KR20130073895A

KR20130073895A - 평면형 객체 레벨링을 위한 볼스페이서 방법

Info

Publication number: KR20130073895A
Application number: KR1020127030370A
Authority: KR
Inventors: 존 에드워드 부산; 제이슨 알. 하헤임; 존 모스칼; 에드워드 알. 솔헤임; 바딤 발흐바라보브; 마이클 알. 넬슨; 나빌 에이. 앰로; 자바드 엠. 바킬
Original assignee: 나노잉크, 인크.
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2013-07-03
Also published as: AU2011249007A1; US20110268883A1; WO2011136848A1; KR20130073896A; US20110268882A1; CA2794720A1; AU2011245669A1; EP2564272A2; JP2013530387A; CA2794903A1; WO2011139337A3; TW201209707A; TW201200877A; WO2011139337A9; WO2011139337A2; JP2013533460A; EP2564270A1

Abstract

기판 표면에 대해서 마이크로 크기의 펜들의 어레이를 레벨링하기 위한 장치가 제공된다. 그러한 장치는: 마이크로 크기의 펜들의 어레이; 기판 표면을 가지는 기판; 일 단부에 구형 볼을 포함하는 제어가능한 아암; 복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판 표면 상으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서; 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이 및/또는 기판을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들; 그리고 기판에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하도록, 그리고 평면형 오프셋을 기초로 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함한다. 방법들이 또한 제공된다.

Description

평면형 객체 레벨링을 위한 볼스페이서 방법{BALLSPACER METHOD FOR PLANAR OBJECT LEVELING}

관련 출원들의 상호-참조

본 출원은 전체가 본원에서 참조에 의해서 포함되는 2010년 4월 27일자로 출원된 미국 가특허출원 61/328,557를 기초로 우선권을 주장한다.

마이크로규모의 팁들(microscale tips) 및 나노규모 팁들이 고해상도 패터닝, 이미징, 및 데이터 저장을 위해서 사용될 수 있다. 패터닝 또는 인쇄에서, 잉크 또는 패터닝 화합물이 팁으로부터 기판 표면과 같은 표면으로 전달될 수 있다. 예를 들어, 팁은 캔틸레버(cantilever) 또는 보다 큰 지지 구조물의 일 단부에 부착된 원자력 현미경(atomic force microscope ;AFM) 팁일 수 있다. 그러한 캔틸레버 팁들의 어레이들을 이용할 때, 딥-펜 나노리소그라피(dip-pen nanolithography ;DPN)는 나노물질 패터닝을 위한 유망한 기술이다. DPN 패터닝의 다른 실시예에서, 폴리머-펜 리소그래피(polymer-pen lithography ;PPL)는 엘라스토머 팁들을 이용하는 무(free)-캔틸레버 리소그래픽 접근방식을 포함할 수 있는 어레이 기반(array based) 패터닝에 대한 다른 실시예를 제공한다.

이러한 직접-기록 나노리소그래픽 접근방식들은, 경쟁관계의 나노리소그래피들이 제공하지 않는, 높은 레지스트레이션(registration), 스루풋(throughput), 다중화(multiplexing), 다기능성(versatility), 및 보다 낮은 비용과 같은 장점들을 제공할 수 있다. 여러 가지 접근방식들이, 예를 들어, Mirkin 등의, WO 00/41213; WOOl/91855; 미국 특허출원 공개 2009/0325816; Small의, 2005, 10, 940-945; Small의, 200901538; 또한 미국 특허 7,005,378; 7,034,854; 7,060,977; 7,098,056; 및 7, 102,656; 그리고 NanoInk의 미국 특허출원 2009/0205091에 기술되어 있다.

많은 용도들에서, 그러한 팁들의 1D 또는 2D 어레이들이 이용된다. 팁 어레이들이 보다 많은 팁들로 기하학적으로 보다 더 복잡해지고 그리고 보다 더 커짐에 따라서, 어레이의 레벨링이 보다 더 어려워지기 시작한다. 만약 어레이가 기판 표면과 레벨링되지 않는다면, 하나의 팁은 다른 팁이 표면과 터치하기 전에 표면과 터치될 것이거나, 또는 다른 팁이 표면과 전혀 터치하지 않을 수 있을 것이다. 또한, 팁들이 표면과 터치하는 때를 알기가 어려울 수 있을 것이다. 많은 경우들에서, 기록할 때 팁들의 대부분 또는 전부가 표면과 접촉하는 것이 바람직하고, 그리고 기록하지 않을 때 팁들의 대부분 또는 전부가 표면으로부터 이격되는 것이 바람직하다.

어레이의 이차원적인 공간적 프로파일이 일단 설정되면, 팁들의 또는 캔틸레버 팁들의 2D 어레이에 대한 높은 정도의 평탄도(planarity)를 가지는 것이 바람직하고; 그렇지 않은 경우에, 리소그래피 동안에 캔틸레버들 및 팁들이 손상될 수 있거나, 기록이 만족스럽지 못하게 될 수 있다.

레벨링을 위한 종래 방법들의 예가 Liao 등의 "Force-Feedback Leveling of Massively Parallel Arrays in Polymer Pen Lithography", Nano Lett., 2010, 10(4), 1335- 1340에서 제공되어 있다.

본원에서 기술된 실시예들은, 예를 들어, 디바이스, 기구, 및 시스템, 그리고 그러한 디바이스, 기구, 및 시스템을 제조하는 방법, 그리고 그러한 기구, 디바이스, 및 시스템을 이용하는 방법을 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체, 하드웨어, 그리고 소프트웨어가 또한 제공된다. 키트(kit)가 또한 제공된다. 그러한 키트는 디바이스, 기구, 및 시스템을 이용하기 위한 설명 자료(instruction materials)를 포함할 수 있다.

일 실시예는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는: 마이크로 크기의 펜들(microscopic pens)의 어레이; 기판 표면을 가지는 기판; 일 단부에 볼을 포함하는 제어가능한 아암으로서, 상기 제어 가능한 아암이 어레이와 기판 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키도록 구성되는, 제어가능한 아암; 복수의 위치들의 각각에서 기판 표면 또는 어레이 상으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서; 상기 어레이와 상기 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이 및/또는 기판을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들; 그리고 (i) 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값(threshold)을 초과하기 전에 복수의 위치들의 각각에서 상기 어레이 또는 상기 기판이 이동한 거리를 기초로 상기 기판에 대한 상기 어레이의 평면형 오프셋(planar offset)을 결정하도록, 그리고 (ii) 상기 평면형 오프셋을 기초로 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함한다.

하나의 실시예는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판의 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키는 단계; 복수의 위치들의 각각에서, (i) 상기 볼이 상기 어레이 및 상기 기판 표면 모두와 접촉할 때까지 그리고 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과할 때까지 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 상기 어레이와 상기 기판 표면 사이의 상대적인 거리를 감소시키는 단계, 그리고 (ii) 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 문턱값을 초과하기 전에 상기 어레이 또는 상기 기판이 이동한 거리를 결정하는 단계; 그리고 상기 결정된 거리들을 기초로 상기 기판 표면에 대한 상기 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함한다.

하나의 실시예는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판의 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키는 단계; 그리고 상기 볼을 이용하여 상기 기판 표면에 대한 상기 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함한다.

하나의 실시예는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는: 마이크로 크기의 펜들의 어레이; 기판; 상기 어레이의 복수의 모서리들에서 상기 어레이와 상기 기판 사이에 단일 볼을 위치시키도록 구성된 로봇 아암; 상기 어레이 또는 상기 기판에 인가되는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서; 그리고 상기 측정된 힘들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 상기 기판에 대해서 상기 어레이를 레벨링하도록 구성된 제어기를 포함한다.

하나의 실시예는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 상기 어레이의 복수의 모서리들에서 마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판 사이에 단일 볼을 위치시키기 위해서 로봇 아암을 이용하는 단계; 상기 어레이의 복수의 모서리들의 각각에서 어레이 또는 기판으로 인가되는 힘을 측정하는 단계; 그리고 상기 측정된 힘들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 기판에 대해서 어레이를 레벨링하는 단계를 포함한다.

하나의 실시예는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는: 로드 셀 샤시에 부착되도록 구성된 장착 프레임을 포함하고, 상기 장착 프레임은 제어가능한 아암을 포함하고, 그리고 상기 제어가능한 아암은 일 단부에 구형 볼을 포함한다. 상기 제어가능한 아암은 상기 어레이와 상기 기판 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키도록 구성된다.

하나의 실시예는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는: 마이크로 크기의 펜들의 어레이; 기판 표면을 가지는 기판; 상기 기판 표면 또는 어레이 상으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서; 상기 어레이와 상기 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이 및/또는 기판을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들; 복수의 볼들로서, 상기 기판 표면 또는 상기 어레이 상의 복수의 위치들 중 하나에 각각 위치되는 복수의 볼들; 그리고 (i) 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과하기 전에 복수의 위치들의 각각에서 상기 어레이 또는 상기 기판이 이동한 거리를 기초로 상기 기판에 대한 상기 어레이의 평면형 오프셋을 결정하도록, 그리고 (ii) 상기 평면형 오프셋을 기초로 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함한다.

하나의 실시예는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판 표면을 가지는 기판을 제공하는 단계로서, 상기 어레이 또는 상기 기판 중 어느 하나가 복수의 볼들을 포함하고, 상기 각각의 볼은 상기 어레이 또는 상기 기판 표면 상의 복수의 위치들 중 하나에 위치되는, 기판 제공 단계; 복수의 위치들의 각각에서, (i) 상기 볼을 해당 위치에서 상기 어레이 또는 상기 기판 표면의 대향(opposing; 반대쪽) 부분과 줄로 정렬하는 단계(lining up), (ii) 상기 볼이 반대쪽의 어레이 또는 상기 기판 표면과 접촉할 때까지 그리고 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과할 때까지 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 상기 어레이와 상기 기판 표면 사이의 상대적인 거리를 감소시키는 단계, 그리고 (iii) 상기 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 문턱값을 초과하기 전에 상기 어레이 또는 상기 기판이 이동한 거리를 결정하는 단계; 그리고 상기 결정된 거리들을 기초로 상기 기판 표면에 대한 상기 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에 대한 적어도 하나의 장점은 보다 양호한 레벨링, 패터닝, 및/또는 이미징을 포함한다. 레벨링, 패터닝, 및/또는 이미징은, 예를 들어, 보다 더 빠를 수 있고 그리고 보다 더 재현가능하다(reproducible).

도 1a는 기판 평탄도를 레벨링하거나 또는 측정하기 위한 시스템의 측면도이다.
도 1b는 표면 평탄도를 레벨링하거나 또는 측정하기 위한 시스템의 사시도이다.
도 1c는 초기 접촉 지점에서의 그리고 스탠드오프들(standoffs) 상에서 6 ㎛의 편향 그라운딩 아웃(deflection grounding out; 편향 평탄화) 후의 완벽하게 평면형인 2D 나노 PrintArray(2D nPA®, Nanolnk)를 도시한 개략도로서, 이러한 실시예에서, 이동 자유(freedom of travel ;F.O.T.)는 6 ㎛이다.
도 1d 및 1e는 2D nPA 가 각도 공차(angular tolerance)의 한계에 접근하는 시나리오를 도시한 개략도이다.
도 1f는 어레이 칩(chip) 및 기판과 관련한 평탄도, 그리고 그러한 평탄도를 규정하기 위해서 사용된 매개 변수들을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2a는 자동 레벨링 프로세스에 대한 흐름도이다.
도 2b는 적응형 레벨링을 포함하는 프로세스에 대한 흐름도이다.
도 3a는 미분값들을 획득하기 위한 기본적인 원리를 도시한 도면이다.
도 3b 및 도 3c는 다양한 힘 곡선 및 그 미분값을 도시한다.
도 4의 A 및 B는 초기 평탄도(T_x, T_y 조정들을 하지 않음)에서 기판과 상호작용하는 2D nPA 에 대한 힘-거리 곡선들을 도시한 도면이다.
도 5의 A 및 B는 (투명한 유리 후면부(backing)-기판 상에 제조된) 엘라스토머 폴리머 팁(Elastomeric Polymer Tip; EPT) 어레이에 대한 힘-거리 곡선들을 도시한 도면이다.
도 6a-6c는 여러 가지 T_x 위치들에서 집합(collect)된 2D nPA에 대한 힘 곡선들의 집합을 도시한 도면이다.
도 7a-7c는 여러 가지 T_x 위치들에서 집합된 EPT 어레이에 대한 힘 곡선들의 집합을 도시한 도면이다.
도 8a-8c는 강성 객체에 대한 OHaus 스케일(scale)의 힘-거리 곡선 측정을 도시한 도면으로서, 스케일 자체는 선형 방식으로 거동하는 것을 보여주고, 그에 따라 임의의 후속 시스템 측정들을 손상시키지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 9는 볼-스페이서 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 볼-스페이서 장치의 실시예를 근접하여 도시한 확대도이다.
도 11은 볼-스페이서(ball-spacer) 장치에서 이용될 수 있는 로드-셀 샤시(load-cell chassis)의 실시예의 상단부 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 로드-셀 샤시의 실시예에 포함될 수 있는 로드-셀 디지타이저(digitizer)의 상단부 사시도이다.
도 13은 도 11에 도시된 로드-셀 샤시의 실시예에 위치될 수 있는 로드-셀 디지타이저(digitizer)의 하단부 분해 사시도이다.
도 14는 도 11에 도시된 로드-셀 샤시의 실시예의 장착 블록의 상단부 사시도이다.
도 15는 도 11에 도시된 로드-셀 샤시의 실시예의 상단부 분해 사시도이다.
도 16은 제어가능한 아암을 유지하는 장착 프레임의 실시예를 상단부에서 도시한 사시도이다.
도 17은 도 16에 도시된 장착 프레임의 실시예를 분해하여 상단부에서 도시한 전개도이다.
도 18은 도 16에 도시된 장착 프레임의 실시예를 분해하여 하단부에서 도시한 전개도이다.
도 19는 장착 프레임이 로드-셀 샤시에 부착되는 실시예의 상단부 사시도이다.
도 20은 장착 프레임이 로드-셀 샤시에 부착되는 실시예의 하단부 사시도이다.
도 21은 당해 엣지를 따라서 로드-셀 샤시에 연결될 수 있는 장착 프레임 및 로드-셀 샤시의 실시예의 상단부 사시도이다.
도 22는 당해 엣지를 따라서 로드-셀 샤시에 연결될 수 있는 장착 프레임 및 로드-셀 샤시의 실시예의 하단부 사시도이다.
도 23은 로드-셀 샤시의 실시예의 정면도이다.
도 24는 로드-셀 샤시의 실시예의 측면도이다.
도 25는 접촉이 발생했을 때 로드 셀 대 스테이지 플레이트의 위치에 의해서 측정된 힘의 샘플 그래프를 도시한 도면이다.
도 26은, 기판 대 시간에 대해서 어레이의 평면형 오프셋을 도시한 곡선과 함께, 어레이와 기판 사이의 3개의 위치들의 각각에 대한 스테이지 플레이트 대 시간의 위치들을 나타내는 곡선들을 포함하는 그래프를 도시한 도면이다.
도 27은 기판과 접촉하는 2개의 팁들을 도시한 도면으로서, 상기 기판에 대한 팁들의 평면형 오프셋을 포함하는 도면이다.
도 28은 의도된 도트 크기(dot size)를 획득하기 위해서 필요한 접촉 측정 정밀도를 도시한 그래프이다.
도 29는 볼-스페이서 방법의 실시예에 대한 흐름도이다.
도 30은 기판 표면에 대해서 완벽하게 평행이 아닌 어레이로 인쇄된 5 mm x 5 mm 영역을 도시한 도면이다.
도 31은 전술한 방법을 이용하여 기판이 어레이에 대해서 레벨링된 후에 인쇄된 5 mm x 5 mm 영역을 도시한 도면이다.

"Force Curve Analysis Method for Planar Object Leveling"라는 명칭으로 출원된 비-가특허 출원(non-provisional patent application)(대리인 서류 번호(attorney docket) 083847-0737; 일련 번호 ) 전체가 본원에서 참조로 포함된다.

본원에서 인용된 모든 참고자료들은 그 전체가 본원에서 참조로서 포함된다. 이하의 참고자료들은 본원에서 기술된 실시예들을 이해 및/또는 실행하는데 도움이 될 수 있을 것이다:

Haaheim 등, Self-Leveling Two Dimensional Probe Arrays for Dip Pen Nanolithography®, Scanning, 2010 (채택되었으나 아직 출판전임(in press));

Salaita K.S., Wang Y. H., Fragala J., Vega R. A., Liu C, Mirkin C. A.: Massively parallel dip-pen nanolithography with 55000-pen two-dimensional arrays, Angewandte Chemie-International Edition 45, 7220-7223 (2006);

Huo 등, Polymer Pen Lithography, Science 321 1658-1660 (2008);

Nanolnk, 미극 특허출원 공개 2008/0055598: "Using Optical Deflection of Cantilevers for Alignment," 2008/0309688: "Nanolithography with use of Viewports;" 2009/0023607: "Compact nanofabrication apparatus;" 2009/0205091 : "Array and cantilever array leveling;" Provisional Application Nos. 61/026,196, "Cantilever Array Leveling," 및 61/226,579, "Leveling Devices and Methods;"

미국 특허출원 공개 2005/0084613: "Sub-micron-scale patterning method and system;" 2005/0160934: "Materials and methods for imprint lithography;" 2010/0089869: "Nanomanufacturing devices and methods;" 2009/0325816: "Massively parallel lithography with two-dimensional pen arrays;" 2009/0133169: "Independently-addressable, self-correcting inking for cantilever arrays," 2008/01 82069: "Etching and hole arrays;" 2008/0105042: "Massively parallel lithography with two-dimensional pen arrays;" 2007/0087172: "Phase separation in patterned structures," 2003/0007242: "Enhanced scanning probe microscope and nanolithographic methods using the same."

레벨링

레벨링은 일반적으로 제 1의 일반적으로 편평한(flat) 표면을 제 2의 일반적으로 편평한 표면에 대해서 실질적으로 평행하게 만드는 것을 포함한다. 나노 크기의(nanoscopic) 또는 마이크로 크기의 패터닝, 인쇄, 또는 이미징의 분야에서, 제 1 표면은 일반적으로 팁들의 어레이에 의해서 규정되는 평면이고, 그리고 제 2 표면은 패턴이 상부에 형성되는 기판 표면일 수 있다.

PPL 기술들을 포함하는 DPN-관련 기술들의 경우에, 인쇄 시스템이 단일 팁/캔틸레버 시스템을 넘어서는(beyond) 경우에 레벨링은 성공적인 나노규모 패터닝에 있어서 특히 중요하다. 균일한 패터닝을 보장하기 위해서, 팁들의 1D 어레이들은 패턴이 인쇄될 표면과 실질적으로 레벨링되어야 한다.

본원에 기술된 실시예들은 평면형 객체 레벨링을 위한 방법에 관한 것으로서, 2개의 평면형 객체들 중 어느 하나 또는 양자 모두가 압축성 또는 가요성의 물질을 포함하거나 또는 압축성/가요성 요소들을 가지는 객체를 포함할 때 특히, 상기 2개의 평면형 객체들이 서로에 대해서 레벨링될 수 있다. 일부 실시예들에서, DPN 인쇄의 팁들은 실질적으로 강성(rigid)일 수 있는 한편, 팁들은 가요성/압축성 후면부 상에 배치된다. 본원에서 기술된 실시예들은 (SiN, PDMS 등으로 제조된) 팁들로부터의 DPN 인쇄에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 가요성/탄성(springy) 캔틸레버, 고무질(rubbery) PDMS 팁, 박스 스프링 매트리스, μCP 스탬프, 또는 심지어 부엌용 스펀지(kitchen sponge)와 같은 압축성/가요성 성분을 가지는 객체 또는 임의의 압축성/가요성 객체에도 적용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 레벨링은 단일 어레이 상의 적어도 16개, 또는 적어도 100개, 또는 적어도 1,000개, 또는 적어도 10,000개, 또는 적어도 100,000개, 또는 적어도 1,000,000개의 팁들로 실행된다.

일부 실시예들에서, 팁들의 적어도 80%이 기판 표면과 접촉하도록, 또는 팁들의 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 98%, 또는 적어도 99% 가 표면과 접촉하도록 레벨링된다. 패터닝을 생성하는 팁들의 몇 퍼센트가 팁으로부터 기판으로 물질을 전달할 것인지에 의해서 접촉이 결정될 수 있다.

레벨링하고자 하는 어레이들에 대한 정사각형 영역의 예들에는, 예를 들어, 적어도 1 평방 ㎛, 적어도 500 평방 ㎛, 또한 적어도 1 평방 cm, 또는 적어도 10 평방 cm, 또는 적어도 50 평방 cm 같은 많은 평방 미터들을 포함할 수 있다.

미분값 도입

본원 발명의 실시예에 따라서, 2개의 객체들의 2개의 표면들 사이의 레벨링하기 위한 또는 표면의 평탄도 또는 틸팅 각도를 측정하기 위한 접근방법은 표면들 사이의 상대적인 거리를 변화시키는 단계 및 거리에 대한 힘의 미분값을 획득하는 단계를 채용한다. 거리는 또한 시간의 함수로서 표현될 수 있다. 그 대신에, 미분값은 제 1 거리 및 제 2 거리로부터 획득될 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 거리들은, 예를 들어, 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 작동(actuation) 거리 또는 응답 거리를 포함한다. 제 1 및 제 2 거리들 사이의 미분값은 힘 미분값과 관련되고, 그에 따라 레벨링을 위해서 또한 이용될 수 있다.

거리는, 예를 들어, 객체들 중 하나 또는 양자 모두를 구동하는 액추에이터를 이용하여, 일정한 비율(rate)로, 변화될 수 있다. 프로브들(probes)과 표면 사이의 힘은 거리의 함수로서 측정될 수 있다. 프로브들 및 기판 표면이 완벽하게 레벨링되지 않을 때, 프로브들 중 하나가 표면과 먼저 접촉할 수 있고, 이때 거리가 작아지기 시작함에 따라 점진적으로 보다 더 많은 프로브들이 표면과 접촉하고, 결과적으로 측정될 수 있는 피드백 힘의 증가를 초래한다.

거리에 걸친 힘의 미분값이 계산될 수 있다. 만약 프로브들 및 표면이 서로 상대적으로 레벨링된다면, 그들 사이의 거리가 변화됨에 따라, 힘의 변화 즉, 힘의 미분값이 프로브들과 표면 사이의 보다 큰 틸팅이 있는 경우와 대비하여 보다 더 빨라질 것이다.

수학적으로, 이는 거리에 대한 힘의 미분값을 측정하는 것과 그 최대 값(φ₀)을 찾아내는 것으로서 명시된다:

이는 희망하는 레벨 위치를 나타낸다. 프로브들과 표면 사이의 틸팅을 변화시킴으로써, 그리고 상기 힘 미분값을 반복적으로 측정함으로서, 힘 미분값들이 양(both) x(T_x) 및 y(T_y) 방향들을 따른 틸팅의 함수로서 플롯될 수 있다. 미분값들의 최대 값을 찾는 것에 의해서, 최적의 레벨링이 달성될 수 있다.

본원에 기술된 실시예들에 따른 레벨링 시스템은 상대적인 거리의 일정한 변화를 위해서 즉, 'dZ/dt = 상수'을 위해서 프로브들의 후면부를 구동하기 위한, 또는 기판을 구동하기 위한 액추에이터를 가진다. 결과적으로,

가 된다.

일부 실시예들에 따라서, 미분값은 n-번째 차수(order) 미분값일 수 있고, 이때 n은 정수이다:

압축성/가요성 물질에 의해서 작용하는 힘(F)이 비-선형적으로 변화하는 시스템에서, 보다 더 높은 차수의 미분값들이 레벨링을 보다 더 잘 특성화(chracterize)한다. 특히, 힘(m) 의존성(dependence)의 거듭제곱(power)과 같거나 그보다 큰 일련의 n 미분값들을 취하는 것은 결과적으로 다음과 같이 n≥m 에 대한 단일 상수(C_final)를 산출할 것이다:

예를 들어, 만약 F가 z³ 에 비례한다면, 곡선을 한차례 미분하면 포물선이 얻어진다. 2차 미분은 상향 기울기 라인을 산출한다. 3차 미분은 상수 값을 산출한다.

최초 곡선의 복잡성에 관계없이, 충분한 수의 미분들을 통해서 상수들의 집합으로 항상 전환될 수 있다. 이러한 상수들(C_final)의 집합(collection)은 최대-힘(force-maximum)을 나타낼 수 있고, 그러한 최대-힘은 상수들 중의 가장 큰 값들에 대해서 가장 높을 수 있다. 다시 말해서, 시스템은, C_final = C_max 일 때, 최대 평탄도를 성취할 수 있을 것이다.

이를 통해서, 다양한 힘 곡선들(선형 또는 비선형)은 물질(또는 성분들의 집합)의 압축 특성들을 나타내는 풍부한 구체적인 스펙트럼을 제공한다. 이러한 힘 곡선들에 대해서 연차 미분법을 적용하는 것은 양적인 정보를 산출하고, 그러한 양적인 정보는 의미 있게 비교될 수 있고 그리고 동일한 재료/객체를 처리할 때 이용되어 "스마트-반복적(smart-iterative)" 푸시-버튼 레벨링 자동화를 가질 수 있게 한다. 자동화가 가능해지는데, 이는 힘 미분 방법들(FDM)이 임의의 선형 또는 비-선형 압축성 물질 또는 성분의 집합으로부터의 레벨링 또는 측정을 허용하기 때문이다.

거리 변경 및 측정

거리 변경에 대한 다양한 측정들 또는 정의들이 레벨링 시스템을 위해서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 2개의 다른 z-변위 값들이 규정될 수 있다: z_actuation 및 z_response. z_actuation 은 (예를 들어, +/- 5 nm로 정밀할 수 있는) 작동 스테이지에 의해서 측정된 z-이동일 수 있다. 이는 임의 어레이, 물질, 압축성 객체 또는 그들을 포함하는 다른 객체들의 결과적인 운동과 상이하다. z_response 는, 압축성 또는 가요성 객체가 작동화(actuation)에 응답하여 압축되거나 편향되는 양을 나타내고; 이는 용량성(capacitive) 또는 간섭측정(interferometric) 센서들과 같은 하나 이상의 센서들에 의해서 후속하여 측정될 수 있을 것이다.

그에 따라, 힘-거리 관계들은 다음과 같이 다시 수식화(reformulated)될 수 있다:

대입(substitution)에 의해서:

가 되고:

그리고 상수

에 대해서, 몇 가지 부가적인 관계들이 얻어질 수 있고, 그리고 거리 변경들은 "힘-미분 방법"의 변경들로서 모니터링될 수 있다. 예를 들어, z_response/z_actuation 은 서로에 대한 하나의 z-값의 변화를 나타내고, 그리고 힘/로드 측정들 및 힘 미분값들 대신에, 거리 변경들이 측정될 수 있고, 그리고 다른 것에 대한 하나의 거리의 미분값이 레벨링 또는 평탄도 측정치들에 대해서 이용될 수 있다. 이는, z_response/z_actuation 이 전술한 바와 같이 힘 미분값들과 밀접하게 관련되기 때문이다.

2개의 표면들 사이의 거리가 광학적으로, 또는 용량성 센서의 이용으로 측정될 수 있거나, 또는 액추에이터에 대한 제어기로부터 직접적으로 획득될 수 있다. 힘의 측정들과 같이, 실제 거리 또는 절대 거리가 정확하게 교정될 필요가 없다. 예를 들어, 측정된 거리가 상수가 곱해진 또는 상수가 부가된 실제 거리라면, 측정된 거리에 대한 측정된 힘의 미분은 레벨링을 위한 최대 값을 찾기 위해서 여전히 이용될 수 있다.

예를 들어, 나노규모 위치결정장치들(positioners) 및 압전 액추에이터들을 포함하는, 액추에이터, 모터, 및 위치결정(positioning) 시스템이 종래 기술에서 공지되어 있다.

거리를 측정하기 위한 디바이스가 힘 센서(들)과 통합되어 힘 피드백 및 거리를 동시에 측정할 수 있다.

레벨링 시스템

레벨링 또는 평탄도 측정을 위한 예시적인 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 팁들 또는 프로브들(104)의 어레이(102)가 후면부(105)를 가질 수 있다. 팁들은 무-캔틸레버 EPTs일 수 있고, 또는 그들의 각각의 캔틸레버들 위에 배치된 DPN 팁들일 수 있다. 후면부(105)는 액추에이터(미도시)에 의해서, 팁들과 함께, z 방향으로 구동될 수 있고, 그리고 피드백 힘은 102a, 102b와 같은 복수의 위치들에서 경로를 따라서 측정될 수 있다. 비록 도 1a의 과장된 도면의 위치들(102a, 102b)에서 어떠한 팁들(104)도 기판 표면(106)과 터치하지 않지만, 어레이(102)와 기판 표면(106) 사이의 힘 및 상대적인 위치는 적어도 하나의 팁들(104)이 표면(106)과 접촉하는 복수의 위치들에서 측정될 수 있고, 그에 따라 하나 이상의 힘 센서들(미도시)에 의한 측정을 위한 충분히 큰 피드백 힘을 생성한다. 미분값을 획득하기 위해서, 측정들이, 예를 들어, 적어도 3개의 위치들에서 이루어질 수 있다.

기판은 Z-스테이지(108)와 같은 액추에이터 위에 배치될 수 있으며, 그러한 Z-스테이지는 팁들(104)에 의해서 규정된 평면에 대한 거리를 변화시키기 위해서 기판을 구동할 수 있다.

도 1b는 레벨링하기 위한 또는 평탄도를 측정하기 위한 시스템(110)의 사시도이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 팁들 또는 프로브들(114)의 어레이(112)가 캔틸레버들(117)을 통해서 후면부(115)에 커플링된다. 1D 어레이가 도시되어 있지만, 2D 어레이들이 전개(deploy)될 수 있다.

팁들(114) 및 캔틸레버들(117)과 함께, 후면부(115)는 액추에이터(미도시)에 의해서 z 방향으로 구동될 수 있고, 그리고 피드백 힘은 112a, 112b와 같은 복수의 위치들에서 경로를 따라서 측정될 수 있다. 통상적으로, 미분값을 얻기 위해서 적어도 3개의 위치들에서 측정이 이루어진다.

다시, 비록 도 1b의 과장된 도면의 위치들(112a, 112b)에서 어떠한 팁들(114)도 기판 표면(116)과 터치하지 않지만, 어레이(112)와 기판 표면(116) 사이의 힘 및 상대적인 위치는 적어도 하나의 팁들(114)이 표면(116)과 접촉하는 복수의 위치들에서 실제로 측정될 수 있고, 그에 따라 하나 이상의 힘 센서들(미도시)에 의한 측정을 위한 충분히 큰 피드백 힘을 생성한다.

팁들(114), 캔틸레버들(117), 후면부(115), 또는 기판 표면(116) 중 적어도 하나가 압축성 또는 가요성을 가진다. 바람직하게, 이들 요소들 중 하나만이, 예를 들어 팁들(114) 또는 캔틸레버들(117)이 압축성 또는 가요성을 가지는 한편, 기계적인 루프 내의 다른 요소들이 실질적으로 강성이며, 그에 따라 측정된 힘은 복수의 압축/편향 변수들의 컨벌루션(convolution)이 아니게 된다.

시스템(100 또는 110)에서, 인가된 힘(F) 및 그 변화 대 변위(z) 또는 시간(t)은 용이하게 측정될 수 있고, 그리고 어레이의 틸팅과 기판 표면 사이의 관계가 물리학, 미적분학(calculus), 및 기본적인 기계공학의 제 1 원리들(first principles)로부터 기판과 상호작용하는 팁들의 기본적인 거동들이 유도된다. 이러한 접근방식은 시스템이 신속 자동화 시스템으로서 구현될 수 있게 한다.

본원에 기술된 방법들은 EPT를 채용하는 시스템(100)으로 제한되지 않는다. 그 대신에, 방법들은 DPN, uCP, NIL, 표준형 고무 스탬핑(standard rubber stamping), 다른 인쇄-전달 방법, 가요성 전자장치 인쇄 방법 등에 이용될 수 있다.

이동 자유(F.O.T.) 개념은 시스템들에서 특히 중요할 수 있다. 도 1c는 평면형인 2D 나노 PrintArray가 6 ㎛의 이동 자유를 가지는 일 실시예에 대한 이러한 개념을 도시한 것으로서, (A)는 "깃털형(feather) 터치" 상황(팁들이 기판과 막 터치하기 시작한다)을 도시하고, 그리고 (B)는 "심하게 눌려진(hard crunch)" 상황(캔틸레버들이 그들의 전체 6 ㎛ 이동 자유를 통해서 이동하였고, 그리고 어레이들은 스탠드오프들 상에서 이제 그라운딩 아웃된다)을 도시한다. 그에 따라, 이러한 실시예에서, 이동 자유 내의 0.1 내지 5.9 ㎛의 임의 개소의 초기 z-위치결정은 균일한 접촉을 가지는 우수한 리소그래피를 초래할 수 있는 한편, 0.0 ㎛의 극한은 기록(writing)을 초래하지 않을 수 있고(즉, 접촉 없음), 그리고 6.0 ㎛는 왜곡된(distorted) 기록을 초래할 수 있다(스탠드오프 그라운딩 아웃). 다시 말해서, 이러한 실시예에서, 기판과의 제 1 접촉(즉 균일한 접촉)을 이룬 후에, 스탠드오프들 상에서 그라운딩 아웃되기 전에 6.0 ㎛ 의 오류 여분(margin)이 있었다.

도 1d 및 1e는, 2D nPA 가 완벽하게 평면형이지 않으나, 여전히 균일한 기록을 달성하기 위한 공차 이내에 있는 상황을 도시한다. (1) 및 (2)는, "가장 낮은" 뷰포트(viewport)에서 처음 접촉이 관찰된 시간까지, 디바이스의 엣지에서 캔틸레버들이 이미 2.30 ㎛ 편향된 것을 보여준다. 캔틸레버 편향은 예를 들어 캔틸레버들이 어떻게 그리고 언제 자연스럽게 색채를 변경하는지를 관찰함으로써 모니터링될 수 있다. (3)에 따라서, 다른 1.40 ㎛ 이후에, "가장 높은" 뷰포트가 편향되었으나, 모든 캔틸레버들 팁들이 균일하게 터치될 때까지 여전히 2.30 ㎛ 더 편향될 수 있으며(4), 그 후에 오류 여분이 없을 것이며, 그리고 스탠드오프가 기판과 거의 터치하였다.

2D nPA 디바이스가 종종 기판에 대해서 완벽하게 평면(레벨링)이기 때문에, 프로세싱 동안의 관련 문제는, 어레이의 모서리들을 샘플 내로 구동하지 않고, 모든 팁들 또는 다수 또는 대부분의 팁들의 균일한 접촉들을 어떻게 달성하는지 그리고 어떻게 확인하는지가 되며, 상기 모서리들의 샘플 내로의 구동은 샘플 스크래칭, 패턴 왜곡, 및/또는 리소그래피 동안의 어레잉 미끄러짐(arraying fishtailing)을 초래할 수 있다. 기판에 대한 2D nPA의 "평평도(levelness)"(또는 "평탄도")는 z-축 모터들에 의해서 측정된 바와 같은 2D nPA 상의 3개의 구분된 지점들의 상대적인 z 위치들, 또는 고니오미터(goniometer) 모터들에 의해서 측정된 바와 같은 2개의 상대적인 각도 차이 측정치들(즉, φ, θ)과 관련하여 기술될 수 있다. 이러한 매개 변수들에 대한 개략적인 설명이 도 1f에서 제공된다.

자동화

반-자동화 프로세스 및 완전-자동화 프로세스 모두를 포함하는, 보다 양호한 자동화된 프로세스에 대한 요구가 존재한다.

자동화 레벨링 시스템은 평탄도/틸팅 측정들을 위한 또는 레벨링을 위한 개선된 속도를 제공한다. 자동화 방법은 정밀한 레벨링을 위해서 캔틸레버 편향을 가시화할 필요성에 의존하지 않으며, 그에 따라 프로세스에서 사람과의 상호작용 필요성이 감소되거나 배제된다. 자동화 시스템은 버튼을 누름으로써 작동될 수 있고, 그리고 레벨링이 미리 결정된 정확도 또는 정밀도로 획득될 수 있다. 평탄도 및 인가된 힘 또는 힘 피드백에 대한 정량적인 값을 동시에 확인할 수 있다.

비교시에, 레벨링을 위해서 파이렉스(pyrex) 핸들 웨이퍼 디바이스를 이용하는 수동 에폭시 부착 기술을 채용하는 통상적인 방법은 레벨링의 미세-튜닝 또는 조정 능력을 가질 수 없을 것이고, 그리고 다른 기판들에 대해서 제한될 수 있을 것이다. 고착/미끄러짐으로 인한 기구 변화들 및 자연적인 기계적 변화, 열적 팽창/수축 등이 실시간으로 고려될 수 없다. 파이렉스는 심하게 식각될 수 있고, 그에 따라 조질화될 수 있고, 따라서 거의 투명하지 않게 되어, 표면 또는 팁들 및 캔틸레버들을 보기 어렵게 만든다. 그에 따라, 팁들이 표면과 접촉하였는지의 여부를 판단하기가 어렵다. 이는, 완전히 편평하지 않은 큰 샘플들 또는 다른 두께들의 다른 샘플들을 이용하는 것과 관련하여 시스템의 탄력성을 제한한다. 통상적인 방법은 또한 다중화된 잉크 전달을 위한 잉크 우물들(wells)과 같은 표면 피쳐들(features)에 대해서 팁들을 정렬할 수 없을 것이다. 또한, 이미징을 위해서 또는 힘 피드백을 측정하기 위해서 캔틸레버들로 레이저를 정렬시키는 것을 어렵게 할 수 있을 것이다.

일부 방법들에서, 색 변화를 관찰하기 위해서 증발된 금이 팁들 상에 침착(deposit)될 수 있다. 그러나, 금 배치는 팁 화학적성질(tip chemistry)을 제한하고, 그리고 또한 팁들을 이미징하는 동안에 형광을 감소시킨다(quenches fluorescence). 또한, 에폭시는 경화될 때까지 시간이 소요되고(예를 들어, 1시간 초과), 그리고 모든 위치에서 잉크를 누출(bleed)할 수 있는 한편, 평탄도에 영향을 미치는 부피 왜곡을 여전히 유입할 수 있다. 이러한 프로세스는 또한 스캐너를 오염시키기 쉽다. 만약 다른 잉크들을 다른 팁들로 향하게(address) 하기 위해서 다중화된 잉크 전달 방법들이 이용된다면, 표면 접촉 시간은 교차-오염을 도입할 것이다.

자동화 레벨링 방법이 도 2a의 흐름도에 도시되어 있다. 단계(120)에서, 프로세스가 시작된다. 시작 과정은 단순히 버튼을 누르는 것일 수 있고, 그 후의 사람의 개입이 필요 없거나 거의 필요 없다. 또는 반-자동화 프로세스들이 이용될 수 있다.

앞서 기술한 참고자료들에 기술된 바와 같이, 디바이스(물품) 및 소프트웨어(방법들) 모두에 대해서 NanoInk에 의해서 구현된 다양한 개선들은 종래 방법들 및 시스템들에서의 문제들의 일부를 해결하였다. 예를 들어, 뷰포트들은 작업자가 캔틸레버들을 볼 수 있게 허용하고, 그리고 팁들의 편향 특성들을 검사함으로써 작업자들이 어레이를 레벨링할 수 있게 한다.

실리콘 핸들 웨이퍼의 뷰포트들은 작업자가 3개의 다른 지점들에서 캔틸레버 편향 특성들을 검사함으로서 어레이를 레벨링할 수 있게 한다. 에폭시를 이용하는 대신에, 자기력을 이용하여 성분들을 함께 유지할 수 있다. 예를 들어, 자석들을 가지는 쐐기(wedge)가 사용될 수 있다.

뷰포트 레벨링은 통상적인 방법들 보다 상당히 더 빠르고 그리고, 예를 들어, 자성 쐐기를 통해서 매우 간단히 디바이스를 장착하여, 곧 완료할 수 있으며, 그에 따라 교차-오염을 방지한다. 다양한 다른 샘플들에 대한 다기능성은: 동일한 어레이를 이용한 다른 두께들의 다른 샘플들, x-y 방향들로 큰 거리들을 이동시키는 것과 z-변위의 변화들을 교정하는 것, 보다 큰 샘플들(반드시 완전히 편평할 필요는 없다)에 걸친 이동 및 "레벨"을 유지하는 것을 포함하는 한편, 뷰포트들은 작업자가 체크를 탐지하고(spot check) 그리고 오류들을 교정할 수 있게 한다. 팁들에 대한 충분한 이동 자유를 달성하기 위한 캔틸레버들 상의 엔지니어링 응력형(engineering stressed) 질화물 층들에 의해서, 금에 대한 필요성이 배제될 수 있다. 모든 화학물질들이 금 코팅된 팁들을 받아들일 수 있는(amenable) 것이 아니기 때문에, 그리고 금-코팅된 팁들이 어레이 상의 다중화된 잉크의 이미징을 위한 형광을 감소시키기 때문에, 금이 없는 팁들은 시스템의 다기능성을 개선한다. 또한, 실리콘 핸들 칩이 투명하지 않다는(또는 심지어 반투명하다는) 사실이 바람직한데, 이는 그러한 사실이 주변 빛이 바이오 잉크(bio ink)로 침투하는 것을 방지하기 때문이다. 뷰포트들은 또한 이미징 및 힘 피드백을 위한 캔틸레버 상으로의 깨끗한 레이저 신호를 획득하기 위한 방식을 제공한다.

그러나, 사람이 시각적인 단서를 기초로 하는 견고한 나노 제조 솔루션들과의 인간 상호작용은 여전히 바람직하지 못한 양태를 갖는다. 이는, 예를 들어, 까다로운 초기 "대략적인 레벨링(coarse leveling)"을 포함한다. 이는 통상 주관적으로, 육안에 의해서 실행된다. (모서리들이 표면과 먼저 접촉하기 때문에) 어레이가 캔틸레버들의 중간이 터치될 수 있도록 하기 위한 초기의 레벨링으로부터 어레이가 너무 멀리 있다면, 수동 광학적-편향-모니터링 알고리즘을 통해서 조사하는 것이 매우 어렵게 된다. 시스템은 레벨링을 달성하기 위해서 상당한 인간 상호작용들을 필요로 할 수 있다. 광학적 편향을 관찰할 필요성은 MEMS, 기계적인 하드웨어, 광학장치, 및 소프트웨어에 대한 디자인 구속을 부여한다. 최근에-개발된 수동형(passive) 자체-레벨링 짐벌(gimbal)은 상기 문제들의 일부를 해결하나, 전부를 해결하지는 못한다. 예를 들어, 전체 기재 내용이 본원에 의해서 참조로서 포함되는, 2009년 7월 17일자로 출원된 "레벨링 장치 및 방법(Leveling Devices and Methods)" 라는 명칭의 미극 가특허출원 61/226,579을 참조할 수 있다. 일부 실시예들에 따라서, 뷰포트가 필요치 않다.

이러한 기술들은 단계(122) 즉, 사전-레벨링 프로세스에 포함될 수 있다. 당업계에 공지된 다른 대략적인 레벨링 방법들이 또한 이용될 수 있다. 단계(124)에서, 2개의 객체들 사이의 거리, 예를 들어, 펜들의 어레이의 팁들에 의해서 규정되는 제 1 평면 및 기판 표면에 의해서 규정된 제 2 평면 사이의 거리가 액추에이터를 이용하여 변경될 수 있다. 단계(126)에서, 힘이 측정된다. 힘은 2개의 객체들 중 하나 또는 양자 모두에 인가된 힘, 또는 힘 센서에 의해서 측정된 피드백 힘일 수 있다. 단계(128)에서, 거리 또는 시간에 대한 힘의 미분값들이 계산된다. 단계(130)에서, 예를 들어, 액추에이터를 이용하여, 틸팅이 변경된다. 틸팅은 x, y 방향들 중 하나 또는 양자 모두로 변경될 수 있다. 단계(132)에서, 컴퓨터와 같은 제어기는 힘 미분값이 증가하는지의 여부를 결정한다. 만약, 증가한다면, 단계(134)에서, 힘 미분의 피크를 찾기 위해서 틸팅이 동일한 방향으로 변경되고, 그리고 단계(136)에서 측정들이 반복된다. 만약 미분값이 감소된다면, 단계(135)에서, 피크 값을 찾기 위해서 틸팅이 반대 방향으로 변경된다.

단계(138)에서, 제어기는 힘 미분값이 피크 값과 관련된 불연속성을 가지는지의 여부를 결정한다. 만약에 그렇다면, 단계(140)에서, 잘못된 피크가 거부된다. 단계(142)에서, 힘 미분값의 피크 값을 기초로, 2개의 객체들이 레벨링되거나, 또는 그들 사이의 틸팅이 측정된다.

본원 명세서에서 기술되는 실시예들에 따른 미분 방법은 평탄도 및 힘의 동시 정량 분석을 알 수 있게 한다. 자동화를 위해서 적응된 바에 따라서, 그러한 방법은 힘-피드백 및 평탄도-피드백과 관련된 실시간의 현장(in situ) 정보를 제공한다. 따라서, 이러한 것은 편평하지 않은 표면 상에서의 패터닝을 위한 전례가 없던 능력을 가능하게 하는데, 이는 평면형-피드백 메커니즘이 시스템을 재-레벨링(re-level)하기 위해서 시스템 중에(in-process) 조정될 수 있기 때문이다. 이러한 것은 다중의 다른 평탄도의 기판, 상당한 휘어짐 또는 파편(debris)을 가지는 기판, 또는 심지어 구형 표면을 포함할 수 있다.

예시적인 자동 적응형 레벨링 방법이 도 2b의 흐름도에 도시되어 있다. 단계(150)에서, 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 힘-거리, 거리-거리, 힘-시간, 또는 거리-시간 관계 형상과 관련한 예측이 이루어질 수 있다. 단계(152)에서, 그러한 예측을 기초로 거리가 변경된다. 단계(154)에서, 미분값이 얻어진다. 단계(156)에서, 예를 들어, 도 2a에 도시된 반복적인 방법들을 이용하여, 2개의 객체들 사이의 레벨링이 획득된다. 2개의 객체들 사이의 거리 및/또는 틸팅이 시간에 걸쳐 변화될 수 있다. 그에 따라, 단계(158)에서, 단계들(152 및 154)이 반복되고, 그에 따라 미분값이 실시간으로 획득될 수 있다. 단계(160)에서, 틸팅이 변화되었는지의 여부가 현장 미분값 계산/측정을 기초로 결정된다. 만약 틸팅이 변화되었다면, 레벨링 단계(156)가 반복되어 새로운, 실시간 레벨링이 획득된다.

본원에 기술된 실시예들에 따른 미분 방법으로부터 획득된 정보의 풍부함이 도 3a에 도시될 수 있다. 예를 들어, 힘-거리 관계, 거리-거리 관계, 힘-시간 관계, 또는 거리-시간 관계를 자체적으로 나타내는 곡선(200) 자체는 2개의 객체들에 대한 일부 정보를 보여준다. 그러나, 곡선(202)에 표시된 일차 미분값 및 곡선(204)에서 표시된 이차 미분값에서의 정보가 곡선(200)으로부터 즉시 가시화될 수 없다.

여러 힘 곡선들 및 그들의 미분값들 사이의 관계가 도 3b 및 3c에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 선형 관계(210)(F = kz)는 상수(k)인 미분값(212)을 가진다. 곡선(214)(F = Cz²)은 선형인 일차 미분값(216)을 가지고, 그리고 상수인 이차 미분값(218)을 가진다. 곡선(220)(F = Cz³)은 3Cz² 형태의 일차 미분값(222), 선형인 이차 미분값(224), 및 상수인 삼차 미분값(226)을 가진다.

도 3c에서, 양 곡선들(240 및 242)이 연속적인 것으로 도시되어 있다. 곡선(240)의 일차 미분값(244), 및 곡선(242)의 일차 미분값(246)이 차이를 보다 명료하게 보여준다. 이차 미분값들(248, 250)은 곡선(250)에서의 불연속부를 보다 명백하게 추가적으로 보여주고, 이는, 예를 들어, 기판 표면이 팁들과 접촉하는 대신에 실질적으로 강성인 칩의 엣지와 접촉하는 것을 나타낸다.

3개의 다른 곡선들(260)은 2개의 객체들이 다른 거리들에서 접촉한다는 것을 보여준다. 만약, 힘의 2개-지점 측정만이 이루어진다면, 힘 차이는 모든 팁들이 기판 표면과 터치한 후에도 동일할 것이고 그리고 곡선들이 선형적으로 거동할 것이다. 그러나, 미분값들(270)은 어레이 거동들에 대한 그리고 기판 표면과 관련하여 팁들을 어떻게 레벨링하는지에 대한 보다 많은 정보를 제공한다.

힘 센서

피드백 힘의 측정을 위해서 또는 힘의 미분값을 획득하기 위해서 다양한 힘 센서들이 이용될 수 있다. 힘 센서는, 예를 들어, 1 pN 내지 1 N 범위의 힘을 측정할 수 있다.

힘 센서(들)은 기존 AFM 기구의 Z-압전 및/또는 용량형 및/또는 유도형 센서들일 수 있다. 시스템은 "개방-루프(open-loop)" 모드로 작동될 수 있고 그리고 Z-액추에이터가 장치 이동 및 힘 측정 모두를 할 수 있다.

일부 실시예들에서, 힘 센서들은 다른 정확도 레벨 또는 다른 정확도 범위들에서 힘을 측정하기에 적합한 복수-스테이지 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1의 정밀 스테이지가 정밀 비임 밸런스(balance) 및 민감한(sensitive) 스프링 또는 굴곡부(flexure)를 포함할 수 있다. 제 2 스테이지는 보다 더 큰 힘 용량을 가지는 스프링 또는 굴곡부를 포함할 수 있다.

힘 미분 방법들(FDM)

본원에 개시된 실시예들은 레벨링 작업들에 대한 인간의 상호작용을 감소시키는 것 또는 완전히 배제하는 것을 도우며, 그에 따라 프로세스가 반-자동화되게 또는 완전 자동화되게 할 수 있다. 자동화된 기계/로봇 프로세스는, 로봇 아암을 이용하여 샘플 스테이지 상에 기판을 위치시키는 단계, 인쇄 어레이를 기구에 자동적으로 부착하는 단계, 기판과 인쇄 어레이 모두의 존재를 검출하고 레벨링 시퀀스(sequence)를 개시하기 위한 소프트웨어를 이용하는 단계를 포함한다. 레벨링 시퀀스는 패터닝을 개시하기 위한 소프트웨어를 채용할 수 있다. 패터닝이 종료된 상태에서, 인쇄 어레이 및 기판 모두를 제거하기 위해 로봇이 이용된다.

FDM은 임의의 광학적 피드백을 필요로 하지 않는 부가적인 목적을 달성하고, 그에 따라 팁들과 현미경 사이에 깨끗한 광학적 경로를 필요로 하였던 이전의 디자인 구속들을 제거한다. 평탄도를 달성하는 것은, 단지 2D DPN 어레이와 기판 사이에서뿐만 아니라, 하나가 압축성 또는 가요성인 임의의 2개의 객체들 사이에서 FDM을 채용할 수 있다.

힘의 변화들의 비율 또는 미분값들을 계산하지 않고, 힘의 2개의 종료점 측정들의 이용만으로 레벨링을 실행할 수 있을 것이지만, 2-지점 방법은 적어도 일부 경우들에서 만족스러운 결과를 초래하지 못할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 3c의 상부 우측 패널에 도시된 상황에서, 2-지점 측정들이 해당 레벨이 달성되었다는 잘못된 인상(impression)을 제공할 수 있다. 이는 3개의 곡선들의 제 2 부분들에서, 기울기들이 동일하기 때문이다. 이는, 이러한 곡선들의 다른 곳에서 기울기가 변경된다는 사실을 고려하지 못한다. 그에 따라, 2-지점 측정들은 잘못된 결과를 초래하거나 불완전할 수 있다. FDM 은 임의 물질들의 복잡한 압축 특성들의 정보의 스펙트럼을 제공함으로써 이러한 것을 고려할 수 있다.

dⁿF/dzⁿ 을 계산 또는 측정하지 않고, 2-지점 측정들은 스테이지 각도들의 많은 범위들에 걸쳐 2-지점들을 측정하는 반복적인 프로세스에 또한 의존한다. 대조적으로, FDM은 밀리초와 같은 짧은 시간 스케일에 발생되도록 자동화될 수 있다. FDM 은, 예를 들어, ≫ 0.1 mN 정밀도로, 통상적인 방법들 보다 우수한 정밀도를 달성할 수 있고, 그리고, 후속하여, 예를 들어, < 0.004°의 측정가능한 틸팅으로, 감소된 평탄도 측정 한계를 달성한다.

또한, 바람직하게, FDM 은, 힘의 변화가 일정하게 측정되는 한, 절대 신뢰가능 힘 측정들을 필요로 하지 않는다는 것을 주목하여야 한다. 예를 들어, 힘 센서(들)가 알고 있는 로드들로 반드시 교정될 필요가 없다. 이는 분위기 잡음, 열적 이동(drift) 등을 고려하는 약간의 탄력성을 제공한다. 예를 들어, 측정된 힘(F_m)은 힘의 실제 값(F_t) 곱하기 상수(C)일 수 있고, 미분값 dF_m ⁿ/dz = CdF_t ⁿ/dz 는 dF_t ⁿ/dz 과 동일한 2개의 객체들의 상대적인 위치에서 최대치를 여전히 가질 것이다.

FDM 압축성 요소들

FDM은 2개의 실질적으로 평면형인 객체들을 레벨링하기 위해서 이용될 수 있고, 객체들 중 어느 하나 또는 양자 모두가 압축성 물질, 압축성 요소, 또는 가요성 물질/요소를 포함한다.

예를 들어, 어레이는 후면부 및 상기 후면부 위에 배치된 팁들의 어레이를 포함할 수 있고, 후면부, 팁들 또는 제 2 객체 중 적어도 하나가 압축될 수 있다. 그 대신에, 팁들을 상부에 가지는 캔틸레버들의 어레이가 후면부 위에 배치될 수 있고, 그리고 캔틸레버들이 가요성을 가질 수 있다.

FDM 강성 기계적 루프

"기계적 루프"는 기판 표면에 대한 어레이와 같이 제 1 객체와 제 2 객체 사이의 가장 짧은 지점-대-지점 거리로서 규정될 수 있다. 어레이 및 기판이 접촉중이 아닐 때, 그들 사이의 가장 짧은 경로가 "C" 형상을 형성한다. 어레이 및 기판이 접촉하게 될 때, 그들은 "O" 형상을 형성한다. 이러한 기계적인 루프는 바람직하게 가능한 한 강성으로 제조된다. 이는, 예를 들어, 하나를 제외한 모든 성분들을 가능한 한 강성으로 만드는 것에 의해서 달성될 수 있다. 예를 들어, 팁들이 압축가능하다면, 후면부 및 기판이 가능한 한 강성으로 제조되고, 그에 따라 시스템의 몇 개의 성분들로부터 압축들을 컨벌루팅(convoluting)하지 않고 보다 정확한 측정들이 이루어질 수 있다.

강성 기계적 루프가, 운동역학적으로 장착된 비-이동형 성분들과 함께, 레벨링 시스템에 포함될 수 있다. 강성 장착부가 강성 기계적 루프 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 어레이 및 기판 모두가 강성 장착될 수 있다. 예를 들어, 기판이 유리 슬라이드에 대해서 하향 부착(glued)될 수 있고, 그리고 어레이가 자석들로 고정될 수 있다. 그에 따라, 팁들 또는 캔틸레버들만이 압축/굴곡된다.

예를 들어, 강성 접촉의 3 지점으로 어레이를 강성 장착하지 않고, 디바이스가 전후로 록킹될 수 있고(rock), 그에 따라 스케일의(scale's) 운동에 더하여 부가적인 커플링된-Z 운동 복잡성을 도입할 수 있을 것이다.

Nanolnk에 의한 하나의 나노리소그래피 플랫폼(NLP) 시스템에서, 이는 장착 아암, 세라믹 고정물, 스테이지 프레임, 기구 베이스, X, Y, Z, T_x, T_y 스테이지 스택(stack), 및 기판 플레이트를 포함할 수 있다. 본원에서 개시된 실시예들에 따라서, 힘 센서(들)이 어레이의 바로 위에 또는 기판의 바로 밑에, 또는 기계적 루프 내의 임의 개소(anywhere)에 있을 수 있다.

일 실시예에서, 강성의, 중력-친화형의(gravity-friendly), 제거가능한 운동역학적 장착부가 제공된다. 기존의 자체-레벨링 짐벌 고정물 아암을 개선하여 2D 어레이의 강성 장착을 가능하게 할 수 있다. 3개의 자석들이 어레이 핸들의 후면부에 부착될 수 있다. 3개의 자석들은 추후에 자기적으로 투과성인 물질의 강성 직사각형 프레임의 하부에 부착될 수 있다. 이는, 모든 모니터링되는 운동 및 힘들이 관심 대상의 요소들로 제한되도록 보장하는 것을 목적으로 하고, 그리고 데이터를 모호하게 하는 접선방향(tangential) 시스템 성분들 굴곡 및 벤딩이 존재하지 않게 보장하는 것을 목적으로 한다.

FDM 실시예들

2개의 객체들 사이의 평탄도를 달성하기 위해서 FDM 실행을 시작하는 몇 가지 방식이 있다. 시스템은 정확하고 정밀한 센서(들) 및 정확하고 정밀한 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터는, 예를 들어, Z-스테이지일 수 있다.

일 실시예에서, FDM은 어레이 또는 기판을 구동하기 위해서 액추에이터를 작동시키면서 힘 판독값들(readings)을 모니터링함으로써 실행된다. 예를 들어, 로드가 연속적으로 측정되거나, 또는 각각의 작동 단계에서 측정되는 한편, Z-스테이지는 2D 어레이를 향해서 상향 작동된다. 자동화 프로세스에서, Z-스테이지가 기판을 어레이와 접촉하게 이동시킴에 따라서, (데이터 획득을 위한 높은 샘플링 비율을 가지는) 힘 판독값들의 실시간 모니터링에 의해서 FDM이 실행될 수 있다.

도 4의 A 및 B는 초기 평탄도(T_x, T_y 조정 없음)에서 기판과 상호작용하는 2D nPA 에 대한 힘-거리 곡선들을 도시한다. 도 4의 A에서 데이터를 획득하기 위해서, 에폭시의 "사전-레벨링된" 어레이가 표면과 접촉하게 된다. 0 ㎛의 변위는 스케일이 로드 측정 판독을 시작하는 지점을 나타낸다. 이어서, 스테이지가 도시된 양 만큼 캔틸레버들을 압축하도록 계속적으로 작동될 것이다. 캔틸레버들이 단지 15 ㎛의 이동 자유를 가지기 때문에, 예를 들어, 120 ㎛의 작동이 달성되는 동안에, 스케일이 일부 지점에서 후퇴된다는 것(give way)(예를 들어, 압축 시작)이 명백하고, 그리고 초기에 이중-스프링 시스템이 단일-스프링 시스템으로 되돌아간다(go back).

도 4의 B는 유사한 데이터를 도시하나, 여기에서 질량(mass)은 힘으로 변환되었고, 그리고 변위가 ㎛로부터 m로 변환되었다. 도 4의 A 및 B에 도시된 바와 같이, 어레이의 집합적인 k는 스케일에 의해서 강하게 영향을 받는다. k 값은 스케일 보다 다소 더 클 수 있다.

도 5의 A 및 B는 (투명한 유리 후면부-기판 상에 제조된) EPT 어레이에 대한 유사한 측정을 도시한다. 도시된 바와 같이, 이러한 어레이의 집합적인 k는 또한 스케일에 의해서 강하게 영향을 받는다. 어레이의 k 값은 스케일 보다 약간 더 크다. 예를 들어, ~k_2D _nPA = 4301 N/m, ~k_elastomer = 3022 N/m 이다. 엘라스토머 팁들이 캔틸레버들 보다 약간 더 압축가능할 수 있다.

도 4의 A 내지 도 5의 B에서 획득된 측정치들 및 이하에 기재된 방정식들에 따라서, 여러 가지 스프링 상수들(k)이 얻어질 수 있다.

, 그리고

도 6a-6c는 여러 가지 T_x 위치들에서 집합된 2D nPA에 대한 힘 곡선들의 집합을 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 6b는, 제한된 작동(단지 0-10 ㎛)으로, 그리고 다양한 T_x 틸트 위치들에서 힘 거리 곡선들의 포괄적인 데이터 세트를 보여준다. 도 6c는 3D로 플롯된 이러한 동일한 데이터 세트를 도시한다. 도 6a는 4 ㎛의 Z-연장(extension)에서 도 6c의 단면을 도시한다. 이러한 데이터 세트로부터, dF/dz 기울기가 T_x = 0 에서 보다 더 가파르고, 여기에서 어레이는 가장 레벨링된다.

도 7a-7c는 여러 가지 T_x 위치들에서 집합된 EPT 어레이에 대한 힘 곡선들을 도시한다. 구체적으로, 도 7b는 포괄적인 데이터 세트를 도시하고, 도 7c는 3D로 플롯된 이러한 동일한 데이터 세트를 도시하고, 그리고 도 7a는 4 ㎛의 Z-연장에서 도 7c의 단면을 도시한다. -0.6 < T_x < -0.4에서 dF/dz가 최대가 된다. 이는, 전술한 바와 같이 공지된 오류들을 갖는, 에폭시를 이용한 초기의 사전-레벨링 후에 약간 이동된 어레이를 나타낸다. 사실상, 이러한 기계적인 고정은 예비적이고, 견고하지 못한 것으로 간주되고, 그리고 에폭시 기술은 부피 왜곡되기 쉽다. 본원에서 기술된 실시예들은 이러한 단점들을 극복하는데 도움이 된다.

그에 따라, 일반화된(generalized) FDM 방법은 도 6a-7c에 도시된 다른 디자인 및 물질들의 2개의 다른 어레이들에 대해서도 작용한다.

도 8a-8c는 단지 강성 프로브 장착 아암에 대한 OHaus 스케일의 힘-거리 곡선 측정들을 도시한다. 이는, 스케일 자체가 선형 방식으로 거동한다는 것, 그에 따라 임의의 후속 시스템 측정들을 손상시키지 않는 것을 입증한다.

여러 가지 알고리즘들이 자동화 프로세스에 대해서 채용될 수 있다. 첫 번째로, 어레이 및 표면 사이의 상대적인 거리가, 예를 들어, 스텝 모터에 의해서 변경된다. 이러한 단계는 "Z-연장"으로 지칭된다. 다음에 힘 프로파일이 방향(Z)의 함수로서 기록된다. 미분값이 힘 프로파일로부터 계산된다. x 및 y 방향들을 따른 틸팅(T_x 및 T_y)은 각각 최대 힘을 가지는 위치가 발견될 때까지 조정된다. 일 실시예에서, 만약 힘 미분값 프로파일이 감소된다면, 프로그램은 T_x 또는 T_y 를 따라 반대 방향으로 이동하도록 시스템에 명령할 것이고, 그에 따라 최대 값을 보다 신속하게 발견할 것이다.

거리(Z)의 힘 미분값의 평가 대신에, z, φ_x, 및 φ_y 를 일정한 비율들로 이동시키는 동안 시간의 힘 미분값이 평가될 수 있다.

무한요소분석(Finite Element Analysis; FEA) 예측 방법이 본원에 기술된 실시예들에 따라서 채용될 수 있다. 물질 특성들이 미리 공지되어 있을 때, 시스템은, 주어진 배향에 대해서 주어진 힘-거리 곡선이 유사하게 보여야 하는 것을 예상할 수 있다. 예를 들어, 상기 미분값은 k_2DnPA = 15,188을 나타냈다. 만약 시스템이 k = 10,000인 동일한 디바이스의 힘-거리 곡선을 취했다면, 디바이스가 레벨을 벗어났다는 것(out-of-level)을 알 게 될 것이다. 만약 이러한 것이 알고 있는 2개의 다른 φ_x 및 φ_y 배향들에서 실행된다면, 시스템은 φ_level 이 될 수 있는 곳을 계산하고 예측할 수 있을 것이다. 이는 하나의 단계에서 그곳에 도달할 수 있을 것이다.

일부 실시예들에서, 사전-특성화된 디바이스들이 채용될 수 있다. 다른 어레이들(2D nPA, EPT, 등)이 공장에서 사전-특성화될 수 있고, 그에 따라 고객들이 "공지된" k = a +/- b를 가지는 디바이스를 받게 된다. 이어서, 이러한 k 값은 소프트웨어로 입력되고 그리고 예측 방법에서 사용된다. 어레이가 공지된 k로 도달하고, 그리고 후속하여 FDM 판독값들이 어떻게 보다 신속하고 효율적으로 레벨링되어야 하는지에 대해서 알려준다.

임의의 이들 알고리즘들은, 사용자가, 임의의 객체들이 접촉할 때 그 임의의 객체들에 대한 떨어지기 전의(on-the-fly)의 평탄도 및 인가된 힘 모두를 모니터링하고 보상할 수 있게 허용한다. 이러한 객체들은 임의의 재료로 제조될 수 있다. 나노패터닝의 경우에, 이는 힘-피드백뿐만 아니라 평탄도-피드백도 제공한다. 도트(dot) 어레이들을 기록하는 경우에, 각각의 기록된 도트는 모니터링되고, 이전의 것에 대해서 비교될 수 있는 자체적인 힘-거리 곡선을 제공하고, 그리고 Z, X, Y, φ_x, 및/또는 φ_y 교정이 다음 도트 이전에 적용될 수 있다.

시스템의 속도가 데이터 획득 비율(rate; 속도) 및 힘 센서(들)의 정밀도, 그리고 액추에이터(Z-스테이지)의 작동 속도 및 가속 프로파일에 의해서 제한될 수 있을 것이다.

또한, FDM 방법은 "비-이상적인 경계 조건들"에 대한 교정을 위한 자동화 수단을 제공한다. 하나의 예가 도 6c에 도시되어 있다. 디바이스가 점진적으로 레벨을 점점 더 벗어남에 따라, 2D 어레이의 모서리가 기판을 타격하기 시작한다. 이러한 모서리는 실리콘 핸들 웨이퍼의 일부일 수 있고, 그리고 SiN 캔틸레버들 보다 상당히 더 강성일 수 있다. 그에 따라, 이례적인 힘 스파이크(502)가 존재한다. 그러나, 이는 도 3c에 기술된 방법에 따라서 설명될 수 있다. 힘 곡선(비록 비 선형적인 것이지만)의 미분값을 취할 때, 결과적인 운동은 여전히 연속적이어야 한다. 불연속성은 장애물을 의미할 수 있고, 이는 즉각적으로 시스템을 되돌아 가게 할 것이고 그리고 다른 φ_x,y 배향을 시도할 것이다. 일부 비선형적으로 이동하는 것...보다 높은 차수의 미분값은 도 3c에서의 불연속성을 명백하게 나타낼 것이다.

FDM 방법은 임의의 작은 z-연장부의 경우에도 이용될 수 있다. 정밀도가 충분할 때, z-연장부는 단지 몇백 나노미터들(또는 그 미만)일 수 있고, 그리고 dF/dz 기울기 대 평면형 배향의 차이가 드러날 수 있다. 이는 잉크 공급된(inked) 팁들과의 사전-패터닝 표면 접촉 시간을 최소하는데 있어서 바람직하다. 또한, 전술한 "장애물과의 만남"을 최소화하는데 있어서 바람직하다. 도 6c의 피크(502)에 의해서 드러난 장애물은 ~z = 6 ㎛일 때까지 발생되지 않는다. 만약, 힘 공차에 대한 낮은 상한선을 가지는 물질들과 같은 매우 예민한(delicate) 물질들로 제조된 어레이들이 사용된다면, FDM을 채용하는 시스템의 민감도가 매우 유용할 수 있다. 작은 Z-연장부는 "깃털형(feather) 터치" 타입 레벨링 시나리오를 가능하게 할 것이다.

하나의 예에서, 2D 어레이를 견고하게 장착하기 위해서 NLP 상에서의 변경된 장착이 채용된다. 액추에이터는 NLP Z-스테이지일 수 있다. X 및 Y 스테이지들은 어레이 아래에 스케일을 사전-배치하기 위해서 이용될 수 있다. 다른 평탄도에서의 다른 dF/dz 거동을 설명하기 위해서, T_x 및 T_y 가 도 6a-7b의 데이터에 따라서 변경된다.

포켓 스케일(예를 들어, Ohaus YA 102, 0.01 g 정밀도)이 NLP 스테이지 플레이트 상에 힘 센서로서 장착될 수 있다. 측정들이, 에폭시 절차를 이용하여 달성된 바와 같이, 공지된 "근사(nearly) 레벨" 장치로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 어레이가 기판 상에 남을 수 있고, 이어서 에폭시로 사전-로딩된 장착 아암 상의 자석들로 보내진다(brought up). 몇 분의 대기 시간(예를 들어, 에폭시 경화 시간) 후에; 스테이지가 후퇴되고, 그리고 근사 레벨 표면이 얻어진다. 예를 들어, 에폭시에서 부피 왜곡이 발생할 수 있다는 것으로부터 다른 오류들이 초래될 수 있다. 본원에서 기술된 실시예들이 에폭시 절차 없이 레벨링을 달성할 수 있다.

모든 기구 운동들이 NLP 소프트웨어를 통해서 좌표화될(coordinated) 수 있다. 힘 판독값들은 Ohaus 스케일의 디지털 디스플레이로부터 직접적으로 취해질 수 있다. 스케일은 공지된 100 g 질량을 통해서 공장 절차에 따라서 사전-교정될 수 있다.

Ohaus 포켓 스케일은 도 8a-8c의 플롯에 따라서 사전-특성화될 수 있다. 도 4의 A 내지 도 5의 B와 함께, 도 8a-8c는 스케일 자체(k_scale ~ 6k N/m)의 스프링 상수가 2D nPA 및 EPT 어레이 모두의 집합 스프링 상수들의 크기와 같은 차수(an order of magnitude) 내에 있다는 것을 보여준다. 도 3b 및 4b에 도시된 집합적인 스프링 상수는 이하와 같이 연속하는 스프링들에 대한 후크(Hooke)의 법칙에 의해서 스케일에 관한 것이다.

이러한 관계의 하나의 결과는, 캔틸레버들 편향의 광학적 측정에 의존하는 방법들과 달리, 시스템의 임의의 주어진 부분(캔틸레버, 팁 등)의 운동이 Z-스테이지 작동과 동일한 양으로 이동하는 것으로 가정될 수 없다는 것이다.

일부 실시예들에서, 힘의 측정을 위해서 삼각(tripod) 구성이 이용되고, 여기에서 힘이, 예를 들어, 패터닝 어레이의 중심 주위로 기하학적으로 대칭적으로 정렬된 3개의 다른 지점들로부터 측정된다. 3개의 센서들 사이의 차이는 디바이스 평탄도를 나타내는 벡터를 생성한다. 벡터가 없을 때 그리고 힘이 모든 3개 센서들에서 균형을 이룰 때 디바이스가 레벨링된다.

분위기 변화들로 인한 이동(drift) 및/또는 의사(spurious) 판독값들을 경감하기 위해서, 시스템의 구성이 온도, 상대 습도, 진동 등에 대해서 주의 깊게 모니터링/제어될 수 있다. 예를 들어, 시스템을 일정한 온도에서 유지하기 위해 분위기 외장(enclosure)이 이용될 수 있다.

중간 객체들

일부 실시예들에서, 어레이는 기판 표면과 터치하지 않으나, 기판 평탄도와 일치되는 중간 객체와 터치한다. 이러한 접근방식(approach)은 기판의 원치않는 잉크공급(inking)을 방지한다. 중간 객체는 편평한 슬라브 디바이스일 수 있다. 중간 객체는 힘 미분 방법들이 없는 실시예들에서 채용될 수 있다

중간 객체는 또한, 예를 들어, 3각 구성에서 전술한 3개의 볼들로 이루어질 수 있다. 3개의 볼들은 디바이스의 3개의 모서리들 아래에 위치되어 3개의 다른 접촉 지점들을 제공할 수 있다. 힘 미분 곡선은 각각의 모서리가 각각의 볼과 터치할 때 독립적으로 측정된다. 최대화된 힘 미분값들의 곡선들이 같을 때 디바이스가 평면형인 것으로 간주된다. 볼들이 반드시 팁들과 터치될 필요는 없으나, 어레이의 희생(sacrificial) 외측 둘레와 접촉될 수 있다. 3개의 볼들은 강성의 연결된 프레임의 일부일 수 있다.

그 대신에, 하나의 볼만이 채용될 수 있다. 단일 볼이 로봇 아암에 의해서 "선택되고(picked)-그리고-배치될" 수 있다. "볼-스페이서 디바이스"라고 지칭되는 이러한 디바이스에 대해서 이하에서 구체적으로 기술한다.

중간 볼들/객체들이 기판의 특정 위치들에서 사전-제조될 수 있다. 이러한 중간 객체들은, 인용된 참고자료들에 기술된 바와 같이 수동적인 자체-레벨링 짐벌 디바이스에 따라서 대략적으로 사전-레벨링될 수 있다. 그에 따라, 레벨링 시스템에서, 볼들 및 수동 자체-레벨링 짐벌 장치 모두가 채용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 볼들이 기판에 있지 않으나 자체-레벨링 짐벌과 함께 사용하기 위해서 자체 어레이 내로 실제로 통합될 수 있다.

충분한 힘이 볼들을 연성 후면부 물질 내로 역으로 굴곡시킬(flex) 수 있고, 그에 따라 팁들이 기판 표면을 터치할 수 있게 허용한다.

볼-스페이서 방법의 개관

볼-스페이서 방법은 규정된 매개 변수 내에서 임의 어레이를 임의 기판에 대해서 레벨링하도록 디자인된다. 그러한 방법은 프로세스를 통해서 완전 자동화되도록 그리고 사용자의 개입을 최소화하도록 디자인된다. 방법의 핵심 메트릭들(core metrics) 즉: (1) 레벨링 정밀도(반복가능성), (2) 레벨링 정확도(2개의 객체들 사이의 최종적인 공통-평탄도(co-planarity), 및 (3) 프로세스 시간과 관련하여 프로세스를 최적화하는 것이 또 다른 목적이다.

볼-스페이서 방법은 맞춤형(custom) 소프트웨어 인터페이스(오토레벨러; AutoLeveler) 및 스크립팅(scripting) 언어(LevelScript)를 통해서 이러한 자동화를 달성한다. 일부 실시예들에서, 사용자는 대부분의 시스템 매개 변수들을 제어할 수 있고, 그에 따라 레벨스크립트(LevelScript)를 구축할 수 있다. 그러나, 상업적인 실현들에서, 볼-스페이서 방법은 이러한 제어의 포커스를 허용할 수 있을 것이고 그리고 사용 편의성의 관점에서 인터페이스의 단순화를 허용할 수 있을 것이다. 볼-스페이서 시스템은 또한 어레이들의 스프링 상수들을 결정하기 위해서 그리고 마이크로콘택(microcontact) 인쇄 형판들(templates), 나노임프린트 리소그래피(NanoImprint Lithography) 디바이스, 또는 임의의 다른 그러한 디바이스를 레벨링하기 위해서 사용될 수 있을 것이다.

볼-스페이서 장치의 상세 사항들

도 9 및 10에 도시된 본원 발명의 실시예에서, 장치(300)가 제공되고, 그러한 장치는 마이크로 크기의 펜들의 어레이(302)를 기판(306)의 표면(306a)에 대해서 레벨링하도록 구성된다. 장치는 단부 상에 볼(322)을 가지는 제어가능한 아암(320)을 포함한다. 제어가능한 아암(320)은 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 복수의 위치들로 볼(322)을 이동시키도록 구성된다. 위치들은 어레이(302)의 모서리들에 상응할 수 있을 것이다. 장치는 볼(322)의 복수의 위치들의 각각에서 기판 표면(306a) 또는 어레이(302) 상에 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서(324)를 포함한다. 장치는 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이(302) 또는 기판(306)을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들(미도시)을 더 포함한다. 장치는 (i) 상기 힘 센서(324)에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값(threshold)을 초과하기 전에 복수의 위치들의 각각에서 상기 어레이(302) 또는 상기 기판(306)이 이동한 거리를 기초로 상기 기판 표면(306a)에 대한 상기 어레이(302)의 평면형 오프셋을 결정하도록, 그리고 (ii) 상기 평면형 오프셋을 기초로 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 상기 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함한다.

마이크로 크기의 펜들의 어레이(302)는 임의의 특별한 디자인으로 제한되지 않는다. 장치(300)에서, 어레이(302)는 바람직하게 펜들의 2-차원적인 어레이이나, 볼-스페이서 장치가 일-차원적인 어레이와 함께 사용될 수 있을 것이다. 어레이는 팁들 또는 프로브들을 포함할 수 있다. 어레이는 팁들을 가지는 또는 가지지 않는 캔틸레버들을 포함할 수 있을 것이다. 어레이는 통상적인 2-차원적인 나노 프린트어레이(nano PrintArray ;2DnPA)일 수 있을 것이다. 또한, 어레이는 HDT (High Density Tips) 폴리머 어레이일 수 있을 것이며, 그러한 어레이는 일반적으로 통상적인 2DnPA 보다 레벨링하기가 더 어려운데, 이는 그러한 어레이들의 경우에 광학적인 레벨링 방법들을 이용할 수 없기 때문이다. 다른 어레이들은 연질 후면부를 가지는 경질 팁들의 어레이, 후면부가 없는 팁들의 얇은 멤브레인, 등을 포함할 수 있다.

어레이(302)는 어레이(302)의 평탄도에 실질적으로 영향을 미치지 않는 임의 방법을 이용하여 어레이 핸들(303) 상에 장착될 수 있을 것이다. 예를 들어, 어레이(302)가, 적은-경화-부피-변형(low-curing-volume-deformation) 에폭시, 예를 들어, Devcon "5 Minute Epoxy Gel"을 이용하여 어레이 핸들(303)에 장착될 수 있을 것이다. 어레이(302)는, 예를 들어, 어레이가 2DnPA일 때와 같이, 어레이 핸들(303)에 직접 부착될 수 있고, 또는 어레이가 HDT 어레이일 때와 같이, 어레이 핸들(303)에 부착된 후면부 물질에 부착될 수 있을 것이다. 후면부 물질은, 예를 들어, 유리일 수 있다. 바람직하게, 어레이(302)는 그 어레이의 타입과 관계없이 동일한 일반적인 부착 핸들(303)을 이용하도록 구성된다. 어레이 핸들(303)은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 표준화된 동적인(kinematic) 장착부에 부착되도록 구성될 수 있을 것이다. 어레이 핸들(303)이 중공형의 프레임으로서 구성될 수 있을 것이며, 그에 따라 어레이(302)의 팁들 또는 프로브들(304)이 NLP 광학장치들에 의해서 가시화될 수 있다. 어레이 핸들(303)은, 그러한 어레이 핸들을 사용자가 취급할 수 있게 허용하는 많은 수의 윙들(wings) 또는 탭들을 포함할 수 있을 것이다. 어레이 핸들(303)은 많은 수의 매립형 구형(spherical) 자석들을 포함할 수 있으며, 그러한 구형 자석들은 동적인 장착부 상의 장착 영역들에 상응한다. 어레이 핸들(303)이 3개의 그러한 구형 자석들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 자석들은 어레이들의 저장 및 보관에 도움을 줄 수 있을 것이다.

일부 실시예들에서, 어레이 스페이서들(302a)이 어레이(302)와 어레이 핸들(303) 사이에 제공된다. 어레이(302) 및 어레이 핸들(303)은, 전술한 바와 같이 어레이(302)가 어레이 핸들(303)에 부착되는 것과 동일한 방식으로, 어레이 스페이서(302a)에 부착될 수 있을 것이다. 어레이 스페이서(302a)는 어레이(302)가 기판(306) 위의 다양한 수직 위치들에 배치될 수 있게 허용한다.

그 대신에, 로드 셀 조정 단부 피스(303a)가 제공될 수 있을 것이다. 그러한 단부 피스(303a)는 어레이 핸들(303)이 부착될 수 있는 많은 수의 위치들을 포함할 수 있고, 그에 따라 어레이 핸들(303)이 부착되는 위치를 기초로 어레이의 수직 위치가 제어될 수 있을 것이다. 단부 피스(303a)가 볼(322)의 수직 휴지(resting) 위치에 대한 어레이의 위치의 정밀 제어를 제공할 수 있을 것이다.

일부 실시예들에서, 어레이(302)가 어레이(302)의 물질 보다 더 경질인 물질로 제조된 레벨링 부분들을 포함한다.

기판(306)은 어레이(302)와 레벨링되는 것이 바람직한 임의 객체일 수 있을 것이다. 예를 들어, 기판(306)은 패턴을 형성하고자 하는 객체일 수 있을 것이다. 기판은 장착 슬라이드(308) 상에 위치될 수 있고, 그러한 장착 슬라이드 자체는 스테이지 플레이트("Z-스테이지")(310) 상에 위치될 수 있을 것이다. 장착 슬라이드(308)는 유리로 제조될 수 있을 것이다. 기판(306)은, 수퍼 글루(super glue)와 같은 소량의 접착제를 이용하여 장착 슬라이드(308)에 부착될 수 있을 것이다. 바람직하게, 기판(306)을 손상시키기 않고 장착 슬라이드(308)로부터 기판(306)을 제거할 수 있게 하는 것이 바람직하다. 장착 슬라이드(308)는 스프링 클램프들을 이용하여 스테이지 플레이트(310)에 부착될 수 있을 것이다. 스테이지 플레이트(310)는 액추에이터에 의해서 수직 방향을 따라서 다양한 Z-위치들로 이동될 수 있을 것이며, 그에 따라 액추에이터는 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 상대적인 거리 및 상대적인 틸팅의 변동(variation)을 제공한다. 예를 들어, 액추에이터(들)는 스테이지 플레이트(310)의 팁 및 틸트를 제어할 수 있을 것이다. 액추에이터는 단계적인 방식 또는 연속적인 방식으로 스테이지 플레이트(310)를 이동시키도록 구성될 수 있을 것이다. 만약, 이하에서 설명하는 바와 같이, 자기적인 동적 장착부가 이용된다면, 힘 센서(324)를 방해하지 않도록, 스테이지 플레이트가 비-철계(non-ferrous) 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 스테이지 플레이트는 진공 스테이지 플레이트이고, 그리고 기판은 진공 스테이지 플레이트에 의해서 생성된 진공을 이용하여 스테이지 플레이트에 부착된다.

제어가능한 아암은, 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 가요성 부분(320a) 및 강성 부분(320b)을 포함할 수 있을 것이다. 아암의 가요성 부분은 볼(322)을 유지하고, 그에 따라 볼이 어레이(202)와 기판 표면(306a) 사이에서 수직 방향으로 이동될 수 있다. 가요성 부분(320a)은 어레이(302) 또는 기판(306)에 의해서 볼(322)에 힘이 가해질 때 휘어진다. 바람직한 실시예들에서, 가요성 부분(320a)은 간격(clearance) 문제들을 최소화할 수 있을 정도로 그리고 어레이(302) 및/또는 기판(306a)의 운동과 간섭하는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 길다.

어레이(302) 및/또는 기판(306)의 두께 차이들을 보상하기 위해서, 제어가능한 아암(320) 및/또는 그 제어가능한 아암(320)의 가요성 부분(320a)과 강성 부분(320b)이 교환될 수 있을 것이다. 제어가능한 아암(320) 및/또는 가요성 부분(320a)과 강성 부분(320b)이 교환될 때에도, 볼이 동일한 R-쎄타(theta) 위치에서 유지되어 이전의 교정치(calibrations)에 대해서 유해한 영향을 미치지 않도록, 제어가능한 아암(320)이 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 아암(320)이 교환될 때, R-쎄타 위치의 차이가 동일하게 ± 50 ㎛일 수 있고, 그리고 바람직하게 ± 10 ㎛일 수 있을 것이다. 그에 따라, 제어가능한 아암(320)이 새로운 제어가능한 아암(320)으로 교환된 후에, 볼(322)이 어레이(302) 및 기판 표면(306a)에 대해서 평행한 평면 내에서 동일한 위치에, 그러나 상이한 수직 위치에, 배치될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 아암의 길이가 정밀하게 제어 및 측정될 수 있고, 그에 따라 이러한 길이가 레벨링 계산에 포함될 수 있을 것이다. 바람직한 실시예들에서, 가요성 부분(302a)이 강성 부분(320b) 보다 더 길다. 바람직한 실시예들에서, 가요성 부분(320a)은 비-자성 물질로 제조된다. 기판(306)이 이동되고 어레이(302)가 정지되는 실시예들에서, 가요성 부분(320a)이 어레이(302) 및 기판(306)의 평면에 대해서 약간 아래로 각도를 이루어 셋팅될 수 있을 것이다.

볼(322)은, 정밀한 거리 및 로드 측정들을 위해서 사용될 수 있도록 허용하는 진원도(roundness) 및 경도를 가지고 기판 표면(302a)과 어레이(302) 사이에 위치되도록 허용되는 크기를 가지는 임의 볼일 수 있을 것이다. 볼(322)은 바람직하게 구형 볼이다. 볼(322)은 사파이어 볼일 수 있을 것이다. 볼(322)은 2000±0.080 ㎛의 지름을 가질 수 있을 것이다. 바람직하게, 볼(322)은 적어도 9의 모스 경도를 가지는 물질로 제조된다.

제어가능한 아암(320)은 하나 이상의 모터들을 이용하여 이동될 수 있을 것이다. 예를 들어, 제 1 모터는 축을 따라서 제어가능한 아암(320)을 이동시키는 선형 모터, 또는 "R-모터)(330)일 수 있을 것이다. 제 2 모터는 제어가능한 아암(320)을 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 내외로 선회(swing)시킬 수 있는 "쎄타-모터"(340)일 수 있을 것이다. R-모터(330) 및 쎄타-모터(340)가 장착 프레임(328)에 인접하여 또는 그 내부에 위치될 수 있을 것이다. 도 9 및 16-18에서, 예를 들어, R-모터(330)가 장착 프레임(328)의 외측으로 연장하는 것으로 도시되어 있다. 도 9 및 17-18에서, 예를 들어, 쎄타-모터(340)가 장착 프레임(328) 내에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 제어가능한 아암(320)이 장착 프레임(328) 아래로부터 연장될 수 있을 것이다. R-모터(330)는 제어가능한 아암(320)이 R-축 샤프트(332)를 따라서 이동되도록 상기 제어가능한 아암(320)을 구동할 수 있을 것이다. 선형 샤프트 베어링(미도시)이 제공될 수 있으며, 그러한 베어링은 R-축 요동(wobble)을 감소시킨다. 쎄타-모터(340)는 쎄타-축 샤프트(342)를 중심으로 회전되도록 제어가능한 아암(320)을 구동시킬 수 있을 것이다. 쎄타-모터(340)는 수직 방향을 따른 어레이(302)에 대한 볼(322)의 미세한 위치결정(positioning)을 허용하기 위한 그 샤프트 상의 미세 조정장치를 포함할 수 있을 것이다. 미세 조정장치를 이용한 조정은 바람직하게 볼의 R-쎄타 위치에 영향을 미치지 않아야 한다. 장착 프레임(328)이 도 16-18에 구체적으로 도시되어 있다.

모터들에 대한 이러한 설명은 제한적인 것을 의미하지 않는다. 모터들은, 볼(322)들이 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 복수의 위치들로 이동될 수 있도록, 제어가능한 아암(320)을 이동시킬 수 있는 임의의 모터들의 조합일 수 있을 것이다. R-모터(330) 및 쎄타-모터(340) 모두에 대한 리미트 스위치들이 장착 프레임(328) 내로 설치될 수 있을 것이다. R-모터(330) 및 쎄타-모터(340)의 제로(zero)-위치들에 의존하는 레벨링 계산들을 허용하기 위해서, 리미트 스위치들은 바람직하게 이동 또는 오프셋되기 어렵다. R-모터 리미트 스위치(334)는 도 9에 도시된다. 바람직하게, R-모터(330) 및 쎄타-모터(340)는 공회전될 때 잡음을 거의 생성하지 않는다. 모터들은 바람직하게 높은 위치적 해상도 및 반복가능성을 가지는데, 이는 그러한 것이 볼이 어레이(302)와 기판(306) 사이에 얼마나 정확하게 배치될 수 있는지에 영향을 미치기 때문이다.

힘 센서(324)는 어레이(302) 또는 기판(306a) 상에 가하는 힘을 측정할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있을 것이다. 예를 들어, 힘 센서는, 힘 센서가 어레이(302) 또는 기판(306a)에 가하는 힘을 감지할 수 있게 허용하는 방식으로 어레이(302) 또는 기판(306a)에 연결되는 로드 셀일 수 있을 것이다. 도 9-11에서, 예를 들어, 힘 센서(324)가 어레이(302) 위에 위치된 로드 셀 샤시(326) 내에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 로드 셀 샤시(326)는 NLP의 장착 블록(327)에 부착될 수 있을 것이다. 패터닝 또는 인쇄를 실행하는 플랫폼에 로드 셀 샤시가 강성으로(rigidly) 장착되는 것이 바람직할 것이다. 로드 셀 샤시(326)가 도 11-15에 구체적으로 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같은 임의 와이어들이 시스템 잡음의 최소화를 위해서 바람직하게 양호하게 차폐된다.

다른 실시예들에서, 힘 센서는 어레이, 볼, 및 기판 사이에서 접촉될 때 검출할 수 있는, 예를 들어, 전기적 센서와 같은, 임의의 다른 디바이스로 대체될 수 있을 것이다.

제어가능한 아암(320)을 유지하는 장착 프레임(328)이, 도 19 및 20에 도시된 바와 같이, 로드 셀 샤시(326)에 장착될 수 있을 것이다. 도 21 및 22에 도시된 바와 같이, 장착 프레임(328)의 엣지들(328a)이 로드 셀 샤시(326)의 엣지들(326a)에 상응하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 장착 프레임(328)이 로드 셀 샤시(326)에 강성으로 부착될 수 있을 것이다.

힘 센서(324)는 바람직하게 낮은 신호-대-잡음 비율, 그리고 구체적으로, 프리 에어(free air)에서 플로팅하는(floating) 동안 낮은 잡음 플로어(floor)를 갖는다. 예를 들어, 힘 센서의 잡음 플로어가 0.25 mg 이하일 수 있을 것이다. 바람직하게, 힘 센서(324)는 범위(range) 및 해상도에 대한 요구의 균형을 맞추는(balance) 로드 한계를 가진다. 예를 들어, 힘 센서(324)가 10 g 내지 30 g의 로드 한계를 가질 수 있을 것이다. 바람직하게, 힘 센서(324)가 로딩될 때 그에 따라 수직 방향을 따라 편향될 때, 힘 센서(324)의 평탄도가 극적으로 변화되지 않는다. 힘 센서(324)는, 예를 들어, 평행사변형 디자인을 가질 수 있고, 그러한 디자인은 평탄도의 급격한 변화를 방지한다. 힘 센서(324)는, 예를 들어, 스트레인 측정 장치(Strain Measurement Devices)에 의해 제조한 것과 같은 로드 셀일 수 있을 것이다.

볼-스페이서 장치 내의 제어기가 컴퓨터일 수 있을 것이다. 제어기는 드라이버, 그리고 상기 제어가능한 아암(320) 및 액추에이터들을 제어하기 위한 다른 연결 하드웨어를 포함할 수 있을 것이다. 제어기는 NLP의 프레임의 측부 상에 장착될 수 있을 것이다. 다른 시스템 성분들에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 잡음을 감소시키기 위해서, 제어기를 위한 전원들이 시스템의 나머지 부분들로부터 멀리 배치될 수 있을 것이다.

일부 실시예들에서 볼-스페이서 장치는 어레이(302)가 힘 센서(324)에 장착될 수 있게 허용하는 동적 장착부를 포함한다. 도 23 및 24에 도시된 바와 같이, 동적 장착부는 자기적 동적 장착부(350)일 수 있을 것이다. 자기적 동적 장착부(350)는 어레이 핸들(303) 내에 매립된 구형 자석들에 상응하는 많은 수의 장착 영역들을 포함한다. NLP 광학장치들이 어레이(302) 상에 위치된 팁들 또는 프로브들(304)을 여전히 내려 볼 수 있도록, 동적 장착부(350)가 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 동적 장착부(350)가 정사각형 프레임으로서 구성될 수 있을 것이다.

볼-스페이서 장치는 또한 도 12에 도시된 바와 같이 로드 셀 디지타이저(325)를 포함할 수 있을 것이다. 로드 셀 디지타이저(325)는 힘 센서(324)로부터의 신호를 제어기에 의해서 판독가능한 신호로 변환할 수 있다. 로드 셀 디지타이저(325)는, 예를 들어, Mantracourt Electronics, Ltd.로부터 이용가능한 Mantracourt Model DSCH4ASC 디지타이저일 수 있을 것이다. 바람직하게, 로드 셀 디지타이저(325)는 모든 잡음 공급원들로부터 가능한 한 많이 격리된다. 로드 셀 디지타이저(325)는 12V 랜턴 배터리와 같은 배터리 전원으로부터 전력을 수신할 수 있다. 그 대신에, 로드 셀 디지타이저(325)가 비-배터리 저(low)-잡음 전원, 또는 임의의 다른 적합한 전원으로부터 전력을 수신할 수 있다. 로드 셀 디지타이저(325)는 도 13에 도시된 바와 같이 로드 셀 샤시 내에 위치될 수 있다. 전기적, 음향적, 및 지진적(seismic) 차폐, 댐핑, 및 절연을 위해서 커버(325a)가 제공될 수 있을 것이다.

특히 힘 센서를 위해서 분위기 제어 하위시스템(subsystem)이 제공될 수 있을 것이다.

힘 센서에 대한 가능한 한 가장 낮은 잡음 플로어를 유지하기 위해서 진동 격리가 제공될 수 있을 것이다.

볼-스페이서 방법의 상세 사항들

본원 발명의 실시예에서, 마이크로 크기의 펜들의 어레이를 기판의 표면에 대해서 레벨링하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은 도 29에서 흐름도로 도시되어 있다. 단계(410)에서, 볼(322)이 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 제 1 위치로 이동된다. 단계(420)에서, 어레이(302), 볼(322) 및 기판 표면(306a) 사이의 접촉이 이루어질 때까지 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 거리가 감소되고, 그리고 힘 센서(324)에 의해서 검출되는 힘이 주어진 문턱값을 초과한다. 단계(430)에서, 어레이(302) 또는 기판(306)이 이동한 거리("Z-위치")가 결정된다. 이어서, 단계(410) 내지 단계(430)가 원하는 횟수(435)로 반복된다. 예를 들어, 단계(410) 내지 단계(430)가 일-차원적인 어레이에 대해서 2차례 실시될 수 있고, 또는 2-차원적인 어레이에 대해서 3차례 실시될 수 있을 것이다. 단계(440)에서, 기판 표면(306a)에 대한 어레이(302)의 평면형 오프셋이 결정된다. 단계(450)에서, 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 상대적인 틸팅은 기판 표면(306a)에 대해서 어레이(302)를 레벨링하기 위해서 결정된 평면형 오프셋을 기초로 조정된다. 레벨링이 완료(460)되는 원하는 평면형 오프셋을 성취하기 위해서 단계(410) 내지 단계(450)가 원하는 횟수(455)로 반복될 수 있을 것이다. 선택적으로, 원하는 평면적 오프셋들이 달성되었다는 것을 확인하기 위한 부가적인 시간에 평면형 오프셋이 계산될 수 있을 것이다.

평면형 오프셋은, 2개의 위치들 사이의 거리(D)를 알고 있는 경우에, 복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판이 이동한 거리들의 차이(dZ)를 계산함으로써 결정될 수 있을 것이다. 각도와 관련된 기판 표면에 대한 인쇄 어레이의 평면형 오프셋(dφ)은 다음과 같이 계산된다:

평면형 오프셋(dφ)이 결정된 후에, 어레이(302)와 기판 표면(306a) 사이의 상대적인 틸팅은, 평면형 오프셋(dφ)의 방향과 반대인 방향으로 평면형 오프셋(dφ)의 양만큼 어레이(302) 및/또는 기판(306)의 틸팅을 조정하는 것을 기초로, 조정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 액추에이터가 x 방향 및 y 방향 모두로 틸팅되도록 구성되었다고 가정할 때, 복수의 위치들 중 2개의 위치가 x 방향의 하나의 라인(a line) 상에 존재할 수 있을 것이고 그리고 복수의 위치들 중 2개의 위치가 y 방향의 하나의 위치 상에 존재할 수 있을 것이다. x 방향의 평면형 오프셋이 x 방향의 라인 상의 2개의 위치들에 대한 dZ 및 D의 값을 기초로 계산될 수 있을 것이다. y 방향의 평면형 오프셋이 y 방향의 라인 상의 2개의 위치들에 대한 dZ 및 D의 값을 기초로 계산될 수 있을 것이다. 물론, 어레이와 기판 사이에 3개의 위치들이 있다면, 위치들 중 하나가 x 방향 라인 및 y 방향 라인 모두를 따라서 존재할 수 있을 것이다.

볼-스페이서 방법의 작동 예

볼-스페이서 방법을 이용하여 HDT 어레이를 기판 표면에 대해서 레벨링하였다. 제어가능한 아암을 이용하여, 사파이어 볼을 어레이와 기판 사이의 3개의 위치들을 통해서 이동시켰다. 기판을 액추에이터를 통해서 수직 방향으로 이동될 수 있는 스테이지 플레이트 상에 배치하였다. 어레이 상의 볼에 의해서 어레이로 가해지는 힘을 그 어레이 위에 위치되는 로드 셀로 측정하였다. 각각의 위치에서, 볼이 어레이 및 기판 모두와 접촉하게 되고 로드 셀이 접촉을 측정할 때까지 스테이지 플레이트 및 그에 따른 기판을 이동시켰다. 기판, 볼 및 어레이 사이의 접촉이 검출될 때까지 어레이를 향해서 기판을 계속적으로 이동시켰다. 연속적으로 힘을 측정하는 로드 셀을 이용하여 접촉을 검출하였다. 기판 표면에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하였고 그리고 평면형 오프셋을 교정하기 위해서 어레이와 기판 사이의 상대적인 각도를 조정하도록 액추에이터를 통해서 기판을 이동시켰다. 프로세스를 2차례 반복하여 동일한 3개의 볼 위치들에 대해서 새로운 평면형 오프셋을 결정하였고, 그리고 새로운 평면형 오프셋에 대한 교정을 위해서 어레이와 기판 사이의 상대적인 각도를 조정하도록 다시 기판을 이동시켰다. 이러한 프로세스를 실행한 후에, 리소그래피를 실행하기 위해서 기판에 대해서 어레이를 충분히 레벨링하였다.

도 25는 접촉이 발생될 때 로드 셀에 의해서 측정된 힘 대 스테이지 플레이트의 위치를 도시한 샘플 그래프이다. 도 25는 이러한 작동 예의 HDT 어레이와 실리콘 칩 모두에 대한 곡선들을 보여준다. 곡선의 기울기는 보다 더 경질인 실리콘 칩의 경우가 HDT 어레이에 대한 경우보다 더 크다는 것을 주목하여야 한다. 그러나, HDT 어레이에 대한 접촉이 발생되는 때를 결정하기 위해서 로드 셀이 적절히 이용되었다.

도 26은 기판 대 시간에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 보여주는 곡선을 따른, 스테이지 플레이트의 위치들 대 어레이와 기판 사이의 3개의 위치들의 각각을 보여주는 곡선들을 포함하는 그래프를 도시한다. 제 1 교정 후에, 평면형 오프셋은 100 ㎛ 초과로부터 약 10 ㎛으로 떨어졌다(fell). 제 2 교정 후에, 평면형 오프셋은 100 nm 미만으로 떨어졌다. 전체 프로세스는 2 분 미만에 실행되었다. 본원 발명에 의해서 달성된 결과들, 특히 성취된 속도, 정확도 및 레벨링 정밀도는 통상적인 레벨링 방법들에 의해서 달성되는 결과의 관점에서 볼 때 예상치 못한 것이다.

도 30은 기판 표면에 대해서 완벽하게 평행이 아닌 어레이로 인쇄된 5 mm x 5 mm 영역을 도시한 도면이다. 인쇄의 품질은 인쇄된 영역의 우측 하단 지역 보다 인쇄된 영역의 좌측 상부 지역에서 보다 더 양호하다는 것을 주목하여야 한다.

도 31은 전술한 방법을 이용하여 기판이 어레이에 대해서 레벨링된 후에 인쇄된 5 mm x 5 mm 영역을 도시한 도면이다. 인쇄전에 볼-스페이서 방법을 이용하는 것에 의해서, 전체 인쇄 영역에 걸친 균일하게 높은 품질의 인쇄가 허용되었다.

접촉 측정 정밀도

접촉 측정 정밀도는, 기판과 어레이와 접촉하고 그리고 주어진 로드 문턱값을 초과하는, 그에 따라 접촉을 인식하는 볼을 이용할 수 있는 볼-스페이서 시스템의 능력으로서 규정된다. 이러한 문턱값이 교차되는(crossed) Z-위치가 기록될 수 있을 것이다. 많은 횟수로 실행될 때, Z-위치들의 통계적인 스프레드(spread)가 생성될 수 있을 것이다. 이러한 통계적인 스프레드의 표준 편차가 접촉 측정 정밀도이다. 그에 따라, 접촉 측정 정밀도가 낮을수록 결과가 더 양호해진다.

2개의 실험적인 요건들은 시스템의 접촉 측정 정밀도를 나타낸다: (1) 의도된 도트 크기 및 (2) 변동의 허용가능한 계수("CV"). CV 는 언레벨링된 팁들로 인해서 인쇄된 도트 크기들이 변화되는 정도이다. 그에 따라, CV는 이하의 식을 이용하여 결정될 수 있다:

CV = σ/μ

이때, σ는 도트 크기의 표준 편차이고 그리고 μ는 평균 도트 크기이다.

도 27은 기판과 접촉하는 2개의 팁들을 도시하며, 여기에서 기판에 대한 팁들의 평면형 오프셋이 존재한다. 도 27에서, 임의의 비-평탄도의 정도가 팁의 압축 보상으로 이동되고 그에 따라 팁의 풋프린트(footprint)가 도시된 잘려진 삼각형에 의해서 어림 계산된다. 또한, 팁들은 먼저 완전히 압축되고, 그에 따라 사실상 모든 Z-스테이지 이동이 팁들의 변형에 의해서 흡수되는 것으로 생각된다.

도 28은 의도된 도트 크기를 획득하는데 필요한 접촉 측정 정밀도를 도시한 그래프이다. 몇 가지 구속들이 최소의 가능한 접촉 측정 정밀도를 결정할 수 있을 것이다. 그러한 하나의 구속은 Z-스테이지가 조정될 수 있는 최소 각도이다(팁 각도 및 틸트 각도). 예를 들어, 만약 Z-스테이지가 조정될 수 있는 최소 각도가 0.0003°이고 어레이가 5 ㎛ 넓이라면, 달성가능한 최소 가능 접촉 측정 정밀도는, 이하의 식에 의해서 결정되는 바와 같이, ± 13 nm이다:

CMP_min = 5tan(0.0003).

두 번째 구속은 센서 검출 한계이고, 이는 접촉이 이루어졌다는 것을 확인할 수 있기 전에 볼 및 어레이와 접촉하는 동안 Z-스테이지가 이동하여야 하는 최소 거리이다. 그러한 구속은 로드 셀의 신호-대-잡음 비율 및 잡음 플로어에 의해서 뿐만 아니라, 기판 및 어레이의 물질들에 의해서 크게 영향을 받는다. 만약 로드 셀 신호가 매우 잡음이 많다면, 잡음 스파이크가 무엇인지 그리고 어레이와 기판 사이의 실제 접촉을 나타내는 것이 무엇인지를 알기 어렵다. 로드 셀의 주어진 잡음 레벨의 경우에, 경질 물질이 연성 물질 보다 더 용이하고 더 쉽게 검출된다. 도 28에서, 예를 들어, 센서 검출 한계는 경질 표면들의 경우에 ± 30 nm이고 그리고 연성 표면의 경우에 ± 150 nm인 것으로 도시되어 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, HDT 어레이와 같은 보다 더 연질 물질의 어레이는 접촉이 발생하였다는 것이 명백해지질 때까지 보다 더 많은 Z-지점들을 필요로 한다.

액추에이터가 Z-스테이지를 단계적인 운동으로 이동시키도록 구성되었을 때, 하나의 구속은 Z-스테이지 증가이며, 그러한 증가는 Z-스테이지가 수직 방향으로 이동될 수 있는 최소 거리이다. 최소 측정 정밀도는 최소 Z-스테이지 증가의 절반이다. 도 28은 100 nm의 최소 증가를 가지는 Z-스테이지에 대한 Z-스테이지 부과형(imposed) 한계를 도시한다. 그에 따라, 이러한 경우에, 접촉 측정 정밀도의 Z-스테이지 부과형 한계는 ± 50 nm이다. 그러나, 이러한 구속은 Z-스테이지의 연속적인 운동을 이용함으로써 대부분 제거된다.

액추에이터가 연속적인 운동으로 Z-스테이지를 이동시키도록 구성될 때, 도 28에 도시되지 않은 하나의 구속은 샘플링 비율(rate) 또는 샘플링 기간이며, 그러한 샘플링 비율 또는 샘플링 기간은 제어기가 Z-스테이지의 운동을 힘 센서에 의해서 측정된 힘과 얼마나 빨리 상호연관시킬 수 있는지를 결정한다.

도 28에 도시된 바와 같이, 주어진 의도된 도트 크기에 대해서, 인쇄된 영역에 걸친 도트 크기 변동은 접촉 측정 정밀도가 나빠질 수록(즉, 보다 커질수록) 선형적으로 증가된다. 이는 그래프의 수평 확장 삼각형들에 의해서 도시된다. 대각적인 CV 라인들은 필요한 접촉 측정 정밀도에 영향을 미치기 위해서 의도된 도트 크기 및 CV가 교차하는 단지 몇 곳만을 나타낸 것이다. 예를 들어, 10% CV 보다 나쁘지 않은 5 ㎛ 도트를 생성하기 위해서, 적어도 ± 265 nm의 접촉 측정 정밀도가 요구된다. 그에 따라, 전술한 구속들에 의해서 제한될 수 있지만, 그래프의 좌측 측부 상에서 동작되는 것이 바람직하다.

개선된 결과들 및 효율을 가지고, 넓은 영역들에 걸쳐 많은 수의 펜과 큰 크기의 펜 어레이로 패터닝하는 것

일 실시예에서, 팁들의 어레이는 적어도 1 평방 밀리미터인 어레이 상의 팁들의 영역임을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 팁들의 어레이가 적어도 1 평방 센티미터인 어레이 상의 팁들의 영역을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 팁들의 어레이가 적어도 75 평방 센티미터인 어레이 상의 팁들의 영역을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 팁들의 일부 분율(fraction)이 잉크를 기판으로 전달하고, 그리고 그 분율은 적어도 75% 이다. 일 실시예에서, 팁들의 일부 분율이 잉크를 기판으로 전달하고, 그 분율은 적어도 80% 이다. 일 실시예에서, 팁들의 일부 분율이 잉크를 기판으로 전달하고, 그 분율은 적어도 90% 이다.

일 실시예에서, 펜들의 어레이가 적어도 10,000 개의 펜들을 포함한다. 일 실시예에서, 펜들의 어레이가 적어도 55,000 개의 펜들을 포함한다. 일 실시예에서, 펜들의 어레이가 적어도 100,000 개의 펜들을 포함한다. 일 실시예에서, 펜들의 어레이가 적어도 1,000,000 개의 펜들을 포함한다.

일 실시예에서, 펜들의 어레이는 적어도 1 평방 밀리미터인 어레이 상의 펜들의 영역을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 펜들의 어레이는 적어도 1 평방 센티미터인 어레이 상의 펜들의 영역을 특징으로 한다. 일 실시예에서, 펜들의 어레이가 적어도 75 평방 센티미터인 어레이 상의 펜들의 영역을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 펜들의 일부 분율이 잉크를 기판으로 전달하고, 그리고 그 분율은 적어도 75% 이다. 일 실시예에서, 팁들의 일부 분율이 잉크를 기판으로 전달하고, 그 분율은 적어도 80% 이다. 일 실시예에서, 팁들의 일부 분율이 잉크를 기판으로 전달하고, 그 분율은 적어도 90% 이다. 본원에서 설명된 레벨링 방법들 및 기구들은 기판으로 잉크를 전달하는 펜들의 분율을 증대시킬 수 있다.

Claims

마이크로 크기의 펜들의 어레이;
기판 표면을 가지는 기판;
일 단부에 구형 볼을 포함하는 제어가능한 아암으로서, 제어 가능한 아암은 어레이와 기판 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키도록 구성되는, 제어가능한 아암;
복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판 표면 상으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서;
어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이 및/또는 기판을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들; 및
(i) 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과하기 전에 복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판이 이동한 거리를 기초로 기판에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하도록, 그리고 (ii) 평면형 오프셋을 기초로 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 캔틸레버들 상에 배치된 팁들을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 마이크로캔틸레버들 상에 배치된 AFM 팁들의 어레이를 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 엘라스토머 폴리머 팁들을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 2차원적인 펜들의 어레이인, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서는 1 pN 내지 1N 범위의 힘을 측정하도록 구성되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서는 로드 셀, 용량형 요소, 유도 요소, 압전 요소, 캔틸레버 비임, 광학적 인코더, 스트레인 게이지, 로드 변환기, 선형 속도 변위 변환기, 레이저 삼각측량 센서, 또는 공초점(confocal) 센서를 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 기판 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성된 디바이스를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 기판 사이의 상대적인 거리를 반복적으로 변화시키도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
적어도 어레이를 둘러싸도록 그리고 내부의 온도를 주변 온도보다 더 높은 일정한 온도로 유지하도록 구성된 외장을 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
온도, 상대 습도, 또는 진동 중 하나를 포함하는 분위기 변화를 모니터링하도록 구성된 디바이스; 및
분위기 변화를 보상하도록 구성된 디바이스를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 기판 표면으로 전달하고자 하는 패터닝 잉크로 잉크공급되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 기판 사이의 상대적인 거리가 적어도 1 nm에 대해서 변경될 수 있는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 기판 사이의 상대적인 거리가 1 nm 와 100 nm 사이에서 변경될 수 있는, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 펜들의 무-캔틸레버 어레이인, 장치.
제 1 항에 있어서,
펜들의 어레이는 기판 표면에 흡착 또는 공유결합되도록 구성된 적어도 하나의 패터닝 화합물을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
기판 표면은 적어도 하나의 표면 변경 층을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
액추에이터는 적어도 하나의 압전 물질을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
액추에이터는 압전 액추에이터인, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 장치는 사용자-인터페이스를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이 핸들을 더 포함하고, 어레이 핸들에 의해 어레이가 힘 센서에 부착될 수 있는, 장치.
제 21 항에 있어서,
동적 장착부를 더 포함하고, 동적 장착부에 의해 어레이 핸들이 힘 센서에 부착될 수 있는, 장치.
제 22 항에 있어서,
어레이 핸들은 적어도 하나의 구형 자석을 포함하고, 동적 장착부는 구형 자석에 상응하는 적어도 하나의 장착 영역을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이는 어레이의 물질보다 더 경질인 물질을 포함하는 적어도 하나의 레벨링 부분을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
장착 슬라이드를 더 포함하고, 장착 슬라이드는 분리가능하게 부착되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
스테이지 플레이트를 더 포함하고, 스테이지 플레이트에 장착 슬라이드가 분리가능하게 부착되는, 장치.
제 26 항에 있어서,
하나 이상의 액추에이터들은 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 거리 및 상대적인 틸팅을 변화시키기 위해서 스테이지 플레이트를 통해서 기판을 구동시키도록 구성되는, 장치.
제 27 항에 있어서,
하나 이상의 액추에이터들은 스테이지 플레이트의 틸트 및 팁을 제어하도록 구성되는, 장치.
제 26 항에 있어서,
스테이지 플레이트는 비-철계 물질로 제조되는, 장치.
제 26 항에 있어서,
스테이지 플레이트는 진공 스테이지 플레이트인, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 힘 센서 사이에 배치된 어레이 스페이서를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
제어가능한 아암은 가요성 부분 및 강성 부분을 포함하는, 장치.
제 32 항에 있어서,
볼이 어레이와 기판 표면 사이에서 이동될 수 있도록, 볼은 제어가능한 아암의 가요성 부분의 단부에 위치되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
볼은 사파이어로 제조되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서를 유지하도록 구성된 샤시를 더 포함하는, 장치.
제 35 항에 있어서,
제어가능한 아암을 유지하는 장착 프레임을 더 포함하고, 장착 프레임이 샤시에 부착되도록 구성되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서는 30 g 이하의 로드 한계를 가지는, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서는 0.25 mg 이하의 잡음 플로어를 가지는, 장치.
제 1 항에 있어서,
힘 센서로부터의 신호를 제어기에 의해서 판독될 수 있는 신호로 변환하도록 구성된 로드 셀 디지타이저를 더 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
장착 슬라이드가 분리가능하게 부착되는 스테이지 플레이트를 더 포함하고,
하나 이상의 액추에이터는 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 거리 및 상대적인 틸팅을 변화시키기 위해서 스테이지 플레이트를 통해서 기판을 구동시키도록 구성되고, 하나 이상의 액추에이터는 스테이지 플레이트의 틸트 및 팁을 제어하도록 구성되고,
힘 센서는 로드 셀을 포함하고,
제어가능한 아암은 가요성 부분 및 강성 부분을 포함하고,
볼이 어레이와 기판 표면 사이에서 이동될 수 있도록 볼은 제어가능한 아암의 가요성 부분의 단부에 위치되고,
볼은 사파이어로 제조되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
마이크로 크기의 펜들의 어레이는 복수의 경질 팁들 및 연질 후면부를 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 볼 또는 볼과 기판 표면 사이에 배치되도록 구성된 중간 객체를 더 포함하고, 중간 객체는 어레이 또는 기판 표면의 오염을 방지하도록 구성되고, 중간 객체는 기판 표면의 평탄도와 실질적으로 일치되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
어레이와 볼 또는 볼과 기판 표면 사이에 배치되도록 구성된 중간 슬라브를 더 포함하고, 중간 객체가 기판 표면의 오염을 방지하도록 구성되고, 중간 슬리브는 기판 표면의 평탄도와 실질적으로 일치되는, 장치.
마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판의 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키는 단계;
복수의 위치들의 각각에서, (i) 볼이 어레이 및 기판 표면 모두와 접촉할 때까지 그리고 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과할 때까지 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 거리를 감소시키는 단계, 그리고 (ii) 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 문턱값을 초과하기 전에 어레이 또는 기판이 이동한 거리를 결정하는 단계; 및
결정된 거리들을 기초로 기판 표면에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제 44 항에 있어서,
평면형 오프셋은 복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판이 이동한 거리들의 차이를 이용하여 결정되는, 방법.
제 44 항에 있어서,
평면형 오프셋은 복수의 위치들의 각각의 사이의 거리를 이용하여 결정되는, 방법.
제 44 항에 있어서,
어레이를 기판 표면에 대해서 레벨링하기 위해서 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 47 항에 있어서,
적어도 하나의 부가적인 시간에 방법의 다른 단계들의 각각을 반복하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 44 항에 있어서,
복수의 위치들은 제 1 위치 및 제 2 위치를 포함하고,
평면형 오프셋의 결정은 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 거리를 추가적으로 기초로 하는, 방법.
제 49 항에 있어서,
복수의 위치들은 제 3 위치를 더 포함하고,
평면형 오프셋의 결정은 제 2 위치와 제 3 위치 사이의 거리를 추가적으로 기초로 하는, 방법.
제 44 항에 있어서,
볼은 제어가능한 아암을 이용하여 이동되는, 방법.
제 51 항에 있어서,
볼은 제어가능한 아암의 단부 상에 위치되는, 방법.
제 44 항에 있어서,
온도 및 진동 중 적어도 하나를 포함하는 분위기의 변화를 모니터링하는 단계; 및
분위기의 변화를 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 44 항에 있어서,
수동 디바이스를 이용하여 어레이와 기판을 사전-레벨링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 44 항에 있어서,
복수의 위치들은 정확하게 3개의 위치들을 포함하는, 방법.
마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판의 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키는 단계; 및
볼을 이용하여 기판 표면에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
마이크로 크기의 펜들의 어레이;
기판;
어레이의 복수의 모서리들에서 어레이와 기판 사이에 단일 볼을 위치시키도록 구성된 로봇 아암;
어레이 또는 기판에 인가되는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서; 및
측정된 힘들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 기판에 대해서 어레이를 레벨링하도록 구성된 제어기를 포함하는, 장치.
어레이의 복수의 모서리들에서 마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판 사이에 단일 볼을 위치시키기 위해서 로봇 아암을 이용하는 단계;
어레이의 복수의 모서리들의 각각에서 어레이 또는 기판으로 인가되는 힘을 측정하는 단계; 및
측정된 힘들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 기판에 대해서 어레이를 레벨링하는 단계를 포함하는, 방법.
제 58 항에 있어서,
복수의 모서리들은 정확하게 3개의 모서리들을 포함하는, 방법.
로드 셀 샤시에 부착되도록 구성된 장착 프레임을 포함하고,
장착 프레임은 제어가능한 아암을 포함하고, 제어가능한 아암은 일 단부에 구형 볼을 포함하며,
제어가능한 아암은 어레이와 기판 표면 사이의 복수의 위치들로 볼을 이동시키도록 구성되는, 장치.
제 60 항에 있어서,
볼이 어레이와 기판 표면 사이의 복수의 위치들로 이동되도록, 제어가능한 아암을 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 모터를 더 포함하는, 장치.
제 61 항에 있어서,
적어도 하나의 모터는, 제어가능한 아암을 제 1 축을 따라서 이동시키도록 구성된 제 1 모터, 및 제어가능한 아암을 제 2 축을 중심으로 선회시키도록 구성된 제 2 모터를 포함하는, 장치.
마이크로 크기의 펜들의 어레이;
기판 표면을 가지는 기판;
어레이 또는 기판 표면 상으로 가해지는 힘을 측정하도록 구성된 힘 센서;
어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 틸팅 및 상대적인 거리를 변화시키기 위해서 어레이 및/또는 기판을 구동하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터들;
어레이 또는 기판 표면 상의 복수의 위치들 중 하나에 각각 위치되는 복수의 볼들; 및
(i) 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과하기 전에 복수의 위치들의 각각에서 어레이 또는 기판이 이동한 거리를 기초로 기판에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하도록, 그리고 (ii) 평면형 오프셋을 기초로 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 기판에 대한 어레이의 레벨링을 개시하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 장치.
마이크로 크기의 펜들의 어레이와 기판 표면을 가지는 기판을 제공하는 단계로서, 어레이 또는 기판은 복수의 볼들을 포함하고, 각각의 볼은 어레이 또는 기판 표면 상의 복수의 위치들 중 하나에 위치되는, 제공하는 단계;
복수의 위치들의 각각에서, (i) 볼을 해당 위치에서 어레이 또는 기판 표면의 대향 부분과 줄로 정렬하는 단계, (ii) 볼이 반대쪽의 어레이 또는 기판 표면과 접촉할 때까지 그리고 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 주어진 문턱값을 초과할 때까지 하나 이상의 액추에이터들을 이용하여 어레이와 기판 표면 사이의 상대적인 거리를 감소시키는 단계, 그리고 (iii) 힘 센서에 의해서 측정된 힘이 문턱값을 초과하기 전에 어레이 또는 기판이 이동한 거리를 결정하는 단계; 및
결정된 거리들을 기초로 기판 표면에 대한 어레이의 평면형 오프셋을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1 객체와 중간 객체 사이에서 시간에 걸친 제 1 상대적인 거리 및 상대적인 틸팅 중 적어도 하나를 변화시키는 단계로서, 중간 객체는 제 2 객체와 접촉되고 그리고 제 2 객체의 평탄도와 실질적으로 일치되는, 변화시키는 단계;
제 1 객체를 중간 객체와 레벨링시킴으로서 제 1 및 제 2 객체들을 레벨링시키는 단계를 포함하는, 방법.
제 65 항에 있어서,
상기 제 1 객체를 중간 객체와 레벨링시키는 단계는,
제 1 객체와 중간 객체 사이의 제 1 거리를 변화시키는 단계;
제 1 거리 또는 시간 대해서, 제 1 객체와 중간 객체 사이의 힘 또는 제 2 거리의 미분값을 획득하는 단계; 및
미분값을 기초로 제 1 객체를 중간 객체와 레벨링하는 단계를 포함하는, 방법.
제 65 항에 있어서,
제 2 객체는 기판을 포함하고;
제 1 객체는, 복수의 팁들로부터 기판의 표면 상으로 잉크를 패터닝하도록 구성된 복수의 팁들을 포함하고,
중간 객체는 기판의 표면 상에서의 원치않는 잉크 침착을 방지하도록 구성되는, 방법.
제 65 항에 있어서,
중간 객체는 편평한 슬라브 디바이스를 포함하는, 방법.
제 65 항에 있어서,
중간 객체는 제 1 또는 제 2 객체들 중 하나의 표면 위에 분배된 복수의 볼들을 포함하는, 방법.