KR20110026029A

KR20110026029A - 주사탐침현미경용 스캐너

Info

Publication number: KR20110026029A
Application number: KR1020090081562A
Authority: KR
Inventors: 이동연; 심재술; 박은주
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-15
Also published as: KR101151136B1

Abstract

본 발명은, 베이스, 베이스에 대해 이동가능하게 마련된 가동스테이지, 베이스와 가동스테이지를 연결하는 복수의 플렉쳐힌지, 베이스 및 가동스테이지 사이에 마련되어 베이스 및 가동스테이지를 가압하며, 가동스테이지의 중심에 대해 수평상태로 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 구비하며, 플렉쳐힌지는 'ㄷ'형상을 가지는 주사탐침현미경용 스캐너를 제공한다.

이와 같은, 주사탐침현미경용 스캐너는, 가동스테이지와 베이스를 연결하는 플렉쳐힌지가 'ㄷ'형상을 가짐으로써, 가동스테이지의 X축 및 Y축 방향으로의 변위가 커지게 된다.

Description

주사탐침현미경용 스캐너{Scanner for scanning probe microscope}

본 발명은 주사탐침현미경용 스캐너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체의 웨이퍼 표면 등과 같은 샘플을 정밀검사하는 나노스케일의 주사탐침현미경에서 평면 상에 있는 샘플을 주사하는 주사탐침현미경용 스캐너에 관한 것이다.

일반적으로, 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope(SPM))은 나노 스케일의 과학과 기술에서 강력한 기구로서, 끝이 뾰족한 탐침을 관측하고자 하는 표면 위에서 전후 좌우로 이동하면서 표면의 높낮이와 기타 물리적 성질을 측정하는 현미경을 의미한다. 이러한, 상기 주사탐침 현미경에는 STM(Scanning Tunneling Microscope), 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy : AFM), 근접장 주사 광학 현미경(Near Field Scanning Optical Microscope : NSOM), 자기력 현미경(Magnetic Force Microscope: MFM) 등 여러 가지 방식이 있다. 일반적인 광학현미경은 빛의 회절 현상 때문에 그 분해능의 한계(200 ~ 300nm)를 가지는데, 이를 회절 한계라고 한다. 그러나 주사탐침 현미경은 광학 현미경이 가질 수 없는 고 분해능을 가질 수 있다. 접촉식 주사탐침 현미경은 탐침이 표면에 닿으면서 표면을 손상시킬 수도 있으므로 이를 보완한 것이 비접촉식 주사탐침 현미경이다. 비접촉식 주사탐침 현미 경은 탐침을 매우 작은 진폭으로 (그 분해능 보다 작게) 진동하게(Dithering) 만들고, 그 떨림의 크기를 관측함으로써 탐침이 시료에 부딪치는 것을 막는다. 진동하는 탐침은 떨림의 크기(진폭)가, 시료와 탐침이 멀리 떨어져 있을 때는 어느 정도 일정한 값을 가지다가 그 거리가 가까워지면서 진폭이 줄기 시작한다. 완전히 탐침이 시료와 닿기 전부터 진폭은 크게 줄기 때문에 탐침이 시료와 부딪치기 전에 거리를 적당히 조절함으로써 비접촉식 주사탐침 현미경을 구현하는 것이다.

최근, 이와 같은 주사 탐침 현미경은 서로 완전히 분리되고 고정 프레임상에 물리적으로 별개의 위치들에 장착되는 2개의 다른 스캐너를 사용한다. 하나의 스캐너("XY 스캐너"라 칭함)는 평면(또한, "XY 평면"이라 칭함)상에 있는 샘플을 주사하지만, 다른 스캐너("Z 스캐너"라 칭함)는 탐침을 평면에 수직한 방향(또한, "z 방향"이라 칭함)으로 (캔틸레버의 자유단에 지지되는) 주사한다.

상기에서 설명된 스캐너중, XY평면 상에 있는 샘플을 주사하는 XY 스캐너에는 동일 축에 평행하게 2개의 구동부가 설치된다. 이 구동부는 다층 피에조(Stacked Piezo)를 사용함으로써, 실리콘 웨이퍼와 같이 크고 무거운 샘플을 이미지할 수 있게 한다. 그러나, 다층 피에조는 예를 들어 100V의 전압이 인가되었을 때 이상적으로는 11.6㎛ 늘어나지만, 데이터시트에 의하면 다층 피에조의 변위 편차(Displacement variation)은 대략 2.0㎛이기 때문에, 다층 피에조는 9.6㎛ 내지 13.6㎛의 길이로 늘어나게 된다. 따라서, 작은 샘플을 XY 스캐너의 중앙에 올려놓고 주사하는 경우에는 큰 문제가 없지만, 웨이퍼와 같은 큰 샘플을 주사하는 경우에는 상기에서 설명한 바와 같은 구동부의 전압-거리 특성 때문에, XY 스캐너의 중 앙을 제외한 부분에서는 기생 운동인 회전 운동이 발생되어 직교성이 보장되는 이미지를 얻을 수 없는 문제점이 있다. 또한, 이를 회피하기 위하여 웨이퍼와 같은 큰 샘플을 XY 스캐너의 중앙에 반드시 위치시켜야만 하는 문제점도 있다.

이러한 종래의 초정밀용 스테이지장치는 미국특허 US4,667,415, 대한민국등록특허 제0523031호에 개시되어 있다.

그러나, 종래의 초정밀용 스테이지장치는, 'ㄴ'형상을 가지는 플렉쳐힌지(Flexure hinge)에 의해 내부프레임과 외부프레임이 연결되어, X-Y축으로의 변위가 작아 측정범위가 작아지는 문제점이 있다.

본 발명은, X축 및 Y축 방향으로의 변위가 커지면서 측정범위를 크게할 수 있는 주사탐침현미경용 스캐너를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 베이스와; 상기 베이스에 대해 이동가능하게 마련된 가동스테이지와; 상기 베이스와 상기 가동스테이지를 연결하는 복수의 플렉쳐힌지들과; 상기 베이스 및 상기 가동스테이지 사이에 마련되어 상기 베이스 및 상기 가동스테이지를 가압하며, 상기 가동스테이지의 중심에 대해 수평상태로 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 구비하며, 상기 플렉쳐힌지는 'ㄷ'형상을 가지는 주사탐침현미경용 스캐너를 제공한다.

또한, 상기 가동스테이지는 상기 베이스 상에 형성된 커팅부에 의해 마련되며, 상기 플렉쳐힌지는 상호 이격되게 형성된 상태로 상기 커팅부와 연결되는 한 쌍의 'ㄷ'형상 가이드커팅부에 의해 마련할 수 있다.

또한, 상기 플렉쳐힌지는 상기 가동스테이지의 중심에 대해 상호 90°간격으로 이격되게 4개를 마련할 수 있다.

또한, 상기 베이스에는 상기 가동스테이지의 중심에 대해 수평상태로 대칭되게 요입 형성되어, 상기 엑츄에이터를 수용하는 복수의 수용부를 마련할 수 있다.

본 발명에 따른 주사탐침현미경용 스캐너는, 가동스테이지와 베이스를 연결 하는 플렉쳐힌지가 'ㄷ'형상을 가짐으로써, 가동스테이지의 X축 및 Y축 방향으로의 변위가 커지게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주사탐침현미경용 스캐너의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 주사탐침현미경용 스캐너는, 베이스(100), 가동스테이지(200), 플렉쳐힌지(300), 엑츄에이터(400)를 구비한다.

상기 베이스(100)는 주사탐침현미경(도면미도시) 상에 움직이지 않도록 고정되며, 이후 설명될 상기 가동스테이지(200)가 이동 가능한 상태로 형성되는 판 형상 부재이다. 여기서, 상기 베이스(100)는 사각형상으로 도시되었으나, 이에 한정하지 않고 원형 또는 사각 이외의 다각 형상으로 형성할 수 있음은 물론이다. 이러한, 상기 베이스(100)는 커팅부(110)에 의해 이후 설명될 상기 가동스테이지(200)가 형성된다. 여기서, 상기 커팅부(110)는 와이어커팅에 의해 가공되는 것이 바람직하나, 레이져와 같은 가공으로 형성할 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 베이스(100)에는 상기 제1스테이지(200)의 중심에 대해 수평상태로 대칭을 이루도록 복수의 수용부(120)를 마련한다. 이러한, 상기 수용부(120)에는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(400)를 각각 삽입 설치한다. 따라서, 상기 수용부(120)는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(400)를 상기 가동스테이지(200)의 중심에 대해 90°등각도로 이격되게 배치할 수 있게 된다.

상기 가동스테이지(200)는 상기 베이스(100) 내측에 상기 커팅부(120)로써 이동가능하게 마련된다. 즉, 상기 가동스테이지(200)는 상기 엑츄에이터(400)로부터 가압력을 전달받아 미세이동하게 된다. 이러한, 상기 가동스테이지(200) 상에는 웨이퍼 등과 같은 시편을 안착시킬 수 있는 별도의 지지부(도면미도시)를 마련될 수 있음은 물론이다. 여기서, 상기 가동스테이지(200)는 사각형상으로 도시되었으나, 이에 한정하지 않고 원형 또는 사각 이외의 다각 형상으로 형성할 수 있음은 물론이다. 그리고, 상기 가동스테이지(200) 가장자리부에는 상기 베이스(100)의 수용부(120)에 연통되도록 복수의 연결홈(210)을 요입 형성할 수 있다. 이러한, 상기 연결홈(210)을 통해 이후 설명될 상기 엑츄에이터(400)의 일단부가 상기 가동스테이지(200)에 연결되어, 상기 엑츄에이터(400)의 가압력이 상기 가동스테이지(200)로 전달될 수 있게 된다.

상기 플렉쳐힌지(300)는 상기 베이스(100)와 상기 가동스테이지(200)를 연결하여, 상기 가동스테이지(200)를 X축 및 Y축 방향으로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 이러한, 상기 플렉쳐힌지(300)는 상호 인접하게 이격된 상태로 상기 베이스(100)와 상기 가동스테이지(200) 사이에 형성된 상기 커팅부(110)와 연결되는 한 쌍의 'ㄷ'형상 가이드커팅부(310)에 의해 형성된다. 여기서, 상기 플렉쳐힌지(300)는 상기 가동스테이지(200)의 중심에 대해 상호 90°간격으로 이격되게 4개가 마련된다. 이러한, 상기 플렉쳐힌지(300)는 상기 가동스테이지(200)를 상기 베이스(100) 상에서 이동가능하게 무마찰의 탄성력을 가지게 하는 무마찰탄성베어링구조를 가지게 된다.

상기 엑츄에이터(400)는 상기 베이스(100) 및 상기 가동스테이지(200) 사이에 복수 마련된다. 이러한, 상기 엑츄에이터(400)는 상기 가동스테이지(200)의 중심에 대해 수평상태로 대칭을 이루도록 설치된다. 즉, 상기 엑츄에이터(400)는 X축 및 Y축으로 상기 가동스테이지(200)를 이동시킬 수 있도록 상기 베이스(100)의 수용부(120)에 4개가 90°등간격으로 이격되게 배치된다. 여기서, 상기 가동스테이지(200)를 X축 및 Y축으로 이동시키는 각 상기 엑츄에이터(400)에는 상이한 제어신호가 인가되어 상기 가동스테이지(9)가 동일한 거리로 이동되어 상기 시편의 모서리부분에서 기생운동이 발생되지 않도록 한다. 도 2를 참조하면, 상기 엑츄에이터(400)는 피에죠(Piezo; 410), 포스레버(Force-lever; 420), 피봇 포인트(Pivot point; 430), 가동지그(Moving-zig; 440)를 포함한다.

상기 피에조(410)는 제어부(도시하지 않음)로부터 출력된 제어 신호에 의해 늘어나게 된다. 이와 같이, 상기 피에조(410)가 늘어남에 따라 상기 엑츄에이터(400)에 고정된 상기 가동스테이지(200)가 X축과 Y축으로 이동하게 된다. 여기서, 통상적으로 상기 피에조(410)에 100V의 전압이 인가되었을 때 11.6㎛ 늘어난다(NEC/TOKIN, AE0505D16).

상기 포스 레버(420)는 고정부(421)과 박판 스프링(422)으로 연결된다. 또한, 상기 포스 레버(420)에는 상기 피에조(410)와 점 접촉을 하는 원통형의 피봇 포인트(430)가 고정되어, 상기 피에조(410)가 늘어남에 따라, 상기 피봇 포인트(430)는 상기 피에조(410)의 팽창에 따른 힘을 상기 포스 레버(420)로 전달한다. 더욱이, 상기 포스 레버(420)는 지렛대 원리를 이용하여 상기 피에조(410)가 늘어 나는 길이의 대략 3배 정도의 길이로 상기 가동스테이지(200)를 이동시킨다. 즉, 도 2를 참조하면, 상기 포스 레버(420)는 상기 피봇 포인트(430)를 기준으로 하여, 상기 박판 스프링(422)과 연결되는 상단을 상기 가동 지그(440)와 연결되는 하단보다 짧게 하고, 상기 포스 레버(420)와 연결된 상기 박판 스프링(422)이 받침점으로서 작용함으로써, 상기 피에조(410)가 늘어나는 길이보다 대략 3배 정도의 길이로 상기 가동 스테이지(200)를 이동시킨다. 따라서, 상기 가동 지그(440)는 상기 가동스테이지(200)의 연결홈(210)에 수용된 상태로 고정되고 상기 포스 레버(420)에 연결되어, 상기 피에조(410)의 팽창에 따라 상기 가동 스테이지(200)를 X축 또는 Y축으로 이동시킨다.

이러한, 일실시예의 'ㄷ'형상 플렉쳐힌지(300)를 가지는 상기 주사탐침현미경용 스캐너와, 'ㄴ'형상 플렉쳐힌지를 가지는 스캐너, 'ㄹ'형상 플렉쳐힌지를 가지는 스캐너의 각 가동스테이지에 X축 및 Y축 각 방향으로 각각 1N/mm의 힘을 가했을 때에 이동변위를 시뮬레이션한 결과 표 1과 같은 시험결과를 얻었다.

플렉쳐형상/이동변위(m)	X축 방향	Y축 방향
'ㄷ'형상	1.11×10^-8	1.68×10^-8
'ㄴ'형상	1.12×10^-9	4.69×10^-9
'ㄹ'형상	3.58×10^-9	5.50×10^-8

표 1의 시뮬레이션 결과를 검토한 결과, 'ㄴ'형상 플렉쳐힌지를 가지는 스캐너는 가동스테이지의 X축 및 Y축 방향의 변위량이 다름과 더불어 이동변위가 작으며, 'ㄹ'형상 플렉쳐힌지를 가지는 스캐너는 가동스테이지의 X축 및 Y축 방향의 변위량의 차이가 많이 남과 더불어 이동변위가 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 'ㄴ' 또는 'ㄹ'형상의 플렉쳐힌지를 가지는 스캐너는 X축 및 Y축 방향의 변위량 차이가 큼으로 인해 동일한 스펙의 엑츄에이터를 사용하지 못하는 불편함이 발생된다. 이에 반해, 일실시예에 따른 'ㄷ'형상 플렉쳐힌지(300)를 가지는 상기 주사탐침현미경용 스캐너는 가동스테이지(200)의 X축 및 Y축 방향의 변위량이 비슷함과 더불어 이동 변위가 가장 큰 것을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주사탐침현미경용 스캐너의 사시도이다.

도 2는 도 1에 나타낸 상기 엑츄에이터의 확대단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

100: 베이스 200: 가동스테이지

300: 플렉쳐힌지 400: 엑츄에이터

Claims

베이스와;

상기 베이스에 대해 이동가능하게 마련된 가동스테이지와;

상기 베이스와 상기 가동스테이지를 연결하는 복수의 플렉쳐힌지들과;

상기 베이스 및 상기 가동스테이지 사이에 마련되어 상기 베이스 및 상기 가동스테이지를 가압하며, 상기 가동스테이지의 중심에 대해 수평상태로 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 구비하며,

상기 플렉쳐힌지는 'ㄷ'형상을 가지는 주사탐침현미경용 스캐너.
청구항 1에 있어서,

상기 가동스테이지는 상기 베이스 상에 형성된 커팅부에 의해 마련되며,

상기 플렉쳐힌지는 상호 이격되게 형성된 상태로 상기 커팅부와 연결되는 한 쌍의 'ㄷ'형상 가이드커팅부에 의해 마련된 주사탐침현미경용 스캐너.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 플렉쳐힌지는 상기 가동스테이지의 중심에 대해 상호 90°간격으로 이격되게 4개가 마련된 주사탐침현미경용 스캐너.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 베이스에는 상기 가동스테이지의 중심에 대해 수평상태로 대칭되게 요입 형성되어, 상기 엑츄에이터를 수용하는 복수의 수용부가 마련된 주사탐침현미경용 스캐너.