KR20110136205A - 고속 및 고정밀 원자힘 현미경 - Google Patents

고속 및 고정밀 원자힘 현미경 Download PDF

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KR20110136205A KR1020100056055A KR20100056055A KR20110136205A KR 20110136205 A KR20110136205 A KR 20110136205A KR 1020100056055 A KR1020100056055 A KR 1020100056055A KR 20100056055 A KR20100056055 A KR 20100056055A KR 20110136205 A KR20110136205 A KR 20110136205A
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Abstract

탐침과, 이 탐침이 마련되며 탐침의 원자와 시료 표면의 원자 간에 작용하는 힘에 의해 진동 변위가 변하는 캔틸레버와, 이 캔틸레버에 광원으로부터 나온 빔을 조사하고 캔틸레버에 의해 반사된 빔으로부터 캔틸레버의 변위를 측정하는 변위 측정 장치와, 시료를 스캔할 때 캔틸레버 및 변위 측정 장치를 동시에 이동시키는 이동 장치를 포함함으로써 시료를 고속 측정이 가능하면서도 정밀하게 측정할 수 있는 원자힘 현미경을 개시한다.

Description

고속 및 고정밀 원자힘 현미경{High-Speed and High-Resolution Atomic Force Microscopic}
본 발명은 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope : AFM)에 관한 것으로, 탐침이 마련된 캔틸레버를 시료 표면을 따라 스캔하여 탐침과 시료 사이에 작용하는 원자 간의 힘에 의해 캔틸레버의 진동 변위를 검출하는 방식으로 시료 표면의 미세구조를 측정할 수 있는 원자힘 현미경에 관한 것이다.
원자힘 현미경은 시료의 높이 방향인 Z축 방향으로 서브 나노미터(Sub-nanometer)급의 높은 측정 분해능을 갖기 때문에, 요구되는 정밀도가 점점 높아지는 반도체, LCD, 바이오 등의 산업분야에서 시료의 3차원(X축, Y축, Z축) 형상(Topography)을 얻기 위한 차세대 초정밀 측정 장비로 각광을 받고 있다.
시료의 3차원 형상을 얻기 위해서는, 시료가 위치한 평면 방향인 X축 및 Y방향으로 캔틸레버(Cantilever)와 시료 간에 상대 운동을 만들어서 캔틸레버 또는 시편을 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직이면서, 캔틸레버의 끝에 Z축 방향으로 부착된 탐침(Tip)과 시편의 원자 사이에 작용하는 반데르발스 힘(Van der Waals force)을 측정하여 Z축 방향의 형상을 측정한다.
기존의 원자힘 현미경은 기계적 혹은 물리적 한계 때문에 고속 측정이 불가능하다.
본 발명의 일 측면은 고속 측정이 가능하면서도 정밀하게 측정할 수 있는 원자힘 현미경을 제공한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면에 따른 원자힘 현미경은 탐침과, 상기 탐침이 마련되며, 상기 탐침의 원자와 시료 표면의 원자간에 작용하는 힘에 의해 진동 변위가 변하는 캔틸레버와, 상기 캔틸레버에 광원으로부터 나온 빔을 조사하고 상기 캔틸레버에 의해 반사된 빔으로부터 상기 캔틸레버의 변위를 측정하는 변위 측정 장치와, 상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버 및 상기 변위 측정 장치를 동시에 이동시키는 이동 장치를 포함한다.
또한, 상기 이동 장치는 상기 변위 측정 장치와 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향으로 이동시키는 제1 스캐너와, 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 이동시키는 제2 스캐너를 포함한다.
또한, 상기 캔틸레버 내에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동 시키는 구동기를 포함한다.
또한, 상기 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것을 포함한다.
또한, 상기 제2 스캐너와 상기 캔틸레버 사이에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 피에조 구동기를 포함한다.
또한, 상기 피에조 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것을 포함한다.
또한, 상기 변위 측정 장치는 상기 원자힘 현미경의 본체에 마련되어 상기 캔틸레버에 빔을 조사하는 광원과, 상기 원자힘 현미경의 본체에 마련되어 상기 광원으로부터 조사된 빔을 집광하여 상기 캔틸레버 표면에 전달하는 집광 렌즈와, 상기 본체에 마련되어 상기 캔틸레버의 표면에 반사된 빔을 상기 집광 렌즈를 통해 수신하는 광 검출기를 포함한다.
또한, 상기 변위 측정 장치는 상기 광원으로부터 나온 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 빔 스플리터를 포함한다.
또한, 상기 변위 측정 장치는 상기 광원의 위치를 정렬시키는 제1 위치정렬장치와, 상기 광 검출기의 위치를 정렬시키는 제2 위치정렬장치를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 원자힘 현미경은 탐침과, 상기 탐침이 마련되며, 상기 탐침의 원자와 시료 표면의 원자간에 작용하는 힘에 의해 진동 변위가 변하는 캔틸레버와, 상기 캔틸레버에 빔을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 조사된 빔을 집광하여 상기 캔틸레버 표면에 전달하는 집광 렌즈와, 상기 캔틸레버의 표면에 반사된 빔을 상기 집광 렌즈를 통해 수신하는 광 검출기와, 상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버, 광원, 집광 렌즈 및 광 검출기를 동시에 상기 시료가 놓인 평면 방향으로 이동시키는 제1 스캐너와, 상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 이동시키는 제2 스캐너를 포함한다.
또한, 상기 광원으로부터 나온 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 빔 스플리터를 포함한다.
또한, 상기 캔틸레버 내에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 구동기 또는 상기 캔틸레버와 상기 제2 스캐너 사이에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 피에조 구동기를 포함한다.
또한, 상기 구동기 또는 피에조 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것인 것을 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 웨이퍼, LCD, 바이오산업에서 수백 mm 이상의 장 행정을 나노미터 급의 분해능으로 고속으로 측정하는 것이 가능하기 때문에 기존에는 원자힘 현미경이 높은 측정 분해능에도 불구하고 측정 속도가 느려서 산업현장에서 많이 사용되지 못했는데, 다양한 분야에서 사용을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자힘 현미경의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시료를 X축 방향과 Y축 방향으로 스캔하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자힘 현미경의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자힘 현미경의 개략적인 단면을 나타낸 것이다. 도 2는 도 1에 도시된 시료를 X축 방향과 Y축 방향으로 스캔하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자힘 현미경은 광학 시스템(10)과, 본체(11,12)와, 제1 스캐너(13)와, 제2 스캐너(14)와, 캔틸레버(15)와, 탐침(Tip)(16)과, 피에조 구동기(17)와, 제1 집광 렌즈(18)와, 제2 집광 렌즈(19)와, 광원(20)과, 제1 위치정렬장치(21)와, 빔 스플리터(22)와, 광 검출기(23)와, 제2 위치정렬장치(24)를 포함한다.
광학 시스템(10)은 본체(11,12)의 상부 측 개구부에 마련되어 캔틸레버(15) 표면에 빔이 도달하는 것과 캔틸레버(15)가 시료(30)의 원하는 지점에 접근하는 것을 확인할 수 있도록 하기 위한 것이다. 광학 시스템(10)은 별도로 마련될 수 있다.
광학 시스템(10)은 CCD(Charge Coupled Device)센서와 렌즈를 이용하여 영상을 촬영한다.
본체(11, 12)는 제1 프래임 부재(11)와 제2 프래임 부재(12)를 포함한다.
제1 프래임 부재(11)와 제2 프래임 부재(12)는 연결되어 있다.
제1 프래임 부재(11)는 제2 프래임 부재(12)보다 상대적으로 상부 측에 마련된다.
제1 스캐너(13)와 제2 스캐너(14)는 본체(11,12)와 캔틸레버(15)를 동시에 이동시키는 이동 장치를 구성한다. 즉, 이동 장치는 본체(11,12)와 캔틸레버(15)를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 이동시킨다.
제1 스캐너(13)는 제1 프래임 부재(11)에 마련되어 캔틸레버(15)가 평면상에서 X축 방향과 Y축 방향으로 이동 가능하도록 본체(11,12)를 이동시킨다.
제2 스캐너(14)는 제2 프래임 부재(12)에 마련되어 캔틸레버(15)를 평면과 수직인 방향으로 이동시킨다.
캔틸레버(15)에는 탐침(16)이 마련된다. 탐침(16)은 시료(30)와의 반데르 발스 힘을 유도한다.
탐침(16)이 시료(30)의 표면에 근접하면 탐침(16) 끝의 원자와 시료(30) 표면의 원자 사이에 상호 작용력이 생겨 탐침(16)과 연결된 캔틸레버(15)가 아래위로 휜다. 이러한 상호 작용력을 반데르 발스 힘이라 한다.
캔틸레버(15)는 자유단에 탐침(16)이 부착되고 시료(30)와의 반데르 발스 힘에 의해 구동 변위가 변한다. 탐침(16)과 캔틸레버(15)는 1개 혹은 다수 개일 수 있다.
캔틸레버(15)는 캔틸레버(15)를 진동시키는 구동기와, 캔틸레버(15)의 진동 변위 측정이 가능하게 마련된 변위센서를 포함할 수 있다.
구동기는 예를 들면, 캔틸레버(15)를 Z축 방향으로 진동시킨다. 변위센서는 예를 들면, 캔틸레버(15)의 Z축 방향으로 진동 변위를 측정한다.
구동기는 피에조 구동기(Piezoelectric actuator) 또는 열적 구동기(Thermal actuator)를 포함하며, 캔틸레버(15)를 Z축 방향으로 고속으로 진동시킨다.
피에조 구동기는 전압을 인가하면 구동 변위가 변하는 피에조 물질을 이용한 구동기이며, 열적 구동기는 열팽창 계수가 다른 물질에 전압을 인가하면 바이메탈 효과(Bimetal effect)에 의해 구동 변위가 변하는 바이메탈 물질을 이용한 구동기이다.
변위센서는 피에조 저항 센서(Piezo resistive sensor)를 포함한다. 피에조 저항 센서는 피에조 물질의 변위가 변함에 따라 피에조 물질의 저항이 변하는 센서이다.
캔틸레버(15)의 피에조 구동기 또는 열적 구동기에 전압이 공급되면, 캔틸레버(15)는 +Z축과 -Z축을 왕복하면서 진동하게 된다. 캔틸레버(15)가 진동하면 피에조 저항 센서의 저항 값이 변한다.
따라서, 피에조 저항 센서의 출력 변화를 감지함으로서 캔틸레버(15)의 구동 변위를 측정할 수 있다.
한편, 캔틸레버(15)의 구동기 대신에 캔틸레버(15)와 제2 스캐너(14)사이에 마련되어 캔틸레버(15)를 Z축 방향으로 진동시키는 피에조 구동기(17)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 스캐너(14), 피에조 구동기(17), 캔틸레버(15)의 구동기가 시료(30)의 영역을 스캔하는 행정 길이를 비교해보면, 제2 스캐너(14)는 상대적으로 장 행정으로 스캔하는 장 행정 스캐너이고, 피에조 구동기(17)는 중간 행정으로 스캔하는 중간 행정 스캐너이고, 캔틸레버(15)의 구동기는 단 행정으로 스캔하는 단 행정 스캐너이다.
제1 집광 렌즈(18)는 광학 시스템(10)에서 나온 빔을 집광하여 캔틸레버(15) 표면에 비추고 캔틸레버(15) 표면에서 반사된 빔을 광학 시스템(10)으로 보내는 역할을 한다.
광원(20), 제1 위치정렬장치(21), 빔 스플리터(22), 제2 집광 렌즈(19), 광 검출기(23), 제2 위치정렬장치(24)는 캔틸레버(15)의 구동 변위를 측정하는 변위 측정 장치를 구성한다. 즉, 변위 측정 장치는 광원으로부터 나온 빔을 캔틸레버(15)에 조사하고, 캔틸레버(15)에 의해 반사된 빔으로부터 캔틸레버(15)의 변위를 측정한다.
광원(20)은 캔틸레버(15)의 상부 측에 마련되고, 캔틸레버(15)의 구동 변위를 측정하기 위해 캔틸레버(15)에 빔을 조사한다.
광원(20)은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드일 수 있다.
광원(20)에는 광원(20)의 위치를 정렬하는 적어도 하나의 제1 위치정렬장치(21)가 부착된다.
제1 위치정렬장치(21)는 광원(20)의 위치를 미세 조정하는 역할을 수행한다.
빔 스플리터(22)는 광원(20)으로부터 나온 빔을 제2 집광 렌즈(19)로 반사시킨다.
제2 집광 렌즈(19)는 빔 스플리터(22)에 의해 반사된 빔을 집광하여 캔틸레버(15) 표면에 비추고 캔틸레버(15) 표면에서 반사된 빔을 광 검출기(23)로 보내는 역할을 한다.
광 검출기(23)는 캔틸레버(15)의 표면에서 반사된 빔을 측정한다.
광 검출기(23)에는 광 검출기(23)의 위치를 정렬하는 적어도 하나의 제2 위치정렬장치(24)가 부착된다.
광 검출기(23)는 위치 감응 광 검출기(Position Sensitive Photo Detector ; PSPD)일 수 있다.
제2 위치정렬장치(24)는 광 검출기(23)의 위치를 미세 조정하는 역할을 수행한다.
참조부호 40는 조동 접근 시스템(Coarse approach system)이다. 조동 접근 시스템(40)는 광학 시스템(10)과, 본체(11,12)와, 제1 스캐너(13)와, 제2 스캐너(14)와, 캔틸레버(15)와, 탐침(16)과, 피에조 구동기(17)와, 제1 집광 렌즈(18)와, 제2 집광 렌즈(19)와, 광원(20)과, 제1 위치정렬장치(21)와, 빔 스플리터(22)와, 광 검출기(23)와, 제2 위치정렬장치(24)를 동시에 시료 방향으로 이동시키기 위한 장치이다.
상기한 원자힘 현미경의 작동을 살펴보면, 광학 시스템(10)을 통해 캔틸레버(15) 표면에 빔이 도달하는지를 확인한다.
캔틸레버(15) 표면에 빔이 도달하는 것이 확인되면, 캔틸레버(15) 표면의 원하는 위치에 빔이 도달하도록 제1 위치정렬장치(21)를 통해 광원(20)의 위치를 정렬한다.
이때, 캔틸레버(15) 표면에서 반사된 빔이 광 검출기(23)의 세트 포지션(Set position)에 도달하도록 제2 위치정렬장치(24)를 통해 광 검출기(23)의 위치를 정렬한다.
그런 후 광 검출기(23)를 이용하여 캔틸레버(15)의 구동 변위를 측정하면서, 조동 접근 시스템(40)을 구동하여 캔틸레버(15)를 시료(30) 방향으로 이동시키면, 캔틸레버(15)에 마련된 탐침(16)의 원자와 시료(30)의 원자 사이에 작용하는 인력의 영향력이 커져서 탐침(16)이 시료 방향으로 이동한다. 여기서 조동 접근 시스템(40)은 광학 시스템(10)과, 본체(11,12)와, 제1 스캐너(13)와, 제2 스캐너(14)와, 캔틸레버(15)와, 탐침(Tip)(16)과, 피에조 구동기(17)와, 제1 집광 렌즈(18)와, 제2 집광 렌즈(19)와, 광원(20)과, 제1 위치정렬장치(21)와, 빔 스플리터(22)와, 광 검출기(23)와, 제2 위치정렬장치(24)를 동시에 시료 방향으로 이동시킨다.
이에 따라 탐침(16)이 마련된 캔틸레버(15)가 시료 방향으로 휘어져서 캔틸레버(15)의 구동 변위가 변하게 되는데, 이때 조동 접근 시스템(40)의 구동을 중지하여 캔틸레버(15)의 시료(30) 방향 이동을 중지한다.
그리고, 광 검출기(23)를 이용하여 캔틸레버(10)의 구동 변위를 측정하면서, 조동 접근 시스템(40)을 구동하여 캔틸레버(15)를 시료(30) 방향으로 이동시킨다.
캔틸레버(15)가 시료(30) 방향으로 이동함에 따라 캔틸레버(15)에 부착된 탐침(16)의 원자와 시료(30)의 원자 사이에 작용하는 척력의 영향력이 커져서 탐침(16)이 시료 반대 방향으로 이동하게 되며, 이에 따라 탐침(16)이 부착된 캔틸레버(15)가 휘어져서 캔틸레버(15)의 구동 변위가 변한다.
캔틸레버(15)의 구동 변위가 세트 포지션이 되면 조동 접근 시스템(40)의 구동을 중지하여 캔틸레버(15)의 시료 방향 이동을 중지한다.
다음, 제1 스캐너(13)를 X축, Y축 방향으로 고속으로 정밀하게 구동하고, 탐침(16)이 시료(30)에 접촉한 상태로 캔틸레버(15)의 구동 변위를 일정하게 제어하면서 광 검출기(23)를 이용하여 캔틸레버(15)의 구동 변위 변화를 측정한다.
그리고, 캔틸레버(10)의 구동 변위를 통해 시료(30)의 3차원 형상을 영상화한다. 이 3차원 형상은 별도의 표시기를 통해 표시된다.
Z축 방향 측정 분해능은 변위 측정 장치(20~24)를 이용한 방식이 캔틸레버(15)의 자체 휘어짐에 의한 저항 변화 등을 이용하여 측정하는 방식, 즉 캔틸레버(15) 자체를 변위 센서로 사용하는 방식보다 월등히 성능이 좋다.
Z축 방향 구동 속도는 원자힘 현미경의 측정 속도에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 피에조 구동기를 이용한 스캐너는 공진 주파수를 높이는 데에는 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 이를 보완하기 위해 자체적으로 구동할 수 있도록 Z축 구동기를 가진 캔틸레버(15)와 제2 스캐너(14)를 혼합하여 사용하는 개념을 제안한다.
이때 캔틸레버(15)는 가능한 작게 만들어 공진 주파수를 최대한 크게 만든다. 자체 구동 가능한 캔틸레버(15)의 크기가 작은 경우 구동 영역이 줄어드는 단점이 있는데, 큰 구동 범위는 제2 스캐너(14)가 담당하게 함으로써 캔틸레버(15)는 작은 구동 영역에 대해서 고속으로 움직이기만 하면 된다.
그 결과 제2 스캐너(14)를 단독으로 사용할 때보다 Z축으로 더욱 큰 범위를 구동할 수 있고 더 고속으로 구동할 수 있게 된다.
제1 스캐너(13)는 제2 스캐너(14)보다 요구되는 공진 주파수가 훨씬 작다. 따라서, 제1 스캐너(13)는 고속도 중요하지만 정확도가 높도록 설계되어야 한다. 이를 위하여 제1 스캐너(13)는 플렉셔(Flexure)로 가이드 되도록 설계되어야 한다.
플렉셔 가이드는 X축과 Y축 운동방향으로는 잘 움직이도록 하고, 그 외의 방향인 Z축, 피치(pitch) 방향, 요우(yaw) 방향, 롤(roll) 방향으로는 잘 움직이지 않도록 설계하여야 한다. 이를 위해 기구학적으로 X축과 Y축 2자유도를 갖도록 플렉셔를 설계하는 것이 바람직하다.
플렉셔 가이드는 플렉셔의 탄성 변형을 이용해야 하기 때문에 보통 구동 영역이 100 um 이하이다. 반도체 웨이퍼나 LCD 기판 등 수십~수백 mm 구동 영역이 필요한 경우에는 플렉셔 가이드에 조동 구동기(Coarse actuator)를 혼합하여 구동한다. 이 때 조동 구동기는 제1 스캐너(13)에 비해 속도가 느리기 때문에 원자힘 현미경 전체를 움직이는데 사용된다.
이때, 시료(30)는 고정된다. 또한, 시료 전체를 움직이는데 사용될 수도 있다. 그 결과 수백 mm 구동 영역에 대해 서브 나노미터 이하의 고정밀 구동 분해능을 구현할 수 있다.
원자힘 현미경은 두 가지 측정 모드로 작동될 수 있다. 하나는 접촉 모드(Contact mode)이고 다른 하나는 비접촉 모드(Non-contact mode)이다.
먼저, 접촉 모드는 도 3에서 제1 스캐너(13)가 시료(30)의 평면을 스캐닝할 때, 시료(30)의 표면 형상으로 인해 Z축 방향 높이가 달라지면 캔틸레버(15)에 부착된 탐침(16) 끝단과 시료(30) 사이의 반데르발스 힘이 달라지게 된다.
이 반데르 발스 힘 또는 캔틸레버(15)에 부착된 탐침(16) 끝단과 시료(30) 사이의 거리가 일정하도록 제2 스캐너(14)를 이용해 피드백 제어를 수행하면서 스캐닝을 한다. 이 때 Z축 방향으로 움직인 캔틸레버(15)의 위치는 제2 스캐너(14)의 변위 센서로 측정된 값을 통해 알 수 있게 된다. 이 값이 각 측정 지점에서의 시료(30)의 Z축 방향 높이가 된다.
다음으로, 비접촉 모드의 경우엔 테핑(Tapping) 작동하는 피에조 구동기를 이용하여 캔틸레버(15)를 일정한 주파수와 일정한 진폭을 갖도록 진동시켜주며 스캐닝할 때, 시료(30)의 Z축 방향 높이에 따라 진폭이 변하게 되고 이 진폭을 일정하게 유지시켜 주도록 제2 스캐너(14)를 피드백 제어해주며 스캐닝 하는 방법이다.
비접촉 모드에서도 역시 제2 스캐너(14)의 변위 센서의 변화량을 읽어서 시료(30)의 Z축 방향 높이를 알 수 있다.
원자힘 현미경의 Z축 구동 범위는 10 um 수준으로 설계한다. 보통 산업체에서 측정하고자 하는 시료의 형상의 높이는 1~2 um 수준이다. 그럼에도 불구하고 Z축 높이를 10 um로 하는 이유는 제1 스캐너(13)의 구동 평면과 시료(30)의 평면이 정확히 평행하지 않고 시료(30)의 표면에 수 um 크기의 입자(particle)가 있는 경우에, 원자힘 현미경의 Z축 구동 범위가 작을 경우에는 탐침(16)이 시료(30)의 표면 또는 입자에 부딪혀서 손상을 받거나 부러질 수도 있기 때문이다.
본 발명의 장점은 제2 스캐너(14)를 피드백 제어할 때 제2 스캐너(14) 보다 고유 진동수가 훨씬 큰 캔틸레버(15)를 이용하기 때문에 빠르게 반응할 수 있다는 점이다. 캔틸레버(15)는 고속 구동을 위해 가능한 작게 만들다 보니 구동 범위가 작아지게 된다. 즉, 측정하고자 하는 시료의 크기가 1~2 um 수준일 경우 그 정도만 움직이도록 캔틸레버(15)를 설계하는 것이다.
그리하여 국부적인 영역에서의 시료(30)의 표면 형상은 캔틸레버(15)를 이용하여 트래싱(Tracing)하고, 시료(30)의 넓은 영역에서 상대적으로 낮은 공간 주파수로 변하는 높낮이는 제2 스캐너(14)를 이용하여 트래싱(Tracing) 한다.
만약에, 시료(30)의 전 영역에서 시료(30)의 표면 형상의 높낮이 변화가 높은 공진 주파수를 갖고 시료(30)의 표면 형상의 높낮이 변화가 캔틸레버(15)의 구동 범위를 넘을 만큼 큰 경우에, Z축 스캐닝 속도는 캔틸레버(15) 보다는 제2 스캐너(14)에 크게 영향을 받겠지만 이 경우에도 캔틸레버(14)의 빠른 응답으로 인해 시료(30)의 표면 형상을 빠르게 트래싱(Tracing) 할 수 있다.
결론적으로 작은 측정 영역은 빠른 구동 속도를 갖는 캔틸레버(15)가, 큰 측정 영역은 캔틸레버에 비해 구동 속도가 상대적으로 느린 Z축 스캐너가 감당하도록 하는 이중 서보(dual servo) 구조를 채택함으로써 Z축 측정 속도를 높일 수 있다.
만약 캔틸레버(15)를 너무 작게 만들면 측정 빔의 크기를 줄여야 할 수도 있다. 이럴 경우에는 제2 집광 렌즈(19)를 이용하여 빔을 캔틸레버(15)의 표면에 포커싱함으로써 빔의 크기를 줄일 수 있다. 또한 시료(30)의 표면에서 반데르발스 힘에 의한 상호작용이 일어나는 위치까지 캔틸레버(15)를 대략적으로 움직일 때 캔틸레버(15)가 시료(30)의 표면에 위치하는 것을 광학적으로 관찰하기 위한 제1 집광 렌즈(18)를 장착한다.
이를 위하여 제2 스캐너(14)의 가운데는 빛이 통과하도록 구멍이 뚫린 구조를 제안하고 있다. 이러한 제2 스캐너(14)는 가운데 구멍이 뚫린 링 형태(Ring type) 압전 구동기를 사용할 수도 있고, 다수의 Z축 구동기를 붙여서 제2 스캐너(14)를 구현하고 그 가운데에 Z축 방향으로 구멍을 뚫어서 빛이 통과하게 만들 수는 것도 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드의 크기가 큰 경우에는 광원(20')를 제1 프래임 부재(11)의 외부에 위치시키고, 빔을 광섬유(25)를 통해 제3 집광 렌즈(26)에 비춘다. 제3 집광 렌즈(26)는 빔이 퍼지지 않도록 빔을 평행광 또는 집광 시키는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 원자힘 현미경은 기계적인 구조상 본체(11,12)가 제1 스캐너(13)과 같이 움직이므로, 제1 스캐너(13)를 움직일 때 빔이 항상 캔틸레버(15)의 표면에 비추게 되어 빔이 캔틸레버(15)의 밖으로 벗어나지 않아서 캔틸레버(15)의 Z축 방향 변위를 항상 측정할 수 있게 된다.
10 : 광학 시스템 11 : 제1 프래임 부재
12 : 제2 프래임 부재 13 : 제1 스캐너
14 : 제2 스캐너 15 : 캔틸레버
16 : 탐침 17 : 피에조 구동기
18 : 제1 집광 렌즈 19 : 제2 집광 렌즈
20 : 광원 20': 광원
21 : 제1 위치정렬장치 22 : 빔 스플리터
23 : 광 검출기 24 : 제2 위치정렬장치
25 : 광섬유 26 : 제3 집광 렌즈
30 : 시료

Claims (13)

  1. 탐침과,
    상기 탐침이 마련되며, 상기 탐침의 원자와 시료 표면의 원자간에 작용하는 힘에 의해 진동 변위가 변하는 캔틸레버와,
    상기 캔틸레버에 광원으로부터 나온 빔을 조사하고 상기 캔틸레버에 의해 반사된 빔으로부터 상기 캔틸레버의 변위를 측정하는 변위 측정 장치와,
    상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버 및 상기 변위 측정 장치를 동시에 이동시키는 이동 장치를 포함하는 원자힘 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 장치는 상기 변위 측정 장치와 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향으로 이동시키는 제1 스캐너와, 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 이동시키는 제2 스캐너를 포함하는 원자힘 현미경.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캔틸레버 내에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동 시키는 구동기를 포함하는 원자힘 현미경.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것을 포함하는 원자힘 현미경.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 스캐너와 상기 캔틸레버 사이에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 피에조 구동기를 포함하는 원자힘 현미경.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피에조 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것을 포함하는 원자힘 현미경.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 변위 측정 장치는 상기 원자힘 현미경의 본체에 마련되어 상기 캔틸레버에 빔을 조사하는 광원과, 상기 원자힘 현미경의 본체에 마련되어 상기 광원으로부터 조사된 빔을 집광하여 상기 캔틸레버 표면에 전달하는 집광 렌즈와, 상기 본체에 마련되어 상기 캔틸레버의 표면에 반사된 빔을 상기 집광 렌즈를 통해 수신하는 광 검출기를 포함하는 원자힘 현미경.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변위 측정 장치는 상기 광원으로부터 나온 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 빔 스플리터를 포함하는 원자힘 현미경.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변위 측정 장치는 상기 광원의 위치를 정렬시키는 제1 위치정렬장치와, 상기 광 검출기의 위치를 정렬시키는 제2 위치정렬장치를 포함하는 원자힘 현미경.
  10. 탐침과,
    상기 탐침이 마련되며, 상기 탐침의 원자와 시료 표면의 원자간에 작용하는 힘에 의해 진동 변위가 변하는 캔틸레버와,
    상기 캔틸레버에 빔을 조사하는 광원과,
    상기 광원으로부터 조사된 빔을 집광하여 상기 캔틸레버 표면에 전달하는 집광 렌즈와,
    상기 캔틸레버의 표면에 반사된 빔을 상기 집광 렌즈를 통해 수신하는 광 검출기와,
    상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버, 광원, 집광 렌즈 및 광 검출기를 동시에 상기 시료가 놓인 평면 방향으로 이동시키는 제1 스캐너와,
    상기 시료를 스캔할 때 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 이동시키는 제2 스캐너를 포함하는 원자힘 현미경.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광원으로부터 나온 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 빔 스플리터를 포함하는 원자힘 현미경.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 캔틸레버 내에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 구동기 또는 상기 캔틸레버와 상기 제2 스캐너 사이에 마련되어 상기 캔틸레버를 상기 시료가 놓인 평면 방향과 수직한 방향으로 진동시키는 피에조 구동기를 포함하는 원자힘 현미경.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구동기 또는 피에조 구동기는 상기 제2 스캐너보다 단 행정 스캐너인 것인 것을 포함하는 원자힘 현미경.
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