KR101607606B1 - 원자간력 현미경의 측정 방법 - Google Patents

원자간력 현미경의 측정 방법 Download PDF

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한국표준과학연구원
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Abstract

프로브로 샘플의 표면을 스캔하여 상기 샘플의 표면 특성을 측정하는 원자간력 현미경의 측정 방법에 있어서, 상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키며 상기 프로브의 움직임을 검출하는 것, 상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 것, 및 상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 것을 포함하는 원자간력 현미경의 측정 방법을 제공한다.
일 예로, 상기 샘플의 표면 정보는 위치 및 표면의 기울기를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키는 것은 상기 프로브가 상기 프로브의 스캔 방향 및 상기 샘플의 높이 방향에 수직한 축을 중심으로 원운동을 하는 것을 포함할 수 있다.

Description

원자간력 현미경의 측정 방법{MEASURING METHOD FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPE}
본 발명은 원자간력 현미경의 측정 방법에 관한 것으로, 상세하게는 원자간력 현미경의 측정 방법에서 프로브의 디더링(dithering) 방법에 관한 것이다.
원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM)은 원자 사이의 상호작용력을 이용하여 샘플 표면의 형상을 원자 단위로 측정하는 고정밀 표면 분석 장비이다. 원자간력 현미경은 샘플을 측정하기 위한 캔틸레버(cantilever)가 장착되어 있으며, 캔틸레버의 끝 부분에는 뾰족한 프로브(probe) 또는 팁(tip)이 달려있다. 이 프로브의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기(예를 들어, 수 nm)로 매우 첨예하다. 프로브를 샘플 표면에 접근시키면 프로브 첨단의 원자와 샘플 표면의 원자 사이의 간격 정도에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다.
프로브는 접촉 방식(contact mode), 비접촉 방식(non-contact mode), 간헐적 접촉(intermittent contact mode) 방식 등으로 기판 표면을 스캐닝할 수 있다. 원자간력 현미경은 프로브의 승하강 위치 변화를 이미지화하여 나타낼 수 있다. 이외에도, 원자간력 현미경은 기판 표면의 마찰력, 경도, 자기적 특성, 전기적 특성, 전기화학적 특성, 전기용량 등을 계측할 수 있도록 다양하게 응용될 수 있다.
기존의 원자간력 현미경 기술은 PID 제어(proportional integral derivative control, 비례적분미분 제어)를 통해 3 차원 패턴의 형상을 측정하기 때문에 측벽에서 불안정(sidewall-chattering)하다. 프로브의 인공지능형 3차원 제어로 이러한 측정의 한계점을 극복하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 기존의 원자간력 현미경의 경우 샘플 측면에 수직 방향으로만 피드백 하여 스캔하는 레스터 스캔 방식(raster scanning)으로, 샘플 측면에 수직한 방향으로 디더링(dithering)을 하면서 변하는 변조(modulation) 신호를 통해 샘플의 표면을 측정한다. 이러한 방식은 프로브의 신호로부터 측정 위치만 측정되고, 샘플의 표면의 기울기는 알 수 없다. 따라서, 샘플의 표면의 기울기에 따라서 많은 양의 제어가 필요하다. 또한, 프로브가 샘플에 접근 시 발생되는 롱 레인지 포스(long range force)에 의한 정전기력에 민감하고, 외부 환경 변화에 따른 드리프트(drift) 변화량이 커지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 측정의 정확도와 안정성이 향상된 인공지능형 원자간력 현미경의 측정 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은, 프로브로 샘플의 표면을 스캔하여 상기 샘플의 표면 특성을 측정하는 원자간력 현미경의 측정 방법에 있어서 상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키며 상기 프로브의 움직임을 검출하는 것, 상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 것, 및 상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 샘플의 표면 정보는 위치 및 표면의 기울기를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키는 것은 상기 프로브가 상기 프로브의 스캔 방향 및 상기 샘플의 높이 방향에 수직한 축을 중심으로 원운동을 하는 것을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 프로브의 원운동은 상기 프로브의 스캔 방향으로 진동을 형성하는 제 1 발진부, 및 상기 샘플의 높이 방향으로 진동을 형성하는 제 2 발진부에 의해 제공될 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동들은 동일한 진동수 및 진폭을 갖되, 상호 90도의 위상차를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동들은 100 kHz 내지 1MHz의 진동수를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 것은 상기 프로브의 진동의 하나의 진동 주기 내에서 수행될 수 있다.
일 예로, 상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 것은 상기 제 1 발진부에 의해 형성되는 진동의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 측정하는 것, 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 측정하는 것, 상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 통해 상기 샘플의 표면과 상기 프로브 사이의 상호작용의 변화를 산출하는 것, 및 상기 샘플의 표면과 상기 프로브 사이의 상호작용의 변화를 통해 상기 표면의 기울기를 획득하는 것을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 것은 피드 포워드(feed forward) 알고리즘을 통해 상기 프로브의 이동경로를 수정하는 것, 및 수정된 이동경로를 따라 상기 프로브를 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 피드 포워드 알고리즘은 상기 샘플의 표면에 관한 측정 정보를 이용하여, 상기 프로브의 이동방향이 각 측정 지점에서 상기 샘플의 표면의 접선 방향을 따르도록 수정하는 것을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 원자간력 현미경은 제어부를 더 포함하되, 상기 프로브와 상기 샘플의 사이에서 작용하는 상호작용에 의한 상기 프로브의 움직임의 변화를 탐지하는 것, 상기 샘플의 위치 및 표면의 기울기를 포함하는 표면 정보를 획득하는 것, 및 상기 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 것은 제어부에 의해 자동으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 샘플의 표면의 기울기에 따라 그의 진동을 변화시키지 않고, 원운동을 하는 하나의 진동만을 이용하여 측정할 수 있다. 이를 통해, 프로브의 마모를 줄이고 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 프로브의 한 번의 진동 주기 내에서 표면의 기울기가 획득될 수 있다. 이를 통해 피드 포워드 알고리즘을 통해 최적의 프로브 이동 경로를 획득할 수 있어, 신속한 안정제어 및 정확한 스캐닝이 가능하다.
도 1은 원자간력 현미경의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 진동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경으로 샘플의 표면을 탐지하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 기존의 원자간력 현미경의 프로브의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 프로브로 샘플의 표면을 스캐닝(scanning)하여 샘플의 표면 특성을 측정하는 원자간력 현미경에 적용된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 그의 일단에 프로브(probe) 또는 팁(tip)을 갖는 캔틸레버(cantilever)가 샘플의 표면 상에서 캔틸레버의 공진 진동수 부근에서 진동하는 간헐적 접촉 방식(intermittent contact mode)을 이용할 수 있다.
도 1은 원자간력 현미경의 개략도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 이용되는 원자간력 현미경은 샘플(200)이 로딩되는 스테이지(102), 샘플(200)에 대향하는 프로브(114)를 가진 캔틸레버(112), 캔틸레버(112)를 진동시키는 발진부(122) 및 캔틸레버(112)를 이동시키는 이동부(124)를 포함하는 구동부(120), 프로브(114)와 샘플(200) 사이의 상호작용을 이용하여 샘플(200)의 표면 특성을 측정하는 측정부(130), 샘플(200)의 표면 특성을 분석하고 프로브(114)를 제어하는 제어부(140), 및 샘플(200)의 표면 정보를 영상으로 표시하는 디스플레이부(150)를 포함할 수 있다.
스테이지(102) 상에 샘플(200)이 로딩될 수 있다. 예를 들어, 스테이지(102)는 샘플(200)을 지지할 수 있다.
스테이지(102) 상으로 캔틸레버(112)가 배치될 수 있다. 스테이지(102)에 인접한 캔틸레버(112)의 일 단에 프로브(114)가 연결될 수 있다. 캔틸레버(112)의 타 단에는 구동부(120)가 연결될 수 있다.
프로브(114)는 캔틸레버(112)의 이동에 따라, 스테이지(102) 상에 로딩된 샘플(200)의 표면에 근접하도록 이동될 수 있다. 프로브(114)가 샘플(200)의 표면에 근접해 있을 때, 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 상호작용을 이용하여 샘플(200)의 표면이 탐지될 수 있다. 상호작용은 프로브(114)와 샘플(200) 사이에서 작용하는 물리량에 의한 것으로서, 샘플(200)과 프로브(114) 사이에서 작용하는 물리량은 샘플(200) 표면의 원자와 프로브(114) 첨단(尖端)의 원자 사이의 인력(attractive force)일 수 있다. 예를 들어, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 인력은 판 데르 발스 힘(Van Der Waals force)을 포함할 수 있다.
구동부(120)는 발진부(122) 및 이동부(124)를 포함할 수 있다. 발진부(122)는 상호 개별적으로 구동되는 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 발진부(미도시)는 캔틸레버(112)가 진동하도록 할 수 있다. 캔틸레버(112)가 진동함에 따라, 캔틸레버(112)의 일 단에 연결된 프로브(114) 또한 진동할 수 있다. 즉, 프로브(114)는 디더링(dithering)을 수행할 수 있다. 여기서 디더링(dithering)이란, 프로브(114)가 샘플(200)과의 상호작용에 의해 움직이는 것을 용이하게 측정하기 위하여, 프로브(114)와 샘플(200)의 표면 사이에 상대적인 움직임을 인위적으로 발생시키는 것으로 정의된다. 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)는 피에조 스텍(piezo-stack) 또는 피에조 튜브를 포함할 수 있다.
이동부(124)는 캔틸레버(112)를 샘플(200) 상에서 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 이동부(124)는 샘플(200)의 표면에 평행한 방향으로 캔틸레버(112)를 정밀 이동 시킬 수 있다. 예를 들어, 이동부(124)는 샘플(200) 표면의 높이 방향으로 캔틸레버(112)의 높낮이를 조절할 수 있다. 즉, 이동부(124)에 의해 캔틸레버(112)에 연결된 프로브(114)는 샘플(200)의 표면을 스캐닝 할 수 있다. 이동부(124)는 한 개 또는 복수 개의 스캐너(미도시)로 이루어 질 수 있으며, 스캐너(미도시)는 선형 모터, 볼 스크류(ball screw), 피에조 스텍(piezo-stack) 또는 인치웜(inchwarm)을 포함할 수 있다. 도 1에서는 이동부(124)가 발진부(122)와 함께 구동부(120)를 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 이와는 달리 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 이동부(124)는 스테이지(102)에 결합되어 스테이지(102)를 이동시킬 수 있다. 이 경우, 스테이지(102)에 로딩된 샘플(200)의 이동을 통해 스캐닝을 실시할 수 있다.
측정부(130)는 캔틸레버(112)의 움직임을 탐지하기 위한 광원부(132) 및 광위치 검출기(134)를 포함할 수 있다. 광원부(132)는 캔틸레버(112)의 상부에 빛을 조사할 수 있다. 이때, 빛이 조사되는 위치는 프로브(114)가 연결되어 있는 캔틸레버(112)의 일 측의 상부일 수 있다. 광원부(132)로부터 조사된 빛은 캔틸레버(112)의 상부에서 반사될 수 있다. 광위치 검출기(134)는 반사된 빛을 감지할 수 있다. 캔틸레버(112)의 상부에서 반사된 빛을 통해, 캔틸레버(112)의 움직임이 검출될 수 있다. 광원부(132)에서 조사되는 빛은 레이저를 포함할 수 있다.
제어부(140)는 광위치 검출기(134)로부터 수신된 캔틸레버(112)의 움직임을 이용하여 샘플(200)의 표면 정보를 획득할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 획득한 샘플(200)의 표면 정보를 이용하여 캔틸레버(112)의 움직임을 제어할 수 있다.
디스플레이부(150)는 제어부(140)로부터 수신된 샘플(200)의 표면 정보를 영상으로 표시할 수 있다.
도 1과 함께 상술한 원자간력 현미경을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법이 수행될 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2를 참조하여, 원자간력 현미경의 측정 방법은 프로브를 샘플의 표면 상에서 진동시키며 프로브의 움직임을 검출하는 것(S10), 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 샘플의 표면 정보를 획득하는 것(S20), 및 샘플의 표면 정보를 이용하여 프로브를 제어하는 것(S30)을 포함할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 프로브와 샘플 사이의 위치관계는 직교하는 3축, 즉, 샘플 표면에 평행한 X-축 및 Y-축, 샘플의 높이 방향의 Z-축을 기준으로 설명한다. 여기서 X-축은 프로브가 샘플의 표면을 스캐닝하는 방향으로 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경으로 샘플(200)의 표면 정보를 측정하기 위하여, 프로브(114)가 샘플(200)의 표면 상에 접근할 수 있다. 여기서, 샘플(200)은 표면상에 반도체 장치의 직접회로 패턴이 제작된 기판 또는 웨이퍼일 수 있다. 원자간력 현미경을 이용한 샘플(200) 표면의 측정은 샘플(200) 표면의 일 측정 영역에 대해 수행될 수 있다.
프로브(114)를 샘플(200)의 표면 상에서 진동시키며 프로브(114)의 움직임을 검출할 수 있다(S10). 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 진동을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하여, 프로브(114)는 샘플(200)의 표면에 근접하여 진동할 수 있다. 이때, 프로브(114)의 진동은 샘플(200)의 표면 상에서 원운동을 하는 디더링(dithering)일 수 있다. 이때, 프로브(114)는 Y-축과 평행한 축을 중심으로 원운동을 할 수 있다. 프로브(114)의 원운동은 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)를 포함하는 발진부(122)에 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 1 발진부(미도시)는 X-축 방향(즉, 프로브(114)의 스캔 방향)으로 프로브(114)를 진동시킬 수 있다. 제 2 발진부(미도시)는 Z-축 방향(즉, 샘플(200)의 높이 방향)으로 프로브(114)를 진동시킬 수 있다. 이때, 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)에 의해 형성되는 진동들은 동일한 진동수 및 진폭을 갖고, 상호 90도의 위상차를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)에 의해 형성되는 진동들은 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어질 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112015079095550-pat00001
<수학식 2>
Figure 112015079095550-pat00002
여기서, X는 원운동의 중심 축으로부터 프로브(114)의 X-축 방향 변위, Z는 원운동의 중심 축으로부터 프로브(114)의 Z-축 방향 변위, D는 진폭, f는 진동수, t는 시간을 나타낸다. 이로 인해, 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)는 프로브(114)가 원운동을 수행하도록 할 수 있다. 제 1 발진부(미도시) 및 제 2 발진부(미도시)에 의해 형성되는 진동들은 100kHz 내지 1MHz의 진동수를 가질 수 있다.
프로브(114)가 진동하는 동안, 프로브(114)는 샘플(200)의 표면에 접근할 수 있다. 이때, 샘플(200)과 프로브(114)가 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 거리가 변화하게 되면, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 인력(F)이 변할 수 있다. 이로 인해, 프로브(114)의 진동은 그의 진동수, 진폭 또는 위상(phase)이 변할 수 있다. 여기서, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 인력(F)은 샘플(200) 표면의 법선 벡터와 평행한 방향으로 발생하고, 프로브(114)의 진동의 진동수, 진폭 및 위상(phase)의 변화는 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 인력(F)의 변화에 대응한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브(114)은 Y-축과 평행한 축을 중심으로 원운동을 하기 때문에, 그 진동이 X-축의 방향 및 Z-축의 방향에 대한 요소를 모두 포함할 수 있다. 따라서, 프로브(114)는 X-축 방향의 인력(FX) 및 Z-축 방향의 인력(FZ)을 모두 탐지할 수 있다. 다시 말하면, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 상호작용에 의해, 프로브(114)의 진동(즉, 프로브(114)의 원운동)의 진동수, 진폭 또는 위상(phase)이 변할 수 있다. 제 1 발진부 및 제 2 발진부(미도시)에 의해 형성되는 진동의 진동수, 진폭 또는 위상(phase)의 변화를 통해, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 인력(F)의 크기 및 방향이 획득될 수 있다. 이를 이용하여, 샘플(200)의 표면 정보(예를 들어, 샘플(200) 상의 측정 지점의 위치 및 측정 지점에서의 표면 기울기)가 획득될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기한 프로브(114)가 샘플(200)의 표면을 탐지하는 과정은 프로브(114)의 진동의 하나의 진동 주기 내에서 이루어질 수 있다.
프로브(114)의 움직임의 변화를 이용하여 샘플(200)의 표면 정보를 획득할 수 있다(S20). 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경으로 샘플의 표면을 탐지하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 4를 참조하여, 샘플(200)의 표면과 프로브(114) 사이의 상호작용에 의해, 프로브(114)의 진동(즉, 원운동을 하는 디더링(dithering))의 진동수, 진폭 또는 위상(phase)이 변할 수 있다. 프로브(114)가 연결된 캔틸레버(112)의 휘는 정도 또는 프로브(114)의 진동수, 진폭 및 위상(phase)의 변화는 광원부(132) 및 광위치 검출기(134)로 측정될 수 있다. 예를 들어, 프로브(114)가 원운동을 수행함에 따라, 광위치 검출기(134)에 감지되는 빛의 위치도 원운동을 할 수 있다. 이때, 프로브(114)의 진동이 변화하면, 광위치 검출기(134)에 감지되는 레이저의 위치도 변할 수 있다. 이를 통해, 제 1 발진부(미도시)에 의한 X-축 방향의 진동 및 제 2 발진부(미도시)에 의한 Z-축 방향의 진동 각각의 진동수, 진폭 또는 위상(phase)의 변화에 대한 데이터가 수집될 수 있다
제어부(140)는 광위치 검출기(134)로부터 데이터를 수신하여, 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 인력의 크기 및 방향을 획득할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 제 1 발진부(미도시)에 의한 X-축 방향의 진동 및 제 2 발진부(미도시)에 의한 Z-축 방향의 진동 각각의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 통하여 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 인력의 크기 및 방향을 산출할 수 있다. 이를 통해, 제어부(140)는 샘플(200)의 표면에서 측정 지점에 관한 표면 정보를 획득할 수 있다. 제어부(140)는 프로브(114)의 위치 및 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 인력의 크기를 이용하여 측정 지점의 위치를 획득할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 인력의 크기가 일정하도록 이동부(124)를 제어하고, 이에 따라 프로브(114)는 샘플(200)의 표면과 일정한 거리를 갖도록 제어될 수 있다. 이때, 프로브(114)의 높낮이는 샘플(200)의 표면의 높낮이와 대응된다. 제어부(140)는 프로브(114) 사이의 인력의 방향을 이용하여 측정 지점에서의 표면의 기울기를 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 인력의 방향을 통하여 샘플(200)의 표면의 법선 벡터를 획득할 수 있다.
샘플(200)의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브(114)를 제어할 수 있다(S30). 상세하게는, 샘플(200)의 표면 정보를 이용하여 상기 캔틸레버(112)를 제어하는 것은 피드 포워드(feed forward) 알고리즘을 통해 프로브(114)의 이동경로를 수정하는 것, 및 수정된 이동경로를 따라 프로브(114)를 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 제어를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 5을 참조하여, 측정된 측정 지점의 측정 정보를 이용하여, 제어부(140)는 피드 포워드 알고리즘을 통해 프로브(114)의 이동경로를 수정할 수 있다. 다시 말하면, 제어부(140)는 획득된 샘플(200)의 표면의 기울기를 따라(즉, 샘플(200)의 표면의 법선 방향으로) 프로브(114)의 이동경로를 수정할 수 있다. 제어부(140)는 수정된 경로를 따라 이동된 프로브(114)를 샘플(200)의 표면의 굴곡에 따라 목표 위치로 이동시키도록 이동부(124)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 프로브(114)와 샘플(200)의 거리를 제어하면서, 프로브(114)를 X-축 방향으로 스캐닝하도록 이동부(124)를 제어할 수 있다. 이때, 프로브(114)는 샘플(200)의 표면의 높낮이를 따라 움직이게 되며, 제어부(140)는 기록된 각 위치의 높낮이에 대한 영상 정보를 디스플레이부(150)로 전송할 수 있다. 디스플레이부(150)는 제어부(140)로부터 영상 정보를 수신하여 샘플(200) 표면의 형상을 나타내는 영상을 표시할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 프로브(114)를 샘플(200)의 표면 상에서 진동시키며 프로브(114)의 움직임을 검출하는 것, 프로브(114)의 움직임의 변화를 이용하여 샘플(200)의 표면 정보를 획득하는 것, 및 샘플(200)의 표면 정보를 이용하여 프로브(114)를 제어하는 것을 프로브(114)의 진동(즉, 원운동을 하는 디더링(dithering))의 하나의 진동 주기 내에서 연속적으로 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 스캐닝 과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 이해를 돕기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 프로브의 스캐닝을 기존의 원자간력 현미경과 비교하여 설명한다.
프로브(114)는 디더링(dithering)을 수행하면서, 샘플(200)을 일 방향으로 스캐닝 할 수 있다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다. 도 6b는 기존의 원자간력 현미경의 프로브의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다. 기존의 원자간력 현미경에 있어서 각 구성 요소가 본 발명에 유사하게 대응하는 경우, 본 발명에서 사용된 용어와 동일하게 지칭한다. 샘플(200)은 웨이퍼와 같은 기판 상에 형성된 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플(200)은 스테이지(102)의 상면에 실질적으로 평행한 제 1 면(200a), 스테이지(102)의 상면에 수직한 측벽인 제 2 면(200b), 스테이지(102)의 상면과 경사진 제 3 면(200c)을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1 및 도 6a를 참조하여, 프로브(114)는 샘플(200)을 일 방향(즉, X-축 방향)으로 가로질러 이동할 수 있다. 스테이지(102)의 상면에 실질적으로 평행한 제 1 면(200a), 스테이지(102)의 상면에 수직한 측벽인 제 2 면(200b), 및 스테이지(102)의 상면과 경사진 제 3 면(200c)을 탐지하는 경우 모두에 대해서, 프로브(114)는 원운동의 디더링(dithering)을 수행하며 샘플(200)의 표면을 따라 스캐닝하게 된다. 즉, 프로브(114)는 샘플(200)의 표면의 기울기에 따라 이동하게 되며, 프로브(114)는 디더링(dithering)의 변화없이 원운동을 하는 디더링(dithering)만을 이용하여 샘플(200)의 표면에 대한 탐지를 수행할 수 있다.
이와 비교하여, 일반적으로 기존의 원자간력 현미경은 샘플(200)의 표면에 따라 두 가지의 디더링(dithering)을 사용한다. 도 6b를 참조하면, 기존의 원자간력 현미경의 프로브(114)는 샘플(200)의 표면에 근접하여 X-축 방향 또는 Z-축 방향으로 진동하여 샘플(200)을 탐지한다. 예를 들어, 스테이지(102)의 상면에 실질적으로 평행한 제 1 면(200a)을 탐지하는 경우, 프로브(114)는 Z-축 방향으로 진동하며 샘플(200)의 표면을 따라 스캐닝하게 된다. 예를 들어, 스테이지(102)의 상면에 수직한 측벽인 제 2 면(200b)을 탐지하는 경우, 프로브(114)는 X-축 방향으로 진동하며 샘플(200)의 표면을 따라 스캐닝하게 된다. 예를 들어, 스테이지(102)의 상면과 경사진 제 3 면(200c)을 탐지하는 경우, 프로브(114)는 Z-축 방향으로 진동하며 샘플(200)의 표면을 따라 계단식으로 스캐닝하게 된다. 즉, 기존의 원자간력 현미경은 샘플(200) 표면의 기울기에 따라 프로브(114)의 디더링(dithering)을 변화시켜야 한다. 이로 인해, 프로브(114)가 샘플(200) 표면 형상을 탐지하는 데에 많은 시간이 소모되며, 프로브(114)와 샘플(200) 간의 충돌이 잦을 수 있다. 또한, 프로브(114)가 직선 방향으로만 진동을 하기 때문에, 샘플(200)과 프로브(114) 사이의 인력 중 진동 방향과 평행한 힘의 성분만 검출된다. 따라서, 기존의 원자간력 현미경은 샘플(200)의 표면의 기울기를 여러 측정 지점의 탐지를 통해 산술적으로 획득할 수 밖에 없다. 이로 인해, 기존의 원자간력 현미경은 샘플(200)의 표면을 예측하여 샘플(200)의 표면을 따라 이동하는 것이 아니며, 제어부(140)에서 프로브(114)의 이동 경로를 수정하여 목표 위치로 이동시키는 제어량이 많아지게 된다.
본 발명에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 프로브의 진동의 하나의 진동 주기 동안 표면의 형상(즉, 위치 및 기울기)을 획득하고, 이를 피드 포워드 알고리즘을 통하여 제어부에서 최적의 프로브 이동경로가 획득될 수 있다. 따라서, 최적의 프로브 이동경로를 획득으로 인해, 프로브와 샘플 간의 충돌이 줄어들 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경은 프로브의 마모를 줄이고 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 프로브의 이동 후 표면의 굴곡에 따라 목표 위치로 다시 제어가 필요한 기존의 원자간력 현미경에 비해 PID 제어(proportional integral derivative control)를 통한 피드백 제어가 최소화 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간력 현미경의 측정 방법은 인공지능형 제어로써, 신속한 안정제어가 가능하다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
102: 스테이지 112: 캔틸레버
114: 프로브 120: 구동부
122: 발진부 124: 이동부
130: 측정부 132: 광원부
134: 광위치 검출기 140: 제어부
150: 디스플레이부
200: 샘플 200a: 제 1 면
200b: 제 2 면 200c: 제 3 면

Claims (9)

  1. 프로브로 샘플의 표면을 스캔하여 상기 샘플의 표면 특성을 측정하는 원자간력 현미경의 측정 방법에 있어서,
    상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키며 상기 프로브의 움직임을 검출하는 단계;
    상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 단계, 상기 샘플의 표면 정보는 위치 및 표면의 기울기를 포함하고; 및
    상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키는 단계는 상기 프로브가 상기 프로브의 스캔 방향 및 상기 샘플의 높이 방향에 수직한 축을 중심으로 원운동을 하는 단계를 포함하고,
    상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 단계는 상기 프로브의 진동의 하나의 진동 주기 내에서 수행되는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 프로브로 샘플의 표면을 스캔하여 상기 샘플의 표면 특성을 측정하는 원자간력 현미경의 측정 방법에 있어서,
    상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키며 상기 프로브의 움직임을 검출하는 단계;
    상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 단계, 상기 샘플의 표면 정보는 위치 및 표면의 기울기를 포함하고; 및
    상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 프로브를 상기 샘플의 표면 상에서 진동시키는 단계는 상기 프로브가 상기 프로브의 스캔 방향 및 상기 샘플의 높이 방향에 수직한 축을 중심으로 원운동을 하는 단계를 포함하고,
    상기 프로브의 원운동은 상기 프로브의 스캔 방향으로 진동을 형성하는 제 1 발진부, 및 상기 샘플의 높이 방향으로 진동을 형성하는 제 2 발진부에 의해 제공되되,
    상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동들은 동일한 진동수 및 진폭을 갖고, 상호 90도의 위상차를 갖는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부에 의해 형성되는 진동들은 100 kHz 내지 1MHz의 진동수를 갖는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브의 움직임의 변화를 이용하여 상기 샘플의 표면 정보를 획득하는 단계는:
    상기 프로브의 원운동으로부터 상기 프로브의 스캔 방향의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 측정하는 단계;
    상기 프로브의 원운동으로부터 상기 샘플의 높이 방향의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 측정하는 단계;
    상기 프로브의 원운동의 진동수, 진폭 또는 위상(phase) 변화를 통해 상기 샘플의 표면과 상기 프로브 사이의 상호작용의 변화를 산출하는 단계; 및
    상기 샘플의 표면과 상기 프로브 사이의 상호작용의 변화를 통해 상기 표면의 기울기를 획득하는 단계를 포함하는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플의 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 단계는:
    피드 포워드(feed forward) 알고리즘을 통해 상기 프로브의 이동경로를 수정하는 단계; 및
    수정된 이동경로를 따라 상기 프로브를 이동시키는 단계를 포함하는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 피드 포워드 알고리즘은 상기 샘플의 표면에 관한 측정 정보를 이용하여, 상기 프로브의 이동방향이 각 측정 지점에서 상기 샘플의 표면의 접선 방향을 따르도록 수정하는 단계를 포함하는 원자간력 현미경의 측정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 원자간력 현미경은 제어부를 더 포함하되,
    상기 프로브와 상기 샘플의 사이에서 작용하는 상호작용에 의한 상기 프로브의 움직임의 변화를 탐지하는 단계, 상기 샘플의 위치 및 표면의 기울기를 포함하는 표면 정보를 획득하는 단계, 및 상기 표면 정보를 이용하여 상기 프로브를 제어하는 단계는 제어부에 의해 자동으로 수행되는 원자간력 현미경의 측정 방법.
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