KR20020006032A - 원자력 현미경용 액티브 프로브 및 그 이용방법 - Google Patents

Abstract

주기 모드와 접촉 모드에서 모두 작동가능한 AFM Z-위치 액츄에이터(16)와 자체-동작 Z-위치 캔틸레버(20)를 조합한 AFM(10)이 공개되며, AFM(10)은 고속 이미징과 정확한 Z-위치 측정을 얻기 위해 적절한 피드백 제어 회로를 가진다. 샘플 표면 분석을 위한 AFM(10)의 선호되는 실시예는 Z-위치설정 요소를 가지는 자체-동작 캔틸레버(20)와, 세트포인트값과 동일한 진동 진폭에서 자체-동작 캔틸레버(20)의 공명 주파수와 동일한 주파수로 자체-동작 캔틸레버(20)를 진동시키는 발진기를 포함한다. AFM은 제 2 피드백 회로 내에 제 1 피드백 회로(12)를 포함하고, 상기 제 1 피드백 회로는 주사 작동 중 자체-동작 캔틸레버(20)의 수직 변위에 따라 캔틸레버 제어 신호를 발생시키며, 제 2 피드백 회로(14)는 캔틸레버 제어 신호에 따라 위치 제어 신호를 발생시킨다. 제 2 피드백 회로(14) 내에는 Z-위치 액츄에이터가 또한 포함되고, 샘플 표면의 형태에 따라 샘플을 위치를 나타낸다. 작동 중에, 캔틸레버 제어 신호만으로 샘플 표면의 형태를 나타낸다. 추가적인 실시예에서, 제 1 피드백 회로(12)는 캔틸레버 응답의 대역폭 최적화를 위해 캔틸레버 응답의 품질 인자("Q")를 수정하기 위한 액티브 댐핑 회로를 포함한다.

Description

원자력 현미경용 액티브 프로브 및 그 이용방법{ACTIVE PROBE FOR AN ATOMIC FORCE MICROSCOPE AND METHOD OF USE THEREOF}

한스마(Hansma) 외 다수에게 특허된 미국특허 RE34,489에 기술되는 원자력 현미경(AFM)은 주사 프로브 현미경("SPM")의 일종이다. AFM은 고분해능 표면 측정 기구이다. AFM의 두 일반적 종류는 접촉 모드 AFM(리펄시브 모드 AFM)과, 주기 모드 AFM(태핑모드 AFM)이 있다. 태핑모드 AFM(TappingMode AFM)은 뉴욕, 플레인 뷰 소재의 Veeco Instrument, Inc.의 등록 상표다.

접촉 모드 AFM은 한스마의 특허에서 상세하게 기술된다. 일반적으로, 접촉 모드 AFM은 휘어지는 캔틸레버와 팁을 가지는 프로브를 특징으로 한다. AFM은 샘플 표면에 직접 팁을 위치시키고 표면을 옆으로 주사함으로서 동작한다. 주사 시에, 캔틸레버는 샘플 표면 높이 변화에 따라 구부러지고, 이 구부러짐은 샘플 표면 매핑을 위한 AFM 편향 감지 시스템에 의해 감시된다. 이러한 접촉 모드 AFM의 편향 감지 시스템이 한스마에서 설명되는 일반적인 광학 광선 시스템이다.

통상적으로, 샘플 표면에 대한 캔틸레버의 고정 단부의 높이는 피드백 신호로 조절된다. 상기 피드백 신호는 측방 주사중 캔틸레버의 휨을 지정 크기로 유지하도록 작동한다. 이 지정 크기는 바람직한 값으로서, 세트포인트라 불린다. 일반적으로, 캔틸레버 휨의 세트포인트를 생성하는 기준 신호가 피드백 루프의 한 입력에 공급된다. 피드백 루프에 의해 발생된 피드백 신호를 시스템 내의 액츄에이터에 공급함으로서, 캔틸레버 편향은 세트포인트값에서 일정하게 유지될 수 있다. 조절량(세트포인트값에서 캔틸레버 휨을 유지하기 위해 공급되는 피드백 신호를 감시함으로서 얻어짐) 대 캔틸레버 팁의 측방 위치를 그래프로 나타냄으로서, 샘플 표면의 맵이 생성될 수 있다.

두 번째 일반적인 AFM은 주기 모드, 또는 태핑모드 AFM으로서, 주사 중 샘플에 적용되는 힘을 감소시키기 위해 캔틸레버의 진동을 이용한다. 접촉 모드 AFM에 비해, 주기 모드의 프로브 팁은 샘플 표면과 접촉하고, 그렇지 않을 경우 팁이 표면에서 주사될 때 간헐적으로만 상호작용한다. 주기 모드 AFM은 Elings 외 다수에게 특허된 미국특허 5,226,801 호와 5,412,980 호, 그리고 5,415,027 호에 기술된다.

미국특허 5,412,980 호에서, 캔틸레버의 공명 주파수나 그 근처에서 프로브가 진동하는 주기 모드 AFM이 공개된다. 주기 모드로 이미징을 실시할 때, 접촉 모드에서 캔틸레버의 바람직한 편향 크기와 마찬가지로, 사용되는 특정 캔틸레버와 관련된 바람직한 팁 진동 진폭이 있다. 캔틸레버 진동의 바람직한 진폭은 바람직한 세트포인트값에서 일정하게 유지된다. 동작 중에, 이는 바람직한 진동 진폭에 상응하는 신호를 수신하기 위한 세트포인트 입력을 가지는 피드백 루프의 이용을 통해 달성된다. 피드백 회로는 프로브가 샘플 표면 구조를 따르도록 피드백 제어 신호를 Z-액츄에이터에 공급함으로서 샘플이나 캔틸레버 마운트의 수직 위치를 서보기구로 제어한다.

일반적으로, 샘플 표면에 충돌하거나 샘플 표면과 상호작용함으로서 각 주기에서 캔틸레버가 잃는 에너지보다 훨씬 큰 값에서 캔틸레버 아암의 에너지를 유지하도록 20nm 피크 간격보다 크게 팁의 진동 진폭이 설정된다. 이는 샘플 표면에 프로브 팁이 들러붙는 것을 방지하는 추가적인 장점을 제공한다. 종국에, 샘플 높이 데이터를 얻기 위해, 주기 모드 AFM은 설정된 세트포인트 유지를 위해 생성되는 Z-액츄에이터 피드백 제어 신호를 감시한다. 팁의 발진 진폭의 감지된 변화와 그 결과적인 피드백 제어 신호는 특정 표면 구조 특성을 나타낸다. 이 변화를 캔틸레버의 측방 위치로 나타내면, 샘플 표면의 맵이 생성된다.

특히, AFM은 집적 회로 및 데이터 저장 산업에서의 제작 환경에 유용한 방법론적 기구로 받아들여져 왔다. AFM의 보다 광범위한 이용에 대한 제한 요소는 경쟁 기술에 비해 AFM의 이미징 속도가 느려서 기계당 생산성이 제한되는 것이다. 샘플의 표면 구조 측정을 위해 AFM을 사용하는 것이 가끔 바람직하지만, 일반적으로 제품 생산에 사용하기에는 AFM의 속도가 너무 느리다. 가령, 대부분의 경우에, AFM 기술은 수많은 기계들이 전형적인 생산 속도를 유지하는 것을 필요로한다. 그 결과, 표면 측정에 AFM 기술을 이용하는 것은 측정당 단가가 높은 시스템을 생산한다. AFM 기술과 관련된 이들 결함에 수많은 요소가 관계되어 있으며, 아래에서 이것들이 설명될 것이다.

AFM 이미징은 샘플의 표면 구조의 기계적 측정이다. 즉, 측정의 대역폭 제한은 기계적 제한사항이다. 이미지는 이미징 영역 위에 프로브의 래스터 주사로부터 구성된다. 접촉 모드 및 주기 모드 모두에서, 프로브의 팁은 주사 크기와 주사 주파수의 산물과 같은 속도에서 샘플 표면간을 주사하게 된다. 앞서 논의한 바와 같이, 샘플 표면에 대한 캔틸레버의 고정 단부의 높이는 샘플 표면에 대해 일정 힘(접촉 모드)이나 일정 진동 진폭(주기 모드)을 유지하기 위하여 주사 속도보다 훨씬 큰 속도로 주사 중에 조절될 수 있다.

특히, 선택된 캔틸레버의 특정 응용에 대한 대역폭 요구사항은 일반적으로 미리 지정된다. 따라서, 높이 조절의 대역폭이 팁 속도뿐만 아니라 샘플 구조에도 의존함을 명심할 때, 필요한 Z-위치 대역폭은 주어진 샘플 구조에 대한 최대 주사 속도를 제한한다.

더욱이, 이러한 피드백 시스템에서 AFM의 대역폭은 시스템의 한 성분의 개루프 대역폭보다 낮은 것이 일반적이다. 특히, 어떤 성분의 3dB 롤-오프 주파수에 접근함에 따라, 응답의 위상은 진폭 응답의 손실 이전에 크게 지연된다. 루프가 불안정할 정도로 시스템 내 모든 성분의 총 위상 래그가 충분히 큰 경우의 주파수는 루프의 궁극적인 대역폭 한계다. AFM 설계시, 가장 낮은 응답 대역폭을 보이는 루프의 성분이 설계 개선사항에 초점을 맞추길 원하지만, 루프 일부에서 위상 래그의 감소는 AFM의 대역폭을 전체적으로 증가시킬 것이다.

접촉 모드 AFM을 참고할 때, 캔틸레버 편향 감지 장치의 대역폭은 팁의 샘플과의 상호작용으로 인한 캔틸레버의 기계적 공명에 의해 제한된다. 이 대역폭은 캔틸레버의 뻣뻣함과 함께 증가한다. 특히, 비록 증가하는 이미징 힘이 타협될 수 있지만, 캔틸레버의 기계적 공명이 편향 감지 장치의 대역폭에 대한 제한 요소가 아니도록 이 뻣뻣함이 충분히 높게 만들어질 수 있다.

그럼에도 불구하고, 접촉 모드에서, Z-위치 액츄에이터는 Z-위치 대역폭을 제한한다. 특히, AFM에 대한 Z-위치 액츄에이터는 큰 동적 범위와 높은 감도를 위해 선택되는 피조-튜브나 피조-스택 액츄에이터이다. 이러한 장치들은 1KHz 범주에서 샘플과 접촉하게 되는 AFM 캔틸레버의 경우보다 한참 아래의 기계적 공명을 가지며, 그래서 Z-위치 대역폭을 제한한다.

마날리스 외 다수(Manalis, Minne, Quate의 "Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with and integrated actuator and sensor", Applied Physics Letter, 68(6) 871-3(1996))는 Z-위치 액츄에이터를 캔틸레버 빔과 통합함으로서 접촉 모드 이미징이 가속될 수 있다는 것을 보여주었다. ZnO와 같은 압전 박막이 캔틸레버의 팁-측부에 증착되었다. 박막은 캔틸레버를 바이모프(bimorph)로 작용하게 하여, 전압에 따른 응력이 가해짐에 따라 캔틸레버가 휘게한다. 1도나 심지어 그 이하의 캔틸레버 휨은 Z-위치 범위를 미크론 수준이게 한다. 더욱이, 캔틸레버에서 Z-위치 액츄에이터를 구현하는 것은 접촉 모드 AFM의 Z-위치 대역폭을 10배 이상 증가시킨다.

그럼에도 불구하고, 이러한 AFM은 다른 공지 AFM과 관련되지 않은 Z-위치설정과의 새로운 문제점을 나타낸다. 가령, 캔틸레버와 통합된 Z-액츄에이터의 범위는 여러 AFM 샘플을 이미징하기에 필요한 정도보다 작다. 추가적으로, 각 캔틸레버의 위치설정 감도가 서로 다르기 때문에, AFM은 마모된 팁으로 인해 프로브가 변화할 때마다 재측정(recalibration)을 필요로 한다. 더욱이, 일부 경우에 감도는 낮은 주파수에서 바람직하지 못한 비-선형을 나타낸다. 이 문제들은 캔틸레버와 통합된 Z-액츄에이터를 상용 AFM에서 Z-액츄에이터로 이용하기에 잘못된 선택이게 할 수 있다.

더욱이, 여러 AFM 이미징 분야에서, 접촉 모드 동작의 이용은 받아들여질 수 없다. 팁과 샘플 표면간 마찰은 이미징 영역을 손상시킬 뿐 아니라 팁의 날카로움을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해 고려되는 여러 응용 분야에 대해, 선호되는 작동 모드는 주기 모드, 즉 태핑모드이다. 그러나, 주기 모드 감지와 관련된 대역폭 제한은 접촉 모드 작동과 관련된 대역폭 제한보다 훨씬 크다.

주기 모드 작동이나, 비-연속 접촉 모드 작동에서, AFM 캔틸레버는 정상 상태 진동에서 공명 빔으로 작용한다. 캔틸레버에 힘이 가해질 때, 진동 진폭이나 주파수의 변화로 힘이 측정될 수 있다. 주기 모드 작동과 관련된 한가지 문제점은 이 힘에 대한 응답의 대역폭이 1/Q(이때, Q는 자연 공명 피크의 "품질 인자")이고, 상기 측정에 대한 힘의 감도가 자연 공명 피크의 Q에 비례한다는 점이다. 여러 이미징 장치 분야에서, 대역폭은 주사 속도의 주도니 제한 요소이기 때문에, Q는 이미징 속도를 증가시킬 수 있도록 낮게 설계된다. 그러나, 캔틸레버의 Q를 감소시키는 것은 힘의 감지 감도를 감소시키고, 그래서 AFM 이미지에 잡음을 삽입시킨다.

주기 모드 작동에서 최적의 주사 속도 외에 달리 공헌하는 요소는 진폭 오류신호가 최대 크기를 가지는 점이다. 어떤 형태에서, 주사 AFM 팁은 드롭 변부 위를 지날 것이다. 이러할 때, 캔틸레버의 진동 진폭은 야외의 진폭처럼 증가할 것이고, 이는 표면상의 태핑에 의해 제한되지 않는다. 제어 루프의 오류 신호는 야외 진폭과 세프포인트 진폭 사이의 차이이다. 본 예에서, 오류 신호는 최대에 있고, 샘플 표면으로부터 팁 거리가 추가적으로 증가할 때 오류 신호가 증가하지 않는다. 형태 맵은 이에 상응하여 찌그러질 것이다.

마지막으로, 주기 모드에서 제어 루프의 최대 이득은 위상 편이에 의해 제한되어, 루프 대역폭을 제한한다. 이 결함의 측면에서, 원자력 현미경에 대한 Z-위치 측정은 최대 오류 신호와 최대 이득의 산물(프로덕트)에 의해 제한되는 슬루 속도(slew rate)의 특징을 가진다.

그 결과, AFM 기술은 주기 모드의 주사 속도가 크게 증가하여야할 경우에 문제점에 맞딱드린다. 메르쯔 외 다수에 의해 제시된 한가지 해법(Mertz, marti, Mlynek, "Regulation of a microcantilever response by force feedback", Applied Physics Letter 62(19) at 2344-6(1993))은 기존 주기 모드 AFM을 지향하지 않으면서도 자연 응답의 감도를 보존하면서 캔틸레버의 유효 Q를 감소시키기 위한 방법을 포함한다. 이 방법에서, 캔틸레버의 측정 응답을 바탕으로 캔틸레버에 대한 드라이버의 진폭이 수정되도록 캔틸레버 응답 드라이버에 피드백 루프가 적용된다. 이 기술은 공명 캔틸레버의 유효 Q를 수정하는 역할을 하고, "액티브 댐핑"이라 불릴 것이다. 메르쯔는 캔틸레버 빔 자체보다 서로 다른 열팽창 성질을 가진 금속층으로 캔틸레버를 먼저 코팅함으로서 캔틸레버를 열적으로 여기시킴으로서 액티브 댐핑을달성하였다. 그후, 피드백 신호에 따라, 메르쯔는 수정된 구동력을 적용하도록 캔틸레버에 입사되는 레이저를 변조하였다.

불행하게도, 이 기법은 기존 주기 모드 AFM에서 실제로 구현할 수 없다. 이 종류의 전형적인 AFM에서, 캔틸레버는 기판으로부터 뻗어가서, 캔틸레버를 공명점에서 구동하기 위해 사용되는 피조-결정에 기계적으로 장착된다. 캔틸레버는 피조-결정으로 기판을 진동시킴으로서, 또는 기판을 기계적 장착 구조물로 대체하여 피조-결정을 여기시켜서 캔틸레버를 구동함으로서 공명점에서 구동된다. 상기 기계적 장착 구조물은 피조-결정을 통합시킨다. 액티브 댐핑이 이러한 구조물에 적용될 때, 캔틸레버의 공명과는 다른 기계적 공명이 여기되고, 액티브 댐핑 피드백의 이득은 유효 캔틸레버 Q를 크게 수정하기에 충분할 정도로 증가될 수 없다. 더욱이, 메르쯔의 설계는 엄청나게 복잡하고 본 발명에 의해 고려되는 시스템을 위해 고쳐질 수 없다. 왜냐하면, 다른 사실 가운데서도 변조 레이저가 한 방향으로만 캔틸레버를 편향시키기 때문이다. 이는 출력 처리에서 설명되어야할 주파수 더블링 효과를 삽입한다. 전체적으로, 접촉 모드 AFM을 지향함에 추가하여, 메르쯔의 시스템은 복잡하고, 바람직하지 않는 저속에서 부수적으로 신뢰할만한 측정값을 생성한다.

전체적으로, AFM 이미징의 분야는 접촉 모드 및 주기 모드에서 모두 작동가능한 시스템을 필요로하고, 상기 시스템은 고속 이미징에서 고품질 이미지를 생성하여야 한다. 특히, 주기모드 AFM에 대해, 캔틸레버의 경우와는 다른 기계적 공명을 여기시키지 않으면서 액티브 댐핑으로 공명 캔틸레버의 유효 Q를 수정할 수 있는 시스템이 바람직하다. 그 결과, 시스템은 주사/이미징 속도를 최대화하기 위해캔틸레버 응답의 Z-위치 대역폭을 최적화하고 기구 감도를 보존하여야 한다.

본 발명은 원자력 현미경(AFM)에 관한 것이고, AFM Z-위치 액츄에이터와 자체-동작 캔틸레버를 조합하여 크게 증가한 이미징 속도로 고품질 이미지를 제공하는 AFM 이용 방법에 관한 것이다.

도 1은 접촉 모드 작동에서 캔틸레버 제어를 위해 자체-동작 캔틸레버와 피드백 회로를 포함하는 본 발명에 따르는 AFM의 도면.

도 2는 주기 모드 작동에서 캔틸레버 제어를 위해 자체-동작 캔틸레버와 피드백 회로를 포함하는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AFM의 도면.

도 3은 캔틸레버의 품질 인자("Q")를 수정하는 캔틸레버 구동 회로와 본 발명에 따르는 자체-동작 AFM 캔틸레버를 도시하는 도면.

도 4는 캔틸레버의 품질 인자("Q")를 수정하기 위한 캔틸레버 구동 회로와, 주기 모드에서 캔틸레버 제어를 위해 자체-동작 캔틸레버와 피드백 회로를 포함하는 본 발명에 따르는 AFM의 도면.

도 5는 통합형 열적 액츄에이터를 가지는 자체-동작 캔틸레버를 포함하는 프로브 조립체의 사시도.

본 발명은 고속 이미징 및 정확한 Z-위치 측정을 얻기 위해 적절하게 위치한 피드백 제어 회로로, AFM Z-위치 액츄에이터와 자체-동작 Z-위치 캔틸레버를 조합한다(주기 모드와 접촉 모드에서 작동가능하여야 함). 보다 일반적으로, 각 액츄에이터에 공급되는 피드백 신호는 주사 속도 및 샘플 형태에 따라, 샘플 표면의 형태를 표시하도록 독립적으로 감시될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에서, 샘플 표면의 기울기를 포함한 샘플의 저주파 표면 형태는 표준 Z-액츄에이터를 이용하고, 샘플 구조의 고주파 성분은 자체-동작 캔틸레버를 이용한다. 두 피드백 루프 모두가 사용되는 것이 선호된다. 제 1 피드백 루프는 캔틸레버 팁과 샘플 표면 사이에 상대적으로 일정한 힘을 유지하기 위해 자체-동작 캔틸레버를 제어한다. 제 2 피드백 루프는 제 1 피드백 루프보다 저속에서 표준 Z-액츄에이터를 제어하며, 1) 작동하는 Z 범위 내로 자체-동작 캔틸레버를 유지시키는 역할을 하거나, 2) 저주파 형태를 따를 때 캔틸레버의 위치 감도의 선형성을 보장하는 역할을 한다. 이 실시예는 주사 속도가 500㎛/초 미만일 정도로 충분히 낮을 때 정확한 높이 측정을 위해 표준 Z-액츄에이터가 독점적으로 사용되게 한다.

본 발명의 선호되는 실시예에 따라, 주기 모드에서 작동하는 AFM은 AFM Z-액츄에이터와 자체-동작 캔틸레버를 시스템의 적절한 피드백 제어와 함께 조합한다. 상기 시스템은 캔틸레버의 공명과는 다른 기계적 공명을 삽입하지 않으면서 자체-동작 액츄에이터를 진동시킨다. 특히, 자체-동작 캔틸레버는 캔틸레버에 기계적으로 연결되는 피조-결정을 진동시킴으로서 진동하는 것이 아니라, 그 위에 배치되는 압전 물질을 직접 여기시킴으로서 그 공명점에서 진동한다. 이는 결합 경로의 기계적 공명을 제거한다.

앞서 제시한 바와 같이, 주기 모드에서 표준 AFM의 속도는 힘 감지 회로와 Z-위치설정 장치의 루프 대역폭에 의해 제한된다. 표준 AFM과 관련된 추가적인 제한 요소는 그렇지 않을 경우 안정한 운영체제의 이득을 제한하도록 축적된 루프의 여러 성분으로부터의 위상 편이 공헌에 속한다. 그러나, 주기 모드에서 AFM의 감지 대역폭이 캔틸레버의 공명 피크 폭에 의해 여전히 제한되지만, 본 발명의 자체-동작 캔틸레버는 표준 작동 주파수에서 주목할만한 위상 편이 기여를 가지지 않는다. 따라서, 두 루프가 동일한 감지 대역폭에 의해 제한될 때, 자체-동작 캔틸레버 피드백 루프는 AFM Z-위치 액츄에이터 피드백 루프보다 훨씬 빠르다. 특히, 본 실시예는 주기 모드 진폭 편향 감지기에 의해 발생되는 것보다 더 큰 오류 신호를 제공함으로서 AFM Z-액츄에이터 피드백 루프의 속도를 또한 증가시킨다.

추가적으로, 표준 AFM Z-액츄에이터와 자체-동작 캔틸레버의 조합은 고속 주사 주기 모드에서 더 큰 유동성을 지원한다. Z-액츄에이터 피드백 루프가 작동하지 않거나 낮은 이득으로 작동할 때, 표면 구조는 자체-동작 캔틸레버에 제어 신호로 나타난다. 이 제어 신호는 AFM Z-액츄에이터 피드백 루프에 대한 오류 신호로 작용하는 것이 또한 선호된다. 제 2 피드백 루프의 이득이 최적화될 때, 즉, Z-액츄에이터가 신뢰적이지 못한 출력을 생성하지 않으면서 가능한 빨리 작동할 때, AFM Z-위치 액츄에이터에 대한 제어 신호로 표면 구조가 나타난다. 그 결과, 제어 루프 내에 자체-동작 캔틸레버를 통합함으로서, 고도로 정확한 측정값을 얻는 속도가 증가될 수 있다. 또한, 앞서의 실시예에서와 같이, 자체-동작 캔틸레버가 샘플 표면의 표면 구조를 따르는 경우에 주사로부터 기울기나 비선형성을 제거하는 데 표준 Z-액츄에이터가 사용될 수 있다. 더욱이, 피조-스택 액츄에이터와 같이 표준 Z-액츄에이터에 대한 대안으로, 자체-동작 캔틸레버에 배치되는 열적 액츄에이터가 사용될 수 있다.

발명의 또다른 선호되는 실시예는 캔틸레버의 기계적 공명의 Q를 수정하기 위해 자체-동작 캔틸레버의 통합 압전 요소를 이용한다. 작동시에, 앞서의 실시예에서와 같이, 기계적 연결된 드라이빙 피조-결정으로보다는 통합 압전 요소로 캔틸레버 공명이 여기된다. 캔틸레버 구동 신호를 제공하는 회로는 감지된 편향신호로부터의 피드백으로 캔틸레버의 Q를 수정한다. 특히, 편향 신호는 90도만큼 위상 편이되고, 캔틸레버 구동 신호에 다시 더해진다. 상기 구동 신호의 이 피드백 성분은 캔틸레버 응답의 댐핑(즉, 액티브 댐핑)을 수정하고, 그래서 Q를 제어가능하게 증가시키거나 감소시킨다. AFM Z-위치 액츄에이터와 동기적인 Z-위치설정을 위해 자체-동작 캔틸레버가 사용되는, 앞서 기술된 실시예의 구조와 함께 캔틸레버 Q의 수정이 조합될 때, 주기 모드에서 AFM의 주사 속도는 10배 이상 증가될 수 있다.

도 1에서, 접촉 모드용으로 본 발명에 따르는 AFM(10)이 도시된다. AFM(10)은 AFM Z-위치 액츄에이터(16)와 프로브 조립체(18)를 각각 제어하는 두 개의 피드백 루프(12, 14)를 포함한다. 프로브 조립체(18)는 주사 중에 샘플과 상호작용하는 팁(26)을 가지는 자체-동작 캔틸레버(20)를 포함한다. 접촉 모드로 주사할 때, 팁(26)은 샘플과 계속적으로 접촉하고, 가끔씩 샘플과 떨어진다. 가령, 라인 주사의 끝에서, 팁(26)은 샘플 표면과 떨어질 수 있다. 팁(26)이 샘플 표면을 주사할 때, 캔틸레버(20)는 피드백 루프(12)의 출력에 응답하여, 샘플 표면의 구조를 종국에 매핑할 수 있다.

캔틸레버(20)는 AFM 마운트에 장착되는 고정 단부(22)와, 팁(26)을 수용하기 위해 고정 단부(22) 반대편에 위치하는 자유 말단부(24)를 포함한다. 작동시에,팁(26)과 샘플 표면(28)간 상호작용은 캔틸레버(20)를 휘게한다. 이 편향을 측정하기 위하여, AFM(10)은 편향 감지기(30)를 포함한다. 상기 편향 감지기(30)는 다음 중 한가지 방법에 의해 캔틸레버 편향을 측정하기 위한 광학 감지 시스템일 수 있다.

1) 광선 바운스 기술(Meyer와 Amer, "Novel Optical Approach to Atomic Force Microscopy", Applied Physics Letter 53, 1045(1988); Allexander, Hellemans, Marti, Schneir, Elings, Hansma, Longmire, Gurley, "An Atomic Resolution Atomic Force Microscope Implemented Using an Optical Lever", Applied Physics Letter 65 164(1989));

2) 인터디지털 회절 격자 기술(Manalis, Minne, Atalar, Quate, "Interdigital Cantilevers for Atomic Force Microscopy", Applied Physics Letter, 69(25) 3944-6(1996); Yoralioglu, Atalar, Manalis, Quate, "Analysis and design of an interdigital cantilever as a displacement sensor", 83(12) 7405(1998년 6월);

3) 상기 이외의 공지 광학 감지 기술.

이들 광학 기반의 시스템들은 앞서 기술 중 하나에 따라 상호작용하는 광감지기와 레이저를 포함하는 것이 일반적이다. 측방 및 수직 스캐너로서 매우 작은 미세제작된 캔틸레버와 압전 포지셔너와 연계하여 사용될 때, 본 발명에 의해 고려되는 종류의 AFM은 분자 레벨까지의 분해능을 가질 수 있고, 생물학적 실체를 이미징하기에 충분히 작은 제어가능한 힘으로 작동할 수 있다.

편향 감지기(30)는 피조레지스터의 저항을 측정하기 위한 관련 브리지 회로를 갖추어 캔틸레버 내에 통합되는 피조레지스터일 수도 있다(Tortonese, Barrett, Quate, "Atomic Resolution With an Atomic Force Microscope Using Piezoresistive Detection", Applied Physics Letter, 62, 8, 834-6(1993)). 대안으로, 편향 감지기(30)는 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소의 임피던스를 측정하기 위한 회로일 수 있다.

도 1에서, AFM(10)은 편향 감지기(30)에 의해 발생되는 캔틸레버 감지 신호와 세트포인트 값을 가지는 제 1 신호의 조합에 의해 결정되는 힘에서 작동한다. 특히, AFM(10)은 차등 증폭기(32)를 포함하고, 상기 차등 증폭기(32)는 수신하여 오류 신호를 발생시키는 캔틸레버 편향 신호로부터 세트포인트 신호를 뺀다. 차등 증폭기(32)는 피드백 루프(12)의 PID 제어기와 같은 제어기(34)에 오류 신호를 전송한다. 제어기(34)는 아날로그나 디지털로 구현될 수 있고, 선형 이득이나 이보다 복잡한 연산에 의한 이득을 공급할 수 있다. 특히, 제어기(34)는 비례 이득, 통합 이득, 또는 차등 이득 중 한 개 이상에 의해 규정되는 오류 신호에 이득을 적용할 수 있다.

오류 신호에 따라 제어기(34)는 제어 신호를 발생시키고, 자체-동작 캔틸레버(20)에 배치되는 압전 요소(36)에 제어 신호를 송신한다. 제어기(34)로부터 피드백 제어 신호로 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)의 수직 위치를 제어함으로서, AFM(10)은 차등 증폭기(32)에 의해 발생되는 오류 신호를 무효화하도록 작동하는 것이 이상적이다. 오류 신호가 무효화되면, 팁(26)과 샘플 표면(28) 사이의 힘은세트포인트와 같은 일정한 값으로 유지된다. 부가적으로, 캔틸레버(20)에 송신되는 제어 신호의 전압을 증가시키기 위해 고압 증폭기가 사용될 수 있으나, 대부분의 장치에 필요한 것은 아니다.

피드백 회로(12)의 제어기(34)에 의해 캔틸레버(20)에 공급되는 제어 신호는 오류 신호로 제 2 피드백 회로(14)에 입력되어, 제 1 피드백 회로(12)가 제 2 피드백 회로(14) 내에 위치한다. 피드백 회로(14)는 제 2 제어기(38)를 포함하고, 상기 제 2 제어기(38)는 제어기(34)와 마찬가지로, 아날로그나 디지털로 구현될 수 있고 선형 이득이나 보다 복잡한 연산을 가지는 이득을 공급할 수 있다. 제어기(38)는 제 2 입력을 가지며, 액츄에이터(예를 들어 AFM Z-위치 액츄에이터(16))의 Z 중심점과 같은 제 2 세트포인트값을 가지는 비교 신호가 상기 제 2 입력에 공급된다. 이 세트포인트는 0 좌표값으로서, 캔틸레버 제어 신호 자체를 오류 신호로 만든다. 제어기(34)와 마찬가지로, 제어기(38)는 비례 이득, 일체 이득, 또는 차등 이득 중 한 개 이상의 특징을 가지는 이득으로 오류 신호(즉, 입력 신호의 차이)를 조건성절한다. 제어기(38)는 피드백 회로(12)에 의해 발생되는 제어 신호의 저주파 성분을 효과적으로 무효화시키도록 Z-위치 액츄에이터(16)에 공급되는 제 2 피드백 제어 신호를 발생시킨다. 고압 증폭기(40)가 사용되어 제어기(38)에 의해 Z-위치 액츄에이터(16)에 출력되는 제어 신호의 전압을 증가시킬 수 있고, 본 발명에 의해 고려되는 스케일의 대부분의 위치 트랜스듀서의 경우에 이러한 증폭기(40)가 요구된다.

최대 주사 속도에서 작동을 위해, Z-위치 액츄에이터(16)를 제어하는 제 2피드백 루프(14)의 이득은 0이나 그외 작은 값으로 감소된다. 그 결과, 500㎛/초보다 큰 주사 속도에서, 샘플 표면(28)의 형태는 제 1 피드백 루프(12)에 의해 자체-동작 캔틸레버에 공급되는 피드백 제어 신호로 나타난다. 이 경우에, Z-위치 액츄에이터(16)는 사전-프로그래밍된 방식으로 제어될 수 있어서, 샘플 표면(28)의 경사를 따르거나, 팁(26)의 측방 주사로 인한 결합을 제거할 수 있다.

더욱이, 본 실시예에서, 자체-동작 캔틸레버(20)의 감도는 표준 Z-위치 액츄에이터(16)로 측정될 수 있다. 감도 측정은 핌 편향 감지기(30)에 의해 측정되는 바와 같이 팁(26)의 제로 알짜 움직임을 얻기 위해 반대 방향으로 두 액츄에이터(16, 36)를 움직임으로서, 그리고 이 제로 알짜 움직임을 얻기 위해 필요한 비-제로 제어 신호를 각각 비교함으로서 달성된다.

도 2에서, 주기 모드 작동을 위해 고안된, 발명의 또다른 선호되는 실시예에 따른 AFM(50)이 도시된다. 도 1의 실시예에서와 같이 AFM(50)은 프로브 조립체(18)의 자체-동작 캔틸레버(20)와, AFM Z-위치 액츄에이터(16)를 각각 제어하는 두 개의 피드백 회로(52, 54)를 포함한다. AFM(50)은 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)에 직접 진동 전압을 공급함으로서 자체-동작 캔틸레버(20)를 진동시키는 발진기(56)를 또한 포함한다. 캔틸레버(20)의 최종 진동은 그 특정 진폭, 주파수, 위상 매개변수를 특징으로 한다. AFM Z-위치 액츄에이터(16)는 피조-튜브 액츄에이터가 선호되고, 분석될 샘플은 피조-튜브 액츄에이터 위에 배치되어 액츄에이터(16)의 움직임이 샘플의 주사 표면(28)에 수직이도록 한다.

팁(26)이 샘플 표면(28)에 근접하게 위치할 때, 팁(26)과 샘플 표면(28)간의힘은 캔틸레버의 진동 진폭을 수정한다. 도 1에 도시되는 접촉 모드 실시예와 유사하게, 편향 감지기(30)는 광선 바운스 기술, 인터디지털 회절 격자 기술, 그외 다른 광학 감지 방법 중 어느 하나에 의해 캔틸레버(20)의 편향을 측정한다.

작동 중에, 감지기(30)가 캔틸레버 편향에 관한 데이터를 얻으면, 감지기(30)는 편향 신호를 발생시키고, 이 편향 신호는 루프(52)에 의한 추가 처리를 위해 RMS-DC 변환기(58)에 의해 RMS 진폭 신호로 변환된다. 대안으로, RMS-DC 변환기(58) 대신에 락-인(lock-in) 감지나 조금 다른 진폭, 위상, 주파수 감지 기술이 사용될 수 있다.

캔틸레버 진동의 작동중인 RMS 진폭은 적어도 부분적으로 세트포인트값에 의해 결정된다. 차등 증폭기(32)는 변환기(58)에 의해 출력되는 캔틸레버 편향 신호로부터 세트포인트값에 상응하는 신호를 뺀다. 이 연산의 결과로 차등 증폭기(32)에 의해 발생되는 오류 신호는 제어기(34)로 입력된다. 제어기(34)(PID 제어기가 선호됨)는 비례, 일체, 그리고 차등 이득 중 한 개 이상을 오류 신호에 공급하고, 상응하는 제어 신호를 출력한다. 제어기(34)는 샘플 표면의 변화하는 형태를 캔틸레버가 가로지름에 따라, 캔틸레버(20)의 Z-위치를 제어하기 위해 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)에 이 제어 신호를 공급한다. 피드백 제어 신호를 공급함으로서, 피드백 루프(52)는 캔틸레버(20)의 진동 진폭이 세트포인트값으로 유지되도록 오류 신호를 무효화시킨다.

합계 증폭기(60)는 피드백 캔틸레버 제어 신호를 요소(36)에 공급하도록, 제어기(34)에 의해 출력되는 피드백 제어 신호를 구동 발진기(56)의 출력과 합한다.고압 증폭기가 사용되어, 증폭기(60)에 의해 출력되고 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)에 공급되는 가산 신호의 전압을 증가시킬 수 있다.

제어기(34)로부터 합계 증폭기(60)에 공급되는 제어 신호는 제 2 피드백 루프(54)의 오류 신호로 제어기(38)에 또한 입력되어, 제 1 피드백 루프(52)가 제 2 피드백 루프(54) 내에 위치하게 한다. 제어기(38)는 비교 신호를 수신하는 제 2 입력을 가지며, 상기 비교 신호는 AFM Z-액츄에이터(16)와 같은 액츄에이터의 Z 중앙점과 동일한 제 2 세트포인트값을 가진다. 이 세트포인트값은 0 좌표값으로서, 캔틸레버 제어 신호 자체가 오류 신호이게 한다. 제어기(38)는 비례 이득, 일체 이득, 차등 이득 중 한 개 이상을 오류 신호에 공급하고, Z-위치 액츄에이터(16)를 제어하기 위한, 따라서 샘플의 Z-위치를 제어하기 위한 상응하는 제어 신호를 출력한다. 샘플의 Z-위치의 이러한 제어는 피드백 회로에 의해 발생되는 자체-동작 캔틸레버 제어 신호의 저주파 성분을 효과적으로 무효화시키도록 작동한다. 고압 증폭기(40)가 제어기(38) 출력과 Z-위치 액츄에이터(16) 입력 사이에서 사용되어, 제어기(38)에 의해 Z-위치 액츄에이터(16)에 공급되는 제어 신호의 전압을 증가시킬 수 있고, 본 발명에 의해 고려되는 스케일의 대부분의 위치 트랜스듀서에 고압 증폭기(40)가 요구된다.

고속 주사 작동 중, 앞서 기술한 실시예에서와 같이, Z-위치 액츄에이터(16)를 제어하는 제 2 피드백 루프(54)의 이득은 0이나 그외의 작은 값으로 감소되는 것이 선호된다. 주기 모드의 경우에, Z-위치 액츄에이터(16)는 사전 지정된 방식으로 제어되어, 샘플 표면(28)의 경사를 따르거나, 팁(26)의 측방 주사로 인한 결합을 제거할 수 있다. 제 2 피드백 루프(54)의 이득이 최적화될 경우, 루프(54)에 의해 출력되는 제어 신호는 샘플 구조를 나타낸다. 그 결과, 주사 속도에 따라, 루프(52)에 의해 출력되고 특정 측방 좌표에 상응하는 피드백 캔틸레버 제어 신호는 샘플 표면(28)의 형태를 나타낸다. 이 신호들은 샘플 표면의 이미지 생성을 취해 추가 처리될 수 있다.

주기 모드나 비-접촉 모드에서 캔틸레버의 진폭 감지 대역폭은 캔틸레버의 기계적 공명 피크의 주파수 폭에 의해 제한되고, 이는 3dB 롤-오프 주파수에 의해 규정된다. 특히, 3dB 롤-오프는 F/2Q와 같고, 이때 F는 공명 피크의 중앙 주파수이고, Q는 캔틸레버 공명 피크의 품질 인자이다. 이와 같이, 공명 피크의 폭은 공명 피크의 품질 인자 Q에 비례한다.

도 3은 자체-동작 캔틸레버(20)의 Q가 편향 피드백 기술을 이용하여 어떻게 수정될 수 있는 지를 도시한다. 일반적으로, 액티브 댐핑 피드백이나 캔틸레버 구동 회로(62)는 구동 발진기(66)에 의해 출력되는 진동 전압을 수정시켜서 진폭 감지의 대역폭을 최적화할 수 있다. 액티브 댐핑 회로(62)는 편향 감지기(30)를 이용하고, 상기 편향 감지기(30)는 레이저와 광감지기를 포함하는 광학 감지 시스템으로서 광선 바운스 기술 등에 의해 캔틸레버 편향을 측정한다. 대안으로, 앞서 기술된 실시예에서와 같이, 편향 감지기(30)는 피조레지스터의 저항을 측정하기 위한 관련 브리지 회로를 갖춘 캔틸레버에 통합된 피조레지스터일 수 있고, 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)의 임피던스를 측정하기 위한 회로일 수도 있다.

캔틸레버(18)의 편향을 감지하면, 편향 감지기(30)는 액티브 댐핑 회로(62)의 위상 편이기(64)로 상응하는 편향 신호를 송신한다. 위상 편이기(64)는 감지된 편향 신호의 위상을 90도만큼 앞서거나 뒤쳐지게 한다. 이 위상 편이는 캔틸레버의 기계적 공명의 Q를 수정하도록 캔틸레버(20)의 진동 움직임의 댐핑 성분으로 작용한다. 위상 편이된 편향 신호는 합계 증폭기(68)에 의해 드라이빙 발진기(66)의 출력과 함께 더해진다. 캔틸레버(20)에 수정된 진동 전압을 공급하기 전에, 증폭기(70)가 합계 증폭기(68)의 출력을 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전요소(36) 구동을 위한 적절한 전압으로 증폭한다. 작동 중, 증폭기(70)의 출력은 캔틸레버(18)의 기계적 공명에서 자체-동작 캔틸레버(20)를 구동한다.

위상 편이된 편향 신호에 대한 발진기 신호 진폭의 상대적 이득은 캔틸레버 공명의 Q가 수정되는 정도를 결정하고, 따라서 가용 대역폭을 나타낸다. 캔틸레버 응답이 수정된 정도를 결정하기 위해 두 합계된 신호의 비가 합계 증폭기(68)에서 스케일링될 수 있다. 대안으로, 위상 편이된 신호를 스케일링하고 데이터를 수정한 공명을 얻기 위해 위상 편이기(64)와 합계 증폭기(68) 사이에 이득 스테이지(65)가 삽입될 수 있다.

합계로, 앞서 기술된 바와 같이 Q를 수정하기 위해 진동 전압을 액티브하게 댐핑함으로서, 댐핑 회로(62)는 캔틸레버(20)의 응답 대역폭을 이상적으로 최적화한다. 그 결과, AFM은 수용가능한 정도의 힘 감지 감도를 유지하면서 주사 속도를 최대화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 대안의 실시예에 따르는 AFM(80)을 도시하며, 상기 AFM(80)은 고속 주사 주기 모드 작동에서 캔틸레버(20)의 Q를 수정하도록 액티브댐핑 회로(62)(도 3)의 특징을 가지며, 두 피드백 루프(82, 54)를 포함한 AFM(50)의 특징을 통합한다. 회로(62)에 의해 출력되는 피드백 신호로 캔틸레버(20)의 응답을 액티브하게 댐핑함으로서, 힘 감지 대역폭은 Q의 상응하는 감소와 비례하여 증가한다. 전체적으로, AFM(50)의 제어 특징과 Q의 감소를 조합함으로서, AFM(80)은 주기 모드에서 훨씬 더 큰 루프 대역폭을 실현하고, 그래서 머신 당 훨씬 더 큰 생산성을 보인다.

일반적으로, AFM(80)은 다음과 같이 작동한다. 먼저, 주사 작동 중 편향 감지기(30)에 의해 얻은 편향 신호는 액티브 댐핑 회로(62)의 위상 편이기(64)에 의해 위상 편이된다. 앞서 언급한 바와 같이, 편향 신호의 위상은 90도만큼 앞서거나 뒤쳐져서, 캔틸레버(20)의 진동 움직임의 댐핑 성분으로 작용하고, 그래서 캔틸레버 Q를 수정한다. 위상 편이된 편향 신호는 합계 증폭기(68)에 의해 발진기(66)의 출력과 더해진다.

캔틸레버 공명이 수정되는 정도를 결정하기 위해 두 더해진 신호의 비가 합계 증폭기(68)에서 스케일링될 수 있다. 대안으로, 도 3과 연계하여 기술된 바와 같이, 위상-편이 신호를 스케일링하기 위해 위상 편이기와 합계 증폭기 사이에 이득 스테이지(65)가 삽입될 수 있다. 합계 증폭기(68)의 출력은 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소(36) 구동을 위한 적절한 전압으로 추가 증폭될 수 있다.

도 4에서, 증폭기(70)의 출력은 캔틸레버(20)의 자연 공명에서와 동일한 주파수에서 자체-동작 캔틸레버(20)를 구동한다. 이때 구동 주파수의 Q는 전체 루프 대역폭을 증가시키기 위해, 그래서 주사/이미징 속도를 증가시키기 위해, 액티브댐핑 회로(62)에 의해 수정된다. 본 실시예에서, 캔틸레버(20)에 배치되는 압전 요소(36)가 공명 주파수에서 캔틸레버(20)를 구동시키는 데 사용되기 때문에, 진동 전압은 관계없는 기계적 공명을 시스템에 삽입하지 않으면서 캔틸레버(20)에 직접 공급될 수 있다.

샘플 표면(28)에 팁(26)이 인접하게 위치할 때, 팁(26)과 샘플 표면(28)간 힘의 상호작용은 캔틸레버(20)의 진동 진폭을 수정시킨다. 진동 진폭의 감지된 변화에 따라 편향 감지기(30)에 의해 발생되는 편향 신호는 RMS-DC 변환기(58)에 의해 RMS 진폭 신호로 변환된다. 특히, 락-인 감지나 일부 다른 진폭, 위상, 주파수 감지 기술이 RMS-DC 변환기(58) 대신에 사용될 수 있다.

AFM(50)과 유사하게, 캔틸레버의 RMS 진폭은 차등 증폭기(32)에 의해 캔틸레버 편향 신호로부터 뺀 값인 세트포인트값에 의해 결정된다. 차등 증폭기(32)에 의해 발생된 오류 신호는 제어기(34)에 입력된다. 제어기(34)는 비례 이득, 일체 이득, 차등 이득 중 한 개 이상을 오류 신호에 공급하고, 자체-동작 캔틸레버(20)의 압전 요소(36)를 제어하여, 오류 신호를 무효화하고, 그래서 세트포인트와 동일한 값으로 캔틸레버 진동의 진폭이 일정하게 유지됨을 보장한다. 고압 증폭기가 사용되어, 캔틸레버(20)로의 신호의 전압을 증가시킬 수 있으나, 반드시 필요한 것은 아니다.

제어기(34)에 의해 캔틸레버(20)에 전송되는 제어 신호는 제 2 피드백 루프(54)의 제어기(38)에 또한 입력되어, 제 1 피드백 루프(82)가 제 2 피드백 루프(54) 내에 위치하게 한다. 제어기(38)에 입력되는 제 2 세트포인트는 AFM 액츄에이터(16)와 관련된 제로값을 가진다. 이 경우에, 캔틸레버 제어 신호는 제어기(38)에 의해 조건설정되는 오류 신호 자체이다. 또한, PID 제어기(38)는 비례, 일체, 차등 이득 중 한 개 이상을 오류 신호에 공급하여, 최적 속도로 주사할 때 자체-동작 캔틸레버에 공급되는 제어 신호의 저주파 성분을 무효화하도록 Z-위치 액츄에이터(16)를 궁극적으로 제어한다. 더욱이, Z-위치 액츄에이터(16)에 공급되는 제어 신호의 전압을 증가시키도록 고압 증폭기(40)가 사용될 수 있고, 본 발명에 의해 고려되는 스케일의 대부분의 위치 트랜스듀서에 대해 상기 고압 증폭기가 필요하다.

합계로, AFM(80)은 댐핑 회로(62)로 캔틸레버(20)의 유효 Q를 감소시킴으로서 고속 이미징과 정확한 Z-위치 측정을 동시에 얻는 방식으로 자체-동작 캔틸레버(20)와 AFM Z-액츄에이터(16)를 조합한다. 댐핑 회로(62)는 자연 응답의 감도를 보존하면서 발진기(66)에 의해 출력되는 진동 전압 신호를 액티브하게 수정하여, 캔틸레버 응답의 대역폭이 최적화함을 보장한다. 더욱이, 특정 샘플 형태와 주사 속도에 따라, 피드백 제어 신호 중 하나를 다른 피드백 제어 신호에 독립적으로 감시함으로서 상기 샘플 구조가 매핑될 수 있다.

도 5에서, 본 발명의 대안의 실시예는 앞서 실시예의 표준 AFM Z-위치 액츄에이터(16)(가령, 피조-튜브 액츄에이터)를 자체-동작 캔틸레버와 통합된 열적 응답 액츄에이터로 대체하는 과정을 포함한다. 특히, 대안의 실시예는 프로브 조립체(90)를 포함하고, 상기 프로브 조립체(90)는 AFM 기판(107) 등에 부착되는 제 1 단부(94)를 가지는 1) 자체-동작 캔틸레버(92), 2) 연장부(96), 그리고 샘플의 표면(28)을 주사하기 위한 팁(98)을 포함하는 3) 제 2 말단부(96)를 포함한다. 자체-동작 캔틸레버(92)는 그 위에 배열되는 Z-위치 요소(100)를 또한 포함한다.

발명의 본 실시예는 실리콘 물질로 이루어지는 캔틸레버(92)와, 산화아연으로 이루어지는 Z-위치설정 요소(100) 사이에 비슷하지 않은 팽창 계수를 중심으로 작동한다. 발명의 선호되는 실시예에서, 저항 히터(104)와 같은 열적 액츄에이터는 도핑 처리 등을 이용하여 캔틸레버와 통합된다.

작동 중, 열적 액츄에이터를 가열함으로서, 자체-동작 캔틸레버(92)는 바이모프(bimorph)로 작동한다. 특히, 실리콘 캔틸레버(92)와 산화아연 Z-위치설정 요소(100)의 서로 다른 열팽창계수는 가열될 때 캔틸레버(92)가 바이모프로 작동하게 한다. 이 반응의 효과는 캔틸레버(92)의 영역(106)에서 두드러진다. 특히, 앞서 실시예들의 Z-위치 액츄에이터(16)(피조-튜브 액츄에이터)와 유사하게, 프로브 조립체(90)(와 특히 열적 액츄에이터)는 상대적으로 낮은 주사 속도에서 고도로 정확한 이미징을 제공할 수 있다. 낮은 이미징 속도에서 작동할 때(가령, 500㎛/초 미만일 때), 산화아연 요소(100)는 열적 액츄에이터에 대한 기준으로 사용되고, 상기 열적 액츄에이터는 제어 루프(54)로부터 피드백 신호에 의해 제어된다. 더욱이, 산화아연 Z-위치 설정 요소(100)의 압전 효과는 고속 이미징에 대해 캔틸레버의 고속 액츄에이션을 제공한다.

전체적으로, 표준 AFM 피조-튜브 Z-액츄에이터 대신에 열적 액츄에이터를 사용함으로서, 자체-동작 캔틸레버 작동의 수직 범위가 증가하여, 수직 작동의 높은 범위를 요청하는 구조를 가지는 샘플 이미징을 위한 효과적 대안을 제공한다. 앞서기술된 실시예들의 자체-동작 캔틸레버의 액튜에이터가 Z 방향으로 2-5㎛의 범위에서 캔틸레버의 움직임을 유발할 수 있고 표준 피조 튜브 액츄에이터가 5-10㎛ 범위에서 작동하지만, 도 5에 도시되는 열적 액츄에이터는 20-100㎛와 같은 범위에서 캔틸레버 움직임을 유발할 수 있다. 본 대안의 실시예가 압전 요소로 산화아연을 이용하는 것이 선호되지만, 적절한 압전 성질을 가져서 자체-동작 캔틸레버(92)의 Z-위치설정을 제공하는 어떤 물질도 사용될 수 있다.

Claims (38)

1. 접촉 모드에서 지정 주사 속도로 샘플을 분석하는 AFM으로서,

   상기 AFM은 자체-동작 캔틸레버, 제 1 피드백 회로, 제 2 피드백 회로, Z-위치 액츄에이터를 포함하며,

   상기 자체-동작 캔틸레버는 그 위에 배치되는 Z-위치설정 요소를 가지고, 상기 캔틸레버에 부착되어 주사 과정 중 샘플과 계속적으로 접촉하는 팁을 가지며,

   상기 제 1 피드백 회로는 상기 자체-동작 캔틸레버의 수직 변위에 따라 캔틸레버 제어 신호를 발생시키고,

   상기 제 2 패드백 회로는 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 위치 제어 신호를 발생시키며, 이때 상기 제 1 피드백 회로는 상기 제 2 피드백 회로 내에 위치하고,

   상기 Z-위치 액츄에이터는 상기 위치 제어 신호에 따라, 자체-동작 캔틸레버와 샘플 사이의 공간을 변화시키도록 자체-동작 캔틸레버와 샘플 중 하나를 위치설정하는 것을 특징으로 하는 AFM.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Z-위치설정 요소는 압전 물질인 것을 특징으로 하는 AFM.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 피드백 회로는 상기 자체-동작 캔틸레버의 수직 변위를 감지하면서 상응하는 편향 신호를 발생시키는 편향 감지기를 포함하는것을 특징으로 하는 AFM.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 피드백 회로는 상기 편향 신호에 따라 오류 신호를 발생시키는 차등 증폭기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 피드백 회로는 상기 캔틸레버 제어 신호를 발생시키도록 상기 오류 신호에 이득을 공급하는 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 이득은 비례 이득, 일체 이득, 차등 이득 중 한 개 이상인 것을 특징으로 하는 AFM.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 Z-위치설정 요소는 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라, 상기 오류 신호를 무효화시키도록 상기 자체-동작 캔틸레버의 수직 변위를 이끄는 것을 특징으로 하는 AFM.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 편향 감지기는 광감지기와 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM.
9. 제 1 항에 있어서, AFM은 마운트를 포함하고, 상기 자체-동작 캔틸레버는 상기 마운트에 부착되는 제 1 단부와, 상기 팁이 위치하는 제 2 말단부를 가지는 것을 특징으로 하는 AFM.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 자체-동작 캔틸레버는 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라, 상기 팁과 상기 샘플 표면 사이에 상대적으로 일정한 힘을 유지하는 것을 특징으로 하는 AFM.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 캔틸레버 제어 신호는 샘플 표면 구조를 나타내는 것을 특징으로 하는 AFM.
12. 자체-동작 캔틸레버와 Z-위치 액츄에이터를 가지는 프로브-기반의 AFM으로 샘플을 이미징하는 방법으로서, 상기 방법은,

    - 지정 주사 속도로 샘플 표면을 자체-동작 캔틸레버로 주사하고,

    - 상기 주사 단계에 따라 캔틸레버 편향을 감지하고 상응하는 편향 신호를 발생시키며,

    - 상기 편향 신호에 따라 제 1 피드백 회로로 캔틸레버 제어 신호를 발생시키고,

    - 상기 주사 단계 중 자체-동작 캔틸레버와 표준 사이에 일정한 힘을 유지하기 위해 자체-동작 캔틸레버에 상기 캔틸레버 제어 신호를 공급하며,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 제 2 피드백 회로로 위치 제어 신호를 발생시키고, 이때 상기 제 1 피드백 회로는 상기 제 2 피드백 회로 내에 위치하며,

    - 상기 주사 단계 중 샘플 위치 설정을 위해 Z-위치 액츄에이터에 상기 위치 제어 신호를 공급하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 캔틸레버 제어 신호는 상기 샘플 표면의 고주파 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 감지 단계는 광감지기와 레이저를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 감지 단계는 광선 바운스 기술과 인터디지털 회절 격자 기술 중 하나를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 주사 속도가 500㎛보다 작을 때 위치 제어 신호 자체만으로 샘플의 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 13 항에 있어서, 상기 방법은,

    - Z-위치 액츄에이터로 자체-동작 캔틸레버를 측정하여 상기 캔틸레버 제어 신호를 이용함으로서 자체-동작 캔틸레버를 제 1 방향으로 움직이게 하고 상기 위치 제어 신호를 이용하여 Z-위치 액츄에이터를 제 1 방향과는 반대인 제 2 방향으로 움직이게 하여 자체-동작 캔틸레버의 제로 알짜 움직임을 얻으며,

    - 그후, 상기 캔틸레버 제어 신호와 상기 위치 제어 신호를 비교하는, 이상의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 주기 모드로 샘플 표면을 분석하는 AFM으로서,

    상기 AFM은 자체-동작 캔틸레버, 발진기, 제 1 피드백 회로, 제 2 피드백 회로, Z-위치 액츄에이터를 포함하며,

    상기 자체-동작 캔틸레버는 이와 통합된 Z-위치설정 요소를 가지고,

    상기 발진기는 상기 자체-동작 캔틸레버를 진동시키며,

    상기 제 1 피드백 회로는 주사 작동 중 상기 자체-동작 캔틸레버의 수직 변위에 따라 캔틸레버 제어 신호를 발생시키고,

    상기 제 2 피드백 회로는 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 위치 제어 신호를 발생시키며, 이때 상기 제 1 피드백 회로는 상기 제 2 피드백 회로 내에 위치하며,

    상기 Z-위치 액츄에이터는 상기 위치 제어 신호에 따라, 자체-동작 캔틸레버와 샘플 사이의 간격을 변화시키도록 상기 자체-동작 캔틸레버와 샘플 중 하나를 위치설정하고,

    이때 상기 자체-동작 캔틸레버는 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라, 프로브 진동의 매개변수를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 AFM.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 발진기는 상기 자체-동작 캔틸레버를 진동시키도록상기 Z-위치 설정 요소에 직접 진동 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 AFM.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 Z-위치설정 요소는 압전물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM.
21. 제 18 항에 있어서, 상기 위치 제어 신호는 상기 샘플 표면의 형태의 저주파 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는 AFM.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 저주파 성분은 표면 형태의 경사를 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM.
23. 제 18 항에 있어서, 상기 캔틸레버 제어 신호는 표면 형태 매핑에 사용되는 것을 특징으로 하는 AFM.
24. 1) 제 1 피드백 신호를 출력하는 제 1 피드백 루프,

    2) 상기 제 1 피드백 신호에 의해 제어되는 자체-동작 캔틸레버,

    3) 제 2 피드백 루프에 의해 제어되는 Z-위치 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하고,

    이때 상기 제 2 피드백 루프가 상기 제 1 피드백 신호를 오류 신호로 이용하도록 상기 제 1 피드백 루프는 상기 제 2 피드백 루프 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 AFM.
25. 자체-동작 캔틸레버와 Z-위치 액츄에이터를 가지는 프로브-기반의 AFM으로 주기 모드에서 샘플을 이미징하는 방법으로서, 상기 방법은,

    - 통합된 Z-위치설정 요소를 포함하는 자체-동작 캔틸레버로 샘플 표면을 주사하고,

    - 상기 주사 단계 중 자체-동작 캔틸레버의 편향에 따라 편향 신호를 발생시키며,

    - 자체-동작 캔틸레버를 진동시키도록 상기 Z-위치 설정 요소에 진동 구동 전압을 공급하고,

    - 상기 편향 신호에 따라 캔틸레버 제어 신호를 발생시키며,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라, 샘플에 대한 자체-동작 캔틸레버의 상대적 위치를 서보 기구로 제어함으로서 자체-동작 캔틸레버의 진동과 연계된 매개변수를 일정값으로 유지하고,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 위치 제어 신호를 발생시키며,

    - 상기 위치 제어 신호에 따라 Z-위치 액츄에이터를 제어하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 캔틸레버 제어 신호는 제 1 피드백 회로로 발생되고, 상기 위치 제어 신호는 제 2 피드백 회로로 발생되며, 상기 제 1 피드백 회로는 상기 제 2 피드백 회로 내에 위치하고, 상기 제 2 피드백 회로는 상기 제 1 피드백 회로보다 저속에서 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 Z-위치 액츄에이터는 샘플의 Z-위치를 제어하는 피조-튜브 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 25 항에 있어서, Z-위치 액츄에이터는 열적 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 28 항에 있어서, 상기 Z-위치설정 요소는 산화아연을 포함하고, 상기 자체-동작 캔틸레버는 실리콘으로 만들어진 긴 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 29 항에 있어서, 상기 방법은 상기 긴 연장부가 수직 방향으로 구부러지도록 차제 동작 캔틸레버를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 가열 단계는 자체-동작 캔틸레버에 배치되는 가열 요소를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 25 항에 있어서, 표면 형태 매핑을 위해 상기 캔틸레버 제어 신호를 이용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 프로브-기반 AFM으로 주기 모드에서 샘플을 이미징하는 방법으로서, 상기 방법은,

    - 통합된 Z-위치설정 요소를 포함하는 자체-동작 캔틸레버와, 피조 튜브 Z-위치 액츄에이터를 제공하고,

    - 캔틸레버 공명 주파수에서 지정 진동 진폭으로 상기 자체-동작 캔틸레버를 상기 Z-위치설정 요소로 진동시키며,

    - 상기 자체-동작 캔틸레버로 샘플 표면을 주사하고,

    - 상기 주사 단계에 따라 편향 신호를 발생시키며,

    - 상기 편향 신호에 따라 캔틸레버 제어 신호를 제 1 피드백 루프로 발생시키고,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 상기 진동 진폭을 일정값으로 유지시키며,

    - Z-위치 액츄에이터 제어를 위해 제 2 피드백 루프에서 상기 캔틸레버 제어 신호를 오류 신호로 이용하고, 이때 상기 제 1 피드백 루프는 상기 제 2 피드백 루프 내에 위치하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 33 항에 있어서, 상기 진동 단계는 상기 Z-위치 설정 요소에 직접 진동전압을 공급함으로서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제 33 항에 있어서, 상기 주사 단계가 500㎛/초보다 빠른 속도로 실행될 때 상기 캔틸레버 제어 신호가 샘플 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 프로브 기반 AFM으로 샘플 표면을 분석하는 방법으로서, 상기 방법은,

    - 실리콘으로 구성된 1) 긴 연장부와 산화아연으로 구성된 2) Z-위치설정 요소를 가지는 자체-동작 캔틸레버를 제공하고,

    - 지정 진동 진폭에서 캔틸레버 공명 주파수로 상기 자체-동작 캔틸레버를 진동시키며,

    - 상기 자체-동작 캔틸레버로 표면을 주사하고,

    - 상기 주사 단계에 따라 편향 신호를 발생시키며,

    - 상기 편향 신호에 따라 캔틸레버 제어 신호를 제 1 피드백 루프로 발생시키고,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 상기 진동 진폭을 일정한 값으로 유지하며,

    - 위치 제어 신호를 발생시키도록 제 2 피드백 루프에서 상기 캔틸레버 제어 신호를 오류 신호로 이용하고, 이때 상기 제 1 피드백 루프는 상기 제 2 피드백 루프 내에 위치하며,

    - 상기 자체-동작 캔틸레버의 Z-위치를 제어하기 위해 상기 위치 제어 신호에 따라 상기 자체-동작 캔틸레버를 가열하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
37. Z-위치 설정 요소를 포함하는 자체-동작 캔틸레버와, Z-위치 액츄에이터를 가지는 프로브 기반 AFM으로 주기 모드에서 샘플을 분석하는 방법으로서, 상기 방법은,

    - 자체-동작 캔틸레버를 진동시키고 캔틸레버 팁을 간헐적으로 샘플 표면과 접촉하게 하도록 진동 구동 전압을 상기 Z-위치설정 요소에 공급하고,

    - 자체-동작 캔틸레버의 편향에 따라 편향 신호를 발생시키며,

    - 상기 편향 신호에 따라 캔틸레버 제어 신호를 발생시키고,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 샘플에 대한 자체-동작 캔틸레버의 상대적 위치를 서보 기구로 제어함으로서 자체-동작 캔틸레버의 진동과 관련된 매개변수를 일정한 값으로 유지하며,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 위치 제어 신호를 발생시키고,

    - 상기 캔틸레버 제어 신호에 따라 Z-위치 액츄에이터를 제어하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 공급 단계는 샘플 표면 상의 한 점에서 팁이 간헐적으로 접촉하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.