KR102630746B1 - 이미징 중에 동적 모드 원자력 현미경의 상호 작용힘의 결정 - Google Patents
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Abstract
동적 모드 원자력 현미경(AFM)의 힘(F12)을 교정하는 방법 및 시스템. AFM 팁(11)은 제1 캔틸레버(12)에 배치된다. 제1 캔틸레버(12)는 동적 모드에서 AFM 팁(11)을 진동시키기 위해서 구동된다. 제1 센서(16)은 진동하는 AFM 팁(11)의 제1 파라미터(A1)을 측정한다. 제2 센서(26)은 탄성 부재(22)의 제2 파라미터(A2)를 측정한다. AFM 팁(11)의 제1 파라미터(A1)과 탄성 부재(22)의 제2 파라미터(A2)를 측정하는 동안에, 진동하는 AFM 팁(11)은 탄성 부재(22)에 인접하게 이동된다. 진동하는 AFM팁(11)과 탄성 부재(22) 사이의 힘(F12)는 탄성 부재(22)의 측정된 제2 파라미터(A2)와 교정된 힘의 상수(K2)에 기초하여 산출된다.
Description
본 발명은 동적 모드(dynamic mode) 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM)과 관련된다. 본 발명은 또한 동적 모드 AFM에서 힘을 교정하고, 동적 모드 AFM 측정에서 힘을 결정하며, 샘플 표면에 기 설정된 힘을 적용하기 위해 동적 모드 AFM을 이용하는 방법과 관련된다.
동적 모드 AFM(예컨대, 탭핑 모드(Tapping Mode) AFM 또는 비접촉 모드(Non-Contact mode) AFM)에서, AFM 팁(tip)은 샘플 표면에서 주기적으로 접근하고, 상호 작용하고, 수축시키고, 예를 들어 긴 범위의 인력 및/또는 짧은 범위의 반발력을 형성한다. 팁과 샘플 표면 사이의 접촉 영역은 통상적으로 나노스케일 범위이며, 이는 나노 뉴턴 정도의 팁-샘플 사이의 힘이 거대한 응력을 생성하고, 샘플 표면 또는 팁 자체를 쉽게 손상시킬 수 있음을 의미한다. 따라서, 바람직한 구동 모드인 탭핑 모드 AFM에서, 팁의 수명을 증가하기 위해서, 민감하고 깨지기 쉬운 샘플을 이미징 하는 동안 및 동시에, 시간에 따라 변화하는 나노-기계적(nano-mechanical) 힘을 결정하는 것이 바람직하다.
동적 모드 AFM에서, 캔틸레버 진동의 진동수, 진폭 및 위상은 시스템의 주된 관측 가능한 파라미터이다. 예를 들어, 사인파가 발진기(oscillator element)에 적용되고, 캔틸레버가 발진기와 동일한 진동수에서 진동하게 되고, 레이저 빔이 캔틸레버 위를 향하고, 진동 진동수, 진폭 및 위상을 결정하기 위해서 레이저 빔의 반사가 모니터링 된다. 그러나, 통상적으로 프로브 팁과 샘플 표면 사이의 비선형적인 상호작용 힘은 사인파 신호의 관측 가능한 파라미터에서 추출될 수 없다; 단지 에너지 소비만 모니터링 될 수 있다. 예시적으로 J.P. Cleveland 등(Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 20, 1998)을 참조한다.
팁 샘플의 상호작용을 결정하기 위해 다양한 방법이 존재한다. 예를 들어, F. L. Degertekin 등 (Rev. of Sci. Instr. Vol.77, 2006)은 팁 샘플의 상호 작용을 추출하기 위해서 통합된 변위 센서를 가지는 미세 가공된(micro-machined) 멤브레인을 기술한다. 다른 예로, O.Sahin 등(Nature Nanotechnology, Vol.2, 2007)은 비틀림 조화(torsional harmonic) 캔틸레버를 개시하고, 캔틸레버의 구조는 캔틸레버의 장축으로부터 오프셋 된 팁을 위치하기 위해서 변형된다. 캔틸레버의 비틀림 모션은 팁 샘플 상호작용을 추출하기 위해서 사용된다. 다른 예로서, A.F. Sarioglu 등(Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.20, 2011)은 통합된 고대역폭 힘 센서를 기술하고, 캔틸레버는 팁 샘플의 상호작용을 해결하기 위해서 간섭 측정의 힘 센서를 가진다. 캔틸레버 빔의 단부에서의 회절 격자(Diffraction grating)는 팁 샘플 상호작용을 추출하는 힘 센서로 사용된다. 그러나, 공지의 방법은 미세 가공 요소의 맞춤형 구성 및/또는 프로브 형상의 적응을 필요로 한다.
따라서, 동적 모드 AFM에서 힘을 결정하기 위한 방법 및 시스템을 제공하여 종래 기술의 단점이 경감되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 삼각형, 직사각형 또는 특별 디자인과 같은 다른 형상을 가지는 AFM 캔틸레버의 모든 유형에 대해 팁 샘플 상호 작용을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 정적, 동적 또는 준 정적 영역과 같은 모든 종류의 동작 모드에서 팁 샘플 상호 작용을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 다른 표면 시나리오에 대한 팁 샘플 상호 작용의 변화를 모니터링하는 것이 바람직하다.
본 발명은 동적 모드 AFM에서 힘을 결정하기 위한 방법 및 시스템을 제공하여 종래기술의 단점이 경감되도록 한다.
본 발명의 일 측면은 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 AFM 팁을 제1 캔틸레버에 구비하는 것을 포함한다. 제1 캔틸레버는 동적 모드에서 선택된 진동수나 진동수들에서 AFM을 진동시키기 위해서 구동된다. 제1 센서는 진동하는 AFM 팁의 관측 가능한 (제1) 파라미터, 예컨대 (상대적인) 진폭, 진동수 또는 진동의 위상을 측정한다. 게다가, 탄성 부재가 구비되고, 제2 센서는 탄성 부재의 관측 가능한 (제2) 파라미터, 예컨대 탄성 부재의 편향(deflection) 및/또는 변위를 측정한다. 탄성 부재는 제2 파라미터의 함수로 교정될 수 있는 힘의 상수(또한 스프링 상수로 언급됨)를 가진다. 상기 방법에 따라, AFM 팁의 제1 파라미터와 탄성 부재의 제2 파라미터의 관측 중에, 진동하는 AFM 팁은 탄성 부재에 인접하게 이동된다. 따라서 진동하는 AFM 팁과 탄성 부재 사이의 힘은 측정된 제2 파라미터와 탄성 부재의 교정된 힘의 상수에 기초하여 산출될 수 있다. 진동하는 AFM 팁의 산출된 힘과 관측된 제1 파라미터 사이의 연관성은 힘의 교정으로 저장될 수 있다.
탄성 부재의 측정된 제2 파라미터의 변화는 AFM 팁과 탄성 부재 사이의 상호 작용력에 기인한 것으로 이해된다. 교정된 탄성 부재의 측정된 제2 파라미터는 상호 작용력의 크기를 계산하기 위한 수단을 제공한다. 동시에, AFM 팁의 제1 파라미터가 측정되고, 제1 파라미터는 상호 작용력에 영향을 받으므로, 힘은 예컨대 진동의 진폭 및/또는 진동수인 제1 파라미터의 함수로 교정될 수 있다. 이는 다른 형태를 가지는 AFM 캔틸레버의 모든 유형과, 정적, 동적 또는 준정적 영역에서 구동 모드의 다른 종류에서, 팁 샘플의 상호작용을 측정할 수 있게 한다. 게다가, 다양한 표면 시나리오에 대한 팁 샘플 상호 작용의 변화가 시뮬레이션 될 수 있다. 전술한 것과 후술하는 이점을 고려하여, 동적 모드 AFM에서 힘을 결정하기 위한 개선된 방법 및 시스템이 획득될 수 있다.
바람직하게, 탄성 부재는 제2 캔틸레버에 의해 형성된다. 캔틸레버 상에서의 힘의 함수로서 제2 캔틸레버의 힘의 상수, 예컨대 굽힘량은 알려지거나 보정될 수 있다. 예를 들어, 힘의 상수는 알려진 힘을 적용하고, 편향을 나타내는 제2 파라미터를 측정하여 교정될 수 있다. 제2 캔틸레버의 힘의 상수를 교정하는 다른 방법은 캔틸레버의 치수 및/또는 재료에 따른 이론적인 계산, 추가된 질량에 의한 중력 변형의 측정, 알려진 힘(스프링)의 상수를 가지는 캔틸레버의 변형의 측정, 캔틸레버 주위의 매체 점도에 의한 변형 측정, “Cleveland” 추가 질량법, 및 열적 노이즈 방법(Thermal Noise method)을 포함한다. 캔틸레버에 대한 대안으로, 멤브레인 또는 더블 클램프된 빔(double clamped beam)과 같은 다른 탄성 부재가 사용될 수 있다.
예컨대 제2 캔틸레버와 같은, 상대적으로 높은 기본 진동수(가장 낮은 공진 진동수)를 가지는 탄성 부재를 구비함으로서, 탭핑 (제1) 캔틸레버의 기본 진동수와 관련하여, 탄성 부재는 탭핑 AFM 팁의 주기적인 근접성으로부터 야기되는 상호 작용력 및 모션에 신속하게 응답할 수 있다. 예를 들어, 바람직하게 탄성 부재는 제1 캔틸레버의 기본 진동수보다 10배 더 큰, 예컨대 20, 30 또는 심지어 100 배 높은 기본 진동수를 가진다. 예를 들어, 제1 캔틸레버는 통상적으로 40kHz보다 높은, 예컨대 40 내지 150 kHz 사이의 기본 진동수를 가지는 표준 탭핑 모드 캔틸레버 일 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재는 100kHz보다 높은 기본 진동수를 가지는 극초단파(ultra high frequency) 캔틸레버일 수 있다. 바람직하게 1MHz보다 크고, 예컨대 1.5 내지 10MHz 사이 이다. 예를 들어, 탄성 부재는 제1 캔틸레버 보다 적어도 2배 짧은 초단 캔틸레버(ultra short cantilever, USC)일 수 있다.
제1 및/또는 제2 센서는 AFM 캔틸레버 및/또는 탄성 부재의 시간 종속적인 모션을 결정하는 임의의 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 센서는 위치 감지 검출기(position sensitive detector) 를 구비하고, 위치 감지 검출기는 캔틸레버 및/또는 탄성 부재에 의해 반사되는 위치 감지 검출기 상의 각 라이트 빔의 위치를 측정한다. 따라서, 광점(light spot)의 위치는 제1 및/또는 제2 파라미터의 함수 이다. 예를 들어, 제1 파라미터는 AFM 팁의 진동의 진폭, 진동수 및/또는 위상에 대한 하나 이상의 함수이다. 예를 들어, 제2 파라미터는 탄성 부재의 편향 및/또는 변위의 함수일 수 있다.
탄성 부재의 교정된 힘의 상수는, 예컨대 탄성 부재에서의 힘의 함수로서 제2 파라미터의 특성을 포함할 수 있다. 바람직하게, (프로브 팁과 상호 작용하는 위치에서)탄성 부재의 힘의 상수는 적어도 (프로브 팁의 위치에서) 제1 캔틸레버의 힘의 상수보다 적어도 10배 더 크다. 예를 들어, 탄성 부재의 힘의 상수는 적어도 예컨대 10, 30, 100, 200, 500N/m 이상이다. 물론, 힘의 상수는 공진 진동수와 관련될 수 있다. 최대로 원하는 힘의 상수에 대한 실질적인 제한은 더 높은 힘의 상수에 대한 편향된 양이 상대적으로 낮을 수 있고, 측정하기 어렵다는 사실에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 캔틸레버의 힘의 상수는 임의의 값일 수 있으며, 제1 캔틸레버는 예를 들어 모세관 또는 정전기력과 같은 인력으로 인해 탄성 부재 상에 부착되지 않고 계속해서 진동을 한다.
본 발명의 다른 측면은 동적 모드 원자력 현미경 측정에서 힘을 결정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 본원에서 기재된 동적 모드 원자력 현미경을 교정하는 단계와, 제1 파라미터의 측정 중에 샘플 표면 위로 진동하는 AFM 팁을 이동시키는 단계를 포함한다. 따라서, 진동하는 AFM 팁과 샘플 표면 사이의 힘은 교정 중에 진동하는 AFM 팁의 측정된 제1 파라미터의 함수로 저장된 힘에 기초하여 계산될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 샘플 표면에 기 설정된 힘을 적용하는 동적 모드 원자력 현미경을 사용하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 기 설정된 힘에 도달할 때까지 진동 주기 동안에 평균 AFM 팁과 샘플 표면 거리 사이의 거리가 변화하는 가운데, 본원에서 개시된 힘을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은, 예컨대 본원에 개시된 방법을 실행하는 동적 모드 원자력 현미경을 제공한다. AFM은 제1 캔틸레버에 배치된 AFM 팁과, 동적 모드에서 AFM 팁을 진동하기 위해서 제1 캔틸레버를 구동하는 액추에이터를 포함한다. AFM은 진동하는 AFM팁의 제1 파라미터를 측정하는 제1 센서를 포함하거나 상호 작용한다. AFM은 광학 빔 편향기(optical beam deflection, OBD)을 구비하고 이와 상호 작용할 수 있다. OBD는 특정한 힘의 상수를 가지는 탄성 부재와, 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 제2 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게, 탄성 부재는 제2 캔틸레버를 포함한다. 예를 들어, 제 1 캔틸레버는 제2 캔틸레버에 대해 배열되어, 제1 캔틸레버의 AFM 팁으로 제2 캔틸레버의 표면을 동적으로 탭핑한다.
시스템은 제2 파라미터의 함수로 탄성 부재의 힘의 상수를 교정하기 위해서 구비되고 프로그램밍 되는 컨트롤러를 구비할 수 있다. 다른 실시예는, 탄성 부재의 힘의 상수는 다른 수단을 통해서 알려지거나 결정될 수 있다. 컨트롤러는 AFM팁의 제1 파라미터와 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 동안, 탄성 부재로 인접하게 진동하는 AFM 팁을 이동시키기 위해서 구비되고, 프로그래밍 될 수 있다. 진동하는 AFM 팁과 탄성 부재 사이의 힘은 탄성 부재의 측정된 제2 파라미터와 교정된 힘의 상수에 기초하여, 예컨대 컨트롤러나 다른 프로세서로 계산될 수 있다. 산출된 힘은 예컨대 메모리나 컴퓨터 기록 가능한 매체에, 진동하는 AFM 팁의 측정된 제1 파라미터의 함수로 저장될 수 있다.
시스템은 추가적으로 제1 및/또는 제2 캔틸레버 상에 각각의 라이트 빔을 보내는 광원을 구비하거나 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 제1 및/또는 제2 라이트 빔은 다른 또는 동일한 광원에 기인한 레이저 빔일 수 있다. 예를 들어, 각 센서는 각각의 캔틸레버의 움직임으로부터 기인한 각 라이트 빔의 편향을 측정하는 위치 감지 검출기(position sensitive detector)를 포함할 수 있다. 센서 데이터는 데이터를 센서에서 전달받고 제1 또는 제2 파라미터를 계산하는 측정 모듈에 의해서 처리될 수 있다. 바람직하게, 피드백 컨트롤러는 진동 주기 중에 AFM 팁과 탄성 부재 거리 사이의 상대적인 (평균) 거리를 제어할 수 있다. 예를 들어, 피드백 컨트롤러는 제1 파라미터의 측정값에 기초하여 상대적인 거리를 제어한다.
본 발명은 동적 모드 AFM에서 힘을 결정하기 위한 방법 및 시스템을 제공함으로써 종래기술의 문제점을 경감할 수 있게 한다.
본원의 장치, 시스템 및 방법과, 다른 특징, 양태 및 이점은 하기의 상세한 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부 도면으로부터 더 잘 이해 될 것이다.
도1a는 상호 작용력의 교정을 위한 광학 빔 편향 설정과 결합된 AFM 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다;
도 1b는 샘플과 상호작용하는 AFM 시스템의 일부를 개략적으로 도시한다;
도 2a는 동적 모드에서, AFM 팁과 제2 캔틸레버 사이의 상호 작용의 확대를 개략적으로 도시한다;
도 2b는 제1 및 제2 파라미터의 측정을 도시한다;
도3a 내지 3c는 AFM 캔틸레버를 교정하는 단계와 샘플 인터페이스 상에 캔틸레버를 사용하는 단계를 개략적으로 도시한다.
도4a는 OBD의 평면 사진을 도시한다;
도4b는 상부에 AFM을 구비한 OBD의 측면 사진을 도시한다.
도1a는 상호 작용력의 교정을 위한 광학 빔 편향 설정과 결합된 AFM 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다;
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도3a 내지 3c는 AFM 캔틸레버를 교정하는 단계와 샘플 인터페이스 상에 캔틸레버를 사용하는 단계를 개략적으로 도시한다.
도4a는 OBD의 평면 사진을 도시한다;
도4b는 상부에 AFM을 구비한 OBD의 측면 사진을 도시한다.
본 발명의 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 다양한 상이한 형태로 구현 될 수 있으며, 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 이러한 실시예는 본원의 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 도면에서, 시스템, 구성 요소, 레어어 및 영역의 절대적 및 상대적 크기는 명확성을 위해서 과장 될 수 있다. 실시예는 본 발명의 가능한 최적의 실시예 및 중간 구조물의 개략도 및/또는 단면도를 참조하여 설명 될 수 있다. 상세한 설명 및 도면에서, 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다. 상대적인 용어 및 그의 파생어는 이후 기술되거나 설명되는 도면에서 도시된 방향을 나타내는 것으로 해석 되어야 한다. 경우에 따라, 잘 알려진 장치 및 방법에 대한 상세한 설명은 본원의 시스템 및 방법의 설명을 모호하게 하지 않도록 생략 될 수 있다. 본원에서 사용된 단수 형태의 부정관사와 정관사는 문맥상 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련되고 기재된 항목의 모든 조합을 포함한다. "포함한다" 및/또는 "포함하는" 이라는 용어는 언급된 구성의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 구성의 존재나 추가를 배제하지 않는 것으로 이해 될 수 있다.
도1a는 상호 작용력의 교정을 위한 광학 빔 편향(optical beam deflection, OBD) 설정과 결합된 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM) 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도시된 실시예에 따르면, AFM 시스템은 프로브 팁, 즉 AFM 팁(11)을 포함한다. AFM 팁(11)은 제1 캔틸레버(12) 상에 배치된다. 예를 들어, 제1 캔틸레버(12)는 탭핑 모드(tapping mode) 캔틸레버이다.
일 실시예에서, 액추에이터(13)는 동적 모드, 예컨대 탭핑 모드에서 AFM 팁(11)을 진동시키기 위해서, 제1 캔틸레버(12)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(13)은 피에조 부품을 포함한다. 제1 센서(16)은 진동하는 AFM 팁(11)의 파라미터(A1)를 측정한다. 예를 들어, 파라미터(A1)는 진동하는 캔틸레버(12)의 (시간에 종속적인) 각도나 위치변화의 함수인 측정 가능한 임의의 파라미터 일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 센서(16)는 위치 감지 검출기(position sensitive detector, PSD)를 포함할 수 있으며, 이는 제1 캔틸레버의 진동면에 의해 반사되는 위치 감지 검출기(PSD) 상의 제1 라이트 빔(L1)을 측정한다. 예를 들어, 검출기 상의 위치는 진동하는 AFM 팁(11)의 캔틸레버의 각도 치수이다. 보다 상세하게, 예 컨데 캔틸레버 스트립(12)은 라이트 빔(L1)의 편향을 야기할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 제1 캔틸레버(12) 상에 제1 라이트 빔(L1)을 비추는 광원(15)을 포함한다.
일 실시예에서, 시스템은 제1 센서(16)에서 제1 파라미터(A1(t))의 시간 종속적인 측정값을 수신하고, 진동의 진폭, 진동의 진동수, 및/또는 진동의 위상과 같은 제1 유도 파라미터(M1)을 계산하는 측정 모듈(17)을 구비한다. 다른 실시예에서, AFM은 AFM 팁(11)과 탄성 부재(22) 사이의 상대 거리를 제어하는 피드백 컨트롤러(27)을 포함한다. 예를 들어, 거리는 일 예로 변위 센서(28)(예컨대 진동계)로 교정된 이동 스테이지(18)의 높이(Z2)의 제어에 의해서 결정될 수 있다. 다른 실시예로 또는 탄성 부재의 이동 이외에, 캔틸레버(12)가 또한 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 피드백은 측정된 파라미터(A1(t))와 상관되거나 유도될 수 있는 소정의 진폭, 진동수 및/또는 위상을 획득하기 위해서 이동 스테이지(18)의 높이(Z2) 제어에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 탄성 부재(22)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 센서(26)은 탄성 부재(22)의 제2 파라미터(A2)를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제2 파라미터(A2)는 탄성 부재(22)의 편향, 각도 및/또는 변위의 함수인 임의의 관측 가능한 파라미터 일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 센서(26)은 제1 캔틸레버에 의해 반사된 PSD 상의 제2 라이트 빔(L2)의 시간 종속적인 위치를 측정하는 다른(또는 같은) PSD를 포함한다. 따라서, 라이트 빔의 위치는 이동과 같은 탄성 부재(22)의 시간 종속적인 파라미터(A2(t))의 함수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 탄성 부재(22)의 위에 제2 라이트 빔(L2)를 보내는 광원(25)을 포함한다. 예를 들어, 제1 및/또는 제2 라이트 빔(L1, L2)은 다르거나 동일한 라이트 빔(15 및/또는 25)에서 비롯 될 수 있는 레이저 빔일 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 제2 센서(26)에서 제2 파라미터(A2(t))의 시간 종속적인 측정값을 전달받고, 제2 유도 파라미터(M2)를 계산할 수 있는 측정 모듈(27)을 포함한다. 예를 들어, 파라미터(M2)는 탄성 부재의 최대 편향을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 도시된 바와 같이, 탄성 부재(22)는 제2 캔틸레버를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 캔틸레버(12)는 제2 캔틸레버(22)에 대해서, 예컨대 탭핑과 같이, 제2 캔틸레버(22)의 표면에 제1 캔틸레버(12)의 AFM 팁(11)과 동적으로 상호작용하도록 배치된다. 제2 캔틸레버의 다른 실시예로, 또한 바람직하게 이미 알려지거나 측정가능한 힘(스프링)의 상수를 가지는 다른 탄성 부재를 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄성 멤브레인(미도시) 또는 더블 클램프된 빔 또는 다른 편향되는 탄성 표면이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 각각의 센서(16, 26)에서 측정된 파라미터(A1, A2) 및/또는 예컨대 측정 모듈(17, 27)에 의해 계산된 상기 측정값에서 도출된 파라미터(M1, M2)를 수집하는 데이터 수집 모듈(30)을 구비할 수 있다. 파라미터는 교정 모듈(40)에 의해서 처리될 수 있다. 예를 들어, 알려진 힘의 상수(K2), (AFM 팁(11)과 탄성 부재(22) 사이에 가해진) 힘(F12)이 계산될 수 있다. 일 실시예에서, 산출된 힘(F12)는 측정된 제1 파라미터(A1)이나 유도된 파라미터(M1)의 함수로 저장된다. 예를 들어, 교정은 AFM 팁(11)의 상대 또는 절대 진폭(M1)과 AFM 팁(11)과 탄성 부재(22) 사이에 가해진 힘(F12)과 상관된 룩업 테이블(lookup table)이나 기능적인 설명을 포함할 수 있다. 대체하거나 부가하여, 진동의 진폭과 관련된 힘(F12), 예컨대 액추에이터(13)의 구동력(D1(t))에 대한 상대적인 위상 또한 사용될 수 있다.
도 1b는 샘플(31)과 상호작용하는 전술한 AFM 시스템의 일부를 개략적으로 도시한다. 광학 빔 편향(OBD) 측정과 관련된 부분은 여기에 도시되지 않는다. 예를 들어, 도 1a의 탄성 부재는 힘의 교정 이후에 샘플(31)로 대체된다. 일 실시예에서, 동일한 시스템은 진동하는 캔틸레버(12)의 관측가능한 파라미터(M1)의 함수로 힘(F12)의 교정을 위해 제1 배치(도 1a 도시)에서 사용되고; 및 동일한 시스템은 진동하는 AFM 팁(11)의 동일한 측정된 파라미터(M1)을 이용하여 프로브 팁(11)과 샘플(31) 사이의 힘(F13)을 계산하기 위해서 제2 배치(도1b 도시)에서 사용된다. 예를 들어, 측정값(M1)에 기초한 힘(F13)과 M1의 함수로 F12의 교정을 계산하는 프로세서(50)을 포함한다. 컨트롤러(24)는 제어 신호(Z3)로 가진 이동 스테이지(18)의 제어하여, 제1 캔틸레버에 대한 샘플 표면(31)의 위치를 제어할 수 있다.
도 2a는 도1a에서 도시된 AFM 팁(11)과 탄성 부재(22) 사이의 상호 작용을 확대하여 개략적으로 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 원자력 현미경의 동적 모드에서 힘(F12)을 교정하는 방법은 하나 이상의 하기의 단계를 포함할 수 있다. AFM 팁(11)은 제1 캔틸레버(12)에 배치된다. 제1 캔틸레버(12)는 동적 모드에서 AFM 팁(11)을 진동하도록 가동된다. 예를 들어, 동적 모드는 탭핑 모드이다. 제1 센서(미도시)는 진동하는 AFM 팁(11)의 제1 파라미터(A1)을 측정한다. 탄성 부재(22)는 힘의 상수(K2)를 가지도록 구비된다. 제2 센서(미도시)는 탄성 부재(22)의 제2 파라미터(A2)를 측정한다. 진동하는 AFM 팁(11)은 AFM 팁(11)의 제1 파라미터(A1)과 탄성 부재(22)의 제2 파라미터(A2)를 측정하면서, 탄성 부재(22)에 근접하게 이동한다. 진동하는 AFM 팁(11)과 탄성 부재(22) 사이의 힘(F12)은 측정된 제2 파라미터(A2)와 탄성 부재(22)의 교정된 힘의 상수(K2)에 기초하여 산출된다. 산출된 힘(F12)은 진동하는 AFM 팁(11)의 측정된 제1 파라미터(A1)의 함수로 저장된다.
일 실시예에서, 힘의 상수(K2)는 탄성 부재(22)의 힘(F)의 함수로 제2 파라미터(A2)의 특성을 포함한다. 일 실시예에서, 탄성 부재(22)의 힘의 상수(K2)는 예컨대 공장 규격(factory specifications) 및/또는 이론적인 계산으로부터 알려진다. 그러나, 일반적으로 단지 가장자리에서만 유효한 범위를 제공하기 때문에 공장 규격은 사용될 수 없다. 더욱이, 공장은 제조 공정의 불완전성으로 인해 단지 범위만 제공할 수 있다. 대안으로나 부가적으로, 힘의 상수(K2)는 예컨대 도 1a에서 도시된 바와 같이 시스템에 의해서 제2 파라미터(A2)의 함수로 산출될 수 있다. 예를 들어, 교정은 열적 노이즈 방법이나 다른 교정 방법을 사용하여 제1 (탭핑) 캔틸레버의 스프링 상수(K1)를 먼저 교정하는 것을 포함할 수 있다. 교정 후에, 제1 캔틸레버는 접촉 모드(정적 모드)에서 탄성 부재(22) 상에 놓인다. 예컨대 변위 센서(28)(예컨대 진동계)와 피드백 신호(Z2m)을 전송하고 상응하는 판독 장치(29) 교정되는 이동 스테이지(18) 상에서 컨트롤러(24)에 의해서 스텝 함수는 적용된다. 제1 캔틸레버는 전이 스테이지 모션에 의해서 제2 캔틸레버와 함께 편향된다. 전이 스테이지의 교정된 변위와 제1 (탭핑) 캔틸레버의 스프링 상수(K1)을 가지는 캔틸레버의 편향을 이용하여, 접촉 지점에서의 탄성 부재의 스프링 상수(K2)는 산출될 수 있다. 또한, 예컨대 공지의 표준에 대하여 교정하는 것과 같이, 힘의 상수(K2)를 교정하는 다른 방법이 사용될 수 있다.
일반적으로 탭핑 모드용 AFM 캔틸레버는 0.1 내지 50 N/m(Newton per meter) 범위의 스프링 상수를 가진다. 원칙적으로, 힘의 상수는 임의의 다른 값일 수 있으며, 제1 캔틸레버는 모세관 현상이나 정전기력과 같은 인력에 의해 탄성 부재 상에 붙지 않고 계속적으로 진동한다. 일 실시예에서, (프로브 팁(11)과 상호작용하는 위치(X12)에서) 힘이나 탄성 부재(22)의 스프링 상수(K2)는 (프로브 팁(11)의 위치(X12)에서) 제1 캔틸레버(12)의 힘의 상수(K1)보다 적어도 10배 더 크다. 다른 또는 추가 실시예에서, 탄성 부재(22)의 힘의 상수(K2)는 적어도 10 N/m, 예를 들어 30, 100, 200 또는 500 N/m이다. 바람직하게, 스프링 상수는 표면처럼 작용할 정도로 높고, 각 탭이 편향될 정도로 충분히 낮다. 일 실시예에서, 제2 캔틸레버(22)는 선택적으로 제1 캔틸레버(12) 보다 적어도 2배 더 짧다.
도2b는 시간(t, 초)의 함수로서, 제1 및 제2 파라미터(A1, A2)(임의의 단위로)의 측정 그래프를 도시한다. 제1 파라미터(A1)은 제1 캔틸레버(12)의 조화 진동(harmonic oscillation)을 나타내는 사인형(sinusoidal) 패턴을 따른다. 제2 파라미터(A2)는 캔틸레버 팁(11)이 탄성 부재(22)의 표면에 힘을 가하는 순간에, 트리거 되는 더 불규칙한 패턴을 따른다. 탄성 부재의 상대적인 위치는 그래프에서 일점 쇄선(dash-dotted line)(22s)로 표시된다.
캔틸레버(12)는 통상적으로 기본 진동수(R1)(즉, 가장 낮은 공진 진동수)에서나 그 부근에서 액추에이터(13)에 의해 구동된다. 진동수(R1)은 통상적으로 ~1/R1로 나타내는 진동의 주기의 역이다. 일 실시예에서, 제1 캔틸레버는 통상적으로 40 내지 500 킬로 헤르츠 사이의 기본 진동수(R1)을 가진다. 다른 또는 추가 실시예에서, 탄성 부재(22)의 기본 진동수(R2)는 제1 캔틸레버(12)의 기본 진동수(R1)보다 적어도 10배 높다. 예를 들어, 제2 캔틸레버(22)는 1메가 헤르츠보다 높은, 예컨대 1 - 20 MHz인 기본 진동수를 가진다.
시간의 함수로 측정된 파라미터(A1, A2)를 사용하여, 다른 파라미터가 예컨대, 전동 또는 편향의 전폭이나 크기(M1, M2)가 도출될 수 있다. 또한, 예컨대 상호작용이 있거나 없는, 진동의 위상을 비교하면서 상대적인 위상 이동(Δφ)이 측정될 수 있다. 상호 작용은 예컨대 진동의 위상의 지연 및/또는 진동의 진폭(M1)의 감소를 초래할 수 있다.
도 3a 내지 3c는 캔틸레버(12)를 교정 및 사용하는 단계를 개략적으로 도시한다. 프로브 팁(11)을 가지는 캔틸레버(12)는 탄성 부재(22)로부터 거리(Z12)에 있는 액추에이터(미도시)에 의해서 동적 모드로 구동된다.
도 3a를 참조하면, 캔틸레버(12)는 탄성 부재(22)와 상호작용 없이 진동수(F0)에서 처음 구동된다. 이는 캔틸레버가 진동수(F0)에서 제1 진폭(M0)로 진동하게 한다. 예를 들어, AFM 캔틸레버는 열적 노이즈로 인해 변동한다. 캔틸레버의 기본 모드 공진 진동수와 큐 인자(quality factor, Q)는 열적 진동 스펙트럼을 사용하여 추출할 수 있다. 공진 진동수 및 큐 인자를 사용함으로, 캔틸레버의 스프링 상수는 예컨대 세이더 방법(Sader's Method)을 사용할 수 있다. 교정된 제1 캔틸레버(12)를 사용하여, 알려진 힘은 교정을 위해서 탄성 부재(예, 제2 캔틸레버(22))에 적용될 수 있다.
도 3b에서 도시된 바와 같이, 거리(Z12)가 낮아질 때, 적어도 AFM 팁(11)이 탄성 부재(22) 상에 상호 작용힘(F12)를 가하는 순간에 탄성 부재(22)의 굽힘뿐 만 아니라 진동하는 캔틸레버(12)의 감소되는 진폭(M1)을 초래할 수 있다. 탄성 부재(22)의 최대 편향(M2)는 예컨대 힘(F12)을 계산하기 위해서 탄성 부재(22)의 힘의 상수(K2)와 상관될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 교정 이후에, 동일한 캔틸레버(12)가 샘플(31)을 이미징하기 위해서, 액추에이터의 동일한 셋팅으로 사용될 수 있다. 제1 캔틸레버(12)의 진폭(M1)과 구동 진동수(F0)가 특정한 힘(F12)과 상관 관계가 있음이 알려지므로, 이러한 점은 AFM 팁(11)과 샘플(31) 사이의 힘(F13)을 계산하거나 근사하기 위해서 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 샘플에 특정한 힘을 가하거나 과도한 힘을 가하지 않도록 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 동적 모드 AFM 측정에서 힘을 결정하는 방법은 본원에 기재된 AFM을 교정하는 것과, 제1 파라미터를 측정하는 동안에 샘플 표면(31) 위로 진동하는 팁(11)을 이동하는 것과, 진동하는 AFM 팁(11)의 측정된 제1 파라미터(A1) 또는 유도 파라미터(M1)를 함수로 하는 저장된 힘(F12)에 기초하여, 진동하는 AFM 팁(11)과 샘플 표면 사이의 힘(F13)을 계산하는 것을 포함한다. 다른 또는 추가 실시예에서, 동적 모드 AFM은 샘플 표면(31)에 기 설정된 힘이 적용되도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 기 설정된 힘에 도달할 때까지, AFM 팁(11)과 샘플 표면(31) 사이의 거리가 변화하는 동안에, 본원에서 기술된 힘(F13)을 결정하는 것을 포함한다. 또한, 셋업으로부터 정보를 사용하여 리소그래피를 행할 수 있다. 예를 들어, 힘은 먼저 진동 진동수와 진폭 설정 점에 대해서 측정되고, 2D 플롯이 결과로 형성된다. 상기 결과를 사용하여, 예컨대 진동수 및 진폭 설정 점을 조정하여, 높은 힘 및 낮은 힘이 적용시에 이를 결정할 수 있다.
도 4a는 본원에서 기재된 광학 빔 평향(OBD) 시스템의 실험 환경의 평면 사진을 도시한다.
도 4b는 상부에 AFM 시스템을 가지는 OBD의 측면 사진을 도시한다.
명확성과 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일한 개별적인 실시예의 일부로 본원에서 설명되나, 범위는 기재된 특징들의 전부 또는 일부의 조합을 가지는 실시예를 포함 할 수 있다. 도시된 실시예에서, 높은 공진 진동수 캔틸레버가 보다 낮은 공진 진동수 탭핑 캔틸레버에 힘 센서로 사용된다. 그러나, 또한 다른 탄성 부재 및/또는 진동수가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 광학 빔 편향(OBD) 셋업이 센싱하는 캔틸레버의 편향을 측정하기 위한 판독 기술로 사용될 수 있다. 그러나, 또한 센싱하는 캔틸레버 모션을 측정하기 위한 다른 판독 기술은 유사한 기능 및 결과를 얻기 위해서 본 개시의 이익을 가지는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 구성될 수 있다.
구성요소는 선택적으로 결합되거나, 하나 이상의 대체되는 구성 요소로 분리될 수 있다. 논의되고 도시된 바와 같은 실시예의 다양한 요소는 샘플 또는 팁 손상의 예방, 측정의 높은 정확도 및 정략적 물리적 및 기계적 특성의 추출을 가능하게 하는 것과 같은 특정 이점을 제공한다. 물론, 상시 실시예들 또는 프로세스들 중 임의의 하나는 설계 및 이점을 발견하고 매칭하는데 있어 더 개선된 것을 제공하기 위해서 하나 이상의 다른 실시예 또는 프로세스들과 결합될 수 있다는 것으로 이해된다. 상기 개시는 예컨대 산업 분야의 AFM 시스템에서 특별한 이점들을 제공하는 것으로 이해된다. 여기에서 힘의 정량적인 인지는 요구되고, 예를 들어 반도체, 계측 및/또는 생체 의학 분야 및 일반적으로 모든 AFM 시스템에 적용될 수 있다.
마지막으로 상기 논의는 단지 본 발명의 시스템 및/또는 방법의 예시일 뿐이며, 임의의 특정 실시예나 실시예의 그룹에 첨부된 청구범위를 한정하는 것으로 해석되지 않는다. 따라서 상세한 설명 및 도면은 예시적인 방법으로 간주되어야 하고, 첨부된 청구항의 권리범위를 제한하려는 것이 아니다. 첨부된 청구범위를 해석함에 있어서, “포함하는”이라는 단어는 주어진 청구항에 열거된 것 이외의 다른 요소 또는 행동의 존재를 배제하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 부정관사는 그 구성의 복수의 존재를 배제하지 않는다; 청구항의 모든 참조 부호는 그 범위를 제한하지 않는다; 몇몇의 “수단”은 동일하거나 다른 항목 또는 구현된 구조나 기능으로 나타낼 수 있다. 임의의 개시된 장치들 또는 그 일부는 특별하게 다르게 언급되지 않는 한 함께 결합되거나 다른 부분들로 분리 될 수 있다. 특정 측정값이 상호 다른 청구항에서 인용된다는 점만으로 상기 측정값의 조합이 이점으로 사용되지 않는다는 것을 나타내지는 않는다. 특히, 청구항의 모든 구동 조합은 본질적으로 개시된 것으로 간주된다.
AFM 팁: 11 제1 캔틸레버: 12
제1 센서: 16 탄성 부재: 22
제2 센서: 26
제1 센서: 16 탄성 부재: 22
제2 센서: 26
Claims (14)
- 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법에 있어서,
- 제1 캔틸레버에 배치된 AFM 팁을 구비하는 단계;
- 동적 모드에서 AFM 팁이 진동하도록 제1 캔틸레버를 구동하는 단계;
- 진동하는 AFM 팁의 제1 파라미터를 측정하는 제1 센서를 구비하는 단계;
- 힘의 상수를 가진 탄성 부재를 구비하는 단계로서, 탄성 부재의 기본 진동수가 제1 캔틸레버의 기본 진동수보다 적어도 10배 높은, 탄성 부재를 구비하는 단계;
- 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 제2 센서를 구비하는 단계;
- AFM 팁의 제1 파라미터와 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 동안, 진동하는 AFM 팁을 탄성 부재에 인접하게 이동하는 단계;
- 탄성 부재의 측정된 제2 파라미터와 교정된 힘의 상수에 기초하여, 진동하는 AFM 팁과 탄성 부재 사이의 힘을 산출하는 단계; 및
- 진동하는 AFM 팁의 산출된 힘과 측정된 제1 파라미터 사이의 연관성을 저장하는 단계;를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄성 부재는 제2 캔틸레버를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 파라미터는 AFM 팁의 하나 이상의 진동의 진폭, 진동수 및 위상 중 적어도 하나에 대한 함수인, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 파라미터는 탄성 부재의 편향 및 변위 중 적어도 하나의 함수인, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 센서는 위치 감지 검출기(position sensitive detector)를 포함하고, 상기 위치 감지 검출기는 제1 캔틸레버에 의해 반사되는 위치 감지 검출기 상의 제1 라이트 빔의 위치를 측정하고, 상기 위치는 진동하는 AFM 팁의 제1 파라미터의 함수인, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 센서는 위치 감지 검출기(position sensitive detector)를 포함하고, 상기 위치 감지 검출기는 제1 캔틸레버에 의해 반사되는 위치 감지 검출기 상의 제2 라이트 빔의 위치를 측정하고, 상기 위치는 탄성 부재의 제2 파라미터의 함수인, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
제2 파라미터의 함수로서, 탄성 부재의 힘의 상수를 교정하는 단계;를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
다음의 동적 모드 원자력 현미경의 측정에서 힘을 결정하는 단계;를 포함하고,
- 제1 파라미터를 측정하는 동안, 샘플 표면 위로 진동하는 AFM 팁을 이동시키는 단계; 및
- 진동하는 AFM 팁의 산출된 힘과 측정된 제1 파라미터 사이의 저장된 연관성에 기초하여, 진동하는 AFM 팁과 샘플 표면 사이의 힘을 산출하는 단계;를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 제8항에 있어서,
기 설정된 힘에 도달할 때 까지, AFM 팁과 샘플 표면 사이의 거리가 변화하는 동안에 힘을 결정하는 것에 의해서, 샘플 표면에 기 설정된 힘을 적용하기 위해서, 동적 모드 원자력 현미경을 사용하는 단계;를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경에서 힘을 교정하는 방법. - 동적 모드 원자력 현미경 시스템은,
- 제1 캔틸레버에 배치되는 AFM 팁;
- 동적 모드에서 AFM 팁을 진동하기 위해서 제1 캔틸레버를 구동하는 액추에이터;
- 진동하는 AFM 팁의 제1 파라미터을 측정하는 제1 센서;
- 힘의 상수를 가지며, 기본 진동수가 제1 캔틸레버의 기본 진동수 보다 적어도 10배 더 큰 탄성 부재;
- 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 제2 센서;
- 컨트롤러;를 포함하고,
상기 컨트롤러는
○ AFM 팁의 제1 파라미터와 탄성 부재의 제2 파라미터를 측정하는 동안에, 탄성 부재에 인접하게, 진동하는 AFM 팁을 이동시키고;
○ 탄성 부재의 측정된 제2 파라미터와 교정된 힘의 상수에 기초하여, 진동하는 AFM 팁과 탄성 부재 사이의 힘을 산출하고; 및
○ 진동하는 AFM 팁의 산출된 힘과 측정된 제1 파라미터 사이의 연관성을 저장하는, 동적 모드 원자력 현미경 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 탄성 부재는 제2 캔틸레버를 포함하고, 제1 캔틸레버의 AFM 팁으로 제2 캔틸레버의 표면을 탭핑하도록 제1 캔틸레버가 제2 캔틸레버에 대해서 배치되는, 동적 모드 원자력 현미경 시스템. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
제1 캔틸레버 상에 제1 라이트 빔을 보내는 광원을 포함하고, 제1 센서는 제1 캔틸레버의 이동에 기인한 제1 라이트 빔의 편향을 측정하는 위치 탐지 검출기(position sensitive detector)를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경 시스템. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
측정된 제1 파라미터에 기초하여, AFM 팁과 탄성 부재 사이의 상대적인 거리를 제어하는 피드백 컨트롤러;를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경 시스템. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
탄성 부재 상에 제2 라이트 빔을 보내는 광원을 포함하고, 제2 센서는 탄성 부재의 이동에 기인한 제2 라이트 빔의 편향을 측정하는 위치 탐지 검출기(position sensitive detector)를 포함하는, 동적 모드 원자력 현미경 시스템.
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