KR19980065083A - 원자간력 현미경의 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세레버와 레이져다이오드와 감광장치로 구성되며, 미세하게 조작되는 레버 끝에 위치한 미세팁이 검사물의 표면에 작용하여 레버가 휘어지는 정도를 측정하므로서 반도체 칩등으로 구성되는 검사물의 표면 형상정보를 측정하는 원자간력 현미경의 헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 판이 강성의 유연힌지로 연결되어 레이져 이동기구를 구성하되, 고정판으로 4개의 나사구멍을 구성하고 하판과는 기울기 조절나사가 일체로 연결되어 상기 기울기 조절나사의 작동에 따른 유연힌지의 탄성변형에 의해 회동판의 일측으로 설치되는 레이져빔의 위치조절이 이루어지게하여 정확한 검사물의 형상정보를 측정할 수 있는 유연힌지를 이용한 원자간력 현미경의 헤드에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 자체강성에 의해 회동되는 유연힌지를 통해 레이져와 미세레버가 각,각 위치 및 각도조절되게하여 표면측정을 위한 위치설정 작업이 간편하고, 미세한 변형량까지 측정되게하여 검사물의 정확한 표면높이정보를 얻을 수 있도록 한 원자간력 현미경의 헤드를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

검사물이 고정되는 홀더를 X,Y,Z 측으로 이동시키는 수단으로서의 3축 스테이지와, 미세레버와 레이져다이오드와 감광장치로 구성되며 상기 검사물의 표면상에 미세레버의 미세팁을 놓이게 하고 이 미세레버의 끝단으로 레이져빔을 입사시켜 그 반사되는 레이져빔을 감광장치로 측정하여 검사물의 표면높이정보를 산출하는 헤드로 구성되는 반도체 칩 등의 원자간력 현미경에 있어서,

상기 레이져와 미세레버의 위치와 각도조절 수단으로서,

회동판과 고정판이 유연힌지에 의해 일체로 연결되며 상기 고정판으로는 4방향으로 나사구멍이 일정간격 구성되어 이 나사구멍으로 기울기 조절나사가 결합구성되는 위치결정부를 각,각 구성시켜 상기 레이져다이오드와 미세레버를 설치시키므로서 레이져빔과 미세레버의 위치와 각도조절에 따라 상기 미세레버에 반사되는 레이져빔의 위치가 제어되도록 한 원자간력 현미경의 헤드를 구비하므로서 달성된다.

Description

원자간력 현미경의 헤드

본 발명은 미세레버와 레이져다이오드와 감광장치로 구성되며, 미세하게 조작되는 레버 끝에 위치한 미세팁이 검사물의 표면에 작용하여 레버가 휘어지는 정도를 측정하므로서 반도체 칩등으로 구성되는 검사물의 표면 형상정보를 측정하는 원자간력 현미경의 헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 판이 강성의 유연힌지로 연결되어 레이져 이동기구를 구성하되, 고정판으로 4개의 나사구멍을 구성하고 하판과는 기울기 조절나사가 일체로 연결되어 상기 기울기 조절나사의 작동에 따른 유연힌지의 탄성변형에 의해 회동판의 일측으로 설치되는 레이져빔의 위치조절이 이루어지게하여 정확한 검사물의 형상정보를 측정할 수 있는 유연힌지를 이용한 원자간력 현미경의 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 칩 등의 표면을 검사를 위해서는 초정밀위치결정기구가 요구되는 것으로, 이러한 초정밀 위치결정기구로는 레이져빔 반사법을 적용하는 원자간력 현미경(ATOMIC FORCE MICROSCOPE)이 주로 사용되고 있는바,

여기서 레이져빔 반사법이란 상기한 원자간력 현미경의 헤드(HEAD)부분으로 저면에 미세한 팁을 갖는 미세레버와, 감광장치(PHOTO SENSITIVE DEVICE)와, 더불어 레이져다이오드를 구성시켜고, 상기 미세팁으로 하여금 검사물(시편)의 표면에 작용케하여 미세레버의 휘어지는 정도를 측정하므로서 검사물(시편)의 표면 높이정보를 얻게되는 방법인데, 그 수단으로서 도 1에 도시된 바와같이 상기 레이져다이오드(10)에서 입사되는 레이져빔(L)을 적용하여 상기 미세레버(20)의 끝으로 위치시킨 후 그 반사되는 레이져빔(L')을 상기 감광장치(30)로 측정하게 되며, 각각 다른 위치에서의 측정에 의해 반사되는 레이져빔(L')의 위치변화에 따라 이에 비례하게 감광장치(30)에서 전류가 발생되어 이 전류를 측정하므로서 미세레버(20)의 휘어짐에 따른 표면형상을 측정, 불량 유무를 확인하게 된다.

이와같은 레이져빔 반사방식을 이용한 원자간력 현미경은 자체가 갖는 측정 분해능이 나노미터(10^-9m)이하의 수직, 수평분해능을 가지고 있기때문에 약간의 지반흔들림이나 소음 등의 외란에도 측정에 영향을 받는 것이며, 또한 100㎛ 정도의 길이를 갖는 레버에 30㎛ 정도의 스폿(SPOT) 사이즈를 갖는 레이져빔(L,L')를 맞춘 후, 다시 그 반사되는 빛을 감광장치(30)에 맞쳐 주어야하므로 레이져다이오드(10)와 감광장치(30)가 고정된 부분을 미세하게 움직여 레이져빔(L,L')을 원하는 위치로 가져갈 수 있는 메카니즘이 요구되는 것이다.

이에, 기존의 원자간력 현미경의 헤드(100)에 적용되는 미세 이동 메카니즘에 대하여 살펴보면;

이는 주로 일반적인 힌지 즉, 일측에 회동구(40)가 구성되어 회동할 수 있는 구조를 갖는 힌지(50)와 스프링(S)을 이용한 구조로서 레이져다이오드(10) 이동기구(200)를 구성하게 되는데, 도 2에 도시된 바와같이 고정되는 미세레버(20)로 레이져빔(L,L')의 위치를 맞추기 위해 도 3에 도시된 바와같이 작동되는 상기 힌지(50)를 중앙으로 구성시키고 그 일측으로는 스프링(S)을 구성시키며, 각도조절을 위한 기울기 조절나사(60)를 4방향에 구성하므로서 상기 힌지(50)의 회동력에 스프링(S)에 의해 자체강성을 부여하여 상기 기울기 조절나사(60)의 조작을 통해 상기 미세레버(20)로 입사되는 레이져빔(L,L')의 위치를 조절하게 되는 것이며, 또한 미세레버(20)에서 반사되는 레이져빔(L,L')이 2분할되는 감광장치(30)의 포토다이오드(70)의 중앙에 정확히 위치하지 않음으로 중앙을 맞추기 위해 상기 감광장치(30)로 별도의 XY축 모션 메카니즘(300)을 구성시켜 감광장치(30)의 중앙에 정확히 맞추는 작업을 통하여 기존의 레이져빔 반사법이 이루어지는 것이었다.

하지만, 상기와 같은 종래 원자간력 현미경의 헤드(100)에 있어, 미세레버(20)로 입사되는 레이져빔(10)의 위치설정과 반사되는 레이져빔(L,L')이 포토다이오드(70)로 2분할되도록 중앙위치를 설정하는 수단으로 역학적인 구조가 복잡한 일반 힌지(50)와 스프링(S)을 사용함에 따라 기울기 조절나사(60)의 조작에 의한 레이져빔(L,L')의 위치선정 조작이 복잡할 뿐만 아니라, 스프링(S)을 이용한 구조는 강성또한 하락하게 되어 그 정밀성에 한계를 갖는 것이며, 상기 미세레버(20)에서 반사되는 레이져빔(L,L')을 포토다이오드(70)로 2분할되도록 중앙위치로의 위치이동을 위해 비교적 부피가 큰 감광장치(30)를 XY축상으로 이동시켜야 하는 메카니즘상의 문제점을 갖는 것이었다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래 원자간력 현미경에 있어 헤드부분이 갖는 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로,

본 발명의 목적은 자체강성에 의해 회동되는 유연힌지를 통해 레이져다이오드와 미세레버가 각,각 위치 및 각도조절되게하여 표면측정을 위한 위치설정 작업이 간편하고, 미세한 변형량까지 측정되게하여 검사물의 정확한 표면높이정보를 얻을 수 있도록 한 원자간력 현미경의 헤드를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

검사물이 고정되는 홀더를 X,Y,Z 축으로 이동시키는 수단으로서의 3축 스테이지와, 미세레버와 레이져다이오드와 감광장치로 구성되며 상기 검사물의 표면상에 미세레버의 미세팁을 놓이게 하고 이 미세레버의 끝단으로 레이져빔을 입사시켜 그 반사되는 레이져빔을 감광장치로 측정하여 검사물의 표면높이정보를 산출하는 헤드로 구성되는 반도체 칩 등의 원자간력 현미경에 있어서,

상기 레이져와 미세레버의 위치와 각도조절 수단으로서,

회동판과 고정판이 유연힌지에 의해 일체로 연결되며 상기 고정판으로는 4방향으로 나사구멍이 일정간격 구성되어 이 나사구멍으로 기울기 조절나사가 결합구성되는 위치결정부를 각,각 구성시켜 상기 레이져다이오드와 미세레버를 설치시키므로서 레이져빔과 미세레버의 위치와 각도조절에 따라 상기 미세레버에 반사되는 레이져빔의 위치가 제어되도록 한 원자간력 현미경의 헤드를 구비히므로서 달성된다.

도 1은 종래 원자간력 현미경 헤드의 작용상태도

도 2는 종래 원자간력 현미경 헤드의 구성도

도 3은 종래 원자간력 현미경 헤드에 있어 레이져 다이오드의 이동기구의 작 동상태를 나타낸 단면도

도 4는 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드의 사시도

도 5는 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드에 있어, 위치결정부의 작용 단면도

도 6은 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드의 사용 상태도

도면주요부위에 대한 부호의 설명

1 : 원자간력 현미경 헤드 2 : 3축 스테이지 3,3' : 위치결정부

4 : 검사 대상물 11 : 레이져다이오드 12 : 미세레버

13 : 감광장치 21 : 홀더 31,31' : 고정판

32, 32' : 회동판 33, 33' : 기울기 조절나사 34,34' : 유연힌지

121 : 미세팁 131 : 포토다이오드 311 : 나사구멍

P : 고정프레임 L,L' : 레이져빔

이하, 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의해 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드의 사시도이고 도 5는 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드에 있어, 위치결정부의 작용단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 원자간력 현미경 헤드의 사용 상태도로서 그 구성상태를 살펴보면;

고정 프레임(P)의 일측 상단과 하단으로 한쌍의 위치결정부(3,3')가 일정간격을 두고 설치되어지되, 상기 상, 하단의 위치결정부(3,3')로는 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)를 상호 대향되게 고정설치하고, 고정 프레임(P)의 타측으로는 2분할 포토다이오드(131)를 갖는 감광장치(13)가 고정결합되므로서 구성된다.

이때, 상기 위치결정부(3,3')는 도 4에 도시된 바와같이 사각체를 취하는 회동판(32,32')과 고정판(31,31')이 그 표면과 이면 정 중앙으로 유연힌지(34,34')에 의해 일체로 연결되므로서 구성되는 것으로,

상기 유연힌지((34,34')FLEXIBLE HINGE)는 강성이 높은 재료(예 : 알류미늄등)가 도 5에 도시된 바와같이 막대형태로 구성되어 상기와 같이 회동판(32,32')과 고정판(31,31')으로의 고정시 자체강성에 의해 임의의 한점을 중심으로 회동되도록 구성되며, 상기 고정판(31,31')의 상단면 4방향으로는 일정간격을 두고 나사구멍(311,311')을 구성시켜, 이 나사구멍(311,311')을 통해 기울기 조절나사(33,33')를 회동판(32,32')에 근접한 거리에 위치하도록 고정결합하게 되는데, 이와같은 위치결정부(3,3')는 고정프레임(P)의 일측으로 상,하 대향되는 형태로서 설치되는 것이다.

또한, 상기 레이져다이오드(11)와 미세레버(13)는 도 4내지 도 6에 도시된 바와같이 전술한 위치결정부(3,3')의 회동판(32,32') 일측으로 설치고정되는 것으로,

이들은 통상의 그것과 상이함이 없이 상기 레이져다이오드(11)는 외부전원과 연결되어 레이져빔(L,L')을 상기 미세레버(12)로 입사시키게 되는 것이며, 상기 미세레버(12)는 저면에 미세팁(121)이 형성되어 검사하고자 하는 대상물(4)의 표면과 맞닿게 되는 것이다.

이때, 상기 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)의 설치는 전술한 바와같이 고정프레임(P)의 일측에 일정간격을 두고 고정결합되는 한쌍의 위치결정부(3,3')의 일측 수직선상으로 설치되는 것이다.

또한, 상기 감광장치(13)는 도 4에 도시된 바와같이 사각체를 취하는 본체의 일측으로 한쌍의 포토다이오드(131)가 구성되어 상기 고정 프레임(P)의 타측에 고정결합되는 것으로,

이와같이 고정결합되는 감광장치(13)는 후술하는 3축 스테이지(2)의 조정기 회로와 전기적으로 연결되며, 전술한 미세레버(12)로부터 반사되는 레이져빔(L')이 2분할되도록 상기 포토다이오드(131)가 수직선상으로 구성되는 것이며, 본체의 일측으로는 상기 포토다이오드(131)를 통해 산출된 표면정보를 외부표시기로 보내는 출력라인과 외부전원 입력선이 구성된다.

한편, 상기와 같이 구성되는 현미경 헤드(1)의 하단으로는 검사물이 고정되는 홀더(21)와 이 홀더(21)를 X,Y,Z축으로 이동시켜 상기한 미세레버(12)의 미세팁(121)간의 간격 및 검사하고자하는 위치를 조절하는 3축 스테이지(2)가 구성된다.

따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 원자간력 현미경(M)의 결합상태와 그에따른 상호작용상태를 살펴보면;

상기 3축스테이지(2)의 상단에 구성되는 고정프레임(P)의 일측 상,하단으로 위치결정부(3,3')를 고정수단에 의해 고정결합하되, 상기 상단 위치결정부(3)의 일측에 상기 레이져다이오드(11)를 고정설치하고, 상기 하단 위치결정부(3')의 일측으로는 미세레버(12)를 고정결합하며, 이때 상기 감광장치(13)를 상기 고정프레임(P)의 타측으로 고정결합하므로서 그 조립이 완성된다.

이때, 레이져다이오드(11)와 감광장치(13)로는 외부전원이 연결되며, 각 구성요소의 고정결합은 나사 등에 의한 체결수단에 의해 이루어지는 것이다.

이렇게 결합되는 본 발명에 따른 현미경 헤드(1)는 도 6에 도시된 바와같이 3축 스테이지(2)의 홀더(21)상에 검사대상물(4)인 시편을 고정설치하되, 이를 압전소자에 의해 X(전,후), Y(좌,우), Z(상,하)으로 이동시켜, 검사대상물(4)상의 원하는 위치로 미세팁(121)을 놓이게 하고,

레이져다이오드(11)를 작동시켜 미세레버(12)의 끝단으로 레이져빔(L)을 입사시키되, 미세레버(12)상으로의 레이져빔(L) 위치조절은 레이져다이오드(11)가 고정설치된 위치결정부(3)의 기울기 조절나사(33)를 통해 이루어지게 되는데,

이때, 고정판(31)상에 4방향으로 구성된 기울기조절나사(33)는 전,후,좌,우로의 위치조절에 각,각 사용되는 것으로, 원하는 방향으로의 위치조절을 위해 기울기 조절나사(33)를 조임방향으로 조작하면 나사의 끝단이 회동판(32)에 맞닿게되어 회동판(32)상의 일측지점으로 압력을 가하게 되고, 유연힌지(34)가 압력지점의 반대쪽으로 미세하게 탄성변형을 일으키게되어 회동판(32)이 기울어지게되므로서 회동판(32)의 일측으로 부착된 레이져다이오드(11)또한 위치변형되는 것이다.

미세레버(12)상으로의 레이져빔(L) 입사위치를 옳바르게 맞춘 후에는 반사되는 레이져빔(L')의 반사각도를 조절하여 감광장치(13)의 2분할 포토다이오드(131) 중앙으로 정확하게 맞추는 작업이 실시되는데,

이는 종래와같은 감광장치의 X,Y운동 대신 미세레버(12)의 각도를 조절하므로서 반사되는 레이져빔(L')을 감광장치(13)로 맞추게 되는 것으로, 이와같은 각도조절은 전술한 레이져다이오드(11)의 위치조절방식과 같이 미세레버(12)가 고정설치된 위치조절부(3')의 기울기 조절나사(33')의 조작에 의해 이루어지게 되며,

이렇게 올바른 각도조절에 의해 감광장치(13)로 반사되는 레이져빔(L')의 위치변화와 비례 감광장치(13)내에서 전류가 발생하고, 이 전류를 외부표시기 등에 의해 측정하여 미세레버(12)의 휘어짐을 측정, 이를통해 검사대상물(4)의 표면높이정보를 얻을 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 원자간력 현미경(M)의 헤드(1)는 종래 사용되던 스프링과 힌지작용에 의한 레이져다이오드의 위치 변환 메카니즘과 감광장치의 위치조절을 위한 X,Y모션메카니즘 대신 높은 강성에 의해 미세움직임 측정에 용이한 유연힌지(34,34')를 각,각 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)의 위치와 각도조절수단으로 사용하므로서 검사의 정확성은 물론 현미경의 조작또한 간단한 것이다.

이상과 같이 본발명에 따른 반도체 칩 등의 원자간력 현미경의 헤드는 기울기를 조절하는 메카니즘으로서 스프링을 부가적으로 사용하지 않고 높은 자체강성을 갖는 유연힌지를 적용하므로서 검사대상물의 표면검사시 미세한 변형량까지도 측정이 가능하여 그 정밀성이 향상됨과 동시에 구조가 간소화 되어 각 구성요소의 위치 또는 각도조절을 위한 조작이 용이한 것으로 생산자 및 사용자에게 매우 괄목할 만한 기대효과를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 검사물(4)이 고정되는 홀더(21)를 X,Y,Z 측으로 이동시키는 수단으로서의 3축 스테이지(2)와, 미세레버(12)와 레이져다이오드(11)와 감광장치(13)로 구성되며 상기 검사물(4)의 표면상에 미세레버(12)의 미세팁(121)을 놓이게 하고 이 미세레버(121)의 끝단으로 레이져빔(L)을 입사시켜 그 반사되는 레이져빔(L')을 감광장치(13)로 측정하여 검사물(4)의 표면높이정보를 산출하는 헤드(1)로 구성되는 반도체 칩 등의 원자간력 현미경(M)에 있어서,

   상기 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)의 위치와 각도조절 수단으로서,

   회동판(32,32')과 고정판(31,31')이 유연힌지(34,34')에 의해 일체로 연결되며, 상기 고정판(31,31')으로는 4방향으로 나사구멍(311,311')이 일정간격 구성되어 이 나사구멍(311,311')으로 기울기 조절나사(33,33')가 결합구성되는 위치결정부(3,3')를 상,하로 구성시켜, 상기 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)를 설치시키므로서 레이져빔(L,L')과 미세레버(12)의 위치와 각도가 변환되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 헤드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이져다이오드(11)와 미세레버(12)의 위치, 각도조절이 상기 위치조절부(3,3') 기울기 조절나사(33,33')의 조임작업에 따른 상기 유연힌지(34,34')의 탄성변형에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 헤드