KR20170031815A - 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법에 관한 것으로, a) 원자현미경의 프로브의 회전이 수직축인지 길이축인지를 확인하는 단계와, b) 상기 a) 단계의 판단결과 수직축 회전인 경우에는 표면에 서로 나란한 홈이 다수 형성된 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시켜 주사 스캔하고, 스캔 결과를 직교좌표계의 데이터로 변환하여 프로브(100) 접촉점과 회전중심의 거리 및 각도를 산출하고, 그에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계와, c) 상기 a) 단계의 판단결과 프로브기 길이축 회전을 하는 경우 평판형의 시편(300)을 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하여, 프로브 접촉점과 회전중심간의 거리와 각도를 계산하여 오프셋 보상값을 산출하는 단계와, d) 상기 b)단계 또는 c)단계를 수행한 후에 회전 각도에 따른 정밀스테이지 보정값을 출력하는 단계를 포함한다.

Description

프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법{Probe alignment measurement method for probe rotary type atomic force microscope}

본 발명은 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 프로브의 중심과 회전중심간의 정렬도를 측정하고 이를 보정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 원자현미경은 3차원 구조물의 표면 상태를 검출하기 위하여 캔틸레버 형태의 프로브를 사용한다.

상기 캔틸레버형태의 프로브가 측정하고자하는 시편의 표면에 접촉하면 정밀스테이지(3축:X-Y-Z)가 평면상(2축, X-Y)으로 스캔을 하고, 프로브는 시편의 높낮이에 따라 굽힘이 발생하게 된다.

프로브의 굽힘을 측정하는 센서는 굽힘의 변화를 제어기로 전달하게 되고, 제어기는 정밀 스테이지의 높이(Z축)방향으로 이동시켜 프로브의 굽힘 정도가 항상 일정하게 유지되도록 제어한다. 이때 프로브의 일정한 굽힘을 유지하기 위해 정밀스테이지의 높이 방향으로의 이동량이 결국 시편의 높낮이 정보가 된다.

그리고 프로브의 굽힘 정보뿐만 아니라 비틀림 정보를 통해 시편의 마찰 특성도 측정이 가능하다.

여기서 캔틸레버형 프로브는 방향성이 있기 때문에 정밀 스테이지를 임의의 방향으로는 스캔이 불가능하다. 따라서, 방향에 따라 다른 특성을 보여주는 이방성재료의 표면특성 측정을 위해서는 시편을 회전시켜야 하는데, 이러한 작업은 오랜 시간과 많은 노하우를 요구함과 동시에 측정의 연속성이 떨어져 만족스러운 결과를 얻기가 힘들다.

등록특허 10-1469365호(2014년 11월 28일 등록, 프로브의 회전이 가능한 원자현미경 및 이를 이용한 스캐닝 방법)에는 상기와 같은 종래의 단점을 극복하기 위해 프로브의 높이 방향으로 회전이 가능한 원자현미경이 기재되어 있다.

구체적으로 정밀스테이지에 시편이 올려지며, 프로브와 프로브의 굽힘을 측정 센서, 프로브 정렬장치, 회전구동부가 직렬로 연결되며, 프로브 정렬장치는 프로브의 시편과의 접촉점과 회전중심을 일치시키는 역할을 하여, 회전에 관계 없이 항상 동일한 지점에서 시편과 프로브 팁의 접촉이 이루어지게 하는 것이다.

그리고 기존의 원자현미경은 시편의 3차원 정보를 측정하지만, 이는 시편의 옆면(sidewall)정보는 제외되고 높낮이 정보만을 측정하기 때문에 완벽한 3차원 정보를 측정하지는 못한다. 기존 원자현미경의 이러한 문제를 해결하기 위해 프로브의 길이축에 대해 프로브를 회전할 수 있는 형태의 원자현미경이 제안되었다.

등록특허 10-1350570호(2014년 1월 6일 등록, 입체 영상의 획득장치 및 방법)에는 프로브의 길이 방향 축에 대해 회전이 가능한 원자현미경에 대하여 기재되어 있으며, 이는 시편의 옆면 형상을 검출하기 적당하다.

그러나 상기와 같은 프로브 회전형의 원자현미경에서는 프로브의 시편접촉점과 회전구동부의 회전중심간에는 기계적 가공 오차에 따라 완전하게 일치하지는 않게 되어, 오차가 존재하게 된다.

종래에는 정렬기구를 이용하여 프로브의 시편 접촉점과 회전중심의 불일치도는 정렬기구를 사용하여 보정을 해야한다. 그러나 불일치도(정렬도)를 측정하기가 용이하지 않으며, 오차가 나노미터 수준이므로 정렬기구를 사용한다고 하더라도, 분해능의 한계에 의해 정확한 보정이 쉽지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 프로브의 시편 접촉점과 프로브의 회전중심 사이의 정렬도를 정확하게 측정할 수 있는 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법은, a) 원자현미경의 프로브의 회전이 수직축인지 길이축인지를 확인하는 단계와, b) 상기 a) 단계의 판단결과 수직축 회전인 경우에는 표면에 서로 나란한 홈이 다수 형성된 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시켜 회전주사 스캔하고, 스캔 결과를 직교좌표계의 데이터로 변환하여 프로브(100) 접촉점과 회전중심의 거리 및 각도를 산출하고, 그에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계와, c) 상기 a) 단계의 판단결과 프로브기 길이축 회전을 하는 경우 평판형의 시편(300)을 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하여, 프로브 접촉점과 회전중심간의 거리와 각도를 계산하여 오프셋 보상값을 산출하는 단계와, d) 상기 b) 단계 또는 c)단계를 수행한 후에 회전 각도에 따른 정밀스테이지 보정값을 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명 프로브 접촉점과 프로브의 회전중심의 정렬도를 측정하고, 그 측정결과에 따라 차이를 보상함으로써, 이방성 재료의 임의의 방향으로의 표면 특성과 측정하고자 하는 시편의 완전한 3차원을 나노미터 수준의 정밀도로 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법의 설명도이다.
도 3은 프로브 접촉점의 회전 스캔의 방향을 보인 설명도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법의 설명도이다.

이하, 본 발명 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법의 순서도이고, 도 2는 수직축 회전의 경우 정렬도 측정 방법의 설명도이며, 도 4는 길이축 회전의 경우 정렬도 측정 방법의 설명도이다.

도 1 내지 도 3을 각각 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법은, 원자현미경의 프로브의 회전이 수직축인지 길이축인지를 확인하는 단계(S10)와, 상기 S10단계의 판단결과 수직축 회전인 경우에는 표면에 서로 나란한 홈이 다수 형성된 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시켜 주사 스캔하고, 스캔 결과를 직교좌표계의 데이터로 변환하여 프로브(100) 접촉점과 회전중심의 거리 및 각도를 산출하고, 그에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계(S20)와, 상기 S10단계의 판단결과 프로브가 길이축 회전을 하는 경우 평판형의 시편(300)을 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하여, 프로브 접촉점과 회전중심간의 거리와 각도를 계산하여 오프셋 보상값을 산출하는 단계(S30)와, 상기 S20단계 또는 S30단계를 수행한 후에 회전 각도에 따른 정밀스테이지 보정값을 출력하는 단계(S40)를 포함한다.

상기 S20단계는, 표면에 다수의 홈(210)이 형성된 시편(200)을 사용하는 단계(S21)와, 상기 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시키되, 홈(210)의 경계지점에 위치시키는 단계(S22)와, 상기 프로브(100)를 복수회 회전시키면서 스캔하여 극좌표계의 삼차원 데이터를 획득하는 단계(S23)와, 상기 극좌표계를 직교좌표계의 3차원 데이터로 변환하는 단계(S24)와, 프로브의 접촉점과 회전중심간의 거리를 산출하는 단계(S25)와, 회전각도에 대한 프로파일을 확인하는 단계(S26)와, 프로브 접촉점과 회전중심간의 각도를 산출하는 단계(S27)와, 프로브 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 계산하는 단계(S28)와, 회전각도에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계(S29)를 포함한다.

상기 S30단계는, 평판형 시편을 준비하는 단계(S31)와, 회전 스캔을 하면서 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하는 단계(S32)와, 프로브 접촉점과 회전중심간의 거리를 산출하는 단계(S33)와, 프로브 접촉점과 회전중심간의 각도를 산출하는 단계(S34)와, 프로브 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 산출하는 단계(S35)와, 회전각도에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계(S36)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, S10단계에서는 원자현미경의 제어부에서 원자현미경의 프로브의 회전 방향을 판단한다. 즉 프로브(100)에 수직방향의 축인 수직축을 따라 프로브(100)가 회전하는 것인지 프로브(100)와 수평한 방향인 길이축을 따라 프로브(100)가 회전하는 것인지 판단한다.

이는 이후에 좀 더 상세히 설명하겠지만, 장치의 종류에 따라 서로 다른 시편을 사용해야 프로브의 접촉점과 회전중심 간의 오프셋을 산출할 수 있기 때문이다.

수직축을 따라 프로브(100)가 회전하는 것으로 판단된 경우 S21단계에서는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 상면에 일방향으로 길게 형성되며, 상호 평행한 홈(210)들을 가지는 시편(200)을 준비한다.

그 다음, S22단계와 같이 프로브(100)를 상면에 일방향으로 긴 홈(210)들이 나란하게 형성된 시편(200)에 접촉시킨다. 이때 접촉위치는 상기 홈(210)의 경계 부분이 되도록 한다.

그 다음, S23단계에서는 프로브(100)를 수직축에 대하여 회전시키며 스캔을 한다.

1회의 회전스캔이 끝나면 y축 방향으로 이동 후 다시 회전 스캔을 실시하며, 시료(200)의 평면에 대한 높이 정보를 얻게 된다. 이때 얻어지는 3차원 데이터에서 평면의 정보는 극좌표계로 저장이 된다.

그 다음, S24단계에서는 프로브(100)의 접촉점과 프로브의 회전중심 사이의 거리인 오프셋(offset)으로 임의의 값으로 정하고, 평면의 극좌표계값을 직교좌표계로 변환하여, 직교좌표계로 표시되는 3차원 데이터를 얻을 수 있다.

상기 직교좌표계의 3차원 데이터로부터 시편(200)에서 홈(210)의 폭(W)의 값을 측정할 수 있다. 이렇게 측정되는 값은 좌표변환시 두 중심간의 거리를 임의의 값으로 정의했기 때문에 실제의 값과는 차이가 난다.

그 다음, S25단계에서는 시편(200)의 홈(210)의 폭(W)을 실제로 측정하고, 계산을 통해 구한 홈(210)의 폭을 서로 비교하여, 그 차를 구할 수 있게 된다.

이를 통해 임의의 값으로 정한 프로브(100)의 접촉점과 프로브의 회전중심 사이의 거리인 오프셋(offset)을 구할 수 있게 된다.

그 다음, S26단계에서는 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 y축 방향으로의 여러 번의 회전스캔 중 하나의 값만을 고려하여, 스캔의 시작점(프로브의 접촉점)은 보듯이 홈(210)의 경계점에서 시작되도록 한다. 프로브의 접촉점을 기준으로 본다면, 회전중심점은 두 지점간의 거리 r_of만큼 떨어져 있기 때문에 Path_center라고 표현된 원주상에 존재하게 된다.

그리고 원주선은 Path_center의 원주상의 임의의 회전중심에서 회전스캔을 할 경우, 프로브의 경로를 나타낸다. 이 프로브의 경로 역시 두 지점간의 거리 r_of를 반경으로 원운동을 하게 된다.

도 2의 (c)는 도 1의 (b)의 일부를 확대한 것으로, 회전중심이 프로브 접촉점을 원점으로 하여 설정한 직교좌표계에서 1사분면에 회전중심(C(x_m, y_m))이 존재하는 경우를 좀 더 자세히 나타내었다.

우선 회전 스캔을 하는 경우, 시편의 홈에서의 경계지점으로부터 회전 스캔을 시작하면 표면단차에 대한 프로파일을 얻을 수 있다.

이때 최초로 프로파일이 증가하는 곳의 회전각도를 θ_p로 설정하고 기록한다.

그 다음, S27단계와 같이 앞서 설명한 바와 같이 여러 번의 회전 스캔을 통해 오프셋 거리(r_of)를 알고, θ_p도 알게 되면, 아래의 수학식을 통해 두 점간의 각(α)을 구할 수 있다.

그러면 S28단계와 같이 프로브 접촉점과 회전중심 두지점간의 거리(r_of)와 각도(α)관계를 구하여 오프셋(offset)을 구할 수 있으며, 또한 S29단계와 같이 오프셋 보상값을 산출하여 보정도 가능하다.

구체적으로 두 지점간의 각도는 두 지점간의 길이를 구하기 위해 회전형 스캔에서 한라인의 정보만을 이용하여 구한다. 도 3은 프로브 접촉점을 기준으로 회전중심의 위치에 따라 정상적인 3차원 이미지를 얻기 위한 회전 스캔의 방향을 나타낸다. 앞서 두 지점 사이의 거리 r_of가 구해졌으므로, 회전중심(c)는 프로브 접촉점을 기준으로 반경 r_of를 가지는 원주상에 존재하게 된다. 그리고, 도 3의 (a)와 같이 회전중심을 기준으로 스캔하여 정상적인 이미지를 얻기 위해서는 반시계방향으로 스캔이 이루어지며, 이때 스캔에 의해 얻어지는 프로파일은 그루브의 concave 지점을 스캔하고 convex 지점으로 상승하는 형태를 가지게 된다. 여기서, 상승에지에서의 각도를 θ_p라고 정의하여, 두 지점간의 거리와 각도의 관계를 다음 3개의 관계식으로 정리할 수 있다.

여기서, α는 두 지점간의 각도, β는 α와 마주보는 각으로 항상 두 값의 합은 π/2가 되는 각도이며, X_pr은 그루브의 폭을 나타내며, X_u는 두 지점간의 수평 거리중 미지의 값이다. 위의 수학식2 내지 수학식4를 정리하면 다음과 같은 최종 관계식을 구할 수 있다.

위의 수학식5에서 α를 제외한 모든 변수의 값들은 알고 있기 때문에 최종적으로 α를 구할 수 있다.

도 3에서와 같이 회전중심이 임의의 위치에 있을 때에도 도 3의 (a)를 대상으로 구한 것과 유사한 방법으로 두 지점간의 각도를 구할 수 있다. 이때 차이는 위치에 따른 회전스캔의 방향과 θ_p를 구하기 위한 에지가 상승인지 하강인지의 차이이다.

도 4는 프로브의 길이축 회전형 원자현미경에서의 프로브 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 측정하는 방법을 나타내는 S30단계의 설명도이다.

S31단계 및 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 상기 S10단계의 판단결과 프로브(100)가 길이축을 따라 회전하는 것이면, 수직축 회전형 원자현미경과 달리 평평한 시편(300)을 준비한다.

그 다음, S32단계 및 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 프로브(100)를 평평한 시편(300)에 접촉한 상태에서 도 3의 (b)와 같이 회전중심점(p)을 기준으로 회전을 시킨다.

이때 프로브(100)의 접촉점과 길이축의 회전중심의 차이에 따라 z축의 값이 변하게 된다.

우선 도 4의 (b)에서 보면 프로브(100)가 회전하는 경우 회전중심점(p)이 접촉점보다 위쪽에 위치하기 때문에 점선으로 보이는 경로를 따라 프로브의 끝단이 움직이면서 시편(300)과는 접촉이 떨어지게 된다. 그러나 원자현미경에서는 접촉점을 일정하게 제어할 수 있기 때문에 이러한 제어가 이루어지게 되면 실제 원자현미경의 z축 정밀스테이지는 아래의 그래프와 같이 회전각도에 따라 실제 접촉점의 경로에 의한 z축 방향으로의 높이변화를 보정하는 식으로 작동하게 된다.

즉, S33단계에서는 프로브(100)의 접촉점과 길이축의 회전중심점(p)의 차이는 z축 방향의 변위로 나타나게 되며, 프로브 접촉점과 회전중심의 관계는 극좌표계로 정의될 수 있다.

이렇게 z축 정밀스테이지의 회전각도에 따른 변화에서 최대변화량을 구하면 접촉점과 회전중심간의 거리를 구할 수 있게 된다.

그 다음, S34단계에서는 프로브 접촉점과 회전중심간의 각도를 산출한다.

도 4의 (b)는 회전중심이 접촉점과 z축 방향으로 동일선상에 있는 경우이지만, 실제로는 도 4의 (c)와 같이 회전중심이 접촉점과 z축방향으로 동일선상에 있지 않을 수도 있다. 이 경우에는 도 4의 (b)와 유사한 형태의 z축 액츄에이터의 구동이 이루어지나, z축 액츄에이터의 최대구동점의 각도가 바뀌게 된다. 즉 두 지점이 동일 z축 상에 존재하면 회전각도가 0일 때 최대의 z값을 가지고 되고, 동일 z축상에 존재하지 않으면, 시작점으로부터 z축 액츄에이터의 최대 구동점이 발생하는 구간의 각도가 접촉점과 회전중심간의 각도관계를 나타내게 된다.

그 다음, S35단계에서는 프로브 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 산출하고, S36단계에서는 보상값을 계산한다.

상기 설명한 바와 가이 z축 액츄에이터의 최대 이동값과 최대 이동값이 발생하는 지점에서의 각도로부터 프로브 접촉점과 회전중심사이의 위치를 구할 수 있으며 이는 오프셋값이 되고, 실제 측정결과에서 이 오프셋값을 보정할 수 있게 된다.

도 4의 (d)와 (e)는 회전중심이 프로브 접촉점보다 아래쪽에 위치하는 경우로 이때는 z축 액츄에이터가 아래로 내려가는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

100:프로브 200,300:시편
210:홈

Claims (3)

1. a) 원자현미경의 프로브의 회전이 수직축인지 길이축인지를 확인하는 단계;
   b) 상기 a) 단계의 판단결과 수직축 회전인 경우에는 표면에 서로 나란한 홈이 다수 형성된 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시켜 주사 스캔하고, 스캔 결과를 직교좌표계의 데이터로 변환하여 프로브(100) 접촉점과 회전중심의 거리 및 각도를 산출하고, 그에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계;
   c) 상기 a) 단계의 판단결과 프로브가 길이축 회전을 하는 경우 평판형의 시편(300)을 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하여, 프로브 접촉점과 회전중심간의 거리와 각도를 계산하여 오프셋 보상값을 산출하는 단계; 및
   d) 상기 b)단계 또는 c)단계를 수행한 후에 회전 각도에 따른 정밀스테이지 보정값을 출력하는 단계를 포함하는 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계는,
   표면에 다수의 홈(210)이 형성된 시편(200)을 준비하는 단계와,
   상기 시편(200)에 프로브(100)를 접촉시키되, 홈(210)의 경계지점에 위치시키는 단계와,
   상기 프로브(100)를 복수회 회전시키면서 스캔하여 극좌표계의 삼차원 데이터를 획득하는 단계와,
   상기 극좌표계를 직교좌표계의 3차원 데이터로 변환하는 단계와,
   상기 프로브(100)의 접촉점과 회전중심간의 거리를 산출하는 단계와,
   상기 회전각도에 대한 프로파일을 확인하는 단계와,
   상기 프로브(100)의 접촉점과 회전중심간의 각도를 산출하는 단계와,
   상기 프로브(100) 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 계산하는 단계와,
   상기 회전각도에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계를 포함하는 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 c) 단계는,
   평판형 시편을 준비하는 단계와,
   회전 스캔을 하면서 회전각도에 대한 z축 변화를 측정하는 단계와,
   프로브 접촉점과 회전중심간의 거리를 산출하는 단계와,
   상기 프로브 접촉점과 회전중심간의 각도를 산출하는 단계와,
   프로브 접촉점과 회전중심간의 오프셋을 산출하는 단계와, 회전각도에 따른 오프셋 보상값을 산출하는 단계를 포함하는 프로브 회전형 원자현미경의 프로브 정렬도 측정 방법.
   

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