면 아래 구조의 가시화를 가능하게 하는 센싱 방법을 제공한다. 헤테로다인 힘 현미경에서, 음향 신호는 기판의 표면에 음향 표면 파장(acoustic surface waves)을 생성하는 샘플에 적용된다. 음향 신호는 샘플에 적용되는 추가 신호와 혼합되어, 주사 탐침 현미경 시스템의 탐침 팁은 표면을 가로 질러 주사된다. 표면으로부터 탐침 팁에 의해 픽업(picked up)되는 진동은 탐침의 캔틸레버에 충돌(impinges)하고 광학 검출기 상으로 반사하는 레이저 빔으로 종종 구성되는, 광학 센서에 의해 픽업된다. 출력 신호는 샘플의 표면 밑에 존재하는 임의의 표면 아래 구조에 대한 정보를 제공하기 위해 분석 시스템을 사용하여 분석된다.
전형적으로, 종래의 방법들에서 적용된 음향 입력 신호는 100kHz 내지 10MHz의 범위 내의 신호 성분을 포함한다. 주파수를 증가시키는 것은 트랜스듀서와 샘플 사이의 커플링(coupling)이 악화되는(deteriorated) 비용이 든다. 트랜스듀서와 샘플(예를 들어, 그리스(grease) 또는 액체(liquid) 또는 다른 수단) 사이에 적용될 커플링 매질(coupling medium)의 두께는 악화된 커플링으로 인한 신호 손실을 감소시키기 위해, 더 높은 주파수에서 더 얇아야 한다. 마찬가지로, 음향 출력 신호가 탐침에 의해 수신되어야 하는 탐침 팁에서도 커플링 문제가 더 높은 주파수에서 나빠진다. 그러므로, 입력 신호에 대한 주파수 범위가 제한된다. 본 발명은 헤테로다인 센싱을 적용하여, 예를 들어, 1GHz 이상의 음향 신호를 적용하여, 높은 음향 주파수에서의 검출을 가능하게 한다. 이것은 약간 상이한 주파수에서 추가 음향 입력 신호를 적용함으로써 주파수의 하향 변환(down-conversion)을 통해 음향 입력 신호의 위상 및 진폭 특성 및 변화를 검출할 수 있게 한다. 상이한 주파수 |f2-f1|에서 하향 변환된 신호는 획득된 혼합 음향 신호의 신호 성분으로서 존재하며, 이들 위상 및 진폭 특성을 검출하기 위해 분석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 탐침 현미경 시스템(1)을 개략적으로 도시한다. 시스템(1)에서, 탐침(2)은 주사 헤드(scan head)(3)에 부착된다. 주사 헤드(3)는 샘플(5)의 표면에 대한 탐침(2)의 주사를 가능하게 한다. 주사(2)는 캔틸레버(8) 및 탐칩 팁(9)으로 구성된다. 주사 동안, 탐침 팁(9)은 샘플(5)의 표면과 접촉하며 데리고 와진다(brought). 예를 들어, 탐침 팁(9)은 접촉 모드(탐침 팁(9)과 샘플(5)의 표면 사이의 계속되는 접촉) 또는 탭핑 모드(캔틸레버(8)에 적용된 진동의 각 주기 동안 탐침 팁(9)과 샘플(5)의 표면 사이의 주기적인 접촉)에서 샘플(5)의 표면을 가로 질러 주사된다. 레이저 유닛(laser unit)(19)은 캔틸레버(8)에 충돌하고 광학 검출기(20)를 향해 반사하는 레이저 빔(10)을 제공한다. 광학 검출기(20)를 사용하여, 캔틸레버(8)의 진동은 이러한 진동의 영향 하에 반사 빔(10)의 작은 편향으로 인해 센싱될 수 있다. 이것은 추가 분석을 위해 출력 신호(26)를 제공한다.
본 발명에 따르면, 제너레이터(generator)(31)는 제1 입력 신호(33) 및 제2 입력 신호(34)를 제공한다. 제1 입력 신호(33)는 주파수 f1로 주기적이며, 제2 입력 신호(34)는 주파수 f2를 갖는 주기 신호이다. 주파수 f1 및 f2는 모두 1 기가헤르쯔(gigahertz)(GHz) 보다 높다(above). 예를 들어, 이러한 신호의 범위는 1GHz 보다 높은 모든 범위에 있을 수 있다(예를 들어, 10GHz 또는 20GHz). 입력 신호(33, 34)의 주파수 f1 및 f2에 대한 특성은 f1과 f2 사이의 차이가 1GHz 보다 아래(below)라는 것이다.
본 발명에 따르면, 제1 입력 신호(33) 및 제2 입력 신호(34)는 주사 동안 적용되는 음향 신호로 변환된다. 도 1의 실시예에서, 트랜스듀서 유닛(18)은 탐침 팁(9)과 접촉하고, 파워 증폭기(16)를 사용하여 증폭되는 입력 신호(33)를 수신한다. 트랜스듀서(18)는 입력 신호(33)를 탐침 팁(9)에 적용된 음향 신호(23)로 변환한다. 또한, 제2 입력 신호(34)는 파워 증폭기(15)에서 증폭되어 샘플(5) 밑의 트랜스듀서(12)에 제공된다. 커플링 매질(13)(예를 들어, 물)은 트랜스듀서(12)와 샘플 사이에 음향 커플링을 제공한다. 파워 증폭기(15)를 사용하여 증폭된 제2 입력 신호(34)는 음향 신호(22)로 변환되어 커플링 매질(13)을 통해 샘플(5)에 적용된다. 이는 샘플(5)의 표면과 접촉할 때 탐침 팁(9)에 의해 픽업될 수 있는 샘플(5)의 표면에 음향 파장을 생성한다. 두 음향 신호(22, 23)는 탐침(2)에서 혼합된 신호가 될 것이다. 혼합된 신호는 고주파수 성분 fhigh=f1+f2 및 차동 주파수 성분(differential frequency component) fdiff= |f1-f2| 뿐만 아니라 주파수 성분 f1 및 f2을 모두 포함한다. 특히 차동 주파수 fdiff는 주파수 f1과 f2 사이의 차이를 나타 내기 때문에 1GHz 보다 낮다. 따라서, 서로 근접한 주파수 f1 및 f2를 주의 깊게 선택하는 것은 캔틸레버(8)를 통해 센싱될 수 있는 1GHz보다 충분히 아래인 주파수를 갖는 차동 주파수 성분 fdiff을 제공할 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이 차동 주파수 fdiff는 도 1에 도시된 바와 같이 캔틸레버를 통해 픽업되는 캔틸레버에 대한 컷오프 주파수 특성 보다 아래(below)인 범위에 있어야 한다. 그렇지 않은 경우, 탐침 팁(9)을 통해 차동 주파수 성분이 픽업될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 표면 아래 구조에 관한 임의의 정보는 음향 입력 신호(22)에 적어도 존재할 것이다. 2개의 음향 신호(22, 23)를 혼합함으로써, 이 정보는 또한 차동 주파수 fdiff에서 신호 성분에 존재하며, 이는 주파수 f1과 f2가 서로 근접하게 선택되어 충분히 작은 fdiff를 제공하면 측정 가능해진다. 따라서, 출력 신호(26)는 표면 아래 구조에 관한 정보를 포함한다. 이 출력 신호(26)는 분석 시스템(30)에 제공된다. 분석 시스템(30)에서, 출력 신호(26)는 기준 신호(27)와 비교된다. 기준 신호(27)는 제1 및 제2 입력 신호(33, 34)를 분석함으로써 생성되며, 예를 들어 디지털 분석에 의해 그들의 차동 주파수를 결정하고, 주파수 성분 |f1-f2|를 갖는 기준 신호를 생성한다. 기준(27)과 출력 신호(26) 사이의 비교는 도 1의 요소(36)에 의해 나타내고, 분석 시스템(30)의 출력에서, 출력 검출기(20)로부터 출력 신호(26)의 진폭 A(x, y) 및 φ(x, y)를 포함하는 출력 신호(37)이 제공된다. 이러한 위치 의존 진폭 및 위상 신호를 매핑함으로써, 표면 아래 구조가 본 발명에 따라 시각화될 수 있다.
음향 신호는 다양한 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 음향 신호(22)는 트랜스듀서(12) 및 커플링 매질(13)을 통해 샘플(5)에 적용되는 반면, 음향 신호(23)는 탐침 팁(9)을 통해 적용된다. 또한, 도 2는 표면 아래 구조(35)를 도시한다(이는 물론 임의의 형상, 구조, 재료 또는 크기일 수 있음). 도 2의 실시예에서, 제1 입력 신호(33)는 펄스 레이저 소스(pulsed laser source)(40)에 제공된다. 펄스 레이저 소스(40)는 세기 변화된 펄스 레이저 빔(intensity varied pulsed laser beam)(42)을 제공한다. 레이저 빔(42)의 변조는 입력 신호(33)의 f1과 동일한 주파수를 갖는다. 레이저 빔(42)의 변조로 인해, 가변적인 양의 열이 탐침 팁(9)에 연속적으로 제공되어, 탐침 팁(9) 내부에서 음향 진동을 유발한다. 음향 진동은 도 2에 도시된 음향 입력 신호(23)를 제공한다. 펄스 레이저 빔(42)을 사용하여 음향 입력 신호(23)를 생성하는 동시에, 캔틸레버 또는 탐침 팁 진동을 나타내는 출력 신호(26)를 획득하기 위해 광학 검출기(20)에서 펄스 레이저 빔(42)의 검출을 허용할 수 있다. 따라서, 이는 탐침 팁(9) 또는 샘플(5) 중 어느 하나에 대해 음향 신호(23)를 적용하기 위한 추가적인 트랜스듀서 또는 다른 수단의 필요성을 제거한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 탐침 편향을 결정하기 위한 광학 센싱 빔과 음향 입력 신호(23)를 제공하기 위한 여기 빔을 결합하는 것이 액츄에이션(actuation) 및 센싱을 위해 단지 하나의 빔을 요구한다는 점에서 이점을 제공하지만, 이것은 요구되지는 않는다. 당업자는 별도의 여기 빔 및 별도의 센싱 빔이 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상기 이외에, 탐침 편향을 결정하기 위해 광학 센싱 기술을 적용하는 것이 필수적이지 않다는 것이 관찰된다. 실제로 임의의 적절한 탐침 편향 센서의 유형이 적용될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 센싱 기술은 피에조-저항 층(piezo-resistive layer)의 적용을 포함하며, 그 전기 저항은 탐침 편향에 따라 변한다. 이 경우, 탐침 편향은 피에조-저항 층에 적용된 전기 신호의 전압 차이를 검출함으로써 검출될 수 있다. 다른 대안으로서, 탐침 편향은 캔틸레버 모션에 따라 전위가 변화하는 압전 소자(piezo-electric element) 또는 층을 사용하여 검출될 수 있다. 대안으로, 용량성 측정이 정전 센싱 기술에 적용될 수 있다. 일부 다른 대안으로서, 탐침 편향을 측정하기 위해 간섭계를 적용하거나 탐침과 샘플 사이의 온도 차이를 사용하여 열적 방법으로 열유속 측정(heat flux measurement)을 수행할 수도 있다. 당업자는 그러한 기술에 익숙할 것이며, 본 발명의 실시예에서 이들 기술을 적용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 실시예에서, 입력 신호(23)는 트랜스듀서(36) 및 추가적인 커플링 매질(37)을 통해 샘플(5)에 직접적이다(the input signal 23 is via a transducer 36 and an additional coupling medium 37 directly to the sample 5). 도 3의 실시예에서, 입력 신호(23)의 적용은 위(above)(즉, 샘플(5)의 표면)로부터 트랜스듀서(36)를 통해 적용되지만, 당업자는 음향 입력 신호(23)가 샘플(5)의 측(side)으로부터 또는 샘플(5) 밑으로부터 적용될 수도 있음을 이해할 수 있다. 각각 도 1 및 도 2의 제1 및 제2 실시예에서 탐침 팁(9)을 통한 음향 입력 신호(23)의 적용이 음향 신호(23)를 적용하는 커플링 손실 및 탐칩 팁(9)을 통한 신호 센싱 손실이 최소로 감소될 수 있는 이점을 갖지만, 도 3의 실시예는 탐침 팁을 통한 음향 입력 신호(23)를 적용하는 것이 절대적인 요구 사항은 아니라는 것을 예시한다. 탐침 팁(9)을 통한 신호(23)의 적용은 획득된 이점을 고려하여 바람직하다. 이와 관련하여, 기가헤르쯔 범위의 음향 신호를 센싱하는 것은 신호 손실 및 커플링 손실의 관점에서 문제가 있음을 유의해야 한다. 본 발명은 헤테로다인 접근법을 적용하고 또한 일부 실시예에 따라 탐침 팁(9)을 통해 신호(23)를 적용함으로써 이를 극복한다. 1GHz 보다 높은 주파수 범위에서 음향 입력 신호를 사용하여 표면 아래 구조를 검출할 수 있게 하려면, 차동 주파수 성분 fdiff를 포함하는 혼합 신호를 획득하는 것이 중요하다. 이를 위해, 탐침 팁(9)을 통한 적용은 음향 신호(23)에 대한 결합 손실이 최소로 감소된다는 이점을 제공하지만, 탐침 팁(9)을 통해 음향 입력 신호(23)를 적용하는 것이 요구되지는 않는다. 다른 한편으로, 도 3에 도시된 실시예는 검출된 광학 빔(10)이 로우 패스 필터(low pass filter)로 필터링될 필요가 있는 맥동(pulsation)을 포함하지 않는다는 이점을 제공한다. 더욱이, 도 3의 실시예는 펄스 레이저 소스를 적용하지 않음으로써 보다 비용 효율적이다.
도 4에 도시된 또 다른 실시예에서, 두 음향 입력 신호(22, 23)는 샘플(5) 밑의 트랜스듀서(12)를 통해 적용된다. 여기서, 두 입력 신호(33, 34)는 도 4에 개략적으로 도시된 트랜스듀서(12)에 제공된다. 도 3에서와 같이, 샘플(5)의 표면에서 생성된 표면 파장은 광학 검출기(20)를 통해 획득된 출력 신호(26)를 제공하면서 탐침 팁(9)을 통해 픽업될 수 있다. 도 4의 실시예는 샘플(5) 밑의 트랜스듀서(12) 이외의 다른 추가 트랜스듀서를 필요로하지 않는다는 추가 이점을 갖는다.
도 5는 본 발명에 따른 방법(50)을 개략적으로 도시한다. 방법(50)은 음향 입력 신호를 샘플에 적용하는 단계(52)에서 시작한다. 이는 예를 들어 도 1 내지 도 4에 도시된 트랜스듀서(12)를 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 추가 음향 입력 신호가 단계(54)에서 적용된다. 추가 음향 입력 신호는 상기 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 다양한 상이한 수단을 사용하여 탐침 팁(9)에 또는 샘플에 직접 적용될 수 있다. 예를 들어, 추가 음향 입력 신호는 커플링 매질을 통해 샘플(5)에 커플링되는 추가 트랜스듀서를 통해 적용될 수 있다(예를 들어, 도 3). 대안적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 소스(40)는 탐침 팁(9)에 음향 진동을 생성하는데 사용될 수 있다. 그러나, 탐침 팁(9)은 또한 도 1에서의 요소(18)와 같은, 트랜스듀서로서 작용하는 추가적인 액추에이터 유닛(additional actuator unit)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 탐침(2)은 임의의 다양한 기존 방법을 적용하는 수단에 의해 정전기적으로(electrostatically) 작동(actuated)될 수 있다. 예를 들어, 이는 리프 스프링(leaf springs)에 의해 탐침 팁을 캔틸레버에 유연하게 부착하면서, 탐침 팁(9)에 가변 전압 신호를 적용함으로써 달성될 수 있다. 또한, 단계(54)는 제1 음향 입력 신호로서 동일한 트랜스듀서를 통해 추가 음향 입력 신호를 적용함으로써 수행될 수 있으며, 이는 예를 들어 도 4에 도시된다.
단계(56)에서, 주사 탐침 현미경 시스템의 검출 수단을 사용하여 출력 신호가 검출된다. 통상적으로, 이러한 검출 수단은 캔틸레버에 충돌하고 상기 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 광학 검출기에 의해 수신되는 레이저 빔(10 또는 42)을 포함한다. 그러나, 당업자는 다른 센서 시스템이 본 발명에 마찬가지로 적용될 수 있는 주사 탐침 현미경 시스템에 이용 가능하다는 것을 이해할 것이다. 출력 신호(56)는 분석 시스템에 제공된다. 또한, 단계(60)에서 기준 신호(27)는 단계(52)에서 제공된 제1 음향 입력 신호의 주파수와 단계(54)에서 제공된 추가 음향 입력 신호 사이의 차이인 차동 주파수 fdiff에서 생성된다. 또한, 기준 신호(27)는 분석 시스템(30)에 제공된다. 단계(58)에서, 출력 신호(26)는 수신된 기준 신호(27)와 비교함으로써 분석되고, 이로부터 출력 신호의 진폭 및 위상 특성(37)이 결정된다. 출력 신호의 진폭과 위상은 위치에 따라 다르며, 샘플에 대한 탐침의 주사 위치에 따라 다르다. 샘플(5)에 대해 탐침 팁(9)을 주사하는 단계는 도 5의 방법(50)에 도시되지 않았지만, 표면 아래 구조(35)의 시각화를 위해 위치 의존 방식(location dependent manner)으로 진폭 및 위상 데이터를 맵핑하기 위해 보통 제공될 것이다. 그러나, 원한다면, 본 발명의 방법은 샘플의 표면에서의 한 위치에서 단일 값을 획득하거나 하나 이상의 라인을 가로 지르는 라인 주사를 수행하는데 사용될 수도 있다. 샘플(5)에 대해 탐침 팁(9)을 주사하는 단계는 탐침 팁(9)을 이동시키거나 또는 샘플(5)을 이동시키는 것, 또는 탐침 팁(9)과 샘플(5) 모두를 이동시키는 것 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 이 측면에서 임의의 특정 구현에 제한되지는 않는다.
단계(58)에서 출력 신호를 분석한 후, 위치 데이터와 함께, 결과적인 진폭 및 위상 특성(37)은 본 발명의 방법의 결과로서 단계(62)에서 제공된다.
본 발명은 몇몇 특정 실시예의 관점에서 설명되었다. 도면들에 도시되고 본 명세서에 설명된 실시예들은 예시 목적으로만 의도되며, 본 발명을 제한하려는 의도 또는 수단에 의한 것이 아님이 이해될 것이다. 본 발명의 작동 및 구성은 첨부된 상기 설명 및 도면으로부터 명백할 것이다. 당업자에게는 본 발명이 설명된 본 명세서의 임의의 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 고려되어야 하는 변경이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 청구된 발명을 벗어나지 않으면서 임의의 수의 추가 음향 입력 신호가 샘플 또는 탐침 팁에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 이들의 조합으로부터 추가 정보를 획득하기 위해 추가적인 측정 기술과 결합될 수 있다. 또한, 기구학적 반전(kinematic inversions)은 본질적으로 개시되고 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 청구항에서, 임의의 참조 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서 또는 청구된 청구항에서 사용되는 '포함하는(comprising)' 및 '포함하는(including)'이라는 용어는 배타적인(exclusive) 또는 완전한(exhaustive) 의미로 해석되어서는 안되며 차라리 포괄적인(inclusive) 의미이다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 "포함하는(comprising)"이라는 표현은 임의의 청구항에 열거된 것들 이외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, '일(a)' 및 '일(an)'이라는 단어는 '하나만(only one)'으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 대신에 '적어도 하나(at least one)'를 의미하는 것으로 사용되어 복수를 배제하지 않는다. 구체적으로 또는 명시적으로 설명되거나 청구되지 않은 특징들이 본 발명의 범위 내에 추가로 포함될 수 있다. "수단은...(means for ...)"과 같은 표현은 "...위해 구성된 구성 요소(component configured for ...)" 또는 "...로 만들어진 멤버(member constructed to ...)"로 판독되어야 하며, 개시된 구조에 대해 동등한 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "결정적인(critical)", "바람직한(preferred)", "특히 바람직한(especially preferred)" 등과 같은 표현의 사용은 본 발명을 제한하려고 의도되지 않는다. 당업자의 범위(purview) 내에서의 추가, 삭제 및 변형은 청구 범위에 의해 결정되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 일반적으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 설명된 바와 달리 실시될 수 있으며, 첨부된 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims (8)

  1. 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징하기 위한 헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법에 있어서,
    트랜스듀서를 사용하여, 음향 입력 신호를 상기 샘플에 적용하는 단계; 및
    상기 표면과 접촉하는 탐침 팁을 포함하는 탐침을 사용하여, 음향 출력 신호를 센싱하는 단계
    를 포함하고,
    상기 음향 출력 신호는,
    상기 표면에서 측정 가능한 상기 음향 입력 신호에 의해 유도된 음향 파장을 나타내고,
    상기 음향 입력 신호는,
    1 기가헤르쯔 보다 높은 제1 주파수를 갖는 적어도 제1 신호 성분을 포함하고,
    상기 음향 출력 신호를 검출하기 위해,
    상기 방법은,
    혼합 음향 신호를 획득하기 위해 상기 탐침 또는 상기 샘플 중 적어도 하나에 추가 음향 입력 신호를 적용하는 단계
    를 포함하고,
    상기 추가 음향 입력 신호는,
    1 기가헤르쯔 보다 높은 제2 주파수를 갖는 적어도 제2 신호 성분을 포함하고,
    상기 혼합 음향 신호는,
    상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 제3 신호 성분을 포함하고, 상기 제3 신호 성분의 주파수는 1 기가헤르쯔 보다 아래이고,
    상기 추가 음향 입력 신호는,
    상기 탐침의 탐침 팁에 음향 진동을 유도하는 단계에 의해 적용되고,
    상기 탐침 팁에 상기 음향 진동을 유도하는 단계는,
    상기 탐침 팁에 입사하는 광학 여기 빔(optical excitation beam)을 사용함으로써 수행되고,
    상기 광학 여기 빔은,
    상기 음향 진동을 유도하기 위해 상기 탐침 팁의 광열 여기를 가능하게 하는 시변 광학 파워를 갖는,
    헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음향 출력 신호를 센싱하는 단계는,
    광학 센싱 빔을 상기 탐침 팁에 입사시키고, 광학 센서를 사용하여 상기 광학 센싱 빔의 반사 빔을 센싱함으로써 수행되는
    헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광학 센싱 빔은,
    시변 광학 파워를 포함하도록 생성되고,
    상기 광학 센싱 빔은,
    또한 상기 탐침 팁에서의 상기 음향 진동을 유도하기 위해 상기 광학 여기 빔을 형성하는
    헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 출력 신호를 센싱하는 단계는,
    센서를 사용하여 센서 신호를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이를 결정하기 위해 상기 추가 음향 입력 신호로 상기 음향 입력 신호를 분석하는 단계,
    상기 차이 주파수와 동일한 주파수를 갖는 기준 신호 성분을 포함하는 기준 신호를 생성하는 단계, 및
    상기 센서 신호를 기준 신호와 비교함으로써 상기 센서 신호를 분석하는 단계
    를 더 포함하는 헤테로다인 주사 탐침 현미경 검사 방법.
  5. 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 이미징하기 위한 주사 탐침 현미경 시스템에 있어서,
    상기 샘플의 표면을 주사하기 위한 탐침
    을 포함하고,
    상기 탐침은,
    캔틸레버에 장착된 탐침 팁을 포함하고,
    상기 탐침은,
    상기 샘플의 표면과 접촉하는 상기 탐침 팁을 데리고 오기 위해 배열된 센싱 헤드에 장착되고,
    상기 시스템은,
    상기 샘플에 대해 상기 탐침의 모션을 가능하게 하는 모션 액추에이터,
    음향 입력 신호를 상기 샘플에 적용하기 위한 트랜스듀서, 및
    상기 탐침 팁을 통해 수신된 음향 출력 신호를 나타내는 센서 신호를 생성하기 위한 탐침 편향 센서
    를 더 포함하고,
    상기 음향 출력 신호는,
    상기 음향 입력 신호에 의해 유도된 음향 파장을 나타내고,
    상기 트랜스듀서는,
    1 기가헤르쯔 보다 높은 제1 주파수를 갖는 적어도 제1 신호 성분을 포함하도록 상기 음향 입력 신호를 생성하기 위해 배열되고,
    상기 시스템은,
    혼합 음향 신호를 획득하기 위해 상기 탐침 또는 상기 샘플 중 적어도 하나에 추가 음향 입력 신호를 적용하도록 더 구성되고,
    상기 추가 음향 입력 신호는,
    1 기가헤르쯔 보다 높은 제2 주파수를 갖는 적어도 제2 신호 성분을 포함하고,
    상기 혼합 음향 신호는,
    상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 제3 신호 성분을 포함하고,
    상기 제3 신호 성분의 주파수는,
    1 기가헤르쯔 보다 아래이고,
    상기 시스템은,
    상기 탐침 팁을 통해 상기 추가 음향 입력 신호를 적용하도록, 상기 탐침의 탐침 팁에 음향 진동을 유도함으로써, 상기 탐침 팁에 입사되는 광학 여기 빔을 생성 및 검출하기 위해 구성된 광학 여기 소스를 포함하도록 구성되고,
    상기 광학 여기 소스는,
    상기 음향 진동을 유도하기 위해 상기 탐침 팁의 광열 여기를 가능하게 하는 시변 광학 파워를 갖는 상기 광학 여기 빔을 생성하도록 구성되는
    주사 탐침 현미경 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탐침 편향 센서는,
    광학 센싱 빔을 생성하고, 상기 광학 센싱 빔을 상기 탐침 팁으로 향하게 하도록 배열된 광학 소스, 및
    상기 탐침 팁에 의한 상기 광학 센싱 빔의 반사에 의해 획득된 반사 빔을 수신하도록 배열된 광학 센서
    를 포함하는 주사 탐침 현미경 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학 센싱 빔을 생성하도록 구성된 상기 광학 소스는,
    상기 광학 센싱 빔이 상기 탐침 팁에서의 음향 진동을 유도하기 위해 상기 광학 여기 빔으로서 사용될 수 있도록 하기 위해, 시변 광학 파워를 포함하도록 상기 광학 센싱 빔을 생성하도록 더 구성되는
    주사 탐침 현미경 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 센서 신호를 기준 신호와 비교함으로써 상기 센서 신호를 분석하도록 배열된 분석 시스템
    을 더 포함하고,
    상기 분석 시스템은,
    상기 음향 입력 신호를 나타내는 제1 입력 신호 및 상기 추가 음향 입력 신호를 나타내는 제2 입력 신호를 수신하도록 구성되며,
    상기 분석 시스템은,
    상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이를 결정하고 상기 차이 주파수와 동일한 주파수를 갖는 기준 신호 성분을 포함하는 상기 기준 신호를 생성하기 위해 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 분석하도록 구성되는
    주사 탐침 현미경 시스템.
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