KR20110094557A - 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법 - Google Patents

원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110094557A
KR20110094557A KR1020100014020A KR20100014020A KR20110094557A KR 20110094557 A KR20110094557 A KR 20110094557A KR 1020100014020 A KR1020100014020 A KR 1020100014020A KR 20100014020 A KR20100014020 A KR 20100014020A KR 20110094557 A KR20110094557 A KR 20110094557A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
scanner
cantilever
sample
axis
displacement
Prior art date
Application number
KR1020100014020A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101678041B1 (ko
Inventor
박연묵
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020100014020A priority Critical patent/KR101678041B1/ko
Priority to US12/929,674 priority patent/US8499360B2/en
Publication of KR20110094557A publication Critical patent/KR20110094557A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101678041B1 publication Critical patent/KR101678041B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32—AC mode
    • G01Q60/34—Tapping mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

본 발명의 일 측면은 단 행정 스캐너와 장 행정 스캐너를 모두 이용하여 시료의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있는 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경은 시료를 이송하는 스테이지와, 탐침이 부착되어 시료의 원자와의 인력과 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버와, 캔틸레버가 부착되어 시료를 단 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 단 행정 스캐너와, 단 행정 스캐너가 부착되어 시료를 장 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 장 행정 스캐너와, 단 행정 스캐너와 장 행정 스캐너를 시료로 이동시키는 적어도 하나의 조동 접근 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법{Atomic Force Microscopic and specimen measuring method using the same}
본 발명은 원자간 힘을 이용한 주사형의 탐침(probe) 현미경인 원자간 힘 현미경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시료의 3차원 형상을 정밀하게 측정할 수 있는 원자간 힘 현미경에 관한 것이다.
원자간 힘 현미경은 미세한 탐침을 구비한 캔틸레버를 시료의 표면에 따라 스캔하여 탐침과 시료와의 사이에 작용하는 원자간의 힘에 의하여 캔틸레버의 변위량을 검출하는 것으로 시료 표면의 미세구조를 측정할 수 있는 장치이다.
이러한 원자간 힘 현미경은 플럭셔 메커니즘으로 구성되는 플럭셔 스캐너 또는 피에조 물질로 구성되는 피에조 튜브 스캐너 중 어느 하나에 캔티레버를 부착하여 시료를 스캔한다.
플럭셔 스캐너는 피에조 모터(Piezoelectric motor)를 이용하여 구동되며, 구동기 사이에 상호 영향을 미치는 커플링이 적고, 장 행정 고속 정밀 구동에 적합하지만, X축 및 Y축 구동기가 X축 및 Y축 방향으로 휘어지는 밴딩 모션 구현이 어렵다. 따라서, 플럭셔 스캐너는 캔티레버와 탐침을 부착하고 복잡한 구조를 갖는 시료를 단 행정으로 고속으로 정밀하게 스캔하기에는 적합하지 않다는 문제가 있다.
피에조 튜브 스캐너는 튜브 형태의 피에조 모터를 이용하여 구동하며, 구동기 사이에 상호 영향을 미치는 커플링이 크고, 단 행정 고속 정밀 구동에 적합하며, X축 및 Y축 구동기가 X축 및 Y축 방향으로 휘어지는 밴딩 모션 구현이 쉽다. 따라서, 피에조 튜브 스캐너는 캔티레버와 탐침을 부착하고 단순한 구조를 갖는 시료를 장 행정으로 고속으로 정밀하게 스캔하기에는 적합하지 않다는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은 단 행정 스캐너와 장 행정 스캐너를 모두 이용하여 시료의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있는 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경은 시료를 이송하는 스테이지와, 탐침이 부착되어 시료의 원자와의 인력과 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버와, 캔틸레버가 부착되어 시료를 단 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 단 행정 스캐너와, 단 행정 스캐너가 부착되어 시료를 장 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 장 행정 스캐너와, 단 행정 스캐너와 장 행정 스캐너를 시료로 이동시키는 적어도 하나의 조동 접근 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 단 행정 스캐너는 피에조 물질로 이루어진 피에조 튜브 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 장 행정 스캐너는 플렉셔(Flexure)를 이용한 플렉셔 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플렉셔 스캐너는 X축, Y축으로 구동되는 플렉셔 스캐너 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플렉셔 스캐너 구동부에는 Z방향으로 피에조 튜브 스캐너로 구성된 단 행정 스캐너가 부착되며, 피에조 튜브 스캐너는 X축과 Y축으로 휘어지는 벤딩 모션 구동과 Z축으로 직선 이동되는 직선 모션 구동이 가능하게 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 플렉셔 스캐너 구동부에는 캔틸레버의 구동 변위를 측정하기 위하여 빔을 발생하는 광원과, 캔틸레버의 표면에서 반사된 빔을 측정하는 광 검출기가 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 캔틸레버의 표면에 빔이 도달하는 것을 확인하는 광학 시스템과, 광원에서 발생하는 빔을 집광으로 만들어 캔틸레버의 표면에 비추고 캔틸레버의 표면에서 반사된 빔을 광 검출기로 보내는 집광렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 광원에는 광원의 위치를 정렬하는 광원 위치정렬장치가 부착되며, 광 검출기는 광 검출기의 위치를 정렬하는 광 검출기 위치정렬장치가 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 캔틸레버의 구동 변위를 측정하기 위하여 빔을 발생하기 위하여 장 행정 스캐너의 외부에 배치되는 광원과, 광원에서 발생된 빔을 이동시키는 섬유광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 섬유광학계에서 출력되는 빔이 넓게 퍼지지 않도록 평행광 또는 집광으로 만드는 조준렌즈와, 섬유광학계의 위치를 정렬하는 섬유광학계 위치정렬장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플렉셔 스캐너 구동부의 X축, Y축 위치 변화를 측정하는 플렉셔 스캐너 위치측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 피에조 튜브 스캐너의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하는 피에조 튜브 스캐너 위치측정기와, 피에조 튜브 스캐너 위치측정기의 신호 발생부에서 발생한 신호를 피에조 튜브 스캐너 위치측정기의 신호 검출부로 반사시키도록 피에조 튜브 스캐너에 부착되는 피에조 튜브 스캐너 부착물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 광원은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 시료를 스테이지에 고정하는 시료 고정기와, 스테이지의 진동을 제어하는 제진대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 캔틸레버를 고속으로 진동시키는 적어도 하나의 진동 피에조 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 캔틸레버의 구동 변위와 진동 변위와 진동 위상 중 적어도 어느 하나를 측정하는 적어도 하나의 Lock-in 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 시료의 3차원 형상과 위상을 영상화하는 영상처리기와, 영상처리기에서 나오는 신호를 표시하는 표시기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 피에조 튜브 스캐너는 플렉셔 스캐너와 질량 중심(Center of mass)이 일치되도록 플렉셔 스캐너 구동부에 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 캔틸레버는 캔틸레버의 Z축 방향 구동이 가능하도록 Z축 구동기가 탑재되고, 캔틸레버의 Z축 변위측정이 가능하도록 Z축 변위측정센서가 탑재되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경을 다른 측면에서 본다면, 시료를 이송하는 스테이지와, 탐침이 부착되어 시료의 원자와의 인력과 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버와, 캔틸레버가 부착되어 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 시료를 단 행정 스캔하는 적어도 하나의 피에조 튜브 스캐너와, 피에조 튜브 스캐너가 Z축 방향으로 부착되어 X축 방향, Y축 방향으로 시료를 장 행정 스캔하는 적어도 하나의 플렉셔 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시료 측정방법은 시료를 스테이지에 고정하는 단계와, 캔틸레버를 캔틸레버 고정기에 고정하는 단계와, 캔틸레버의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템을 구동하여 플럭셔 스캐너와 피에조 튜브 스캐너를 동시에 시료 방향으로 이동하는 단계와, 피에조 튜브 스캐너를 구동하여 캔티레버를 시료 방향으로 이동하는 단계와, 탐침이 시료에 접촉한 상태로 캔티레버의 구동 변위를 일정하게 제어하면서 캔티레버의 구동 변위 변화를 측정하는 단계와, 플럭셔 스캐너를 X축, Y축 방향으로 구동하고, 피에조 튜브 스캐너를 X축, Y축, Z축 방향으로 구동하면서, 탐침으로 시료를 스캔하는 단계와, 캔티레버의 구동 변위를 Lock-in 증폭기로 측정하는 단계와, 영상 처리기가 Lock-in 증폭기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 영상화하는 단계와, 표시기가 영상 처리기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 측정방법은 시료를 스테이지에 고정하는 단계와, 캔틸레버를 캔틸레버 고정기에 고정하는 단계와, 캔틸레버의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템을 구동하여 플럭셔 스캐너와 피에조 튜브 스캐너를 동시에 시료 방향으로 이동하는 단계와, 캔틸레버가 일정한 진동 변위와 진동 주파수를 갖도록 진동시키는 단계와, 탐침이 시료를 두드리는(Tapping) 상태로 캔티레버의 진동 변위를 일정하게 제어하면서 캔티레버의 진동 변위 변화를 측정하거나, 또는 탐침이 시료와 비접촉(Non-contact) 상태로 캔티레버의 진동 변위 또는 진동 주파수를 일정하게 제어하면서 캔티레버의 진동 변위 변화 또는 진동 주파수 변화 또는 진동 위상(Phase) 변화를 측정하는 단계와, 플럭셔 스캐너를 X축, Y축 방향으로 장 행정 구동하고, 피에조 튜브 스캐너를 X축, Y축, Z축 방향으로 단 행정 구동하면서, 탐침으로 시료를 스캔하는 단계와, 캔티레버의 구동 변위를 Lock-in 증폭기로 측정하는 단계와, 영상 처리기가 Lock-in 증폭기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 영상화하는 단계와, 표시기가 영상 처리기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법은 단 행정 스캐너와 장 행정 스캐너를 모두 이용하여 탐침으로 시료를 스캔하기 때문에 복잡한 구조를 갖는 시료의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간 힘 현미경을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 원자간 힘 현미경의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경의 일부를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간 힘 현미경을 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 원자간 힘 현미경의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1)은 탐침(10A)의 원자와 시료(20)의 원자간에 발생하는 원자간 힘을 검출하고, 원자간 힘을 일정히 지키면서 스캔하는 것으로, 탐침(10A)이 부착되어 측정대상인 시료(20)의 원자와 인력, 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버(Cantilever, 10)를 포함한다.
이러한 캔틸레버(10)는 캔틸레버(10) 자체에 Z축 구동기가 탑재되어서 캔틸레버(10)가 시료(20) 방향인 Z축 방향으로 자체 구동이 가능하게 되고, 캔틸레버(10) 자체에 Z축 변위측정센서(미도시)가 탑재되어서 캔틸레버(10)가 Z축 변위측정이 가능하도록 마련될 수 있다.
캔틸레버(10)의 하부에는 시료(20)를 이송하기 위한 스테이지(30)가 배치되며, 스테이지(30)의 상부에는 시료(20)를 스테이지(30)에 고정하는 시료 고정기(40)가 배치되며, 스테이지(30)의 하부에는 스테이지(30)의 진동을 제어하는 제진대(50)가 배치된다.
캔틸레버(10)의 상부에는 캔틸레버(10)를 고정하기 위한 적어도 하나의 캔틸레버 고정기(Cantilever fixing module, 60)와, 캔틸레버(10)를 고속으로 진동시키기 위한 적어도 하나의 진동 피에조 모터 (Oscillation piezoelectric motor, 70)가 배치된다.
한편, 캔틸레버(10)에 캔틸레버 구동기(미도시)가 내장된 경우에는 진동 피에조 모터(70)를 별도로 배치하지 않을 수도 있다.
또한, 캔틸레버(10)의 상부에는 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하기 위해 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드(80A)와 같은 적어도 하나의 광원(80)과, 캔틸레버(10)의 표면에서 반사된 빔을 측정하기 위한 적어도 하나의 광 검출기(90)와, 캔틸레버(10) 표면에 빔이 도달하는 것을 확인하는 광학 시스템(100)과, 빔을 집광하여 캔틸레버(10) 표면에 비추고 캔틸레버(10) 표면에서 반사된 빔을 광 검출기(90)로 보내는 적어도 하나의 집광 렌즈(Objective lens, 110)를 포함한다.
광원(80)에는 광원(80)의 위치를 정렬하는 적어도 하나의 광원 위치정렬장치(81)가 부착되며, 광 검출기(90)에는 광 검출기(90) 위치를 정렬하는 적어도 하나의 광 검출기 위치정렬장치(91)가 부착된다.
또한, 캔틸레버(10)의 상부에는 캔틸레버(10)가 부착되어 탐침이 시료를 단 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 단 행정 스캐너(200)와, 단 행정 스캐너(200)가 부착되어 시료를 장 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 장 행정 스캐너(300)가 배치된다.
단 행정 스캐너(200)는 캔틸레버(10)를 부착 지지함과 동시에 탐침(10A)이 복잡한 시료(20)를 단 행정으로 정밀하게 스캔하면서 시료의 3차원 형상을 측정하게 되는데, 이러한 단 행정 스캐너(200)는 피에조 튜브 스캐너(Piezoelectric tube scanner, 200)로 이루어질 수 있다.
피에조 튜브 스캐너(200)는 피에조 물질로 구성되며, X축 및 Y축 구동기가 X축 및 Y축 방향으로 휘어져 움직이는 밴딩 모션과 Z축 구동기가 Z축 방향으로 움직이는 직선 모션이 가능하게 된다.
피에조 튜브 스캐너(200)는 적어도 하나의 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(Piezoelectric scanner position measurement module, 210)를 통하여 X축, Y축, Z축의 위치가 비 접촉식 센서로 측정될 수 있다. 이러한 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)는 X축, Y축, Z축을 따라서 배치되는 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210X, 210Y, 210Z)를 포함할 수 있다.
또한, 피에조 튜브 스캐너(200)는 피에조 튜브 스캐너 부착물(220)을 통하여 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210X, 210Y, 210Z)의 신호 발생부(210A)에서 발생하는 신호를 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210X, 210Y, 210Z)의 신호 검출부(210B)로 반사할 수 있게 된다.
한편, 피에조 튜브 스캐너(200)에는 탐침(10A), 캔틸레버(10), 캔틸레버 고정기(60), 진동 피에조 모터(70), 피에조 튜브 스캐너 부착물(220)이 부착되어 장 행정 스캐너(300)가 X축, Y축으로 구동될 때 장 행정 스캐너(300)와 함께 움직인다.
단 행정 스캐너(200)의 상부에는 단 행정 스캐너(200)가 부착되어 시료(20)를 장 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 장 행정 스캐너(300)가 배치된다. 이러한 장 행정 스캐너(300)는 플렉셔(Flexure)를 이용한 플렉셔 메카니즘(Flexure Mechanism)으로 구성된 플렉셔 스캐너(Flexure scanner, 300)로 이루어질 수 있다.
플렉셔 스캐너(300)는 X축 및 Y축 구동기가 X축, Y축 방향으로 움직이는 직선 모션이 가능하게 되는 플렉셔 스캐너 구동부(310)를 포함한다.
플렉셔 스캐너 구동부(310)에는 광원(80), 광원 위치정렬장치(81), 광 검출기(90), 광 검출기 위치정렬장치(91), 집광 렌즈(110), 피에조 튜브 스캐너(200)가 부착된다.
플렉셔 스캐너 구동부(310)는 적어도 하나의 플렉셔 스캐너 위치측정기(Flexure scanner position measurement module, 320)를 통하여 X축, Y축 위치를 비 접촉식 센서로 측정될 수 있다. 이러한 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)는 X축, Y축을 따라서 배치되는 플렉셔 스캐너 위치측정기(320X, 320Y)를 포함할 수 있다.
특히, 플렉셔 스캐너 구동부(310)에 광원(80), 광 검출기(90), 피에조 튜브 스캐너(200)가 부착되어 있고, 피에조 튜브 스캐너(200)에 캔틸레버(10)가 부착되어 있기 때문에, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 구동하여 탐침(10A)으로 시료 형상을 측정할 때 캔틸레버(10) 표면에 비추는 빔의 위치가 고정되므로 캔틸레버(10) 표면에서 빔이 벗어날 위험이 없어진다.
플렉셔 스캐너(300)는 피에조 모터를 이용하는 X축 및 Y축 구동기가 X축, Y축 방향으로 장 행정을 고속으로 정밀하게 움직이는 직선 모션이 가능하며, 피에조 튜브 스캐너(200)는 피에조 모터를 이용하는 X축 및 Y축 구동기가 X축, Y축 방향으로 휘어지는 밴딩 모션과 피에조 모터를 이용하는 Z축 구동기가 Z축 방향으로 움직이는 직선 모션을 통해 단 행정을 고속으로 정밀하게 움직이는 모션이 가능하다.
따라서, 플렉셔 스캐너(300)가 X축, Y축 방향으로 장 행정을 고속으로 정밀하게 구동하면서, 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축 방향 밴딩 모션과 Z축 방향 직선 모션을 이용하여 탐침(10A)으로 시료를 단 행정으로 고속으로 정밀하게 스캔함으로써 복잡한 구조를 갖는 시료의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
이때, 플렉셔 스캐너 구동부(310)에 피에조 튜브 스캐너(200)를 부착함에 있어서, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 질량 중심(Center of mass)을 거의 일치시켜서 부착함으로써 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 구동에 의해 유발되는 진동을 작게 하며, 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 X축, Y축, Z축의 강성(Stiffness)을 높게 설계하여 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 고유 진동 주파수(Natural resonance frequency)를 높임으로써 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 고유 진동 주파수 이하의 진동에 의해 유발되는 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 진동을 작게 하고, 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 X축, Y축, Z축 변형이 작게 되도록 설계하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 구동에 의해 유발되는 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 변형을 작게 한다.
마찬가지로, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 강성을 높게 설계하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 고유 진동 주파수를 높임으로써, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 고유 진동 주파수 이하의 진동에 의해 유발되는 진동을 작게 하고, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 변형이 작도록 하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 구동에 의해 유발되는 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 변형을 작게 한다.
플렉셔 스캐너(300)는 적어도 하나의 조동 접근 시스템(Coarse approach system, 120)에 부착되어 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 시료로 이동시키게 된다.
조동 접근 시스템(120)은 바(Bar, 130)에 부착되며, 바(130)는 기둥(Column, 140)에 의해 지탱된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1)은 캔틸레버(10)의 구동 변위와 진동 변위와 진동 위상을 측정하기 위한 적어도 하나의 Lock-in 증폭기(Lock-in amplifier, 400)와, 시료의 3차원 형상과 위상을 영상화하기 위한 영상 처리기(Image processing module, 500)와, 영상 처리기(500)와 광학 시스템(100)에서 나오는 신호를 표시하기 위한 표시기(Display module, 600)를 더 포함할 수 있다.
한편, 캔틸레버(10), 스테이지(30), 시료 고정기(40), 제진대(50), 진동 피에조 모터(70), 광원(80), 광원 위치정렬장치(81), 광 검출기(90), 광 검출기 위치정렬장치(91), 광학 시스템(100), 조동 접근 시스템(120), 피에조 튜브 스캐너(200), 튜브 스캐너 위치측정기(210), 플렉셔 스캐너(300), 플렉셔 스캐너 위치측정기(320), Lock-in 증폭기(400), 영상 처리기(500)는 제어장치(Controller, 700)를 통하여 제어된다.
여기서, 플렉셔 스캐너(300)를 고속으로 구동하기 위하여, 플렉셔 스캐너 구동부(310)에 부착되는 광원(80), 광원 위치정렬장치(81), 광 검출기(90), 광 검출기 위치정렬장치(91), 집광 렌즈(110), 피에조 튜브 스캐너(200)의 질량을 작게 할 수 있다.
마찬가지로, 피에조 튜브 스캐너(200)를 고속으로 구동하기 위하여, 피에조 튜브 스캐너(200)에 부착되는 캔틸레버(10), 캔틸레버 고정기(60), 진동 피에조 모터(70), 피에조 튜브 스캐너 부착물(220)의 질량을 작게 할 수 있다.
특히, 레이저 다이오드(80A)와 같은 광원(80)의 크기가 작거나 질량이 작은 경우에는, 도 1 및 2와 같이 플렉셔 스캐너 구동부(310)에 광원(80)을 부착하여 플렉셔 스캐너(300)로 광원(80)을 움직이면서 시료의 3차원 형상을 고속으로 측정할 수 있다.
다음 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간 힘 현미경의 동작방법에 대하여 설명한다.
먼저, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 이용하여 탐침(10A)으로 시료(20)를 스캔하는 접촉 모드(Contact mode)의 동작 방법을 설명한다.
우선, 스테이지(30)의 진동을 제진대(50)로 제어한다.
다음, 시료(20)를 시료 고정기(40)에 놓고, 시료 고정기(40)를 통하여 시료(20)를 스테이지(30)에 고정한 후, 캔틸레버(10)를 캔틸레버 고정기(60)에 놓고 캔틸레버(10)를 고정한다.
다음, 캔틸레버(10) 표면에 레이저 빔이 도달하는지를 광학 시스템(100)으로 확인하면서, 캔틸레버(10) 표면에 레이저 빔이 도달하도록 광원 위치정렬장치(81)로 광원(80)의 위치를 정렬하고, 캔틸레버(10) 표면에서 반사된 레이저 빔이 광 검출기(90)의 세트 포지션(Set position)에 도달하도록 광 검출기 위치정렬장치(91)로 광 검출기(90) 위치를 정렬한다.
다음, 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서, 조동 접근 시스템(120)을 구동하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 시료(20) 방향으로 이동시키면, 캔틸레버(10)에 부착된 탐침(10A)의 원자와 시료(20)의 원자 사이에 작용하는 인력의 영향력이 커져서 탐침(10A)이 시료 방향으로 이동하게 되며, 이에 따라 탐침(10A)이 부착된 캔틸레버(10)가 시료 방향으로 휘어져서 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되는데, 이때 조동 접근 시스템(120)의 구동을 중지하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 시료(20) 방향 이동을 중지한다.
그리고, 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서, 피에조 튜브 스캐너(200)를 구동하여 캔틸레버(10)를 시료 방향으로 이동시키면, 캔틸레버(10)에 부착된 탐침(10A)의 원자와 시료의 원자 사이에 작용하는 척력의 영향력이 커져서 탐침(10A)이 시료 반대 방향으로 이동하게 되며, 이에 따라 탐침(10A)이 부착된 캔틸레버(10)가 휘어져서 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되는데, 캔틸레버(10)의 구동 변위가 세트 포지션이 되면 캔틸레버(10)의 시료 방향 이동을 중지한다.
다음, 탐침(10A)이 시료(20)에 접촉한 상태로 캔틸레버(10)의 구동 변위를 일정하게 제어하면서 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위 변화를 측정하고, 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)로 플렉셔 스캐너(300)의 X축, Y축 위치를 측정하면서 플렉셔 스캐너(300)를 X축, Y축 방향으로 장 행정으로 고속으로 정밀하게 구동하고, 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)로 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)가 X축, Y축 방향으로 휘어지는 밴딩 모션과 Z축 방향으로 직선 모션이 발생되게 고속으로 정밀하게 구동하면서, 탐침(10A)으로 복잡한 구조를 갖는 시료를 단 행정으로 고속으로 정밀하게 스캔한다.
그리고, 캔틸레버(10)의 구동 변위를 Lock-in 증폭기(400)로 측정한다. 다음, 영상 처리기(500)가 Lock-in 증폭기(400)의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 영상화하며, 표시기(600)가 영상 처리기(500)의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 표시하도록 한다.
다음, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 이용하여 탐침(10A)으로 시료(20)를 스캔하는 동적 모드(Dynamic mode) 동작 방법을 설명한다.
우선, 스테이지(30)의 진동을 제진대(50)로 제어한다.
다음, 시료(20)를 시료 고정기(40)에 놓고, 시료 고정기(40)를 통하여 시료(20)를 스테이지(30)에 고정한 후, 캔틸레버(10)를 캔틸레버 고정기(60)에 놓고 캔틸레버(10)를 고정한다.
다음, 캔틸레버(10) 표면에 레이저 빔이 도달하는지를 광학 시스템(100)으로 확인하면서, 캔틸레버(10) 표면에 레이저 빔이 도달하도록 광원 위치정렬장치(81)로 광원(80)의 위치를 정렬하고, 캔틸레버(10) 표면에서 반사된 레이저 빔이 광 검출기(90)의 세트 포지션에 도달하도록 광 검출기 위치정렬장치(91)로 광 검출기(90) 위치를 정렬한다.
다음, 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서, 조동 접근 시스템(120)을 구동하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 시료(20) 방향으로 이동시키면, 캔틸레버(10)에 부착된 탐침(10A)의 원자와 시료(20)의 원자 사이에 작용하는 인력의 영향력이 커져서 탐침(10A)이 시료 방향으로 이동하게 되며, 이에 따라 탐침(10A)이 부착된 캔틸레버(10)가 시료 방향으로 휘어져서 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되는데, 이때 조동 접근 시스템(120) 구동을 중지하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)의 시료 방향 이동을 중지한다.
그리고, 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위와 진동 주파수를 측정하면서, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)가 일정한 진동 변위와 일정한 진동 주파수를 갖도록 진동시킨다.
다음, 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)를 구동하여 캔틸레버(10)를 시료 방향으로 이동시키면, 캔틸레버(10)에 부착된 탐침(10A)의 원자와 시료(20)의 원자 사이에 발생하는 상호작용에 따라 캔틸레버(10)의 진동 변위가 변하게 되는데, 캔틸레버(10)의 진동 변위가 세트 포지션이 되면 피에조 튜브 스캐너(200)의 구동을 중지하여 캔틸레버(10)의 시료(20) 방향 이동을 중지한다.
그리고, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)를 진동시키고 탐침(10A)이 시료를 두드리는(Tapping) 상태로 캔틸레버(10)의 진동 변위를 일정하게 제어하면서 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위 변화를 측정하거나, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)를 진동시키고 탐침(10A)이 시료(20)와 비접촉(Non-contact) 상태로 캔틸레버(10)의 진동 변위 또는 진동 주파수를 일정하게 제어하면서 광 검출기(90)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위 변화 또는 진동 주파수 변화 또는 진동 위상 변화를 측정하면서, 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)로 플렉셔 스캐너(300)의 X축, Y축 위치를 측정하면서 플렉셔 스캐너(300)를 X축, Y축 방향으로 장 행정을 고속으로 정밀하게 구동하고, 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)로 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)가 X축, Y축 방향으로 휘어지는 밴딩 모션과 Z축 방향으로 직선 모션이 발생되게 고속으로 정밀하게 구동하면서, 탐침(10A)으로 복잡한 구조를 갖는 시료를 단 행정으로 고속으로 정밀하게 스캔한다.
그리고, 캔틸레버(10)의 진동 변위와 진동 위상을 Lock-in 증폭기(400)로 측정한다. 다음, 영상 처리기(500)가 Lock-in 증폭기(400)의 신호를 받아서 시료(20)의 3차원 형상과 위상을 영상화하여, 표시기(600)가 영상 처리기(500)의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상과 위상을 표시하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예를 도 3을 참조하여 설명한다. 전술한 일 실시예와 동일한 구성 요소를 나타내는 경우에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1-1)은 레이저 다이오드(80'A)와 같은 광원(80')의 크기가 크거나 질량이 큰 경우에 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 외부에 광원(80')을 고정함으로써 플렉셔 스캐너(300)로 광원(80')이 움직이지 않고 시료(20)의 3차원 형상을 고속으로 측정할 수 있게 된다.
구체적으로 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1-1)에서는 광원(80')을 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 외부에 고정시키고, 섬유 광학계(Fiber optics, 150)를 이용하여 광원(80')에서 발생되는 빔을 이동시킨다.
그리고, 조준 렌즈(collimator lens, 160)를 이용하여 섬유 광학계(150)에서 출력되는 빔이 넓게 퍼지지 않도록 평행광 또는 집광으로 만들고, 섬유 광학계 위치정렬장치(151)를 이용하여 섬유 광학계(150)의 위치를 정렬하고, 광 검출기 위치정렬장치(91)를 이용하여 광 검출기(90)의 위치를 정렬한다.
그리고, 집광 렌즈(110)를 이용하여 빔을 집광하여 캔틸레버(10) 표면에 비추고 캔틸레버(10) 표면에서 반사된 빔을 광 검출기(90)로 보낸다.
그리고, 탐침(10A)을 이용하여 시료(20)의 원자와의 인력과 척력을 유도하고, 캔틸레버 고정기(60)를 이용하여 캔틸레버(10)를 고정하고, 진동 피에조 모터(70)를 이용하여 캔틸레버(10)를 고속으로 진동시킨다.
그리고, 플렉셔 스캐너 구동부(310)을 이용하여 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)의 신호 발생부(210A)에서 발생하는 신호를 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)의 신호 검출부(210B)로 반사하고, 피에조 튜브 스캐너 부착물(220)을 이용하여 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)의 신호 발생부(210A)에서 발생하는 신호를 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)의 신호 검출부(210B)로 반사한다.
그리고, 플렉셔 스캐너 구동부(310)를 이용하여 섬유 광학계(150), 섬유 광학계 위치정렬장치(151), 광 검출기(90), 광 검출기 위치정렬장치(91), 조준 렌즈(160), 집광 렌즈(110), 피에조 튜브 스캐너(200)를 플렉셔 스캐너 구동부(310)에 부착하고, 제어장치(미도시)로 섬유 광학계 위치정렬장치(151)를 추가적으로 제어한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1)은 플렉셔 스캐너 구동부(310)의 외부에 광원(80')을 고정하더라도, 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 이용하여 탐침(10A)으로 시료(20)를 스캔하여 복잡한 구조를 갖는 시료(20)의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도 4를 참조하여 설명한다. 전술한 일 실시예와 동일한 구성 요소를 나타내는 경우에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다. 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1-2)은 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하게 된다.
구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경(1-2)은 접촉 모드(Contact mode)에서 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)의 출력값을 세트 포지션으로 조정한 다음, 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템(미도시)를 구동하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 시료(20) 방향으로 이동시키는데, 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되면 조동 접근 시스템(미도시)의 구동을 중지한다.
그리고, 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서, 피에조 튜브 스캐너(200)를 구동하여 캔틸레버(10)를 시료(20) 방향으로 이동시키면, 탐침(10A)이 시료(20) 반대방향으로 이동하게 되어 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되는데, 캔틸레버(10)의 구동 변위가 세트 포지션이 되면 캔틸레버(10)의 시료(20) 방향 이동을 중지한다.
그리고, 탐침(10A)이 시료(20)에 접촉한 상태로 캔틸레버(10)의 구동 변위를 일정하게 제어하면서 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위 변화를 측정하고, 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)로 플렉셔 스캐너(300)의 X축, Y축 위치를 측정하면서 플렉셔 스캐너(300)를 X축, Y축 방향으로 장 행정을 고속으로 정밀하게 구동하고, 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)로 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)를 X축, Y축, Z축 방향으로 정밀하게 구동하면서, 탐침(10A)으로 복잡한 구조를 갖는 시료(20)를 고속으로 정밀하게 스캔한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자간 힘 현미경은 동적 모드(Dynamic mode)에서 캔틸레버에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정 센서의 출력값을 세트 포지션으로 조정한 다음, 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템(미도시)를 구동하여 플렉셔 스캐너(300)와 피에조 튜브 스캐너(200)를 시료(20) 방향으로 이동시킬 때, 캔틸레버(10)의 구동 변위가 변하게 되면 조동 접근 시스템(미도시)의 구동을 중지한다.
그리고, 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위와 진동 주파수를 측정하면서, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)가 일정한 진동 변위와 일정한 진동 주파수를 갖도록 진동시킨다.
그리고, 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)를 구동하여 캔틸레버(10)를 시료(20) 방향으로 이동시키면 캔틸레버(10)의 진동 변위가 변하게 되는데, 캔틸레버(10)의 진동 변위가 세트 포지션이 되면 피에조 튜브 스캐너(200)의 구동을 중지하여 캔틸레버(10)의 시료(20) 방향 이동을 중지한다.
그리고, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)를 진동시키고 탐침(10A)이 시료(20)를 두드리는(Tapping) 상태로 캔틸레버(10)의 진동 변위를 일정하게 제어하면서 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)을 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위 변화를 측정하거나, 진동 피에조 모터(70)를 구동하여 캔틸레버(10)를 진동시키고 탐침(10A)이 시료(20)와 비접촉(Non-contact) 상태로 캔틸레버(10)의 진동 변위 또는 진동 주파수를 일정하게 제어하면서 캔틸레버(10)에 내장된 캔틸레버 구동 변위 측정센서(10B)를 이용하여 캔틸레버(10)의 진동 변위 변화 또는 진동 주파수 변화 또는 진동 위상 변화를 측정하면서, 플렉셔 스캐너 위치측정기(320)로 플렉셔 스캐너(300)의 X축, Y축 위치를 측정하면서 플렉셔 스캐너(300)를 X축, Y축 방향으로 장 행정을 고속으로 정밀하게 구동한다.
그리고, 피에조 튜브 스캐너 위치측정기(210)로 피에조 튜브 스캐너(200)의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하면서 피에조 튜브 스캐너(200)를 X축, Y축, Z축 방향으로 정밀하게 구동하면서, 탐침(10A)으로 복잡한 구조를 갖는 시료(20)를 고속으로 정밀하게 스캔한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자간 힘 현미경은 플렉셔 스캐너와 피에조 튜브 스캐너를 모두 이용하여 탐침으로 시료를 스캔하여 복잡한 구조를 갖는 시료의 3차원 형상을 고속으로 정밀하게 측정하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
1...원자간 힘 현미경 10...캔틸레버
10A...탐침 10B..캔틸레버 구동 변위 측정센서
20...시료 30...스테이지
40...시료 고정기 50...제진대
60..캔틸레버 고정기 70...진동 피에조 모터
80...광원 81...광원 위치정렬장치
91...광 검출기 위치정렬장치 90..광 검출기
100...광학 시스템 110...집광렌즈
120...조동 접근 시스템 130...바
140...기둥 150...섬유 광학계
151...섬유 광학계 위치정렬장치 160...조준 렌즈
200...피에조 튜브 스캐너 210...피에조 튜브 스캐너 위치측정기
210A..플렉셔 스캐너 위치측정기의 신호 발생부
210B..플렉셔 스캐너 위치측정기의 신호 검출부
220...피에조 튜브 스캐너 부착물 300...플렉셔 튜브 스캐너
310...플렉셔 스캐너 구동부 320...플렉셔 스캐너 위치측정기
400...Lock-in 증폭기 500...영상 처리기
600...표시기 700...제어장치

Claims (22)

  1. 시료를 이송하는 스테이지와,
    탐침이 부착되어 상기 시료의 원자와의 인력과 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버와,
    상기 캔틸레버가 부착되어 상기 시료를 단 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 단 행정 스캐너와,
    상기 단 행정 스캐너가 부착되어 상기 시료를 장 행정 스캔하기 위한 적어도 하나의 장 행정 스캐너와,
    상기 단 행정 스캐너와 상기 장 행정 스캐너를 상기 시료로 이동시키는 적어도 하나의 조동 접근 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단 행정 스캐너는 피에조 물질로 이루어진 피에조 튜브 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장 행정 스캐너는 플렉셔(Flexure)를 이용한 플렉셔 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플렉셔 스캐너는 X축, Y축으로 구동되는 플렉셔 스캐너 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플렉셔 스캐너 구동부에는 Z방향으로 피에조 튜브 스캐너로 구성된 상기 단 행정 스캐너가 부착되며,
    상기 피에조 튜브 스캐너는 X축과 Y축으로 휘어지는 벤딩 모션 구동과 Z축으로 직선 이동되는 직선 모션 구동이 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플렉셔 스캐너 구동부에는 캔틸레버의 구동 변위를 측정하기 위하여 빔을 발생하는 광원과, 상기 캔틸레버의 표면에서 반사된 상기 빔을 측정하는 광 검출기가 부착되는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 표면에 상기 빔이 도달하는 것을 확인하는 광학 시스템과, 상기 광원에서 발생하는 빔을 집광으로 만들어 상기 캔틸레버의 표면에 비추고 상기 캔틸레버의 표면에서 반사된 상기 빔을 상기 광 검출기로 보내는 집광렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광원에는 상기 광원의 위치를 정렬하는 광원 위치정렬장치가 부착되며, 상기 광 검출기는 상기 광 검출기의 위치를 정렬하는 광 검출기 위치정렬장치가 부착되는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 구동 변위를 측정하기 위하여 빔을 발생하기 위하여 상기 장 행정 스캐너의 외부에 배치되는 광원과,
    상기 광원에서 발생된 빔을 이동시키는 섬유광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 섬유광학계에서 출력되는 빔이 넓게 퍼지지 않도록 평행광 또는 집광으로 만드는 조준렌즈와, 상기 섬유광학계의 위치를 정렬하는 섬유광학계 위치정렬장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 플렉셔 스캐너 구동부의 X축, Y축 위치 변화를 측정하는 플렉셔 스캐너 위치측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 피에조 튜브 스캐너의 X축, Y축, Z축 위치를 측정하는 피에조 튜브 스캐너 위치측정기와, 상기 피에조 튜브 스캐너 위치측정기의 신호 발생부에서 발생한 신호를 상기 피에조 튜브 스캐너 위치측정기의 신호 검출부로 반사시키도록 상기 피에조 튜브 스캐너에 부착되는 피에조 튜브 스캐너 부착물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 시료를 상기 스테이지에 고정하는 시료 고정기와, 상기 스테이지의 진동을 제어하는 제진대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버를 고속으로 진동시키는 적어도 하나의 진동 피에조 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 구동 변위와 진동 변위와 진동 위상 중 적어도 어느 하나를 측정하는 적어도 하나의 Lock-in 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 시료의 3차원 형상과 위상을 영상화하는 영상처리기와, 상기 영상처리기에서 나오는 신호를 표시하는 표시기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  18. 제4항에 있어서,
    상기 피에조 튜브 스캐너는 상기 플렉셔 스캐너와 질량 중심(Center of mass)이 일치되도록 상기 플렉셔 스캐너 구동부에 부착되는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 상기 캔틸레버의 Z축 방향 구동이 가능하도록 Z축 구동기가 탑재되고, 상기 캔틸레버의 Z축 변위측정이 가능하도록 Z축 변위측정센서가 탑재되는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  20. 시료를 이송하는 스테이지와,
    탐침이 부착되어 상기 시료의 원자와의 인력과 척력에 의해 구동 변위 및 구동 주파수가 변하는 적어도 하나의 캔틸레버와,
    상기 캔틸레버가 부착되어 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 상기 시료를 단 행정 스캔하는 적어도 하나의 피에조 튜브 스캐너와,
    상기 피에조 튜브 스캐너가 Z축 방향으로 부착되어 X축 방향, Y축 방향으로 상기 시료를 장 행정 스캔하는 적어도 하나의 플렉셔 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간 힘 현미경.
  21. 시료를 스테이지에 고정하는 단계와,
    캔틸레버를 캔틸레버 고정기에 고정하는 단계와,
    상기 캔틸레버의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템을 구동하여 플럭셔 스캐너와 피에조 튜브 스캐너를 동시에 상기 시료 방향으로 이동하는 단계와,
    상기 피에조 튜브 스캐너를 구동하여 상기 캔티레버를 상기 시료 방향으로 이동하는 단계와,
    탐침이 상기 시료에 접촉한 상태로 상기 캔티레버의 구동 변위를 일정하게 제어하면서 상기 캔티레버의 구동 변위 변화를 측정하는 단계와,
    상기 플럭셔 스캐너를 X축, Y축 방향으로 구동하고, 상기 피에조 튜브 스캐너를 X축, Y축, Z축 방향으로 구동하면서, 상기 탐침으로 시료를 스캔하는 단계와,
    상기 캔티레버의 구동 변위를 Lock-in 증폭기로 측정하는 단계와,
    영상 처리기가 상기 Lock-in 증폭기의 신호를 받아서 상기 시료의 3차원 형상을 영상화하는 단계와,
    상기 표시기가 영상 처리기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 측정방법.
  22. 시료를 스테이지에 고정하는 단계와,
    캔틸레버를 캔틸레버 고정기에 고정하는 단계와,
    상기 캔틸레버의 구동 변위를 측정하면서 조동 접근 시스템을 구동하여 플럭셔 스캐너와 피에조 튜브 스캐너를 동시에 상기 시료 방향으로 이동하는 단계와,
    상기 캔틸레버가 일정한 진동 변위와 진동 주파수를 갖도록 진동시키는 단계와,
    탐침이 상기 시료를 두드리는(Tapping) 상태로 상기 캔티레버의 진동 변위를 일정하게 제어하면서 상기 캔티레버의 진동 변위 변화를 측정하거나, 또는 탐침이 상기 시료와 비접촉(Non-contact) 상태로 상기 캔티레버의 진동 변위 또는 진동 주파수를 일정하게 제어하면서 상기 캔티레버의 진동 변위 변화 또는 진동 주파수 변화 또는 진동 위상(Phase) 변화를 측정하는 단계와,
    상기 플럭셔 스캐너를 X축, Y축 방향으로 장 행정 구동하고, 상기 피에조 튜브 스캐너를 X축, Y축, Z축 방향으로 단 행정 구동하면서, 상기 탐침으로 시료를 스캔하는 단계와,
    상기 캔티레버의 구동 변위를 Lock-in 증폭기로 측정하는 단계와,
    영상 처리기가 상기 Lock-in 증폭기의 신호를 받아서 상기 시료의 3차원 형상을 영상화하는 단계와,
    상기 표시기가 영상 처리기의 신호를 받아서 시료의 3차원 형상을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 측정방법.
KR1020100014020A 2010-02-17 2010-02-17 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법 KR101678041B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100014020A KR101678041B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법
US12/929,674 US8499360B2 (en) 2010-02-17 2011-02-08 Atomic force microscopes and methods of measuring specimens using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100014020A KR101678041B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110094557A true KR20110094557A (ko) 2011-08-24
KR101678041B1 KR101678041B1 (ko) 2016-11-21

Family

ID=44370574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100014020A KR101678041B1 (ko) 2010-02-17 2010-02-17 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8499360B2 (ko)
KR (1) KR101678041B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101529607B1 (ko) * 2013-11-18 2015-06-19 한국표준과학연구원 탐침현미경, 이를 이용한 탐침현미경의 정렬방법, 기록매체 및 정렬 시스템

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103293339A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国科学院合肥物质科学研究院 一种嵌套双压电扫描管共同扫描的复合压电扫描管
JP2016017862A (ja) * 2014-07-09 2016-02-01 株式会社日立ハイテクサイエンス ３次元微動装置
WO2016063407A1 (ja) * 2014-10-24 2016-04-28 株式会社島津製作所 走査型プローブ顕微鏡
JP6735382B2 (ja) * 2019-04-03 2020-08-05 株式会社日立ハイテクサイエンス ３次元微動測定装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0666558A (ja) * 1992-08-14 1994-03-08 Hitachi Constr Mach Co Ltd 微細対象物測定装置の測定箇所視野内設定方法
KR19980081247A (ko) * 1997-04-09 1998-11-25 이토기요시 주사식 프로브 현미경
KR20030068375A (ko) * 2002-02-15 2003-08-21 피에스아이에이 주식회사 주사 탐침 현미경

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5948972A (en) * 1994-12-22 1999-09-07 Kla-Tencor Corporation Dual stage instrument for scanning a specimen

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0666558A (ja) * 1992-08-14 1994-03-08 Hitachi Constr Mach Co Ltd 微細対象物測定装置の測定箇所視野内設定方法
KR19980081247A (ko) * 1997-04-09 1998-11-25 이토기요시 주사식 프로브 현미경
KR20030068375A (ko) * 2002-02-15 2003-08-21 피에스아이에이 주식회사 주사 탐침 현미경

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101529607B1 (ko) * 2013-11-18 2015-06-19 한국표준과학연구원 탐침현미경, 이를 이용한 탐침현미경의 정렬방법, 기록매체 및 정렬 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US8499360B2 (en) 2013-07-30
KR101678041B1 (ko) 2016-11-21
US20110203020A1 (en) 2011-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5654477B2 (ja) 動的なプローブ検出システム
US8528110B2 (en) Probe detection system
US20100275334A1 (en) Modular atomic force microscope
JP5143931B2 (ja) 三次元形状測定装置
KR20110094557A (ko) 원자간 힘 현미경 및 이를 이용한 시료 측정방법
JP2007171021A (ja) 走査プローブ装置及び走査プローブ装置用の駆動ステージ
JP2014055853A (ja) 形状測定装置
KR101198178B1 (ko) 고속 및 고정밀 원자힘 현미경
JP5305650B2 (ja) 走査型プローブ顕微鏡用変位検出機構およびこれを用いた走査型プローブ顕微鏡
KR101330468B1 (ko) 삼차원 형상 측정장치
JP5295814B2 (ja) 走査機構および走査型プローブ顕微鏡
US7614288B2 (en) Scanning probe microscope fine-movement mechanism and scanning probe microscope using same
US10564181B2 (en) Atomic force microscope with optical guiding mechanism
JP2014126643A (ja) 顕微鏡、顕微鏡の制御プログラム、方法および超音波電動ステージ
JP2006023443A (ja) 顕微鏡装置
JP4914580B2 (ja) 走査型プローブ顕微鏡
Jaeger Laser-based measurement to nanometer scale accuracy
JP4575250B2 (ja) 走査型プローブ顕微鏡
JP2003194693A (ja) 走査型プローブ顕微鏡
JP2005077446A (ja) 合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡
JP2004257849A (ja) 走査型プローブ顕微鏡用の走査機構及び走査型プローブ顕微鏡
JP2008102151A (ja) 走査型プローブ顕微鏡用の走査機構及び走査型プローブ顕微鏡

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant