KR102577416B1 - 원자력 현미경 및 원자력 현미경을 이용하여 원자력 현미경 검사를 수행하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본원은 원자력 현미경에 있어서, 프로브 - 상기 프로브의 팁에 근접하게 배치된 샘플을 감지하도록 구성된 프로브 팁을 포함함 -, 상기 프로브 팁의 편향을 검출하는 검출기, 상기 프로브에 접속되고 제1 미리 결정된 힘 설정점에서 상기 샘플을 감지 상태로 상기 프로브를 이동시키도록 구성된 액추에이터; 및 상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동 - 상기 진동은 변조 주파수를 포함함 - 을 제공하는 진동기를 포함하고, 상기 음향 진동기는 변조없는 초기 감지 기간 이후의 변조 기간에서 상기 진동을 제공하도록 구성되며; 및 상기 프로브는 상기 변조 기간 동안 또는 이후에 상기 프로브를 비접촉 상태로 이동시키면서 상기 샘플 위의 다음 샘플 위치로 이동되는 장치이다.
Description
본 발명은 샘플의 표면 및 표면 하부(subsurface) 특성을 맵핑 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 원자력 현미경 검사(atomic force microscopy)를 수행하는 방법 및 원자력 현미경 시스템에 관련된다.
최근의 표면 하부(subsurface) 프로브 현미경(또한 표면 하부 AFM으로 알려진)이라 불리는 원자력 현미경(AFM)의 발전은 표면 아래에 묻혀진 나노 구조를 측정할 수 있는 독특한 능력을 보여준다.
표면 하부(subsurface) AFM은 전형적으로 접촉 모드 피드백(contact-mode feedback)에서 작동하며, 지형 이미지(토포그래피 이미지)(topography image)는 캔틸레버 편향 신호의 저주파(<2 kHz) 부분의 접촉 모드 피드백을 사용하여 얻어지며, 동시에 변조 주파수에서 고주파수 진폭 및 위상으로부터의 표면 하부의 이미지를 기록한다.
이 종래 기술 방법의 작동 원리의 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
표면 하부 AFM은 접촉 모드에서 작동하기 때문에 높은 신호대 잡음비를 얻기 위해서는 더 높은 힘 적용이 필요하기 때문에 샘플을 손상시킬 수 있는 단점이 있다.
더 높은 설정점 힘(set point force)은 샘플을 손상시키는 것으로 알려진 더 높은 전단력(shear force)을 초래할 것이며 측정 중에 표면 하부에서 드리프트(drift)를 유발할 수 있다. US200150338437에서, 간헐적 접촉 공진 원자력 현미경이 접촉 공진 주파수에서 캔틸레버를 변조하고 스캔 변조 주파수에서 샘플을 변조하도록 구성된 원자력 현미경 방법이 설명되고, 한편으로 간헐적으로 캔틸레버로부터 샘플에 힘을 가하여 샘플의 표면 및 표면 하부에 대한 재료 특성(예를 들면, 모듈러스(modulus), 스티프니스(stiffness) 및 이와 유사한)을 결정하기 위한 이미징 데이터를 얻는다. 그러나 간헐적 접촉 공진(intermittent contact resonance)은 손상 문제(damage issue)를 줄이기 위해 나타냈으나 전체적으로 나타내지는 않았다. 그러나, 힘은 이 모드에서 잘 구체화되지 않으므로 정량적(표면 하부) 이미징이 어렵다. 더욱이, 표면 및 표면 하부 정보를 결합하는 문제를 해결하지 못한다.
표면 하부(subsurface) AFM은 전형적으로 접촉 모드 피드백(contact-mode feedback)에서 작동하며, 지형 이미지(토포그래피 이미지)(topography image)는 캔틸레버 편향 신호의 저주파(<2 kHz) 부분의 접촉 모드 피드백을 사용하여 얻어지며, 동시에 변조 주파수에서 고주파수 진폭 및 위상으로부터의 표면 하부의 이미지를 기록한다.
이 종래 기술 방법의 작동 원리의 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
표면 하부 AFM은 접촉 모드에서 작동하기 때문에 높은 신호대 잡음비를 얻기 위해서는 더 높은 힘 적용이 필요하기 때문에 샘플을 손상시킬 수 있는 단점이 있다.
더 높은 설정점 힘(set point force)은 샘플을 손상시키는 것으로 알려진 더 높은 전단력(shear force)을 초래할 것이며 측정 중에 표면 하부에서 드리프트(drift)를 유발할 수 있다. US200150338437에서, 간헐적 접촉 공진 원자력 현미경이 접촉 공진 주파수에서 캔틸레버를 변조하고 스캔 변조 주파수에서 샘플을 변조하도록 구성된 원자력 현미경 방법이 설명되고, 한편으로 간헐적으로 캔틸레버로부터 샘플에 힘을 가하여 샘플의 표면 및 표면 하부에 대한 재료 특성(예를 들면, 모듈러스(modulus), 스티프니스(stiffness) 및 이와 유사한)을 결정하기 위한 이미징 데이터를 얻는다. 그러나 간헐적 접촉 공진(intermittent contact resonance)은 손상 문제(damage issue)를 줄이기 위해 나타냈으나 전체적으로 나타내지는 않았다. 그러나, 힘은 이 모드에서 잘 구체화되지 않으므로 정량적(표면 하부) 이미징이 어렵다. 더욱이, 표면 및 표면 하부 정보를 결합하는 문제를 해결하지 못한다.
본 발명의 목적은 샘플의 표면 및 표면 하부(subsurface) 특성을 맵핑 하기 위한 시간적으로 효율적이고 정확한 원자력 현미경 방법(atomic force microscope)을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 원자력 현미경을 제공하고, 상기 원자력 현미경은, 프로브 팁(probe tip)을 포함하고, 프로브의 팁(probe tip)에 근접(proximate)하게 배치된 샘플(sample)을 감지하도록 구성된 프로브(probe); 상기 프로브 팁의 편향(deflection)을 검출하는 검출기(detector); 상기 프로브에 접속(couple)되고, 제1 미리 결정된 힘 설정점(first predetermined force set point)에서 상기 샘플을 감지 상태(sense state)로 상기 프로브를 이동시키도록 구성된 액추에이터(actuator); 및 상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동(vibration)을 제공하는 진동기(vibrator)를 포함하고, 상기 진동은 변조 주파수(modulation frequency)를 포함하고, 상기 음향 진동기(acoustic vibrator)는 변조(modulation) 없는 초기 감지 기간(initial sense period) 이후의 변조 기간(modulation period)에서 상기 진동을 제공하도록 구성되고, 상기 프로브는 상기 변조 기간 동안 또는 이후에 상기 프로브를 비접촉 상태(non-contact state)로 이동시키면서 상기 샘플 위의(over the sample) 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동된다.
다른 측면에서, 원자력 현미경 검사를 수행하는 방법이 제공되며, 상기 방법은,
원자력 현미경을 제공하는 단계 - 상기 원자력 현미경(atomic force microscope)은, 프로브(probe) 및 진동기(vibrator)를 포함하고, 상기 프로브는 프로브에 근접하게 배치된 샘플을 감지하도록 구성되고, 샘플은 상기 프로브에 근접하게 배치되고, 상기 진동기는 상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동을 제공하고, 상기 진동은 변조 주파수(modulation frequency)를 포함함 -, 원자력 현미경 검사를 수행하기 위해 상기 변조 주파수에서 상기 샘플에 진동(vibration)을 가하고 샘플을 변조(modulate)하는 단계를 포함하며, 상기 진동은 변조 없는 초기 감지 기간 이후에 변조 기간에서 제공되고, 상기 프로브는 상기 변조 기간 동안 또는 이후에 상기 프로브를 비접촉 상태(non-contact state)로 이동시키면서 상기 샘플 위(over the sample)의 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동된다.
이에 따라 방법 및 시스템을 제공함으로써 표면(surface) 및 표면 하부(subsurface) 지형(topography)을 완전히 분리(decouple)된 방식으로 캡처할 수 있다. 따라서, 실질적으로 입자, 결함 등과 같은 표면 지형이 표면 하부 신호에 영향을 미칠 수 있는 팁-샘플 경계 조건(tip-sample boundary condition)을 변경하는 것을 방지한다. 이 영향은 표면과 표면 하부(subsurface)의 결합으로 보여지며 정보를 잃지 않고 두 이미지를 완전히 분리하는 것은 거의 불가능하다.
종래 기술과는 대조적으로, 비공진 캔틸레버 프로브(non-resonant cantilever probe)가 사용되며, 그것이 먼저 정의된 설정점 힘으로 표면에 도달하고, 변조없이 초기 감지 기간에 측정을 수행하고 이어서 지형 정보(토포그래피 정보)(topography information)를 캡쳐 한 후, 초기 감지 기간에 이어서(subsequent) 진동기의 변조 기간에 표면 하부 정보를 수집한다. 초기 감지 기간 동안 표면 토폴로지(surface topology)는 고정된 z 높이에서 캔틸레버 프로브를 낮춤으로써 접촉 또는 비접촉 영역(도 2 참조)에서 고정된 설정점 힘에서 측정된다. 변조 기간에서, 표면 하부 측정은 점탄성 접촉 메커니즘(viscoelastic contract mechanism)을 측정하기 위해 MHz 범위의 진동으로 수행될 수 있다. 이러한 변조 기간는 이후의 제2 접촉력에서 측정될 수 있지만 접촉 영역 내에 있다. 일반적으로 효율면에서 지형과 표면 하부는 동일한 설정점 힘(set point force)(반발력이 있는 접촉 영역)에서 측정된다.
웨이브 전파 콘트라스트 메커니즘(wave propagation contrast mechanism)을 측정하기 위해 GHz 범위에서 수행된 표면 하부의 측정은 비접촉 영역에서 수행될 수 있다. 효율성을 위해 지형 측정과 동일한 힘으로 수행하는 것이 바람직하다.
프로브가 새로운 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동되는 상태(phase) 사이에서 캔틸레버는 고정된 z 높이로 후퇴된다. 접근 및 후퇴는 일반적인 수단, 예를 들어 압전(piezo) 소자 또는 캔틸레버(정전 기적 또는 열적)상의 직접 액추에이션(direct actuation)에 의해 형성될 수 있다. 그러한 방법은 더 작은 z 범위를 가질 수 있지만, 이 출원에서 이를 제한할 필요는 없다.
이 방법은 다음과 같은 장점을 가질 수 있다: 표면 하부 측정 중에 프로브는 표면 근처에 위치하며 픽셀에서 특정 측정 시간이 필요하다. 이 상태(phase)에서 연속 진폭/주파수 변조는 적합하지 않다. 또한, 접촉 모드 AFM은 측면으로 이동하는 동안 표면을 손상시키기 때문에 적합하지 않다. 종래 기술과 대조적으로, 샘플에 대한 변형력(deformation force)은 이제 최소화된다. 특히 전단력(shear force)은 팁이 접촉하는 동안 이동하지 않으므로 최소화된다. 따라서 전단력은 실질적으로 제로이다. Z 에서의 변형(Deformation)은 여전히 커질 수 있지만(점탄성 표면 하부 이미징에 필요할 수 있음), 손상 임계값(damaging threshold) 이하로 잘 제어될 수 있다. 샘플의 프로필에서 큰 단계(step)가 발생하면, 예를 들어 높은 종횡비 표면 프로필을 가진 샘플의 경우, 진폭/주파수 변조 모드에서 요구되는 스캐닝 볼륨이 높을 수 있다. 따라서, 모드는 공진 주파수 이하의 측정 주파수 또는 '느린' 접근과 작은 진폭 주파수/진폭 변조의 조합을 필요로 한다.
또한, 단일 접근 곡선에서 보정(correction)을 수행할 수 있다. 콘트라스트(contrast)의 일반적인 피크 포스 탭핑(peak force tapping)은 이전 커브 동안의 '피크 포스(peak force)'를 기반으로 하는 커브 사이의 피드백만 수행한다. 따라서, 이 새로운 모드에서, 보정은 종래의 피크 포스 탭핑 모드에서와 같이 다음 측정 픽셀에 대해서 뿐만 아니라 현재 측정 픽셀에 대해 수행된다.
본 발명은 결합 강도 측정 및 표면 지형(topography) 맵핑을 동시에 수행하기 위해 초음파력 현미경(ultrasonic force microscopy)(UFM), 또는 헤테로다인력 현미경(heterodyne force microscopy)(HFM) 또는 다른 원자력 음향 현미경 법을 이용한 원자력 현미경(AFM) 방법을 제공한다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 프로브을 이용하여 소자의 표면을 스캐닝함으로써 AFM을 수행하며, 변환기(transducer)를 사용하여 반도체 소자(semiconductor element)에 부가적으로 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)를 인가(apply)한다.
따라서, 본 검출 방법은 샘플의 스티프니스 맵(stiffness map), 샘플의 표면 지형(표면 토포그래피)(surface topography), 또는 이의 조합(combination)을 제공할 수 있게 한다. 샘플의 3 차원 스티프니스 또는 점탄성(three-dimensional stiffness or visco elasticity)을 제공할 수 있다. 이 방법은 대량 처리로 수행될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자의 표면을 맵핑하기 위한 프로브 팁 모션(motion)을 모니터링하는 단계는, 상기 출력 신호의 제1 부분 - 상기 출력 신호(output signal)의 제1 부분(first fraction)은 적어도 제1 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 출력 신호 성분을 포함함 - 을 사용하는 단계, 또는 샘플의 표면에 대한 프로브 팁의 높이 보정(height correction)을 나타내는 피드백 신호(feedback signal)를 이용하는 단계; 또는 z 레벨 센서(z-level sensor)를 사용하여 샘플 표면에 대한 프로브 팁의 상대적인 높이 측정치(height measurements)를 얻는 단계 중에서 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 분석기 시스템(analyzer system) 또는 제어 시스템은 표면 지형 맵핑을 수행하는데 필요한 정보를 얻기 위하여, 저주파(및 또한 DC 또는 정적 신호) 성분을 포함하는 출력 신호의 제1 부분을 분석한다. 또한, 이러한 정보는 표면 위의 스캔 헤드 또는 프로브의 높이를 제어하고 높이 보정이 얻어질 수 있는 피드백 신호로부터 얻어질 수 있다. 또 다른 옵션은 추가 z 레벨 센서를 사용하여 프로브 높이 또는 높이 보정을 측정하는 것이다. 이 정보를 얻을 수 있는 다양한 구현이 가능하다.
또 다른 비제한적인 예에서, 음향 진동 신호는 반송파 주파수 및 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 갖는 반송파 신호를 포함한다. 여기서, 설정점 힘을 제어할 때, 변조 주파수는 출력 신호의 출력 신호 세기를 최적화하도록 제어될 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 설정점 힘 값의 튜닝과 조합하여 선택적으로 수행될 수 있다. 설정점 힘에 대한 변조 주파수의 튜닝은 설정점 힘 값을 변경함으로써 접촉 공진 주파수가 또한 변화한다는 통찰에 기초한다. 특정 설정점에서의 접촉 공진 주파수는, 예를 들어 복수의 변조 주파수 값에 걸쳐 변조 주파수를 스위핑하고, 출력 신호의 복조 진폭 또는 복조 위상(phase)을 모니터링함으로써 발견될 수 있다. 예를 들어, 복수의 설정점 힘 값에서 변조 주파수의 주파수 스위프를 수행함으로써, 진폭 응답이 최대 값(또는 대안적으로 또는 추가적으로 그 위상(phase)이 공진을 나타내는 변조 주파수)에 있는 변조 주파수가 발견되는 곳에서, 각각의 설정점 힘 값과 연관된 최적의 변조 주파수가 발견될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)는 반송 주파수를 갖는 반송파 신호(carrier wave signal)와 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 포함하고, 상기 방법은, 반도체 소자에 대한 프로브 팁의 하나 이상의 위치에서, 복수의 설정점 힘 값에서 설정점 힘을 연속적으로 설정하는 것과 같이 설정점 힘을 제어하고, 각 설정점 힘 값에서, 최적으로 변조 주파수에 각각의 설정점 힘 값을 연관시키기 위한 주파수 범위에서 복수의 주파수를 가로지르는 변조 주파수의 주파수 스윕을 수행하는 단계를 더 포함한다. 상기는 전형적으로 초음파력 현미경(ultrasonic force microscopy)(UFM)을 포함한다. 상기 방법은 다양한 종류의 UFM 구성에서 수행될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 이들은 힘 변조 현미경(force modulation microscopy) 및 헤테로다인력 현미경(heterodyne force microscopy)을 더 포함한다.
또 다른 비제한적인 예에서, 설정점 힘은 표면 검출 및 모노레이어의 결합 강도(binding strength)의 동시 검출을 가능하게 하는 방식으로, 셀프 어셈블 모노레이어(self-assembled monolayer)와 반도체 소자(semiconductor element)의 하부 또는 층 사이의 계면 영역까지의 측정 깊이를 설정하도록 제어된다. 특히, 바람직한 실시예에서, 상기 반도체 소자는 기판 또는 하나 이상의 디바이스 층 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 반도체 소자의 상층이 상기 셀프 어셈블 모노레이어에 의해 제공되고, 상기 방법은 상기 셀프 어셈블 모노레이어의 표면 결함을 동시에 검출하고, 상기 셀프 어셈블 모노레이어의 결합 강도를 나타내는 위치 의존성 접촉 스티프니스를 상기 반도체 소자에 맵핑한다.
이를 위해, 본 발명은 원자력 현미경을 제공하고, 상기 원자력 현미경은, 프로브 팁(probe tip)을 포함하고, 프로브의 팁(probe tip)에 근접(proximate)하게 배치된 샘플(sample)을 감지하도록 구성된 프로브(probe); 상기 프로브 팁의 편향(deflection)을 검출하는 검출기(detector); 상기 프로브에 접속(couple)되고, 제1 미리 결정된 힘 설정점(first predetermined force set point)에서 상기 샘플을 감지 상태(sense state)로 상기 프로브를 이동시키도록 구성된 액추에이터(actuator); 및 상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동(vibration)을 제공하는 진동기(vibrator)를 포함하고, 상기 진동은 변조 주파수(modulation frequency)를 포함하고, 상기 음향 진동기(acoustic vibrator)는 변조(modulation) 없는 초기 감지 기간(initial sense period) 이후의 변조 기간(modulation period)에서 상기 진동을 제공하도록 구성되고, 상기 프로브는 상기 변조 기간 동안 또는 이후에 상기 프로브를 비접촉 상태(non-contact state)로 이동시키면서 상기 샘플 위의(over the sample) 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동된다.
다른 측면에서, 원자력 현미경 검사를 수행하는 방법이 제공되며, 상기 방법은,
원자력 현미경을 제공하는 단계 - 상기 원자력 현미경(atomic force microscope)은, 프로브(probe) 및 진동기(vibrator)를 포함하고, 상기 프로브는 프로브에 근접하게 배치된 샘플을 감지하도록 구성되고, 샘플은 상기 프로브에 근접하게 배치되고, 상기 진동기는 상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동을 제공하고, 상기 진동은 변조 주파수(modulation frequency)를 포함함 -, 원자력 현미경 검사를 수행하기 위해 상기 변조 주파수에서 상기 샘플에 진동(vibration)을 가하고 샘플을 변조(modulate)하는 단계를 포함하며, 상기 진동은 변조 없는 초기 감지 기간 이후에 변조 기간에서 제공되고, 상기 프로브는 상기 변조 기간 동안 또는 이후에 상기 프로브를 비접촉 상태(non-contact state)로 이동시키면서 상기 샘플 위(over the sample)의 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동된다.
이에 따라 방법 및 시스템을 제공함으로써 표면(surface) 및 표면 하부(subsurface) 지형(topography)을 완전히 분리(decouple)된 방식으로 캡처할 수 있다. 따라서, 실질적으로 입자, 결함 등과 같은 표면 지형이 표면 하부 신호에 영향을 미칠 수 있는 팁-샘플 경계 조건(tip-sample boundary condition)을 변경하는 것을 방지한다. 이 영향은 표면과 표면 하부(subsurface)의 결합으로 보여지며 정보를 잃지 않고 두 이미지를 완전히 분리하는 것은 거의 불가능하다.
종래 기술과는 대조적으로, 비공진 캔틸레버 프로브(non-resonant cantilever probe)가 사용되며, 그것이 먼저 정의된 설정점 힘으로 표면에 도달하고, 변조없이 초기 감지 기간에 측정을 수행하고 이어서 지형 정보(토포그래피 정보)(topography information)를 캡쳐 한 후, 초기 감지 기간에 이어서(subsequent) 진동기의 변조 기간에 표면 하부 정보를 수집한다. 초기 감지 기간 동안 표면 토폴로지(surface topology)는 고정된 z 높이에서 캔틸레버 프로브를 낮춤으로써 접촉 또는 비접촉 영역(도 2 참조)에서 고정된 설정점 힘에서 측정된다. 변조 기간에서, 표면 하부 측정은 점탄성 접촉 메커니즘(viscoelastic contract mechanism)을 측정하기 위해 MHz 범위의 진동으로 수행될 수 있다. 이러한 변조 기간는 이후의 제2 접촉력에서 측정될 수 있지만 접촉 영역 내에 있다. 일반적으로 효율면에서 지형과 표면 하부는 동일한 설정점 힘(set point force)(반발력이 있는 접촉 영역)에서 측정된다.
웨이브 전파 콘트라스트 메커니즘(wave propagation contrast mechanism)을 측정하기 위해 GHz 범위에서 수행된 표면 하부의 측정은 비접촉 영역에서 수행될 수 있다. 효율성을 위해 지형 측정과 동일한 힘으로 수행하는 것이 바람직하다.
프로브가 새로운 다음 샘플 위치(successive sample position)로 이동되는 상태(phase) 사이에서 캔틸레버는 고정된 z 높이로 후퇴된다. 접근 및 후퇴는 일반적인 수단, 예를 들어 압전(piezo) 소자 또는 캔틸레버(정전 기적 또는 열적)상의 직접 액추에이션(direct actuation)에 의해 형성될 수 있다. 그러한 방법은 더 작은 z 범위를 가질 수 있지만, 이 출원에서 이를 제한할 필요는 없다.
이 방법은 다음과 같은 장점을 가질 수 있다: 표면 하부 측정 중에 프로브는 표면 근처에 위치하며 픽셀에서 특정 측정 시간이 필요하다. 이 상태(phase)에서 연속 진폭/주파수 변조는 적합하지 않다. 또한, 접촉 모드 AFM은 측면으로 이동하는 동안 표면을 손상시키기 때문에 적합하지 않다. 종래 기술과 대조적으로, 샘플에 대한 변형력(deformation force)은 이제 최소화된다. 특히 전단력(shear force)은 팁이 접촉하는 동안 이동하지 않으므로 최소화된다. 따라서 전단력은 실질적으로 제로이다. Z 에서의 변형(Deformation)은 여전히 커질 수 있지만(점탄성 표면 하부 이미징에 필요할 수 있음), 손상 임계값(damaging threshold) 이하로 잘 제어될 수 있다. 샘플의 프로필에서 큰 단계(step)가 발생하면, 예를 들어 높은 종횡비 표면 프로필을 가진 샘플의 경우, 진폭/주파수 변조 모드에서 요구되는 스캐닝 볼륨이 높을 수 있다. 따라서, 모드는 공진 주파수 이하의 측정 주파수 또는 '느린' 접근과 작은 진폭 주파수/진폭 변조의 조합을 필요로 한다.
또한, 단일 접근 곡선에서 보정(correction)을 수행할 수 있다. 콘트라스트(contrast)의 일반적인 피크 포스 탭핑(peak force tapping)은 이전 커브 동안의 '피크 포스(peak force)'를 기반으로 하는 커브 사이의 피드백만 수행한다. 따라서, 이 새로운 모드에서, 보정은 종래의 피크 포스 탭핑 모드에서와 같이 다음 측정 픽셀에 대해서 뿐만 아니라 현재 측정 픽셀에 대해 수행된다.
본 발명은 결합 강도 측정 및 표면 지형(topography) 맵핑을 동시에 수행하기 위해 초음파력 현미경(ultrasonic force microscopy)(UFM), 또는 헤테로다인력 현미경(heterodyne force microscopy)(HFM) 또는 다른 원자력 음향 현미경 법을 이용한 원자력 현미경(AFM) 방법을 제공한다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 프로브을 이용하여 소자의 표면을 스캐닝함으로써 AFM을 수행하며, 변환기(transducer)를 사용하여 반도체 소자(semiconductor element)에 부가적으로 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)를 인가(apply)한다.
따라서, 본 검출 방법은 샘플의 스티프니스 맵(stiffness map), 샘플의 표면 지형(표면 토포그래피)(surface topography), 또는 이의 조합(combination)을 제공할 수 있게 한다. 샘플의 3 차원 스티프니스 또는 점탄성(three-dimensional stiffness or visco elasticity)을 제공할 수 있다. 이 방법은 대량 처리로 수행될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자의 표면을 맵핑하기 위한 프로브 팁 모션(motion)을 모니터링하는 단계는, 상기 출력 신호의 제1 부분 - 상기 출력 신호(output signal)의 제1 부분(first fraction)은 적어도 제1 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 출력 신호 성분을 포함함 - 을 사용하는 단계, 또는 샘플의 표면에 대한 프로브 팁의 높이 보정(height correction)을 나타내는 피드백 신호(feedback signal)를 이용하는 단계; 또는 z 레벨 센서(z-level sensor)를 사용하여 샘플 표면에 대한 프로브 팁의 상대적인 높이 측정치(height measurements)를 얻는 단계 중에서 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 분석기 시스템(analyzer system) 또는 제어 시스템은 표면 지형 맵핑을 수행하는데 필요한 정보를 얻기 위하여, 저주파(및 또한 DC 또는 정적 신호) 성분을 포함하는 출력 신호의 제1 부분을 분석한다. 또한, 이러한 정보는 표면 위의 스캔 헤드 또는 프로브의 높이를 제어하고 높이 보정이 얻어질 수 있는 피드백 신호로부터 얻어질 수 있다. 또 다른 옵션은 추가 z 레벨 센서를 사용하여 프로브 높이 또는 높이 보정을 측정하는 것이다. 이 정보를 얻을 수 있는 다양한 구현이 가능하다.
또 다른 비제한적인 예에서, 음향 진동 신호는 반송파 주파수 및 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 갖는 반송파 신호를 포함한다. 여기서, 설정점 힘을 제어할 때, 변조 주파수는 출력 신호의 출력 신호 세기를 최적화하도록 제어될 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 설정점 힘 값의 튜닝과 조합하여 선택적으로 수행될 수 있다. 설정점 힘에 대한 변조 주파수의 튜닝은 설정점 힘 값을 변경함으로써 접촉 공진 주파수가 또한 변화한다는 통찰에 기초한다. 특정 설정점에서의 접촉 공진 주파수는, 예를 들어 복수의 변조 주파수 값에 걸쳐 변조 주파수를 스위핑하고, 출력 신호의 복조 진폭 또는 복조 위상(phase)을 모니터링함으로써 발견될 수 있다. 예를 들어, 복수의 설정점 힘 값에서 변조 주파수의 주파수 스위프를 수행함으로써, 진폭 응답이 최대 값(또는 대안적으로 또는 추가적으로 그 위상(phase)이 공진을 나타내는 변조 주파수)에 있는 변조 주파수가 발견되는 곳에서, 각각의 설정점 힘 값과 연관된 최적의 변조 주파수가 발견될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)는 반송 주파수를 갖는 반송파 신호(carrier wave signal)와 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 포함하고, 상기 방법은, 반도체 소자에 대한 프로브 팁의 하나 이상의 위치에서, 복수의 설정점 힘 값에서 설정점 힘을 연속적으로 설정하는 것과 같이 설정점 힘을 제어하고, 각 설정점 힘 값에서, 최적으로 변조 주파수에 각각의 설정점 힘 값을 연관시키기 위한 주파수 범위에서 복수의 주파수를 가로지르는 변조 주파수의 주파수 스윕을 수행하는 단계를 더 포함한다. 상기는 전형적으로 초음파력 현미경(ultrasonic force microscopy)(UFM)을 포함한다. 상기 방법은 다양한 종류의 UFM 구성에서 수행될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 이들은 힘 변조 현미경(force modulation microscopy) 및 헤테로다인력 현미경(heterodyne force microscopy)을 더 포함한다.
또 다른 비제한적인 예에서, 설정점 힘은 표면 검출 및 모노레이어의 결합 강도(binding strength)의 동시 검출을 가능하게 하는 방식으로, 셀프 어셈블 모노레이어(self-assembled monolayer)와 반도체 소자(semiconductor element)의 하부 또는 층 사이의 계면 영역까지의 측정 깊이를 설정하도록 제어된다. 특히, 바람직한 실시예에서, 상기 반도체 소자는 기판 또는 하나 이상의 디바이스 층 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 반도체 소자의 상층이 상기 셀프 어셈블 모노레이어에 의해 제공되고, 상기 방법은 상기 셀프 어셈블 모노레이어의 표면 결함을 동시에 검출하고, 상기 셀프 어셈블 모노레이어의 결합 강도를 나타내는 위치 의존성 접촉 스티프니스를 상기 반도체 소자에 맵핑한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 특정 실시 양태의 설명에 의해 더 설명될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현의 예를 제공하지만, 범위에 속하는 유일한 실시예를 설명하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허 청구 범위에 정의되어 있으며, 이 설명은 본 발명을 제한하지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 도면은:
도 1은 샘플을 포함하는 원자력 현미경 시스템을 도시한다.
도 2는 캔틸레버 프로브 팁에 의해 기록된 전형적인 힘의 도표를 도시한다.
도 3은 새로운 표면 하부 AFM 모드를 도시한다.
도 4 및 도 5는 상이한 설정점이 사용되는 대안적인 실시예 단계를 도시한다.
도 6은 계산된 표면 하부 모드에 대한 트레이스 도표를 도시한다.
도 7은 AFM 시스템에 대응하는 모델 파라미터를 도시한다.
도 1은 샘플을 포함하는 원자력 현미경 시스템을 도시한다.
도 2는 캔틸레버 프로브 팁에 의해 기록된 전형적인 힘의 도표를 도시한다.
도 3은 새로운 표면 하부 AFM 모드를 도시한다.
도 4 및 도 5는 상이한 설정점이 사용되는 대안적인 실시예 단계를 도시한다.
도 6은 계산된 표면 하부 모드에 대한 트레이스 도표를 도시한다.
도 7은 AFM 시스템에 대응하는 모델 파라미터를 도시한다.
도 1은 본 발명의 방법 및 본 발명의 일 실시예에 사용하기에 적합한 원자력 현미경 시스템(AFM)(1)을 개략적으로 도시한다. 시스템(system)(1)은 캔틸레버(cantilever)(4) 및 프로브 팁(probe tip)(5)을 갖는 프로브(probe)(3)를 포함한다. 프로브 팁(5)은 샘플(sample)(12)의 표면과 접촉하게 된다. 통상적으로 레이저 인 광원(light source)(7)은 프로브 팁(5)의 후면에 입사하는 광 신호 빔(optical signal beam)(8)을 제공한다. 반사된 광빔(reflected optical beam)(9)은 광 센서(optical sensor)(10)에 의해 수신된다. 표면 샘플(surface sample)(12)에 수직인 프로브 팁(5)의 임의의 진동은 반사된 광빔(9)의 편향(deflection)을 초래할 것이다. 이 편향은 추후 분석을 위해(전기적) 출력 신호(output signal)(39)를 제공하는 광 센서(optical sensor)(10)에 의해 정확하게 결정될 수 있다.
본 발명의 검출 방법은 표면 지형 측정(surface topography measurement)을 수행하는 것 이외에, 음향 진동 신호를 샘플(sample)(12)에 적용하여 그 표면에서 음향 진동(acoustic vibration)을 발생시킨다. 이러한 진동은 매우 정확하게 프로브 팁(5)에 의해 감지될 수 있다. 도 1의 시스템(1)에서, 진동기(vibrator vibrator)(20)는 샘플(12) 아래에 배치된다. 커플링 매체(coupling medium)(21)(예를 들어, 액체, 오일 또는 그리스(grease)(예, 바셀린(Vaseline)))는 음향 변환기(acoustic transducer)(20)와 샘플(12) 사이의 낮은 저항 커플링을 제공한다. 이는 변환기(transducer)(20)에 의해 생성된 음향 신호(acoustic signal)가 샘플(12)의 뒤쪽 측면으로부터 샘플(12)을 관통하도록 한다. 도 1에 나와있는 설정과 동일하다. 이와 관련하여, 샘플(12)의 뒷면으로부터 음향 신호를 인가하는 것이 본 발명에 필수적이지 않다는 것을 알 수 있다. 음향 진동 신호를 인가하기 위한 진동기(20)는 반도체 소자(semiconductor element)(12)에 대해 다른 위치에 배치되어 음향 진동 신호가 임의의 원하는 방향(예를 들어, 위 또는 아래, 다른 부분 또는 본체를 통해)으로부터 인가될 수 있게 한다.
샘플(12)을 관통한 후에 변환기(20)에 의해 제공된 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)(50)는 그것을 통해 전달되어 표면에서 음향 진동(acoustic vibration)을 생성한다. 이들은 프로브 팁(5)에 의해 감지될 수 있다. 프로브 팁(5)이 반도체 소자(12)의 표면(surface)(15)상의 경로를 따르도록 표면(15)에 대해 프로브(3)를 스캐닝함으로써, 반도체 소자(12)의 표면 지형(surface topography)이 측정 가능하게 되고, 맵핑 될 수 있다. 이 정보를 얻는 방법에는 여러 가지가 있다. 주로, 저역통과 필터(low-pass filter)(30)를 통해 출력 신호(output signal)(39)를 유도함으로써, 출력 신호(39)의 저주파 성분이 피드백 제어 시스템에 제공될 수 있다.
변환기(20)를 통해 반도체 소자(12)에 제공되는 음향 진동 신호(50)는 고주파 성분 f1과 저주파 성분 f2로 구성되며, 다음과 같이 생성된다. 하나 이상의 신호 발생기는 적어도 제1 주파수 발생기(25), 제2 주파수 발생기(26) 및 신호 혼합기(signal mixer)(28)를 포함한다. 고주파수 입력 신호 성분 f1(high frequency input signal component f1)(25) 및 저주파수 입력 신호 성분 f2(low frequency input signal component f2)(26)는 믹서(28)에 의해 혼합되어 변환기(20)에 제공된다. 변환기(20)는 커플링 매체(21)(이 예에서는 바셀린 일 수 있음)를 통해 음향 진동 신호를 샘플(12)로 보낸다. 광 센서(10)로부터의 센서 신호는 접촉 모드 피드백을 위한 저역통과 필터(30)에 제공되고, 저역통과 필터(30)의 출력은 피드백 제어 시스템(feedback control system)(31)으로 보내진다. 저역통과 필터(30)는, 예를 들면 2kHz 정도의 차단 주파수를 갖는다. 이것은 스캐닝 속도에 대해 충분히 빠르지만, 샘플링 속도보다 약간 높을 뿐이다(예를 들어, 1 초의 1024 픽셀은 1.024 kHz의 샘플링 속도에 대응함). 피드백 제어 시스템(31)은 피드백 신호를 사용하여 AFM 시스템을 그 설정점 힘에 고정되게 유지시킨다. 광 센서(10)로부터의 출력 신호(39)는 고역통과 필터(high-pass filter)(34)에 더 제공된다. 고역통과 필터(34)는 또한 예를 들어 약 2kHz의 컷오프 주파수를 가지므로, 고주파 음향 신호(즉, 성분 f1을 포함하는) 및 저주파 음향 신호(즉, 성분 f2를 포함하는)를 포함하는 출력 신호(39)의 제2 부분을 복조기(demodulator)(35)에 전송한다. 복조기(demodulator)(35)는 또한 신호 생성기(signal generator)(29)로부터 저주파 입력 신호 f2(low frequency input signal f2)(26)를 레퍼런스 신호로서 수신한다. 복조기(35)의 출력 신호는 결합 강도 분석을 가능하게 하기 위해 접촉 스티프니스(contact stiffness)에 대한 표면 하부 측정 정보를 얻기 위해 위치 의존 초음파 출력 신호(location dependent ultrasound output signal )를 분석할 수 있게 하는 분석 시스템(analysis system)(38)에 제공된다. 주파수 발생기(Frequency generator)(25 및 26), 혼합기(mixer)(28), 복조기(demodulator)(35) 및 선택적적 분석 시스템(analysis system)(38)은 통합 시스템을 형성할 수 있다.
도 2는 접근 샘플(12)에서 캔틸레버 프로브 팁(probe tip)(5)에 의해 기록되는 전형적인 힘의 도표를 보다 상세히 도시한다. 먼 영역에서는 인력(attractive force)이 0에 접근한다. 비접촉 상태(non-contact phase)으로 샘플(12)에 접근할 때, 프로브 팁은 접촉 영역에서 사라지는 인력을 기록한다. 샘플 표면에 접촉하고 샘플과의 거리를 더 줄이면, 힘이 반발하고 실질적으로 증가한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 새로운 표면 하부 AF 모드가 도 3에서 다음과 같이 제안된다. 제1 단계 100에서, 프로브 팁(5)은 공진하지 않고 샘플에 접근한다. 이 상태(phase)에서는 샘플로부터 미리 정의된 거리를 가지며 설정점 힘(set point force) 200에 도달할 때까지 샘플에 접근한다. 따라서, 높이 차이는 그 픽셀의 지형 정보로서 기록된다. 이 상태 300에서 샘플은 여전히 서있고 움직이지 않는다. 이어서, 지형 신호(토포그래피 신호)(topography signal)가 포착되면, 다음 상태 400에서, 단계(step) 500에서 기록된 상기 픽셀의 표면 하부 신호를 포착하기 위해 샘플 또는 팁 또는 둘 모두에 음향파(acoustic wave)가 인가(launched)된다. 이어서, 상기 화소의 표면 하부 신호가 기록되자 마자, 캔틸레버는 다음 단계(step) 600에서 미리 정의된 초기 거리로 후퇴하고, 샘플 또는 헤드는 단계 700에서 다음 화소로 이동한다. 이 프로세스는 기록될 필요가 있는 만큼 많은 픽셀에 대해 반복된다.
도 4 및 도 5에서, 대안적인 실시예 단계가 도시되어 있으며, 상이한 설정점이 사용되며, 예를 들어 표면 지형(surface topography) 기록 및 표면 하부 측정을 위해, 및/또는 단일 지점 측정을 위한 표면 하부 측정은 다수의 힘 설정점(force set point)에서 수행된다. 특히, 도 5에서 100-300 단계는 동일하다. 단계 200에서 도달된 지정된 설정 포인트에서 음향파를 인가하는 대신에, 단계 410에서 다른 설정점에 도달한다. 이 두 번째 설정점은 초기 제1 힘 설정점보다 높거나 낮은 힘 설정점에 있을 수 있다. 이어서, 단계 420에서 음향파가 샘플 또는 팁 또는 이들 모두에 인가된다. 후속하는 단계 500 내지 700은 도 3의 단계와 동일하다.
도 5에는 또 다른 변형이 도시되어 있다. 이 변형 예에서, 제2 설정점 힘(단계 430)에서 단일 표면 하부 측정을 수행하는 대신에, 측정 단계 430, 440 및 500이 다른 설정점에서 반복된다. 이 설정점 힘은 제2 설정점 힘보다 높거나 낮을 수 있다. 또 다른 변형 예에서, 도 3 및 도 5의 단계들이 결합되어, 예를 들어, 제1 측정이 표면 지형 기록 단계 200와 동일한 설정점 힘(단계 430)에서 수행된다.
도 6에서 위의 단계에 따라 계산된 표면 하부 모드에 대한 트레이스 도표가 도시된다(편의상 이 모드만 표시됨). 측정 주기(measurement cycle)는 약 1ms라고 가정한다. 접근 상태의 주기에서, 제어기(controller)(31)는 캔틸레버 프로브 팁을 새로운 픽셀 위치의 샘플을 향해 30nm 높이로 이동시킨다. 이 도표에서, 팁은 표면으로부터 30nm(0 힘에서) 높이로 향하도록 이동하고, 즉 이 기간에서 힘은 0nN이다. 샘플을 접촉했을 때, 피드백은 -100nN의 설정점에 도달하기 전에 -300nN까지 오버슛(overshoot)이 있다. 대응하는 힘 도표에서, 힘은 300 nN(나노 뉴톤) 미만의 피크 힘(peak force)을 가진 표면 하부 상태에서 약 100nN에서 0 N로 변한다. 이어서, 표면 하부 측정이 상태 500에서 수행된다. 후퇴 상태 600에서 제어기(31)는 30nm의 캔틸레버 프로브 팁을 이동시킨다.
실시예에서 진동기는 샘플에 접속된(coupled) 음향 압전 변환기(acoustic piezo transducer)에 의해 제공되는 것으로 기재되어 있다. 대안으로, 또는 그 외에도, 캔틸레버 팁이 진동될 수 있다. 모델에 해당하는 동적 모델 파라미터(도 7 참조)는 다음과 같다.
캔틸레버: 고유 주파수(eigenfrequency) 300kHz, 스티프니스(stiffness) 40N/m, Q-인자(factor) 100, 스플릿(split in) 11 질량(masses)(팁 포함)
압전(piezo): 3x3x3mm, 밀도 7800kg/m3, 고유 주파수(eigenfrequency) 50kHz, Q-인자 50
디더(dither): 3x3x0.3mm, 밀도 7800kg/m3, 고유 주파수
1.2MHz, Q-인자 50('디더(dither)'는 종래의 탭핑 모드 AFM에서 캔틸레버를 압전 구동함)
고정된 세계(world): 고유 주파수 1kHz, Q- 인자 30
본 발명은 몇몇 특정 실시 양태에 관하여 기술되었다. 도면에 도시되고 본원에 기술된 실시예는 단지 도시된 목적을 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 의도 또는 수단에 의한 것이 아님이 이해될 것이다. 본 발명의 동작 및 구성은 첨부된 설명 및 도면으로부터 명백해질 것으로 생각된다. 당업자에게는 본 발명이 여기에 기술된 임의의 실시예에 한정되지 않으며 첨부된 청구 범위의 범주 내에서 고려되어야 하는 변경이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 또한, 기구학적 반전은 본질적으로 개시되고 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 청구 범위에서, 임의의 참조 부호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서 또는 청구 범위에서 사용되는 '포함하는(comprising)' 및 '포함하는(including)'이라는 용어는 배타적인 또는 빠뜨려서는 안되는 의미로 해석되어서는 안되며 포괄적인 의미로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 '포함하는(comprising)'이라는 표현은 임의의 청구항에 열거된 것들 이외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, '하나(a)' 및 '하나(an)' 이라는 단어는 '하나만'으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 대신에 '적어도 하나'를 의미하는 것으로 사용되어 복수를 배제하지 않는다. 구체적으로 또는 명시적으로 기술되거나 청구되지 않은 특징이 본 발명의 범위 내에 추가로 포함될 수 있다. "...를 위한 수단"과 같은 표현은 "...를 위해 구성된 성분" 또는 "...하기 위하여 구성된 요소"로 읽혀져야 되며, 개시된 구조의 등가물(equivalents)을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "결정적(critical)", "선호(preferred)", "특히 선호(specially preferred)"등과 같은 표현의 사용은 발명을 제한하려는 것이 아니다. 숙련된 자의 범위 내에서 추가, 삭제 및 수정은 청구 범위에 의해 결정되는 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본 발명은 여기에 구체적으로 기술된 바와 같이 실시될 수 있으며, 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 검출 방법은 표면 지형 측정(surface topography measurement)을 수행하는 것 이외에, 음향 진동 신호를 샘플(sample)(12)에 적용하여 그 표면에서 음향 진동(acoustic vibration)을 발생시킨다. 이러한 진동은 매우 정확하게 프로브 팁(5)에 의해 감지될 수 있다. 도 1의 시스템(1)에서, 진동기(vibrator vibrator)(20)는 샘플(12) 아래에 배치된다. 커플링 매체(coupling medium)(21)(예를 들어, 액체, 오일 또는 그리스(grease)(예, 바셀린(Vaseline)))는 음향 변환기(acoustic transducer)(20)와 샘플(12) 사이의 낮은 저항 커플링을 제공한다. 이는 변환기(transducer)(20)에 의해 생성된 음향 신호(acoustic signal)가 샘플(12)의 뒤쪽 측면으로부터 샘플(12)을 관통하도록 한다. 도 1에 나와있는 설정과 동일하다. 이와 관련하여, 샘플(12)의 뒷면으로부터 음향 신호를 인가하는 것이 본 발명에 필수적이지 않다는 것을 알 수 있다. 음향 진동 신호를 인가하기 위한 진동기(20)는 반도체 소자(semiconductor element)(12)에 대해 다른 위치에 배치되어 음향 진동 신호가 임의의 원하는 방향(예를 들어, 위 또는 아래, 다른 부분 또는 본체를 통해)으로부터 인가될 수 있게 한다.
샘플(12)을 관통한 후에 변환기(20)에 의해 제공된 음향 진동 신호(acoustic vibration signal)(50)는 그것을 통해 전달되어 표면에서 음향 진동(acoustic vibration)을 생성한다. 이들은 프로브 팁(5)에 의해 감지될 수 있다. 프로브 팁(5)이 반도체 소자(12)의 표면(surface)(15)상의 경로를 따르도록 표면(15)에 대해 프로브(3)를 스캐닝함으로써, 반도체 소자(12)의 표면 지형(surface topography)이 측정 가능하게 되고, 맵핑 될 수 있다. 이 정보를 얻는 방법에는 여러 가지가 있다. 주로, 저역통과 필터(low-pass filter)(30)를 통해 출력 신호(output signal)(39)를 유도함으로써, 출력 신호(39)의 저주파 성분이 피드백 제어 시스템에 제공될 수 있다.
변환기(20)를 통해 반도체 소자(12)에 제공되는 음향 진동 신호(50)는 고주파 성분 f1과 저주파 성분 f2로 구성되며, 다음과 같이 생성된다. 하나 이상의 신호 발생기는 적어도 제1 주파수 발생기(25), 제2 주파수 발생기(26) 및 신호 혼합기(signal mixer)(28)를 포함한다. 고주파수 입력 신호 성분 f1(high frequency input signal component f1)(25) 및 저주파수 입력 신호 성분 f2(low frequency input signal component f2)(26)는 믹서(28)에 의해 혼합되어 변환기(20)에 제공된다. 변환기(20)는 커플링 매체(21)(이 예에서는 바셀린 일 수 있음)를 통해 음향 진동 신호를 샘플(12)로 보낸다. 광 센서(10)로부터의 센서 신호는 접촉 모드 피드백을 위한 저역통과 필터(30)에 제공되고, 저역통과 필터(30)의 출력은 피드백 제어 시스템(feedback control system)(31)으로 보내진다. 저역통과 필터(30)는, 예를 들면 2kHz 정도의 차단 주파수를 갖는다. 이것은 스캐닝 속도에 대해 충분히 빠르지만, 샘플링 속도보다 약간 높을 뿐이다(예를 들어, 1 초의 1024 픽셀은 1.024 kHz의 샘플링 속도에 대응함). 피드백 제어 시스템(31)은 피드백 신호를 사용하여 AFM 시스템을 그 설정점 힘에 고정되게 유지시킨다. 광 센서(10)로부터의 출력 신호(39)는 고역통과 필터(high-pass filter)(34)에 더 제공된다. 고역통과 필터(34)는 또한 예를 들어 약 2kHz의 컷오프 주파수를 가지므로, 고주파 음향 신호(즉, 성분 f1을 포함하는) 및 저주파 음향 신호(즉, 성분 f2를 포함하는)를 포함하는 출력 신호(39)의 제2 부분을 복조기(demodulator)(35)에 전송한다. 복조기(demodulator)(35)는 또한 신호 생성기(signal generator)(29)로부터 저주파 입력 신호 f2(low frequency input signal f2)(26)를 레퍼런스 신호로서 수신한다. 복조기(35)의 출력 신호는 결합 강도 분석을 가능하게 하기 위해 접촉 스티프니스(contact stiffness)에 대한 표면 하부 측정 정보를 얻기 위해 위치 의존 초음파 출력 신호(location dependent ultrasound output signal )를 분석할 수 있게 하는 분석 시스템(analysis system)(38)에 제공된다. 주파수 발생기(Frequency generator)(25 및 26), 혼합기(mixer)(28), 복조기(demodulator)(35) 및 선택적적 분석 시스템(analysis system)(38)은 통합 시스템을 형성할 수 있다.
도 2는 접근 샘플(12)에서 캔틸레버 프로브 팁(probe tip)(5)에 의해 기록되는 전형적인 힘의 도표를 보다 상세히 도시한다. 먼 영역에서는 인력(attractive force)이 0에 접근한다. 비접촉 상태(non-contact phase)으로 샘플(12)에 접근할 때, 프로브 팁은 접촉 영역에서 사라지는 인력을 기록한다. 샘플 표면에 접촉하고 샘플과의 거리를 더 줄이면, 힘이 반발하고 실질적으로 증가한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 새로운 표면 하부 AF 모드가 도 3에서 다음과 같이 제안된다. 제1 단계 100에서, 프로브 팁(5)은 공진하지 않고 샘플에 접근한다. 이 상태(phase)에서는 샘플로부터 미리 정의된 거리를 가지며 설정점 힘(set point force) 200에 도달할 때까지 샘플에 접근한다. 따라서, 높이 차이는 그 픽셀의 지형 정보로서 기록된다. 이 상태 300에서 샘플은 여전히 서있고 움직이지 않는다. 이어서, 지형 신호(토포그래피 신호)(topography signal)가 포착되면, 다음 상태 400에서, 단계(step) 500에서 기록된 상기 픽셀의 표면 하부 신호를 포착하기 위해 샘플 또는 팁 또는 둘 모두에 음향파(acoustic wave)가 인가(launched)된다. 이어서, 상기 화소의 표면 하부 신호가 기록되자 마자, 캔틸레버는 다음 단계(step) 600에서 미리 정의된 초기 거리로 후퇴하고, 샘플 또는 헤드는 단계 700에서 다음 화소로 이동한다. 이 프로세스는 기록될 필요가 있는 만큼 많은 픽셀에 대해 반복된다.
도 4 및 도 5에서, 대안적인 실시예 단계가 도시되어 있으며, 상이한 설정점이 사용되며, 예를 들어 표면 지형(surface topography) 기록 및 표면 하부 측정을 위해, 및/또는 단일 지점 측정을 위한 표면 하부 측정은 다수의 힘 설정점(force set point)에서 수행된다. 특히, 도 5에서 100-300 단계는 동일하다. 단계 200에서 도달된 지정된 설정 포인트에서 음향파를 인가하는 대신에, 단계 410에서 다른 설정점에 도달한다. 이 두 번째 설정점은 초기 제1 힘 설정점보다 높거나 낮은 힘 설정점에 있을 수 있다. 이어서, 단계 420에서 음향파가 샘플 또는 팁 또는 이들 모두에 인가된다. 후속하는 단계 500 내지 700은 도 3의 단계와 동일하다.
도 5에는 또 다른 변형이 도시되어 있다. 이 변형 예에서, 제2 설정점 힘(단계 430)에서 단일 표면 하부 측정을 수행하는 대신에, 측정 단계 430, 440 및 500이 다른 설정점에서 반복된다. 이 설정점 힘은 제2 설정점 힘보다 높거나 낮을 수 있다. 또 다른 변형 예에서, 도 3 및 도 5의 단계들이 결합되어, 예를 들어, 제1 측정이 표면 지형 기록 단계 200와 동일한 설정점 힘(단계 430)에서 수행된다.
도 6에서 위의 단계에 따라 계산된 표면 하부 모드에 대한 트레이스 도표가 도시된다(편의상 이 모드만 표시됨). 측정 주기(measurement cycle)는 약 1ms라고 가정한다. 접근 상태의 주기에서, 제어기(controller)(31)는 캔틸레버 프로브 팁을 새로운 픽셀 위치의 샘플을 향해 30nm 높이로 이동시킨다. 이 도표에서, 팁은 표면으로부터 30nm(0 힘에서) 높이로 향하도록 이동하고, 즉 이 기간에서 힘은 0nN이다. 샘플을 접촉했을 때, 피드백은 -100nN의 설정점에 도달하기 전에 -300nN까지 오버슛(overshoot)이 있다. 대응하는 힘 도표에서, 힘은 300 nN(나노 뉴톤) 미만의 피크 힘(peak force)을 가진 표면 하부 상태에서 약 100nN에서 0 N로 변한다. 이어서, 표면 하부 측정이 상태 500에서 수행된다. 후퇴 상태 600에서 제어기(31)는 30nm의 캔틸레버 프로브 팁을 이동시킨다.
실시예에서 진동기는 샘플에 접속된(coupled) 음향 압전 변환기(acoustic piezo transducer)에 의해 제공되는 것으로 기재되어 있다. 대안으로, 또는 그 외에도, 캔틸레버 팁이 진동될 수 있다. 모델에 해당하는 동적 모델 파라미터(도 7 참조)는 다음과 같다.
캔틸레버: 고유 주파수(eigenfrequency) 300kHz, 스티프니스(stiffness) 40N/m, Q-인자(factor) 100, 스플릿(split in) 11 질량(masses)(팁 포함)
압전(piezo): 3x3x3mm, 밀도 7800kg/m3, 고유 주파수(eigenfrequency) 50kHz, Q-인자 50
디더(dither): 3x3x0.3mm, 밀도 7800kg/m3, 고유 주파수
고정된 세계(world): 고유 주파수 1kHz, Q- 인자 30
본 발명은 몇몇 특정 실시 양태에 관하여 기술되었다. 도면에 도시되고 본원에 기술된 실시예는 단지 도시된 목적을 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 의도 또는 수단에 의한 것이 아님이 이해될 것이다. 본 발명의 동작 및 구성은 첨부된 설명 및 도면으로부터 명백해질 것으로 생각된다. 당업자에게는 본 발명이 여기에 기술된 임의의 실시예에 한정되지 않으며 첨부된 청구 범위의 범주 내에서 고려되어야 하는 변경이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 또한, 기구학적 반전은 본질적으로 개시되고 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 청구 범위에서, 임의의 참조 부호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서 또는 청구 범위에서 사용되는 '포함하는(comprising)' 및 '포함하는(including)'이라는 용어는 배타적인 또는 빠뜨려서는 안되는 의미로 해석되어서는 안되며 포괄적인 의미로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 '포함하는(comprising)'이라는 표현은 임의의 청구항에 열거된 것들 이외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, '하나(a)' 및 '하나(an)' 이라는 단어는 '하나만'으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 대신에 '적어도 하나'를 의미하는 것으로 사용되어 복수를 배제하지 않는다. 구체적으로 또는 명시적으로 기술되거나 청구되지 않은 특징이 본 발명의 범위 내에 추가로 포함될 수 있다. "...를 위한 수단"과 같은 표현은 "...를 위해 구성된 성분" 또는 "...하기 위하여 구성된 요소"로 읽혀져야 되며, 개시된 구조의 등가물(equivalents)을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "결정적(critical)", "선호(preferred)", "특히 선호(specially preferred)"등과 같은 표현의 사용은 발명을 제한하려는 것이 아니다. 숙련된 자의 범위 내에서 추가, 삭제 및 수정은 청구 범위에 의해 결정되는 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본 발명은 여기에 구체적으로 기술된 바와 같이 실시될 수 있으며, 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한된다.
Claims (12)
- 원자력 현미경에 있어서,
프로브 팁을 포함하고, 상기 프로브 팁에 근접하게 배치된 샘플을 감지하도록 구성된 프로브;
상기 프로브 팁의 편향을 검출하는 검출기;
상기 프로브에 접속되고, 제1 미리 결정된 힘 설정점에서 상기 샘플을 감지 상태로 상기 프로브를 이동시키도록 구성된 액추에이터;
상기 샘플과 통신하여 상기 샘플에 진동을 제공하는 음향 진동기; 및
제어기
를 포함하고,
상기 제어기는,
상기 샘플의 진동이 없는 초기 감지 기간 이후 후속 기간(subsequent period) 동안 상기 음향 진동기가 상기 샘플에 상기 진동을 제공하도록 동작하고,
상기 초기 감지 기간 동안 표면 지형 측정(surface topography measurement)을 수행하고,
상기 후속 기간 동안 상기 샘플의 표면 하부 특성화(subsurface characterization) 또는 표면 특성화(surface characterization)를 수행하고,
상기 후속 기간 동안 또는 이후에 상기 샘플 위로 상기 프로브를 다음 샘플링 위치(successive sampling position)로 이동하도록
구성되고,
상기 이동 동안, 상기 프로브는, 비접촉 상태인,
원자력 현미경.
- 제1항에 있어서,
상기 액추에이터는,
상기 후속 기간에서 상기 프로브를 제2 힘 설정점에서 상기 샘플과 함께 감지 상태로 유지하도록 구성되고,
상기 제2 힘 설정점은,
상기 제1 미리 결정된 힘 설정점과 상이한,
원자력 현미경.
- 제1항에 있어서,
상기 음향 진동기는,
기계적 변환기(mechanical transducer)를 포함하는
원자력 현미경.
- 제3항에 있어서,
상기 기계적 변환기는,
압전 변환기를 포함하는,
원자력 현미경.
- 제1항에 있어서,
상기 원자력 현미경은,
상기 샘플을 2 차원 평면에서 변위(displace)시키도록 구성되는,
원자력 현미경.
- 제1항에 있어서,
상기 원자력 현미경은,
상기 샘플의 스티프니스 맵 또는 상기 샘플의 표면 지형 중 적어도 하나를 제공하는,
원자력 현미경.
- 제1항에 있어서,
상기 원자력 현미경은,
상기 샘플의 3 차원 스티프니스 또는 점탄성을 제공하는,
원자력 현미경.
- 원자력 현미경을 이용하여 원자력 현미경 검사를 수행하는 방법에 있어서,
상기 원자력 현미경은,
샘플을 지지(support)하고,
상기 원자력 현미경은,
프로브 팁을 포함하는 프로브,
검출기, 및
음향 진동기
를 포함하고,
상기 프로브는,
상기 샘플이 상기 프로브에 근접하게 배치된 경우, 상기 샘플을 감지하도록 구성되고,
상기 검출기는,
상기 프로브 팁의 편향(deflection)을 검출하도록 구성되고,
상기 음향 진동기는,
상기 샘플과 통신하여, 상기 샘플에게 진동을 제공하도록 구성되고,
상기 진동은,
변조 주파수를 포함하고,
상기 방법은,
상기 프로브에 의하여, 표면 지형 측정을 수행하기 위하여, 상기 샘플의 진동이 없는 초기 감지 기간 동안 제1 힘 설정점에서 상기 샘플을 감지하는 단계,
상기 샘플의 표면 또는 표면 하부 특성화 측정(surface or subsurface characterization measurement)을 수행하기 위하여, 상기 초기 감지 기간 이후 후속 기간 동안 상기 변조 주파수로 상기 샘플에 진동을 가하는 단계, 및
상기 후속 기간 동안 또는 이후에 상기 샘플 위로 상기 프로브를 다음 샘플링 위치(successive sampling position)로 이동하는 단계
를 포함하고,
상기 이동 동안, 상기 프로브는, 비접촉 상태인,
방법.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 힘 설정점에서 상기 프로브에 근접하게 배치된 상기 샘플을 감지하는 동안,
상기 샘플이 진동을 받는,
방법.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 힘 설정점과는 다른 또 다른 힘 설정점에서 상기 프로브에 근접하게 배치된 상기 샘플을 감지하는 동안,
상기 샘플이 진동을 받는,
방법.
- 제8항에 있어서,
상기 표면 지형 측정을 수행하기 위하여,
상기 방법은,
상기 프로브 팁의 편향을 검출하는 단계
를 포함하고,
상기 프로브 팁의 편향을 검출하는 단계는,
검출기 출력 신호(detector output signal)의 일부를 사용하는 단계, 또는
상기 샘플의 표면에 대한 상기 프로브 팁의 높이 보정을 나타내는 피드백 신호를 사용하는 단계, 또는
z 레벨 센서를 이용하여, 상기 샘플의 표면에 대한 상기 프로브 팁의 높이의 높이 측정치를 얻는 단계
중 적어도 하나를 포함하는,
방법.
- 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샘플에 진동을 가하는 단계는,
상기 음향 진동기에 의해,
상기 샘플 아래쪽에 위치한 접촉면(contact surface), 상기 샘플의 상부면(upper side) 또는 상기 샘플의 측면(side) 중 적어도 하나를 통하여,
상기 샘플에 직접적으로 음향 진동 신호를 인가함으로써 수행되는,
방법.
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