KR20080110234A - The head module of atomic force microscope - Google Patents

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    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Abstract

A head module of an atomic force microscope is provided to measure the bending of a cantilever and z-axis movement displacement of a probe simultaneously. A scanner(53) is formed of a piezo-electric ceramic element. A cantilever(55) is mounted at an end of a parent plate(50) attached to the scanner. A probe(57) is positioned at an end of the cantilever. A diffraction grid(72) generates at least two or more diffracted light beams(62,64,66) for a laser beam(60) generated in an optical unit. Detectors(82,84) detect the diffracted beams.

Description

원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부{The head module of atomic force microscope}The head module of atomic force microscope

도 1은 일반적인 원자 탐침 현미경의 구조를 나타낸 도면.1 shows the structure of a typical atomic probe microscope.

도 2는 일반적인 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부를 나타낸 사시도.Figure 2 is a perspective view showing a head module portion of a general atomic probe microscope.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부의 구조를 나타낸 도면.3 is a view showing the structure of the head module of the atomic probe microscope according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *Explanation of reference numerals for the main parts of the drawing

1, 53 ; 스캐너, 8, 55 ; 캔틸레버,1, 53; Scanners, 8, 55; Cantilever,

9, 57 ; 탐침, 62, 64, 66 ; 회절광,9, 57; Probes, 62, 64, 66; Diffraction Light,

70, 82, 84 ; 디텍터, 72 ; 회절격자 70, 82, 84; Detector, 72; Diffraction grating

본 발명은 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔틸레버의 휨을 측정함과 동시에 탐침의 상하방향 이동 변위를 측정하여 AFM의 형상 측정 오차값을 감소시키는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부에 대한 것이다.The present invention relates to a head module portion of an atomic probe microscope, and more particularly, to measure the bending of the cantilever and simultaneously measure the vertical displacement of the probe to reduce the shape measurement error value of the AFM. It is about.

원자 탐침 현미경(atomic force microscope; AFM)은 주사 탐침 현미 경(scanning probe microscope; SPM) 중 하나의 것으로 나노 스케일의 기술 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. Atomic force microscopes (AFMs) are one of the scanning probe microscopes (SPMs) and are widely used in the nanoscale art.

도 1은 일반적인 원자 탐침 현미경의 구조를 나타낸 도면으로써, 통상적으로 사용되고 있는 원자 탐침 현미경을 나타낸 것이며, 도 2는 일반적인 원자 탐침 현미경 헤드를 나타낸 사시도이다. 1 is a view showing the structure of a general atomic probe microscope, showing a conventional atomic probe microscope, Figure 2 is a perspective view showing a general atomic probe microscope head.

도면을 참조하면, 상기 원자 탐침 현미경은 헤드 모듈부(10), 스캔 콘트롤(40) 및 디스플레이(30)로 이루어진다. 상기 헤드 모듈부(10)는 압전튜브로 구성된 스캐너(1), 상기 스캐너(1)와 연결된 모판(3), 상기 모판(3)의 끝단에 위치하는 캔틸레버(8), 상기 캔틸레버(8)의 끝에 위치하는 탐침(9), 레이저(4), 캔틸레버(8) 윗면에서 반사된 레이저 빔을 디텍터(7)에 의해 검출되도록 전달하는 광학기기(5)로 구성된다. Referring to the drawings, the atomic probe microscope consists of a head module unit 10, a scan control 40 and a display 30. The head module unit 10 includes a scanner 1 composed of a piezoelectric tube, a mother plate 3 connected to the scanner 1, a cantilever 8 positioned at an end of the mother plate 3, and the cantilever 8. It consists of an optical instrument 5 which transmits the laser beam reflected from the probe 9 located at the end, the laser 4, and the upper surface of the cantilever 8 to be detected by the detector 7.

상기 탐침(9)을 시료(20) 표면에 접근시키면 상기 탐침(9) 끝의 원자와 상기 시료(20) 표면의 원자 사이에 인력 또는 척력이 작용하고, 그에 의해 상기 탐침(9)과 연결된 상기 캔틸레버(8)는 휨이 발생한다. 상기 캔틸레버(8)가 하향 또는 상향으로 휘는 것을 측정하기 위하여, 상기 광학기기(5)의 레이저에서 발생한 빔(6)을 상기 캔틸레버(8)에 비추고, 상기 캔틸레버(8) 윗면에서 상기 레이저 빔(6)이 반사된다. 상기 반사된 레이저 빔(6)의 각도를 디텍터(7)를 사용하여 측정함으로써 상기 캔틸레버(8)의 휨정도를 측정할 수 있다. When the probe 9 approaches the surface of the sample 20, an attractive force or repulsive force is applied between an atom at the tip of the probe 9 and an atom of the surface of the sample 20, whereby the probe 9 is connected to the probe 9. The cantilever 8 is warped. In order to measure the bending of the cantilever 8 downwardly or upwardly, the beam 6 generated by the laser of the optical device 5 is illuminated on the cantilever 8 and the laser beam (above the upper surface of the cantilever 8). 6) is reflected. By measuring the angle of the reflected laser beam (6) using the detector (7) it is possible to measure the bending degree of the cantilever (8).

상기 디텍터(7)로 측정된 상기 탐침(9)의 움직임을 상기 스캐너(1)에 피드백하고, 상기 스캔 콘트롤(40)에 의해 상기 캔틸레버(8)가 일정하게 휘도록 유지시킨 다. 따라서, 상기 탐침(9)과 상기 시료(20) 사이의 간격은 일정해지고, 이때의 각 지점(x, y)에서 상기 스캐너(1)의 수직위치(z)를 저장하여 상기 시료(20) 표면의 삼차원 디스플레이(30)를 얻을 수 있다. The movement of the probe 9 measured by the detector 7 is fed back to the scanner 1, and the scan control 40 keeps the cantilever 8 constant. Therefore, the interval between the probe 9 and the sample 20 becomes constant, and the vertical position z of the scanner 1 is stored at each point (x, y) at this time, so that the surface of the sample 20 The three-dimensional display 30 of can be obtained.

통상적인 원자 탐침 현미경의 경우 상기 탐침(9)에서 발생된 변위를 측정하여 상기 시료(20)의 형상 정보를 얻는 것이 아니라, 상기 스캐너(1)의 인가전압으로부터 형상 정보를 얻는다. 즉, 상기 탐침(9)과 일정하게 유지된 시료(20)와의 거리에서 상기 캔틸레버의 휜 거리만큼 상기 스캐너(1)의 z축 전기판에 전압을 가하게 되고, 이때의 가해진 전압이 측정지점에서의 데이터가 된다. In the case of the conventional atomic probe microscope, the shape information of the sample 20 is not obtained by measuring the displacement generated by the probe 9, but is obtained from the applied voltage of the scanner 1. That is, a voltage is applied to the z-axis electric plate of the scanner 1 by the distance of the cantilever from the distance between the probe 9 and the sample 20 held constant, and the applied voltage at this point is Data.

상기 스캐너(1)는 통상적으로 압전 세라믹 소자로 구성되며, 일반적으로 PZT(lead-zirconium-titanate) 소자를 사용한다. 상기 PZT 소자는 압전 구동기의 특성으로 인해 히스테리시스(Hysteresis)나 크립(Creep) 현상이 발생되고, x축 및 y축 방향으로 스캐닝을 할 때 곡선 모양의 운동(Curvilinear motion)이 발생되므로, 그로 인해 후보정이 반드시 필요한 문제점이 있다. The scanner 1 is typically composed of a piezoelectric ceramic element, and generally uses a lead-zirconium-titanate (PZT) element. The PZT device has hysteresis or creep due to the characteristics of the piezoelectric driver, and curvilinear motion occurs when scanning in the x- and y-axis directions. This is a necessary problem.

따라서, 스캐너인 PZT 소자가 갖는 비선형적인 특성이 형상 측정값에 영향을 주게 된다. 이를 해결하기 위해, 스캐너에 위치 센서를 부착하여 스캐너의 실제 움직임을 측정하고 스캐너의 복잡한 특성을 보상하는데 활용하기도 하지만, 많은 부가 시스템을 필요로 하여 고비용이 소모되는 문제가 있다. Therefore, nonlinear characteristics of the PZT element, which is a scanner, affect the shape measurement value. In order to solve this problem, a position sensor is attached to the scanner to measure the actual movement of the scanner and used to compensate for the complex characteristics of the scanner.

상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 캔틸레버의 휨을 측정함과 동시에 탐침의 z축 이동 변위를 측정하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부를 제공하는 것이다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a head module portion of an atomic probe microscope for measuring the deflection of the cantilever and at the same time measuring the z-axis displacement of the probe.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 압전 세라믹 소자로 구성된 주사 스캐너; 상기 주사 스캐너에 부착된 모판의 일측 끝단에 위치하는 캔틸레버(cantilever) 및 상기 캔틸레버의 끝에 위치하는 탐침(tip); 상기 캔틸레버 상부에 위치하는 광학부; 상기 캔틸레버의 상면에 위치하고, 상기 광학부에서 발생한 레이저 빔에 대해 적어도 2개 이상의 회절광을 생성하는 회절격자; 및 상기 회절격자로 인해 회절된 레이저 빔을 검출하는 디텍터를 포함하는 원자 탐침 현미경(AFM)의 헤드 모듈부를 제공한다.The present invention to achieve the above technical problem is a scanning scanner composed of a piezoelectric ceramic element; A cantilever positioned at one end of the mother plate attached to the scanning scanner and a tip positioned at the end of the cantilever; An optical unit positioned on the cantilever; A diffraction grating positioned on an upper surface of the cantilever and generating at least two diffracted light beams with respect to a laser beam generated by the optical unit; And a detector for detecting a laser beam diffracted by the diffraction grating.

상기 회절격자는 상기 회절격자는 상기 캔틸레버의 상면에 부착되거나 상기 캔틸레버와 일체로 가공된 것을 특징으로 한다. The diffraction grating is characterized in that the diffraction grating is attached to the upper surface of the cantilever or processed integrally with the cantilever.

또한, 상기 디텍터는 적어도 두 개 이상인 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that at least two detectors are used.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In the drawings, lengths, thicknesses, and the like of layers and regions may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부를 나타낸 구조도이다.3 is a structural diagram showing a head module portion of an atomic probe microscope according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 압전 세라믹 소자로 구성된 주사 스캐너(53)의 하부에는 모판(50)이 부착되어 위치한다. 상기 압전 세라믹 소자는 PZT(lead-zirconium-titanate) 소자일 수 있다. 상기 주사 스캐너(53)에 부착된 모판(50)의 일측 끝단에는 캔틸레버(cantilever; 55)가 위치하고, 상기 캔틸레버(55)의 끝에는 탐침(tip; 57)이 부착되어 위치한다. 상기 캔틸레버(55)는 마이크로 머시닝(micro machining)으로 제조된 것일 수 있으며, 예를 들어 길이 100㎛, 폭 10㎛, 두께 1㎛로 제조될 수 있다. 또한, 상기 캔틸레버(55)는 나노 뉴턴(nN)의 미세한 힘에 의해서도 상하로 쉽게 휘어지는 특성을 구비한다. 상기 캔틸레버(55) 끝 부분에 위치한 탐침(57)은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하게 제조된다. 이때, 상기 원자 탐침 현미경은 접촉 모드(contact mode), 비접촉 모드(non contact mode) 또는 간헐적 접촉 모드(intermittent-contact mode)일 수 있다. Referring to the drawings, the mother plate 50 is attached to the lower portion of the scanning scanner 53 composed of a piezoelectric ceramic element. The piezoelectric ceramic device may be a lead-zirconium-titanate (PZT) device. A cantilever 55 is positioned at one end of the base plate 50 attached to the scanning scanner 53, and a tip 57 is attached to the end of the cantilever 55. The cantilever 55 may be manufactured by micro machining. For example, the cantilever 55 may be manufactured to have a length of 100 μm, a width of 10 μm, and a thickness of 1 μm. In addition, the cantilever 55 has a characteristic of easily bent up and down even by the minute force of the nano Newton (nN). The probe 57 located at the end of the cantilever 55 is manufactured very sharply in the size of several atoms. In this case, the atomic probe microscope may be in a contact mode, a non contact mode, or an intermittent-contact mode.

상기 캔틸레버(55) 상부에는 광학부가 위치하고, 상기 광학부에서 레이저 빔(60)이 조사된다. 상기 광학부는 레이저 빔의 정밀한 조사를 위해 레이저 및 렌즈 또는 프리즘들과 같은 광학 소자들을 구비할 수 있다. 상기 캔틸레버(55)의 상면에는 회절격자(72)가 위치하고, 상기 회절격자(72)는 상기 광학부에서 발생한 레이저 빔(60)에 대해 적어도 2개 이상의 회절광(62, 64, 66)을 생성한다. 상기 회절격자(72)는 상기 캔틸레버(55)의 상면에 부착되거나 상기 캔틸레버(55)와 일체로 가공되어 위치할 수 있다. 또한, 상기 회절격자(72)로 인해 회절된 레이저 빔을 검출하기 위해 디텍터(82, 84)가 위치한다. 이때, 상기 디텍터(82, 84)는 두 개 이상의 것으로 구비될 수 있다. An optical part is positioned above the cantilever 55, and the laser beam 60 is irradiated from the optical part. The optical unit may include optical elements such as a laser and a lens or prisms for precise irradiation of the laser beam. A diffraction grating 72 is positioned on an upper surface of the cantilever 55, and the diffraction grating 72 generates at least two or more diffracted light rays 62, 64, and 66 with respect to the laser beam 60 generated by the optical unit. do. The diffraction grating 72 may be attached to an upper surface of the cantilever 55 or may be integrally processed with the cantilever 55 and positioned. In addition, detectors 82 and 84 are positioned to detect the laser beam diffracted by the diffraction grating 72. In this case, the detectors 82 and 84 may be provided with two or more.

상기 캔틸레버(55)가 휘거나 z축으로 이동시에 상기 회절격자(72)에서 발생된 회절광(62, 64, 66)의 상기 디텍터(82, 84)상 감지 위치 변화가 각기 다르게 나타난다.When the cantilever 55 is bent or moved in the z-axis, a change in the detection position on the detectors 82 and 84 of the diffracted light beams 62, 64 and 66 generated by the diffraction grating 72 appears differently.

따라서, 원자 탐침 현미경 탐침의 수직 방향의 이동과 캔틸레버의 휨에 따라 회절빔들의 위치 변화가 각각 다르게 나타남을 이용하여 탐침의 수직 방향 이동량의 측정과 캔틸레버의 휨 감지를 동시에 수행할 수 있다. 즉, 회절 격자를 이용함으로써 탐침의 다자유도 운동을 측정할 수 있는 것이다. 그러므로, 상기 스캐너(53)의 비선형적인 특성으로 인한 측정 오차가 감소되어 형상 측정값이 개선될 수 있다. Therefore, the change in the position of the diffraction beams is different depending on the vertical movement of the atomic probe microscope probe and the bending of the cantilever, so that the measurement of the vertical displacement of the probe and the bending detection of the cantilever can be simultaneously performed. In other words, by using the diffraction grating, the multiple degree of freedom motion of the probe can be measured. Therefore, the measurement error due to the nonlinear characteristic of the scanner 53 can be reduced to improve the shape measurement value.

본 발명에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부는 회절격자를 이용하여 스캐너의 이동 변위를 광학적인 방법으로 측정함으로써 스캐너의 비선형성으로 인한 형상 측정값의 오차를 개선시키는 효과가 있다. 또한, 탐침의 제조 과정에서 캔틸레버 상면에 회절격자를 함께 가공함으로써 별도의 부가적인 제조공정이 필요하지 않은 장점도 있다. 나아가서, 탐침의 수직 방향의 이동과 캔틸레버의 휨에 따라 회절빔들의 위치 변화가 각각 다르게 나타남을 이용하여 탐침의 수직 방향 이동량의 측정과 캔틸레버의 휨 감지를 동시에 수행할 수 있는 장점도 있다. The head module of the atomic probe microscope according to the present invention has an effect of improving the error of the shape measurement value due to the nonlinearity of the scanner by measuring the movement displacement of the scanner by an optical method using a diffraction grating. In addition, since the diffraction grating is processed on the upper surface of the cantilever in the manufacturing process of the probe, there is an advantage that no additional manufacturing process is required. Furthermore, the change in the position of the diffraction beams is different according to the vertical movement of the probe and the bending of the cantilever, so that the measurement of the vertical movement of the probe and the bending detection of the cantilever can be simultaneously performed.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (3)

압전 세라믹 소자로 구성된 주사 스캐너(53);A scanning scanner 53 composed of a piezoelectric ceramic element; 상기 주사 스캐너(53)에 부착된 모판(50)의 일측 끝단에 위치하는 캔틸레버(cantilever)(55) 및 상기 캔틸레버(55)의 끝에 위치하는 탐침(tip)(57);A cantilever 55 positioned at one end of the base plate 50 attached to the scanning scanner 53 and a tip 57 positioned at the end of the cantilever 55; 상기 캔틸레버(55) 상부에 위치하는 광학부;An optical unit positioned on the cantilever 55; 상기 캔틸레버(55)의 상면에 위치하고, 상기 광학부에서 발생한 레이저 빔(60)에 대해 적어도 2개 이상의 회절광(62,64)을 생성하는 회절격자(72); 및A diffraction grating 72 positioned on an upper surface of the cantilever 55 and generating at least two diffraction lights 62 and 64 with respect to the laser beam 60 generated by the optical unit; And 상기 회절격자(72)로 인해 회절된 레이저 빔을 검출하는 디텍터(82,84)를 포함하는 원자 탐침 현미경(AFM)의 헤드 모듈부.Head module portion of an atomic probe microscope (AFM) comprising a detector (82,84) for detecting a laser beam diffracted by the diffraction grating (72). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 회절격자(72)는 상기 캔틸레버(55)의 상면에 부착되거나 상기 캔틸레버(55)와 일체로 가공된 것을 특징으로 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부.The diffraction grating (72) is attached to the upper surface of the cantilever (55) or the head module portion of the atomic probe microscope, characterized in that integrally processed with the cantilever (55). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 디텍터(82,84)는 적어도 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부.Head detector unit of the atomic probe microscope, characterized in that at least two detectors (82,84).
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