KR20220052365A - 원자 나노 포지셔닝 장치 - Google Patents

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KR20220052365A
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actuator
nano
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probe
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KR1020227010352A
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로버트 에이. 울코우
제이슨 엘. 피터스
마크 살로몬스
Original Assignee
내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다
더 거버너스 오브 더 유니버시티 오브 알버타
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Abstract

적어도 하나의 액츄에이터를 포함하는 정밀 및 비정밀 나노 포지셔닝을 위한 나노 포지셔닝 시스템으로서, 적어도 하나의 액츄에이터는 높은 퀴리 온도 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 정밀 및/또는 비정밀 모션을 생성하도록 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템. 나노 포지셔닝 시스템은 독립형(stand-alone) 시스템, 주사 탐침 현미경, 또는 비정밀 스테핑을 사용하여 기판의 제1 영역에 대해 탐침을 포지셔닝하는 단계 및 탐침을 포지셔닝하고 60초 미만 후에 정밀 모션을 사용하여 기판의 제1 영역과 상호작용하는 단계를 포함하는 무크립(creepless) 나노 포지셔닝 방법을 수행하도록 구성된 기존 현미경 부착물이다. 주사 탐침 현미경의 움직임은 크립, 히스테리시스 및 노화를 제한 및/또는 제거하는 높은 퀴리 온도 압전 재료에 의해 작동된다.

Description

원자 나노 포지셔닝 장치
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은 2019년 8월 29일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 62/893,338의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
[기술분야]
본 발명은 나노 포지셔닝 시스템 분야, 더욱 특별하게는 주사 탐침 현미경용 압전 나노 포지셔닝 시스템을 포함한 압전 액츄에이터 분야에 관한 것이다.
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, 상보성 금속산화물 반도체) 기술의 소형화가 근본적인 한계에 가까워짐에 따라 미국 특허 출원 번호 16/318,262에 개시된 바와 같은 원자 수준에서 구축된 대안이 개발되었다.1,2,3
주사 탐침 현미경(scanning probe microscope, SPM)은 원자를 포함한 나노 규모의 표면 및 구조의 이미지를 만드는 데 사용되는 도구류이다. 그들은 물리적 탐침을 사용하여 샘플 표면을 앞뒤로 스캔한다. 이 스캔 과정에서, 컴퓨터는 표면의 이미지를 생성하는 데 사용되는 데이터를 수집한다. SPM에는 여러 유형이 있다. 몇 가지 예로는 원자력 현미경, 자기력 현미경 및 주사 터널링 현미경이 있다. 원자력 현미경(AFM)은 캔틸레버 팁과 샘플 사이의 힘을 측정한다. 자기력 현미경(MFM)은 자기력을 측정한다. 주사 터널링 현미경(STM)은 팁과 샘플 사이에 흐르는 터널링 전류를 측정한다.
SPM에는 단일 원자만큼 예리할 수 있는 탐침 팁이 있다. 이 팁은 표면을 가로질러 심지어 원자 단위까지 정밀하고 정확하게 앞뒤로 이동된다. 팁이 샘플 표면 근처에 있을 때 SPM은 터널링 전류, 정전기력, 자기력, 화학적 결합, 반 데르 발스 힘 및 모세관력을 비롯한 다양한 효과로 인한 팁-표면 상호 작용을 측정할 수 있다. SPM은 단일 원자의 지름에 해당하는 나노미터의 몇 분의 1인 높이 차이를 감지할 수 있다. 컴퓨터는 데이터를 결합하여 이미지를 생성한다.
나노 규모의 구조를 시각화하는 것 외에도, SPM은 개별 원자와 분자를 조작하고 이들을 이동시켜 특정 패턴을 만드는 데 사용된다.
주사 탐침 현미경(SPM)은 Cu(111) 표면의 Fe 원자를 사용하는 스핀 기반 로직4, 실리콘의 인 도펀트를 사용하는 단일 원자 트랜지스터5, 및 수소 종단 처리 실리콘(hydrogen-terminated silicon, H-Si)의 댕글링 본드(DB)를 사용하는 이진 원자 와이어 및 로직 게이트6를 비롯한 여러 가지의 다양한 원자 규모의 장치 제작을 위한 수단을 제공하였다. H-Si 표면의 수소 탈착은 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술을 넘어 차세대의 최종적으로 소형화된 저전력 나노전자 소자를 위한 DB 기반의 회로 생성을 가능하게 한다.
수소 종단 처리 실리콘 표면은 원자 규모의 원자 회로 및 이진 데이터 저장을 위한 유망한 플랫폼이다. 이것은 무엇보다도 불활성, 열 안정성, 매우 낮은 결함 밀도, 특히 표면 댕글링 본드의 고유한 특성 때문이다. 격리된 댕글링 본드의 기본 속성은 광범위하게 연구되었다. 그들은 호스트 기판과 전자적으로 분리되어 있고 전하를 보유할 수 있어 원자 양자점으로 작용하는 것으로 나타났다. 그들은 정밀하게 배치되고 지워질 수 있다. 즉, 0 또는 1의 상태에 있을 수 있다. 양자-세포-자동자 세포(quantum-cellular-automaton cell), 이진 전송 와이어 및 이진 계산 게이트와 같은 다양한 기능 요소는 댕글링 본드를 서로 가깝게 배열하여 만들 수 있다. H-Si 표면의 댕글링 본드는 재기록 가능할 뿐만 아니라11,12,13 실온에서 안정적인 것으로 나타나14,15 이들을 원자 규모의 장치를 위한 우수한 후보로 만들었다.
H-Si 표면은 정렬된 다중 분자 라인의 자기 주도적 성장16,17 및 반응 에너지학18을 비롯한 표면 화학 연구에서 용도를 발견하였다. 주사 터널링 현미경(STM)의 탐침 팁을 사용한 H-Si(100)-2x1 표면으로부터 수소의 제어 가능한 탈착19은 표면 화학에 대한 보다 정밀한 연구20와 기초 장치의 제작을 가능하게 하였다.21,22 H-Si 표면의 DB에 대한 지속적인 연구로 더 복잡하고 실현 가능한 장치가 개발되었다.
이론상으로는, 이 기술의 능력은 현재 지배적인 CMOS 기술에 비해 더 작고 더 효율적이며 더 빠르고 저렴한 전자 제품을 제공한다. 이러한 장치 개념 및 기타 장치 개념의 설계에서 이루어진 진전에도 불구하고7,8,9,10 실제 구현은 기존 SPM 및 스캐너의 한계로 인해 제한되었다.
현재 SPM용 스캐너는 스캔 작업 중에 스캐너가 너무 빠르게 재포지셔닝(reposition)되거나 이동될 때 크립(creep)을 경험하는 경향이 있다. 크립은 전기장 구동 강유전성 폴링(ferroelectric poling) 과정의 변형이다. 모든 스캐너는 퀴리 온도 이상으로 스캐너를 가열하는 동안 전기장을 인가하여 폴링된다. 이 전기장은 스캐너 재료가 냉각될 때까지 유지되므로, 적용된 전기장이 0인 경우에도 잔류 분극 상태에 남아 있게 된다. 그러나 퀴리 온도보다 훨씬 낮은 상태에서도 스캐너를 작동시키면 어느 정도의 원치 않는 재폴링이 발생하여, 크립으로 알려진 비선형 거동으로 이어진다. 새 스캔 영역이 선택될 때마다 크립은 매우 눈에 띄고 매우 문제가 된다. 이는 SPM의 정밀 스캐너의 위치를 변경하여 새 영역에 도달하거나 SPM의 비정밀(coarse) X, Y(관성) 모터를 사용하여 새 위치를 선택하거나, 또는 비정밀 모터(coarse motor) 및/또는 정밀 스캐너를 이용한 샘플에 대한 초기 Z 접근 동안 해당된다.
탐침을 새 영역으로 이동하면, 크립으로 인해 스캔 이미지가 왜곡되고 연속 스캔에서 Z가 왜곡(distortion)되어 실질적으로 이동된 영역이 발생하는 몇 분 길이의 표류 효과(drifting effect)가 발생할 수 있다. 일상적인 스캔의 경우, 이 점근적 이동을 용인할 수 있을 만큼 최소화하기 위해서는 일반적으로 몇 분의 지연이 필요하다. 피코미터 수준의 정확도가 필요한 가장 정확한 측정의 경우, 측정을 시작할 수 있기 전에 수 시간 정도의 스캐너 휴식 시간이 필요하다. 느린 스캔 방향에서 큰 변화가 발생할 때, 예를 들어, 연속 이미지 스캔을 다시 시작할 때에도 크립이 나타날 수 있다. Z 범위는 일반적으로 최대값으로 확대되므로, 크립은 탐침으로 표면에 접근한 후에도 분명하다. Z 방향의 크립을 제거하는 데에는 상당한 시간이 필요하다.
폐쇄 루프 스캐너는 크립을 수정할 수 있지만, 이들은 복잡하고 스캐너 어셈블리에 추가 공간이 필요하다. 또한, 폐쇄 루프 스캐너는 비용이 많이 들고, 최고 수준의 정확도가 필요한 경우 스캔 속도를 줄여야 하는 경우가 많다. 폐쇄 루프 스캐너는 피드백 회로 및 작동으로 인해 더 낮은 포지셔닝 분해능을 생성할 수도 있다. 4 K에서 작업하면 크립을 크게 줄일 수 있지만, 대부분의 경우 극저온 작업에 추가되는 비용은 완전히 비현실적이다. 4 K에서 작업하는 것 외에 다른 선택이 없는 가장 까다로운 사례의 경우, 크립으로 인한 측정 한계가 남아 있다. 크립은 SPM에서 피할 수 없는 것으로 받아들여졌고 이 기술의 정확성, 효율성 및 적용 가능성을 제한하였다.
크립은 스틱 슬립 모드에서 전단 압전(shear piezo)을 이용한 비정밀 포지셔닝에도 존재한다. 즉, 관성 액츄에이터에 의한 전단 압전 스틱 슬립 모션에서, 크립은 스틱 슬립 모션 이후에 발생할 수 있다. 크립은 또한 위에서 논의한 바와 같이 스캐닝에 의해 야기되는 크립과 유사한 전단 플레이트 모터의 정밀 포지셔닝에서 발생할 수 있다. 이러한 상황에서는, 크립 수정을 위해 폐쇄 루프가 필요하며, (위에서 논의한 바와 같이) 폐쇄 루프 시스템의 일반적인 문제가 적용된다. 이러한 상황에서 나타나는 크립의 양은 측정되는 모션 유형에 비해 작지만, 여전히 크립이 존재한다. 그러나 기존 문헌에서는 크립 효과는 대부분 무시된다(압전 액츄에이터(PA)는 압전 관성 마찰 액츄에이터(piezoelectric inertia-friction actuator, PIFA) 시스템에서 고주파로 작동하고 크립 효과가 작기 때문이다. 분해능이 낮은 미크론 규모의 히스테리시스(hysteresis) 및 정전용량 위치 센서 연구와 같은 작업에서는 크립의 영향이 무시된다. 그러나 크립은 항상 발생하며, 규모의 문제로서, 원자 규모 제조와 같은 고해상도 적용 분야에서 무시될 수 없다.
또한, 압전 액츄에이터는 "노화(aging)"를 나타내며, 작동 온도 측면에서 제한된다. 노화는 디폴링(depoling)과 관련이 있다. 추가로, 일부 압전 재료(PZT)의 변위는 크립 및 히스테리시스로 인해 주파수에 따라 달라진다. 따라서, 삼각파의 램프율(ramp rate)과 진폭에 따라 단일 스텝의 변위가 달라질 수 있다.
따라서, 3개의 축 모두에서 정밀 스캐너 재포지셔닝 후 및 비정밀 모터를 사용한 재포지셔닝 후 크립 효과를 제거하여 상업적으로 실현 가능한 방식으로 더 빠르고 더 선명한 스캔을 제공하는 SPM용 시스템 및 방법이 필요하다. 추가로, 디폴링의 결과로 노화를 나타내지 않고 제한된 히스테리시스를 가지며 문제 없이 고온 스캐닝을 견딜 수 있는 압전 액츄에이터가 필요하다. 크립 없는 모션은 광학 리소그래피, 광학 거울 포지셔닝, SEM 이미징, 및 센싱과 같은 고분해능 포지셔닝이 필요한 다른 응용 분야에서도 바람직하다.
또한, 튜브 스캐너를 사용할 때 XY를 스캔할 때 튜브의 벤딩 모션으로 인해 이미지에서 배럴 왜곡이 관찰될 수 있으며, 이는 측정된 Z에 영향을 준다. 이러한 배럴 효과를 완화하기 위해, 튜브 스캐너는 일반적으로 작은 범위의 스캐너 한계 내에서 스캔된다.
따라서, 이 한계를 통해 XY를 스캔하면서 Z의 영향을 제한하는 나노 포지셔닝 시스템을 만들 필요가 있다.
본 발명은 적어도 하나의 액츄에이터를 포함하는 정밀 및 비정밀 나노 포지셔닝을 위한 나노 포지셔닝 시스템을 제공하며, 여기서 적어도 하나의 액츄에이터는 높은 퀴리 온도 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 정밀 및/또는 비정밀 모션을 생성하도록 구성된다. 나노 포지셔닝 시스템은 독립형(stand-alone) 시스템, 주사 탐침 현미경, 또는 비정밀 스테핑(coarse stepping)을 사용하여 기판의 제1 영역에 대해 탐침을 포지셔닝하는 단계 및 탐침을 포지셔닝하고 60초 미만 후에 정밀 스캐닝을 사용하여 기판의 제1 영역과 상호작용하는 단계를 포함하는 무크립(creepless) 나노 포지셔닝 방법을 수행하도록 구성된 기존 현미경 부착물이다. 주사 탐침 현미경의 움직임은 인가된 전압으로 활성화되는 높은 큐리 온도 압전 바이모르프에 의해 작동된다. 주사 탐침 현미경의 모션은 인가된 전압에 따라 2차적이다. 대안적으로, 주사 탐침 현미경의 움직임은 크립, 히스테리시스 및 노화를 제한 및/또는 제거하는 높은 퀴리 온도 압전 재료에 의해 작동된다. 본 발명은 스틱-슬립 작동에 의한 비정밀 모션과 전단 압전에 의한 정밀 모션을 둘 다 포함한다. 정밀 스캐닝 및 비정밀 모션은 바이모르프의 비 고정 말단에서 방향성 모션을 부과하기 위해 인가된 전압으로 압전이 휘는 바이모르프 구현으로 작동될 수도 있다. 크롤러 구현은 3개 이상의 방향성 액츄에이터를 한 번에 하나씩 차례로 전진시켜 기계적 또는 전기적 충격 없이 모터를 지속적으로 전진시킨다.
정의
본원에서 사용되는 "높은 퀴리 온도 압전 재료"는 600℃ 이상의 퀴리 온도를 갖는 압전 재료를 지칭한다. 높은 퀴리 온도 압전 재료의 예는 니오브산리튬, 리튬 탄탈라이트(lithium tantalite), PbTiNb2O8, PbZrNb2O8 및 CaBi2Nb2O9를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
본원에서 사용되는 용어 "정밀 모션"은 압전 액츄에이터와 부동 물체 사이의 접촉점이 고정되어 있고 압전 액츄에이터가 움직임에 따라 변경되지 않는, 압전 액츄에이터에 대해 부동인 물체, 예컨대, 스테이지와 접촉하는 압전 액츄에이터의 이동 또는 변위를 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "비정밀 모션"은 압전 액츄에이터와 부동 물체 사이의 접촉점이 압전 액츄에이터의 움직임에 따라 변경되는, 즉, 접촉점이 고정되어 있지 않은, 압전 액츄에이터에 대해 부동인 물체, 예컨대, 스테이지와 접촉하는 압전 액츄에이터의 이동을 지칭한다. 부동 물체에 대한 압전 액츄에이터의 움직임은 이산 단계(discrete step)로 발생하며, 압전 액츄에이터와 부동 물체 사이의 접촉점은 압전 액츄에이터가 움직임에 따라 변경된다.
본원에서 사용되는, 용어 "실질적으로"는 관심 특성 또는 성질의 전체 또는 거의 전체의 범위 또는 정도를 나타내는 정성적 상태를 지칭한다. 예를 들어, 특성 또는 성질이 실질적으로 없다는 것은 특성 또는 성질이 완전히 없거나 또는 의도한 성능 또는 성질에 전혀 영향을 미치지 않거나 오직 근소한 영향을 미칠 정도로 충분히 낮은 정도로 존재함을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "무크립" 및 "무히스테리시스" 스캐닝 또는 포지셔닝은 크립 또는 히스테리시스가 실질적으로 없는 스캐닝 또는 포지셔닝을 지칭한다.
설명
본 발명은 주사 탐침 현미경(SPM)을 위한 시스템 및 방법으로서, 그리고 3개의 축 모두에서 정밀 스캐너 재포지셔닝 후 및 비정밀 모터를 사용한 재포지셔닝 후에 크립 효과를 실질적으로 제거하고 히스테리시스 및 노화를 제한하여 상업적으로 실현 가능한 방식으로 더 빠르고 더 선명한 스캔을 제공하는 나노 포지셔닝 시스템으로서 유용성을 갖는다. 표준 압전 재료를 사용하여 달성할 수 없는 주파수 및 전압의 함수로서 일관된 단계를 제공함으로써 크립, 히스테리시스 및 노화가 제한되기 때문에23 비정밀 모터 포지셔닝이 또한 더욱 재현 가능할 수 있다.
결정질 실리콘은 4가이며 다이아몬드 격자를 형성한다. 각 규소 원자는 2개는 원자 위, 2개는 원자 아래에 있는 4개의 결합을 공유한다. 표면에서는 이러한 결합 중 2개가 충족되지 않아 결정이 더 낮은 에너지 구성으로 재편성된다. 어닐링 프로세스 동안 실리콘 표면에 원자 수소를 추가하면 세 가지 가능한 상 중 하나가 형성된다. 이러한 상을 형성할 가능성은 샘플이 제조되는 어닐링 온도에 의해 제어될 수 있다. 2x1 상은 약 300~350℃에서 형성되고 3x1 상은 약 100~150℃에서 형성되며 1x1 상은 약 20℃ 미만에서 형성된다.33,14,34 DB 패터닝에 가장 일반적으로 사용되는 것은 2x1 상 재구성으로, 여기서 각 표면 원자는 인접 표면 원자와 쌍을 이루어 이량체 쌍을 생성한다. 이량체 쌍은 표면을 가로질러 서로 평행하게 이어지는 행으로 형성된다. 표면에 있는 각 규소 원자는 하나의 만족되지 않은 결합을 남기고, 이 결합은 진공으로 확장되며 수소로 종단 처리되거나 비어 있는 상태로 남겨져 댕글링 본드를 생성할 수 있다. H-Si(100)-2x1 상의 제조는 잘 알려져 있지만, 완벽하게 깨끗하고 결함이 없는 표면을 만들기는 종종 어렵다. 이들 결함과 깨끗한 H-Si(100)는 STM을 사용하여 이미지화할 수 있다.
본 개시의 구현예는 3개의 축 모두에서 정밀 스캐너 재포지셔닝 후 및 비정밀 모터를 사용한 재포지셔닝 후에 크립 효과를 실질적으로 제거하는 주사 탐침 현미경(SPM) 적용을 위한 나노 포지셔닝 시스템 또는 스캐너를 제공한다. 본 개시의 SPM 시스템, 나노 포지셔닝 시스템 및 방법은 위치 변경과 왜곡 없이 새로운 영역에서의 스캔 시작 사이의 지연 시간을 제거함으로써 SPM 및 포지셔닝을 훨씬 더 효율적으로 만든다. 구현예에 따르면, 본 개시는 기판의 제1 영역에 대해 주사 탐침 현미경의 탐침을 포지셔닝하는 단계 및 탐침을 포지셔닝하고 60초 미만 후에 기판의 제1 영역을 스캐닝하는 단계를 포함하는 무크립 주사 탐침 현미경(SPM) 또는 나노 포지셔닝 방법을 제공한다. 본 개시의 스캐닝 또는 포지셔닝 시스템 및 방법은 무크립이므로, 종래 시스템의 긴 지연 시간 및 재폴링 시간과 비교하여 탐침의 포지셔닝 또는 재포지셔닝 직후에 스캐닝, 읽기 또는 쓰기가 시작될 수 있다.
구현예에 따르면, 무크립 SPM 또는 나노 포지셔닝 시스템의 시스템 및 방법은 기판의 스캔된 이미지를 SPM 기록하는 단계를 더 포함한다. 기록된 이미지에서, 도 5b에 도시된 것과 같은 이미지 뒤틀림 또는 왜곡이 제거되고, 데이터 수집 중 또는 후에 수정 알고리즘을 적용할 필요가 없다.
본 개시의 구현예는 종래의 폐쇄 루프 시스템보다 덜 복잡하고(따라서 더 컴팩트함), 덜 비싸고 덜 고장날 가능성이 있다. 또한 폐쇄 루프를 제거하면 포지셔닝 노이즈가 낮아지고 고속 AFM에서 스캔 속도가 증가한다. 본 개시의 구현예에 따르면, 스캐너/포지셔너(positioner)는 플러그 앤 플레이 모듈로서 기존 SPM 하부 구조에 쉽게 통합되어 값비싼 개발의 필요성을 줄이고 광범위한 채택을 용이하게 하는 부착물이다.
폴링 과정 중에 발생하는 미시적 변화를 연구함으로써, 본 개시의 시스템 및 방법은 거의 완벽한 스캐너를 생성하기 위해 정상적인 스캐닝 중에 원하지 않는 폴링의 효과적인 제거를 제공한다. 구현예는 시간을 절약하면서 오류를 크게 줄이면서 이미징 및 제작을 가능하게 하는 원자 선형 스캐너 또는 나노 포지셔너를 제공한다.
무크립 스캐닝/포지셔닝 시스템의 구현예는 정밀 모션 스캐너 및/또는 스틱-슬립 병진 장치로도 알려진 관성 병진 장치를 포함한다. 구현예에 따르면, 시스템의 모터 및/또는 다른 구성요소는 높은 퀴리 온도 강유전성 재료로 형성되고, 따라서 크립 및 히스테리시스가 실질적으로 없다. 특정 구현예에 따르면, 일반적인 정밀 모션 스캐너 및 스틱 슬립 유형의 병진 장치에 추가하여, 시스템은 또한 3개 이상의 방향성 액츄에이터 각각을 한 번에 하나씩 차례로 전진시켜 모터를 기계적 또는 전기적 충격 없이 연속적으로 전진시키는 크롤러를 포함한다. 크롤러는 피코미터의 증분으로 매우 정밀한 움직임을 만들 수 있다. 스틱-슬립 병진 장치로도 알려진 관성 병진 장치와 달리, 크롤러는 연속 모션 장치 또는 비 스틱 슬립 장치로 간주될 수 있다. 구현예에 따르면, 크롤러는 또한 높은 퀴리 온도의 강유전성 재료로 만들어진다. 크롤러는 기존의 관성 병진기의 동요, 진동하는 동작 및 수반되는 제어 전압의 크고 빠른 스윙 없이 매우 부드럽게 움직이는 추가적인 장점을 제공한다. 관성 병진기와 관련된 이러한 기계적 및 전기적 혼란은 이들로 구성된 민감한 기기 및 측정에 해로운 노이즈 효과를 갖는다. 크롤러는 이러한 노이즈와 혼란을 효과적으로 감소시킨다. 단계적으로가 아니라 매끄럽고 지속적으로 움직이기 위해, 크롤러는 더 복잡한 제어 신호와 더 정밀한 기계 공차를 필요로 한다. 예를 들어, 크롤러의 액츄에이터는 길이가 매끄럽게 수축된 후 모든 액츄에이터가 동일하게 동시에 확장되어 샘플 이동을 달성한다. 완전히 확장되면, 과정은 반복되어, 각 액츄에이터가 차례로 후퇴되어 해당 액츄에이터의 접촉점을 재포지셔닝하기 위해 구동하는 샘플/이동 스테이지와 액츄에이터 사이의 미끄러짐을 유발한다. 구동되는 이동 스테이지는 다른 액츄에이터 간의 마찰이 더 크기 때문에 부동 상태를 유지한다. 각 액츄에이터가 새로운 접촉점을 얻고 이동 스테이지의 움직임을 허용할 때까지 과정이 반복된다. 각 액츄에이터의 순서는 기존의 관성 병진기의 동요나 진동 없이 부드러운 모션을 제공하도록 시간을 맞출 수 있다.
구현예에 따르면, 본 발명은 또한 바이모르프 개념에 기초한 장거리 정밀 스캐너를 제공한다. 바이모르프는 종종 2개의 압전층 사이에 위치한 지지층이 있는, 압전 재료의 2개 층을 함께 결합하여 형성된 샌드위치형 액츄에이터이다. 두 개의 압전 재료가 함께 결합되어 전압 인가로 인한 전기장 하에서 하나의 압전층은 확장을 생성하고 다른 압전층은 수축을 생성하기 때문에 바이모르프는 굽힘 변형을 유발한다. 굽힘 운동은 바이모르프에서 압전 재료의 신장/수축에 대해 각도를 이루며, 압전 재료의 선형 길이 변화보다 훨씬 크다. 모션은 전압에 거의 2차적이다. 구현예에 따르면, 니오브산리튬과 같은 높은 퀴리 온도 압전 재료의 바이모르프는 원하는 크립 없는 모션을 달성한다. 구현예에 따르면, 본 발명은 둘 이상의 높은 퀴리 온도 압전 재료 바이모르프의 2D 스캐닝 어셈블리를 제공한다. 구현예에 따르면, 3D 스캐닝 어셈블리는 X, Y 및 Z 방향으로 스캐닝을 허용하는 3개(또는 그 이상)의 바이모르프 조합을 포함한다. 이러한 2D 및 3D 스캐너는 크립이 없는 우수한 특성을 갖는다. 이러한 2D 및 3D 스캐너는 또한 단순한 선형 또는 전단 액츄에이터(shear actuator)에 비해 비교적 큰 스캔 범위를 달성한다. 구현예에 따르면, 범위는 X 및 Y에서 약 100 미크론이고, Z에서 1 내지 10배 더 적다. 구현예에서, 범위는 X 및 Y에서 최대 250 미크론이다.
구현예에서, 지르콘산 납과 같이 일반적으로 적용되는 재료보다 훨씬 더 높은 퀴리 온도를 갖는 강유전성 재료가 사용된다. 기존 스캐너의 재료는 일반적으로 200~350℃의 퀴리 온도를 갖는다. 이에 반해, 본 발명에서 사용되는 높은 퀴리 온도의 압전 재료는 600℃ 초과의 퀴리 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 높은 퀴리 온도 재료는 약 1200℃의 퀴리 온도를 갖는다. 높은 퀴리 온도의 재료는 강유전체 물질일 수 있다. 니오브산리튬, 리튬 탄탈라이트, PbTiNb2O8, PbZrNb2O8 및 CaBi2Nb2O9와 같은 높은 퀴리 온도의 압전 재료가 유사한 무크립 거동을 제공할 수 있다는 점은 당업자에게 이해될 것이다.
구현예에 따르면, 본 발명은 또한 정밀 및 비정밀 포지셔닝(모션)을 제공하도록 구성된 나노 포지셔닝 시스템(10)을 제공한다. 일 구현예에서, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터(12)를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 액츄에이터는 높은 퀴리 온도의 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 정밀 모션을 생성하도록 구성된다. 구현예에서, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 비정밀 모션을 생성하도록 추가로 구성된다. 예를 들어, 전단 액츄에이터는 정밀 모션을 제공하기 위해 전단 모드로 작동되거나 비정밀 모션을 제공하기 위해 슬립 스틱 모드에서 작동될 수 있다. 전압이 인가되는 방식에 따라 정밀 모션 또는 비정밀 모션을 제공하도록 작동할 수 있는 다른 액츄에이터에는 바이모르프 액츄에이터(bimorph actuator) 및 종방향(longitudinal) 액츄에이터가 포함된다. 예를 들어, 전압이 변경/인가되는 속도와 전압 곡선의 형상(예를 들어, 삼각형 또는 톱니파형)이 달라질 수 있으며, 이에 따라 작동 모드가 비정밀에서 정밀로 변경될 수 있다.
도 1은 본 개시의 구현예에 따른 나노 포지셔닝 시스템(10)의 액츄에이터(12)를 도시하며, 액츄에이터(12)는 금속 플레이트(16)에 의해 분리된 복수의 니오브산리튬 전단 압전 결정(14)을 포함한다. 도 2는 나노 포지셔닝 시스템(10)의 부동 스테이지(18)를 보여주며, 부동 스테이지는 전압을 인가하기 위해 하나의 전극(20)에 의해 연결된 3개의 액츄에이터(12) 및 도 3의 이동 스테이지(28)의 V-홈(24) 및 플레이트(26)에 얹히도록 전극(20) 위에 위치되는 세라믹 볼(22)을 구비한다. 부동 스테이지(18)는 또한 도 3의 이동 스테이지(28)를 부동 스테이지(18)에 자기적으로 보유(magnetically hold)하기 위해 내부에 매립된 2개의 디스크 자석(30)을 갖는다. 이동 스테이지(28)는 도 3에 도시되어 있으며, 이동 스테이지(28)는 도 2의 3개의 세라믹 볼(22)이 얹히는 V-홈(24) 및 플랫 플레이트(26)를 구비하여, 한 축, 예를 들어, x축에서의 모션을 허용한다. 도 4는 나노 포지셔닝 시스템(10)의 조립된 2축 이전자의 사시도를 도시한다. 도 4의 조립된 이전자에서, x축 액츄에이터는 부동(중간) 스테이지(18)의 측면에 배치되고, y축 액츄에이터는 부동(중간) 스테이지(18)의 다른 측면에 배치된다. 상단 및 하단의 스테이지는 2개의 이동 스테이지(28, 28')이다. 이전자의 맨 아래 스테이지(28')는 부동 물체에 볼트로 고정되어 있기 때문에, 중간 스테이지(18)와 상단 스테이지(28)는 이전자의 x 및 y 모션이 된다.
다른 구현예에서, 나노 포지셔닝 시스템은 전술한 바와 같이, 정밀 모션을 위한 적어도 하나의 액츄에이터 및 비정밀 모션을 위한 적어도 하나의 제2 액츄에이터를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 높은 퀴리 온도의 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 의해 비정밀 스테핑을 생성하도록 구성된다. 구현예에서, 적어도 하나의 액츄에이터는 바이모르프 액츄에이터, 전단 액츄에이터, 또는 종방향 액츄에이터이다. 구현예에서, 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 바이모르프, 전단 또는 종방향 액츄에이터이다. 이러한 유형의 액츄에이터의 기본 설계 및 작동은 당업자에게 이해된다. 나노 포지셔닝 시스템은 정밀 모션, 또는 정밀 및 비정밀 모션 둘 다 가능한 단일 액츄에이터를 포함할 수 있거나, 또는 나노 포지셔닝 장치는 정밀 모션 또는 정밀 및 비정밀 모션 둘 다 가능한 복수의 액츄에이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 포지셔닝 시스템은 정밀 모션 또는 정밀 모션 및 비정밀 모션 둘 다 가능한 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20개 또는 그 이상의 액츄에이터를 포함할 수 있다. 유사하게, 정밀 모션 또는 정밀 모션 및 비정밀 모션 둘 다 가능한 액츄에이터(들)에 추가하여, 나노 포지셔닝 장치는 비정밀 모션이 가능한 단일 액츄에이터를 포함할 수 있거나, 비정밀 모션이 가능한 복수의 액츄에이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 포지셔닝 장치는 비정밀 모션이 가능한 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20개 또는 그 이상의 액츄에이터를 포함할 수 있다. 비정밀 모션이 가능한 액츄에이터는 본원에서 비정밀 모터로 지칭된다. 액츄에이터의 수는 원하는 이동 축 및 나노 포지셔닝 시스템의 기계적 설계에 따라 당업자가 선택할 수 있다. 일 구현예에서, 주사 탐침 현미경용 나노 포지셔닝 장치는 축당 부동 스테이지에 장착된 3개의 액츄에이터를 포함한다. 각 액츄에이터는 결정의 각 면에 전압을 인가하기 위해 금속 플레이트로 분리된 얇은 전단 니오브산리튬 압전 결정이 쌓여있는 것이다. 금속 플레이트에 걸친 교류 전압은 전단 작용을 생성하기 위해 결정에 걸쳐 장을 인가하는 것을 가능하게 한다. 결정은 적용된 전압장으로 전단 작용을 생성하기 위해 정확한 결정학적 배향을 요구하며, 이는 니오브산리튬의 벌크 단일 결정에서 결정이 절단되는 방식의 함수이다. 각 엑츄에이터의 상단에는 세라믹 볼이 있으며, 2개의 액츄에이터의 경우는 v-홈에, 세번째 액츄에이터의 경우는 플랫 플레이트에 얹혀 있다. v-홈 및 플레이트는 이동 스테이지에 장착된다. 이는 하나의 축에서 모션을 허용한다. 3개의 액츄에이터 모두에 적용된 장의 빠른 강하(10 ns)는 3개의 모든 액츄에이터에 대해 이동 스테이지가 약간(nm 내지 μm) 미끄러지게 하고 하나의 비정밀 단계를 구성한다. 3개의 액츄에이터의 장이 천천히(마이크로초) 변경되면 세라믹 볼이 v-홈과 플레이트에서 제자리를 유지하고, 이동 스테이지는 장에 정비례하여 앞뒤로 스캔할 수 있다. 이는 정밀 모션을 구성한다. 또 다른 세트의 액츄에이터는 부동 스테이지의 뒷면에 장착되고, 첫 번째 세트와 직각으로 이동 스테이지에 장착된 V-홈 및 플레이트 상에서 동작한다. 이는 3개의 액츄에이터의 두 번째 세트를 작동할 때 첫 번째 세트와 직교하는 모션을 유발한다. 이는 x 및 y 모션으로 이해할 수 있다.
본 개시의 나노 포지셔닝 시스템은 크립 또는 히스테리시스가 거의 또는 전혀 없어야 하는 정밀 및 비정밀 나노 포지셔닝이 요망되는 주사 탐침 현미경 이외 분야에서도 용도를 찾을 수 있다. 예를 들어, SEM, TEM용 포지셔닝 스테이지, 반도체 리소그래피용 정렬 스테이지, 정밀 거울 및 광학 스테이지 모션용 정렬 스테이지.
하기 실시예는 본 발명의 구체적인 비제한적인 실시예이다. 실시예에 제공된 구체적인 세부 사항은 첨부된 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1은 본 개시의 구현예에 따른 나노 포지셔닝 시스템의 액츄에이터를 도시하며, 액츄에이터는 금속 플레이트에 의해 분리된 복수의 니오브산리튬 전단 압전 결정을 포함한다.
도 2는 본 개시의 구현예에 따른 나노 포지셔닝 시스템의 부동 스테이지를 도시하며, 부동 스테이지는 전압을 인가하기 위해 하나의 전극에 의해 연결된 3개의 액츄에이터 및 도 3의 이동 스테이지의 v-홈 및 플레이트에 얹히도록 전극 위에 위치되는 세라믹 볼을 구비하며, 부동 스테이지는 또한 도 3의 이동 스테이지를 고정 스테이지에 자기적으로 보유하기 위해 내부에 매립된 2개의 자석을 구비한다.
도 3은 본 개시의 구현예에 따른 나노 포지셔닝 시스템의 이동 스테이지를 도시하며, 이동 스테이지는 도 2의 3개의 세라믹 볼이 얹히는 V-홈 및 플랫 플레이트를 구비하여, 한 축으로의 모션을 허용한다.
도 4는 본 개시의 구현예에 따른 나노 포지셔닝 시스템의 조립된 이전자(mover)의 사시도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 종래의 스캐너를 사용하는 실리콘(100) 표면의 실온 주사 터널링 현미경 이미지를 도시한 것으로, 도 5a는 제1 위치에서 표면의 스캔 이미지를 도시하고, 도 5b는 스캐너의 80 nm 측면 이동 후 표면의 스캔 이미지를 도시한다. 도 5b는 도 5a와 비교하여 행 피처(row feature)의 휘어진 양상에 의해 증명되는 상당한 크립을 보여준다.
도 5c 및 도 5d는 본 개시의 구현예에 따른 스캐너를 사용하는 실리콘(100) 표면의 실온 주사 터널링 현미경 이미지를 도시한 것으로, 도 5c는 제1 위치에서 표면의 스캔 이미지를 도시하고, 도 5d는 스캐너의 80 nm 측면 이동 후 표면의 스캔 이미지를 도시한다. 도 5d에서 행은 휘어지지 않고 직선으로 나타나며, 나아가 행의 기울기는 재포지셔닝 전에 찍은 도 5c에서와 동일하다.
도 6은 종래 스캐너(곡선) 및 본 개시의 구현예에 따른 크립 프리(creep-free) 스캐너(직선)에 대한 시간에 대한 크립율의 그래프를 도시한 것으로, 종래 스캐너의 선은 종래의 스캐너가 제어 신호가 일정함에도 불구하고 계속 이동하여(크립) 스캐닝이 진행됨에 따라 탐침의 재포지셔닝 및 스캔 영역의 원치 않는 이동 후에 얻은 도 5b의 스캔 이미지의 심각한 뒤틀림을 초래함을 보여주는 반면, 본 개시의 구현예에 따른 크립 프리 스캐너의 선은 탐침이 지시된 대로 이동하고 크립하지 않아 탐침 재포지셔닝 직후에 이미지가 기록되게 하여 도 5d에 도시된 바와 같이 정확하고 유용한 스캔을 신속하게 산출함을 보여준다.
실시예
각 유형의 스캐너에 대한 크립율을 측정 및 비교하기 위하여 실온 주사 터널링 현미경은 종래의 스캐너와 본 개시의 구현예에 따른 스캐너를 모두 구비한다. 비교 스캔을 위하여 실리콘(100) 샘플이 사용된다. 실리콘(100) 표면에 자연적으로 발생하는 행은 눈에 편리한 가이드를 제공한다. 행은 직선으로 나타나야 한다. 검출 가능한 크립 모션을 제거하기에 충분히 오랜 시간 동안 팁을 부동 상태로 둔 후, 종래의 스캐너 및 본 개시의 스캐너를 사용하여 이미지를 기록한다. 종래의 스캐너에 의해 생성된 이미지를 도 5a에 도시하였고, 본 개시의 스캐너를 이용하여 생성된 이미지는 도 5c에 도시하였다.
그런 다음 팁을 80 nm만큼 측면으로 재포지셔닝하고, 새 스캔을 즉시 시작한다. 새 스캔의 이동 및 시작을 프로그램 제어 하에 수행하여 시기 선택의 작동자 관련 변동을 제거한다. 도 5b는 재포지셔닝 후 종래의 스캐너에 의해 기록된 이미지를 도시한다. 도 5d는 재포지셔닝 후 본 개시의 스캐너에 의해 기록된 이미지를 도시한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 재포지셔닝 후 종래의 스캐너에 의해 기록된 이미지는 크립으로 인한 이미지의 왜곡 또는 휨을 포함한다. 또한, 재포지셔닝 전(도 5a)과 재포지셔닝 후(도 5b) 종래의 스캐너에 의해 기록된 이미지를 비교하면 행의 기울기가 차이가 나는데, 이는 크립이 아직 완전히 감쇠되지 않았음을 나타낸다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 재포지셔닝 후 본 개시의 스캐너로 기록된 스캔 이미지의 행은 휘어지지 않고 직선으로 나타나며, 나아가 재포지셔닝 전과 후에 찍은 이미지에서 행의 기울기는 동일하다. 이미지는 약 1분 내지 30분 동안 수집하였다.
이 실시예에서, STM 이미지는 푸리에 필터링을 하여 원자 규모의 피처를 제거하여, 그에 의해 행 구조와 크립으로 인한 왜곡을 강조하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 스캐너(도 6의 곡선)는 제어 신호가 일정함에도 불구하고 계속 이동하여(크립) 스캐닝이 진행됨에 따라 탐침의 재포지셔닝 및 스캔 영역의 원치 않는 이동 후에 얻은 도 5b의 스캔 이미지의 심각한 뒤틀림을 초래한다. 도 6은 종래의 스캐너의 크립율이 무시할 수 있게 되기 전까지 100초 이상이 경과한 것을 보여준다. 대조적으로, 본 개시의 스캐너(도 6의 아래의 선)는 즉시 새로운 위치에 고정되고 지시된 대로 이동하며 크립하지 않아, 탐침 재포지셔닝 직후에 이미지를 기록할 수 있어 도 5d에 도시된 바와 같이 정확하고 유용한 스캔을 신속하게 산출한다.
본원에 인용된 참고문헌 및 특허 문헌은 각 참고문헌이 개별적으로 및 명시적으로 참조로 포함된 것과 동일한 정도로 참조로 포함된다.
당업자는 이전의 상세한 설명 및 도면과 청구범위로부터 인식할 바와 같이, 다음의 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 발명의 바람직한 구현예에 대한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.
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Claims (23)

  1. 정밀 및 비정밀 나노 포지셔닝을 위한 나노 포지셔닝 시스템으로서, 적어도 하나의 액츄에이터를 포함하고, 적어도 하나의 액츄에이터는 높은 퀴리 온도의 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 정밀 모션을 생성하도록 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 비정밀 모션을 생성하도록 추가로 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 액츄에이터는 전단 액츄에이터, 종방향 액츄에이터, 또는 바이모르프 액츄에이터인 나노 포지셔닝 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제2 액츄에이터를 추가로 포함하고, 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 높은 퀴리 온도의 재료를 포함하고, 나노 포지셔닝 시스템은 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 의해 정밀 모션을 생성하도록 추가로 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 전압을 인가하여 적어도 하나의 제2 액츄에이터에 의해 비정밀 모션을 생성하도록 추가로 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 바이모르프 액츄에이터, 종방향 액츄에이터, 또는 전단 액츄에이터인 나노 포지셔닝 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 액츄에이터는 바이모르프 액츄에이터 또는 전단 액츄에이터이고, 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 전단 액츄에이터이거나 크롤러의 구성요소인 나노 포지셔닝 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침을 추가로 포함하고, 적어도 하나의 액츄에이터는 탐침을 제어 가능하게 포지셔닝하도록 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침을 추가로 포함하고, 적어도 하나의 액츄에이터 및 적어도 하나의 제2 액츄에이터는 탐침을 제어 가능하게 포지셔닝하도록 구성되는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 퀴리 온도의 재료는 높은 퀴리 온도의 강유전체 재료인 나노 포지셔닝 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 퀴리 온도 재료는 인가된 전압 주파수 및 진폭의 함수로서 실질적으로 일관되고 실질적으로 히스테리시스 및 크립이 없는 모션을 제공하는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 퀴리 온도의 재료는 XY 모션으로부터 분리되는 Z 모션을 제공하는 것인 나노 포지셔닝 시스템.
  13. 나노 포지셔닝 방법으로서,
    비정밀 모션을 사용하여 기판의 제1 영역에 대해 탐침을 포지셔닝시키는 단계; 및
    탐침을 포지셔닝하고 60초 미만 후에 정밀 모션을 사용하여 기판의 제1 영역을 읽거나, 쓰거나, 스캐닝하는 단계를 포함하고,
    여기서 나노 포지셔닝은 실질적으로 무크립인 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 탐침은 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscopy; SPM)의 탐침인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 기판의 제1 영역의 주사 탐침 현미경(SPM) 이미지를 기록하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, SPM 이미지는 실질적으로 왜곡이 없는 것인 방법.
  17. 제13항에 있어서, 탐침은 정밀 스캐너 재포지셔닝 기술을 사용하여 포지셔닝되는 것인 방법.
  18. 제13항에 있어서, 비정밀 스테핑은 주사 탐침 현미경의 비정밀 모터를 사용하여 수행되는 것인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 데이터를 해석하도록 구성된 프로세서에 기판의 제1 영역을 읽기, 쓰기, 또는 스캐닝함으로써 획득한 데이터를 통신하는(communicating) 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 기판은 수소 종단 처리된 Si(100) 표면인 방법.
  21. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침의 이동은 인가된 전압으로 활성화되는 높은 퀴리 온도의 압전 재료 바이모르프에 의해 작동되는 것인 방법.
  22. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 구성된 나노 포지셔닝 시스템.
  23. 기존 주사 탐침 현미경에 대한 부착물로서, 상기 기존 주사 탐침 현미경이 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법을 수행할 수 있게 하는 것인 상기 부착물.
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