KR102026665B1 - Sample Position Controllable External Stage System for Atomic Force Microscope and Observation Method Using the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope) 시료의 위치조절이 가능한 외부 스테이지 시스템 및 그를 이용한 관찰방법에 관한 것으로, 특히 상세하게는 원자간력 현미경의 외부에서 시료의 관찰 위치와 탐침(probe)의 간격을 조절하여 원자간력 현미경의 측정위치로 이동하는 시료의 위치조절이 가능한 시료 스테이지 시스템 및 그를 이용한 관찰방법에 관한 것이다.The present invention relates to an external stage system capable of adjusting the position of an atomic force microscope (Atomic Force Microscope) and an observation method using the same, in particular, the observation position and probe of the sample from the outside of the atomic force microscope The present invention relates to a sample stage system capable of adjusting a position of a sample moving to a measurement position of an atomic force microscope by adjusting the interval of an interval, and an observation method using the same.
원자간력 현미경(原子間力顯微鏡, Atomic Force Microscope, AFM)은 나노미터 단위의 분해능을 갖는 매우 정밀한 주사 프로브 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)의 한 종류이다. 미세 탐침(probe)을 시료에 근접시켜 시료와 탐침 끝 사이의 미세한 원자간 미세한 상호 작용을 이용하여 표면 형상을 비롯한 다양한 특성을 측정할 수 있는 장치이다.Atomic Force Microscopes (AFMs) are a type of highly accurate Scanning Probe Microscopes (SPMs) with nanometer resolution. It is a device that can measure a variety of characteristics including surface shape by using a fine probe between atoms and the tip of the probe close to the sample by using a fine interaction between the sample and the tip of the probe.
원자간력 현미경의 정밀측정에서 문제되는 것은 측정과정에서 나타나는 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise) 개선을 방해하는 원자간력 현미경 내부의 자동화 스테이지를 비롯한 기계부품이다. 자동화 스테이지를 현미경에서 제외하면 신호 대 잡음비는 향상시킬 수 있지만, 탐침과 시료가 거의 물리적으로 접촉되는 원자간력 현미경의 특성상 시료의 위치를 정밀하게 조절해야 하는 새로운 문제가 생기게 된다. Problems in precision measurement of atomic force microscopes are mechanical components, including automated stages inside atomic force microscopes, which hinder the signal-to-noise improvement found in the measurement process. Excluding the automation stage from the microscope can improve the signal-to-noise ratio, but the nature of atomic force microscopes, where the probe and sample are in nearly physical contact, creates a new problem that requires precise positioning of the sample.
대한민국 등록특허 제1,680,788호는 “유연기구 메커니즘을 이용한 중공형 2축 직선운동 스테이지”에 관한 것으로, 시편이 위치되는 최종단과 구동부, 가이드부를 포함하고 최종단과 결합되어 스테이지의 본체를 형성하는 베이스부에 관한 기술을 개시한다. 그러나 상기 특허는 단순히 원자간력 시료를 정밀하게 이동시켜 위치시키는 기술에 관한 것으로 외부에서 시료의 위치를 조절하는 기술과는 거리가 있다. Republic of Korea Patent No. 1,680,788 relates to a "hollow two-axis linear motion stage using a flexible mechanism mechanism", and includes a final end, a drive unit, a guide portion is located, the base portion coupled to the final end to form the main body of the stage Disclosed a technique. However, the patent simply relates to a technology for precisely moving and positioning the atomic force sample, which is far from the technology for controlling the position of the sample from the outside.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 원자간력 현미경 내부에서 시료의 분석위치를 찾고 시료와 탐침 사이 거리를 조절하는 자동화 스테이지 기능을 원자간력 현미경의 외부에서 수행하도록 하는 외부 스테이지 시스템 및 그를 이용한 관찰방법을 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, the outside of the atomic force microscope to perform an automated stage function to find the analysis position of the sample inside the atomic force microscope and adjust the distance between the sample and the probe outside the atomic force microscope It is intended to provide a stage system and an observation method using the same.
본 발명은 원자간력 현미경 내부에서 시료의 분석위치를 찾고 시료와 탐침 사이 거리를 조절하는 자동화 스테이지 기능을 원자간력 현미경의 외부에서 수행하도록 하는 외부 스테이지 시스템을 발견하여 빠른 측정 및 입체 영상을 획득 할 수 있음을 발견하여 발명을 완성하였다.The present invention finds an external stage system that performs an automated stage function outside the atomic force microscope to find an analysis position of the sample inside the atomic force microscope and adjusts the distance between the sample and the probe to acquire fast measurement and stereoscopic images. The invention was found to be possible.
본 발명은 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템으로: 상기 시스템은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판을 포함하는 원판형 시료홀더; 상기 시료홀더를 상면 공간에 고정하고 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 고정된 시료 고정 베이스부; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더를 붙잡아 이동시키는 그리퍼(gripper)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지; 상기 다축 스테이지의 그리퍼가 붙잡은 시료 홀더에 고정된 시료의 형상을 관찰하도록 상기 고정 베이스부와 함께 받침판에 고정된 광학 현미경; 및 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 상기 다축 스테이지와 호환되도록 탈착가능한 탐침 스테이지를 포함하고, 상기 다축 스테이지는, 상기 고정 베이스부 상면에서 상기 탐침 스테이지와 상기 다축 스테이지를 교차 부착하여 조절된 측정 위치 및 간격 정보를 저장하여, 원자간력 현미경 내부에서 상기 시료와 상기 탐침이 동일한 위치와 간격이 되도록 제어하는 제어부에 상기 정보를 제공하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention provides a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe, the system comprising: a disk-shaped sample holder including an upper plate holding a sample and a lower plate attracted to a magnet; A sample fixing base part having an electromagnet and a rotating shaft therein for fixing and rotating the sample holder in an upper surface space and fixed to a support plate; A multi-axis stage detachable from the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and controlling a movement of a gripper for holding and moving the sample holder; An optical microscope fixed to the support plate together with the fixed base to observe the shape of the sample fixed to the sample holder held by the gripper of the multi-axis stage; And a probe stage detachable from the base portion upper surface space and the atomic force microscope to be compatible with the multi-axis stage, wherein the multi-axis stage cross-adjusts the probe stage and the multi-axis stage on an upper surface of the fixed base portion. To adjust the position between the atomic force microscope sample and the probe by storing the measured measurement position and the interval information and providing the information to a control unit controlling the sample and the probe to be at the same position and interval within the atomic force microscope. Provide a sample stage system.
본 발명은 또한, 상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 그리퍼는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides that the axes of the multi-axis stage are three (x, y, z) axes that are orthogonal to each other, and the gripper controls the position between the atomic force microscope sample and the probe to hold or release the side of the sample holder. A sample stage system is provided.
본 발명은 또한, 상기 고정 베이스부의 회전축은 상기 받침판에 고정된 회전모터와 타이밍 벨트(Timing belt)로 연결된, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe, the rotation axis of the fixed base portion is connected to a rotating motor and a timing belt fixed to the support plate.
본 발명은 또한, 상기 전자석은 상기 고정 베이스부의 회전축을 둘러싸는 코일로 형성되는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe, wherein the electromagnet is formed of a coil surrounding the rotation axis of the fixed base portion.
본 발명은 또한, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법으로, 상기 관찰방법은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판을 포함하는 원판형 시료홀더를 준비하는 단계; 상기 시료홀더를 상면 공간에 고정하고 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 광학 현미경과 함께 고정된 시료 고정 베이스부를 준비하는 단계; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더를 붙잡아 이동시키는 그리퍼(gripper)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지를 부착하는 단계; 상기 부착하는 단계에서 부착된 다축 스테이지의 위치를 초기화하고 이탈시키는 단계; 상기 다축 스테이지를 이탈시킨 공간에 상기 다축 스테이지와 크기 및 형상이 동일한 탐침 스테이지를 부착하고 탐침의 위치와 영상을 저장하는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시키는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시킨 공간에 시료를 부착한 시료홀더를 상기 전자석이 고정하도록 위치시키는 단계; 상기 시료가 위치한 공간을 감싸는 다축 스테이지를 부착하고 회전축 위치를 조절한 뒤 시료홀더를 상기 그리퍼로 고정하는 단계; 상기 그리퍼로 고정한 시료홀더를 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하는 단계; 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계; 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계; 및 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에서 제거하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계를 포함하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법을 제공한다.The present invention also provides an observation method using a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe, the observation method comprising a disk-shaped sample holder including an upper plate holding a sample and a lower plate attracted to a magnet. Preparing; Preparing a sample fixing base having an electromagnet and a rotating shaft therein for fixing and rotating the sample holder in an upper surface space and fixed together with an optical microscope on a support plate; Attaching a multi-axis stage that is detachable from the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and controls a movement of a gripper for holding and moving the sample holder; Initializing and disengaging the position of the attached multi-axis stage in the attaching step; Attaching a probe stage having the same size and shape as the multi-axis stage in a space away from the multi-axis stage, and storing the position and image of the probe; Leaving the probe stage; Positioning a sample holder in which a sample is attached to a space in which the probe stage is separated from the probe stage to fix the electromagnet; Attaching a multi-axis stage surrounding a space in which the sample is located, adjusting a rotation axis position, and fixing the sample holder with the gripper; Adjusting the sample holder fixed by the gripper through the optical microscope and the control unit according to the position and the image of the stored probe in the storing step; Storing the adjusted location information; Mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope and positioning the sample holder according to stored position information; And removing the multi-axis stage from the atomic force microscope and mounting and observing the probe stage at the multi-axis stage position, using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe. Provide a method.
본 발명은 또한, 상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 그리퍼는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법을 제공한다.The present invention also provides that the axes of the multi-axis stage are three (x, y, z) axes that are orthogonal to each other, and the gripper controls the position between the atomic force microscope sample and the probe to hold or release the side of the sample holder. An observation method using a sample stage system is provided.
본 발명은 또한, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템으로: 상기 시스템은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더; 상기 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부; 상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 고정된 시료 고정 베이스부; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지; 상기 다축 스테이지의 리프트 가이드가 붙잡은 시료홀더 거치부에 고정된 시료의 형상을 관찰하도록 상기 고정 베이스부와 함께 받침판에 고정된 광학 현미경; 및 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 상기 다축 스테이지와 호환되도록 탈착가능한 탐침 스테이지를 포함하고, 상기 다축 스테이지는, 상기 고정 베이스부 상면에서 상기 탐침 스테이지와 상기 다축 스테이지를 교차 부착하여 조절된 측정 위치 및 간격 정보를 저장하여, 원자간력 현미경 내부에서 상기 시료와 상기 탐침이 동일한 위치와 간격이 되도록 제어하는 제어부에 상기 정보를 제공하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개는, 상면에 위치를 표시하는 좌표를 하나 이상 구비하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe: the system includes an upper plate for holding a sample and a lower plate attracted to a magnet, and an angle adjusting screw for adjusting the angle of the upper plate and the lower plate. Disc-shaped sample holder comprising a; The disc-shaped sample holder is mounted on the body to rotate, and a wing including a body and the wings so that the wings that are horizontal to the upper plate of the sample holder is extended to both ends of the body and spaced apart from the bottom surface of the body Holder holder; A sample fixing base portion fixed to the support plate to fix the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft therein for rotating the sample holder; A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. A multi-axis stage for adjusting the movement of the; An optical microscope fixed to the support plate together with the fixed base to observe the shape of the sample fixed to the sample holder holder held by the lift guide of the multi-axis stage; And a probe stage detachable from the base portion upper surface space and the atomic force microscope to be compatible with the multi-axis stage, wherein the multi-axis stage cross-adjusts the probe stage and the multi-axis stage on an upper surface of the fixed base portion. Storing the measured measurement position and the interval information, providing the information to the control unit for controlling the sample and the probe to be the same position and interval in the atomic force microscope, and the wing that is level with the top plate of the sample holder Provided is a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe, one or more coordinates indicating the position on the upper surface.
본 발명은 또한, 상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 그리퍼는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides that the axes of the multi-axis stage are three (x, y, z) axes that are orthogonal to each other, and the gripper controls the position between the atomic force microscope sample and the probe to hold or release the side of the sample holder. A sample stage system is provided.
본 발명은 또한, 상기 고정 베이스부의 회전축은 상기 받침판에 고정된 회전모터와 타이밍 벨트(Timing belt)로 연결된, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe, the rotation axis of the fixed base portion is connected to a rotating motor and a timing belt fixed to the support plate.
본 발명은 또한, 상기 전자석은 상기 고정 베이스부의 회전축을 둘러싸는 코일로 형성되는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe, wherein the electromagnet is formed of a coil surrounding the rotation axis of the fixed base portion.
본 발명은 또한, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법으로, 상기 관찰방법은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하고 상면에 위치를 표시하는 좌표를 구비하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부를 준비하는 단계; 상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 광학 현미경과 함께 고정된 시료 고정 베이스부를 준비하는 단계; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지를 부착하는 단계; 상기 부착하는 단계에서 부착된 다축 스테이지의 위치를 초기화하고 이탈시키는 단계; 상기 다축 스테이지를 이탈시킨 공간에 상기 다축 스테이지와 크기 및 형상이 동일한 탐침 스테이지를 부착하고 탐침의 위치와 영상을 저장하는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시키는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시킨 공간에 시료를 부착한 시료홀더 거치부의 상기 시료홀더를 상기 전자석이 고정하도록 위치시키는 단계; 상기 시료가 위치한 공간을 감싸는 다축 스테이지를 부착하고 회전축 위치를 조절한 뒤 시료홀더 거치부를 상기 리프트 가이드로 고정하는 단계;상기 리프트 가이드로 고정한 시료홀더를 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하는 단계; 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계; 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계; 상기 위치시킨 시료를 원자간력 현미경으로 라인스캔하여 상기 시료가 수평상태로부터 벗어난 각도를 조사하는 단계; 상기 각도 조절나사를 조절하여 상기 벗어난 각도를 최소화하는 단계; 및 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에서 제거하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계를 포함하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법을 제공한다.The present invention is also an observation method using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe, the observation method, the upper plate and the lower plate to hold the sample and the angle of the upper plate and the lower plate The disc-shaped sample holder including an angle adjusting screw to be adjusted is mounted on the body to rotate, and a wing having coordinates indicating a position on an upper surface of the sample holder is horizontal with the top plate of the sample holder is extended to both ends of the body Preparing a sample holder holder including a body and a wing to have a space spaced from the bottom surface; Fixing the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft configured to rotate the sample holder therein and preparing a sample fixing base fixed to the support plate together with an optical microscope; A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. Attaching a multi-axis stage to adjust the movement of the; Initializing and disengaging the position of the attached multi-axis stage in the attaching step; Attaching a probe stage having the same size and shape as the multi-axis stage in a space away from the multi-axis stage, and storing the position and image of the probe; Leaving the probe stage; Positioning the sample holder of the sample holder holder to which the sample is attached to a space in which the probe stage is separated from the probe stage; Attaching a multi-axis stage surrounding the space in which the sample is located, adjusting the rotation axis position, and fixing the sample holder holder to the lift guide; and storing the sample holder fixed by the lift guide to the position and image of the probe stored in the storing step. Adjusting through the optical microscope and the control unit; Storing the adjusted location information; Mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope and positioning the sample holder according to stored position information; Scanning the positioned sample with an atomic force microscope to examine an angle at which the sample deviates from a horizontal state; Adjusting the angle adjusting screw to minimize the deviation angle; And removing the multi-axis stage from the atomic force microscope and mounting and observing the probe stage at the multi-axis stage position, using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe. Provide a method.
본 발명은 또한, 상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 리프트 가이드는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법을 제공한다.The present invention also relates to a position between the probe and the atomic force microscope sample, wherein the axes of the multi-axis stage are three (x, y, z) axes orthogonal to each other, and the lift guides hold or place the side of the sample holder. An observation method using a sample stage system for adjustment is provided.
본 발명은 또한, 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계와, 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계 사이에, 상기 위치정보가 저장된 시료홀더 거치부를 고배율 광학현미경 또는 전자현미경 시료실에 투입하여, 시료의 관찰 위치와 상기 위치를 표시하는 좌표로부터의 거리 정보를 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계에서 상기 거리 정보를 활용하여 관찰위치에 접근하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법을 제공한다.The present invention further includes storing the adjusted position information, and mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope, and positioning the sample holder according to the stored position information. And inserting the holder holder into the high magnification optical microscope or the electron microscope sample chamber, and storing the observation position of the sample and distance information from the coordinates indicating the position, and mounting the probe stage at the multi-axis stage position for observation. In the step of using the distance information to access the observation position, provides an observation method using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe.
본 발명의 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템 및 그를 이용한 관찰 방법은, 원자간력 현미경의 내부구동 기계부품을 제외하여 분석결과의 신호 대 잡음비를 향상시키고, 외부 스테이지에서 위치를 조절하고 현미경에서는 빠른 측정이 가능해서 원자간력 현미경의 측정 속도를 향상시키며, 측정위치를 검색하는 과정에서 생길 수 있는 탐침의 마모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 전자현미경 영상 등 동일한 위치에서 측정한 영상을 보정하고 합성하여 고분해능 입체 영상을 획득하는 것이 가능하다. The sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe and the observation method using the same, improves the signal-to-noise ratio of the analysis results, excluding the internal drive mechanical components of the atomic force microscope, and the external stage It is possible to adjust the position at the microscope, and to make quick measurement at the microscope, thereby improving the measurement speed of the atomic force microscope and reducing the wear of the probe that may occur in the process of searching the measurement position. In addition, it is possible to obtain a high resolution stereoscopic image by correcting and synthesizing an image measured at the same position, such as an electron microscope image.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 시료 스테이지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른, 그리퍼를 구비한 다축스테이지의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른, 시료홀더, 거치부에 장착된 시료홀더의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른, 리프트 가이드를 구비한 다축 스테이지의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른, 리프트 가이드를 구비한 다축 스테이지의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른, 시료 스테이지 작동 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 외부 스테이지 시스템을 이용한 AFM 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른, 외부 스테이지 시스템을 이용한 시료 이동 실험 결과이다.
도 9은 본 발명의 일 구현예에 따른, 탐침 스테이지의 위치 정확도를 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른, 임계치수(Critical dimension, CD)를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른, 임계치수(Critical dimension, CD)를 측정하고 분석한 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른, IVPS 패턴의 재구성 된 3D 프로파일 및 재현성 측정 결과이다.1 is a block diagram of a sample stage system, according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of a multi-axis stage with a gripper according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram of a sample holder mounted on a holder, a holder according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of a multi-axis stage with a lift guide, according to one embodiment of the invention.
5 is a photograph of a multi-axis stage with a lift guide, according to one embodiment of the invention.
6 is a schematic diagram of a sample stage operating system, in accordance with an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating an AFM measurement method using an external stage system according to an embodiment of the present invention.
8 is a result of a sample movement experiment using an external stage system according to an embodiment of the present invention.
9 is a result of measuring the position accuracy of the probe stage, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a result of measuring a critical dimension (CD) according to an embodiment of the present invention. FIG.
11 is a result of measuring and analyzing a critical dimension (CD) according to an embodiment of the present invention.
12 is a reconstructed 3D profile and reproducibility measurement results of an IVPS pattern, according to one embodiment of the invention.
다양한 구현예가 도면을 참조하여 개시된다. 아래 설명에서는 하나 이상의 구현예에서 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나 각 구현예는 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 이후의 기재 및 첨부된 도면은 하나 이상의 구현예의 특정한 예시를 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 예시는 예시적인 것이고 다양한 구현예의 원리에서 다양한 방법 중 일부가 이용될 수 있으며 기술되는 설명은 그러한 구현예 및 균등물을 모두 포함하고자 하는 의도이다.Various embodiments are disclosed with reference to the drawings. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding in one or more embodiments. However, it should be appreciated that each implementation may be practiced without these specific details. The following description and the annexed drawings set forth in detail certain illustrative examples of one or more embodiments. However, these examples are exemplary and some of the various methods may be used in the principles of various embodiments and the description set forth is intended to include both such embodiments and equivalents.
다양한 구현예 및 특징이 다수의 부품 및 구성부를 포함할 수 있는 장치에 의하여 제시될 것이다. 다양한 장치가 추가적인 부품, 구성부를 포함할 수 있고 그리고/또는 도면과 관련하여 논의된 부품, 구성부 모두를 포함할 수 없다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.Various embodiments and features will be presented by an apparatus that can include a number of parts and components. It should also be understood and appreciated that various devices may include additional components, components, and / or may not include all of the components, components discussed in connection with the drawings.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "구현예", "예시" 등은 기술된 임의의 구현예 또는 설계가 다른 구현예 또는 설계보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않아야 한다. 아래에서 사용되는 용어인 '심전도', '심탄도', '호흡 신호' 등은 일반적으로 의료 및 생체관련 내용을 의미한다.As used herein, "embodiment", "embodiment", "example" and the like should not be construed as any embodiment or design described above being better or advantageous than other embodiments or designs. The terms 'electrocardiogram', 'cardiogram', and 'breathing signal' used in the following generally refer to medical and biological information.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 각 경우 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 항목 중 하나 이상의 항목의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the term “or” is intended to mean an inclusive “or” rather than an exclusive “or”. In other words, unless specified otherwise or unambiguously in context, "X uses A or B" is intended to mean one of the natural implicit substitutions. That is, X uses A; X uses B; Or where X uses both A and B, "X uses A or B" can be applied in either case. Also, it is to be understood that the term "and / or" as used herein refers to and includes all possible combinations of one or more of the listed related items.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징, 단계, 동작, 구성요소 및/또는 구성부가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 구성요소, 구성부 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the terms "comprises" and / or "comprising" mean that there is a corresponding feature, step, action, component, and / or component, but one or more other features, steps, actions, components, configurations It should be understood that it does not exclude the presence or addition of parts and / or groups thereof. Also, unless otherwise specified or in the context of indicating a singular form, the singular in the specification and claims should generally be interpreted as meaning "one or more."
한 양태에서 본 발명은 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템이다. 도 1 a는 본 발명의 시료스테이지 시스템으로, 상기 시스템은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판을 포함하는 원판형 시료홀더(204); 상기 시료홀더(204)를 상면 공간에 고정하고 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 고정된 시료 고정 베이스부(100); 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더를 붙잡아 이동시키는 그리퍼(gripper)(203)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지(200); 상기 다축 스테이지(200)의 그리퍼(203)가 붙잡은 시료 홀더에 고정된 시료의 형상을 관찰하도록 상기 고정 베이스부와 함께 받침판(500)에 고정된 광학 현미경(300); 및 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 상기 다축 스테이지와 호환되도록 탈착가능한 탐침 스테이지를 포함한다.In one aspect the invention is a sample stage system for positioning between an atomic force microscope sample and a probe. 1A is a sample stage system of the present invention, the system comprising: a disk-shaped
상기 시료 고정 베이스부(100)는 전자석과 회전축을 내부에 구비하며 시료홀더(204)를 상면공간에 고정하고 회전시킬 수 있으며 전자석으로부터 시료홀더를 부착 또는 분리한다. 상기 시료 홀더는 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판을 포함하며, 광학현미경과 원자간력현미경에 의해 관찰될 수 있다. 한 구현예에서 상기 전자석은 상기 고정 베이스부의 회전축을 둘러싸는 코일로 형성된다. 시료 회전을 위해 도 1 e의 고정 베이스부의 단면에 나타낸 바와 같이 고정 베이스부의 회전축은 상기 받침판에 고정된 회전모터와 타이밍 벨트(Timing belt)로 연결된다. 상기 시료 고정 베이스부는 상면 공간과 원자력현미경에 탈착가능하다. 상기 광학현미경은 상기 시료홀더에 고정된 시료의 형상을 관찰하는 것이며, 상기 시료 고정 베이스부와 함께 받침판(500)에 고정된다.The sample
도 1 c와 같이 다축 스테이지(200)의 그리퍼(203)는 시료홀더(204)를 이동시킬때 시료홀더를 고정시킬수 있으며, 그리퍼의 양팔을 개방하는 직선 운동 가이드(linear motion guide)를 사용한다. 또한 상기 그리퍼는 다른 종횡비의 캠에 모터가 부착되어 작동될 수 있다. 스텝 모터는 캠을 회전시키기 위해 사용되며, 한 구현예에서 토크 정격은 22mNm이다. 시료 회전은 도 1 d 및 도 1 e와 같이 타이밍 벨트를 스텝 모터에 연결하여 이루어질 수 있다. 회전 분해능이 0.06도이기 때문에 시료의 위치는 고배율 현미경을 사용하여 미세 조정이 가능하다. 상기 다축 스테이지(200)는 도 2 a 내지 d에 상세구조를 나타냈다. 상기 다축 스테이지는 시료홀더를 고정하기 위한 그리퍼를 구비하며, 3 스텝(step) 모터가 수직 및 수평 위치를 조정하기 위해 상기 다축 스테이지에 위치하고, 상기 그리퍼는 수직 및 수평 위치를 정밀하게 제어할 수있다. 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 그리퍼는 상기 시료홀더(204)의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 할 수 있다. 시료홀더를 고정하기 위해 스프링(206)을 사용할 수 있으며, 직선 운동 가이드에 두 개의 블록을 놓으면 직선 운동이 수행된다. 상기 다축 스테이지는 상기 고정 베이스부 상면에서 상기 탐침 스테이지와 상기 다축 스테이지를 교차 부착하여 조절된 측정 위치 및 간격 정보를 저장하여, 원자간력 현미경 내부에서 상기 시료와 상기 탐침이 동일한 위치와 간격이 되도록 제어하는 제어부에 상기 정보를 제공한다. 한 구현예에서 상기 스텝의 이동 거리는 10mm이고, 분해능은 1.3μm이다. 각 축에는 리미트 센서가 부착되어 있으며, 상기 리미트 센서는 각 축의 원점을 설정하고 이동 범위 내에서 그리퍼를 안전하게 작동시킨다. 한 구현예에서 수평 및 수직 한계는 각각 8mm 및 6mm이며, 상기 모터의 직경은 15mm이고 유지 토크는 22mNm이다.As illustrated in FIG. 1C, the
또한 본 발명은 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템으로: 상기 시스템은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더; 상기 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부; 상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 고정된 시료 고정 베이스부; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지; 상기 다축 스테이지의 리프트 가이드가 붙잡은 시료홀더 거치부에 고정된 시료의 형상을 관찰하도록 상기 고정 베이스부와 함께 받침판에 고정된 광학 현미경; 및 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 상기 다축 스테이지와 호환되도록 탈착가능한 탐침 스테이지를 포함한다.In another aspect, the present invention is a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe: The system, the upper plate and the lower plate attracted to the magnet and the angle adjusting screw for adjusting the angle of the upper plate and the lower plate to fix the sample A disc shaped sample holder comprising; The disc-shaped sample holder is mounted on the body to rotate, and a wing including a body and the wings so that the wings that are horizontal to the upper plate of the sample holder is extended to both ends of the body and spaced apart from the bottom surface of the body Holder holder; A sample fixing base portion fixed to the support plate to fix the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft therein for rotating the sample holder; A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. A multi-axis stage for adjusting the movement of the; An optical microscope fixed to the support plate together with the fixed base to observe the shape of the sample fixed to the sample holder holder held by the lift guide of the multi-axis stage; And a probe stage detachable from the base portion top space and the atomic force microscope to be compatible with the multi-axis stage.
도 3은 본 발명의 또 다른 시료홀더의 모식도로, 상판과 하판의 각도를 조절할 수 있는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더이며, 이는 관찰되는 시료의 기울기를 조절할 수 있다. 상기 원판형 시료홀더(214)는 시료홀더 거치부(211)에 거치되며, 상기 거치부는 시료 고정 베이스부에 고정된다. 상기 시료홀더가 거치된 거치부는 도 4 및 도 5에 나타낸 다축 스테이지에 의해 이동가능하다. 상기 다축스테이지는 베이스부 상면 공간과 원자간련 현미경에 탈착가능하며, 가이드부(212)를 구비하여 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 가이드의 움직임을 조절하여 상기 시료홀더 거치부를 이동 시킨다. 상기 다축 스테이지는, 상기 고정 베이스부 상면에서 상기 탐침 스테이지와 상기 다축 스테이지를 교차 부착하여 조절된 측정 위치 및 간격 정보를 저장하여, 원자간력 현미경 내부에서 상기 시료와 상기 탐침이 동일한 위치와 간격이 되도록 제어하는 제어부에 상기 정보를 제공하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개는, 상면에 위치를 표시하는 좌표를 하나 이상 구비한다. 한 구현에에서 상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이다. Figure 3 is a schematic diagram of another sample holder of the present invention, a disk-shaped sample holder including an angle adjusting screw for adjusting the angle of the upper plate and the lower plate, which can adjust the inclination of the observed sample. The disc shaped
또 다른 측면에서 본 발명은 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법으로, 상기 관찰방법은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판을 포함하는 원판형 시료홀더를 준비하는 단계; 상기 시료홀더를 상면 공간에 고정하고 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 광학 현미경과 함께 고정된 시료 고정 베이스부를 준비하는 단계; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더를 붙잡아 이동시키는 그리퍼(gripper)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지를 상기 시료 고정 베이스부 상면에 부착하는 단계; 상기 부착하는 단계에서 부착된 다축 스테이지의 위치를 초기화하고 이탈시키는 단계; 상기 다축 스테이지를 이탈시킨 공간에 상기 다축 스테이지와 크기 및 형상이 동일한 탐침 스테이지를 부착하고 탐침의 위치와 영상을 저장하는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시키는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시킨 공간에 시료를 부착한 시료홀더를 상기 전자석이 고정하도록 위치시키는 단계; 상기 시료가 위치한 공간을 감싸는 다축 스테이지를 부착하고 회전축 위치를 조절한 뒤 시료홀더를 상기 그리퍼로 고정하는 단계; 상기 그리퍼로 고정한 시료홀더를 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하는 단계; 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계; 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계; 및 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에서 제거하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계를 포함한다.In another aspect, the present invention is an observation method using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe, the observation method, a disk-shaped sample including a top plate for holding the sample and a lower plate attracted to the magnet Preparing a holder; Preparing a sample fixing base having an electromagnet and a rotating shaft therein for fixing and rotating the sample holder in an upper surface space and fixed together with an optical microscope on a support plate; Attaching a multi-axial stage detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, the multi-axis stage to control the movement of the gripper for holding and moving the sample holder to the upper surface of the sample holding base portion; Initializing and disengaging the position of the attached multi-axis stage in the attaching step; Attaching a probe stage having the same size and shape as the multi-axis stage in a space away from the multi-axis stage, and storing the position and image of the probe; Leaving the probe stage; Positioning a sample holder in which a sample is attached to a space in which the probe stage is separated from the probe stage to fix the electromagnet; Attaching a multi-axis stage surrounding a space in which the sample is located, adjusting a rotation axis position, and fixing the sample holder with the gripper; Adjusting the sample holder fixed by the gripper through the optical microscope and the control unit according to the position and the image of the stored probe in the storing step; Storing the adjusted location information; Mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope and positioning the sample holder according to stored position information; And removing the multi-axis stage from the atomic force microscope, and mounting and observing a probe stage at the multi-axis stage position.
또 다른 관찰방법으로, 상기 방법은 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하고 상면에 위치를 표시하는 좌표를 구비하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부를 준비하는 단계; 상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 광학 현미경과 함께 고정된 시료 고정 베이스부를 준비하는 단계; 상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지를 상기 시료 고정 베이스부 상면에 부착하는 단계; 상기 부착하는 단계에서 부착된 다축 스테이지의 위치를 초기화하고 이탈시키는 단계; 상기 다축 스테이지를 이탈시킨 공간에 상기 다축 스테이지와 크기 및 형상이 동일한 탐침 스테이지를 부착하고 탐침의 위치와 영상을 저장하는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시키는 단계; 상기 탐침 스테이지를 이탈시킨 공간에 시료를 부착한 시료홀더 거치부의 상기 시료홀더를 상기 전자석이 고정하도록 위치시키는 단계; 상기 시료가 위치한 공간을 감싸는 다축 스테이지를 부착하고 회전축 위치를 조절한 뒤 시료홀더 거치부를 상기 리프트 가이드로 고정하는 단계; 상기 리프트 가이드로 고정한 시료홀더를 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하는 단계; 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계; 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계; 상기 위치시킨 시료를 원자간력 현미경으로 라인스캔하여 상기 시료가 수평상태로부터 벗어난 각도를 조사하는 단계; 상기 각도 조절나사를 조절하여 상기 벗어난 각도를 최소화하는 단계; 및상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에서 제거하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계를 포함하는, 원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법이다. 한 구현에에서 상기 조절된 위치정보를 저장하는 단계와, 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계 사이에, 상기 위치정보가 저장된 시료홀더 거치부를 고배율 광학현미경 또는 전자현미경 시료실에 투입하여, 시료의 관찰 위치와 상기 위치를 표시하는 좌표로부터의 거리 정보를 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계에서 상기 거리 정보를 활용하여 관찰위치에 접근한다.As another observation method, the method is mounted on the body so that the disk-shaped sample holder including a top plate for fixing the sample and a lower plate attracted to the magnet and an angle adjusting screw for adjusting the angle of the top plate and the bottom plate, the sample holder Preparing a sample holder holder including the body and the wings so as to have a space spaced from the bottom surface of the body extending to both ends of the wing having a coordinate indicating the position on the upper surface and the top of the body ; Fixing the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft configured to rotate the sample holder therein and preparing a sample fixing base fixed to the support plate together with an optical microscope; A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. Attaching a multi-axis stage for controlling movement of the sample to an upper surface of the sample fixing base portion; Initializing and disengaging the position of the attached multi-axis stage in the attaching step; Attaching a probe stage having the same size and shape as the multi-axis stage in a space away from the multi-axis stage, and storing the position and image of the probe; Leaving the probe stage; Positioning the sample holder of the sample holder holder to which the sample is attached to a space in which the probe stage is separated from the probe stage; Attaching a multi-axis stage surrounding the space in which the sample is located, adjusting the rotation axis position, and fixing the sample holder holder to the lift guide; Adjusting the sample holder fixed by the lift guide through the optical microscope and the control unit according to the position and the image of the stored probe in the storing step; Storing the adjusted location information; Mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope and positioning the sample holder according to stored position information; Scanning the positioned sample with an atomic force microscope to examine an angle at which the sample deviates from a horizontal state; Adjusting the angle adjusting screw to minimize the deviation angle; And removing the multi-axis stage from the atomic force microscope, and mounting and observing the probe stage at the multi-axis stage position, using a sample stage system for positioning between the atomic force microscope sample and the probe. It is a way. In one embodiment, between storing the adjusted position information, and mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope, and positioning the sample holder according to the stored position information, the sample holder in which the position information is stored. And inserting the cradle into a high magnification optical microscope or an electron microscope sample chamber, and storing information about the observation position of the sample and distance from the coordinates indicating the position, and mounting and observing the probe stage at the multi-axis stage position. In the step, the observation position is accessed using the distance information.
도 6은 본 발명의 시스템의 한 구현예로 맞춤 제작 소프트웨어가있는 컴퓨터, 제어 상자 및 AFM 스테이지용 외부베이스가 포함된다. 상기 외부베이스는 광학현미경, 시료 고정 베이스부, 다축 스테이지를 포함한다. 제어 상자의 5축 컨트롤러/ 드라이버 모듈(TMCM-6212, Trinamic Motion Control GmbH, Hamburg, Germany)을 사용하여 외부베이스의 다축 스테이지의 스텝 모터(X, Y, Z, 그리퍼 및 로테이터)를 작동시킬 수 있으며, 컴퓨터와 제어 상자 사이의 RS485 버스를 기반으로 직렬통신을할 수 있도록 설계된다. 스텝 모터의 전력은 제어 상자에서 공급되는데, 상기 제어상자는 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)가 두 가지 유형의 모터로 부터 독립적으로 DC 24V / 4.2A 및 DC 12V / 2.1A를 생산한다. 상기 스텝모터는 예를 들면 Faulhaber사의 EN AM2224 AV-4.8 (22mm)과 EN AM1524 V-6-35 (15mm)를 사용할 수 있다. 상기 스텝모터는 1 회전 당 24 스텝을 가지며 한 구현에서 상기 스텝의 각도는 15°이다. 상기 시료 고정 베이스부에 시료홀더 및 다축스테이지를 부착하고 다축 스테이지의 위치를 초기화 하고 이탈하고 이탈한 공간에 탐침 스테이지를 부착하여 탐침의 위치와 영상을 저장한다. 이미지를 캡처하기 위해 CCD 카메라(XCAM 1080PHA, ToupTek, China)를 사용할 수 있으며, USB 케이블 연결을 통해 PC에 연결한다. 탐침 스테이지를 이탈시키고 시료가 로드된 시료홀더를 시료 고정 베이스부에 고정시킨다. 시료의 미끄럼 방지 상태를 유지하기 위해 시료고정 베이스 부에는 전자석을 사용할 수 있다. 상기 전자석은 예를 들면 0.3mm 두께의 코일을 감아 제작한 보빈 축으로 구성되며 시료의 앵커(anchor)역할을 한다. 한 구현에에서 500 턴 코일은 DC 12V SMPS에 연결되고 코일을 감을 때 보호 필름을 삽입하여 중간층 사이의 열 발생을 방지한다. 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하고, 조절된 위치정보를 저장한다. 6 includes a computer with custom software, a control box, and an external base for an AFM stage, as an embodiment of the system of the present invention. The outer base includes an optical microscope, a sample fixing base portion, and a multi-axis stage. The 5-axis controller / driver module in the control box (TMCM-6212, Trinamic Motion Control GmbH, Hamburg, Germany) can be used to operate the step motors (X, Y, Z, grippers and rotators) of the multi-axis stage on the external base. It is designed for serial communication based on the RS485 bus between the computer and the control box. The power of the stepper motor is supplied from a control box, in which the switching mode power supply (SMPS) produces DC 24V / 4.2A and DC 12V / 2.1A independently from the two types of motors. The step motor may use, for example, EN AM2224 AV-4.8 (22mm) and EN AM1524 V-6-35 (15mm) manufactured by Faulhaber. The step motor has 24 steps per revolution and in one implementation the angle of the step is 15 °. The sample holder and the multi-axis stage are attached to the sample fixing base unit, the position of the multi-axis stage is initialized, and the probe stage is attached to the space where the sample is detached and stored to store the position and image of the probe. To capture images, you can use a CCD camera (XCAM 1080PHA, ToupTek, China) and connect it to your PC via a USB cable connection. The probe stage is released and the sample holder loaded with the sample is fixed to the sample fixing base part. In order to maintain the non-slip state of the sample, an electromagnet may be used for the sample fixing base part. The electromagnet, for example, is composed of a bobbin shaft wound around a 0.3 mm thick coil and serves as an anchor for the sample. In one implementation, a 500 turn coil is connected to a DC 12V SMPS and inserts a protective film when winding the coil to prevent heat generation between the interlayers. According to the storing step is adjusted through the optical microscope and the control unit according to the position and image of the stored probe, and stores the adjusted position information.
본 발명의 시료 고정 베이스부에는 상면 공간에 시료홀더 또는 탐침 스테이지(400)를 고정시킬 수 있으며, 받침판에 광학현미경과 함께 고정된다. 도 6 c와 같이 두 가지 종류의 스테이지를 사용할 수 있으며, 시료의 x-y 위치를 위한 다축 스테이지(200) 예를 들면 4축 스테이지와 탐침의 로딩을 위한 탐침 스테이지(400)이다. 상기 시료는 다축 스테이지의 그리퍼에 의해 이동가능하다. 상기 각 스테이지는 도 6 d에 도시된 것과 같이 시료 고정 베이스부 및 LN-AFM 장비에 삽입되도록 설계된다. 기계적 잡음을 줄이기 위해 LN-AFM은 시료 홀더에서 움직임을 제거하여 최소화 된 노이즈 소스를 구현할 수 있으며, 또한 XY 스캐너와 Z 스캐너를 분리하여 CD 측정시 스캐너 간의 커플링 효과를 제거한다. 상기 Z 스캐너는 높은 기계적 안정성과 위치 정확성을 보장할 수 있는 스택형 스캐너를 사용할 수 있으며 예를 들어 Physik Instrumente(Germany)사의 P-010.00H를 사용할 수 있다. 위치 감지형 포토 다이오드 센서(PSPD)의 SNR(signal-to-noise ratios)은 열원을 분리하여 향상될 수 있다. 이를 위해 낮은 간섭성 및 낮은 노이즈 적외선(IR, ~ 850nm), 수퍼 발광 다이오드 및 통합형 CCD를 레이저 빔의 바운스(bounce) 경로에 사용한다. 상기 4축 스테이지는 원자간력 현미경에 장착되며 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시킨 후 상기 4축 스테이지를 제거하고, 제거한 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 시료를 관찰 할 수 있다.In the sample fixing base of the present invention, the sample holder or the
LN-AFM의 위치 조정 방법은 크게 거칠기(coarse) 제어 및 미세 제어의 두 가지 단계로 구성된다. 상기 4축 스테이지는 장거리 운송을 통해 샘플을 이동시키는 반면 샘플 위치의 미세 조정은 상기 XY piezo nanopositioning 스테이지(P-733.2DD, Physik Instrumente, Germany)를 통해 수행된다. 한 구현에에서 XY piezo nanopositioning stage의 해상도는 0.1nm이고, 스캔 영역은 30μm 이다. 상기 AFM 측정 중에는 온도와 습도가 환경 챔버를 통해 제어하여 스캔 범위에 드리프트(0.5 nm/min) 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 샘플의 목표 위치가 XY nanopositioning 단계 영역(30μm)에 도달할 수 있다면 임계 치수(critical dimension)의 측정이 가능하다.The position adjustment method of the LN-AFM is largely composed of two stages: coarse control and fine control. The four-axis stage moves the sample through long distance transport while fine adjustment of the sample position is performed via the XY piezo nanopositioning stage (P-733.2DD, Physik Instrumente, Germany). In one implementation, the resolution of the XY piezo nanopositioning stage is 0.1 nm and the scan area is 30 μm. During the AFM measurement, temperature and humidity may be controlled through an environmental chamber to prevent drift (0.5 nm / min) in the scan range. Thus, the system is capable of measuring critical dimensions if the target position of the sample can reach the XY nanopositioning step region (30 μm).
실시예Example
실시예 1 외부 스테이지 시스템을 이용한 AFM 측정Example 1 AFM Measurement Using an External Stage System
본 발명의 시스템을 이용한 시료 관찰 방법은 도 7 a 내지 c와 같이 탐침 위치의 초기화 및 기록, 타겟 시료의 회전 조정 및 위치 측정, AFM 탐침 스테이지의 AFM 장착 및 측정 3단계로 수행하였다. 각 단계의 세부 사항은 도 3 블록도에 나타냈다.The sample observation method using the system of the present invention was performed in three steps: initialization and recording of the probe position, adjustment and position measurement of the target sample, AFM mounting and measurement of the AFM probe stage as shown in FIGS. Details of each step are shown in the block diagram of FIG. 3.
첫 번째 단계는 탐침 형상을 추출하고 탐침 끝을 찾는 것으로 탐침 스테이지는 외부베이스 상에 장착되고, 탐침의 이미지는 광학 현미경을 사용하여 저장하였다. 본 발명의 소프트웨어는 프로브의 위치를 확인한 다음 측정 할 샘플의 위치와 이미지를 일치시킨다. 프로브의 위치는 OpenCV 라이브러리를 사용하여 Canny 알고리즘으로 탐지할 수 있다(도 3 a 참조). 탐침 위치 정보가 저장되면 탐침 단계가 마운트 해제된다.The first step was to extract the probe shape and find the tip of the probe. The probe stage was mounted on an external base and the image of the probe was stored using an optical microscope. The software of the present invention identifies the position of the probe and then matches the image with the position of the sample to be measured. The location of the probe can be detected by the Canny algorithm using the OpenCV library (see FIG. 3 a). Once the probe position information is saved, the probe stage is unmounted.
두 번째 단계는 샘플을 회전시키고 측정 위치로 이동하는 것으로, 이를 위해 시료와 외부 4축 스테이지가 외부베이스에 로드하였다. 새로운 위치를 측정 할 때는 샘플 회전에 의한 기울기 보정을 미리 수행하였고 목표 위치를 설정하였다. 측정을 반복하기 위해 샘플로드 후 자동 회전 보정으로 샘플을 다시 로드하였다. 샘플의 위치와 스케일링은 SURF(Speeded-Up Robust Features) 알고리즘을 사용하여 이전 이미지와 현재 이미지를 비교하여 추정 하였다. 위치 정렬을 위해, 프로브의 위치가 미리 결정되고, 그 후 타겟 시료를 프로브의 위치로 이동시켰다.The second step was to rotate the sample and move it to the measurement position, for which the sample and the external four-axis stage were loaded onto the outer base. When measuring the new position, the tilt correction by the sample rotation was performed in advance and the target position was set. The sample was reloaded with automatic rotation correction after sample loading to repeat the measurement. The location and scaling of the samples were estimated by comparing the previous and current images using the Speeded-Up Robust Features (SURF) algorithm. For position alignment, the position of the probe is predetermined and then the target sample is moved to the position of the probe.
마지막 세 번째 단계로 프로브의 위치가 외부 스테이지를 통해 기록되면 LN-AFM 기기(NanoFocus, Seoul, Korea)에 삽입되고 시료를 동일한 위치에 배치하였다. 샘플이 AFM 장비에 안전하게 장착 된되면 AFM 측정을 수행하였다.In the final third step, the position of the probe was recorded via an external stage and inserted into the LN-AFM instrument (NanoFocus, Seoul, Korea) and the sample was placed in the same position. Once the sample was securely mounted on the AFM instrument, AFM measurements were performed.
실시예 2 외부 스테이지 시스템을 이용한 시료 이동Example 2 Sample Movement Using an External Stage System
장거리 운송 실험을 위한 시료 준비 방법은 도 4의 a와 같이 수행하였다. 먼저 4인치 유리 기판을 1cm × 1cm로 다이싱하고, 네가티브 포토 레지스트(DNR-L300-30, Dongjin Semichem Co., Ltd., Seoul, Korea)를 사용하여 리소그래피 법을 이용하여 유리 기판 상에 크로스 패턴을 형성하였다. ID 번호는 도 4 b 및 c를 참조하면 각각의 십자가에 할당되었고, 십자가 사이의 피치는 2mm로 수행하였다. 전자빔 증착법에 의해 Cr / Au (3/17nm) 층을 증착 하고 샘플을 금속 리프트 - 오프 공정을 위해 아세톤에 침지시켰다. 표면을 탈 이온수로 헹구고 질소 가스 블로에서 건조시켰다.Sample preparation method for the long distance transport experiment was performed as shown in a of FIG. First dicing a 4-inch glass substrate into 1 cm x 1 cm, and using a negative photoresist (DNR-L300-30, Dongjin Semichem Co., Ltd., Seoul, Korea) to cross-pattern on the glass substrate using lithography Formed. ID numbers were assigned to each cross with reference to FIGS. 4 b and c, and the pitch between the crosses was performed at 2 mm. A Cr / Au (3/17 nm) layer was deposited by electron beam deposition and the sample was immersed in acetone for the metal lift-off process. The surface was rinsed with deionized water and dried in a nitrogen gas blow.
표적 샘플을 전도성은 페이스트를 사용하여 원형 스테인레스 스틸(SUS) 기판에 부착시켰다. 외부 받침대에 장착 된 회전 스테이지를 사용하여 화면에 표시된 기준선을 기준으로 기울어진 각도를 조정하였다. 도 4 a와 같이 처음 시작점을 기록하고 그리퍼로 샘플을 1mm 높이로 들어 올리고 수평 방향으로 2mm 이동시켰다. 그 후 샘플을 외부 전자석베이스와 접촉시켰다. 최종 위치를 기록하기 위해, 이동 된 위치의 이미지를 현미경으로 획득 하였다(도 4 b,c). 이 과정을 12회 반복 하였으며 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 각 이미지의 위치 정보를 분석하였다. 도 4 d에 도시된 바와 같이, 장거리 이동 후의 위치는 약 9.1㎛ 부정확했으며, 이러한 부정확한 원인은 파지 오류, 자석베이스와의 접촉으로 인한 충격 및 스테퍼 모터의 작동 오류 등으로 판단된다.The target sample was attached to a circular stainless steel (SUS) substrate using a conductive silver paste. Using a rotating stage mounted on an external pedestal, the angle of inclination was adjusted relative to the reference line displayed on the screen. The initial starting point was recorded as shown in FIG. 4A and the sample was lifted to a height of 1 mm with a gripper and moved 2 mm in the horizontal direction. The sample was then contacted with an external electromagnet base. In order to record the final position, an image of the shifted position was obtained under a microscope (Figure 4 b, c). This process was repeated 12 times and the location information of each image was analyzed using ImageJ software. As shown in Fig. 4D, the position after the long distance movement was about 9.1 mu m inaccuracy, and this inaccurate cause was determined to be a gripping error, an impact due to contact with the magnet base, an operation error of the stepper motor, or the like.
실시예 3 탐침 스테이지의 위치 정확도 측정Example 3 Position Accuracy Measurement of Probe Stage
시료가 4축 바깥쪽 스테이지에 의해 원하는 위치에 정확히 삽입 되더라도 캔틸레버의 좌표는 탐침 스테이지의 잘못된 위치에 의해 변경될 수 있다. 따라서, 장착 공정의 반복성에 기초하여 탐침 스테이지의 위치 정확성을 확인하기 위해, 탐침 위치는 압입 실험을 사용하여 직접 기록하였다. 유리 기판 위에 폴리 메틸 메타 크릴 레이트(PMMA A4, MicroChem Corp., Westborough, MA, USA) 층을 스핀 코팅 한 후, 금(gold) 박막을 10nm 두께로 빔 증발기(Ultech Co., Ltd., 대구, 한국)를 이용하여 증착하였다.Even if the sample is inserted exactly in the desired position by the four-axis outer stage, the cantilever's coordinates can be changed by the wrong position of the probe stage. Therefore, to confirm the positional accuracy of the probe stage based on the repeatability of the mounting process, the probe position was recorded directly using the indentation experiment. After spin-coating a polymethyl methacrylate (PMMA A4, MicroChem Corp., Westborough, MA, USA) layer on the glass substrate, the gold thin film was beam-evaporator (Ultech Co., Ltd., Daegu, Korea) Korea).
압입 단계 이전에 20μm 스캔 영역의 표면을 확인하였으며, 도 9에 도시 된 바와 같이, 세 군데에서 결함(point defects)이 검출되었다. 이어서, HDC 탐침(400 nm 길이의 EBD-HAR 쇼트 프로브, Nanotools GmbH, Munchen, Germany)을 사용하여 오목한 도트를 원점으로 설정하고, 3 × 3 배열 마커는 오른쪽 상단 모서리에 배치하였다. 탐침 스테이지를 삽입하고 떼어내는 동안 각 탐침 위치에서 압입을 수행하였다. 이 과정을 10회 반복하였고, 톱니 모양 영상은 압입 과정에 사용 된 HDC 탐침을 사용하여 획득하였다. 모든 토폴로지 이미지는 WSXM 소프트웨어로 처리하였으며, 그 결과를 도 9 b에 나타냈다. 모든 10개의 들여 쓰기 점은 6μm 이내에 분포되었고 원점에 대해 순방향으로 나열된 것을 알 수 있었으며, 이는 탐침로드 방향으로 판단된다. 따라서, 탐침 단계의 부정확성은 본 발명의 측정에 무시할 수 있는 영향을 미치는 것으로 판단된다.The surface of the 20 μm scan area was identified prior to the indentation step, and as shown in FIG. 9, point defects were detected in three places. The concave dot was then set to the origin using an HDC probe (400 nm long EBD-HAR short probe, Nanotools GmbH, Munchen, Germany) and a 3 × 3 array marker was placed in the upper right corner. Indentation was performed at each probe position during insertion and removal of the probe stage. This procedure was repeated 10 times and serrated images were obtained using the HDC probe used in the indentation process. All topology images were processed with WSXM software and the results are shown in Figure 9b. All 10 indentation points were distributed within 6μm and were found to be in the forward direction relative to the origin, which is determined in the direction of the probe rod. Therefore, the inaccuracy of the probe step is believed to have a negligible effect on the measurement of the present invention.
실시예 4 임계치수(Critical dimension, CD) 측정Example 4 Critical dimension (CD) measurement
본 발명의 시스템으로 CD를 측정하여 시스템이 올바르게 작동하는지 여부를 확인하였다. CD was measured with the system of the present invention to determine whether the system was operating correctly.
상기 IVPS100 기준 샘플의 측벽 측정을 위해 비교적 작은 CDR30-EBD 탐침(Nanotools GmbH, Munchen, Germany)을 사용하였으며, 이는 현재의 반도체 산업에서 폭이 좁은 트렌치 패턴을 측정 가능성을 염두하여 선택하였다. 도 10 a는 CDR30-EBD 탐침의 평면도와 측면도를 나타낸다. 도 10 a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 탐침의 경사 보상각(θ)은 13°(± 1°)이고 탐침 헤드의 전체 폭 d는 30nm이며, 세로 가장자리 높이(VEH)와 유효 길이(l)는 각각 10nm (<15nm) 및 150nm이다. 오버행(OH) 구조의 길이는 8nm (5 ~ 10nm)이며, 탐침의 힘 상수는 40 N / m (± 20nm)이다.A relatively small CDR30-EBD probe (Nanotools GmbH, Munchen, Germany) was used to measure the sidewalls of the IVPS100 reference sample, which was chosen with the possibility of measuring narrow trench patterns in the current semiconductor industry. 10A shows a top and side view of the CDR30-EBD probe. As shown in Fig. 10A, the tilt compensation angle θ of the probe of the present invention is 13 ° (± 1 °) and the total width d of the probe head is 30 nm, the longitudinal edge height (VEH) and the effective length (l) ) Are 10 nm (<15 nm) and 150 nm, respectively. The length of the overhang (OH) structure is 8 nm (5 to 10 nm), and the force constant of the probe is 40 N / m (± 20 nm).
가파른 측벽을 가진 IVPS100(Team Nanotec GmbH, Germany) 시료는 일반적으로 CD 측정에 사용하는 것으로, 상기 IVPS100 트렌치 패턴의 피치는 500nm ± 10nm이고 깊이는 약 1μm로 측정되었다. 시료의 면을 측정하기에 앞서 탐침이 파손되거나 탐침 마모 및 부정확한 위치로 인한 측정 왜곡을 방지하기 위해 샘플 방향이 탐침의 방향에 수직이되도록 조정하였다. 이에 따라 CD 측정은 외부 스테이지가 올바르게 작동하는지 여부를 알 수 있다.Samples of IVPS100 (Team Nanotec GmbH, Germany) with steep sidewalls are generally used for CD measurements, where the pitch of the IVPS100 trench pattern is 500 nm ± 10 nm and the depth is about 1 μm. Prior to measuring the face of the sample, the direction of the sample was adjusted perpendicular to the direction of the probe in order to prevent measurement failure due to probe breakage or probe wear and incorrect positioning. This allows the CD measurement to know whether the external stage is working correctly.
도 10 b는 IVPS100의 트렌치 패턴을 스캔하기 위해 원하는 위치에 로드된 탐침 스테이지를 나타낸다. 이는 전개 된 스테이지는 원하는 위치에서 정확하게 패턴을 측정할 수 있는 것이며, 측정은 VAP(vector approach probing) 방법으로 수행되었다. 2개의 반복된 측정 프로파일을 도 10 c에 나타냈다. 측벽은 수직으로 형성되는 것이 이상적이나, 측정 결과, 약간의 기울기를 갖는 것으로 나타났다. 이는 CDR30-EBD 탐침의 유효 길이가 짧기 때문이며, 따라서 반복 측정을 통해 기울기를 계산하였다.10B shows the probe stage loaded at the desired location to scan the trench pattern of IVPS100. This means that the developed stage can measure the pattern accurately at the desired position, and the measurement was performed by a vector approach probing (VAP) method. Two repeated measurement profiles are shown in FIG. 10C. Ideally the sidewalls would be formed vertically, but the measurements showed a slight slope. This is because the effective length of the CDR30-EBD probe is short, so the slope was calculated through repeated measurements.
도 11 a는 IVPS 패턴의 재구성 된 3D 프로파일이며 b는 CD 반복성 및 재현성(R & R) 측정의 예이다. 상기 트렌치 패턴의 깊이가 탐침의 유효 길이보다 커서 소프트웨어 기능을 사용하여 제한된 깊이 프로파일(최대 125nm 깊이)만 기록하였다. 11 a is a reconstructed 3D profile of the IVPS pattern and b is an example of CD repeatability and reproducibility (R & R) measurements. Since the depth of the trench pattern was greater than the effective length of the probe, only a limited depth profile (up to 125 nm depth) was recorded using the software function.
CD 측정 방법 및 트렌치 패턴의 각도 계산 방법은 상위 및 하위 데이터의 30%는 CD 및 각도 계산에서 제외하였고 중간 CD 값을 계산하였다. 제 1 트렌치 벽의 평균 수평 위치는 Y1로 표시되고, 제 2 트렌치 시작점의 평균 수평 위치는 Y2로 표시된다. 중간 CD 값은 평균(Y2) - 평균(Y1)으로 계산하였으며, 각도 값은 선택된 데이터의 1차 선형 피팅을 통해 계산하였고, 각도는 arctan(기울기) 값을 통해 계산하였다.The CD measurement method and the angle calculation method of the trench pattern excluded 30% of the upper and lower data from the CD and angle calculations and calculated the median CD value. The average horizontal position of the first trench wall is denoted by Y1 and the average horizontal position of the second trench start point is denoted by Y2. Median CD values were calculated as mean (Y2) -mean (Y1), angular values were calculated through first-order linear fitting of the selected data, and angles were calculated via arctan values.
측벽 측정을 동일한 위치에서 30회 반복하였고, 이들 결과를 도 11 c에 나타냈다. 평균값은 502.7nm, 표준 편차는 0.8nm로 측정되었으며, 재현성 측정의 결과는 도 11 d 및 11 e에 나타냈다. 이 실험에서 시료를 10회 리로드했으며 결과적으로, CD 측정의 평균값은 502.2nm ± 0.9nm로 측정 되었고, 이는 상기 반복성 결과와 유사한 것으로 판단된다. 또한, 좌우 벽의 각도는 각각 86 ± 0.2° 및 87.1°± 0.1°로 계산되었다.Side wall measurements were repeated 30 times at the same location and these results are shown in FIG. 11C. The average value was 502.7 nm, the standard deviation was 0.8 nm, and the results of reproducibility measurements are shown in FIGS. 11 d and 11 e. The sample was reloaded 10 times in this experiment and as a result, the average value of the CD measurement was determined to be 502.2 nm ± 0.9 nm, which is considered to be similar to the repeatability result. In addition, the left and right wall angles were calculated to be 86 ± 0.2 ° and 87.1 ° ± 0.1 °, respectively.
30회 반복 된 CD 측정 후에 날카로운 언더컷 패턴을 가진 사각 기둥의 체스판과 같은 배열을 가진 교정 그레이팅(TGX1, NT-MDT Co., Moscow, Russia) 시료 또한 측정하였다. 이에 따라 CD 탐침의 마모를 확인하였다. 도 12 a는 CD 탐침을 사용하여 TGX1 시료의 언더컷 측정방법을 도식화한것이며, b는 TGX1 샘플의 측정 된 측벽의 플롯을 나타낸다. 도 12와 같이 TGX1의 언더컷 구조를 측정하여 반복성 측정 후 CD 탐침의 OH 구조 길이를 예측했으며, TGX1 데이터로부터 계산 된 탐침 오버행의 평균값은 7.27nm ± 1.03nm이었고, 여전히 사양서에 제시된 OH 값에 가까운 것으로 판단된다.After 30 repeated CD measurements, samples of calibration gratings (TGX1, NT-MDT Co., Moscow, Russia) with a square-board chessboard with sharp undercut patterns were also measured. This confirmed the wear of the CD probe. FIG. 12 a shows a method for measuring undercut of a TGX1 sample using a CD probe, and b shows a plot of measured sidewalls of the TGX1 sample. The undercut structure of TGX1 was measured to predict the OH structure length of the CD probe after repeatability measurement as shown in FIG. 12, and the average value of the probe overhang calculated from the TGX1 data was 7.27 nm ± 1.03 nm, which is still close to the OH value shown in the specification. Judging.
본 발명의 시스템은 원자간력 현미경의 내부구동 기계부품을 제외하여 분석결과의 신호 대 잡음비를 향상시키고, 외부 스테이지에서 위치를 조절하고 현미경에서는 빠른 측정이 가능해서 원자간력 현미경의 측정 속도를 향상시키며, 측정위치를 검색하는 과정에서 생길 수 있는 탐침의 마모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 탐침의 위치와 측정 할 시료의 위치를 성공적으로 일치시키는 것을 확인하였다. 또한, 전자현미경 영상 등 동일한 위치에서 측정한 영상을 보정하고 합성하여 고분해능 입체 영상을 획득하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 시스템은 반도체 제조, 나노 바이오 물질 연구, AFM을 이용한 박막의 표면 분석 등에서 유용한 효과를 나타낼 것으로 판단된다.The system of the present invention improves the signal-to-noise ratio of the analytical results by excluding the internally driven mechanical components of the atomic force microscope, adjusts the position at the external stage, and enables fast measurement in the microscope, thereby improving the measurement speed of the atomic force microscope. In addition, it has the advantage of reducing the wear of the probe that can occur in the process of searching the measurement position. Custom software was used to successfully match the position of the probe with the position of the sample to be measured. In addition, it is possible to obtain a high resolution stereoscopic image by correcting and synthesizing an image measured at the same position, such as an electron microscope image. Therefore, the system of the present invention is expected to show useful effects in semiconductor manufacturing, nano biomaterial research, surface analysis of thin films using AFM.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The above description has described the technical idea of the present invention by using one embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. . Therefore, the exemplary embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100. 시료 고정 베이스부
200. 다축 스테이지
202. 직선 운동 가이드
203. 그리퍼
204. 시료홀더
206. 스프링
210. 리프트 가이드를 구비한 다축 스테이지
211. 시료홀더 거치부
212. 리프트 가이드
214. 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더
300. 광학현미경
400. 탐침 스테이지
500. 받침대100. Sample fixing base
200. Multi-Axis Stage
202. Straight Motion Guide
203. Gripper
204. Sample holder
206. Spring
210. Multi-Axis Stage with Lift Guide
211.Sample Holder Mount
212.Lift guides
214. Circular sample holder with angle adjusting screw
300. Optical microscope
400. Probe Stage
500. Pedestal
Claims (13)
상기 시스템은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더;
상기 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부;
상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 고정된 시료 고정 베이스부;
상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지;
상기 다축 스테이지의 리프트 가이드가 붙잡은 시료홀더 거치부에 고정된 시료의 형상을 관찰하도록 상기 고정 베이스부와 함께 받침판에 고정된 광학 현미경; 및
상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 상기 다축 스테이지와 호환되도록 탈착가능한 탐침 스테이지를 포함하고,
상기 다축 스테이지는, 상기 고정 베이스부 상면에서 상기 탐침 스테이지와 상기 다축 스테이지를 교차 부착하여 조절된 측정 위치 및 간격 정보를 저장하여, 원자간력 현미경 내부에서 상기 시료와 상기 탐침이 동일한 위치와 간격이 되도록 제어하는 제어부에 상기 정보를 제공하고,
상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하는 날개는, 상면에 위치를 표시하는 좌표를 하나 이상 구비하는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템.
Sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe:
The system includes a disk-shaped sample holder including an upper plate for holding a sample and a lower plate attracted to a magnet, and an angle adjusting screw for adjusting an angle of the upper plate and the lower plate;
The disc-shaped sample holder is mounted on the body to rotate, and a wing including a body and the wings so that the wings that are horizontal to the upper plate of the sample holder is extended to both ends of the body and spaced apart from the bottom surface of the body Holder holder;
A sample fixing base portion fixed to the support plate to fix the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft therein for rotating the sample holder;
A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. A multi-axis stage for adjusting the movement of the;
An optical microscope fixed to the support plate together with the fixed base to observe the shape of the sample fixed to the sample holder holder held by the lift guide of the multi-axis stage; And
A probe stage detachable in the base portion top space and the atomic force microscope to be compatible with the multi-axis stage;
The multi-axis stage stores the measurement position and the interval information adjusted by cross-attaching the probe stage and the multi-axis stage on the upper surface of the fixed base portion, so that the sample and the probe is the same position and spacing in the atomic force microscope Providing the information to a control unit controlling such that
The wing which is horizontal with the upper plate of the sample holder is provided with one or more coordinates indicating the position on the upper surface,
Sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe.
상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 리프트 가이드는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The axis of the multi-axis stage is a 3 (x, y, z) axis orthogonal to each other, the lift guide is to hold or place the side of the sample holder,
Sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe.
상기 고정 베이스부의 회전축은 상기 받침판에 고정된 회전모터와 타이밍 벨트(Timing belt)로 연결된,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The rotating shaft of the fixed base portion is connected to a rotating motor and a timing belt fixed to the support plate,
Sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe.
상기 전자석은 상기 고정 베이스부의 회전축을 둘러싸는 코일로 형성되는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The electromagnet is formed of a coil surrounding the rotation axis of the fixed base portion,
Sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe.
상기 관찰방법은, 시료를 고정하는 상판과 자석에 끌리는 하판 및 상기 상판과 하판의 각도를 조절하는 각도 조절나사를 포함하는 원판형 시료홀더가 회전되도록 몸체에 거치하고, 상기 시료홀더의 상판과 수평을 유지하고 상면에 위치를 표시하는 좌표를 구비하는 날개가 상기 몸체 양단으로 확장되되 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 공간을 가지도록, 몸체와 날개를 포함하는 시료홀더 거치부를 준비하는 단계;
상기 시료홀더 거치부를 상면 공간에 고정하고, 상기 시료홀더를 회전시키는 전자석과 회전축을 내부에 구비하고 받침판에 광학 현미경과 함께 고정된 시료 고정 베이스부를 준비하는 단계;
상기 베이스부 상면 공간과 상기 원자간력 현미경에 탈착가능하며, 상기 시료홀더 거치부 날개의 상기 몸체 바닥면으로부터 이격된 양쪽 공간에 가이드부를 집어넣어 상기 시료홀더 거치부를 이동시키는 리프트 가이드(lift guide)의 움직임을 조절하는 다축 스테이지를 상기 베이스부 상면 공간에 부착하는 단계;
상기 부착하는 단계에서 부착된 다축 스테이지의 위치를 초기화하고 이탈시키는 단계;
상기 다축 스테이지를 이탈시킨 공간에 상기 다축 스테이지와 크기 및 형상이 동일한 탐침 스테이지를 부착하고 탐침의 위치와 영상을 저장하는 단계;
상기 탐침 스테이지를 이탈시키는 단계;
상기 탐침 스테이지를 이탈시킨 공간에 시료를 부착한 시료홀더 거치부의 상기 시료홀더를 상기 전자석이 고정하도록 위치시키는 단계;
상기 시료가 위치한 공간을 감싸는 다축 스테이지를 부착하고 회전축 위치를 조절한 뒤 시료홀더 거치부를 상기 리프트 가이드로 고정하는 단계;
상기 리프트 가이드로 고정한 시료홀더를 상기 저장하는 단계에서 저장된 탐침의 위치와 영상에 맞추어 상기 광학 현미경과 제어부를 통해 조절하는 단계;
상기 조절하는 단계에서 조절된 위치정보를 저장하는 단계;
상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료 홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계;
상기 위치시킨 시료를 원자간력 현미경으로 라인스캔하여 상기 시료가 수평상태로부터 벗어난 각도를 조사하는 단계;
상기 각도 조절나사를 조절하여 상기 벗어난 각도를 최소화하는 단계; 및
상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에서 제거하고, 상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계를 포함하는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법.
Observation method using a sample stage system for positioning between atomic force microscope sample and probe,
The observation method is mounted on the body so that the disk-shaped sample holder including a top plate for fixing the sample and a lower plate attracted to the magnet and an angle adjusting screw for adjusting the angle of the top plate and the bottom plate, and is horizontal to the top plate of the sample holder Preparing a sample holder holder including a body and a wing such that a wing having coordinates indicating a position on the top surface thereof is extended to both ends of the body and has a space spaced from the bottom surface of the body;
Fixing the sample holder holder to an upper surface space, and having an electromagnet and a rotating shaft configured to rotate the sample holder therein and preparing a sample fixing base fixed to the support plate together with an optical microscope;
A lift guide which is detachable to the upper surface of the base portion and the atomic force microscope, and moves the sample holder mount by inserting the guide portion into both spaces spaced apart from the bottom surface of the body of the sample holder mount wing. Attaching a multi-axis stage to control the movement of the base portion in the upper surface space;
Initializing and disengaging the position of the attached multi-axis stage in the attaching step;
Attaching a probe stage having the same size and shape as the multi-axis stage in a space away from the multi-axis stage, and storing the position and image of the probe;
Leaving the probe stage;
Positioning the sample holder of the sample holder holder to which the sample is attached to a space in which the probe stage is separated from the probe stage;
Attaching a multi-axis stage surrounding the space in which the sample is located, adjusting the rotation axis position, and fixing the sample holder holder to the lift guide;
Adjusting the sample holder fixed by the lift guide through the optical microscope and the control unit according to the position and the image of the stored probe in the storing step;
Storing the adjusted position information in the adjusting step;
Mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope and positioning the sample holder according to stored position information;
Scanning the positioned sample with an atomic force microscope to examine an angle at which the sample deviates from a horizontal state;
Adjusting the angle adjusting screw to minimize the deviation angle; And
Removing the multi-axis stage from the atomic force microscope, and mounting and observing a probe stage at the multi-axis stage position,
Observation method using a sample stage system for position control between atomic force microscope sample and probe.
상기 다축 스테이지의 축은 서로 직교하는 3(x, y, z)축이고, 상기 리프트 가이드는 상기 시료홀더의 측면을 붙잡거나 놓는 동작을 하는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법.
The method of claim 11,
The axis of the multi-axis stage is a 3 (x, y, z) axis orthogonal to each other, the lift guide is to hold or place the side of the sample holder,
Observation method using a sample stage system for position control between atomic force microscope sample and probe.
상기 조절하는 단계에서 조절된 위치정보를 저장하는 단계와, 상기 다축 스테이지를 상기 원자간력 현미경에 장착하고, 상기 시료홀더를 저장된 위치정보에 따라 위치시키는 단계 사이에,
상기 위치정보가 저장된 시료홀더 거치부를 고배율 광학현미경 또는 전자현미경 시료실에 투입하여, 시료의 관찰 위치와 상기 위치를 표시하는 좌표로부터의 거리 정보를 저장하는 단계를 더 포함하고,
상기 다축 스테이지 위치에 탐침 스테이지를 장착하여 관찰하는 단계에서 상기 거리 정보를 활용하여 관찰위치에 접근하는,
원자간력 현미경 시료와 탐침 사이의 위치조절을 위한 시료 스테이지 시스템을 이용한 관찰방법.The method of claim 11,
Between storing the adjusted position information in the adjusting step, mounting the multi-axis stage to the atomic force microscope, and positioning the sample holder according to the stored position information,
And inserting the sample holder holder storing the position information into a high magnification optical microscope or an electron microscope sample chamber to store distance information from the observation position of the sample and the coordinates indicating the position.
In the step of observing by mounting the probe stage in the multi-axis stage position to access the observation position by using the distance information,
Observation method using a sample stage system for position control between atomic force microscope sample and probe.
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|---|---|---|---|
| KR1020180069529A KR102026665B1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Sample Position Controllable External Stage System for Atomic Force Microscope and Observation Method Using the Same |
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| KR1020180069529A KR102026665B1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Sample Position Controllable External Stage System for Atomic Force Microscope and Observation Method Using the Same |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230016496A (en) | 2021-07-26 | 2023-02-02 | 주식회사 온옵틱스 | Alignment device for microscope |
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