KR102660769B1 - 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 프로브 및 연관된 근접성 검출기 - Google Patents

테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 프로브 및 연관된 근접성 검출기 Download PDF

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디르치 효르스 피터슨
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알베르토 카글리아니
올레 한센
피터 폴메 닐슨
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Abstract

재료 및 반도체 웨이퍼의 직접 나노 및 마이크로 스케일 전기 특성화(direct nano- and micro-scale electrical characterization)를 위한 프로브가 제공된다. 프로브는 프로브 본체, 프로브 본체로부터 연장되는 제1 캔틸레버(cantilever), 및 프로브 본체로부터 연장된 제1 열 검출기를 포함한다. 열 검출기는 테스트 샘플에 대해 캔틸레버를 위치시키는 데 사용된다.

Description

테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 프로브 및 연관된 근접성 검출기
본 발명은 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위해 프로브를 테스트 샘플과 접촉시키는 방법에 대한 것으로, 구체적으로 본 발명은 열 검출기(thermal detector)를 갖는 마이크로 캔틸레버 다점 프로브(micro cantilever multi point probe)에 대한 것이다. 본 발명은 또한 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 시스템, 기하학적 변이를 보상하기 위해 열 검출기의 측정(measurement)을 리스케일링(rescaling)하는 방법, 및 열 검출기와 테스트 샘플 사이의 근접성(proximity)을 결정하는 방법에 대한 것이다.
테스트 샘플은 또한 상부에 얇은 평면의 연속된 전도성 막, 또는 예를 들어, 자기 터널링 접합부(magnetic tunnelling junction; MTJ)를 형성하는 얇은 다층 스택을 갖는 반도체 웨이퍼로 이루어질 수 있다.
테스트 샘플은 또한 예를 들어, 다수의 CMOS 트랜지스터로 구현된 집적 CMOS 회로를 갖는 실리콘의 반도체 웨이퍼일 수 있다. 이 경우, 샘플은 테스트 대상 전도성 막 또는 스택의 일부가 전기적 특성화(electrical characterization)를 위해 사용되는 특정 테스트 패드를 포함할 수 있다. 테스트 패드는 또한 finFET 트랜지스터의 조밀한 어레이에 의해 구성될 수 있다.
예를 들면, 4-포인트 프로브 측정과 같은, 다점 프로브 측정 및 테스트 루틴은 4-단자 감지(four terminal sensing)라고도 하며, 전기 임피던스 측정 기술은 전류 전달 및 전압 감지 전극(테스트 샘플과 접촉하기 위한 팁(tip)을 갖는 접촉 프로브)의 개별 쌍을 사용한다.
테스트 샘플의 전기적 특성을 결정하기 위한 저항 측정을 수행할 때, 테스트 표면에 대한 전기적 접촉을 확립하기 위한 하나 이상의 전극을 포함하는 테스트 프로브가 테스트 표면과 접촉하게 된다.
마이크로 4-포인트 프로브의 예는 EP2293086에 개시되어 있으며, 그 개시 내용은 본 출원에 참고로 포함된다. EP2293086에 개시된 프로브는 프로브 본체로부터 연장된 4개의 캔틸레버를 포함한다.
프로브는 테스트 장치 또는 시스템의 일부이며, 테스트 장치에 배치되는 프로브를 테스트 샘플과 접촉하도록 이동시키기 위한 액추에이터를 포함한다.
치수는 마이크로미터 또는 나노미터 단위이며, 액추에이터가 정지할 때 팁이 테스트 샘플의 표면의 적어도 200 nm 내에 그리고 바람직하게는 테스트 샘플의 표면의 ±50 nm 내에 있도록 테스트 샘플 상에 팁(접촉 프로브의 팁 단부)을 제어되고 정밀하게 랜딩(landing)하는 것이 중요하다.
제어된 랜딩은 전극이 파손되는 것을 방지할 수 있고, 테스트 샘플이 프로브 파편으로 오염되는 것을 방지할 수 있으며, 양호한 안정된 옴 접촉(ohmic contact)이 확립될 수 있다.
프로브의 랜딩은 예를 들어, 스트레인 게이지 검출기(strain gauge detector)(기계적 접촉 검출)를 사용하거나 다수의 접촉 프로브들 사이의 전기적 임피던스를 측정함으로써 전기적 접촉 검출을 사용하여 제어될 수 있으며, 즉, 다수의 접촉 프로브들 사이의 임피던스가 감소할 때, 접촉 프로브가 테스트 샘플과 접촉하고, 적어도 2개의 접촉 프로브들 사이의 테스트 샘플에 전류가 흐른다고 가정될 수 있다.
테스트 샘플을 랜딩 또는 접촉시키는 이들 각각의 방법은, 스트레인 게이지 기반 표면 검출의 경우와 같이, 전기적 검출과 관련하여 샘플 표면을 터치(touch)하기 위해 여분의 캔틸레버를 필요로 하는 비교적 큰 전체 풋프린트(footprint)와 같은 단점을 갖는다. 풋프린트가 클수록 프로브와의 접촉으로 인해 샘플이 더 많이 오염된다. 반면에, 테스트 샘플의 비전도성 표면(또는 산화 표면)의 경우, 전기적 검출이 작동하지 않아 적용성이 제한된다.
에어 갭(air gap)을 가로지르는 거리를 측정하기 위해 열을 사용하는 예는 US7186019에 개시되어 있으며, 이는 본 개시 내용에 참고로 포함된다. 그러나 US7186019의 디바이스에는 테스트 샘플의 전기적 특성을 측정하기 위한 접촉 프로브가 없으며, 이 디바이스는 테스트 샘플과도 접촉하지 않는다.
따라서 본 발명의 과제는, 전술한 단점들 중 적어도 일부를 줄이는 것이다.
본 발명의 설명으로부터 명백해질 많은 다른 과제 및 장점과 함께 상기 과제 및 장점은 다음에 의해 얻어진 본 발명의 제1 양상에 따른 것이다:
테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위해 프로브를 상기 테스트 샘플에 접근시키는 방법에 있어서, 상기 방법은,
제1 캔틸레버를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체 및 제1 열 검출기를 갖는 프로브를 제공하는 단계를 포함하고,
- 상기 제1 캔틸레버는, 상기 평면에 의해 지지되는 제1 근위 단부(proximal end)와 상기 제1 근위 단부의 반대쪽에 있는(opposite) 제1 원위 단부(distal end) 사이에서 상기 평면에 대하여 공면(co-planar) 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 캔틸레버는 제1 접촉 프로브를 지지하는 캔틸레버 표면을 가지며,
- 상기 제1 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지되는 제2 근위 단부와 상기 제2 근위 단부의 반대쪽에 있는 제2 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 열 검출기는 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
상기 방법은,
상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하는(establish) 단계;
상기 전기 전도체에 전류를 주입하는 단계;
전자 회로를 제공하고, 상기 전자 회로를 상기 전기 전도체에 접속시키고, 상기 프로브를 상기 테스트 샘플 쪽으로 이동시키면서 상기 전자 회로에 의해 상기 온도 종속 전기 저항을 측정하는 단계; 및
상기 제1 접촉 프로브가 상기 테스트 샘플에 근접하거나 상기 테스트 샘플과 접촉한 것의 발생을 나타내는 제1 문턱값에 상기 온도 종속 전기 저항이 도달할 때 상기 프로브를 정지시키는 단계를 더 포함한다.
근접이라는 것은 가까운 것으로 또는 접촉 프로브가 테스트 샘플에 인접하게 될 정도로 가까운 것으로 이해되어야 한다.
프로브가 테스트 샘플의 표면까지 0 ㎛ 내지 10 ㎛ 사이의 거리를 가질 때 정지되도록 문턱값이 경험적 측정치로부터 선택될 수 있다.
그 후, 프로브가 테스트 샘플과 물리적 접촉을 하도록 프로브가 테스트 샘플 쪽으로 고정된 거리만큼 이동될 수 있다. 이 고정 거리는 프로브가 테스트 샘플로부터 얼마나 멀리 떨어져 정지되는지에 따라 0.5 ㎛ 내지 8 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 6 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛, 또는 1 ㎛ 내지 7 ㎛, 또는 1 ㎛ 내지 3 ㎛ 범위 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다.
대안적으로, 문턱값이 도달될 때 프로브가 테스트 샘플에 접촉하도록 문턱값이 선택될 수 있다. 이 경우 테스트 샘플에 접촉하기 위해 프로브를 최종 거리로 이동시킬 필요가 없다.
일반적으로, 접촉의 발생은, 접촉 프로브의 팁이 테스트 샘플의 표면에 접촉하면서 접촉 프로브가 테스트 샘플 상에 랜딩했음을 의미한다.
그러나, 일반적으로, 접촉 프로브가 반드시 테스트 샘플과 물리적으로 접촉할 필요는 없지만, 접촉 프로브가 테스트 샘플에 매우 근접하여 접촉 프로브와 테스트 사이에 용량성 접속이 존재하여, 접촉 프로브 내의 교류가 테스트 샘플 내로 흐를 수 있다는 - 용량성 접촉은 0 mF보다 크고 1 mF보다 작음 - 의미로 접촉이 이해되어야 한다.
프로브는 평면에 대해 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되는 제2 캔틸레버를 가질 수 있다. 프로브는 또한 평면에 대해 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되는 제2 열 검출기를 가질 수 있다.
온도 종속 전기 저항은 온도 종속 전기 저항 양단의 전압 강하를 측정함으로써 묵시적으로 측정될 수 있다.
제1 열 검출기는 프로브 본체에 대한 루프(loop)를 규정할 수 있는데, 즉, 제1 열 검출기는 제1 지점에서 프로브 본체로부터 멀어지게 연장되고 제2 지점에서 프로브 본체로 복귀한다(열 검출기는 프로브 본체에서 시작 및 종료된다).
온도차는 테스트 샘플에 대해 전기 전도체를 가열하는 히터를 제공함으로써 확립될 수 있는데, 즉, 전기 전도체의 온도는 테스트 샘플의 온도보다 더 많이 상승한다. 반대의 경우도 있을 수 있는데, 즉, 히터가 제공되어 전기 전도체에 대해 테스트 샘플을 가열한다.
대안적으로, 테스트 샘플에 대해 전기 전도체를 냉각시키는 냉각기가 제공될 수 있거나, 또는 냉각기는 테스트 샘플을 전기 전도체에 비해 냉각시킬 수 있다.
전기 전도체에 주입된 전류는 전기 전도체를 가열하는데 사용될 수 있는데, 즉, 전류는 전기 전도체가 실온보다 높은 온도로 가열되도록 진폭을 가질 수 있다. 전류는 교류일 수 있다.
전류는 전류원에 의해 전기 전도체에 주입될 수 있으며, 이는 전기 전도체에서 정전류가 전도되게 할 수 있다.
제1 문턱값은 접촉 프로브와 테스트 샘플 사이의 거리가 제2 문턱값 미만이 되도록 선택될 수 있다.
제1 문턱값은 복수의 프로브를 사용한 측정치 간의 분산을 정의하는 통계적 분포의 함수가 되도록 선택될 수 있으며, 각각의 프로브는 본 발명에 따라 제조된다.
본 발명의 제2 양상에 따르면, 상기 과제 및 장점은 다음에 의해 달성된다:
테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은, 제1 캔틸레버를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체 및 제1 열 검출기를 포함하는 프로브를 포함하고,
- 상기 제1 캔틸레버는, 상기 평면에 의해 지지되는 제1 근위 단부와 상기 제1 근위 단부의 반대쪽에 있는 제1 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 캔틸레버는 제1 접촉 프로브를 지지하는 캔틸레버 표면을 가지며,
- 상기 제1 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지가 되는 제2 근위 단부와 상기 제2 근위 단부의 반대쪽에 있는 제2 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 열 검출기는 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
상기 시스템은,
상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하기 위한 히터 또는 냉각기;
상기 온도 종속 전기 전도체에 전류를 주입하기 위해 상기 전기 전도체와 상호 접속된 전원;
상기 프로브를 상기 테스트 샘플 쪽으로 이동시키기 위한 액추에이터; 및
상기 온도 종속 전기 저항을 측정하고, 상기 온도 종속 전기 저항을 문턱값과 비교하기 위한, 상기 전기 전도체와 상호 접속된 전자 회로를 더 포함한다.
본 발명의 제3 양상에 따르면, 상기 과제 및 장점은 다음에 의해 달성된다:
열 검출기와 테스트 샘플 사이의 근접성을 측정하는 상기 열 검출기의 측정치를 정규화하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 열 검출기를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체를 갖는 프로브를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지되는 근위 단부와 상기 근위 단부의 반대쪽에 있는 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고,
상기 열 검출기는, 제1 기하학적 치수를 갖는 검출기 지오메트리(geometry)를 규정하고 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
상기 방법은,
상기 전기 전도체에 전류를 주입하는 단계;
전자 회로를 제공하고, 상기 전자 회로를 상기 전기 전도체에 접속시키며, 상기 전자 회로에 의해 상기 전기 저항을 측정하여 출력을 제공하는 단계;
상기 출력이 상기 검출기 지오메트리에 대해 정규화되도록 상기 제1 기하학적 치수에 의해 상기 출력의 수학적 정규화를 수행하는 단계를 더 포함한다.
제1 기하학적 치수는 실온에서의 온도 종속 전기 저항의 측정치에 의해, 즉, 전기 전도체 양단의 전압 강하 및 전기 전도체에서 전도된 전류를 측정함으로써 표현될 수 있다 - 전류가 일정하게 유지되면 전압 강하는 전기 저항에 정비례한다 -.
측정된 전기 저항은 열 검출기의 제2 기하학적 치수를 사용하여 정규화될 수 있다.
제2 기하학적 치수는 실온에서의 온도 종속 전기 저항과 실온보다 높은 온도에서의 온도 종속 전기 저항 간의 차이의 측정치(measure)에 의해 표현될 수 있다.
측정된 전기 저항은 전기 전도체의 두께로 구성된 열 검출기의 제3 기하학적 치수를 사용하여 정규화될 수 있다.
본 발명의 제4 양상에 따르면, 상기 과제 및 장점은 다음에 의해 달성된다:
열 검출기와 테스트 샘플 사이의 근접성을 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 열 검출기를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체를 갖는 프로브를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지되는 근위 단부와 상기 근위 단부의 반대쪽에 있는 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고,
상기 열 검출기는, 제1 기하학적 치수를 갖는 검출기 지오메트리를 규정하고 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
상기 방법은,
상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하는 단계;
상기 전기 전도체에서 제1 주파수로 교류를 주입하는 단계;
전자 회로를 제공하고, 상기 전자 회로를 상기 전기 전도체에 접속시키며, 상기 전자 회로에 의해 상기 전기 저항을 측정하며, 상기 프로브를 상기 테스트 샘플 쪽으로 이동시키면서 출력을 제공하는 단계;
상기 제1 주파수의 제2 고조파보다 낮은 차단 주파수(cut off frequency)를 갖는 필터를 제공하고, 이 고역 통과 필터에 의해 상기 출력을 필터링하며, 필터링된 신호를 제공하는 단계; 및
상기 열 검출기와 상기 테스트 샘플 사이의 근접성에 대한 척도(measure)로서 상기 필터링된 신호를 사용하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 이제 매우 개략적인 도면을 참조하여 실시예의 예에 의해 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 프로브의 사시도이다.
도 2는 도 1의 섹션 I의 확대도를 도시한다.
도 3은 열 검출기에 돌출부(projection)가 제공되는 대안적인 실시예를 도시한다.
도 4는 프로브의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 5는 캔틸레버가 분할되어 단일 열 검출기의 서로 반대쪽 측부(opposite sides) 상에 배치된 대안적인 실시예를 도시한다.
도 6은 단일 캔틸레버가 사용되는 대안적인 실시예를 도시한다.
도 7은 프로브의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 8은 5개의 프로브를 사용한 측정을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 각 측정치의 정규화의 결과를 도시한다.
도 10은 전기 전도체의 측정된 전기 저항의 추가 리스케일링 결과를 도시한다.
도 11은 도 10의 원형 구역 II에서의 그래프의 확대를 도시한다.
본 발명은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는 수반되는 도면을 참조해서, 보다 완전하게, 이하에서 이제 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 상이한 형태로 구현될 수 있고, 본원에 기재된 실시예들에 한정된 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 이 개시 내용이 철저하고 완전하도록 제공되며, 당업자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 것이다. 동일한 참조 부호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 구성 요소는 각 도면의 설명에 대해 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 1은 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 프로브의 사시도이다.
프로브(10)는 다수의 반도체, 금속성 및/또는 유전체층으로 제조될 수 있는 프로브 본체(12)를 포함한다. 프로브 본체는 실질적인 평면 본체 표면을 규정하는 제1 측부를 가지는데, 즉, 표면은 제조 공정에서 허용되는 정도로 평평하다. 프로브 본체는 제1 측부의 반대쪽에 있는 제2 측부 및 제1 측부와 제2 측부 사이의 전면(32)을 규정하는 전방 측부를 갖는다.
도 2는 도 1의 섹션 I의 확대도를 도시한다.
프로브(10)는 캔틸레버(18)를 포함한다. 7개의 다른 캔틸레버를 도 2에서 볼 수 있으며, 프로브는 일반적으로 1개 내지 16개 범위의 캔틸레버의 캔틸레버 세트를 가진다.
각각의 캔틸레버는 테스트 샘플의 표면 상의 점(point) 또는 작은 구역과 접촉하기 위한 접촉 프로브(24)를 지지하고, 테스트 샘플에 대한 전기적 접속을 확립한다.
테스트 샘플의 전기적 특성을 측정하기 전에 테스트 샘플 상의 산화물층을 연소할 필요가 있을 수 있다. 이는 유전체 산화물의 파괴를 야기하기에 충분히 높은 파괴 전압이 (두 접촉 프로브의 양단에) 인가된 접촉 프로브 내의 전류로 수행될 수 있으며, 이러한 전압은 5 V보다 클 수 있다.
접촉 프로브 또는 전극은, 테스트가 수행될 때 테스트 샘플의 표면을 향한 캔틸레버 표면 상에 퇴적된 전기 전도성 금속막으로 구성된다. 일반적으로, 금속막은 위에서부터 퇴적되기 때문에 캔틸레버의 폭을 덮고 있으며, 막을 퇴적하는 데 패턴이 사용되지 않으면 막은 자신이 랜딩하는 곳을 덮는다.
캔틸레버는, 프로브가 복수의 접촉 프로브를 갖는 경우 전류가 하나의 접촉 프로브에서 또 다른 접촉 프로브로 흐르지 않도록, 프로브 본체로부터 접촉 프로브를 전기적으로 절연시키기 위해 유전체 재료로 제조된다.
도 1 및 2에 도시된 프로브는 마이크로 8 포인트 프로브이지만, 일반적으로 프로브는 임의의 수의 접촉 프로브를 가질 수 있는데, 즉, 프로브는 4개의 접촉 프로브를 가질 수 있어 마이크로 4 포인트 프로브를 구성하거나 12개의 접촉 프로브를 가질 수 있어 마이크로 12 포인트 프로브를 구성할 수 있다.
각각의 캔틸레버는 복수의 접촉 프로브를 지지할 수 있다.
각각의 캔틸레버는 예를 들어, 직선형 캔틸레버보다 3차원에서 더 유연하도록 L자형을 갖는다.
각각의 캔틸레버는 프로브 본체(12)로부터 가장 먼, 즉, 원위 단부와 프로브 본체 사이의 특정 거리를 갖는 원위 단부(30)(팁을 포함하는 팁 단부)를 갖는다. 원위 단부와 프로브 본체 사이의 거리는 전형적으로 5 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위이다.
캔틸레버의 근위 단부는 원위 단부의 반대쪽에 있는, 즉, 원위 단부로부터 가장 먼 것으로 정의된다. 따라서, 근위 단부는 원위 단부보다 프로브 본체에 더 가깝다.
각각의 캔틸레버는 근위 단부에서 평면 본체 표면에 의해 지지되고 프로브 본체(12)의 전면(32)에 법선인(normal) 방향으로 그리고 프로브 본체의 평면과 평행한 캔틸레버 평면(평면 본체 표면과 공면임)에서 벡터 성분을 가지고 프로브 본체로부터 멀어지게 연장된다. 캔틸레버가 테스트 샘플(22)과 접촉할 때 캔틸레버는 캔틸레버 평면 밖으로 휘어질(flex out) 수 있다.
근위 단부 및 원위 단부(30)를 통해 연장되는 축은 캔틸레버 축을 구성한다. 도 2에서, 캔틸레버 축은(부분적으로 캔틸레버의 L자형으로 인해) 프로브 본체의 전면(32)에 대한 법선에 대해 0보다 큰 각도를 갖는다. 캔틸레버는 또한 직선일 수 있으며, 이 경우 캔틸레버는 캔틸레버 축이 전면에 대한 법선과 평행하게 연장될 수 있다.
프로브는 캔틸레버의 좌측에서 볼 수 있고 캔틸레버에 평행하게 연장되는 제1 열 검출기를 포함한다.
열 검출기는 평면에 평행한 검출기 평면(평면 본체 표면과 공면임)에서 연장된다.
열 검출기는 캔틸레버와 동일한 전면(32)으로부터 멀리 연장된다. 도 2에서, 열 검출기는 전면(32)의 법선에 평행하게 연장된다. 그러나, 열 검출기는 검출기 평면에서 전면(32)의 법선에 대해 ±60°사이의 각도를 가질 수 있다.
열 검출기는 프로브 본체와 관련하여 루프를 규정하는데, 즉, 이 루프는 프로브 본체 상에서 시작하여 프로브 본체 상에서 끝난다.
도 2에서, 열 검출기는 제1 아암(arm; 34), 제2 아암(36) 및 전방 세그먼트(38)로 구성된 3개의 직선형 세그먼트로 형성된다. 2개의 아암은 전면(32)에 직교하고, 전방 세그먼트는 전면에 평행하다.
제1 아암의 근위 단부는 평면에 의해 지지되고, 제2 아암의 근위 단부는 평면에 의해 지지된다. 전방 세그먼트(38)는 제1 아암의 원위 단부와 제2 아암의 원위 단부 사이에서 연장된다.
루프를 형성하기 위해 3개보다 많은 세그먼트가 사용될 수 있고, 제1 대안에서, 루프는 예를 들면, 원형 또는 타원과 같은 지오메트리를 규정하는 링 형태일 수 있다(완전 360°까지 연장되지 않음). 제2 대안에서, 열 검출기는, 3개의 직선형 세그먼트에 의해 덮히는 구역만큼 넓고 길 수 있는 플레이트(plate)에 의해 형성될 수 있다.
열 검출기의 원위 단부(검출기 단부에 의해 구성됨)는 프로브 본체(12)에 대한 앵커 거리(α)를 갖는 앵커 위치를 갖는다. 앵커 거리(열 검출기의 길이)는 캔틸레버의 원위 단부와 프로브 본체 사이의 거리보다 작은 것으로 도시된다.
열 검출기는 캔틸레버(18)만큼 프로브 본체로부터 멀리 연장될 수 있는데, 즉, 열 검출기의 길이는 캔틸레버의 길이와 실질적으로 동일한 것(실질적으로 열 검출기의 길이는 캔틸레버의 길이에서 10%보다 많이 벗어나지 않는 것을 의미함)으로 고려된다.
열 검출기가 캔틸레버의 길이보다 큰 길이를 가질 수 있는데, 즉, 앵커 거리(α)는 200 ㎛ 미만, 예컨대 180 ㎛ 미만, 160 ㎛, 140 ㎛, 120 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 50 ㎛ 미만일 수 있는 것으로 또한 고려된다.
전방 세그먼트(38)는 예를 들어, 100 nm 내지 10 ㎛ 또는 1 ㎛ 내지 5 ㎛와 같은, 20 nm 내지 20 ㎛의 범위에 있을 수 있는 선폭(β)으로 도시되어 있다. 열 검출기의 모든 세그먼트는 이러한 폭 범위를 가질 수 있다.
열 검출기는 전기 전도체(28)를 지지하며, 이는 열 검출기 표면 상에 퇴적된 전기 전도성 금속막으로 구성된다. 금속막은 일반적으로 열 검출기의 폭을 덮는데, 즉, (예를 들면, 전방 세그먼트 상에서) 전기 전도체의 폭은 선폭(β)에 대응할 수 있다.
금속막은 접촉 프로브와 동일한 재료, 예컨대, 니켈, 탄탈룸, 알루미늄, 백금, 루테늄, 티타늄, 코발트, 철, 텅스텐일 수 있다. 전기 전도체는 온도에 종속되는 전기 저항을 갖는다.
각각의 접촉 프로브(금속막)는 프로브 본체(12) 상의 각각의 전기 라인에 접속된다. 전선은 접촉 프로브를 접촉 패드와 접속시키는데, 즉, 제1 캔틸레버(18) 상의 접촉 프로브(24)는 제1 전선(16)에 전기적으로 접속되어 제1 접촉 패드(14)로 이어진다(접촉 프로브 및 전선은 접촉 패드로부터 캔틸레버의 원위 단부로 이어지는 연속 금속막으로서 퇴적될 수 있다).
유사하게, 전기 전도체(28)는 프로브 본체 상의 제1 접촉 패드로부터 열 검출기 상에 그리고 다시 제2 접촉 패드로 이어지는 금속막을 퇴적함으로써 형성될 수 있는데, 즉, 전기 전도체는 프로브 본체 상의 제1 접촉 패드 및 프로브 본체 상의 제2 접촉 패드에 대해 루프를 형성하여, 이는 제1 및 제2 접촉 패드에 접속된 2개의 단자를 갖는 전기 회로에서 전기 저항으로서 사용될 수 있다.
접촉 패드는 프로브와 테스트 장치 사이의 전기적 연결을 확립하기 위한 것인데, 즉, 테스트 장치는 프로브가 테스트 장치에 배치될 때 프로브 상의 접촉 패드와 맞물리는(engage) 단자를 갖는다. 테스트 장치는 또한 예를 들면, 전류원 또는 전압원과 같은, 전원, 및 접촉 프로브 및 열 검출기의 전기 전도체 상에 신호를 전송하기 위한 하나 이상의 전자 회로를 갖는다. 전자 회로는 하나 이상의 마이크로프로세서로서 구현될 수 있다.
테스트 장치의 액추에이터는 테스트 장치에 또한 배치되는 테스트 샘플에 대해 프로브를 유지하고(hold) 이동시킨다.
프로브로 측정하는 동안, 일정한 진폭을 갖는 교류 전류가 전기 전도체에 접속된 전류원에 의해 전기 전도체(28)에 주입되는데, 즉, 전류는 예를 들면, 1 kHz와 같은 1 Hz 내지 10 kHz 범위에서 선택된 기본 주파수(1차 고조파)를 가지며 특정 위상을 갖는 사인파일 수 있다. 대안적으로, 전류는 직류일 수 있다.
전류원 대신에, 전압원이 전기 전도체를 가로 질러 접속되어 전류가 전기 전도체에 흐를 수 있다.
전류는 전기 전도체(28)를 실온보다 높은 온도로 가열하는 것이며, 이는 예를 들면, 2000 ㎛와 같은, 10 ㎛ 내지 10000 ㎛ 범위에서 선택된, 진폭을 갖는 전류로 달성될 수 있는데, 즉, 전기 전도체의 전기 저항에 전달된 전력은 열로 소산된다(dissipated).
본 맥락에서, 실온은 15 ℃ 내지 30 ℃, 예컨대 20 ℃ 내지 30 ℃, 또는 20 ℃ 내지 25 ℃, 또는 25 ℃ 내지 30 ℃의 온도를 지칭한다.
대안적으로, 테스트 샘플은 전기 전도체의 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다.
실온 부근에서, 금속의 저항은 일반적으로 온도가 상승함에 따라 증가한다. 온도 T가 너무 많이 변하지 않으면 일반적으로 선형 근사가 사용된다: R(T) = R0(l + c(T - T0)), 여기서 c는 저항의 온도 계수, To는 고정된 기준 온도(일반적으로 실온), 그리고 Ro은 온도 To에서의 저항이다.
그런 다음, 프로브는 처음에는 실온에 있는 테스트 샘플 쪽으로 이동된다.
프로브는 테스트 샘플의 표면에 대한 각도로 테스트 샘플 쪽으로 이동되는데, 즉, 프로브는 테스트 샘플 표면의 법선에 대해 ±90° 각도로 이동될 수 있다. 대안적으로, 프로브는 테스트 샘플의 표면에 대해 45°± 40°(예를 들면, 45°± 30° 또는 45°± 15°))의 각도로 이동될 수 있으며, 즉, 프로브는 테스트 샘플의 표면에 평행하게 테스트 샘플을 따라 이동되지 않는다.
프로브가 테스트 샘플에 접근함에 따라, 전기 전도체에 의해 생성된 열의 소산이 변한다. 열 검출기가 샘플 표면으로부터 멀리 떨어져 있을 때, 열은 주로 열 검출기 구조물을 따라 열 전도를 통해 프로브 본체로 소산된다. 열 검출기가 샘플 표면에 가까이 가면 갈수록, 공기를 통해 샘플 자체로 소산되는 생성된 열의 비율이 높아진다. 이 경우, 샘플은 일정한 온도에서 방열판(heat sink)으로 간주될 수 있다.
프로브가 테스트 샘플에 접근함에 따라 전기 전도체의 온도가 감소하는 것으로 고려된다(전기 전도체에 주입된 전류 또는 전기 전도체 양단의 전압이 일정하게 유지될 수 있음). 전기 전도체의 온도 감소는 전기 전도체의 전기 저항 감소를 의미한다.
테스트 장치의 전자 회로는 프로브가 테스트 샘플 쪽으로 이동할 때 전기 전도체의 전기 저항을 측정하는 데 사용된다. 전기 저항은 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 사용하여 측정될 수 있으며, 전기 전도체의 전기 저항은 브리지에 사용된 4개의 전기 저항 중 하나이다.
대안적으로, 전압계를 사용하여 전기 전도체 양단의 전압 강하를 측정할 수 있다(전류가 일정하게 유지될 때, 전압의 측정치는 전기 저항의 측정치이다).
전압원이 전기 전도체 양단에 일정한 전압을 갖도록 사용되는 경우, 전기 전도체에서 측정된 전류는 전기 전도체(28)의 전기 저항의 측정치이다.
전기 저항의 측정치(전자 회로의 측정 회로에 의해 제공되는 출력)는 프로브가 테스트 샘플에 얼마나 근접한지를 측정하는 척도로서 사용되는데, 즉, 측정치는 문턱값 τ와 비교될 수 있다. 전기 저항의 측정치가 문턱값에 도달하면, 프로브는 정지된다.
대안적으로, 전기 저항의 측정치의 변화 또는 동등한 측정치인 전압 강하의 변화는, 프로브가 테스트 샘플에 얼마나 가까운 지의 측정치로서 사용될 수 있다.
문턱값은, 문턱값이 도달될 때, 접촉 프로브가 테스트 샘플에 근접하여, 접촉 프로브가 테스트 샘플쪽으로 나머지 거리를 고정된 거리만큼만 이동되기만 하면 되도록 선택된다.
대안적으로, 문턱값은, 문턱값이 도달될 때 접촉 프로브가 테스트 샘플에 접촉하도록 선택된다.
접촉 프로브가 테스트 샘플과 접촉할 때 접촉 프로브와 테스트 샘플 사이에 전기적 접속이 확립될 수 있다.
열 검출기와 샘플 표면 사이의 거리는 랜딩에서 랜딩까지 그리고 프로브에서 프로브까지 300 nm 이내에서, 하지만, 바람직하게는 50 nm 내에서 재현될(reproducible) 수 있어야 한다.
문턱값은, 경험적 측정치를 통해 또는 열 검출기의 길이(앵커 거리)와 캔틸레버의 길이(캔틸레버의 원위 단부와 근위 단부 사이의 거리) 간의 차이의 함수로서 이 문턱값을 결정함으로써 결정될 수 있다.
대안적으로, 전기 전도체의 전류가 값으로 유지되는 동안, 테스트 샘플이 가열될 수 있으며, 이 값에서는 테스트 샘플이 가열되는 만큼 전기 전도체가 가열되지 않는데, 즉, 전류는 예를 들어 100 ㎂ 이하일 수 있다 .
프로브가 테스트 샘플 쪽으로 이동됨에 따라, 테스트 샘플로부터 소산된 열에 의해 전기 전도체가 가열될 것이고, 전기 전도체의 전기 저항이 상승할 것이다. 이는 전자 회로로 측정되고 열 검출기가 테스트 샘플에 얼마나 가까운지에 대한 척도로서 사용될 수 있는데, 즉, 이 방법은 전기 전도체가 가열될 때의 방법과 반대이다.
테스트 샘플은 실온 미만의 온도로 냉각될 수 있으며, 이는 또한 열 검출기와 테스트 샘플 간의 온도차를 가능하게 하는 것으로 또한 고려된다.
도 3은 열 검출기에 돌출부가 제공되는 대안적인 실시예를 도시한다.
돌출부(40)는 열 검출기의 길이를 연장시켜서 열 검출기의 원위 단부(이제 돌출부(40)의 원위 단부에 해당함)가 캔틸레버만큼 프로브 본체(12)로부터 멀리 연장되는데, 즉, 열 검출기의 원위 단부는 캔틸레버의 원위 단부와 정렬된다. 이러한 방식으로, 열 검출기는 프로브가 어느 정도 기울어져 있는지 여부에 따라 캔틸레버와 실질적으로 동시에 테스트 샘플에 접촉할 것이다. 그 후, 프로브와 테스트 샘플 사이의 거리를 결정하기 위해 열 검출기가 스트레인 게이지로서 대안적으로 사용될 수 있다.
또한, 대안적으로, 돌출부는 열 검출기가 접촉 프로브로서 사용될 수 있게 하는데, 즉, 열 검출기는 이중 또는 삼중 목적을 가질 수 있다.
도 4는 프로브의 대안적인 실시예를 도시한다.
프로브는, 프로브의 가능한 틸팅(tilting)이 (즉, 캔틸레버의 팁(원위 단부)이 테스트 샘플 표면과 평행한지 여부가) 식별될 수 있도록, 제1 열 검출기(26) 및 캔틸레버에 추가하여 제2 열 검출기(42)를 포함한다. 이것은 외부 캔틸레버 중 하나가 원하는 것보다 테스트 샘플에 더 깊이 들어가는 위험을 줄인다.
캔틸레버는 제1 열 검출기와 제2 열 검출기 사이에 있다.
제2 열 검출기는 전술한 바와 같이 제1 열 검출기와 동일한 방식으로 제2 전기 전도체를 지지하는데, 즉, 제2 전기 전도체는 온도에 종속되는 전기 저항을 가지며, 이는 프로브 본체 상의 제3 접촉 패드 및 프로브 본체 상의 제4 접촉 패드에 대해 루프를 형성하여, 전기 회로에서 전기 저항으로 사용될 수 있다. 제2 열 검출기의 존재는 프로브 본체의 접촉 패드의 수를 2개로 증가시킨다.
두 개의 열 전도체는 이상적으로 가능한 한 유사하게, 즉, 동일한 앵커 포인트/거리 및 선폭을 가지게 제조된다.
도 5는 캔틸레버가 분할되어 단일 열 검출기의 서로 반대쪽 측부 상에 배치된 대안적인 실시예를 도시한다.
도 6은 단일 캔틸레버가 사용되는 대안적인 실시예를 도시한다.
단일 캔틸레버는 예를 들면, 산화물막(oxide membrane)과 같은, 전기 절연막(44)으로 구성된다. 단일 캔틸레버는 제1 접촉 프로브(24)를 지지한다. 제1 접촉 프로브 옆에는 7개의 다른 접촉 프로브가 도시된다. 막(44)이 열 검출기의 전기 전도체(28)를 지지하는 것으로 도시되어 있지만, 전기 전도체(28)는 제1 막으로부터 분리된 제2 막에 의해 지지될 수 있다.
제1 접촉 프로브는 각각의 원위 단부에 의해, 프로브 본체로부터 가장 먼 막 에지(46)까지 연장된다. 다른 접촉 프로브도 막 에지까지 연장된다.
열 검출기(26)의 원위 단부는 막 에지(46)까지의 거리를 갖지만, 열 검출기(26)의 원위 단부는 막 에지까지 연장될 수 있다.
막은 접촉 프로브가 더 작은 선폭으로 퇴적될 수 있게 하는데, 즉, 캔틸레버는 각각의 개별 접촉 프로브에 대해 그렇지 않은 경우에(otherwise) 좁은 캔틸레버 폭으로 인해 파손되지 않고 서로 더 가까이 있을 수 있다. 제1 에지를 따른 접촉 프로브의 팁들 사이의 거리는 1 ㎛ 미만일 수 있다.
막(44) 상의 전기 전도체(28)는 프로브 본체(12)에 대한 루프로서 도시되어있다.
도 7은 프로브의 대안적인 실시예를 도시한다.
막(44)은 캔틸레버(18)에 의해 지지된다. 도 7에 도시된 바와 같이 막을 지지하기 위해 총 8개의 캔틸레버가 사용될 수 있다.
캔틸레버는 막과 함께 프로브 본체에 대해 루프를 형성하여 구조물이 도 6에 도시된 프로브보다 더 유연하도록 하며, 여기서 막은 프로브 본체에 의해 지지된다.
제1 캔틸레버(18)는 접촉 프로브를 지지하며, 막 에지(46)까지 막 상으로 연장된다.
2개의 중간 캔틸레버는 금속막을 각각 지지하며, 막 상으로 연장되고 막 상에서 함께 결합되어 전기 전도체(28)를 형성하여, 프로브 본체에 대한 루프를 형성한다. 전기 전도체(28)는 온도 종속 전기 저항을 가질 수 있으며, 도 1 내지 도 6과 관련하여 전술한 것과 동일한 방식으로 열 검출기로서 사용될 수 있다.
금속막은 막 에지로부터 일정 거리만큼 막 상에 인접해 있다. 인접 지점은 접촉 프로브(24)와 평행한 막 에지까지 돌출부(40)를 연장할 수 있는데, 즉, 전기 전도체(28)는 돌출부(40)를 포함한다. 돌출부(40)는, 프로브와 테스트 샘플 사이의 거리를 결정하는데 또한 사용될 수 있는 스트레인 게이지의 기능을 수행할 수 있다. 부가적으로, 전기 전도체(28)는 다른 접촉 프로브와 함께 접촉 프로브로서 사용될 수 있는데, 즉, 전기 전도체는 도 3과 관련하여 또한 설명된 바와 같이 삼중 목적을 갖는다.
막(28)으로 인해, 접촉 프로브는 서로 가까이 배치될 수 있다. 전기 전도체(28)가 또한 접촉 프로브로서 역할을 하면서, 도 7의 프로브는 막 상에서 평행하고 밀접하게 함께(접촉 프로브가 개별 캔틸레버에 의해 지지될 때보다 더 가까움) 연장되는 총 7개의 접촉 프로브를 갖는다
도 8은 5개의 프로브를 사용한 측정을 도시한다.
각각의 프로브는, 예를 들면, 도 2와 관련하여 설명된 프로브와 같은, 도 2 내지 7과 관련하여 설명된 프로브 중 하나에 대응한다. 측정 루틴은 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이 또한 수행된다.
5개의 프로브는 제조 공차, 즉, 앵커 위치(열 검출기의 원위 단부에서 프로브 몸체까지의 앵커 거리 α) 및 열 검출기의 원위 단부에서 전기 전도체의 선폭 β와 관련하여 다르고, 전기 전도체(28)의 두께는 프로브마다 다르다(프로브는 마이크로 미터 범위의 치수를 가지며, 이는 정확히 동일한 앵커 거리 및 선폭으로 각 프로브를 제조하기 어렵다는 것을 의미한다).
프로브 1, 2 및 3은 두께 90 nm의 Ni로 제조되는 전기 전도체(28)를 갖는 열 검출기를 갖는다.
프로브 4 및 5는 두께가 110 nm인 Ni로 제조되는 전기 전도체(28)를 갖는 열 검출기를 갖는다.
측정에서, 열 검출기의 전기 전도체가 전류로 가열되는 동안 각각의 프로브는 테스트 샘플 쪽으로 이동된다. 각 그래프는 측정된 전기 저항을 테스트 샘플까지의 거리의 함수로서 도시한다. 프로브가 테스트 샘플에 접근함에 따라 전기 저항은 감소한다.
5개의 그래프는 5개의 프로브의 다양한 기하학적 치수로 인해 서로 오프셋된다(offset). 또한, 각각의 프로브의 감도가 다르며, 이는 상이한 경사를 갖는 접선으로 도시되어 있다(접선은 프로브 3과 5에 대해 거리 0 m에 근접하게 도 8에 도시되어 있다).
도 9는 도 8에 도시된 각각의 측정치의 정규화 결과를 도시한다. 본 설명에서, 용어 "정규화"및 "리스케일링"은 상호 교환적으로 사용된다.
도 8의 그래프와 비교해서, 도 9의 그래프는 더 작은 오프셋과 더 작은 접선 차이를 가진다.
정규화에서, 도 8에서 Ω로 표시된 측정된 전기 저항 R(T)는 검출기 지오메트리의 기하학적 치수, 즉, 앵커 거리 및 선폭에 대해 표준화된다. 측정된 전기 저항은 단지 하나의 파라미터로 정규화될 수 있다.
도 8의 그래프들 사이의 오프셋은 선폭 및 금속(이 경우 Ni) 막 두께의 함수이고, 감도는 앵커 거리, 선폭 및 금속막 두께의 함수이다.
각각의 프로브의 열 검출기의 선폭은 미터 단위의 물리적 치수로서 측정될 수 있다. 대안적으로, 선폭은 측정 가능한 방식으로 열 검출기의 온도를 변화시키지 않을 정도로 충분히 낮은 전류로 실온에서 측정된 전기 저항의 관점에서 표현될 수 있다(값 V0을 취하는, 상온에서 전기 전도체의 전압 강하).
각각의 프로브의 열 검출기의 앵커 거리는 또한, 미터 단위의 물리적 치수로서 측정될 수 있다. 대안적으로, 앵커 거리는 실온에서 측정된 전기 저항과 실온보다 높은 온도(예를 들면, 열 검출기를 통과하는 전류에 따라 상온보다 5 ℃ 또는 10 ℃ 높음)에서 측정된 전기 저항 간의 차이로 표현될 수 있다.
예를 들어, 제1 측정에서, 제1 진폭을 갖는 제1 전류(예를 들면, 100 ㎂)가 전기 전도체에 주입되고, 전기 전도체의 대응하는 전기 저항이 측정된다.
제2 측정에서, 제2 진폭을 갖는 제2 전류(예를 들면, 1000 ㎂)가 전기 전도체에 주입되고, 전기 전도체의 대응하는 전기 저항이 측정된다(값 VT를 취하는, 더 높은 온도에서 전기 전도체의 전압 강하). 제2 전류는 전기 전도체의 온도를 실온보다 높은 온도로 상승시킨다.
그런 다음, 값 ΔV = V0-VT를 취하는 두 측정치 간의 차이는 앵커 거리를 표현하는 데 사용된다.
측정된 값 Vo 및 ΔV를 사용하여, 전기 전도체의 전기 저항의 측정치는 예를 들어, 이 측정 값을 각 출력의 제곱으로 나누어서 리스케일링될 수 있다:
리스케일링된 전기 저항 y는 측정된 전기 저항, 및 실온에서 측정된 전기 저항 및 실온보다 높은 온도에서의 전기 저항의 함수이다.
대안적으로, 측정된 전기 저항 R(T)와 R' 간의 차이는 리스케일링된 전기 저항을 계산하는데 사용될 수 있으며, 여기서 R'는, 전기 전도체의 전기 저항이 테스트 샘플의 근접성에 영향을 받지 않을 정도로, 샘플로부터 충분히 멀리 떨어진 거리에서 측정된 전기 저항이다. 도 8에서, R'는 예를 들어, 100 ㎛에서 측정된 전기 저항일 수 있는데, 이것은 샘플로부터 가장 멀리 떨어진 곳에서 수행된 측정이다.
이 경우에:
이다.
상기 리스케일링된 전기 저항 y는 도 9에 도시되어 있고, 도 9는 측정된 전기 저항 R(T) 및 R' 간의 차이와, 실온에서 측정된 전기 저항과, 실온보다 높은 온도에서의 전기 저항의 함수이다.
도 8의 그래프와 비교해, 리스케일링은 측정치들을 서로 더 가깝게 하는데, 즉, 도 9의 그래프들 사이의 오프셋은 더 작아졌고, 5개의 프로브 간의 감도 차이도 더 작다.
도 10은 전기 전도체의 측정된 전기 저항의 추가 리스케일링 결과를 도시한다.
도 9의 리스케일링된 그래프와 비교해서, 도 10의 그래프는 훨씬 더 작은 오프셋과 더 작은 접선 차이를 가진다.
추가적인 리스케일링에서, 측정된 전기 저항은 전기 전도체의 두께 ω, 즉, 열 검출기 상에 퇴적된 금속막층의 두께에 의해 리스케일링(승산)된다. 두께는 퇴적 프로세스로부터 알려질 수 있거나 전기적 측정에서 결정될 수 있다.
두께 ω를 사용하여, 전기 전도체의 정규화된 전기 저항 y1은 예를 들어 두께의 제곱과 곱함으로써 추가로 리스케일링될 수 있다:
따라서, 추가로 리스케일링된 전기 저항 y1'는 측정된 전기 저항, 실온에서 측정된 전기 저항, 실온보다 높은 온도에서의 전기 저항, 및 전기 전도체의 두께의 함수이다.
추가적인 리스케일링의 또 다른 예시에서, 리스케일링된 전기 저항 y는 전기 전도체의 두께 ω, 즉, 열 검출기 상에 퇴적된 금속막층의 두께의 제곱에 의해 리스케일링된다(승산)된다:
따라서, 도 10에 도시된 추가 리스케일링된 전기 저항 y'는, 측정된 전기 저항과 R' 간의 차이, 실온에서 측정된 전기 저항, 실온보다 높은 온도에서의 전기 저항, 및 전기 전도체의 두께의 함수이다.
도 9의 그래프와 비교해, 정규화는 측정치들을 서로 훨씬 더 가깝게 하는데, 즉, 도 10의 그래프들 사이의 오프셋은 더 작아졌고, 5개의 프로브 간의 감도 차이도 더 작다.
도 11은 도 10의 원형 구역 II에서의 그래프의 확대를 도시한다.
각 프로브는 문턱값(-1.000 내지 -2.000 범위에서 선택되며 현재의 경우 τ = -1.600임)에 도달하면 정지된다.
이 확대는, 정규화가 5개의 프로브를 사용한 측정을 반드시 동일하게 할 필요는 없으며, 프로브가 테스트 샘플에 대해 상이한 위치/거리에서 정지되는 것을 보여준다. 어느 문턱값에서든 프로브가 정지되면, 테스트 샘플(프로브 1)에 가장 가까운 접촉 프로브로 정지되는 프로브와 테스트 샘플에서 가장 먼 접촉 프로브(프로브 5)로 정지되는 프로브 간에 대응하는 차이(오차 ε)가 있다. 문턱값 τ = -1.600에서, 차이는 200 nm이다.
어느 문턱값이 오차 ε를 특정(제2) 문턱값 미만이 되게 하는지를 결정하기 위해 다수의 프로브에 의한 다수의 측정이 수행될 수 있다. 프로브가 테스트 샘플에 너무 깊숙이 들어가는 것은 바람직하지 않으므로 특정 오차(예를 들면, 200 nm)가 허용될 수 있다.
따라서, 프로브가 정지될 때 결정적인 문턱값 τ는 예를 들어, 전술한 바와 같이 5개의 프로브를 사용한 경험적 실험으로부터 오차 ε의 함수로서 결정될 수 있는데, 즉, 오차 ε가 값(예를 들면, 200 nm 또는 100 nm 또는 50 nm) 미만인 경우, 오차가 이 값 미만이 될 때 측정되는 전기 전도체의 전기 저항은, 프로브가 측정될 테스트 샘플의 실제 측정에서 정지되어야 할 경우를 위해 문턱값으로 사용될 수 있다. 도 11에 도시된 경험적 실험에서, 결정된 문턱값은 전술한 바와 같이 τ = -1.600이다.
리스케일링이 완료되면, 동일한 설계, 즉, 동일한 지오메트리, 예를 들면, 제조 공차 내 앵커 거리 및 선폭과 같은, 동일한 치수 및 동일한 재료를 가진 모든 열 검출기와 함께 사용될 수 있다. 열 검출기가 돌출부를 갖는 경우, 돌출부의 지오메트리가 또한 (제조 공차 내에서) 동일해야한다.
열 검출기가 조정된 경우, 즉, 거리 대 열 신호가 측정된 경우, 리스케일링 덕분에 동일한 설계의 모든 다른 열 검출기가 조정된다. 열 신호는 전기 전도체 R(T)의 측정된 저항이며, 여기서 예는 도 8에 도시된다.
따라서, 중요하게는, 이 조정을 통해 해당 설계를 가진 모든 열 검출기에 대해 측정된 임의의 주어진 열 신호에서 테스트 샘플의 표면까지의 거리를 알 수 있다.
전기 전도체의 전기 저항의 온도 종속 성분에 대한 대안적인 측정 절차로서, 높은 고조파 필터링이 제안된다.
이러한 방법에서, 전기 전도체(28)의 전기 저항은 전기 전도체에 주입된 교류 전류를 사용하여 측정되는데, 즉, 전류는 예를 들면, 1 kHz와 같은, 1 Hz 내지 10 kHz 범위에서 선택된 기본 주파수(제1 고조파)를 갖는 특정 위상을 가지는 사인파일 수 있다.
전류는 전기 전도체를 가열하는데 사용될 수 있거나 다른 수단이 상기 설명된 바와 같이 전기 전도체와 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하는데 사용될 수 있다.
그런 다음, 전기 전도체의 전기 저항은 예를 들면, 휘트스톤 브리지 또는 전압계와 같은, 전자 회로를 사용하여 측정된다.
그런 다음, 측정된 전기 저항은 제1 주파수의 제2 고조파보다 낮은 차단 주파수를 갖는, 즉, 더 높은 고조파에 대해 제1 고조파를 억제하기 위해 고역 통과 필터에 의해 필터링된다. 대안적으로, 측정된 전기 저항은, 선택된 고조파 성분이 제1 고조파에 대해 증폭될 수 있도록, 특정 고차 고조파(higher order harmonic)(예를 들어, 제2차 고조파) 주위의 대역 통과 필터 중심을 가지며 필터링될 수 있다.
그런 다음, 필터링된 신호는 열 검출기와 테스트 샘플 사이의 근접성에 대한 척도로서 사용될 수 있다. 따라서, 프로브를 테스트 샘플 쪽으로 이동시킬 때, 필터링된 신호가 문턱값에 도달할 때 프로브가 정지된다. 이러한 문턱값은 전술한 바와 같이 경험적으로 결정될 수 있다.
다음에는 본 발명의 상세한 설명 및 본 발명의 상세한 설명에서 참조된 도면에 사용되는 참조 부호의 목록이 제공된다.
α: 앵커 거리
β: 열 검출기의 선폭
ω: 전기 전도체의 두께, 즉, 금속막 두께
10: 프로브
12: 프로브 본체
14: 접촉 패드
16: 전선
18: 캔틸레버
22: 테스트 샘플
24: 접촉 프로브
26: 열 검출기
28: 전기 전도체
30: 원위 단부
32: 전면
34: 제1 아암
36: 제2 아암
38: 전방 세그먼트
40: 돌출부
42: 제2 열 검출기
44: 막
46: 막 에지
48: 검출기 단부

Claims (15)

  1. 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위해 프로브를 상기 테스트 샘플에 접근시키는 방법에 있어서,
    상기 방법은, 제1 캔틸레버(cantilever)를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체 및 제1 열 검출기를 갖는 프로브를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 캔틸레버는, 상기 평면에 의해 지지되는 제1 근위 단부(proximal end)와 상기 제1 근위 단부의 반대쪽에 있는(opposite) 제1 원위 단부(distal end) 사이에서 상기 평면에 대하여 공면(co-planar) 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 캔틸레버는 제1 접촉 프로브를 지지하는 캔틸레버 표면을 가지며,
    상기 제1 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지되는 제2 근위 단부와 상기 제2 근위 단부의 반대쪽에 있는 제2 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 열 검출기는 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
    상기 방법은,
    상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하는(establish) 단계;
    상기 전기 전도체에 전류를 주입하는 단계;
    전자 회로를 제공하고, 상기 전자 회로를 상기 전기 전도체에 접속시키며, 상기 프로브를 상기 테스트 샘플 쪽으로 이동시키면서 상기 전자 회로에 의해 상기 온도 종속 전기 저항을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 접촉 프로브가 상기 테스트 샘플에 근접하거나 상기 테스트 샘플과 접촉한 것의 발생을 나타내는 제1 문턱값에 상기 온도 종속 전기 저항이 도달할 때 상기 프로브를 정지시키는 단계
    를 더 포함하는 것인, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로브는 상기 평면에 대해 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되는 제2 캔틸레버를 갖는 것인, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 종속 전기 저항 양단의 전압 강하를 측정함으로써 상기 온도 종속 전기 저항을 측정하는 단계를 포함하는, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로브는 상기 평면에 대해 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되는 제2 열 검출기를 갖는 것인, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 검출기는 상기 프로브 본체에 대한 루프(loop)를 규정하는 것인, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 상기 온도차를 확립하기 위해 히터 또는 냉각기를 제공하는 단계를 포함하는, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류는, 상기 전기 전도체가 실온보다 높은 온도로 가열되게 하는 진폭을 갖는 것인, 프로브를 테스트 샘플에 접근시키는 방법.
  8. 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템은, 제1 캔틸레버를 지지하기 위한 평면을 규정하는 프로브 본체 및 제1 열 검출기를 포함하는 프로브를 포함하고,
    상기 제1 캔틸레버는, 상기 평면에 의해 지지되는 제1 근위 단부와 상기 제1 근위 단부의 반대쪽에 있는 제1 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 캔틸레버는 제1 접촉 프로브를 지지하는 캔틸레버 표면을 가지며,
    상기 제1 열 검출기는, 상기 평면에 의해 지지되는 제2 근위 단부와 상기 제2 근위 단부의 반대쪽에 있는 제2 원위 단부 사이에서 상기 평면에 대하여 공면 관계로 상기 프로브 본체로부터 연장되고, 상기 제1 열 검출기는 온도 종속 전기 저항을 갖는 전기 전도체를 지지하는 검출기 표면을 가지며,
    상기 시스템은,
    상기 전기 전도체와 상기 테스트 샘플 간의 온도차를 확립하기 위한 히터 또는 냉각기;
    상기 온도 종속 전기 전도체에 전류를 주입하기 위해 상기 전기 전도체와 상호 접속된 전원;
    상기 프로브를 상기 테스트 샘플 쪽으로 이동시키기 위한 액추에이터; 및
    상기 온도 종속 전기 저항을 측정하고, 상기 온도 종속 전기 저항을 문턱값과 비교하기 위한, 상기 전기 전도체와 상호 접속된 전자 회로
    를 더 포함하는, 테스트 샘플의 전기적 특성을 테스트하기 위한 시스템.
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