KR20210022917A - 고속 원자힘 현미경 - Google Patents

Abstract

고속 원자힘 현미경이 개시된다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경은 평면 방향의 변위의 조절이 가능한 제1 스캐너; 상기 평면 방향과 수직한 방향의 변위의 조절이 가능한 제2 스캐너;를 포함하고, 상기 제1 스캐너로 조절되는 변위와 상기 제2 스캐너로 조절되는 변위는 서로 독립적일 수 있다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경은 상기 제1 스캐너 상에 배치되는 샘플에 레이저를 포커싱하는 대물렌즈;를 더 포함하고, 상기 제2 스캐너는 상기 대물렌즈에 결합 장치를 통해 결합될 수 있다. 상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너와 물리적으로 분리될 수 있고, 상기 결합 장치의 일 측면에는 상기 제2 스캐너가 장착될 수 있는 홈이 형성될 수 있고, 상기 결합 장치에 홈이 형성된 측면과 다른 측면에는 상기 제1 스캐너에 샘플이 배치되는 면과 평행한 면을 가지도록 형성될 수 있다.

Description

고속 원자힘 현미경{HIGH-SPEED ATOMIC FORCE MICROSCOPE}

본 발명은 고속 원자힘 현미경에 관한 발명이다.

매우 작은 탐침(Probe)를 이용하여 시료의 표면을 관측하는 장비를 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)이라 한다. 주사 탐침 현미경은 관측하는 방식에 따라 주사 터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM)과 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 등으로 나뉘어진다.

원자힘 현미경은 주사 터널링 현미경의 단점을 보완하기 위해 만들어진 장비로, 미세 탐침을 시료에 근접시켜 시료와 탐침 끝 사이의 미세한 원자간 상호 작용을 이용하여 표면 형상을 비롯한 다양한 특성을 측정할 수 있는 장치이다. 현미경의 캔틸레버에 달린 매우 작은 팁이 표면을 긁으며 측정하는 접촉 모드(Contact mode), 팁이 표면을 두드리며 측정하는 탭핑 모드(Tapping mode), 팁과 원자간의 반 데르 발스 힘을 이용하여 측정하는 비접촉 모드(Non-contact mode)가 있다.

도 1은 기존의 고속 원자힘 현미경의 스캐너의 구조를 나타내는 예시이다. 보다 상세하게는, 기존의 고속 원자힘 현미경에서의 X-Y-Z 축 스캐너가 도시된다.

도 1에 따르면 기존의 고속 원자힘 현미경에서는 AFM 헤드와 스캐너 부분을 따로 분리한 구조로 제공됨으로써, X-Y-Z 축 스캐너가 일체형으로 제공되거나, X-Y 축 스캐너와 Z 축 스캐너를 분리하여 사용하더라도 물리적으로 결합된 형태로 사용되는 구조를 사용하였다.

기존의 고속 원자힘 현미경에서는 이로 인한 크로스 커플링 문제가 존재하였다. 크로스 커플링(Cross coupling, Cross talk)이란 한 축에서 변위가 발생하였을 때 다른 축에서도 영향을 받는 것을 의미한다. 예를 들어 X-Y 축 스캐너에서는 X축 압전 액츄에이터에 전압이 인가되면 액츄에이터에서 팽창이 일어나고 샘플 포지션 영역은 X축 방향으로만 변위가 발생하여야 하나, 크로스 커플링 문제 때문에 Y축으로도 미세하게 변위가 발생한다.

기존의 고속 원자힘 현미경에서의 X-Y-Z 축 스캐너에서는 X, Y, Z축 간의 크로스 커플링 현상이 발생한다. 즉 X-Y 축, Y-Z 축, X-Z 축 간의 크로스 커플링 현상이 발생한다. 이로 인해 X-Y 축 크로스 커플링의 경우 이미지의 측면(lateral) 방향의 정보가 왜곡되며, X-Z 축 또는 Y-Z 축 크로스 커플링의 경우 이미지의 높이(height) 방향의 정보가 왜곡될 수 있다. 이로 인해 정확한 관찰이 어렵게 되며, 이미지 왜곡 현상이 존재하는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 크로스 커플링 문제를 해결할 수 있는 고속 원자힘 현미경을 개시하고자 한다.

본 발명에서는 크로스 커플링 문제를 해결할 수 있는 고속 원자힘 현미경의 결합 구조를 개시하고자 한다.

본 발명에서는 제2 스캐너를 현미경 상에 장착할 수 있는 결합 장치를 제안하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

고속 원자힘 현미경이 개시된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자힘 현미경은 평면 방향의 변위의 조절이 가능한 제1 스캐너; 상기 평면 방향과 수직한 방향의 변위의 조절이 가능한 제2 스캐너;를 포함하고, 상기 제1 스캐너로 조절되는 변위와 상기 제2 스캐너로 조절되는 변위는 서로 독립적일 수 있다.

상기 고속 원자힘 현미경은 상기 제1 스캐너 상에 배치되는 샘플에 레이저를 포커싱하는 대물렌즈;를 더 포함하고, 상기 제2 스캐너는 상기 대물렌즈에 결합 장치를 통해 결합될 수 있다.

상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너와 물리적으로 분리될 수 있다.

상기 결합 장치의 일 측면에는 상기 제2 스캐너가 장착될 수 있는 홈이 형성될 수 있다.

상기 결합 장치에 홈이 형성된 측면과 다른 측면에는 상기 제1 스캐너에 샘플이 배치되는 면과 평행한 면을 가지도록 형성될 수 있다.

상기 제2 스캐너는 270kHz 이상의 공진주파수를 가지는 압전 칩을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 제2 스캐너에는 캔틸레버를 포함하는 AFM 프로브;가 장착되고, 상기 AFM 프로브는 상기 AFM 프로브가 장착된 제2 스캐너의 공진주파수가 50kHz 이상의 공진주파수를 가지도록 조절된 질량을 가질 수 있다.

상기 AFM 프로브는 상기 결합 장치로부터 돌출되어 제공될 수 있다.

본 발명에서는 크로스 커플링 문제가 해결된 고속 원자힘 현미경 및 결합 구조가 개시됨으로써, 보다 정확한 현미경 관찰 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 고속 원자힘 현미경의 스캐너의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자힘 현미경의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 광학 요소 배치를 나타내는 다이어그램이다.
도 4(a) 내지 도 4(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 장치 및 AFM 프로브를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경에 결합 장치가 결합되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(b)는 본 발명의 고속 원자힘 현미경의 결합 구조를 측면에서 바라본 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 기존의 고속 원자힘 현미경의 스캐너의 구조를 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 기존의 고속 원자힘 현미경에서는 X-Y-Z 축 스캐너가 분리되지 아니하고 일체형으로 제공되어, 어느 한 방향으로 움직이는 경우에도 나머지 방향의 변위에 영향을 받게 되는 크로스 커플링 현상으로 인해 정확한 결과를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경은 평면 방향의 변위를 발생시키는 제1 스캐너와, 평면 방향과 수직한 방향으로 변위를 발생시키는 제2 스캐너를 포함하도록 구성되며, 제1 스캐너로 조절되는 변위와 제2 스캐너로 조절되는 변위는 서로 독립적으로 제공됨으로써 종전의 고속 원자힘 현미경에서 존재했던 크로스 커플링 문제를 개선할 수 있다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 제1 스캐너와 제2 스캐너는 물리적으로 분리되도록 제공되며, 제2 스캐너는 별도의 결합 장치를 통해 고속 원자힘 현미경에 결합될 수 있다. 이 때 제1 스캐너는 X-Y 스캐너, 제2 스캐너는 Z 스캐너일 수 있다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 제2 스캐너는 별도의 결합 장치를 통해 대물 렌즈에 결합됨으로써 제1 스캐너와 제2 스캐너의 완전한 분리 구조를 얻을 수 있으며, 이로 인해 제1 스캐너와 제2 스캐너는 독립적으로 동작할 수 있다. 제2 스캐너는 최소한의 부품만 포함하도록 제공됨으로써 불필요한 질량을 줄이도록 구성되어, 높은 공진주파수를 확보할 수 있다. 이로 인해 제2 스캐너의 고속 스캔을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 구조에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 이하에서 자세한 구조를 서술하기 이전에, 본 발명의 적용 기술분야에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 고속 원자힘 현미경의 구조에 관한 발명이다. 이는 기존의 원자힘 현미경과는 일부 차이가 존재한다.

기존의 원자힘 현미경의 경우 낮은 대역폭을 가지며, 폐루프 제어를 통해 스캐너의 변위를 실시간으로 측정하며 보정하여 정확한 위치 이동이 가능하였으며, 수 Hz 이하의 스캔 스피드로 작동하는 특징이 있다.

본 발명의 기술 영역인 고속 원자힘 현미경에서는 높은 대역폭을 가지며, 수백Hz 이하의 스캔 스피드로 작동할 수 있다.

기존 원자힘 현미경의 스캐너에서는 스캐너들의 공진 주파수가 최대로 높더라도 3kHz 수준에서 형성되는 것으로 확인된다. 따라서 기존 원자힘 현미경에서는 공진 주파수에 의해 스캔 속도가 제한을 받으므로 보다 느린 속도로 스캔이 수행되는 특징이 있었다.

그러나 고속 원자힘 현미경의 스캐너의 경우 X-Y 스캐너의 공진 주파수가 5kHz 이상으로 제공되는 것으로 확인되는 점에서 차이가 있다.

원자힘 현미경에서의 스캔 시의 최대 스캔 속도는 스캔할 샘플 면적의 폭과, 프레임이 가지는 라인 숫자, 피드백 대역폭 등에 영향을 받을 수 있다. 최대 스캔 속도는 피드백 대역폭에 비례하는 특징을 가지며, 피드백 대역폭은 제어(controller) 대역폭과 감지(detector) 대역폭, Z-스캐너의 대역폭 및 캔틸레버의 대역폭을 모두 고려하여 결정될 수 있다.

기존의 원자힘 현미경의 경우 대역폭이 상대적으로 작게 형성된다. 일 예시에 따르면, 기존의 원자힘 현미경의 전압증폭기의 경우 대역폭은 50kHz 미만으로 확인된다. 반면 고속 원자힘 현미경의 전압증폭기의 대역폭은 약 8MHz 정도로 확인된다.

전술한 바와 같은 측면에서 기존의 원자힘 현미경과 고속 원자힘 현미경의 차이가 존재한다. 본 발명은 고속으로 스캐닝이 가능한 고속 원자힘 현미경에 대한 발명임을 전제로 하여 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 구조를 이하에서 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자힘 현미경의 측면도를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경은 다양한 일 구성요소들을 포함할 수 있다.

도 2에 따르면, 고속 원자힘 현미경은 카메라(1), 비구면 렌즈(2), 리드아웃 서킷(3), PSPD(4), 제1 필터(5), 제1 빔 스플리터(6), 제1 거울(7), 제2 빔 스플리터(8), 편광판(9), 제2 거울(10), 대물 렌즈(11), 결합 장치(12), 제2 스캐너 마운트(13'), 제2 스캐너(13), AFM 프로브 마운트(14'), AFM 프로브(14) 및 제1 스캐너(15)를 포함할 수 있다.

상기 실시 예는 고속 원자힘 현미경의 일 실시예에 해당하며, 일 구성요소는 동일한 기능을 하는 다른 구성요소로 대체될 수 있음은 자명하다. 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자가 변경할 수 있는 범위에서 고속 원자힘 현미경의 일 구성요소는 변경되어 제공될 수 있다. 고속 원자힘 현미경에 포함되는 각 구성요소의 역할은 이하와 같이 설명될 수 있다.

카메라(1)를 이용하여 제1 스캐너(15) 상에 위치하는 샘플 및 캔틸레버의 뒷표면과 초점이 맺힌 블루 레이저 및 레드 레이저를 쉽게 관찰할 수 있다. 이는 광학 정렬 시 활용할 수 있다. 카메라(1)는 CCD 카메라일 수 있다. CCD 카메라(1)의 근접한 부분에는 비구면 렌즈(Aspheric lens)(2)가 장착될 수 있다. 비구면 렌즈(2)는 CCD 카메라(1) 상에 이미지를 형성할 수 있다.

리드아웃 서킷(readout circuit)(3)은 포토 다이오드로부터 나오는 전류 신호를 전압 신호로 변환한 후, AFM 피드백 기능에 관련된 좌우 / 상하 편향 정도에 따른 신호 및 합산 신호를 계산하는데 사용된다.

PSPD(Position sensitive photo diode)(4)는 PSPD 표면에 입사되는 레드 레이저의 위치를 감지하기 위해 사용되는 센서일 수 있다.

제1 필터(5)는 550nm의 컷 오프(cut-off) 파장을 가진다. 즉 550nm 미만의 파장은 차단시킬 수 있다. 제1 필터는 옐로우 필터(Yellow Filter)일 수 있다. 제1 필터(5)는 반사된 레드 레이저 이외의 다른 원하지 않는 빛이 PSPD(4)에 입사되는 것을 방지할 수 있다.

제1 빔 스플리터(6)는 반사되어 들어오는 레드 레이저를 분할하여 일부는 카메라(1)로 향하게 하고, 나머지는 PSPD(4)로 향하게 한다. 제1 빔 스플리터(6)는 유리일 수 있다. 제1 빔 스플리터(6)는 비-편광 빔 스플리터(non-polarizing beam splitter)일 수 있다.

제1 거울(7)은 레드 레이저를 반사시켜 PSPD(4)의 방향으로 향하게 한다.

제2 빔 스플리터(8)는 레드 레이저를 S파와 P파로 분광한다. 제2 빔 스플리터(8)는 분광된 레드 레이저에서 S파는 반사시키고 P파는 투과시킨다. 제 2 빔 스플리터(8)는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)일 수 있다.

편광판(9)은 레드 레이저의 편광방향을 45도만큼 바꾸는 역할을 한다. 편광판(9)으로 입사되는 S파는 편광판(9)을 통과한 후 편광 방향이 45도만큼 바뀐 후 캔틸레버를 향한다. 그 후 캔틸레버에 반사되어 돌아오는 레드 레이저는 다시 편광판(9)을 통과하며 편광 방향이 45도만큼 바뀌어 P파로 바뀌어진다. 바뀌어진 P파는 편광판(9) 위에 구성하는 제2 빔 스플리터(8)에서 투과 되어 제1 거울(7) 방향으로 향한다.

제2 거울(10)은 다이크로익 미러(Dichroic mirror)일 수 있다. 제2 거울(10)은 특정 파장의 빛을 반사 또는 투과 시키는 성질을 가진다. 본 발명에 따른 제2 거울(10)은 레드 레이저는 통과시키고 블루 레이저는 반사시킬 수 있다.

대물 렌즈(11)는 레드 레이저와 블루 레이저를 포커싱 하는 데 사용된다. 포커스 된 두 레이저는 캔틸레버의 뒷면에 초점을 형성하게 된다. 이 때, 40마이크로미터 미만의 직경을 가지는 스팟이 맺혀질 수 있다.

결합 장치(12)는 제2 스캐너(13)와 대물 렌즈(11)를 물리적으로 연결할 수 있다. 결합 장치(12)에는 제2 스캐너 마운트(13'), 제2 스캐너(13), AFM 프로브 마운트(14') 및 AFM 프로브(14)가 장착될 수 있다. 결합 장치(12)와 제2 스캐너(13)의 사이에는 제2 스캐너 마운트(13')가 장착될 수 있다. AFM 프로브(14)는 홀더(14a), 캔틸레버(14b) 및 팁(14c)으로 구성될 수 있다. AFM 프로브(14)와 제2 스캐너(13)의 사이에는 AFM 프로브 마운트(14')가 장착될 수 있다. 결합 장치(12)의 보다 자세한 구조는 도 4에서 후술한다.

제2 스캐너(13)는 고속 원자힘 현미경의 작동 중 일정한 피드백 파라미터를 유지하기 위해 수직방향으로 미세한 변위를 동작시킬 수 있다. 제2 스캐너(13)는 Z 축 스캐너일 수 있다.

AFM 프로브(14)에는 캔틸레버 끝단에 뾰족한 팁(14c)이 형성될 수 있다. AFM 프로브(14)는 캔틸레버(14b)의 끝단의 팁(14c)을 통해 샘플과 상호작용을 수행할 수 있다. 샘플은 제1 스캐너(15)의 상부 면에 위치할 수 있다.

제1 스캐너(15)는 스캔 중 평면 방향의 미세한 변위 이동을 동작시킬 수 있다. 제1 스캐너(15)는 X-Y 축 스캐너일 수 있다.

전술한 바와 같이 고속 원자힘 현미경은 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경에서 특징이 있는 구성요소에 대해 이하에서 부가적으로 설명한다.

본 발명에 따른 리드아웃 서킷(3)은 고 대역폭을 가지도록 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 리드아웃 서킷(3)은 고속 원자힘 현미경의 속도에 대응되는 대역폭을 가지도록 설정될 수 있다. 리드아웃 서킷(3)은 고속 원자힘 현미경의 속도에 대응되는 대역폭을 가지도록 설정됨으로써, 고속 원자힘 현미경의 신호를 보다 신속하게 처리할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 제2 스캐너(13)는 일정한 공진주파수 이상을 가지는 압전 칩을 포함할 수 있다. 제2 스캐너(13)는 270kHz 이상의 공진주파수를 가지는 압전 칩을 포함할 수 있다. 제2 스캐너(13)는 다른 구성요소는 포함하지 아니하고 압전 칩만을 포함할 수 있다.

제2 스캐너(13)에 결합된 다른 요소의 질량이 증가하는 경우 제2 스캐너(13)의 공진주파수는 감소한다. 즉, 제2 스캐너(13)에 결합된 다른 요소의 질량이 감소할수록 제2 스캐너(13)의 공진 주파수는 높아지게 되어 고속 스캔이 가능한 효과가 존재한다.

고속 원자힘 현미경에서의 스캔 속도는 제2 스캐너(13)의 하부에 장착되는 AFM 프로브 마운트(14')와 AFM 프로브(14)의 질량에 영향을 받을 수 있다. 따라서 고속 원자힘 현미경에서의 제2 스캐너(13)는 고속 스캔이 가능하도록 하기 위한 질량 감소가 요구된다.

기존의 원자힘 현미경에서의 Z축 스캐너는 금속 구조물의 형태이다. Z 축 스캐너의 세부 모델에 따라 2~3 kHz 정도의 공진 주파수를 가지도록 제공될 수 있다. 기존의 원자힘 현미경의 Z 축 스캐너의 내부에는 압전 소자가 장착되어 있을 수 있다. 상용화된 원자힘 현미경의 Z축 스캐너의 일 예시로 P-752.21C 모델이 사용될 수 있다. 상기 P-752.21C 모델 내부에는 PICMA® P-885 압전 액츄에이터가 포함되어 제공될 수 있다. 상기 Z축 스캐너 모델은 높은 변위 스트로크가 가능하며, 전기 용량성(capacitive) 센서가 탑재되어 있어 정확한 위치 이동을 할 수 있다. 그러나 구조적인 측면에서 발생하는 질량의 증가 때문에 Z축 스캐너의 공진 주파수가 낮아지게 되어, 고속 스캔의 경우 적합하지 아니하였다.

또한 Z축 스캐너의 외부에는 부가적으로 AFM 프로브 등의 부품이 장착되어, 더욱 공진주파수가 낮아지게 되는 문제가 있다. 이는 일반 원자힘 현미경에는 적합하나, 기계적인 구조로 인한 낮은 공진주파수 때문에 고속 원자힘 현미경 용으로는 부적합하였다.

고속 원자힘 현미경의 구현을 위해서는 기계적인 부품과 함께 연결된 전자 장비들도 모두 고속을 이루어야 한다. 고속 원자힘 현미경에서는 관찰 대상이 되는 샘플의 굴곡을 빠른 속도로 쫓아가야 하나, Z 축 스캐너의 동작 속도가 느리면 샘플 표면 형상을 제대로 읽을 수 없다. 종래 기술에서 원자힘 현미경을 고속으로 구동 시 문제되었던 부분 중 하나가 Z 스캐너의 피드백 문제이다.

즉 고속 원자힘 현미경에서는 빠른 피드백 컨트롤이 요구되며, 빠른 피드백으로 인한 캔틸레버의 공진현상을 피하기 위해서는 캔틸레버의 공진주파수가 충분히 높아야 한다.

본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 제2 스캐너(13)는 270kHz의 공진주파수를 가지는 압전 칩을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 제2 스캐너(13)에서는 AFM 프로브(14) 및 AFM 프로브 마운트(14')의 질량을 조절함으로써, 제2 스캐너(13)에 AFM 프로브(14) 및 AFM 프로브 마운트(14')가 장착된 상태에서 50kHz 이상의 공진주파수를 가질 수 있다. AFM 프로브(14) 및 AFM 프로브 마운트(14')가 제2 스캐너(13)의 하부에 장착되더라도, AFM 프로브(14) 및 AFM 프로브 마운트(14')의 질량을 최대한 가볍게 선택함으로써 공진주파수를 일정 수준의 공진 주파수 이상으로 유지하여 고속 스캔을 확보할 수 있다. 일정 수준의 공진 주파수는 50kHz 일 수 있다. 또한 제2 스캐너(13)에 별도의 구조물을 부가하지 아니함으로써 컴팩트하고 심플한 구조를 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 AFM 프로브 마운트(14')와 AFM 프로브(14)의 질량은 549mg으로 측정될 수 있다. 270kHz의 공진주파수를 가지는 압전 칩, 즉 제2 스캐너(13)의 하부에 AFM 프로브 마운트(14') 및 AFM 프로브(14)를 장착하면 질량의 증가에 대한 영향으로 공진주파수가 하강한다. 제2 스캐너(13)는 압전 칩 만으로 구성됨으로써, 기타 기계적인 구조물이 장착되지 아니하여 그 자체로 높은 공진주파수를 확보할 수 있으며, 부가적으로 AFM 프로브(14) 및 AFM 프로브 마운트(14')가 장착되더라도 50kHz 이상의 공진주파수를 확보함으로써 고속 스캔이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경의 제2 스캐너(13)는 오픈 루프로 제어됨으로써 신속한 처리가 가능한 효과가 존재한다.

도 3은 도 2에서 설명된 고속 원자힘 현미경의 구성요소들을 바탕으로, 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경이 어떠한 방식으로 샘플을 관찰 가능한지 설명하기 위한 광학 요소들을 나타내는 다이어그램이다. 도 3에는 도 2에 따른 고속 원자힘 현미경의 구성요소가 간략하게 도시되었다. 제2 빔 스플리터(8)와, 제2 거울(10)과 같은 높이 상에는 각각 제1 레이저(20) 및 제2 레이저(30)가 인가될 수 있다. 제1 레이저(20)는 레드 레이저일 수 있다. 제2 레이저(30)는 블루 레이저일 수 있다. 레드 레이저는 635nm 파장의 레이저로서, 감지(detection) 용도로 사용될 수 있다. 블루 레이저는 405nm 파장의 레이저로서, 여기(excitation) 시키는 용도로 사용될 수 있다. 블루 레이저는 광열 여기 특성을 활용하여 캔틸레버를 강제로 진동시킬 수 있다. 접촉 모드(contact mode)로 사용할 경우에는 레드 레이저를 사용하고, 비접촉 모드(non-contact mode) 및 탭핑 모드(tapping mode)로 사용할 경우에는 레드 레이저 및 블루 레이저를 모두 사용할 수 있다.

이하에서는 레드 레이저를 이용하여 샘플을 관찰하는 경우를 가정하여 설명한다. 레드 레이저는 제2 빔 스플리터(8)를 향해 레드 레이저를 인가할 수 있다. 제2 빔 스플리터(8)는 레드 레이저를 S파와 P파로 분광하고, S파는 편광판(9) 방향으로 반사 될 수 있다. 편광판(9)으로 입사된 레드 레이저는 편광 방향이 일정 각도 변화하여 캔틸레버를 향해 인가될 수 있다. 제2 거울(10)은 레드 레이저는 통과시키고, 블루 레이저는 반사시킬 수 있다. 대물 렌즈(11)는 제2 거울(10)로부터 인가된 레드 레이저 및 블루 레이저를 포커싱 하고, 캔틸레버의 뒷면에 초점을 형성한다. 제2 스캐너(13) 및 제1 스캐너(15)는 캔틸레버를 이용한 스캔 중 미세한 변위를 조절할 수 있다.

AFM 프로브(14)는 끝단에 위치한 팁(14c)을 이용하여 샘플 표면에 접촉하거나 혹은 비접촉 모드, 탭핑 모드를 이용하여 샘플을 인지한다. 샘플 표면의 원자와 캔틸레버의 끝에 달린 팁(14c) 사이의 원자력은 캔틸레버를 아래 또는 위로 휘게 하고, 캔틸레버의 각도 변위는 캔틸레버에서 반사되는 레이저 광선의 각도를 편향시킨다. 캔틸레버에서 반사되는 레이저 빔의 편향 정도를 포토다이오드(PSPD)(4)로 측정함으로써 샘플 표면의 굴곡을 알아낼 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명에 따른 결합 장치(12)의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 4(a)는 본 발명에 따른 결합 장치(12)의 측면도이다. 도 4(b)는 도 4(a)의 결합 장치(12)를 B축으로 자른 단면도이다. 도 4(c)는 본 발명에 따른 결합 장치(12)의 사시도이다. 도 4(d)는 본 발명에 따른 AFM 프로브(14)의 사시도이다.

이해를 돕기 위해 도 4에서의 결합 장치(12)는 본 발명에 따른 결합 장치(12)에 제2 스캐너(13), 제2 스캐너 마운트(13'), AFM 프로브 마운트(14') 및 AFM 프로브(14)가 결합된 상태로 도시되었다. 그러나 결합 장치(12)는 제2 스캐너(13), 제2 스캐너 마운트(13'), AFM 프로브 마운트(14') 및 AFM 프로브(14)와 분리된 객체일 수 있다.

도 4(a)에 따르면 결합 장치(12)의 상부면은 대물 렌즈(11)에 나사 형태로 결합될 수 있도록 대물 렌즈(11)에 대응하는 직경을 가지는 상부 홈이 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 상부 면에는 대물 렌즈(11)와 물리적으로 결합하기 위한 상부 홈이 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 상부 면의 직경은 대물 렌즈(11)보다 큰 직경을 가지도록 구성될 수 있다. 결합 장치(12)는 대물 렌즈(11)와 결합 구조를 형성할 때 대물 렌즈(11)를 감싸는 형상으로 형성될 수 있다.

결합 장치(12)의 하부 면에는 제2 스캐너(13)가 장착될 수 있는 홈(120)이 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 하부 면에 형성되는 홈(120)은 제2 스캐너(13)의 수직 방향 길이에 대응하는 깊이만큼 파여져 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 하부 면에 형성되는 홈(120)은 제2 스캐너(13) 및 제2 스캐너 마운트(13')의 수직 방향 길이에 대응하는 깊이만큼 파여져서 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 하부 면에 형성되는 홈(120)의 깊이는 대물 렌즈의 초점 거리(focal length)에 대응하는 깊이일 수 있다.

도 4(b)는 도 4(a)의 결합 장치(12)를 B축으로 자른 단면도이다. 결합 장치(12)는 나사(16)를 통해 대물 렌즈(11)와 결합할 수 있다. 결합 장치(12)의 하부 면에는 홈(120)이 형성되며, 하부 면에 형성된 홈(120)과 인접한 측면에는 절단된 일 측면(121)이 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 하부 면에 형성된 홈(120)은, 결합 장치(12)의 중심축을 기준으로 어느 한쪽 방향에 형성될 수 있다. 절단된 일 측면(121)은, 결합 장치(12)의 중심축을 기준으로 홈(120)이 형성된 측면과 다른 방향에 형성될 수 있다.

결합 장치(12)는 하부 면에 형성된 홈(120)을 통해 제2 스캐너(13)를 장착할 수 있다. 홈(120)은 결합 장치의 하부 면에 형성되고, 제2 스캐너(13)는 결합 장치(12)에 형성된 홈(120)에 장착되어 결합 구조를 형성할 수 있다.

제2 스캐너(13)는 제2 스캐너 마운트(13')를 통해 결합 장치(12)와 연결될 수 있다. 제2 스캐너 마운트(13')는 결합 장치(12)의 홈의 가장 안쪽에 장착되어, 제2 스캐너를 결합 장치(12)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 제2 스캐너(13)의 하부 면에는 AFM 프로브 마운트(14')가 장착될 수 있고, AFM 프로브 마운트(14')에는 AFM 프로브(14)가 결합될 수 있다. AFM 프로브(14)의 일 실시 예는 도 4(d)에 도시된다. 도 4(d)에 따르면 AFM 프로브(14)는 홀더(14a), 캔틸레버(14b) 및 팁(14c)을 포함할 수 있다. AFM 프로브 마운트(14')는 AFM 프로브(14)와 연결되어 지지 및 고정을 하는 역할을 수행할 수 있다.

결합 장치(12)의 하부 면에 형성되는 절단된 일 측면(121)은 결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합했을 때, 일 측면(121)과 제1 스캐너(15) 상에 샘플이 배치되는 면이 서로 평행한 구조를 가지는 각도로 절단되어 형성될 수 있다. 결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합된 상태에서 제1 스캐너(15)에 샘플이 배치되는 면과 평행한 면(121)을 가지도록 결합 구조를 형성함으로써, 제1 스캐너(15)의 상면에 위치한 샘플과의 거리를 평행하게 유지할 수 있다.

도 4(c)는 본 발명에 따른 결합 장치(12)의 사시도이다. 도 4(c)의 결합 장치(12)의 사시도에 따르면, AFM 프로브(14)는 결합 장치(12)의 하부 면으로부터 돌출되어 형성될 수 있다. 도 4(c)의 결합 장치(12)의 사시도에 따르면, 제2 스캐너(13)는 결합 장치(12)로부터 일정 부분 돌출되어 형성될 수 있다. 또는, 제2 스캐너(13)는 결합 장치(12)로부터 돌출되지 않고 형성될 수 있다. AFM 프로브(14)가 결합 장치(12)의 하부 면으로 돌출되어 형성됨으로써 샘플에 접근이 보다 용이할 수 있다.

전술한 바에서, 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 결합 장치(12)의 구조를 도시하였다. 그러나 결합 장치(12)의 일 실시 예는 이에 한정되지 아니하며, 제2 스캐너(13)를 대물 렌즈(11)에 결합하도록 구성될 수 있으며, 결합 했을 때 제1 스캐너(15)와의 완전한 분리가 이루어지는 구조라면 통상의 기술자의 지식 수준에서 변경 가능한 범위로 설계될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경에서의 결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합되는 구조를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 결합 장치(12)는 대물 렌즈(11)에 나사 방식을 통해 결합될 수 있다.

결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합되는 구조에서, 결합 장치(12)의 절단된 일 측면(121)이 제1 스캐너(15) 상에 샘플이 위치하는 면과 평행하는 위치에서 결합될 수 있다. 결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합되는 구조적 위치에서, 결합 장치(12)의 중심축을 기준으로, 절단된 일 측면(121)은 홈(120)과 비교하여 제1 스캐너(15) 상에 위치하는 샘플과 더 가까운 위치에 위치할 수 있으며, 홈(120)은 절단된 일 측면(121)과 비교하여 제1 스캐너(15) 상에 위치하는 샘플과 더 먼 위치에 위치하도록 결합 구조가 형성될 수 있다. 샘플과 더 가까운 위치 및 더 먼 위치를 결정하는 기준은 샘플과 절단된 일 측면(121), 샘플과 홈(120) 간의 수직 거리를 기준으로 판단할 수 있다.

즉 측면에서 바라보았을 때, 샘플과 절단된 일 측면(121) 간의 수직 거리는, 샘플과 홈(120) 간의 수직 거리보다 가깝도록 결합 장치(12)는 대물 렌즈(11)에 결합될 수 있다. 샘플과 홈(120) 간의 수직 거리를 측정할 때는, 홈(120)이 형성되는 표면과 샘플 간의 거리로 측정할 수 있다. 이 때 샘플과의 수직 거리를 측정할 때의 샘플의 높이는 모두 일정한 것으로 가정한다.

결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 결합되었을 때, 홈(120)에 결합되는 제2 스캐너(13)의 하부에는 AFM 프로브 마운트(14') 및 AFM 프로브(14)가 결합될 수 있다. AFM 프로브(14)는 홀더(14a), 캔틸레버(14b) 및 팁(14c)을 포함할 수 있다. 캔틸레버(14b)의 끝단의 팁(14c)은 샘플을 향한 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 결합 장치(12)의 일 측면(121)과 결합 장치(12)의 홈(120)에 장착된 제2 스캐너(13)의 하부의 AFM 프로브(14)에 포함된 캔틸레버의 팁(14c)까지의 수직 거리는 3.2mm일 수 있다. 본 발명에서는 AFM 프로브(14)와 제2 스캐너(13)가 장착되는 결합 장치(12)가 대물 렌즈(11)에 타이트하게 결합됨으로써 모니터를 통해 캔틸레버를 쉽게 찾을 수 있다. 또한, 광학적 정렬 역시 용이한 효과가 존재한다.

도 6은 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경을 측면에서 바라본 도면이다.

도 6(a)는 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경을 나타낸 도면이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 고속 원자힘 현미경을 C축으로 자른 단면도를 나타낸다. 도 6(b)에서와 같이, 본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경은 구조의 특성상 대물 렌즈(11)는 제1 스캐너(15)와 수직한 축을 기준으로 일정 각도로 기울어진 채로 제공될 수 있다. 결합 장치(12)는 기울어진 대물 렌즈(11)의 끝단에 결합되므로, 결합될 경우 제1 스캐너(15)와 수직한 축을 기준으로 일정 각도만큼 기울어져 제공될 수 있다. 결합 장치(12)는 전술한 바와 같이 대물 렌즈(11)의 끝단에 결합되어, 결합 장치(12)의 하부 면에 형성된 홈(120)에 제2 스캐너 마운트(13') 및 제2 스캐너(13)가 장착될 수 있다. 제2 스캐너(13)의 하부에 장착되는 AFM 프로브(14)의 팁(14c)은 제1 스캐너(15)의 샘플의 위치와 가까운 쪽으로 연장되어 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 일 측면(121)은 제1 스캐너(15)와 평행한 각도를 가지도록 형성될 수 있다. 결합 장치(12)의 일 측면(121)은 대물 렌즈(11)에 결합 시에 제1 스캐너(15)와 평행한 각도를 가지도록 형성됨으로써 샘플과의 불필요한 접촉을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 고속 원자힘 현미경에서는 제1 스캐너(15)와 제2 스캐너(13)를 완전히 분리하는 구조를 통해, 제1 스캐너(15)와 제2 스캐너(13) 사이의 크로스 커플링 문제를 해결할 수 있다. 이로 인해 제1 스캐너(15)와 제2 스캐너(13) 사이의 크로스 커플링 문제는 해결되나, 두 개의 축이 공존하는 제1 스캐너(13) 상의 크로스 커플링 문제는 일부 남아 있을 수 있다. 본 발명에서는 컴퓨터 코딩을 통한 피드백 회로를 활용하여 제1 스캐너(13) 상의 크로스 커플링 문제를 보상할 수 있다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

11 : 대물 렌즈
12 : 결합 장치
13 : 제2 스캐너
13' : 제2 스캐너 마운트
14 : AFM 프로브
14' : AFM 프로브 마운트
15 : 제1 스캐너

Claims (8)

1. 평면 방향의 변위의 조절이 가능한 제1 스캐너;
   상기 평면 방향과 수직한 방향의 변위의 조절이 가능한 제2 스캐너;를 포함하고,
   상기 제1 스캐너로 조절되는 변위와 상기 제2 스캐너로 조절되는 변위는 서로 독립적인 고속 원자힘 현미경.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고속 원자힘 현미경은
   상기 제1 스캐너 상에 배치되는 샘플에 레이저를 포커싱하는 대물렌즈;를 더 포함하고,
   상기 제2 스캐너는 상기 대물렌즈에 결합 장치를 통해 결합되는 고속 원자힘 현미경.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너와 물리적으로 분리된 것을 특징으로 하는 고속 원자힘 현미경.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 결합 장치의 일 측면에는 상기 제2 스캐너가 장착될 수 있는 홈이 형성되는 고속 원자힘 현미경.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 결합 장치에 홈이 형성된 측면과 다른 측면에는
   상기 제1 스캐너에 샘플이 배치되는 면과 평행한 면을 가지도록 형성되는 고속 원자힘 현미경.
   
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 스캐너는 270kHz 이상의 공진주파수를 가지는 압전 칩을 포함하는 고속 원자힘 현미경.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 스캐너에는 캔틸레버를 포함하는 AFM 프로브;가 장착되고,
   상기 AFM 프로브는 상기 AFM 프로브가 장착된 제2 스캐너의 공진주파수가 50kHz 이상의 공진주파수를 가지도록 조절된 질량을 가지는 것을 특징으로 하는 고속 원자힘 현미경.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 AFM 프로브는 상기 결합 장치로부터 돌출되어 제공되는 고속 원자힘 현미경.

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