KR20160019910A - 나노 압입 기기용 측정 헤드 및 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
나노 압입 기기용 측정 헤드로서, 나노 압입 기기는 측정 헤드에 대하여 샘플을 위치 조절하도록 배열된 포지셔닝 시스템을 포함하고; 측정 헤드는: 나노 압입 기기에 연결되도록 조절된 프레임(1)에 부착된 측정 서브시스템(2)으로서, 제1 액추에이터(20) 및 제1 액추에이터(20)에 의해 압자에 가해지는 힘의 적용 하에서 샘플의 표면을 압입하도록 조절된 압자(26)를 포함하고, 제1 액추에이터(20)에 의해 가해지는 힘을 탐지하도록 조절된 힘 감지 시스템을 더 포함하는 측정 서브시스템(2); 프레임에 부착된 레퍼런스 서브시스템(3)으로서, 제2 액추에이터(30), 제2 액추에이터(30)와 동작적으로 연결된 레퍼런스 구조(33), 및 레퍼런스 구조(33)와 샘플의 표면의 사전 결정된 간격을 판정하도록 조절된 간격 탐지기를 포함하는 레퍼런스 서브시스템(3)을 포함하는 나노 압입 기기용 측정 헤드가 제공된다. 본 발명에 따라, 측정 헤드는 압자(26)와 레퍼런스 구조의 상대적 위치를 판정하도록 조절된 상대 위치 감지 시스템을 더 포함하고, 측정 헤드는 상대 위치 감지 시스템의 출력을 적어도 부분적으로 기초로 하여 샘플의 표면 내로의 압자의 침투 깊이를 판정하는 수단을 더 포함하고, 간격 탐지기는 레퍼런스 구조(33)로부터 돌출되어 있고 샘플의 표면과 접촉하도록 배열된 토포그래픽 팁(36)을 포함한다.
Description
본 발명은 나노 압입 측정 기기에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 샘플의 표면의 액티브 포지셔닝 레퍼런싱(active positioning referencing)를 포함하는 나노 압입 측정 기기용 측정 헤드에 관한 것이고, 뿐만 아니라 상기 측정 헤드를 이용하여 샘플 내부로의 압자(indenter)의 침투 깊이를 측정하는 방법에 관한 것이다.
깊이 감지 압입("DSI") 방법은, 예컨대, 탄성 계수 및 경도와 같은, 재료의 어떤 기계적 특성을 판정하기 위해 흔히 사용된다. 이러한 방법들은 한편으로는 샘플에 가해지는 하중 값을 그리고 다른 한편으로는 압자 팁의 침투 깊이를 조사하고 측정하기 위해 정밀하고 기지의 형상을 가진 압자를 통해 샘플에 힘을 가하는 단계로 이루어진다.
이러한 기기들은 측정되는 힘이 더욱 더 작아짐에 따라 점점 더 정교해지고 있다. 또한, 측정이 수행되어야 하는 표면은 점점 더 작아지고 있고, 테스트되는 재료의 범위는 넓어지고 있다. 예를 들어, 수 나노미터(nm) 미만의 두께를 가지고 그 폭이 수 ㎛보다 작을 수도 있는 층을 테스트할 필요성이 증가하고 있다. 수반되는 힘은 수 마이크로뉴턴(μΝ)보다 작을 수도 있고, 측정되는 압자의 변위(displacement)는 1 나노미터(nm) 이하 정도일 수 있고, 테스트될 샘플의 측정 표면은 20×20㎛보다 작을 수 있다.
US 7,685,868은 나노 규모에서 탄성 계수 및 경도의 측정을 가능하게 하는 나노 압입 측정 기기를 개시하는데, 그것의 측정 헤드는 압자 축 및 레퍼런스 축을 포함한다. US 7,685,868에 서술된 측정 헤드는 측정 서브 시스템 및 이러한 각각의 축의 그들 자신의 액추에이션 및 변위 수단을 포함하는 레퍼런스 서브 시스템, 뿐만 아니라, 이들 축에 가해지는 힘을 제어하기 위한 포스 피드백 시스템(force feedback system)을 기초로 한다. 더욱이, 액티브 레퍼런스 축을 이용하여, 피에조(piezo) 액추에이터를 이용하여 레퍼런스 축에 의해 샘플에 가해지는 힘을 모니터링 함으로써, 샘플이 연결되어 있는 프레임의 변형 또는 온도 변화로 인해 발생할 수 있는, 압자에 대한 샘플의 표면의 기생적 움직임(parasitic movement)을 제거하는 것이 가능하다.
US 7,685,868에 서술된 측정 헤드는 적어도 아래의 성능 한계를 나타낸다.
서술된 측정 헤드는 2개의 축, 즉, 압자 축 및 레퍼런스 축을 포함하는 비교적 복잡한 시스템을 이용한다. 두 축 모두 비교적 큰 측방향 치수를 가지고, 이는 이러한 두 축의 끝단 사이에 비교적 큰 간격을 부과한다. 레퍼런스 팁과 압자 사이의 이러한 비교적 큰 간격은 그 큰 간격이 시스템의 휨, 샘플의 진동 또는 온도 효과에 의해 유발될 수 있는 측정 오차를 야기하기 때문에 측정의 정밀도를 제한한다.
뿐만 아니라, 압입할 관심 영역을 식별하기 위해 측정 헤드의 사이드에 설치된 별도의 토포그래피컬 스캐너(topographical scanner)가 필요하다는 사실로 인해, 압자의 위치의 정밀도는 수 마이크로미터 또는 심지어 수십 마이크로미터로 제한된다. 별도의 토포그래피컬 스캐너는 스캐너에서부터 압자까지 샘플의 비교적 큰 변위를 암시하고, 이는 압입 위치를 타게팅하는 정밀도를 제한한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 배경기술에 기재된 측정 헤드의 한계를 적어도 부분적으로 극복하는 것이다. 이러한 목적은 측정 헤드에 대하여 샘플을 위치 조절하기 위해 배치된 포지셔닝 시스템을 포함하는 나노 압입 기기용 측정 헤드에 의해 달성된다.
이 측정 헤드는 나노 압입 기기에 연결되도록 조절된 프레임에 부착되고, 제1 액추에이터 및 제1 액추에이터에 의해 압자에 가해지는 힘의 적용 하에서 상기 샘플의 표면을 압입하도록 조절된 압자를 포함하는 측정 서브시스템을 포함한다.
측정 서브시스템은:
- 제1 액추에이터에 의해 가해지는 상기 힘을 탐지하도록 조절된 힘 감지 시스템;
- 상기 프레임에 부착된 레퍼런스 서브시스템을 더 포함하고, 이 레퍼런스 서브 시스템은 제2 액추에이터, 제2 액추에이터에 동작적으로 연결된 레퍼런스 구조, 및 상기 샘플의 상기 표면과 상기 레퍼런스 구조의 사전 결정된 간격을 판정하도록 조절된 간격 탐지기를 포함한다.
본 발명에 따라, 측정 헤드는 레퍼런스 구조에 대한 압자의 위치를 판정하도록 조절된 상대 위치 감지 시스템을 포함한다. 측정 헤드는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 판정하는 수단을 더 포함하고, 침투 깊이의 측정은 상대 위치 감지 시스템의 출력을 적어도 부분적으로 기초로 한다. 측정 헤드의 간격 탐지기는 레퍼런스 구조로부터 돌출되어 있고 상기 샘플의 상기 표면과 접촉하도록 배치된 토포그래픽 팁(topographic tip)을 포함한다. 토포그래픽 팁은 샘플의 표면 지형을 측정하기 위해 사용될 수 있는 측정 팁이며, 그 예는 원자간력 현미경(AFM:atomic force microscope) 팁(진동형 또는 비진동형)과 같은 마이크로-기계 팁, 및 근접장 주사 광학 현미경(NSOM:near-field scanning optical microscope) 팁과 같은 비접촉식 팁 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
대안으로서, 레이저 빔과 같은 광 빔을 이용하는 마이크로-광 팁이 사용될 수도 있고, 또는 AFM 팁과 AFM 팁의 변위를 측정하도록 배열된 레이저의 조합과 같은 조합된 마이크로-기계 및 마이크로-광 팁이 사용될 수도 있다.
그렇게 함으로써, 침투 깊이는 US 7,685,868의 더 복잡한 배열에 의존하는 것이 아니라, 토포그래픽 팁에 의해 샘플의 표면으로부터의 기지의 거리에 놓여질 수 있는, 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치를 기초로 측정된다. 그 결과, 측정 헤드는 단순화되고, 토포그래픽 팁은 종래 기술의 레퍼런스 팁에서 가능한 것보다 압자와 상당히 더 가깝게 놓여질 수 있다. 뿐만 아니라, 측정 헤드 자체에 배치된 토포그래픽 팁을 직접 이용하기 때문에, 토포그래픽 팁의 사용으로 인해, 샘플 표면의 지형의 우수한 품질의 스캔이 가능하고, 그로 인해 측정 헤드의 측면에 배치된 별도의 스캐닝 시스템을 사용할 필요성이 제거되고, 그리고/또는, 예컨대, 압자 자체를 이용하여 나쁜 품질의 지형 스캔을 수행할 필요성이 제거된다.
이로 인해, 근본적으로 지형 스캐닝 기능은 압자에 통합된다. 그 결과, 스캐닝과 압입 사이의 샘플의 상당히 감소된 변위로 인해, 수 나노미터 단위까지 낮아진 압자의 위치의 훨씬 더 정교한 타게팅이 가능하다.
하나의 실시예에서, 측정 헤드의 토포그래픽 팁은 상기 샘플과 토포그래픽 팁의 접촉을 탐지하도록 조절된 접촉 탐지기에 동작적으로 연결된 탄성 블레이드(blade) 또는 캔틸레버(cantilever) 상에 배치된다. 그 결과, 토포그래픽 팁이, 예컨대, 측정 헤드가 기생 진동(parasitic vibration)을 겪을 때 샘플의 표면의 움직임을 초고속 및 초고정밀도로 따라갈 수 있다는 사실로 인해, 토포그래픽 팁과 기판 사이의 접촉의 매우 정밀한 판정이 가능하다. 이것은 매우 정밀한 서보컨트롤(servocontrol)에 의해 샘플의 표면에 대한 압자의 위치의 매우 정밀한 제어를 허용하기 위한 경우에 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정 헤드의 토포그래픽 팁은 원자간력 현미경 팁이다. 바람직하게는, 원자간력 현미경 팁은 사전 결정된 주파수로 진동되도록 배치되고, 상기 접촉 탐지기는 원자간력 현미경 팁이 샘플의 표면과 접촉하기 시작할 때 원자간력 현미경 팁의, 사전 결정된 주파수 및/또는 진폭을 각각 벗어나는, 진동 주파수의 변화 및/또는 진동 진폭의 변화를 탐지하도록 조절되어 있다. 그러므로, 원자간력 현미경 팁과 샘플 간의 접촉은 정밀하게 판정될 수 있고, 그로 인해 샘플의 표면에 대한 레퍼런스 구조의 위치를 정밀하게 판정할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 상대 위치 감지 시스템은 용량 센서를 포함하는 것이 바람직하고, 이 용량 센서는 단순하고 정확한 위치 감지 시스템을 야기하는 차동 구성(differential configuration)으로 배치되는 것이 바람직하다.
측정 헤드는 상기 제1 액추에이터에 연결된 서보-컨트롤 회로를 더 포함하는데, 이는 압자에 의해 샘플에 가해지는 힘을 제어하는 것을 가능하게 한다. 측정 헤드의 상기 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터 각각은 압전 액추에이터를 포함하는 것이 바람직하다. 그러므로, 샘플의 표면으로부터의 레퍼런스 구조의 간격은 측정 헤드의 몇몇 엘리먼트 또는 일부분의 온도 또는 굴곡의 변화와 무관하게 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 측정 헤드는 압자의 및/또는 압입 영역의 접촉 영역의 및/또는 원자간력 현미경 팁의 접촉 영역의 이미지를 기록하도록 의도된 측정 헤드 상에 배치된 적어도 하나의 광 비전 시스템을 더 포함한다. 그러므로, 오퍼레이터는 샘플의 압입 영역 및/또는 압입될 표면의 타게팅 된 부분을 더 쉽게 관찰할 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법에 의해 달성된다. 이 방법은 상술한 측정 헤드를 포함하는 나노 압입 기기를 제공하는 단계를 포함한다. 샘플은 측정 헤드 아래에 놓여지고, 그 다음 레퍼런스 구조는 토포그래픽 팁이 샘플과 접촉하도록 위치 조절된다. 그 다음, 압자가 샘플과 접촉하게 되고, 사전 결정된 힘이 사전 결정된 시간 기간 동안 압자에 가해진다. 상기 사전 결정된 시간 기간의 만료 시, 압자와 레퍼런스 구조 간의 상대 위치가 판정된다.
그 다음, 샘플 내로의 압자의 침투 깊이는 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치의 상기 판정을 적어도 부분적으로 기초로 하여 판정된다.
그렇게 함으로써, 침투 깊이는 US 7,685,868의 더 복잡한 배열에 의존하는 것이 아니라, 토포그래픽 팁에 의해 샘플의 표면으로부터의 기지의 거리에 놓여질 수 있는, 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치를 직접적으로 기초로 하여 측정된다. 그 결과, 더 높은 측정 정밀도가 가능하다.
하나의 실시예에서, 압입자국(indentation)을 만드는 샘플과 압자의 접촉 이전에, 압입될 타게팅된 영역은 압입될 영역의 위치를 정밀하게 판정하기 위해 스캔될 수 있다. 그렇게 함으로서, 측정 헤드 자체의 토포그래픽 팀을 직접 사용하여 샘플 표면의 지형의 우수한 품질의 스캔이 가능하고, 이로 인해 측정 헤드의 측면에 배치된 별도의 스캐닝 시스템을 사용할 필요성이 제거되고, 그리고/또는, 예컨대, 압자 자체를 이용하여 나쁜 품질의 토포그래픽 스캔을 수행할 필요성이 제거된다. 토포그래픽 스캐닝 기능이 압자에 통합되기 때문에, 이러한 토포그래픽 스캐닝은 제 자리에서(in situ) 수행될 수 있고, 그 결과 스캐닝과 압입 사이의 샘플의 상당히 감소된 변위로 인해, 수 나노미터 단위까지 감소된, 압자의 위치의 훨씬 더 정밀한 타게팅이 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 실시예에서, 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치는 압자가 샘플과 접촉하도록 옮겨질 때 판정되고, 샘플 내부로의 압자의 침투 깊이는 압자가 샘플과 접촉하도록 옮겨질 때 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치의 판정 및 상기 사전 결정된 시간 기간의 만료 시 압자와 레퍼런스 구조의 상대적 위치의 판정을 적어도 부분적으로 기초로 한다. 그 결과, 훨씬 더 높은 측정 정밀도가 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 토포그래픽 팁은 압자에 의해 발생된 압입자국 위에 놓여지고, 그 압입 깊이는 토포그래픽 팁이 그 압입자국의 내측면과 접촉할 때까지 토포그래픽 팁을 하강시킴으로써 판정된다. 그러므로, 측정된 압입 깊이의 검증이 수행될 수 있고, 이는 측정 신뢰도 및 정밀도를 강화한다.
이 방법의 다른 실시예에서, 복수의 압입자국이 형성된 후, 토포그래픽 팁은 상기 복수의 압입자국 위로 스캐닝되고, 상기 복수의 압입자국의 깊이 프로파일의 이미지가 생성된다. 토포그래픽 팁에 의한 스캐닝은 표면의 압입자국의 일부분의 프로파일 및 깊이에 대한 정보를 제공하고, 복수의 압입자국이 위치하는 압입 영역의 깊이 프로파일의 이미지의 생성을 가능하게 한다.
본 발명의 앞서 서술한 목적 및 이점은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 검토한 후 당업자들에게 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 실시예를 도시한다.
아래의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명한다. 그러므로, 당업자들이 여기 명시적으로 서술되거나 도시되지 않았더라도, 본 발명의 개략적인 원리를 구현하며, 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위에 속하는 다양한 배열을 창안할 수 있을 것임을 이해해야 한다.
명료함을 위해 상세한 설명에서 아래의 용어들이 정의된다.
- "위"는 측정 헤드의 액추에이터를 향하는 의미로 해석되어야 한다.
- "아래쪽" 및 "아래에"는 측정될 샘플을 향하는 의미로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 측정 헤드로서, 프레임(1) 및 2개의 서브 시스템: 제1 액추에이터(20)에 연결된 압자(26)를 포함하는 측정 서브시스템(2) 및 제2 액추에이터(30)에 연결된 토포그래픽 팁(36)을 포함하는 레퍼런스 서브시스템(3)을 포함하고, 토포그래픽 팁(36)은 레퍼런스 구조(33)(아래 참조)와 샘플의 표면 사이의 사전 결정된 간격을 판정하기 위한 간격 탐지기의 적어도 일부분을 구성하는, 측정 헤드를 도시한다. 상기 액추에이터(20, 30)들은 압전(piezoelectric) 유형인 것이 바람직하다.
상기 측정 서브시스템(2)은 또한 상기 압자(26)가 배열되어 있는 압자 로드(22), 상기 압자 로드(22) 상에 배열된 적어도 하나의 탄성 엘리먼트를 포함하는 스프링 시스템(21), 및 스프링 시스템(21)과 제1 액추에이터(20)를 연결시키고 아래에 더 상세하게 설명될 아래로 뻗은 연장부(23b, 23c, 23d)를 구비한 몸체(23)를 포함한다. 상기 몸체(23)는 단일 몸체일 수도 있고, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 수개의 부분(23a-e)으로 이루어질 수도 있다.
압자(26)의 표면 재료는 바람직하게는 다이아몬드이지만, 특히 더 부드러운 샘플이 측정되는 경우에 다른 재료, 예컨대, 사파이어 또는 경강(hard steel)과 같은 다른 덜 단단한 재료가 사용될 수도 있다. 측정 헤드가 부드러운 재료만 측정하도록 의도되었다면, 압자 로드(22) 및 압자(26)는 단일 재료, 예컨대, 경강으로 만들어질 수 있고, 압자(26)는 적절한 형상을 가진다. 압자(26)가 그것이 다른 압자(26)로 쉽게 교체될 수 있도록 배열될 수 있음이 당업자들에게는 명백할 것이다. 이는, 예컨대, 매우 다양한 특성의 재료들이 측정되어야 하고 압자(26)의 타입 및/또는 형상을 변경하는 것이 적절할 때 유리할 수 있다.
상기 압자 로드(22)는 압자 로드(22)의 축과 실질적으로 수직으로 배열된 제1 전극 쌍(25) 및 제2 전극 쌍(35)을 포함한다. 제1 전극 쌍(25)은 몸체(23)를 향해 뻗어 있고, 제2 전극 쌍(35)은 레퍼런스 구조(33)를 향해 뻗어 있다.
상기 몸체(23)는 상기 제1 전극 쌍(25)의 각각의 전극과 마주보며 그것과 평행하게 배열되어 한 쌍의 커패시터를 형성하는 2개의 전극(24)을 포함한다. 그러므로, 형성된 커패시터(C1 및 C2)는 상기 몸체(23)에 대한 압자 로드(22)의 변위의 측정을 가능하도록 하는 차동 모드(differential mode)로 배열되어 있고, US 7,685,868에 서술된 방식으로 스프링 시스템(21)과 함께 작용력 센서를 형성한다. 게다가, US 7,685,868에 서술된 측정 축 용으로 사용된 것과 유사한, 압자 로드(22)의 액추에이터의 제어를 위한 제어 회로가 제공되어 있다.
레퍼런스 서브시스템(3)은 그 위에 토포그래픽 팁(36)이 배치되는 캔틸레버(37), 그 위에 캔틸레버(37)가 배치되는 홀더(33d), 및 그 위에 상기 홀더가 배치되는 레퍼런스 구조(33)를 포함한다. 상기 레퍼런스 구조(33)는 상기 액추에이터(30)에 연결되고, 2개의 전극(34)을 포함하는데, 이 전극 각각은 압자 로드(22) 상의 상기 제2 전극 쌍(35)의 각각의 전극과 마주보고, 그것과 평행하게 배열되어 추가적인 커패시터 쌍(C3, C4)을 형성한다. 그러므로, 형성된 추가적인 2개의 커패시터(C3 및 C4)는 상기 레퍼런스 구조(33)에 대한 압자 로드의 변위가 측정될 수 있도록 하는 차동 모드로 배열되고, 그러므로 기판 표면에 대한 레퍼런스 구조(33)의 위치를 알고 있으므로 상기 기판의 표면에 대한 압자(26)의 변위가 측정될 수 있다. 이처럼, 추가적인 2개의 커패시터(C3 및 C4)는 상대 위치 감지 시스템을 구성한다.
전형적인 배열에서, 상기 레퍼런스 구조(33)의 제2 전극 쌍(35)의 양 전극 모두 도 1에 도시된 바와 같이 상기 레퍼런스 구조(33)의 횡단 컴포넌트(33a, 33c) 상에 배치될 수 있는데, 제1 횡단 컴포넌트(33a)는 압자 로드의 횡단 컴포넌트(27) 위에 그리고 그것과 평행하게 배치되고, 제2 횡단 컴포넌트(33c)는 횡단 컴포넌트(27) 아래에 그리고 그것과 평행하게 배치된다. 이러한 배열에서, 레퍼런스 구조(33)의 횡단 컴포넌트(33a, 33c)는 압자의 상기 횡단 컴포넌트(27)가 상기 레퍼런스 구조(33)의 상기 횡단 컴포넌트(33a 및 33c) 사이에 배치될 수 있을 거리만큼 이격되어 있다. 레퍼런스 구조(33)는 상기 홀더(33d)가 레퍼런스 구조(33)의 필수적인 부분이 되도록 구성될 수 있다.
이상적으로 토포그래픽 팁(36)이 압자(26)와 가능한 가깝게 위치해야 함을 이해해야 한다.
토포그래픽 팁(36)은 샘플의 표면과 접촉하도록 의도된 타입일 수도 있고, 또는 비접촉 타입일 수도 있다. 임의의 편리한 마이크로기계적 마이크로구조가 접촉에 의해 표면에 놓여지도록 의도된 토포그래픽 팁(36)용으로 사용될 수 있다. 토포그래픽 팁이 접촉없이 표면에 놓여져야 한다면, 광학적 마이크로구조가 사용될 수 있는데, 예컨대, 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된, http://www.nanoprobes.aist-nt.com에 개시된 것과 같은, 근접장 주사 광학 현미경(NSOM)이 사용될 수 있다.
본 발명이 오늘날 실시될 때, 토포그래픽 팁(36)은 원자간력 현미경(AFM) 팁이다. 토포그래픽 팁(36)의 크기는 전형적으로 100㎛보다 작고, 바람직하게는 30㎛보다 작다. 상기 토포그래픽 팁(36)의 끝단의 반경은 수 nm의 스케일 내에 있다. 상기 토포그래픽 팁의 재료는 임의의 단단한 재료, 바람직하게는 실리콘, 더 바람직하게는 석영일 수 있다. 상기 캔틸레버(37)의 다른 배열도 가능하며, 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된 http://www.nanoandmore.com/afm-cantilevers.php에 개시된 것과 같이 당업자들에게 공지되어 있다.
레퍼런스 구조(33)가 도 1에 도시된 바와 같이 수개의 부분(33a-33d)을 포함할 수 있음을 알 수 있다. 하나의 가능한 배열에서, 개재 구조(32)가 액추에이터(30)와 레퍼런스 구조(33) 사이에 배치될 수 있다. 다른 배열에서, 상기 캔틸레버(37)는 상기 홀더(33d) 없이 상기 레퍼런스 구조(33) 바로 위에 배치될 수도 있다.
측정 기기는, 측정 헤드 아래에 배열된, 적어도 x-y 스캐닝 시스템(5)을 포함하는 샘플 포지셔닝 장치의 최상부에 배치된 샘플 홀더(6)를 더 포함하고, 상기 x-y 스캐닝 시스템은 수직 트랜슬레이터(4)의 최상부 상에 배치되어 있다. 상기 x-y 스캐닝 시스템(5)은 나노 포지셔닝 테이블일 수 있고, 그 표면에 수직인 축을 중심으로 샘플을 회전시킬 수 있는 회전 축을 더 포함할 수 있다. 다른 변형에서, 회전축은 수직 트랜슬레이터(4)에 의해 제공될 수도 있다. 상기 수직 트랜슬레이터(4) 및 상기 x-y 스캐닝 시스템(5)은 당업자들에게 공지되어 있으므로 더 설명할 필요가 없다. 샘플 포지셔닝 장치는 샘플이 토포그래픽 팁(36) 부근으로 옮겨질 수 있도록, 측정 기기의 프레임에 연결된다.
몸체(23), 스프링 시스템(21), 레퍼런스 구조(33) 및 측정 헤드의 프레임(1)은 이상적으로 가능한 한 낮은 질량 및 열팽창계수를 가져야 한다. 측정 서브시스템(2) 및 레퍼런스 서브시스템(3)의 컴포넌트들은 US 7,685,868에 언급된 것과 동일한 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 커패시터(C1 및 C2)를 이용하는 압입 서브시스템(2)의 포스 피드백 시스템의 구성은 US 7,685,868에 서술된 것과 유사할 수 있다. 전극 재료 또한 US 7,685,868에 서술된 것과 유사하게 선택될 수 있다. 스프링 시스템(21)은 샘플의 상이한 압입 깊이가 측정될 수 있도록, 스프링과 같은 스프링 시스템(21)의 탄성 컴포넌트가 각각 상이한 스프링 계수를 가지는 상이한 스프링과 함께 작동할 수 있도록, 쉽게 교환될 수 있도록 하는 메커니즘을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 측정 헤드의 형상이 제한으로서 해석되어서는 안되며, 본 발명의 측정 헤드의 상이한 기계적 및 기하학적 형상적 변형도 당연히 가능하다. 본 발명은 또한, 예컨대, 측정 헤드의 변형에서, 레퍼런스 서브시스템(3)이 측정 서브시스템(2)에 대하여 변위될 수 있도록 하는 트랜슬레이션 메커니즘(40)을 배치할 가능성을 포함하는데, 이 때 토포그래픽 팁(36)은 제거되거나 또는 다른 측정 기기로 레퍼런스 영역에 접근하는 것을 허용하거나 또는 토포그래픽 팁 및/또는 캔틸레버(37)를 쉽게 제거 및 교체할 수 있도록 해야 한다.
유리하게도, 광 비전 시스템은 측정될 영역의 시각화를 가능하게 하기 위해 및/또는 움푹한 영역을 시각화하기 위해 및/또는 토포그래픽 팁(36) 및 압자(26)를 동시에 시각화하기 위해 또는 표면의 임의의 오염을 체크하기 위해 측정 헤드 상에 배치될 수 있다. 더 나아가, 광 비전 시스템은 토포그래픽 팁(36)에 의해 판정된 압입 프로파일과 연관될 수 있는 2D 또는 3D 이미지를 전달할 수 있다.
이제, 본 발명의 측정 헤드 및, 특히, 센서의 동작 방법이 더욱 상세하게 설명될 것이다.
샘플 포지셔닝 시스템(4, 5, 6)은 샘플이 상기 샘플 포지셔닝 시스템에 단단히 부착되도록 하고 압자 로드(22)의 축에 실질적으로 수직이 되도록 하는 홀더(6) 또는 기하학적인 배치를 포함한다. 샘플을 위치 조절하기 전에, 압자는 측정 서브시스템(2)의 액추에이터(20)에 의해 위치 조절되어, 토포그래픽 팁(36)보다 샘플의 표면으로부터 더 멀리 떨어지도록 놓여진다. 압자(26)와 토포그래픽 팁(36) 사이의 전형적인 거리 차이는 200㎛이고, 바람직하게는 50㎛ 미만이다. 그 다음, 샘플 포지셔닝 시스템은 샘플을 토포그래픽 팁(36) 부근의, 전형적으로 토포그래픽 팁(36)으로부터 수 ㎛의 거리에 있는, 사전 결정된 위치로 옮긴다. 필요하다면, 샘플은 또한, 예컨대, 직방형 형상의 마이크로 증착 층을 샘플 포지셔닝 시스템의 x 및 y 스캔 축 중 하나와 나란하게 정렬시키기 위해 샘플의 표면에 수직인 축을 중심으로 회전 및 위치 조절될 수 있다.
샘플의 표면과 접촉하기 전에, 토포그래픽 팁(36)은, 필요하다면, 아래에 더 설명한 바와 같이 토포그래픽 팁(36)과 샘플 간의 접촉의 탐지를 허용하는 상태로 들어간다. 접촉 탐지 방법은 토포그래픽 팁(36)의 타입에 의존하고, 그 가장 단순한 형태로서 힘의 탐지 및/또는 토포그래픽 팁 또는 그것의 지지 구조의 움직임의 탐지를 포함한다. 토포그래픽 팁(36)이 원자간력 현미경(AFM) 팁(36)인 경우에 특히 유리한 접촉 탐지 방법이 아래에 상세하게 설명될 것이다. 당업자들은 본 방법을 다른 타입의 팁에 대하여 맞추는 방법을 알 것이다. AFM 팁(36)의 경우에, AFM 팁은 사정 결정된 주파수 및 사전 결정된 진폭으로 진동된다.
안정적인 사전 결정된 주파수 및 진폭의 진동이 유도된 후, 레퍼런스 서브시스템(3)의 제2 액추에이터(30)는 AFM 팁(36)이 샘플의 표면에 매우 가깝게, 전형적으로 1㎛로 될 때까지 AFM 팁(36)을 샘플의 표면을 향해 이동시킨다. 그 다음, 샘플과 AFM 팁(36) 간의 접근 속도는 상기 AFM 팁(36)과의 접촉이 탐지될 때까지 감소될 수 있다. 그러므로, 레퍼런스 구조(33)는 샘플의 표면으로부터 사전 결정된, 기지의 간격으로 위치 조절된다.
상기 토포그래픽 팁(36)과 샘플의 표면의 접촉을 탐지하기 위한 수가지 방법이 존재한다. 바람직한 방법에서, 상기 접촉은 상기 토포그래픽 팁(36)의 사전 결정된 진동 주파수의 변화가 탐지된다. 접촉 시, AFM 팁(36)의 진동 특성은 변경될 것이고, 주파수 시프트가 발생할 것이다. 사전 결정된 주파수 시프트의 탐지는 상기 AFM 팁(36)과 샘플의 표면의 접촉 신호로서 사용된다. 이러한 정밀한 이벤트에서, 포지셔닝 레퍼런스 AFM 팁(36)은, 예컨대, 그 내부에서 AFM 팁(36)에 의해 제공되는 신호가 액추에이터(30)를 제어하기 위해 사용되는 피드백 루프를 이용하여, 측정 서브시스템(3)의 액추에이터(30)에 의해 그 위치로 유지될 수 있다.
다른 변형에서, 토포그래픽 팁(36)의 진동의 사전 결정된 진폭 변화가 AFM 팁(36)과 샘플의 표면의 접촉을 탐지하기 위해 적용될 수 있다. 또 다른 변형에서, 토포그래픽 팁(36)의 진동의 주파수 및 진폭 변화 모두 사용될 수 있다. 본 발명이 접촉 위치를 탐지하기 위해 토포그래픽 팁(36)에 의해 전달되는 전기 신호로 제한되지 않으며, 다른 방법, 예컨대, 광학적 간섭 측정법(optical interferometric method) 또는 근접장 주사 광학 현미경을 포함하는 배열에서 사용되는 전형적인 방법들과 같은 광학적 방법이 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 다른 변형에서, 적어도 2개의 토포그래픽 팁(36)은 상기 레퍼런스 구조(33)의 끝단에 배치될 수 있고, 그들의 조합된 전달된 신호는 위치 레퍼런스 정확도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
토포그래픽 팁(36)이 샘플의 표면과 접촉한 때, 토포그래픽 팁(36)은, 전체 측정 사이클 동안, 예컨대, 토포그래픽 팁(36)에 의해 발생되는 신호의 변화를 이용하고 레퍼런스 서브시스템(3)의 액추에이터(30)에 의거하여 작동하는 피드백 회로에 의해, 표면과 접촉한 상태로 유지될 것이다. 이것은 샘플의 표면에 대한 레퍼런스 구조(33)의 위치가 전체 압입 측정 사이클 동안 정확하게 파악됨을 보장한다.
압입 이전에, 토포그래픽 팁(36)은 사전 결정된 영역의 표면 프로파일을 나타내는 토포그래픽 이미지를 판정하기 위해 그리고 압입 측정이 수행되어야 할 정확한 위치를 식별하기 위해 샘플 표면의 사전 결정된 영역에 걸쳐 스캔될 수 있다. 토포그래픽 팁(36)이 압자(26)와 매우 근접하게 배치된 때, 압입될 매우 정확한 위치에 대한 압자의 측방향 변위는 매우 작고, 토포그래픽 팁과 압자 사이의 거리 간격과 동등하다.
토포그래픽 팁(36)이 샘플의 타겟 표면과 접촉하면, 압입 측정 사이클이 시작할 수 있다. 압자(26)는 먼저 측정될 표면에 전형적으로 수 ㎛까지 근접하게 하강한다. 그 다음, 액추에이터(20)의 속도는 압자(26)가 측정될 샘플의 표면에 닳을 때까지 감소된다. 압자(26)와 샘플의 접촉은, 예컨대, 토포그래픽 팁(36)에 대한 압자(26)의 위치 정보 및 포스 피드백 시스템의 신호를 이용함으로써 탐지될 수 있다.
전통적으로, 측정 사이클 동안, 어느 사전 결정된 힘이 압입 측정 동안 가해질 수 있다. 그러나, 이러한 가해지는 사전 결정된 힘은 또한 측정 동안 변할 수 있고, 및/또는 측정 서브시스템(2)은 압자(26)에 의해 가해지는 힘을 측정함과 동시에, 압자의 어느 사전 결정된 깊이가 샘플의 표면 내에서 달성되도록 하는 변화 가능한 힘을 전달할 수 있다. 또한, 동일한 측정 위치에서 또는 상이한 위치에서 적어도 2번 압입을 수행하는 것도 가능하다.
뿐만 아니라, 토포그래픽 팁(36)은 압입된 위치 위로 옮겨지고, 압입자국의 압입 프로파일 및 압입 깊이를 판정하기 위해 이전에 만들어진 압입자국으로 하강될 수 있다. 반복적인 압입은 사전 결정된 영역 내의 상이한 또는 인접한 위치에서 수행될 수 있고, 압입 깊이 및/또는 프로파일의 측정은 압입 영역의 2D 또는 3D 이미지를 얻기 위해 순차적으로 수행될 수 있다.
Claims (15)
- 나노 압입 기기용 측정 헤드로서,
상기 나노 압입 기기는 상기 측정 헤드에 대하여 샘플을 위치 조절하도록 배열된 포지셔닝 시스템을 포함하고;
상기 측정 헤드는:
- 상기 나노 압입 기기에 연결되도록 조절된 프레임(1)에 부착된 측정 서브시스템(2)으로서, 제1 액추에이터(20) 및 상기 제1 액추에이터(20)에 의해 압자에 가해지는 힘의 적용 하에서 상기 샘플의 표면을 압입하도록 조절된 압자(26)를 포함하고, 상기 제1 액추에이터(20)에 의해 가해지는 상기 힘을 탐지하도록 조절된 힘 감지 시스템을 더 포함하는 상기 측정 서브시스템(2);
- 상기 프레임에 부착된 레퍼런스 서브시스템(3)으로서, 제2 액추에이터(30), 상기 제2 액추에이터(30)와 동작적으로 연결된 레퍼런스 구조(33), 및 상기 레퍼런스 구조(33)와 상기 샘플의 상기 표면의 사전 결정된 간격을 판정하도록 조절된 간격 탐지기를 포함하는 상기 레퍼런스 서브시스템(3)을 포함하고,
상기 측정 헤드는:
- 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치를 판정하도록 조절된 상대 위치 감지 시스템;
- 상기 상대 위치 감지 시스템의 출력을 적어도 부분적으로 기초로 하여 상기 샘플의 표면 내로의 상기 압자의 침투 깊이를 판정하는 수단을 포함하고,
상기 간격 탐지기는 상기 레퍼런스 구조(33)로부터 돌출되어 있고 상기 샘플의 상기 표면과 접촉하도록 배열된 토포그래픽 팁(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드. - 제 1 항에 있어서, 상기 토포그래픽 팁(36)은 탄성 캔틸레버(37) 상에 배치되어 있고, 상기 탄성 캔틸레버는 상기 샘플과 상기 토포그래픽 팁(36)의 접촉을 탐지하도록 조절된 접촉 탐지기에 동작적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 토포그래픽 팁(36)은 원자간력 현미경 팁인 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 원자간력 현미경 팁(36)은 사전 결정된 주파수로 진동되도록 되어 있고, 상기 접촉 탐지기는 상기 원자간력 현미경 팁(36)이 상기 샘플의 상기 표면과 접촉하기 시작할 때, 상기 사전 결정된 주파수에서 벗어나는 상기 원자간력 현미경 팁(36)의 진동 주파수의 변화를 탐지하도록 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 원자간력 현미경 팁(36)은 사전 결정된 진폭으로 진동되도록 되어 있고, 상기 접촉 탐지기는 상기 원자간력 현미경 팁(36)이 상기 샘플의 상기 표면과 접촉하기 시작할 때, 상기 사전 결정된 진폭에서 벗어나는 상기 원자간력 현미경 팁(36)의 진동 진폭의 변화를 탐지하도록 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상대 위치 감지 시스템은 용량성 센서(34, 35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 6 항에 있어서, 상기 용량성 센서는 차동 용량성 센서(differential capacitive sensor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압자(26)에 의해 상기 샘플에 가해지는 힘을 제어하기 위해 상기 제1 액추에이터(20)에 서보 제어 회로가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 액추에이터(20) 및 제2 액추에이터(30) 중 적어도 하나는 압전 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 헤드에 적어도 하나의 광학 비전 시스템이 배치되어 있고, 상기 광학 비전 시스템은 상기 원자간력 현미경 팁(36)의 접촉 영역 및/또는 상기 압자(26)의 접촉 영역의 이미지를 기록하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 압입 기기용 측정 헤드.
- 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법으로서,
- 청구항 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 측정 헤드를 갖춘 나노 압입 기기를 제공하는 단계;
- 상기 측정 헤드 아래에 샘플을 위치시키는 단계;
- 상기 토포그래픽 팁(36)이 상기 샘플과 접촉하게 되도록 상기 레퍼런스 구조(33)를 위치 조절하는 단계;
- 상기 압자(26)를 상기 샘플과 접촉하도록 옮기는 단계;
- 상기 압자(26)에 사전 결정된 시간 기간 동안 사전 결정된 힘을 가하는 단계;
- 상기 사전 결정된 시간 기간의 만료 시, 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치를 판정하는 단계;
- 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치의 상기 판단을 적어도 부분적으로 기초로 하여 상기 샘플 내로의 상기 압자(26)의 침투 깊이를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법. - 제 11 항에 있어서, 상기 압자(26)를 상기 샘플과 접촉하도록 옮기는 단계 이전에, 상기 샘플의 표면은 상기 토포그래픽 팁(36)을 이용하여 스캐닝 되고, 상기 샘플 표면의 토포그래픽 이미지가 만들어지는 것을 특징으로 하는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압자(26)가 상기 샘플과 접촉하도록 옮겨질 때 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치를 판정하는 단계를 더 포함하고, 상기 샘플 내로의 상기 압자의 침투 깊이는 상기 압자가 상기 샘플과 접촉하도록 옮겨질 때 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치의 판정, 및 상기 사전 결정된 시간 기간의 만료 시 상기 압자(26)와 상기 레퍼런스 구조(33)의 상대적 위치의 판정을 적어도 부분적으로 기초로 하는 것을 특징으로 하는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법.
- 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압자(26)에 의한 압입 후, 상기 토포그래픽 팁(36)은 상기 압자(26)에 의해 발생된 압입자국 위에 위치되고, 상기 토포그래픽 팁이 상기 압입자국의 표면과 접촉할 때까지 상기 토포그래픽 팁을 하강시킴으로써 상기 압입의 깊이가 판정되는 것을 특징으로 하는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법.
- 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 압입자국이 형성되고, 이어서 상기 토포그래픽 팁(36)이 상기 복수의 압입자국 위로 스캐닝 되고, 상기 복수의 압입자국의 깊이 프로파일의 이미지가 생성되는 것을 특징으로 하는 샘플 내로의 압자의 침투 깊이를 측정하는 방법.
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