KR20170058222A - 지형 프로파일 및／또는 지형 이미지의 측정 방법 - Google Patents

Abstract

샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법에 있어서,
a) EP 2 816 342에 개시된 유형의 압입 기구(1)를 제공하는 단계;
b) 샘플(4)을 샘플 홀더(2) 상에 제공하는 단계;
c) 상기 샘플(4)과 접촉하지 않고 상기 주축대(3)에 대해 일정한 위치에 압입자(5)를 배치하는 단계;
d) 상기 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 상기 지형 팁(23)을 배치하고 피드백 제어 시스템(31)과 제2 액추에이터(28)에 의해 상기 지형 팁(23)에 의해 검출된 바와 같이 상기 표면(4a)으로부터의 미리정해진 거리(d)에 기준 구조물(25)을 배치하는 단계;
e) 상대 위치 센서(26)에 의해 상기 기준 구조물(25)에 대한 상기 압입자(5)의 상대 위치를 측정하는 단계;
f) 상기 피드백 제어 시스템(31)에 의해 상기 지형 팁(23)에 의해 검출된 바와 같이 상기 샘플(4)의 표면(4a)으로부터의 상기 미리정해진 거리(d)에 상기 기준 구조물(25)을 유지하는 동안에는 상기 종축(9)에 대해 직교하여 상기 샘플(4)을 병진이동시키고, 상기 상대 위치 센서(26)에 의해 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치를 측정하는 동안에는 상기 제2 액추에이터(28)에 대해 직교하여 상기 샘플(4)을 병진이동시키는 단계; 및
g) 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치의 그 결과에 따라 획득된 측정에 기초하여 지형 프로파일 및/또는 지형 이미지를 생성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.

Description

지형 프로파일 및／또는 지형 이미지의 측정 방법{METHOD OF MEASURING A TOPOGRAPHIC PROFILE AND／OR A TOPOGRAPHIC IMAGE}

본 발명은 재료 측정 분야에 관한 것이다. 특히, 지형 팁을 포함하는 압입 기구를 사용하여 지형 측정 압입 테스트를 하는 방법에 관한 것이다.

원자간력 현미경(AFM) 및 기타 유형의 소규모 현미경은 대개 나노미터 스케일까지의 측정을 하면서 표면 프로파일의 지형 측정을 하는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 측정은 대개 압입의 잔여 프로파일에 관한 유용한 데이터 생성을 위해 그것이 이루어진 후에 압입의 프로파일을 생성하는 압입 테스트 기계와 조합하여 사용된다. 이는 특히 스크래치 테스트의 경우에 유용하고, 여기서 압입자(indenter)가 일정하거나 또는 변하는 압입력(indentation force) 하에서 샘플 표면 전체에서 드래그된다. 그 결과, 잔여 압입 깊이에 관한 2차원 데이터가 생성될 수 있고, 여러 번에 걸쳐 평행하게 주사하여, 테스트에 관한 3차원 데이터를 생성할 수 있다.

통상적으로, AFM은 압입자와 팁 사이에서 큰 거리가 놓인 압입 테스트 장비에 대해 볼트 체결 부가 모듈로서 제공되어, 지형 측정을 하기 위해 샘플의 큰 변위를 요구할 수 있다. 그러나, 다수의 종래 기술의 압입 테스터는 AFM(또는 유사한) 팁을 압입자와 통합시키고, 이는 압입자를 배치하는 기능을 하고 삽입 깊이 측정에 이용되고, 이 거리를 감소시켜 따라서 보다 정확한 지형 측정의 참조를 할 수 있게 한다. 예를 들면, US 7,568,381은 EP 2 816 342와 같이 기준 센서의 일부로서의 AFM 팁의 사용을 기술한다.

통상적으로, 지형 측정을 취하기 위해 AFM 팁을 이용하는 것은 단지 샘플 표면을 검출하기보다는 AFM 팁을 가지고 측정을 하기 위해 일반적인 전용 AFM 센서로 하여금 장비에 통합되도록 요구하고, 이는 복잡성과 비용을 절감시킨다.

본 발명의 목적은 이미 압입 장치에 제공된 것 이외의 추가적인 센서를 제공하지 않고 압입 장치를 이용하여 샘플 표면의 지형 측정을 하기 위한 방법을 제안하는 것이다.

본 목적은 청구항 제1 항에 따라 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법에 의해 달성된다. 본 방법은 하기의 설명에서 기술된다.

먼저, 주축대(headstock), 압입자(indenter), 및 상기 압입자에 의해 인가되는 힘을 측정하도록 조정된 압력 센서(force sensor)를 포함하는 압입 기구로서, 상기 압입자는 상기 압입자를 상기 압입자의 종축에 평행하게 배치하도록 배열된 제1 액추에이터에 의해 상기 주축대 상에(즉, 간접적인 것을 통해) 장착되는 상기 압입 기구가 제공된다. 상기 압입 기구는 또한 기준 구조물을 상기 종축에 평행하게 배치하도록 배열된 제2 액추에이터에 의해 상기 주축대 상에(즉, 간접적인 것을 통해) 장착되는 상기 기준 구조물, 하기에 더 상술되는 바와 같이 예를 들면 샘플과 지형 팁 사이의 미리정해진 상호작용을 판정함으로써 샘플 표면을 검출하도록 조정되고 상기 기준 구조물 상에 장착된 상기 지형 팁, 및 상기 기준 구조물에 대해 상기 압입자의 상대 위치를 판정하도록 조정되는 상대 위치 센서를 포함한다. 상기 지형 팁에 의한 샘플 표면의 검출에 기초하여 상기 제2 액추에이터를 제어하도록 조정되는 피드백 제어 시스템이 제공되고, 상기 샘플이 상기 압입자와 상기 지형 팁에 면하게 유지되도록 샘플 홀더가 배열되기 때문에, 상기 샘플 홀더는 상기 종축에 직교하는 적어도 하나의 방향으로 배치되도록 배열된다. 상기 샘플 홀더는 일반적으로 공지된 바와 같은 위치 판독을 포함한다.

상기 샘플 홀더 상에 샘플이 제공되고, 상기 압입자는 샘플과 접촉하지 않으면서 상기 주축대에 대해 일정한 위치에 위치된다.

결과적으로, 상기 지형 팁은 삼기 샘플의 표면을 검출하도록 위치되고, 상기 기준 구조물은 그에 의해 상기 피드백 제어 시스템과 상기 제2 액추에이터에 의해 상기 지형 팁에 의해 검출되는 바와 같은 상기 표면(즉, 상기 팁에 의해 검출된 상기 표면의 일부)으로부터의 미리정해진 거리에 위치된다.

상기 압입자의 상대 위치가 그런다음 상대 위치 센서에 의해, 즉, 상기 압입자에 대한 상기 기준 구조물의 상대 위치를 측정 및 기록함으로써 상기 기준 구조물에 대해 측정되고, 상기 압입자에 대한 기준 구조물의 상대 위치는 상기 주축대에 대한 고정 수직 위치이고, 상기 샘플은 그런다음 상기 피드백 제어 시스템에 의해 상기 지형 팁에 의해 검출된 바와 같이 샘플의 표면으로부터의 상기 미리정해진 거리에 상기 기준 구조물을 유지하는 동안에는 상기 종축에 대해 직교하여 병진 이동되고, 상기 상대 위치 센서에 의해 상기 기준 구조물에 대해 상기 압입자의 상대 위치를 측정하는 동안에는 상기 제2 액추에이터에 대해 직교하여 병진 이동된다. 상기 지형 팁은 따라서 상기 피드백 제어 시스템과 상기 액추에이터에 의해 상기 기판의 표면과의 일정한 상호작용을 유지하게 되고, 따라서 대응하여 상기 기준 구조물은 상기 표면을 따라가도록 위아래로 추적한다. 상기 압입자의 고정된 수직 위치에 대한 상기 기준 구조물의 그 결과인 수직 변위는 따라서 상기 상대 위치 센서에 의해 측정되고, 그의 출력은 그런 다음 상기 기준 구조물에 대해 상기 압입자의 상대 위치의 측정에 기초하여 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 생성하는 데에 이용된다. "지형 프로파일"이라는 용어는 표면 지형 지도의 일부를 통과하여 그려진 선을 따라서 있는 단면도에 관한 것이고, "지형 이미지"라는 용어는 표면 지형 지도에 관한 것이다. 따라서, 지형 프로파일은 2차원이고 지형 팁의 단일 통로에 기초하며, 상기 지형 이미지는 3차원이고 상기 지형 팁의 다중 병렬 통로로부터, 즉 다중 지형 이미지로부터 복원된다.

이롭게도, 상기 샘플과 접촉하지 않도록 상기 압입자를 배치하는 단계 이전에, 압입 테스트가 상기 압입자에 의해 수행된다. 이 압입 테스트는 단순한 압입 테스트, 또는 샘플이 공지된 바와 같이 상기 압입 동안 상기 압입자의 종축에 대해 직교하여 이동하는 스크래치 테스트가 될 수 있다.

상기 종축에 대해 평행한 상기 압입자의 일정한 위치는 상기 압력 센서에 의해 확인될 수 있고, 이는 상기 압입자와 상기 액추에이터 사이에 위치된 스프링을 포함하고, 상대 변위 검출기가 상기 스프링과 상기 제1 액추에이터 사이에 장착된 구조물과 상기 압입자 사이의 상대 변위를 검출하기 위해 배열되고, 상기 상대 변위 검출기는 상기 구조물 상에 제공된 제1 쌍의 전극을 구비하는 차동 커패시터(differential capacitor)를 포함하고, 상기 전극의 각각은 상기 압입자 상에 제공된 제2 쌍의 전극 중 대응하는 전극에 면한다. 상기 압입자가 상기 표면과 접촉하지 않으면서 일정한 위치에 있는 지를 판정하기 위한 간단한 방식은 상기 압력 센서에 의해 제로 포스(zero force)를 측정하고 고정된 위치 또는 상태로 상기 제1 액추에이터를 유지하는 것이다.

이롭게도, 상기 상대 위치 센서는 상기 기준 구조물 상에 제공된 추가적인 제1 쌍의 전극을 구비하는 추가적인 차동 커패시터를 포함하고, 상기 전극의 각각은 상기 압입자 상에 제공된 추가적인 제2 쌍의 전극 중 대응하는 전극에 면한다. 이는 압력 센서의 속성과는 관계가 없는 경우일 수 있는데, 즉, 상기 압력 센서의 속성과 관계없는 경우는 또한 차동 커패시터를 이용하거나 또는 이용하지 않는다.

마지막으로, 본 발명은 또한 컴퓨터 판독가능 매체를 구비하는 제품에 관한 것으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 상술한 바와 같이 정의된 압입 기구로 하여금 상술한 바와 같은 방법을 실행하도록 하는 상기 컴퓨터 판독가능 매체상의 컴퓨터 실행가능 명령어를 포함한다.

본 발명의 추가적인 세부 사항은 첨부 도면을 참조하여 하기의 설명을 본다면 더욱 명확하게 될 것이다:
도 1은 본 발명의 방법이 수행되는 압입 기구를 도시한다.
도 2는 압입 동작을 수행하는 것으로 도시된 도 1의 압입 기구를 도시한다.
도 3 내지 6은 스크래치 테스트의 지형 측정을 수행하는 다양한 단계에서 도시되는 도 1의 압입 기구를 도시한다.

본 발명은 특정 실시예에 대해 특정한 도면을 참조하여 기술되지만, 본 발명은 그에 한정되지 않고, 청구 범위에 의해서만 한정된다. 기술된 도면은 단지 개략적인 것이며 한정이 아니다. 도면에서, 일부 엘리먼트들의 크기는 과장될 수 있고, 예시적인 목적을 위해 척도에 따라 도시되지는 않는다. 치수와 상대 치수가 본 발명의 실시를 위한 실질적인 감소에 반드시 대응하는 것은 아니다.

추가로, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 엘리먼트들 사이를 구별하기 위해서 사용되는 것이며, 반드시 순차적 또는 시간 순서로 기술할 필요는 없다. 이 용어들은 적절한 환경 하에서 교환가능하며, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 기술 또는 예시된 것과는 다른 순서로 동작할 수 있다.

또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 최상부, 바닥부, 위, 아래 등의 용어는 설명의 목적으로 사용되고, 반드시 상대적 위치를 설명하기 위해 사용될 필요는 없다. 이렇게 사용된 용어는 적절한 환경 하에서 교환가능하며, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 기술 또는 예시된 것과는 다른 방향으로 동작할 수 있다.

청구 범위에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 그 이후 제시된 수단들에 한정되는 것으로서 해석되지 말아야 하며; 그것은 다른 엘리먼트 또는 단계들을 배제하지 않는다. 그것은 참조되는 기술된 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트의 존재를 규정하는 것으로서 해석될 필요는 있지만, 하나 이상의 기타 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트, 또는 그들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 단지 컴포넌트 A와 B 만을 구비하는 장치에 한정되지 말아야 한다. 그것은 본 발명에 대해 단지 장치의 관련된 컴포넌트들이 A와 B라는 것을 의미한다.

도 1은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합된 EP 2 816 342에 기술된 바와 같은 압입 기구(indentation instrument)(1)를 예시한다. 이 압입 기구는 제1 액추에이터(7)에 의해 압입자(5)에 장착되는 주축대(headstock)(3)를 포함한다. 제1 액추에이터(7)는 압전 액추에이터이거나 또는 원하는 압입 적용을 위해 충분한 힘을 인가할 수 있는 임의의 기타 편리한 유형의 것일 수 있다.

도시된 바와 같이, 압입자(5)는 도면에서 지시된 바와 같이 Z 축에 대해 평행한 종축(9)을 따라서 뻗어있고, 자신의 원단 부에서 압입 팁(5b)을 가지고 종단하는 압입자 로드(5a)를 포함한다. 이 팁은 경화 강, 텅스텐, 다이아몬드, 강옥, 사파이어 또는 공지된 바와 같은 유사한 재료일 수 있다. 금속 팁의 경우, 팁(5b)은 압입자 로드(5a)와 일체로 형성될 수 있다. 추가로, 로드(5a)는 측방향으로 뻗어있는 플랜지(5c)를 구비하고, 이의 기능은 하기에 보다 명확하게 나타난다. 샘플 홀더(2)는 압입자(5)의 팁(5b)에 면하는 샘플(4)을 지지하도록 조정되고, 일반적으로 동력으로 작동하고 적어도 3개의 축, X, Y, Z 방향을 따라서 이동되도록 조정되고, 또한 정확한 위치 검지를 하면서 이들 축들 중 하나 이상에 관해 회전할 수 있다. 적어도 X 및 Y 방향, 이상적으로는 추가로 Z 방향에서의 샘플 홀더의 위치는 공지된 바와 같이 위치 판독을 제공하기 위해 센서에 의해 판정된다.

로드(5a)의 인접 단부는 압력 센서(11)에 의해 제1 액추에이터(7)에 부착된다. 압력 센서(11)는 압입자(5)를 액추에이터로부터 이격시키기 위해 힘을 가하도록 배열된 공지된 스프링 상수 k의 조정(calibrated) 스프링(13), 및 상대 변위 검출기(15)를 포함한다. 상대 변위 검출기(15)는 스프링(13)과 제1 액추에이터(7) 사이에 장착된 구조물(15a)을 포함하고, 구조물(15a)은 압입자 로드(5a)에 대해 평행하게 뻗어있고 제1 커패시터(17a, 19a) 및 제2 커패시터(17b, 19b)로 형성된 차동 커패시터를 형성하기 위해 압입자(5)의 플랜지(5c) 상에 위치된 대응하는 제2 쌍의 전극(19a, 19b)에 면하는 제1 쌍의 전극(17a, 17b)이 제공된다. 도시된 바와 같이, 전극(19a, 19b)이 각각 서로 면하는 상이한 플랜지 상에 제공되고, 전극(17a, 17b)이 압입자(5)의 방향으로 뻗어있으면서 다시 종축(9)에 대해 직교하여 뻗어있는 구조물(15a) 상에 제공되는 돌출부의 어느 하나의 측면 상에 위치되는 역 구조와 같은 다른 구성이 가능할지라도, 플랜지(5c)는 그 사이에 전극들(19a, 19b)을 위치시키고 종축(9)에 대해 실질적으로 직교하여 뻗어있도록 하기 위해 전극들(17a, 17b) 사이에 형성된 간격으로 구조물(15a)을 향해 뻗어있는다.

전극(17a, 17b, 19a, 및 19b)은 적절한 측정 및 기록 회로(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되고, 제1 커패시터(17a, 19a)와 제2 커패시터(17b, 19b) 사이의 커패시턴스 차이를 측정함으로써, 압입자(5) 및 구조물(15a)의 상대 위치가 공지된 방법에 의해 판정될 수 있다. 스프링(13)의 스프링 상수(k)를 아는 것과 조합하여 이 결과는 샘플(4) 상에 압입자(5)에 의해 인가된 힘을 판정하는 것을 허용한다. 이 원리는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합된 문서 EP 1 828 744에서 상세히 설명되고, 따라서 본문에서 더 설명할 필요가 없다.

그러나, 본 발명의 문맥에서, 제1 액추에이터(7)에 대해 별개로 또는 그 사이에서 조합되는, 인가된 힘의 직접적인 압전 측정과 같은 기타 유형의 압력 센서가 사용될 수 있다.

압입 측정 동안 샘플(4)에 대해 압입자의 삽입 깊이를 측정하기 위해, 압입 기구(1)는 또한 삽입 깊이 측정을 위한 측정 서브시스템(21)을 포함한다. 이 서브 시스템(21)은 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 배열된 지형 팁(23)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 지형 팁(23)은 외팔보형(cantilevered) 원자간력 현미경(AFM) 프로브이지만, 일반적으로 주사 프로브 현미경 용에 공통인 기타 유형의 프로브가 또한 가능하다. 자명하게, 팁의 형태는 충분히 작고 원하는 측정 해상도를 위해 적절하게 성형되어야 한다. 샘플의 표면(4a) "검출"에 의한 것은 프로브의 미리정해진 굴절의 광학 검출에 기초한 것과 같은 접촉 기반 검출뿐만이 아니라 샘플(4)의 표면(4a)과 프로브 팁의 원자 사이의 반데르 발스 상호작용에 의해 발생하는 진동의 진폭, 위상, 또는 주파수에서의 미리정해진 변화를 검출하고 진동 AFM 프로브를 이용하는 것과 같은 비접촉 검출을 또한 의미한다.

지형 팁(23)은 기준 구조물(25) 상에 장착되고, 이는 그 자체로 제1 액추에이터(7)와 유사한 속성일 수 있는 제2 액추에이터(28) 상에 장착되고 기준 구조물(25)과 그에 따라 지형 팁(23)을 Z 축에 평행하게 위치시키는 기능을 한다. 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하기 위해 지형 팁(23)에 대해 요구되는 구동 및/또는 측정 시스템(도시되지 않음)이 또한 기준 구조물(25) 상에 또는 그 내부에 설치될 수 있다. 이러한 구동 및/또는 측정 시스템은 예를 들면 팁을 진동시키고, 그 진동을 측정하고, 팁의 움직임을 광학적으로 또는 (압전) 전기적으로 검출하는 등을 수행할 수 있다. 이러한 시스템은 그 자체로 공지되어 있고, 따라서 추가로 설명할 필요가 없으며, 예를 들면 AFM 켄틸레버의 미리정해진 굴절, 진동 AFM 팁의 진폭, 위상 또는 주파수에서의 미리정해진 변화 또는 표면에 인가된 미리정해진 압력을 판정함으로써 표면을 "검출"할 수 있다.

기준 구조물(25)은 또한 상대 위치 센서(26)를 포함한다. 본 예시에서, 이는 압입자 로드(5)의 추가적인 측방향으로 뻗어있는 플랜지(5d) 상에 설치된 대응하는 추가적인 제2 쌍의 전극(29a, 29b)과 조합하여 추가적인 차동 커패시터를 형성하는 추가적인 제1 쌍의 전극(27a, 27b)을 포함하고, 이는 플랜지(5c)와 일체이거나 또는 그것들과 별개일 수 있다. 전극(27a, 27b, 29a, 29b)은 다시 종축(9)에 대해 실질적으로 직교하여 뻗어 있다. 이들 커패시터(27a, 29a, 및 27b, 29b)는 커패시터(17a, 19a 및 17b, 19b)와 유사하게 구축되고, 이들 후자의 커패시터에 대한 모든 코멘트는 필요한 부분만 일부 수정하여 전자의 커패시터에 대해 동일하게 적용한다. 따라서, 다시 임의의 편리한 방법에 의해 커패시터(27a, 29a 및 27b, 29b) 사이의 커패시턴스 차이를 비교함으로써, 압입자(5)와 기준 구조물(25)의 상대 위치가 판정될 수 있다. 기준 구조물(25)(광학 기반 시스템과 같은)에 대해 압입자(5)의 상대 위치를 측정하도록 배열된 기타 형태의 상대 위치 센서(26)가 또한 가능하다.

추가로, 압입 기구(1)는 도 2의 문맥에서 하기에 설명되는 바와 같이 샘플(4)에 대해 기준 구조물의 위치를 조정하도록 제2 액추에이터(28)를 구동시키기 위해 지형 팁(23)과 제2 액추에이터(28)와 연결하여 동작하는 피드백 제어 시스템(31)을 포함한다.

도 2는 압입 테스트 동안의 압입 기구(1)의 다양한 컴포넌트의 위치를 도시한다. 도 2 및 후속하는 도면에서, 텍스트에서 참조되는 참조 기호만이 도면의 혼란을 방지하기 위해 재현되고, 수직 변위는 명료성을 위해 과장되었다. 추가로, 피드백 제어 시스템(31)은 도 3에서부터는 이후로 도시되지 않았다.

도 2에서, 압입자 팁(5b)은 제1 액추에이터(7)에 의해 인가되고 압력 센서(11)에 의해 측정되는 압력 하에서 샘플(4)의 표면(4a)으로 삽입된다. 압입이 발생하기 전에, 그러나, 샘플은 샘플 홀더(2)를 배치하고 및/또는 주축대(3)를 배치하고, 및/또는 제1 액추에이터(7)와 제2 액추에이터(28) 각각에 의해 Z 방향으로 압입자(5)와 지형 팁(23)을 이동시킴으로써 압입자(5)의 팁(5b)과 지형 팁(23)에 근접하여 위치되고, 기준 구조물이 그런다음 샘플의 표면(4a)이 지형 팁에 의해 검출될 때까지 기준 구조물(25)을 샘플의 표면(4a)을 향해 이동시키도록 제2 액추에이터(28)를 작동시킴으로써 샘플의 표면(4a)으로부터의 미리정해진 거리(d)에 위치된다. 표면(4a)이 검출되면, 피드백 제어 시스템(31)은 표면(4a)과의 원하는 수직 관계로 기준 구조물(25)을 유지하기 위해 Z 축에 따라 임의의 필요한 조정을 수행하도록 제2 액추에이터(28)를 제어함으로써 미리정해진 거리(d)에 기준 구조물(25)을 유지시킨다.

피드백 제어 시스템(31)이 일정한 거리(d)에 기준 구조물을 유지하는 동안, 압입자 팁(5b)은 샘플(4)의 표면(4a)과 접촉하도록 이동되어 제1 액추에이터(7)에 의해 인가되는 부하 하에서 표면(4a)으로 삽입하도록 힘이 가해진다.

기준 구조물(25)이 샘플(4)의 표면(4a)으로부터 일정한 거리(d)를 유지하기 때문에, 압입자(5)는 도 2에 명확하게 도시된 바와 같이 기준 구조물(25)에 대해 Z 축을 따라 샘플을 향해(즉, 도면에 도시된 바와 같이 하방으로) 배치된다. 이는 전극(29a)이 전극(27a)으로 접근하고, 전극(29b)이 전극(27b)으로부터 멀어지도록 하여, 2개의 커패시터(27a, 29a 및 27b, 29b)의 상대 커패시턴스를 변화시키고, 그로부터의 기준 구조물(25)에 대한 압입자(5)의 변위가 연산될 수 있다. 이들 커패시터(27a, 29a; 27b, 29b)는 적절한 처리 및 기록 회로에 전기 접속된다(도시되지 않음). 다양한 컴포넌트의 치수를 연산에 포함시키고 및/또는 압력 센서(11)의 출력에 기초하여 압입자 팁(5b)과 샘플 사이의 접촉 점을 판정함으로써, 샘플(4)의 표면(4a)으로의 압입자 팁(5b)의 절대적인 삽입이 판정될 수 있다.

압입자(5)에 의해 인가된 샘플(4)에 대한 압력은 압력 센서(11)에 의해 연속하여 측정되고, 샘플(4)의 표면(4a)으로 압입자 팁의 삽입 깊이의 압력과 상관될 수 있다. 예시된 실시예에서, 샘플(4)의 표면(4a)과 압입자 팁(5a) 사이에 힘이 인가되기 때문에, 스프링(13)이 가입되고, 구조물(15a)이 압입자 로드(5a)에 대해 하방으로(샘플(4)을 향해) 이동하여, 전극(17b 및 19b)으로 하여금 서로 접근하도록 하고, 전극(17a 및 19a)으로 하여금 서로 멀어지도록 한다. 그에 의해 발생된 커패시턴스 변화는 구조물(15a)에 대해 압입자(5)의 상대 변위, 및 그에 따른 임의의 순간에 인가된 힘을 판정하는 데에 이용될 수 있다.

이 시스템은 정적 또는 동적 부하 하에서의 정적 압입 테스트를 수행할 뿐만 아니라, 압입하는 동안 측방향으로 샘플(4)을 배치시킴으로써 다시 정적 또는 동적 압입 부하 하에서 스크래치 테스트가 수행될 수 있다.

통상적으로, 압입자(5)에 의해 생성된 압입의 지형 테스트를 수행하거나, 또는 단순히 원하는 임의의 표면 프로파일을 측정하기 위해, 개별 지형 측정 모듈(일반적으로, AFM 모듈)이 압입자의 측면 상으로 제공된다. 그러나, 이는 측정 모듈의 측정 팁 사이에 현저한 차이가 있도록 만들고, 샘플 또는 주축대의 커다란 이동이 발생하여 측정하도록 한다. 이는 압입시 측정의 배치의 정밀도를 제한한다.

이 문제에 대한 하나의 특정한 해결안은 기준 구조물(25)과 일체화된 지형 팁(23)에 연관된 종래 지형 측정 엘리먼트 및 시스템 전체를 제공하는 것이다. 그 결과, 압입이 이루어지면, 압입자(5)가 빠져나오고 지형 팁이 종래대로 동작되어, 전용의 종래 측정 엘리먼트 및 시스템이 종래의 형태로 이러한 측정을 수행할 수 있다. 이는 EP 2 816 342에 포함된 해결안이다.

그러나, 이러한 해결안은 상술한 전체 종래 측정 엘리먼트의 통합을 요구하며, 이는 고비용이 되고 압입 시스템(1)의 구축을 현저하게 복잡하게 한다.

본 발명의 방법은 상술한 바와 같은 압입 깊이의 측정 뿐만이 아니라 추가로 지형 측정을 수행하기 위해 압입 시스템(1) 내에 있는 기존 센서를 이용하여 이러한 종래 지형 측정 엘리먼트를 통합할 필요성을 방지한다. 본 방법은 또한 압입 되었건 아니건 간에 실질적으로 평면인 샘플(4)의 지형 측정을 하기 위해 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다.

이 방법이 도 3-6에 도시되지만, 동일한 압입 장비(1) 상에서 미리 수행되는 스크래치 테스트의 지형 측정을 한다는 측면에서, 동일하게 지형 측정이 요구되는 임의의 기타 샘플(4)에 적용한다.

도 4-6에서 볼 수 있는 바와 같이, 압입 기구(1) 및 샘플(4)이 제공된다. 샘플(4)의 표면(4a)은 미리 수행된 스크래치 테스트의 추적에 후속하여 가압되고(depressed), 도면의 단면도가 좌측으로부터 우측으로 깊어지는 스크래치 테스트의 중심선을 따라서 취해진다.

먼저, 압입자 팁(5b)은 액추에이터에 의해 샘플(4)과 접촉하지 않게 위치된다. 압입자 팁(5b)은 측정하는 동안 내내 샘플(4)의 표면(4a)과 접촉하지 않는 상태를 유지한다. 팁(5b) 상에 작용하는 힘이 없기 때문에, 스프링(13)은 압입자(5)로 하여금 중립 위치를 취하도록 하고, 이는 필요한 경우 커패시터(17a, 19a, 및 17b, 19b)에 의해, 압력 센서(11)에 의해 측정된 힘이 0인지를 체크함으로써 확인될 수 있다. 필요한 경우, 이 확인은 전체 지형 측정 동안 연속하여 수행될 수 있다. 가장 간단한 형태로, 제1 액추에이터(7)는 단지 임의의 위치로 구동 및 비활성화될 수 있거나, 또는 기계적 휴지부(stop)(도시되지 않음)에 대해 말단의 위치(압입자(5)를 가능한 주축대(3)에 근접하거나 또는 가능한 주축대(3)로부터 멀어지게 위치시키는 것과 같은)에 배치될 수 있다. 압전 압력 센서와 같은 기타 유형의 압력 센서의 경우에, 제1 액추에이터(7)에 관한 동일한 코멘트가 동일하게 적용된다. 압입자(5)는 따라서 주축대(3)와 샘플(4)에 대해 일정한 수직(Z 축) 위치를 유지하고 Z 축 기준으로서 기능한다.

지형 팁(23)은 그런다음 압입 측정을 하기 위한 문맥에서 상술한 바와 같은 지형 측정의 원하는 시작 포인트에서 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 배치된다. 종래 측정 시작 포인트는 스크래치 테스트에 바로 인접한다. 제어 시스템(31)(도면의 혼란스러움을 방지하기 위해 도 3-6에는 도시되지 않음)은 다시 지형 팁(23)에 의해 검출된 바와 같이 샘플(4)의 표면(4a)으로부터의 미리정해진 거리(d)에서의 기준 구조물(25)을 위치시킨다. 압입자(5)와 기준 구조물 사이의 상대 위치는 그런다음 상대 위치 센서(26)에 의해 판정되고, 지형 측정을 취하기 위한 기준 포인트(datum point)로서 취해질 수 있다.

결과적으로, 기판(4)은 주축대(3)에 대해 샘플 홀더(2)를 병진이동시키거나 또는 그 역으로 함으로써 지형 팁(23)에 대해 측방향으로, 즉, Z축에 대해 직교하여 이동된다. 도면의 예시에서, 샘플 홀더는 기판(4)의 표면(4a)에서의 스크래치 테스트를 따라서 우측을 향해 지형 팁을 스캐닝하도록 좌측으로 이동된다.

도 4에서, 샘플(4)은 좌방향으로 병진이동되었고, 지형 팁은 표면(4a)에 제공된 스크래치 테스트로 하강되었다. 이는 샘플이 병진이동할 때 지형 팁(23)에 의해 검출되는 샘플의 표면(4a)과 기준 구조물(25) 사이의 미리정해진 거리(d)를 제2 액추에이터가 유지하도록 명령하는 피드백 제어 시스템에 의해 수행된다. 표면 프로파일은 샘플(4)이 좌측방향으로 이동하면서 깊어지기 때문에, 액추에이터는 표면을 따라가도록 기판의 방향에서 하방으로 기준 구조물을 구동시킨다. 기준 구조물(25)은 따라서 기준으로서 동일한 수직 위치로 유지되는 압입자(5)에 대해 하강되고, 전극(27b, 29b)은 서로 접근하고 전극(27a, 29a)은 분리된다. 압입자(5)에 대한 기준 구조물(25)의 새로운 상대적 위치를 판정하기 위해 결과인 커패시턴스에서의 변화가 이용되고, 이는 그에 따라 샘플을 따라서 다중 측정을 수행함으로써 지형 팁 측정치를 생성한다. 필수적으로, 압입자(5)는 주축대(3)에 대해서 뿐만 아니라, Z 축에 직교하여서만 병진이동하는 샘플 홀더에 대해서 변하지 않는 수직 위치에 위치되고, 그것은 고정된 수직 기준으로 기능하고, 그에 대해 기준 구조물(25)의 수직 위치는 지형 측정과 전체에 걸쳐 비교된다. 지형 측정은 따라서 압입자(5)를 참조하여 기준 구조물(25)과 지형 팁(23)의 수직 이동을 측정함으로써 수행된다.

샘플(4)이 계속해서 좌측으로 병진이동 하면서(도 4 및 5), 표면(4a) 압입 프로프일은 깊어지고, 기준 구조물(25)은 하방으로 더 이동되어 미리정해진 거리(d)를 유지하고 그에 따라서 표면을 따라간다. 압입자(5)가 주축대(3)에 대해 자신의 수직 위치를 유지하고, 따라서 전극(27b, 29b)이 서로 더 접근하고, 전극(27a, 29a)은 서로 더 이격된다.

도 5에서, 샘플(4)은 좌측을 향해 계속해서 병진이동하고, 지형 팁(3)은 스크래치 테스트에 의해 표면(4a) 내에서 압축된 상태로 남겨진다. 제어 시스템(31)은 거리(d)를 유지하기 위해 제2 액추에이터(28)를 멀리 구동시키면서, 주축대(3)를 향해 기준 구조물을 상방으로 이동시키고, 따라서 전극(27b, 29b)은 분리되고, 전극(27a, 29a)은 서로를 향해 다시 복귀한다.

커패시터(27a, 28a 및 27b, 28b)의 커패시턴스를 측정하고, 기준 구조물(25)과 압입자(5) 사이의 대응하는 상대 변위를 연산하고, 및 이들 상대 변위를 샘플(4)의 병진 이동 측정과 상관시킴으로써, 스크래치 테스트의 지형 프로파일이 측정될 수 있다. 샘플(4)을 Y 방향의 미리정해진 거리에(페이지 속으로 또는 페이지에서 벗어나게) 배치시키고 프로세스를 반복하여, 그리드 또는 래스터 패턴 내의 다수의 통로에서 지형 팁(23)을 스캐닝함으로써, 3차원 지형 프로파일이 측정되고 이미지가 생성될 수 있다.

본 방법의 원리는 또한 비용량성(noncapacitive) 상대 위치 센서(26)의 기타 형태에 대해 동일하게 적용한다.

본 방법이 스크래치 테스트에 관해 기술되었지만, 임의의 적절한 표면이 동일한 프로세스에 의해 측정될 수 있다.

상술한 방법은 컴퓨터 판독가능 매체(CD-ROM, DVD, 하드디스크, 플래시 드라이브 등) 상에 저장되는 컴퓨터 프로그램 제품에 포함되는 명령어를 따름으로써 컴퓨터 제어하에 수행될 수 있다.

Claims (8)

1. 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법에 있어서,
   a) 압입 기구(1)를 제공하는 단계로서, 상기 압입 기구(1)는:
   - 주축대(headstock)(3);
   - 압입자(indenter)(5)를 상기 압입자의 종축(9)에 평행하게 배치하도록 배열된 제1 액추에이터(7)에 의해 상기 주축대 상에 장착되는 상기 압입자(5);
   - 상기 압입자(5)에 의해 인가된 힘을 측정하도록 조정된 압력 센서(force sensor)(11);
   - 상기 종축(9)에 평행하게 기준 구조물을 배치하도록 배열된 제2 액추에이터(28)에 의해 상기 주축대(3) 상에 장착되는 상기 기준 구조물(25);
   - 상기 기준 구조물 상에 장착되고 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 조정되는 지형 팁(23);
   - 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치를 판정하도록 조정되는 상대 위치 센서(26);
   - 상기 지형 팁(23)에 의한 상기 샘플(4)의 상기 표면(4a)의 검출에 기초하여 상기 제2 액추에이터(28)를 제어하도록 조정되는 피드백 제어 시스템(31); 및
   - 상기 압입자(5)와 상기 지형 팁(23)에 면하게 상기 샘플(4)을 유지시키도록 배열된 샘플 홀더(2)로서, 상기 종축(9)에 대해 직교하는 적어도 하나의 방향(X; Y)으로 배치되도록 조정되는 상기 샘플 홀더(2);
   를 구비하는 상기 압입 기구(1)를 제공하는 단계;
   b) 샘플(4)을 상기 샘플 홀더(2) 상에 제공하는 단계;
   c) 상기 샘플(4)과 접촉하지 않고 상기 주축대(3)에 대해 일정한 위치에 상기 압입자(5)를 배치하는 단계;
   d) 상기 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 상기 지형 팁(23)을 배치하고 상기 피드백 제어 시스템(31)과 상기 제2 액추에이터(28)에 의해 상기 지형 팁(23)에 의해 검출된 바와 같이 상기 표면(4a)으로부터의 미리정해진 거리(d)에 상기 기준 구조물(25)을 배치하는 단계;
   e) 상기 상대 위치 센서(26)에 의해 상기 기준 구조물(25)에 대한 상기 압입자(5)의 상대 위치를 측정하는 단계;
   f) 상기 피드백 제어 시스템(31)에 의해 상기 지형팁에 의해 검출된 바와 같이 샘플(4)의 표면(4a)으로부터의 상기 미리정해진 거리(d)에 상기 기준 구조물(25)을 유지하는 동안에는 상기 종축(9)에 대해 직교하여 상기 샘플(4)을 병진이동시키고, 상기 상대 위치 센서(26)에 의해 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치를 측정하는 동안에는 상기 제2 액추에이터(28)에 대해 직교하여 상기 샘플(4)을 병진이동시키는 단계;
   g) 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치의 획득된 측정에 기초하여 지형 프로파일 및/또는 지형 이미지를 생성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
2. 제1 항에 있어서, 단계 c) 이전에, 상기 압입자(5)에 의해 상기 샘플(4)에 대한 압입 테스트를 수행하는 단계(b1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
3. 제2 항에 있어서, 상기 압입 테스트는 스크래치 테스트인 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 종축(9)에 평행한 상기 압입자(5)의 일정한 위치는 상기 압력 센서(11)에 의해 확인되는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 센서(11)는 상기 압입자(5)와 상기 제1 액추에이터(7) 사이에 위치된 스프링(13), 및 상기 스프링(13)과 상기 제1 액추에이터(7) 사이에 장착된 구조물(15a)과 상기 압입자(5) 사이의 상대 변위를 검출하도록 배열된 상대 변위 검출기(15)를 포함하고, 상기 상대 변위 검출기(15)는 상기 구조물 상에 제공된 제1 쌍의 전극(17a, 17b)을 구비하는 차동 커패시터(differential capacitor)를 구비하고, 상기 전극(17a, 17b)의 각각은 상기 압입자(5) 상에 제공된 제2 쌍의 전극 중 대응하는 전극(19a, 19b)에 면하는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
6. 제4 항에 있어서, 상기 일정한 위치는 상기 제1 액추에이터(7)를 고정된 위치에 유지시키면서 상기 압력 센서(11)에 의해 0의 힘을 측정하는 것에 의해 판정되는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
7. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상대 위치 센서(26)는 상기 기준 구조물(25) 상에 제공된 추가적인 제1 쌍의 전극(27a, 27b)을 구비하는 추가적인 차동 커패시터를 포함하고, 상기 전극(27a, 27b)의 각각은 상기 압입자(5) 상에 제공된 추가적인 제2 쌍의 전극(29a, 29b) 중 대응하는 전극에 면하는 것을 특징으로 하는 샘플 표면의 지형 이미지 및/또는 지형 프로파일을 측정하는 방법.
8. 압입 기구(1)로 하여금 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터 판독가능 매체상에 컴퓨터 실행가능 명령어를 구비하는 컴퓨터 프로그램 제품, 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 제품으로서, 상기 압입 기구(1)는:
   - 주축대(3);
   - 압입자(indenter)를 상기 압입자의 종축(9)에 평행하게 배치하도록 배열된 제1 액추에이터(7)에 의해 상기 주축대 상에 장착되는 상기 압입자;
   - 상기 압입자(5)에 의해 인가된 힘을 측정하도록 조정된 압력 센서(force sensor)(11);
   - 상기 종축(9)에 평행하게 기준 구조물을 배치하도록 배열된 제2 액추에이터(28)에 의해 상기 주축대(3) 상에 장착되는 상기 기준 구조물(25);
   - 상기 기준 구조물 상에 장착되고 샘플(4)의 표면(4a)을 검출하도록 조정되는 지형 팁(23);
   - 상기 기준 구조물(25)에 대해 상기 압입자(5)의 상대 위치를 판정하도록 조정되는 상대 위치 센서(26);
   - 상기 지형 팁(23)에 의한 상기 샘플(4)의 상기 표면(4a)의 검출에 기초하여 상기 제2 액추에이터(28)를 제어하도록 조정되는 피드백 제어 시스템(31); 및
   - 상기 압입자(5)와 상기 지형 팁(23)에 면하게 상기 샘플(4)을 유지시키도록 배열된 샘플 홀더(2)로서, 상기 샘플 홀더(2)는 상기 종축(9)에 대해 직교하는 적어도 하나의 방향(X; Y)으로 배치되도록 조정되는 상기 샘플 홀더(2);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 압입 기구(1)로 하여금 제1 항 내지 제7 항의 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터 판독가능 매체상에 컴퓨터 실행가능 명령어를 구비하는 컴퓨터 프로그램 제품, 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 제품.

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