KR19980065084A

KR19980065084A - 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지

Info

Publication number: KR19980065084A
Application number: KR1019980023942A
Authority: KR
Inventors: 조장연; 권대갑; 박성림; 심종엽
Original assignee: 조장연; 광전자정밀 주식회사
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1998-10-07
Also published as: KR100280870B1

Abstract

본 발명은 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것으로;

본 발명의 목적은, 판스프링 원리를 이용한 이중복합선형 스프링 구조로서, 하나의 몸체를 이루는 초정밀 3축 스테이지를 구현하여, 이 3축 스테이지를 이용, 반도체 웨이퍼와 같은 극 미세 구조의 시편을, 측정하고자 하는 정밀 위치로 이동되게 하므로서, 시편의 표면 측정시 형상 왜곡의 주요원인이 되는 3축의 상호간섭 및 불필요한 자유도를 기구적으로 상쇄시킴과 동시에 체결에의한 오차나 마모 등의 문제점을 해결한 원자간력 현미경용 초정밀 3축스테이지를 제공함에 있는 것이다.

따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

헤드와 초정밀 위치결정기구로 구성되며, 헤드의 미세레버에 의해 입사되는 레이져를 반사시켜, 이에 반사되는 레이져를 감광장치로서 측정하여 웨이퍼 시편의 표면정보를 산출되도록 한 원자간력 현미경에 있어서;

상기, 초정밀 위치결정기구는 구성을 이루는 기초로서 베이스가 형성되고, 베이스 상부면 중앙으로는 이중복합선형 스프링구조로서, 압전소자에 의해 좌우측 방향으로 구동되는 X축 가이드와, X축 가이드 내측으로, 압전소자에 의해 전후방향으로 구동되는 Y축 가이드와, Y축 가이드 내측으로 홀더를 구비한후, 압전소자에 의해 상하 방향으로 구동되는 Z축 가이드가 일체로 형성되며 3축을 이루고, 이에, X축 가이드와, Y축가이드와, Z축 가이드가 상호 3차원 방향으로 구동됨있어 선형운동을 유도하는 수단으로서 베이스의 상부면의 X축 방향과, Y축 방향의 일측끝단 으로는 각각 감지센서(정전용량형 센서)를 갖는 센서홀더를 부착시키므로서 달성된다.

Description

원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지

본 발명은 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것으로, 더욱상세하게는 원자간력 현미경 장비를 이용, 반도체 웨이퍼와 같은 극 미세 구조의 시편 형상정보를 측정함에 있어, 이중복합선형 스프링구조를 갖는 초정밀 위치 결정기구로서 새로운 3축 스테이지를 구성하여, 웨이퍼 시편의 표면측정시 표면형상 외곡의 주요인이되는 3축의 상호간섭 및 불필요한 자유도를 상쇄되게 하는 기능으로, 초정밀 측정이 가능하도록 한 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지에 관한 것이다.

우선, 원자간력 현미경 장비(AFM : Atomic Force Microscopy)가 무엇인가에 대해 간략하게 살펴보면, 웨이퍼 표면 측정장비란 미세 레버 끝에 위치한 미세팁이 측정하고자 하는 시편의 표면과 작용하여 레버의 휘어짐에 의해 나노미터(10^-9)이하의 수직분해능과 수평분해능을 가지고 시편의 표면형상을 3차원으로 측정하는 기술장비 즉, 직역하여 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)을 뜻하는 것으로, 이는 측정되는 시편의 표면과 탐침과의 아주 작은힘 (10^-8)을 측정하여 피드백해 줌으로서 웨이퍼 시편의 높이 정보를 얻는 기술인 것이다.

이에, 상기 웨이퍼 표면 측정장비를 이용하여 시편의 표면형상 정보를 얻기위해서는 측정하고자 하는 시편을 고정함과 동시에, 미소표면의 측정이 가능하도록 시편이나 탐침을 정밀하게 이동시켜 측정위치에 정확히 위치되도록 하는 것이 무엇보다 중요하고, 이에 시편을 측정가능케 하기 위한 이동수단으로서 통상 초정밀 위치결정기구를 사용하게되는 것으로, 이와 같은 초정밀 위치결정기구는 X, Y, Z의 3축을 이루며 3차원적인 이동관계로서 시편의 표면을 측정되도록 하는 것인바, 이때 3차원 이동관계를 갖는 상기 3축은 각자의 움직임에 대하여 상호 간섭이 없이 독립적이어야 하는 것이며, 탐침이 시편의 표면에 무리한 힘을 가하지 않도록 하기 위하여 빠른 응답속도를 요구해야 하는 것이다.

그러나, 전술한 웨이퍼 표면 측정장비에 적용되고 있는 종래의 초정밀 위치결정수단의 구성을 살펴보면;

일반적인 통상의 압전소자를 직접 시편이나 탐침에 연결시켜, 압전소자의 구동에 의해 시편을 설정 위치로 이동시키며 표면을 측정되도록 한 구성인 것이다,

하지만, 상기 압전소자의 구성으로서 작용되는 구동방법은 높은 강성과 빠른 응답에 의해 원자형상을 측정할 수는 있지만, 넓은 영역(㎛의 영역)에서의 표면측정결과는, 상기 압전소자를 별도의 안내자 없이 구동되게 해야 하므로, 각 축 방향 운동이 상호 간섭하게 되어 측정의 오차 및 마모등으로 표면측정결과로서 아주 큰 왜곡을 주는 상당한 문제점을 상존시키는 것이었다.

따라서, 본 발명은 원자간력 현미경을 이용하여 시편의 표면형상을 측정함에 있어, 시편의 측정을 위한 이동수단인, 초정밀 위치결정기구의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;

본 발명의 목적은, 판스프링 원리를 이용한 이중복합선형 스프링 구조로서, 하나의 몸체를 이루는 초정밀 3축 스테이지를 구현하여, 이 3축 스테이지를 이용, 시편을 측정하고자 하는 정밀 위치로 이동되게 하므로서, 시편의 표면 측정시 형상 왜곡의 주요원인이 되는 3축의 상호간섭 및 불필요한 자유도를 기구적으로 상쇄시킴과 동시에 체결에의한 오차나 마모 등의 문제점을 해결한 원자간력 현미경용 초정밀 3축스테이지를 제공함에 있는 것이다.

이상, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;

헤드와 초정밀 위치결정기구로 구성되며, 헤드의 미세레버에 의해 입사되는 레이져를 반사시켜, 이에 반사되는 레이져를 감광장치로서 측정하여 시편의 표면정보를 산출되도록 한 원자간력 현미경에 있어서;

상기, 초정밀 위치결정기구는 구성을 이루는 기초로서 베이스가 형성되고, 베이스 상부면 중앙으로는 이중복합선형 스프링구조로서, 압전소자에 의해 좌우측 방향으로 구동되는 X축 가이드와, X축 가이드 내측으로, 압전소자에 의해 전후방향으로 구동되는 Y축 가이드와, Y축 가이드 내측으로 홀더를 구비한 수직구성으로서, 압전소자에 의해 상하 방향으로 구동되는 Z축 가이드가 일체로 형성되며 3차원 방향을 갖는 3축을 이루고, 이에, X축 가이드와, Y축가이드와, Z축 가이드가 상호 3차원으로 구동됨있어 선형운동을 유도하는 수단으로서 베이스의 상부면의 X축 방향과, Y축 방향의 일측 끝단으로는 각각 감지센서(정전용량형 센서)를 갖는 센서홀더를 부착하므로서 달성된다.

도 1은 원자간력 현미경에 있어, 헤드를 생략한 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 평면 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 구성 단면도.

도 4는 본 발명에 있어, X축 가이드의 작용상태도.

도 5는 본 발명에 있어 Y축 가이드의 작용상태도.

도 6은 본 발명에 있어 Z축 가이드의 작용상태도이고,

도 7은 본 발명에 따른 3축 스테이지를 구현한 원자간력 현미경의 사용상태 개략도로서

도면 주요부위에 대한 부호의 설명

1 : 베이스 2,2' : 센서홀더 11 : X축 가이드

12 : Y축 가이드 13 : Z축 가이드 21,21' : 감지센서 111,121,131 : 압전소자 112,122,132 : 예압공 133 : 샘플홀더 B : 볼트 G : 위치결정수단(초정밀 3축 스테이지)

H : 헤드 P : 고정공 S : 시편

T : 측정 테이블

이하, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 원자간력 현미경(AMF : Atomic Force Microscopy)에 적용되는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 평면 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 초정밀 3축 스테이지의 단면도이고, 도 4과, 도 5와, 도 6는 각각 X축, Y축, Z축 가이드의 작용상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 3축 스테이지를 구현한 원자간력 현미경의 사용상태 개략도로서 그 구성을 살펴보면;

헤드(H)와 초정밀 위치결정기구로 형성되는 원자간력 현미경에 있어, 상기 초정밀 위치결정기구는 본 발명의 주 요지인 초정밀 3축 스테이지(G)에 의해 구현되는 것으로,

초정밀 위치결정기구로서 초정밀 3축 스테이지(G)는, 사각판상의 베이스(1)와, 베이스(1) 상부면에 X축 가이드(11)와, Y축 가이드(12)와, Z축 가이드(13)로서 3차원 이동방향을 갖는 3축과, 이와 같은 각 축의 이동관계를 감지하여 움직임을 제어, 유도되게하는 센서홀더(2)(2')로서 구성된다.

이때, 상기 헤드(H)는 본 발명에 따른 초정밀 3축스테이지(G)가 적용되는 일반적인 원자간력 현미경의 형성요소로서, 그 구성은 도 7로 도시된 바와같이 레이져(10)와, 입사되는 레이져(10)를 반사되도록 하는 수단으로서 미세레버(20)와, 이에 반사되는 레이져(10)를 측정하여 감광장치에 의해 시편의 표면정보를 산출되도록 한 미세팁(30)로 구성되는 것으로, 이와 같은 헤드(H)는 통상적인 원자간력 현미경의 헤드 구성과 상이함이 없는 것이다.

한편, 본 발명의 초정밀 위치결정수단 즉, 초정밀 3축스테이지(G)를 구현하는 구성요소로서,

상기 베이스(1)는 사각판상체로서 도 1내지 도 2로 도시된 바와 같이 베이스(1) 상부면의 측면 둘레로 베이스(1)를 볼트(B)체결로서 도 7과 같이 측정 테이블(T)상에 고정하기 위한 수단으로 수직으로 관통된 다수개의 고정공(P)이 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 X축 가이드(11)는 전술한 베이스(1)의 상부면과 일체화된 구성으로서 도 1내지 도 2로 도시된 바와 같이 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링 구조로 형성된 것으로, 이와 같은 X축 가이드(11)는 좌,우측방향, 즉 도 2로 도시된 X축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구동수단으로서, X축 가이드(11)의 축선방향의 일측중앙으로 압전소자(111)를 도 1내지 도 2와 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(111)의 후측으로는 압전소자(111)에 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(112)을 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 이중복합선형 스프링 구조를 갖는 X축 가이드(11)는, 내부의 구성을 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정된 판스프링 형태로 취하게 하므로서, X축 가이드(11)가 원하는 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 구성함이 바람직하다.

또한, 상기 Y축 가이드(12)는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이 베이스(1)의 상부면, 즉 전술한 X축 가이드(11)의 내측에 수용되는 형태로서, X축 가이드(11)와 일체로 형성되어지며, 그 구성은 도 2로 도시된 바와 같이 X축 가이드(11)와 직교되는 구조로서, X축 가이드(11)와 동일한 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링 구조로 형성된 것으로, 이와 같은 Y축 가이드(12)는 전,후방향, 즉 도 2로 도시된 Y축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구동수단으로서, Y축 가이드(12)의 축선방향의 일측중앙으로 압전소자(121)를 도 1내지 도 2와 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(121)의 후측으로는 압전소자(121)에 구동 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(122)을 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 이중복합선형 스프링 구조를 갖는 Y축 가이드(12)는, 그 내부의 구성 또한 전술한 X축 가이드(11)와 동일한 구조로서, 그 방향과 형성되는 크기만 달리할뿐, 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정된 판스프링 형태를 취하도록 하여, Y축 가이드(12)가 구동됨에 있어, 원하는 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 구성하게 되는 것이다.

또한, 상기 Z축 가이드(13)는, 도 1로 도시된 바와같이 직사각의 도형체를 이루며, Y축 가이드(12)와 일체로되어, Y축 가이드(12) 상부면상에 수직구조로 돌출 형성되어지는 것으로, 그 구성은 전술한 X축 가이드(11) 및 Y축 가이드(12)와 동일한 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링 구조로 형성되며, 이와 같은 Z축 가이드(13)는 상,하방향, 즉 도 3으로 도시된 Z축 선을 따라 움직임을 갖도록 하기 위한 구조로서 X축(11) 및 Y축 가이드(12)와 수직된 형태를 취하도록 하며, 그 구동수단으로서는 Z축 가이드(13)의 축선방향의 저면 중앙으로 압전소자(131)를 도 1내지 도 3과 같은 형태로서 내설한후, 압전소자(131)의 후측으로는 압전소자(131)에 구동 예압을 주기위한 수단으로서 예압공(132)을 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 이중복합선형 스프링 구조를 갖는 Z축 가이드(13)는 전술한 바와 같이 X 축(11) 및 Y축(12) 가이드와 수직된 구조만을 취할뿐, 그 내부 구성은 전술한 X축 가이드(11) 및 Y축 가이드(12)와 동일한 구조로서, 도 3으로 도시된 바와같이 양 측단이 고정되는 판스프링 형상을 취하도록 하여, Z축 가이드(13)가 구동됨에 있어 , 원하는 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 기구적으로 상쇄시키도록 하고, 또한 압전소자(131)의 구성위치와 대향하는 Z축 가이드(13)의 상부면 중앙으로는 측정하고자 하는 시편(S)을 안착시키는 수단으로서 홀더(133)를 형성함이 바람직하다.

또한, 상기 센서홀더(2)(2')는 도 1내지 도 2로 도시된 바와같이, 베이스(1) 상부면에 있어 X축선과 Y축선이 연장되는 각 일측중앙 끝단에 형성된 것으로, 이와 같은 각 센서홀더(2)(2')내로는, 감지센서(21)(21')를 내설시키므로서, 감지센서(21)(21')에 의해 3축 스테이지의 선형운동을 유도하며, 원치않는 3축 스테이지의 선형운동에 대해어서는 그 움직임을 기구적로 상쇄시키기도록 함이 바람직하다..

이에, 상기와 같은 구성을 갖는 원자간력 현미경용 3축 스테이지의 사용에 따른 각 구성의 상호조합 관계를 살펴보면 다음과 같다.

우선, 전술한 바와 같은 구성으로서 초정밀 3축 스테이지는 별도의 체결수단이 나 결합구조를 갖지 않는 일체화된 구조로서, 베이스(1)의 상부면상에 X축 가이드(11)와, Y축 가이드(12)와, Z축 가이드(13)가 각 압전소자(111)(121)(131)에 의해 좌우, 전후, 상하로서 3차원 방향의 선형운동을 갖도록 도 1내지 도 2와 같은 구조로 형성시키고, 이와 같이 형성된 초정밀 3축 스테이지의 상부로는 도 7로 도시된 바와 같이 레이져(10)와 미세레버(20)와 미세팁(30)를 갖는 통상의 헤드(H)를 형성시키므로서 원자간력 현미경을 구성하게 된다.

이에, 상기와 같은 원자간력 현미경을 사용함에 있어, 본 발명인 3축 스테이지 사용관계 및 그에 따른 상호 작용기능을 살펴보면;

먼저, 표면을 측정하고자 하는 웨이퍼 시편(S)을 홀더(133)상에 장착시킨다.

이후, 홀더(133)에 장착된 시편(S)의 표면정보를 측정하기위해, 측정작업이 이루어지는 헤드(H)상의 미세레버(20)의 미세팁(30)으로 시편(S)을 이동시킴에 있어, 우선 X축 가이드(11)의 압전소자(111)로 외부의 별도 구성인 제어시스템에 의해 전압을 걸어주면, X축선의 압전소자(111)는 구동력을 발생하여 X축 가이드(11)를 도 4로 도시된 바와같이 X축 선의 좌우측으로 직선운동되게 하며 설정된 X축선상의 임의의 위치로 홀더(133)를 이동시키게 된다.

또한, 이와 동일한 작용원리로서 Y축 가이드(12)의 압전소자(121)는 Y축 가이드를 도 5로 도시된 바와 같이 Y축 선상의 전,후측으로 직선운동되게하여 설정된 Y축선상의 임의의 위치로 홀더를 이동시키게 되며, 이로서 X축(11)과 Y축 가이드(12)는 설정된 임의의 부분으로 정확히 위치하게 되는 것이다.

이에, 상기와 같이 X축 가이드(11)와 Y축 가이드(12)로서 정확한 위치를 설정한후, 전술한 X축(11) 및 Y축 가이드(12)의 구동원리와 동일하게 Z축 가이드(13)의 압전소자(131)를 구동시키게 되면, Z축 가이드(13)는 도 6으로 도시된 바와 같이 Z축 선상의 상,하방향으로 이동되며 홀더(133)상에 장착된 시편(S)의 표면정보를 레이져에 의해 측정하게 되고, 이에 재차 Z축의 움직임이 시편의 표면형상을 따라가도록하여 Z축의 움직임으로 시편(S)의 표면형상을 산출하게 되는 것이다.(도면 미설명 부호 40은 감광장치)

한편, 상기와 같이 3차원 방향으로 구동관계를 갖는 X, Y, Z축 가이드(11)(12)(13)의 작용원리는 도 4내지 도 6으로 도시된 바와같이 이중복합선형 스프링구조를 갖는 판스프링 원리를 이용하므로서 그 구동을 가능하게 한 것이고, 전술한 센서홀더(2)(2')는 3축이 구동됨에 있어, 감지센서(21)(21')에 의해 그 움직임을 감지되게하여 3차원적인 움직임을 유도함과 동시에 원하는 운동방향이외의 구동에 대해서는 그 구동을기구적으로 상쇄시키게 하는 기능으로서 구성된 것이다.

이상, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지는 이중복합선형 스프링구조로서, X, Y, Z축 가이드를 별도의 체결수단을 이용하지 않고 일체로 형성되도록 하여 체결구성에 따른 오차나 마모 등의 문제를 해결하며 그 구성을 간소화 시킨 것으로, 제품양산에 따른 제조효율을 상승되도록 한 것일뿐만 아니라, 특히, 일체화된 이중복합선형 스프링구조와 함께 센서홀더를 이용, 3차원방향으로의 이동을 용이하게 유되게하므로서 3축의 상호 간섭 및 불필요한 자유도를 기구적으로 상쇄되게하여 웨이퍼의 표면측정시 작용효율을 증대시킨 것으로 사용자에게 매우 괄목할 만한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims

헤드(H)와 초정밀 위치결정기구(G)로 구성되며, 헤드(H)의 미세레버(20)에 의해 입사되는 레이져(10)를 반사시켜, 이에 반사되는 레이져(10)를 감광장치로서 측정하여 시편(S)의 표면정보를 산출되도록 한 원자간력 현미경에 있어서;

상기, 초정밀 위치결정기구(G)는 구성을 이루는 기초로서 베이스(1)가 형성되고, 베이스(1) 상부면 중앙으로는 이중복합선형 스프링구조로서, 압전소자(111)에 의해 좌우측 방향으로 구동되는 X축 가이드(11)와, X축 가이드(11) 내측으로, 압전소자(121)에 의해 전후방향으로 구동되는 Y축 가이드(12)와, Y축 가이드(12) 내측으로 홀더(133)를 구비한 수직구성으로서, 압전소자(131)에 의해 상하 방향으로 구동되는 Z축 가이드(13)가 일체로 형성되며 3차원 방향을 갖는 3축을 이루고, 이에, X축 가이드(11)와, Y축가이드(12)와, Z축 가이드(13)가 상호 3차원으로 구동됨있어 선형운동을 유도하는 수단으로서 베이스(1)의 상부면에 각 감지센서(21)(21')를 갖는 센서홀더(2)(2')가 부착되는 것을 포함하여서 형성됨을 특징으로 하는 웨이퍼 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지.