KR20110014272A - High speed scanning probe microscopy using eddy current measurement - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에디 전류 측정법을 이용하여 고속으로 스캔이 가능하며, 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는, 에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경에 관한 것이다.The present invention relates to a high-speed scanning probe microscope using an eddy current measuring method capable of scanning at a high speed using the eddy current measuring method, and can improve the reliability of the measurement.
주사탐침 현미경(scanning probe microscopy; SPM)은 끝이 뾰족한 탐침을 관측하고자 하는 시료 표면 위에서 전후 좌우로 이동하면서 시료 표면의 높낮이와 기타 물리적 성질을 측정하는 현미경을 의미한다.Scanning probe microscopy (SPM) refers to a microscope that measures the height and other physical properties of the sample surface by moving the probe with a pointed tip from side to side on the sample surface to be observed.
이러한 주사탐침 현미경은 원자, 분자 수준의 분해능을 갖는 표면 분석 장비로서 미세 구조, 전자기적, 기계적 특성 분석에 널리 활용되고 있으며 최근 20년간 나노 기술을 선도해 왔다. 뿐만 아니라 나노기술과 바이오 기술 및 융합기술의 근간이 되는 핵심 기술로서, 향후 고부가가치 창출을 위한 산업화 노력이 지속적으로 필요한 분야이다. The scanning probe microscope is a surface analysis device having atomic and molecular resolution, which is widely used for analyzing microstructure, electromagnetic and mechanical properties, and has been leading nanotechnology in recent 20 years. In addition, it is a core technology that is the basis of nano technology, bio technology, and convergence technology, and it is a field that requires continuous industrialization efforts to create high added value in the future.
주사탐침 현미경은 측정 원리상 원자, 분자 수준의 분해능을 가지고 다양한 물리량을 측정 대상으로 이용할 수 있어 나노 구조물의 형태, 특성을 분석하는데 아주 유용하나, 주사 방식을 사용하기 때문에 다른 분석 장비에 비해 속도가 느린 단점이 있다. 따라서 주사탐침 현미경의 개발 과정을 살펴보면 새로운 신호 검출 및 분석 방법상의 발전과 더불어 측정 시간 단축, 즉 고속 측정이 주요 관심사 중 하나이다. 고속 측정을 위한 노력의 일환으로 시료의 스캔 시 시료 위 탐침을 일정 높이로 유지한다든지 스캐너를 높이 방향과 평면 방향으로 분리한다든지, 되먹임 회로의 반응 속도를 높이는 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 또한 캔틸레버에 압전 물질을 적용해서 광학적 방법보다 속도를 높이는 등 여러 가지 기술이 적용되고 있다.The scanning probe microscope is very useful for analyzing the morphology and characteristics of nanostructures because of the atomic and molecular resolution and various physical quantities can be used as measurement targets. It has a slow downside. Therefore, in the development of scanning probe microscopes, the development of new signal detection and analysis methods, along with the reduction of measurement time, that is, high speed measurement, are one of the main concerns. As part of efforts to make high-speed measurements, various methods have been applied, such as keeping the probe on the sample at a constant height, separating the scanner in the height and plane directions, and increasing the reaction speed of the feedback circuit. In addition, various techniques have been applied, such as applying piezoelectric materials to cantilevers to speed up optical methods.
그러나 주사탐침 현미경 측정 원리 상 탐침이 시료와 상호 작용을 해야 하므로 시료에 단차가 있을 경우, 고속 측정 시 미세 구조의 정확한 형상을 구현하기가 쉽지 않다. 보다 상세하게는 미세 구조의 단차가 클수록, 측정 속도가 빠를수록 원래 구조에 비해 측정된 이미지의 왜곡 정도가 심해진다. 종래의 에디 전류 검출기는 측정시 시료와 검출기 사이의 거리를 일정하게 유지하기가 쉽지 않아, 측정된 신호의 정확한 해석이 어려워 신뢰성에 문제가 있고 나노 구조 등 미세 구조 측정이 용이하지 않다는 문제점이 있다.However, due to the principle of scanning probe microscopy, the probe must interact with the sample, so it is not easy to realize the precise shape of the microstructure at high speed when there is a step difference in the sample. In more detail, the larger the step of the fine structure, the faster the measurement speed, the more severe the distortion of the measured image compared to the original structure. Conventional eddy current detector has a problem that it is difficult to maintain a constant distance between the sample and the detector at the time of measurement, it is difficult to accurately interpret the measured signal, there is a problem in the reliability and there is a problem in that it is not easy to measure the microstructure, such as nanostructure.
이를 도 6의 종래의 광학적 방법을 이용한 주사탐침 현미경을 통해 자세히 설명한다. 도 6을 참조하면, 종래의 주사탐침 현미경에 의한 이미지 스캐닝 방법은 시료 고정부(120) 상에 시료(130)를 고정하고 시료의 상부에 캔틸레버 검출기(110) 를 위치시킨 후 레이저 광원(180)으로부터 발생된 레이저빔을 캔틸레버 검출기(110)의 탐침 끝에 초점을 맺히도록 한다. 이후 탐침으로부터 반사된 레이저빔은 거울(170 및 171)을 통하여 단차 스캐너(190)에 전달됨으로서 이를 검출 신호로 인식하여 스캐닝을 수행되게 된다.This will be described in detail through a scanning probe microscope using the conventional optical method of FIG. 6. Referring to FIG. 6, in the conventional image scanning method using a scanning probe microscope, after fixing the
상술한 종래의 광학적 방법을 이용하는 주사탐침 현미경을 사용한 이미지 스캐닝 방법은 시료 표면에 단차가 있을 경우 고속 스캔시 미세 구조의 정확한 형상을 구현하기 어려운 문제점이 있다.The image scanning method using the scanning probe microscope using the conventional optical method described above has a problem that it is difficult to realize the precise shape of the microstructure during the high-speed scan when there is a step on the sample surface.
본 발명자들은 주사탐침 현미경 측정시 시료를 고속으로 스캔할 수 있으면서도 측정된 이미지의 왜곡을 줄여 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 주사탐침 현미경에 관하여 연구하던 중, 주사탐침 현미경의 측정시 탐침과 시료 간의 힘 또는 간격을 일정하게 유지하면서 에디 전류를 측정함으로서 고속 스캔시에도 시료의 미세 구조의 외곽을 정확히 분석하여 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 주사탐침 현미경을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have been investigating a scanning probe microscope that can scan a sample at a high speed in scanning probe microscopy while reducing the distortion of the measured image to increase the reliability of the measurement. Or by measuring the eddy current while maintaining a constant interval to develop a scanning probe microscope that can accurately analyze the outline of the microstructure of the sample even during high-speed scanning to increase the reliability of the measurement to complete the present invention.
본 발명은 시료의 이미지를 고속으로 스캔할 수 있으면서도 고속의 스캔에서 분해능을 높여 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 주사탐침 현미경을 제공하는데 있다.The present invention provides a scanning probe microscope that can scan an image of a sample at a high speed while improving resolution in a high speed scan.
상기의 목적을 달성하기 위하여 아래와 같은 구성의 주사탐침 현미경이 제공된다:In order to achieve the above object, a scanning probe microscope having the following configuration is provided:
광학적 방법을 이용한 비접촉식 또는 접촉식 주사탐침 현미경으로서, 시료 고정부 하단에 설치되는 자기장 발생기; 및A non-contact or contact scanning probe microscope using an optical method, comprising: a magnetic field generator installed at the bottom of a sample holder; And
시료 상부에 위치되는 코일이 형성된 캔틸레버 검출기를 포함하며, A cantilever detector having a coil positioned on the sample;
시료의 측정시 되먹임 회로(feedback circuit)를 사용하여 시료와 상기 캔틸레버 검출기의 탐침간의 작용하는 거리를 일정하게 유지하면서 캔틸레버 검출기의 움직임에 따라 발생되는 에디 전류에 의한 자기장 변화를 측정하여 시료의 이미지를 고속 스캐닝하는 것을 특징으로 하는, 에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경.In the measurement of the sample, a feedback circuit is used to maintain a constant working distance between the sample and the probe of the cantilever detector while measuring a change in the magnetic field caused by the eddy current generated by the movement of the cantilever detector. A high speed scanning probe microscope using eddy current measurement, characterized in that the high speed scanning.
본 발명에 따른 고속 주사탐침 현미경은 종래의 광학적 방법을 이용한 주사탐침 현미경의 문제점을 해결하기 위해, 시료 표면에 단차가 있을 경우 고속 스캔이 가능하면서도 이미지의 왜곡을 줄여 측정의 신뢰성을 높이고자 에디 전류 측정법을 추가적으로 사용하여 스캔시 분해능을 높이고자 하는데 특징이 있다. 본 발명의 에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경은 종래의 광학적 방법을 이용하면서도 에디 전류 측정법을 추가적으로 이용할 수 있도록, 시료 고정부 하단에 설치되는 자기장 발생기 및 시료 상부에 위치되는 코일이 형성된 캔틸레버 검출기를 포함하여 구성된다.In order to solve the problem of the conventional scanning probe microscope using the optical method, the high-speed scanning probe microscope according to the present invention is capable of high-speed scanning when there is a step on the surface of the sample while reducing the distortion of the image to increase the reliability of the eddy current. It is characterized by the additional use of measurement method to improve resolution during scanning. The high-speed scanning probe microscope using the eddy current measuring method of the present invention uses a cantilever detector having a magnetic field generator installed at the bottom of the sample holder and a coil positioned at the upper part of the sample so that the eddy current measuring method can be additionally used while using the conventional optical method. It is configured to include.
에디 전류는 패러데이 전자기 유도 법칙에 기초를 두고 있는데 도체에 작용하는 자기장이 시간에 따라 변하면 이 변화를 막으려는 방향으로(렌쯔의 법칙) 도체에 전류가 유도된다. 유도된 전류의 크기는 자기장의 시간 변화율이 클수록 커진다.Eddy currents are based on Faraday's law of electromagnetic induction, and when the magnetic field acting on a conductor changes over time, current is induced in the conductor in the direction of preventing this change (Lenz's law). The magnitude of the induced current increases as the rate of change of the magnetic field increases.
본 발명의 일실시형태에 있어서, 캔틸레버 검출기로는 2차원 코일 또는 적층형태의 코일이 형성된 캔틸레버 검출기를 사용할 수 있다. 그리고 캔틸레버 검출기의 말단부에는 자성물질이 코팅된 탐침이 형성될 수 있다. 자성물질로는 코발트, 니켈, 철 등을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a cantilever detector in which a two-dimensional coil or a stacked coil is formed may be used as the cantilever detector. A magnetic material coated probe may be formed at the distal end of the cantilever detector. Cobalt, nickel, iron, or the like may be used as the magnetic material.
다른 실시예에서 본 발명의 고속 주사탐침 현미경은 시료 이미지의 고속 스캐닝시 검출 신호의 잡음을 줄일 수 있는 락인 증폭기(lock-in amplifier)를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the high speed scanning probe microscope of the present invention may further include a lock-in amplifier capable of reducing noise of a detection signal during high speed scanning of a sample image.
본 발명은 시료를 고속으로 스캔할 수 있으면서 고속의 스캔에서도 분해능을 높여 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 분자 수준의 분해능을 갖는 주사탐침 현미경을 제공함으로써 각종 시료의 미세 구조, 전자기적, 기계적 특성 분석 등에 활용될 수 있다.The present invention provides a scanning probe microscope having a molecular resolution capable of scanning a sample at a high speed while improving resolution even at a high speed scan, thereby analyzing the microstructure, electromagnetic and mechanical properties of various samples. It can be used for such.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a high speed scanning probe microscope using an eddy current measuring method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 접촉식 고속 주사탐침 현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에서 점선의 사각형으로 표시한 부분을 나타내는 확대도로서 캔틸레버 검출기와 시료 고정부가 배치되어 있는 상태를 나타내는 확대도이다.1 is a view schematically showing a contact high speed scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view showing a portion indicated by a dotted line rectangle in FIG. 1 and is an enlarged view showing a state where the cantilever detector and the sample holding unit are arranged.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 에디 전류 측정법을 이용한 고속 주사탐침 현미경(100)은 시료 고정부(120) 하단에 고정된 자기장 발생기(200) 및 코일이 형성된 캔틸레버 검출기(110)를 포함한다. 1 and 2, the high speed
본 발명에서 에디 전류 측정법을 사용하기 위한 구조는 시료 고정부(120) 하단에 자기장 발생기(200)를 고정하고, 금속으로 코팅된 캔틸레버 검출기(110)를 시료 위에 위치시켜 이루어진다. 상기 캔틸레버 검출기(110)가 시료 표면을 따라 x,y 방향으로 스캔할 때 단차를 만나면 상하로 움직이게 되고 이때 캔틸레버 검출기(110)가 휘어지게 된다. 따라서 캔틸레버 검출기(110)는 거리에 따른 자기장 변화와 휘어짐에 따른 자속 변화를 느끼게 되고, 이를 막는 방향으로 전류가 유도된다. 유도된 전류는 단차가 클수록, 또 스캔 속도가 빠를수록 커지게 되어 시료의 외곽, 경계에서 큰 신호를 얻을 수 있다. 이러한 원리에 의한 에디 전류 측정법을 추가적으로 사용함으로써 고속 스캔에서 분해능을 높여주는 효과를 갖게 된다.In the present invention, the structure for using the eddy current measurement method is made by fixing the
한편 고속 주사탐침 현미경(100)은 에디 전류 측정법을 사용하여 고속 스캔을 하는 경우 시료와 검출기 사이의 거리 또는 힘을 일정하게 유지하기 위해 되먹임 회로(feedback circuit)를 사용한다. 이와 같이 본 발명에 따른 고속 주사탐침 현미경(100)은 되먹임 회로를 사용하여 시료와 캔틸레버 검출기(110) 사이의 거리를 일정하게 유지하면서 발생된 에디 전류를 측정할 수 있기 때문에 신호의 정확한 해석이 가능하여 측정의 신뢰성을 높일 수 있다.Meanwhile, the high speed
도 3 및 도 4는 각각 본 발명에서 사용되는 캔틸레버 검출기(110)의 측단면도 및 사시도이다.3 and 4 are side cross-sectional and perspective views, respectively, of the
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 구성요소인 코일이 형성된 캔틸레버 검출기(110)는 캔틸레버 지지대(116)와 캔틸레버(115)로 구성된다. 캔틸레버 검출기(110)는 절연체(112)의 상면과 하면에 금속층(111)이 코팅되어 형성된다.3 and 4, the
상기 캔틸레버 검출기(110)의 제조시 사용되는 절연체(112)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 도핑되지 않은 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질일 수 있으며, 금속층(111)은 전도성이 좋은 금, 은, 알루미늄, 구리 등의 금속을 사용하여 형성된다.The
캔틸레버 검출기(110)의 캔틸레버(115)는 캔틸레버 상하 운동과 휘어짐에 의해 에디 전류를 발생시키는 역할을 하며, 캔틸레버 검출기(110)의 캔틸레버 지지대(116)는 캔틸레버(115)를 지지하며 에디 전류를 감지하는 역할을 한다. The
캔틸레버 검출기(110)의 캔틸레버(115) 형성시 절연체(112)는 3 내지 5 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 절연체(112)의 상면 및 하면에 코팅되는 금속층(111)은 스프링 상수 및 에디 전류 크기에 따라 50 내지 300 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 캔틸레버 검출기(110)의 캔틸레버 지지대(116)는 캔틸레버(115)의 두께와 동일하게 형성될 수 있으나, 공정에 따라 보다 두껍게 형성 될 수도 있다.When the
도 4의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이 본 발명에서 사용되는 캔틸레버 검출기(110)의 캔틸레버(115)는 V자형 또는 일자형으로 형성될 수 있으며, 상기 캔틸레버(115)의 상부에는 감지 효율을 높이기 위해 코일(114)이 형성된다. 상기 캔틸레버(115)의 상부에 형성되는 코일(114)은 2차원 코일 또는 적층형태의 코일일 수 있다.As shown in (a) and (b) of FIG. 4, the
상기 코일(114)은 금, 은, 알루미늄 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.The
상기 캔틸레버(115)의 말단부에는 자성물질이 코팅된 탐침(113)이 형성된다. 이와 같이 상기 탐침(113)에 자성물질이 코팅됨으로써 에디 전류를 측정할 수 있으면서도 동시에 자기력 현미경(magnetic force microscopy; MFM)의 기능을 수행할 수 있다. 상기 자성물질은 코발트, 니켈, 철 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. At the distal end of the
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따라, 시료 고정부 하단에 자기장 발생기로서 전자석이 설치되어 있으며 캔틸레버 검출기에 락인 증폭기가 연결되어 있는 상태의 고속 주사탐침 현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a high speed scanning probe microscope in which an electromagnet is installed as a magnetic field generator at the bottom of a sample holder and a lock-in amplifier is connected to a cantilever detector according to another embodiment of the present invention.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 시료 고정부(120) 하단에 고정된 자기장 발생기(200)로 영구 자석을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 전자석(201)을 사용할 수도 있다. 자기장 발생기(200)는 캔틸레버(115)의 휨 정도에 민감한 신호를 얻기 위해 각도를 변화할 수 있도록 형성될 수 있다. 즉, 자기장 발생기(200)는 캔틸레버(115)가 시료 표면에 접촉하였을 때 캔틸레버(115)가 휘어지는 각도에 따라 기울어질 수 있다.As shown in FIG. 5, in the present invention, not only the permanent magnet may be used as the
고속 주사탐침 현미경(100)은 시료 이미지 고속 스캐닝시 검출 신호의 잡음을 감소시킬 수 있는 락인 증폭기를 더 포함한다. 도 5에 나타난 바와 같이 상기 락인 증폭기(210)는 캔틸레버 검출기(110)와 전기적으로 연결되어 검출 신호의 잡음을 감소시키는 역할을 한다.The high speed
상술한 바와 같이 본 발명은 광학적 방법을 이용한 비접촉식 또는 접촉식 주사탐침 현미경에서 에디 전류 측정법을 추가적으로 이용할 수 있도록 고안됨으로써 고속의 스캔이 가능하면서도 측정의 신뢰성이 향상된 고속 주사탐침 현미경을 제공한다.As described above, the present invention is designed to additionally use the Eddy current measurement method in a non-contact or contact scanning probe microscope using an optical method, thereby providing a high-speed scanning probe microscope which enables high-speed scanning while improving measurement reliability.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 접촉식 고속 주사탐침 현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a contact high speed scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에서 점선의 사각형으로 표시한 부분을 나타내는 확대도로서 캔틸레버 검출기와 시료 고정부가 배치되어 있는 상태를 나타내는 확대도이다.FIG. 2 is an enlarged view showing a portion indicated by a dotted line rectangle in FIG. 1 and is an enlarged view showing a state where the cantilever detector and the sample holding unit are arranged.
도 3은 본 발명의 일 구성요소인 캔틸레버 검출기의 측단면도이다.3 is a side cross-sectional view of a cantilever detector as one component of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 구성요소인 캔틸레버 검출기의 사시도이다.4 is a perspective view of a cantilever detector as one component of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시형태에 따라 시료 고정부 하단에 자기장 발생기로서 전자석이 설치되어 있으며 캔틸레버 검출기에 락인 증폭기가 연결되어 있는 상태의 고속 주사탐침 현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a high speed scanning probe microscope in which an electromagnet is installed as a magnetic field generator at a lower part of a sample holder and a lock-in amplifier is connected to a cantilever detector according to one embodiment of the present invention.
도 6은 종래의 광학적 방법을 이용한 주사탐침 현미경을 개략적으로 나타낸 도면이다.6 is a view schematically showing a scanning probe microscope using a conventional optical method.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100: 주사탐침 현미경 110: 캔틸레버 검출기 100: scanning probe microscope 110: cantilever detector
111: 금속층 112: 절연체111: metal layer 112: insulator
113: 탐침 114: 코일113: probe 114: coil
115: 캔틸레버 116: 캔틸레버 지지대115: cantilever 116: cantilever support
120: 시료 고정부 130: 시료 120: sample fixing portion 130: sample
140: 조정장치 160: 컴퓨터140: adjusting device 160: computer
170, 171: 거울 180: 레이저 광원170, 171 mirror 180: laser light source
200: 자기장 발생기 201: 전자석 200: magnetic field generator 201: electromagnet
210: 락인 증폭기210: lock-in amplifier
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