KR20240023166A - 실시간 드리프트 보정을 사용한 afm 이미징 - Google Patents

Abstract

관심 영역의 레퍼런스 이미지(평면)를 생성하기 위해 데이터 스캔의 저속 스캔 방향으로 원자력 현미경의 프로브와 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하는 것을 포함하는 원자간력 현미경(AFM) 작동 시스템 및 방법. 그런 다음, 최종 데이터 스캔의 고속 스캔 방향으로 프로브와 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하여 데이터 이미지를 생성한다. 공급하는 단계 동안 실시간으로 레퍼런스 이미지에 대해 데이터 이미지를 매핑함으로써, 바람직한 실시예는 획득 이미지 후처리 없이 최종 드리프트 보정된 데이터 이미지를 생성한다.

Description

실시간 드리프트 보정을 사용한 AFM 이미징

바람직한 실시예는 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy)(AFM), 특히 AFM 데이터 수집에서 드리프트(drift)를 보상하기 위한 실시간 방법에 관한 것이다.

원자력 현미경(atomic force microscopies)(AFMs)과 같은 스캐닝 프로브 현미경(Scanning probe microscopes)은 팁(tip)을 가지며, 팁으로 하여금 표면을 원자 단위까지 특성화하기 위해 적절한 힘으로 샘플의 표면과 상호작용하도록 프로브(probe)를 채용하는 전형적인 장치이다. 일반적으로, 프로브는 샘플의 표면에 삽입되며 팁과 샘플 사이에 상대적인 스캐닝 이동을 제공하여, 표면 특성 데이터가 샘플의 특정 영역을 통해 획득될 수 있고, 샘플의 대응하는 맵이 생성될 수 있다.

전형적인 AFM 시스템은 도 1에 개략적으로 도시된다. 캔틸레버(cantilever)(15)를 갖는 프로브(probe)(14)를 포함하는 프로브(probe)(12)를 사용하는 AFM(10). 스캐너(scanner)(24)는 프로브-샘플 상호작용이 측정되는 동안 프로브(14)와 샘플(sample)(22) 사이에서 상대 모션을 생성한다. 이러한 방식으로 샘플의 이미지들 또는 다른 측정값들이 얻어질 수 있다. 스캐너(scanner)(24)는 일반적으로 보통 3개의 직교 방향들(orthogonal directions)(XYZ)로 모션을 생성하는 하나 이상의 액추에이터들(actuators)로 구성된다. 종종, 스캐너(24)는 예를 들어, 압전(piezoelectric) 튜브 액추에이터와 같이 3개의 축들 모두에서 샘플 또는 프로브를 이동시키는 하나 이상의 액추에이터르 포함하는 단일 통합 유닛이다. 대안적으로, 스캐너는 다수의 분리된 액추에이터들의 어셈블리일 수 있다. 일부 AFM들은 스캐너를, 예를 들어 샘플을 이동하는 XY 스캐너 및 프로브를 이동하는 분리된 Z-액추에이터와 같은, 다수의 구성요소들로 분리한다. 따라서, 장비(instruments)는 예를 들어, 한스마 등(Hansma et al.)의 미국 특허 번호(U.S. Pat. No. RE) 34,489; 엘링스 등(Elings et al.)의 미국 특허 번호(U.S. Pat. No.) 5,266,801; 및 엘링스(Elings et al.) 등 미국 특허 번호(U.S. Pat. No.) 5,412,980에서 설명되는 것과 같이 샘플의 지형(topography) 또는 일부 다른 표면 특성을 측정하는 동안 프로브 및 샘플 사이의 상대적인 모션을 생성하 수 있다.

일반적인 구성에서, 프로브(14)는 종종 진동(oscilating) 액추에이터 또는, 캔틸레버(15)의 공진 주파수 또는 그 근처에서 프로브(14)를 구동하는데 사용되는 드라이브(drive)(16)에 결합된다. 대안적 배치들은 디플렉션(deflection), 토션(torsion), 또는 캔틸레버(15)의 다른 모션을 측정한다. 프로브(14)는 종종 팁(tip)(17)이 통합된 미세가공된(microfabricated) 캔틸레버이다.

일반적으로, 액추에이터(16)(또는 대안적으로 스캐너(24))가 프로브(14)를 진동하도록 가동시키기 위해 SPM 제어기(controller)(20)의 제어 하에 시그널 소스(18)로부터의 전자 시그널이 인가된다. 프로브-샘플 상호작용은 전형적으로 제어기(controller)(20)에 의한 피드백을 통해 제어된다. 특히, 액추에이터(16)는 스캐너(24) 및 프로브(14)에 커플링 될 수 있지만, 자가-구동식(self-actuated) 캔틸레버/프로브의 일부로서 프로브(14)의 캔틸레버(15)와 일체로 형성될 수 있다.

종종 선택된 프로브(14)는, 앞서 설명된 바와 같이, 프로브(14)의 진동의 하나 이상의 특성 변화를 검출함으로써 샘플 특성들이 모니터링됨에 따라 샘플(sample)(22)에 접촉되고 진동된다. 이와 관련하여, 디플렉션 검출 장치는 전형적으로 빔을 프로브(14)의 후측을 향하도록 하기 위해 이용되고, 이후 빔은 검출기(detector)(26)를 향해 반사된다. 빔이 검출기(26)를 가로질러 이동함에 따라, 블록(block)(28)에서 적절한 시그널들이 처리되어(processed), 예를 들어, RMS 디플렉션을 결정하고 이를 제어기(20)로 전송하며, 이는 프로브(14)의 진동 변화를 결정하기 위해 신호를 처리한다. 일반적으로, 제어기(20)는, 프로브(14) 진동의 설정점(setpoint) 특성을 유지하기 위해, 팁 및 샘플 사이의 상대적으로 일정한 상호작용(또는 레버(lever)(15)의 디플렉션)을 유지하기 위해 제어 시그널들을 생성한다. 보다 특히, 제어기(20)는, 설정점과 팁-샘플 상호작용에 의한 프로브 편향(probe deflection)에 대응하는 신호를 회로(circuit)(30)와 비교하여 획득된 에러 시그널을 조건화하는(condition) 고전압 증폭기(High Voltage Amplifier)(34) 및 PI 이득 제어 블록(PI Gain Control block)(32)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(20)는, 팁과 샘플 사이의 일반적으로 일정한 힘을 보장하기 위해, 설정점 값 A_S에서 진동 진폭을 유지하기 위해 종종 사용된다. 대안적으로, 설정점 위상 또는 주파수가 사용될 수 있다.

워크스테이션(workstation)(40)은 또한, 제어기(20) 내에 및/또는 분리된 제어기 또는 연결된 시스템 또는 독립형(stand-alone) 제어기들 내에 제공되고, 이는 제어기로부터 수집된 데이터를 수신하고 포인트 선택, 커브 피팅, 및 거리 결정 동작들을 수행하기 위해 스캐닝 중에 획득된 데이터를 조작한다.　

AFM은 접촉 모드 및 진동 모드를 비롯한 다양한 모드로 동작하도록 설계될 수 있다. 동작은 표면을 가로질러 스캐닝될 때 프로브 조립체의 캔틸레버의 편향에 응답하여 샘플 또는 프로브 조립체를 샘플의 표면에 대해 수직으로 위아래로 이동시킴으로써 달성된다. 스캐닝은 일반적으로 샘플의 표면에 적어도 평행한 "x-y" 평면에서 발생하며, 수직 운동은 x-y 평면에 수직인 "z"방향으로 발생한다. 많은 샘플들이 평면에서 벗어난 거칠기(roughness), 곡률(curvature) 및 기울기(tilt)를 가지므로 "일반적으로 평행(generally parallel)" 이라는 용어를 사용함에 유의하라. 이와 같이, 이 수직 이동에 관련된 데이터를 저장하고, 예를 들어, 표면 지형의 측정된 샘플 특성에 대응하는 샘플 표면의 이미지를 구성하는데 사용될 수 있다. TappingModeTM AFM(TappingModeTM는 본 출원인의 상표)으로 알려진 AFM 동작의 한 모드에서, 팁은 프로브의 관련 캔틸레버의 공진 주파수 또는 그 부근에서 진동한다. 피드백 루프는 "트래킹 포스(tracking force)", 즉 팁/샘플 상호작용으로부터 기인하는 힘을 최소화하도록 이 진동의 진폭을 일정하게 유지하려고 시도한다.

대안적인 피드백 장치는 위상 또는 진동 주파수를 일정하게 유지한다. 접촉 모드에서, 이러한 피드백 신호는 샘플을 특성화하기 위해 데이터로 수집, 저장 및 사용된다. "SPM" 및 특정 유형의 SPM에 대한 머리 글자는 여기에서 현미경 장치 또는 연관되는 기술, 예를 들어 "원자력 현미경(atomic force microscopy)"을 언급하는데 사용될 수 있음에 유의하라. 여기에 참조로 포함되어 표현된, 미국 특허 번호 8,739,309, 9,322,842 및 9,588,136에서 논의된, 피크 포스 태핑 모드(Peak Force Tapping® (PFT) Mode)라 불리는, 유비쿼터스 태핑모드(TappingMode??) 상의 개선에서, 피드백은 각 진동 사이클에서 측정된 힘(일시적인 프로브-샘플 상호작용 힘으로도 알려짐)을 기반으로 한다.

동작 모드에 관계없이 AFM은 압전 스캐너, 광 레버 편향 검출기 및 포토 리소그래피 기술을 사용하여 제작된 매우 작은 캔틸레버를 사용하여 공기, 액체 또는 진공의 다양한 절연 및 전도성 표면의 원자 수준까지 해상도를 얻을 수 있다. AFM은 해상도와 다양성 때문에 반도체 제조에서부터 생물학적 연구에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 측정 장치이다.

이와 관련하여 AFM은 반도체 제조와 같은 고정밀 제조 공정을 포함하여 자동화된 응용 분야에 사용될 수 있다. AFM은 나노크기 표면 특징(예: 지형(topography))에 대한 고해상도 측정을 제공할 수 있기 때문에 AFM은 반도체 공간에서 유용한 것으로 입증되었다. 그러나, 일반적으로 AFM 데이터는 대부분의 AFM에 내재된 문제인 드리프트 및 크리프(creep)를 포함한 시스템의 기계적 섭동(mechanical perturbations)으로 인해 방해를 받았다. 드리프트는 모든 유형의 SPM 또는 실제로 모든 현미경에서 발생하는 인공물이지만, AFM과 같은 고해상도 장비에서는 훨씬 더 심각한다. 일반적으로 샘플(또는 프로브)이 특정 방향으로 천천히 움직이기 때문에 이를 "드리프트(drift)"라고 한다. 이는 일반적으로 저속 스캔 방향(scan direction)을 변경할 때 변경되는 이미지의 "왜곡(distortion)"으로 인식될 수 있다. 사용자가 스캔 범위 내의 새로운 관심 영역으로 이동하는 경우 효과가 특히 두드러질 수 있다. 압전 스캐너(piezo scanner)에 설정된 전압을 인가한 후 특정 위치로 이동하기 위해 이를 유지하려고 할 때 압전 크리프(Piezo creep)가 발생한다. 압전은 일정 시간 동안 같은 방향으로 계속 움직이는 경향이 있다. 본질적으로, 특히 새로운 이미지 스캔이 시작될 때 특징이 어느 정도 늘어나거나 압축된다. 압전 크리프는 AFM 이미지 스캔 중에 시간이 지남에 따라 안정화되는 경우가 많지만 여전히 문제가 남아 있다.

특히 본 사례와 관련하여 AFM을 사용하여 수직 계측 측정을 시도할 때 직면하는 문제는 스캐닝 모션(scanning motion)의 불완전성 또는 스캐닝 중 프로브의 "z" 모션 검출로 인해 발생한다. 예를 들어, 위에서 언급한 것처럼 AFM 스캐너는 일반적으로 측면(XY) 스캐닝 모션과 수직(Z) 모션을 제공하기 위해 압전 튜브(piezoelectric tube)를 사용한다. 프로브 팁이 스캐닝 동작 효과를 위해 이동함에 따라, 스캐너는 "진자(pendulum)" 모션에 가까워지므로 프로브 팁이 스캔 원점에서 멀어질 때 샘플 표면에서 약간 들어올려진다. AFM은, 팁이 표면을 추적할 수 있도록, 프로브를 샘플 쪽으로 확장하기 위해 액추에이터에 대한 전압을 제어하여 팁 리프트를 보상하려고 한다. 이러한 진자 모션과 결과적인 피드백 보상의 결과로, 평평한 표면의 이미지가 구부러지거나 "휘어진(bowed)" 것처럼 보일 수 있다. 이러한 "휘어진" 효과의 일반적인 크기는, 예를 들어 50미크론 측면 스캐닝 모션에 대해 수직 편위가 10나노미터 정도이다. 압전 또는 기타 액추에이터의 결함으로 인해 일부 Z 모션과 X 및 Y의 결합으로 인해 유사한 효과가 발생할 수도 있다. 이러한 곡률은 유용한 레퍼런스 표면의 정확한 결정과 매우 작은 수직 치수의 정확한 계측 측정을 불가능하게 한다.

캔틸레버 모션 검출이 부정확하면 스캐닝 오류가 발생할 수도 있다. 스캐너는 "에이징(aging)"될 수 있으며, 즉, 휘어짐 및 이력 효과를 포함한 특성이 시간이 지남에 따라 크게 변할 수 있다. 이러한 요소는 정확한 수직 계측 측정을 방해할 수도 있다. 또한, 히스테리시스(hysteresis) 및 에이징(스캐너가 시간에 따라 변경됨), 샘플 기울기 및 기타 요인을 포함한 여러 요인으로 인해 측정의 반복성이 손상될 수 있으므로 필요한 정확도 수준에서 사전 교정(pre-calibration)이 어려워진다.

AFM 스캐너/장비 오류를 제거하는 데 사용되는 기존 기술은, 일반적으로 이러한 오류(errors)뿐만아니라 위에서 설명한 것과 같은 검출 특이성을 수용하는 데 성공하지 못한다. 이러한 기존 기술 중 하나는 장비 오류를 간단한 수학적 함수로 모델링하는 것이다. 예를 들어, 다항식이나 기타 간단한 함수로 정의된 이론적인 표면에 스캔 데이터가 가장 잘 맞는 것을 계산할 수 있다. 스캐닝 데이터에서 이 이론적 표면을 빼면 스캐닝 오류의 일부가 제거된다. 그러나, AFM의 경우 휘어짐, 히스테리시스, 검출 오류는 간단한 수학적 함수로는 정확하게 설명할 수 없는 경우가 많다. 또한, 피팅 단계(fitting step)는 매끄러운 표면에서 벗어나는 특징, 아마도 측정이 필요한 바로 그 특징에 의해 손상될 수 있다. 따라서 피팅과 빼기(subtraction) 1nm 이상의 정확도를 요구하는 많은 응용 분야에 충분한 정확도 향상을 가져오지 못하는 경우가 많다.

장비 오류를 수정하려는 또 다른 유형의 시도에는 레퍼런스 빼기(reference subtraction)가 사용된다. 이 기술에서는 표준 샘플로 레퍼런스 스캔(reference scan)이 만들어진다. 가능한 레퍼런스 샘플(reference sample) 후보는 절단되거나 연마된 실리콘 웨이퍼와 같은 평평한 표면을 갖는 샘플일 것이다. 그런 다음 이 스캔은 후속 샘플의 모든 데이터 스캔(data scan)에서 제외된다. 요시즈미(Yoshizumi)의 미국 특허 번호 5,283,630을 참조하라. 이 기술은 일반적으로 광학적 결함(optical imperfections)을 수정하기 위해 간섭계(interferometers)와 함께 사용된다. 그러나, AFM의 경우 히스테리시스로 인해 샘플마다 크게 달라질 수 있는 전체 샘플 기울기에 따라 달라지는 스캐너 특성(scanner idiosyncrasies)이 발생한다. 따라서 이러한 오류는 레퍼런스 샘플에서 새 샘플까지, 그리고 스캔마다 달라진다. 따라서 "표준 샘플(standard sample)"은 존재하지 않으며 표준 레퍼런스 빼기를 사용하여 스캐닝 오류를 제거하는 것은 불가능하다.

여러 솔루션은 샘플을 90도 회전하여 이미지를 생성하는 두 개의 이미지를 생성한다. 이러한 솔루션은 일반적으로 고속 스캔 축(fast scan axis)과 저속 스캔 축(slow scan axis)을 정의하며, 고속 스캔 축 데이터는 더 짧은 시간에 수집된다. 이 때문에 고속 스캔 축의 드리프트는 종종 무시되고 - 시스템은 해당 라인의 모든 데이터가 표면 지형을 나타내는 것으로 가정한다. 저속 스캔 축에서, 표면을 가로지르는 AFM 래스터와 같은 선간 방향의, 드리프트는, Z 높이 위치 변경으로 인해 데이터에서 저주파 진동처럼 보이는 현상이 발생하기 때문에, 무시될 수 없다. 알려진 솔루션에서, 스캔 방향이 고정되고 2개의 이미지를 빼서 가장 적합한 이미지를 생성하거나 이미지를 단일 이미지로 결합한다(예: 스캐너 휘어짐을 제거하기 위해). 그러나, 실제로 알려진 이러한 모든 기술은 레퍼런스를 제공하려고 시도하지만 각 경우 레퍼런스에 결함이 있고 - Z 높이 라인 대 라인(line to line)은 실제(reality)를 따르지 않는다. 또한, 일반적으로 이미지 획득 후 상호 상관 처리(post-image acquisition cross-correlation processing)를 사용한다. 결과적으로, 사용자는 획득한 데이터의 품질을 최적화하기 위해 스캔 중에 AFM 파라미터를 조정할 수 없다.

결과적으로, AFM 분야에서는, 특히 샘플을 Z 높이에 대해 스캐너와 관련된 섭동을 수정하여, 드리프트와 같은 시스템의 기계적 섭동의 효과를 해결하고 최소화/제거하는 솔루션이 필요했다. 향상된 데이터 수집 및 표시 시간이 필요했으며, 획득 이미지 후처리(post-image acquisition processing)가 없는 것이 바람직하다. 또한, 동작 중에 AFM 스캔 및 이미지 수집 파라미터를 조정하는 기능이 필요했다.

바람직한 실시예는 이미지 후 처리(post-image processing)를 필요로 하지 않는 자기상관 방법(autocorrelation methhod)을 제공함으로써 AFM 이미징의 드리프트 효과를 해결하려고 시도하는 현재 AFM 시스템의 단점을 극복한다. 데이터 스캔 중 실시간으로, 데이터 이미지(data image)를 데이터 스캔의 저속 스캔 축(레퍼런스 평면(reference plane))에서 처음 획득한 레퍼런스 이미지(reference image)에 매핑함으로써, 드리프트로 인한 기계적 섭동의 영향이 최소화된다. 실시간으로 생성되는 최종 이미지의 관찰을 기반으로, 사용자가 AFM 파라미터를 유연하게 조정할 수 있는 동시에 고해상도 이미지가 생성된다. 실시간 처리(Real time processing)는 짧은 시간 내에 데이터 처리를 실행하는 것으로, AFM 이미지 획득 중, 거의 즉각적인 출력을 제공한다.

바람직한 실시예의 일 측면에 따르면, 원자력 현미경(AFM) 방법은 샘플의 관심 영역에서 데이터 스캔의 스캔 방향에 직교하는 방향으로 AFM의 프로브와 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하는(providing) 단계를 포함한다. 그 다음, 방법은 제공 단계 동안 프로브 편향(probe deflection)을 검출하고, 프로브 편향은 샘플 표면의 특성을 나타내며 검출 단계에 기초하여 레퍼런스 이미지(즉, 평면)를 생성한다. 그 후, 방법은 관심 영역에서 데이터 스캔을 수행하기 위해 프로브와 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 공급하는(supplying) 단계와 공급하는 단계 동안 프로브 편향(probe deflection)을 측정하는(measuring) 단계를 포함하며, 프로브 편향은 특성을 나타낸다. 그런 다음, 방법은 측정하는 단계를 기반으로 데이터 이미지를 생성하고, 샘플 이미지와 레퍼런스 이미지를 기반으로 실시간으로 최종 이미지를 생성한다.

이 바람직한 실시예의 추가 측면에 따르면, 제공 단계는 고속 스캔이고, 직교 방향은 데이터 스캔의 저속 스캔 축이다.

이 바람직한 실시예의 다른 측면에서, 레퍼런스 이미지는 레퍼런스 평면이고, 최종 생성하는 단계는 샘플 이미지와 레퍼런스 이미지를 합하는(adding) 단계를 포함한다.

이 바람직한 실시예의 다른 측면에 따르면, 스캐닝 모션(scanning motion)은 래스터 스캔(raster scan)이고, 방법은 샘플의 관심 영역이 이미지화될 때까지 모든 단계를 반복하는(repeating) 단계를 더 포함한다.

바람직한 실시예의 다른 측면에서, 검출 및 측정 단계는 AFM 동작 모드에서 수행되고, 모드는 피크 힘 태핑(peak force tapping)(PFT) 모드, 접촉 모드(contact mode) 및 태핑 모드(tapping mode) 중 하나이다.

바람직한 실시예의 추가 측면에 따르면, 특성은 표면의 지형이다. 또한, 방법은 a) 방법의 스캔 파라미터(scan parameter), 또는 b) 공급하는 단계 동안 관심 영역 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하고, 이어서 모든 단계를 반복한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 원자력 현미경(AFM)은 AFM의 프로브와 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하는 스캐너와 AFM 동작 중 프로브-샘플 상호작용에 반응하여 프로브의 편향을 측정하는 검출기를 포함하고, 편향은 샘플 특성을 나타내며 이미지로 저장된다. AFM은 편향을 기반으로 제어 신호를 생성하는 제어기(controller)와 스캐닝 모션이 데이터 스캔의 저속 스캔 축을 따라 진행될 때 편향을 기반으로 레퍼런스 이미지를 생성하는 컴퓨터(computer)를 또한 포함한다. 컴퓨터는, 스캐닝 모션이 이미지 스캔의 고속 스캔 축을 따라 이루어질 때, 편향을 기반으로 데이터 이미지(data image)를 생성하고, c) 최종 데이터 이미지를 생성하기 위해 데이터 이미지의 생성 중에 실시간으로 데이터 이미지를 레퍼런스 이미지와 매핑한다.

바람직한 실시예의 다른 측면에서, 스캐닝 모션은 데이터 스캔의 스캔 방향에 직교하는 방향으로 레퍼런스 이미지를 생성하고, 직교 방향(orthogonal direction)은 데이터 스캔의 저속 스캔 축이다.

바람직한 실시예의 추가 측면에 따르면, 제어기는 접촉 모드(contact mode), 비접촉 모드(non-contact mode), 태핑 모드(tapping mode) 및 피크 포스 태핑 모드(peak force tapping mode) 중 하나에서 제어 신호(control signal)를 생성한다. 또한, 제어기는 a) AFM의 스캔 파라미터 또는 b) 데이터 이미지 매핑 중에 관심 영역 중 적어도 하나를 조정한다.

다른 실시예에 따르면, 원자력 현미경(atomic force microscopy)(AFM)의 방법은 AFM의 프로브와 샘플의 관심 영역에 있는 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하는 단계를 포함한다. 그 다음, 방법은 제공하는 단계 동안 프로브 편향을 검출하는(detecting) 단계 포함하고, 검출하는 단계에 기초하여 레퍼런스 이미지를 생성한다. 그 후, 프로브와 샘플 사이의 상대적인 스캐닝 모션은 관심 영역에 대한 데이터 스캔을 수행하기 위해 제공된다. 프로브 편향은 생산하는(producing) 단계에서 측정되며, 측정 단계에 따라 프로브와 샘플 사이의 간격이 제어된다. 이어서, 방법은 생산하는 단계 동안 실시간으로 그리고 제어하는(controlling) 단계에 기초하여, a) 방법의 스캔 파라미터 및 b) 생산하는 단계 동안 관심 영역 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하고, 이어서 모든 것을 반복한다.

또 다른 실시예에서, 원자력 현미경(AFM)의 방법은 관심 영역의 레퍼런스 이미지를 생성하기 위해 데이터 스캔의 저속 스캔 방향으로 AFM의 프로브와 샘플 사이에 상대적인 스캐닝 모션을 제공하는 단계 및 데이터 이미지를 생성하기 위해 고속 스캔 방향으로 프로브와 샘플 사이의 스캐닝 모션을 생산하는 단계를 포함한다. 그런 다음 이 방법은, 획득 이미지 후처리(post-image acquisition processing) 없이 최종 드리프트 보정된 데이터 이미지를 생성하기 위해, 생산하는 단계에서 실시간으로 레퍼런스 이미지에 대해 데이터 이미지를 플롯(plot)한다.

본 발명의 이상의 또는 다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 예들은, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 나타내지만 제한이 아닌 예시의 방법으로서 주어진다는 점이 이해되어야 한다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 범위 내에서 많은 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 본 발명은 그러한 모든 수정들을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 종래 기술의 원자력 현미경 AFM의 개략도이다;
도 2a-2c는 이미지 후 처리 없이 AFM 이미지 획득 동안 드리프트를 수용하기 위해 바람직한 실시예에서 사용되는 스캔의 일련의 개략도이다;
도 3은 AFM 데이터를 획득하고 드리프트 효과가 실질적으로 없는 AFM 이미지를 생성하기 위한 AFM 시스템의 블록도이다;
도 4는 바람직한 실시예의 드리프트 보정 방법을 예시하는 흐름도이다;
도 5는 드리프트 보정이 적용되지 않은 원본 AFM 지형 이미지이다;
도 6a 및 6b는 도 5의 이미지에서 드리프트의 효과를 나타내는 플롯이다;
도 7은 바람직한 실시예의 방법 및 장치를 사용하여 드리프트 보정을 수행한 AFM 지형 이미지이다; 및
도 8a 및 8b는 도 7의 데이터 이미지에서 드리프트 보정의 효과를 나타내는 플롯이다.

바람직한 실시예는 이미지 후 처리 없이 AFM 시스템에서 드리프트 효과를 최소화/제거할 수 있는 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy)(AFM)용 드리프트 보정 방법(drift correction method) 및 시스템에 관한 것이다. 여기에 설명된 방법은 샘플의 관심 영역의 초기 이미지가 의도된 데이터 스캔의 고속 스캔 축에 직교하는 고속 스캔 축을 사용하여 생성되는 자기상관을 채용한다. 이는 스캔이 의도한 데이터 스캔의 저속 스캔 축 방향으로 고속 스캔을 실행하도록 스캔 각도를 변경하거나 샘플을 90° 회전시킴으로써 수행될 수 있다. 이 초기 이미지가 의도된 데이터 스캔을 위한 레퍼런스 평면으로 사용되면 긴 시간 스케일 Z 드리프트 오류가 최소화된다. 이는 사용자 제어의 효율성, 정확성 및 유연성을 극대화하기 위해 실시간으로 수행된다.

먼저 도 2a-2c를 참조하면, 바람직한 실시예의 방법의 일련의 AFM 스캔의 단순화된 예시(100)가 도시된다. 위에서 아래로 이동하면서, 이미지화할 관심 특징을 갖는 관심 영역이 있는 샘플(sample)(102)이 도 2a에 개략적으로 표시된다. AFM이 최종 데이터 스캔을 수행하기 전에, AFM 데이터 획득이 래스터 스캔 라인(104)을 따라 수행되는 레퍼런스 스캔이 수행된다. 이 경우 최종 데이터 스캔의 저속 스캔 축을 따라 고속 AFM 이미징이 수행된다. 다시 말하면, 이 스캔을 위해 샘플을 90° 회전하거나 래스터 스캔이 이 저속 스캔 축을 따르도록 스캔 각도를 변경할 수 있다. 이러한 방식으로 데이터 스캔의 저속 스캔 축에서 고속 스캔이 수행되고 레퍼런스 이미지가 획득된다.

다음으로, 도 2b에서는 최종 데이터 스캔의 고속 스캔 축 방향으로 래스터 스캔을 수행하는 데이터 스캔을 수행한다. 이는 관심 샘플/영역의 표준 AFM 지형 이미지(standard AFM topography image)이다. 래스터 스캔 라인(raster scan lines)(106)은 최종 데이터 스캔의 고속 스캔 축을 따라 있다. Z 방향의 드리프트와 같은 시스템 이상 현상으로 인해 손상되어 관심 영역의 샘플 표면 지형 이미지에 아티팩트가 발생할 수 있는 것이 바로 이 이미지이다.

도 2c는 도 2b의 최종 데이터 스캔, 즉 지형 이미지가 도 2a에서 생성된 레퍼런스 이미지에 라인별로 매핑될 때 바람직한 실시예의 자기상관을 도시한다. 이들 두 이미지의 처리는, 드리프트 영향을 받은 저속 스캔 축의 라인(110)이 드리프트 보정된 지형을 갖는 이미지를 생산하기 위해 두 이미지의 자기상관으로 보정되는, 이미지를 생산한다.

바람직한 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경 장비(scanning probe microscope instrument)(150)(예를 들어, AFM)가 도 3에 도시되어 있다. 이 시스템에서, 팁(tip)(154)을 갖는 프로브(probe)(152)는 압전 튜브 스캐너(piezoelectric tube scanner)(156)에 의해 지지되는 프로브 홀더(도시되지 않음)에 의해 유지된다. 스캐너(scanner)(156)는 AFM 이미징 동안 샘플(sample)(158)에 대해 팁(154)을 위치시키기 위해 폐쇄 루프 제어 시스템의 샘플 특성에 반응하는 "Z" 또는 수직 스캐너이다. 튜브 스캐너(Tube scanner)(156)는 AFM 동작 중에 샘플 표면에 대해 프로브 팁(162)을 래스터화하는 데 사용되는 XY 스캐너(160), 바람직하게는 또한 압전 튜브에 연결된다. 예를 들어 팁(154)과 샘플(158)을 연결하기 위한 AFM 이미지 획득 시작 동안, 팁(154)과 샘플(158) 사이의 Z 방향에서 큰 이동을 제공하기 위해 기계적 Z 스테이지(162)가 사용된다. 샘플(158)은 샘플(158)의 관심 영역에 프로브(152)를 배치하기 위해 대략적인 XY 모션을 주로 제공하는 XY 스테이지(stage)(164)에 장착된다. XY 스테이지 제어기(stage controller)(166)는 스테이지(164)를 제어하여 해당 관심 영역에 프로브/샘플을 위치시킨다. 그러나, 스테이지(164)는 선택된 스캔 속도에서 팁(154)과 샘플(158) 사이의 상대적인 스캐닝 모션(예를 들어, 래스터)을 제공하도록 구성될 수 있다. 제어기(controller)(166)는 또한 AFM 제어기(controller)(174)에 응답하여 관심 영역에 데이터 스캔을 위치시킨다. 제어기(166, 174)는 컴퓨터(computer)(180)에 의해 구현된다.

동작 시, 팁(154)이 샘플(158)과 결합된 후, 이전에 논의된 바와 같이 선택된 모드 AFM 동작 모드(예를 들어, PFT 모드)에서 XY 스캐너(160)를 사용하여 샘플의 고속 스캔이 시작된다. 초기 "레퍼런스 평면" 스캔(도 2a)에서 고속 스캔은 일반적인 데이터 스캔의 저속 스캔 축에서 진행된다. 이 레퍼런스 스캔을 수행하기 위해 스캔 각도가 수정되거나 샘플이 90° 회전된다. 팁(154)이 샘플(158)의 표면과 상호작용함에 따라 프로브(152)가 편향되고, 이 편향은 광학 빔 바운스 편향 검출 장치(optical beam-bounce deflection detection apparatus)(168)에 의해 측정된다. 장치(168)는 캔틸레버(155)의 후면에서 편향 신호의 고속 처리를 위해 예를 들어 AFM 제어기(174)의 DSP(176)에 편향 신호를 전송하는 광검출기(photodetector)(172)를 향해 빔 "L"을 지향시키는 레이저(laser)(170)를 포함한다.

AFM 제어기(174)는 AFM 작동 모드에 따라 제어 신호를 연속적으로 결정하고, 샘플(158)에 대해 프로브(152)의 Z 위치를 유지하고, 보다 구체적으로 피드백 설정점에서 프로브의 편향을 유지하기 위해 그 신호를 압전 튜브(piezo tube)(156)에 전송한다. 제어기(174)는 또한 레퍼런스 이미지의 생성을 구현한다. 이 AFM 제어는 도 4에 표시된 방법과 관련하여 아래에서 추가로 설명 및 설명된다.

도 4에서, AFM 이미지 데이터의 드리프트를 실시간으로 보정하는 방법(200)이 도시된다. 블록(202)에서, AFM 팁은 관심 영역의 샘플 표면과 맞물린다. 샘플의 초기 스캔은 블록(204)에서 수행되며 AFM 동작 모드(태핑, PFT 등)에서 레퍼런스 데이터로 저장된다. 이 스캔은 최종 AFM 데이터 스캔의 저속 스캔 축에서 수행되는 고속 스캔 [[속도?]] 이다(도 2a 참조). 이전에 설명한 대로, 스캔 각도를 변경하거나 샘플을 회전하여 스캔이 해당 영역의 최종 데이터 스캔의 고속 스캔 축에 대해 90°가 되도록 할 수 있다.

드리프트 보정 방법(drift correction method)(200)은, 블록(206)에서, 제1 이미지 또는 레퍼런스 이미지를 생성하기 위해 데이터를 처리하는(processing) 단계를 포함한다. 이 이미지는 지형 데이터에 대한 드리프트 효과를 수정하기 위해 이미지 스캔 데이터와의 자기 상관 동작에 이후에 사용되는 "레퍼런스 평면"을 정의하며, 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명된다. 그런 다음 선택된 AFM 제어 모드에서 관심 영역의 AFM 데이터 스캔이 블록(208)에서 시작된다. 이 단계에서, 래스터 모션(raster motion)은 이미지 스캔의 고속 스캔 축을 따라 확장된다(도2b). 샘플 표면의 특성(즉, 지형)을 측정하고 해당 데이터를 샘플 데이터로 저장한다. 결과 이미지는 고속 스캔 축 데이터와 이에 직교하는 저속 스캔 축 데이터를 포함한다.

블록(210)에서, 방법(200)은 최종 데이터 스캔의 저속 스캔 데이터를 제1 이미지(first image)에서 생성된 가장 적합하고 필터링된 평균 레퍼런스 평면(mean reference plane)에 매핑하고 결과를 최종 데이터 이미지로 저장한다. 이 최종 데이터 이미지는, 최종 데이터 스캔 개별 고속 축 데이터 라인을 생성하고 캡처하는 동안, 실시간으로 생성되는 드리프트 보정 매핑 이미지(drift corrected mapped image)를 생성한다. 그런 다음 블록(212)에서 프로브와 샘플이 분리되어, 실시간 드리프트 보정을 반영하는 AFM 이미지가 생성된다. 예시적인 데이터는 도 5, 6a, 6b(보정되지 않은 AFM 이미지)뿐만 아니라 도 7, 8a, 8b(드리프트 보정된 AFM 이미지)에도 나와 있다.

먼저 도 5를 참조하면, 샘플 표면의 최종 데이터 스캔의 고속 스캔 축을 따라 AFM 스캔이 수행되는 기존의 AFM 이미지(300)가 도시된다. 더 어두운 섹션(darker sections)(304)과 교대로 나타나는 더 밝은 섹션(lighter sections)(302)이 주목할 만하다. 이는 일반적인 AFM 데이터 스캔 중에 관심 영역을 스캔할 때 저속 스캔 축의 드리프트 효과를 보여준다. 라인과 라인의 뚜렷한 대비는 시스템의 기계적 섭동(예: 수직 또는 Z 방향의 드리프트)으로 인해 발생한다. 아래에서 더 명확해지듯이, 이 긴 시간 규모의 드리프트 오류(drift error)는 해당 영역의 관심 특징(예: 지형)의 해상도를 크게 손상시킨다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 저속 축에서의 이러한 드리프트 효과는 플롯(400)에서 아티팩트로서 나타난다(아래 설명되는 도 8a에 도시된 보정된 이미지로부터의 데이터와 비교하여 더 눈에 띈다). 이 저주파 드리프트 아티팩트를 해결하고 최소화하기 위해 위에 설명된 방법이 사용되며 바로 아래에 설명된 도 7의 이미지가 생성된다. 수직 커서들(vertical cursors) 사이에 강조 표시된 영역은 샘플 지형과 관련이 없는 아티팩트이며 여기서 레퍼런스된 방법을 적용하면 아티팩트가 제거되어 샘플 표면 지형을 보다 정확하게 나타낸다(도 8a와 관련하여 아래에서 자세히 설명). 도 6b는 플롯(plot)(500)의 영역(region)(502)에서 아티팩트를 강조하여 저주파의 긴 시간 규모 드리프트를 설명한다. 다시, 바람직한 실시예(도 3)의 Z 드리프트 보정 알고리즘(200)은 초기에 레퍼런스 이미지(샘플을 90° 회전시켜 관심 영역의 평면을 정의함)를 캡처한다. 이 레퍼런스 이미지 캡처는 자동화되어 사용자에게 숨겨진다. 이는 이미지 파일에 포함되어 있으며 이후에 앞서 설명한 대로 드리프트 아티팩트를 제거하기 위해 자기상관 매핑 동작에 사용된다. 이는 도 7, 8a 및 8b에 나와 있다.

도 7은 드리프트 보정된 최종 AFM 데이터 이미지(data image)(600)를 도시한다. 이 이미지는 초기 직교 스캔을 사용하여 생성된 레퍼런스 평면과 함께 드리프트 영향을 받은 데이터 스캔(일반 방향 - 고속 스캔 축을 따른 고속 스캔)으로 생성된다. 도 5의 원본 이미지와 달리, 관심 영역의 표면 특징은 Z 드리프트 오류가 제거되어 해상도가 훨씬 높다. 도 6a(원시 데이터)와 도 8a(드리프트 보정 데이터(602))의 진폭 비교는 저주파 드리프트 아티팩트의 이러한 보정을 도시한다. 도 6b와 도 8b의 유사한 비교는 드리프트 보정 후 도 8b에서 진폭 신호(604)의 저주파 성분이 크게 감소한 동일한 내용(도 6b의 영역(502))을 예시한다.

전반적으로, 바람직한 실시예는 AFM 환경의 기계적 드리프트로 인한 부작용이 실질적으로 없는 고해상도 AFM 이미지를 제공한다. 방법 및 시스템은 AFM 동작 관리에 있어 사용자 유연성을 제공하는 사용자에게 속도 및 정확성 장점은 물론 실시간 피드백을 제공한다. 보다 구체적으로, 시스템 및 방법은, 제어 설정점, 스캔 속도 및 방향, 드라이브 신호의 위상/진폭 등 뿐아니라 스캔 위치를 포함한 AFM 동작의 스캔 파라미터의 실시간으로 조정을 허용한다("실시간"은 샘플의 관심 영역에 대한 데이터 이미지를 획득 및 생성하는 동안으로 정의되고 - 즉, AFM 이미지 획득 중 짧은 시간의 데이터 처리의 실행이 거의 즉각적인 출력 제공). 요약하자면, 원시 데이터 이미지를 후처리할 필요 없이 하나 이상의 관심 영역에 대한 고해상도 데이터 이미지를 생성할 수 있다. 생성된 최종 데이터 이미지에는 드리프트로 인한 기계적 섭동이 실질적으로 없다.

본 발명을 실시하는 발명자에 의해 고려된 최선의 형태가 위에 개시되어 있지만, 위의 발명의 실시는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 사상의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 특징의 다양한 부가, 수정 및 재배치가 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (15)

1. 원자력 현미경(AFM)의 방법에 있어서,
   상기 방법은,
   샘플의 관심 영역에서 데이터 스캔의 스캔 방향에 직교하는 방향으로 상기 AFM의 프로브와 상기 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 제공하는 단계,
   상기 제공하는 단계 동안 프로브 편향을 검출하는 단계 - 프로브 편향은 상기 샘플의 표면의 특성을 나타냄 -,
   상기 검출하는 단계에 기초하여 레퍼런스 이미지를 생성하는 단계,
   상기 관심 영역에서 상기 데이터 스캔을 수행하기 위해 상기 프로브와 상기 샘플 사이의 상대 스캐닝 모션을 생산하는 단계,
   상기 생산하는 단계 동안 프로브 편향을 측정하는 단계 - 프로브 편향은 특성을 나타냄 -, 및 상기 측정하는 단계에 기초하여 데이터 이미지를 생성하는 단계, 및
   상기 샘플 이미지와 상기 레퍼런스 이미지를 기반으로 실시간으로 최종 이미지를 생성하는 단계
   를 포함하는,
   방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제공하는 단계는,
   고속 스캔인,
   방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 직교 방향은,
   상기 데이터 스캔의 저속 스캔 축인,
   방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 레퍼런스 이미지는,
   레퍼런스 평면인,
   방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 최종 이미지를 생성하는 단계는,
   상기 샘플 이미지와 상기 레퍼런스 이미지를 합하는 단계
   를 포함하는,
   방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 스캐닝 모션은,
   래스터 스캔인,
   방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 검출하는 단계 및 측정하는 단계는,
   AFM 동작 모드에서 수행되고, 및
   상기 모드는,
   피크 포스 태핑(PFT) 모드, 접촉 모드 및 태핑 모드 중 하나인,
   방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 특성은,
   상기 표면의 지형인,
   방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   a) 상기 방법의 스캔 파라미터, 또는
   b) 공급하는 단계 동안 상기 관심 영역
   중 적어도 하나를 조정하는 단계
   를 더 포함하고, 및
   상기 단계를 반복하는,
   방법.
   
10. 원자력 현미경(AFM)에 있어서,
    상기 AFM의 프로브와 샘플 사이의 상대적인 스캐닝 모션을 제공하는 스캐너,
    AFM 동작 중 프로브-샘플 상호작용에 반응하여 상기 프로브의 편향을 측정하는 검출기,
    상기 편향에 기초하여 제어 신호를 생성하는 제어기, 및
    컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 편향은,
    샘플 특성을 나타내고 이미지로 저장되고,
    상기 컴퓨터는,
    상기 스캐닝 모션이 데이터 스캔의 저속 스캔 축을 따라 진행될 때 상기 편향을 기반으로 레퍼런스 이미지를 생성하고, 및 그후 상기 스캐닝 모션이 상기 이미지 스캔의 고속 스캔 축을 따라 이루어질 때, 상기 편향을 기반으로 데이터 이미지를 생성하고, c) 최종 데이터 이미지를 생성하기 위해 상기 데이터 이미지의 생성 중에 실시간으로 상기 데이터 이미지를 상기 레퍼런스 이미지와 매핑하여 데이터 이미지를 생성하는,
    원자력 현미경.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 레퍼런스 이미지을 생성하기 위한 상기 스캐닝 모션은,
    데이터 스캔의 스캔 방향과 직교하는 방향인,
    원자력 현미경.
    
12. 제10항에 있어서,
    직교 방향은,
    상기 데이터 스캔의 저속 스캔 축인,
    원자력 현미경.
    
13. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는,
    접촉 모드, 비접촉 모드, 태핑 모드, 피크 포스 태핑 모드 중 하나로 제어 신호를 생성하는,
    원자력 현미경.
    
14. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는,
    a) 상기 AFM의 스캔 파라미터, 또는
    b) 상기 데이터 이미지의 매핑 시 관심 영역
    중 적어도 하나를 조정하는,
    원자력 현미경.
    
15. 원자력 현미경(AFM)의 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    관심 영역의 레퍼런스 이미지를 생성하기 위해 데이터 스캔의 저속 스캔 방향으로 상기 AFM의 프로브와 샘플 사이에 상대적인 스캐닝 모션을 제공하는 단계,
    샘플 데이터를 생성하기 위해 상기 프로브와 상기 샘플 사이에 고속 스캔 방향으로 상대 스캐닝 모션을 공급하는 단계, 및
    획득 이미지 후처리 없이 최종 드리프트 보정 데이터 이미지를 생성하기 위해 상기 공급하는 단계에서 실시간으로 상기 레퍼런스 이미지에 대해 상기 샘플 데이터를 플롯팅하는 단계
    를 포함하는,
    방법.