KR20030015220A - Methods and apparatus for atomic force microscopy - Google Patents

Abstract

원자 힘 현미경용 탐침 모듈은 기판(33)과 이 기판으로부터 돌출하는 편향 가능한 외팔보 탐침(4)을 구비한다. 원자 힘 현미경의 헤드에 있어서, 탐침은 예컨대 전단 힘 현미경 혹은 횡단 다이나믹 힘 현미경 검사를 행하기 위해 탐침의 축이 시료 표면에 수직으로 되게 한 상태로 장착된다. 외팔보 탐침(4)은 탐침을 따라 백업하는 방향으로 향한 반사면(43)을 구비하므로, 탐침 팁의 운동은 그 자체가 종래의 것일 수 있는 광 빔 장치를 사용하여 추적될 수 있다. 이 수단에 의해, 수직 모드에서의 AFM 절차는 종래의 평행하게 근접한 모드 장치에서 약간의 변형을 요하는 AFM 헤드를 사용하여 행해질 수 있다. 탐침은 또한 시료 표면상의 측벽 구조를 조사하기 위해 탭핑 모드에서 사용할 수 있다.The probe module for atomic force microscopy includes a substrate 33 and a deflectable cantilever probe 4 protruding from the substrate. In the head of an atomic force microscope, the probe is mounted with the axis of the probe perpendicular to the sample surface, for example to perform shear force microscopy or transverse dynamic force microscopy. Since the cantilever probe 4 has a reflecting surface 43 facing in the direction of backing up along the probe, the movement of the probe tip can be tracked using a light beam device which may itself be conventional. By this means, the AFM procedure in vertical mode can be done using an AFM head which requires some deformation in a conventional parallel close mode device. The probe can also be used in tapping mode to examine the sidewall structure on the sample surface.

Description

원자 힘 현미경 검사 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPY}Atomic force microscopy method and apparatus {METHODS AND APPARATUS FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPY}

원자 힘 현미경은 시료 표면에 매우 근접하게 그리고 때때로 그것과 접촉하게 되는 예리한 팁(tip)을 구비하는 정밀한 외팔보 탐침에 의해 시료의 표면의 상을 비춘다. 탐침이 시료 표면 위로 스캐닝(scanning)할 때, 외팔보의 편향을 감시함으로써 시료와 탐침 사이의 상호 작용을 관찰할 수 있다. 외팔보 탐침은 매우 정교하고 민감한 제품으로, 통상적으로 에칭(etching) 등의 미세조립 (microfabrication) 기법에 의해 생성되는 칩 기판으로부터 1백 내지 2백㎛ 돌출한다. 탐침의 구성 재료는 보통 실리콘과 질화규소이다.Atomic force microscopy illuminates the surface of a sample by means of a precision cantilever probe with a sharp tip in close proximity to the sample surface and sometimes in contact with it. When the probe is scanned over the sample surface, the interaction between the sample and the probe can be observed by monitoring the deflection of the cantilever beam. The cantilever probe is a very delicate and sensitive product, and typically protrudes from 100 to 200 mu m from the chip substrate produced by microfabrication techniques such as etching. The material of the probe is usually silicon and silicon nitride.

종래의 AFM 헤드 장치가 도 1에 도시되어 있다. 아치형 광학 헤드 블록(1)은 시료 스테이지(21)를 포함하는 시료 지지 장치 위로 장착되어 있다. 조사 대상의 시료를 시료 스테이지(21)상에 위치하고, 개략적인 조정 나사와 공지의 압전 스캐닝 드라이브(도시 생략)를 사용하여 광학 헤드에 대해 이동(스캐닝)시킬 수 있다. 평평한 금속 위치 설정 플레이트의 형상인 탐침 홀더(3)는 시료 스테이지(21) 위에서 광학 헤드 블록(1)의 아치속으로 끼워진다. 외팔보 탐침을 수반하는 칩 기판(33)은 탐침 홀더(3)에 장착된다. 이 기판은 압전 부재(도시 생략)상에 장착되거나, 또는 외팔보 탐침에 구동력을 가하는 다른 적절한 수단상에 장착될 수 있다. 이러한 구조에서, 탐침은 사용시 고정(XY 평면에서)되며, 스캐닝은 시료 스테이지(21)의 XY 운동에 의해 이루어진다. 시료 대신에 탐침 홀더를 스캐닝하는 다른 형태의 AFM 장치도 존재한다.A conventional AFM head device is shown in FIG. The arcuate optical head block 1 is mounted over a sample support device comprising a sample stage 21. The sample to be irradiated is positioned on the sample stage 21 and can be moved (scanned) with respect to the optical head using a coarse adjustment screw and a known piezoelectric scanning drive (not shown). The probe holder 3, which is in the form of a flat metal positioning plate, is fitted into the arch of the optical head block 1 on the sample stage 21. The chip substrate 33 carrying the cantilever probe is mounted to the probe holder 3. The substrate may be mounted on a piezoelectric member (not shown) or on other suitable means of applying driving force to the cantilever probe. In this structure, the probe is fixed in use (in the XY plane) and the scanning is made by the XY movement of the sample stage 21. There are other types of AFM devices that scan the probe holder instead of the sample.

시료/시료 스테이지에 대한 외팔보 탐침의 종래의 구조가 도 2에 도시되어 있다. 외팔보(4)는 그 단부에 약 5㎛ 깊이의 하향의 피라미드형 혹은 원뿔형 포인트(41)를 갖는 일직선의 평평한 질화규소로 이루어진 돌기이다. 상기 칩 기판(33)은 홀더 및 칩 기판에 대한 필요한 간극을 허용할 정도로 탐침(4)이 시료 표면/시료 플랫폼에 근접하여 평행하게 되도록 장착되며, 이는 통상 수평면에서 약 10°경사진다. 시료에 직각인 외팔보의 두께는 통상 약 0.5㎛ 이며, 이는 매우 작은 힘에 의해 상당한 편향을 겪게된다. 외팔보 탐침(4)의 각(角) 위치는 소위 광학 레버 장치로 불리는 것에 의해 관측된다. 외팔보(4)의 상면은 반사성(예컨대, 금층의 침적에 의해)을 지니며, 광학 헤드 내에 장착된 레이저(5)로부터 나온 레이저 빔은 이러한 반사면상으로 향하게 되어 수 cm의 거리에 걸쳐 세그먼트형 광검출기(6)로 반사된다.The conventional structure of a cantilever probe for a sample / sample stage is shown in FIG. The cantilever 4 is a projection made of straight, flat silicon nitride having a downward pyramidal or conical point 41 at a depth of about 5 μm. The chip substrate 33 is mounted such that the probe 4 is parallel and close to the sample surface / sample platform to allow for the necessary clearance to the holder and the chip substrate, which is typically inclined about 10 ° in the horizontal plane. The thickness of the cantilever perpendicular to the sample is usually about 0.5 μm, which is subject to significant deflection by very small forces. The angular position of the cantilever probe 4 is observed by what is called an optical lever device. The top surface of the cantilever 4 is reflective (e.g., by deposition of a gold layer), and the laser beam from the laser 5 mounted in the optical head is directed onto this reflective surface and segmented light over a distance of several cm. Reflected by the detector 6.

긴 광학 운동에 기인하여, 탐침 팁의 미세한 각 운동은 광검출기(6)를 가로지르는 광 빔의 실질적인 운동을 유발한다. 광검출기는 민감하여 그것에 대응하는세그먼트상의 입사광의 상대 강도에 따라 변한다. 상이한 세그먼트로부터의 출력들간의 차이는 외팔보 탐침의 편향을 관측하기 위해 사용된다.Due to the long optical motion, the fine angular motion of the probe tip causes substantial motion of the light beam across the photodetector 6. The photodetector is sensitive and varies with the relative intensity of incident light on the segment corresponding thereto. The difference between the outputs from the different segments is used to observe the deflection of the cantilever probe.

시료를 스캐닝하기 위해 탐침을 조작하는 방법으로는, 접촉 모드, 비접촉 모드, 그리고 탐침을 상하로 이동시켜 상기 표면에 접촉 및 접촉에서 벗어나도록 탐침 드라이버를 사용하는 탭핑 모드(tapping mode)를 포함한 여러 방법들이 존재한다.Methods of manipulating the probe to scan a sample include a variety of methods, including contact mode, non-contact mode, and a tapping mode that uses a probe driver to move the probe up and down to contact and exit the surface. Are present.

본 발명은 원자 힘 현미경(atomic force microscopy: "AFM") 검사 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 원자 힘 현미경에서 외팔보(cantilever) 탐침용으로 사용하는 신규의 장치 및 모드(mode)에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to methods and apparatus for atomic force microscopy ("AFM") inspection, and more particularly to novel devices and modes for use in cantilever probes in atomic force microscopy.

도 1은 종래의 AFM 헤드 장치의 개략적인 사시도이며,1 is a schematic perspective view of a conventional AFM head device,

도 2는 종래의 AFM 헤드 장치의 외팔보 탐침 구조의 개략적인 도면이고,2 is a schematic diagram of a cantilever probe structure of a conventional AFM head device,

도 3은 본 발명에 따른 외팔보 탐침 장치를 도시한 도면이고,3 is a view showing the cantilever probe device according to the present invention,

도 4a 내지 도 4c는 상이한 외팔보 탐침 형상과, 칩 기판 상의 탐침의 배치를 도시한 도면이며,4A-4C show different cantilever probe shapes and placement of the probe on the chip substrate,

도 5 및 도 6은 본 발명을 실시하는 외팔보 탐침 홀더의 2가지의 구조를 도시한 도면이고,5 and 6 are views showing two structures of the cantilever probe holder according to the present invention;

도 7 및 도 8은 다양한 절차에 따라 작동하는 외팔보 탐침의 팁을 도시한 도면이다.7 and 8 illustrate tips of cantilever probes operating in accordance with various procedures.

본 발명자들은 낮은 힘의 비접촉 모드의 개발과, 또 시료 표면과의 탐침의 상호 작용에서 탄성 및 소산성 힘(dissipative force) 성분의 분석을 용이하게 하는 다이나믹 기법(dynamic technique)을 발견하는 데 특히 관심이 있다.We are particularly interested in finding dynamic techniques that facilitate the development of low force non-contact modes and the analysis of elastic and dissipative force components in the interaction of the probe with the sample surface. There is this.

이러한 연구의 일부로서, 본 발명자들은 종래 기술일 수 있는 AFM 시스템에서 외팔보 탐침의 배치에 대한 새로운 방법에 접근하였다. 이 방법에 의해 제안된 것은, 첫째로, 탐침 축 방향을 시료 제공의 표면에 실질적으로 수직하게 배치함으로써, 시료 표면을 향하거나 멀어지게 하는 것 대신에 시료 표면을 가로질러 탐침 팁을 움직이도록 탐침 드라이버를 작동 할 수 있게 하는 것이다. 이러한 방법 자체는 공지의 것이다. 둘째로, 탐침이 입사광 빔을 검출기로 향하게 하는 반사면을 갖도록 하고, 이 반사면의 법선은 사용시 시료로부터 멀어지는 탐침 축을 따라 뒤로 향하는 후방 성분을 갖게 하는 것이다. 이러한 구조에서, 빔 반사 위치 검출기 시스템의 입사광은 시료 스테이지로 접근 할 수 있으며, 예컨대 수평 외팔보를 사용하는 공지 구조의 광학 경로에서와 같이 시료 스테이지로부터 뒤로 멀어지도록반사될 수 있다.As part of this study, we approached a new method for the placement of cantilever probes in AFM systems, which may be prior art. Proposed by this method, firstly, by positioning the probe axis substantially perpendicular to the surface of the sample providing, the probe driver moves the probe tip across the sample surface instead of facing or away from the sample surface. To make it work. This method itself is known. Secondly, the probe has a reflecting surface that directs the incident light beam to the detector, and the normal of the reflecting surface is such that it has a rearward component pointing back along the probe axis away from the sample in use. In such a structure, the incident light of the beam reflection position detector system can approach the sample stage and be reflected back away from the sample stage, such as in an optical path of known structure using a horizontal cantilever.

후방으로 향하는 반사면은, 예컨대 탐침 축으로부터 적어도 30°의 각도로 경사질 수 있다. 통상적으로, 이 반사면은 평평한 거울로서 작용하도록 형성된다.The rear facing reflective surface can be inclined, for example, at an angle of at least 30 ° from the probe axis. Typically, this reflecting surface is formed to act as a flat mirror.

탐침 축에 대해 이렇게 배향된 반사면을 구비하는 외팔보 탐침은 본 발명의 별도의 관점에 따른 것이다. 본 발명의 또 다른 관점은 외팔보 탐침을 수반하는 탐침 홀더에 관한 것으로, 이것의 탐침 축은 시료 제공 평면에 실질적으로 수직하게 연장하며, 상기 탐침은 법선이 뒤로 향하는, 예컨대 본 명세서에서 제안된 바와 같이 탐침 축에 대해 후방의 성분을 갖는 반사면을 구비한다.A cantilever probe having a reflective surface so oriented about the probe axis is in accordance with a separate aspect of the present invention. Another aspect of the present invention relates to a probe holder with a cantilever probe, the probe axis of which extends substantially perpendicular to the sample providing plane, the probe being directed backward, for example as proposed herein. It has a reflecting surface having a component rearward with respect to the axis.

상기 외팔보는 일체형의 후방으로 향하는 표면의 일부상에, 예컨대 측방향으로 돌출하는 부분상에 있는 반사면과 바람직하게 협동한다. 돌기는 에칭 등의 미세조립 기법에 의해 기계적으로 형성될 수 있으며, 이 경우, 후방으로 향하는 반사면은 이것이 비록 탐침 축 방향으로 수직일 수 있지만 주로 경사져 있다. 이러한 측방향 돌기는 예리한 탐침 팁으로 사용되는 종래의 외팔보의 피라미드형 돌기와 유사한 방법으로, 즉 실제로 유사한 형상으로 형성되어도 좋다. 상기 반사면은, 예컨대 금 또는 알루미늄의 반사성 코팅으로 제공될 수 있다.The cantilever preferably cooperates with a reflecting surface on a portion of the integral rearward facing surface, for example on a laterally projecting portion. The protrusions can be formed mechanically by microassembly techniques such as etching, in which case the reflecting surface facing backwards is mainly inclined although it may be perpendicular to the probe axis direction. Such lateral projections may be formed in a manner similar to the pyramidal projections of a conventional cantilever used as a sharp probe tip, that is to say in a substantially similar shape. The reflective surface can be provided with a reflective coating of gold or aluminum, for example.

시료 표면과 상호 작용하도록 형상을 한 날카로운 탐침 팁 자체는 일반적으로 반사면의 전방에 위치한다. 이 팁은 비록 특정의 용도에서 외팔보 축에 대해 측방향으로 향하도록 구성될 수 있지만, 대부분의 경우 외팔보 탐침의 맨 끝의 말단에 위치한다. 이에 대해서는 후술할 것이다. 탐침 팁은 외팔보의 주요 샤프트상의 예리한 형상체, 예컨대 위스커(whisker)로서 제공될 수 있다.The sharp probe tip itself shaped to interact with the sample surface is generally located in front of the reflective surface. This tip is located at the distal end of the cantilever probe, although in most cases it may be configured to be laterally oriented about the cantilever axis. This will be described later. The probe tip may be provided as a sharp feature on the main shaft of the cantilever beam, such as a whisker.

본 발명에 따른 외팔보 축에 대한 반사 빔의 신규한 특성은 시료의 유리한 현미경 검사 모드와 관련이 있을 수 있다. 외팔보 탐침은 시료 표면에 실질적으로 수직하게 제공될 수 있다. 그 다음, 이 탐침은 시료 표면을 가로질러 측방향으로 진동할 수 있고, 탐침 팁의 최종적인 움직임은 반사된 빔의 관찰에 의해 검출될 수 있다. 이는 해당 분야의 종사자에게 편리하고 익숙한 반사된 빔 검출 방법/장치를 이용하는 전단 힘 현미경(shear force microscopy: ShFM) 혹은 트랜스버스 다이나믹 힘 현미경(transverse dynamic force microscopy: TDFM) 검사를 행하기 위한 새롭고 편리한 방법을 제공한다.The novel properties of the reflective beam on the cantilever axis according to the invention may be related to the advantageous microscopy mode of the sample. The cantilever probe can be provided substantially perpendicular to the sample surface. The probe can then vibrate laterally across the sample surface and the final movement of the probe tip can be detected by observation of the reflected beam. This is a new and convenient way to perform shear force microscopy (ShFM) or transverse dynamic force microscopy (TDFM) inspection using reflected beam detection methods / apparatuses that are convenient and familiar to those in the field. To provide.

실제로, 본 발명에 따른 특별한 옵션은 빔을 (종래 기술의) 외팔보 장치로 투사하고, 반사된 빔을 세그먼트형 광다이오드 등의 적절한 위치 민감 검출기로 향하게 하는 수단을 이미 포함하고 있는 기존의 AFM 광학 헤드를 개조하는 능력에 있다. 본 발명에 따른 외팔보 장치, 예컨대 수직으로 향하는 외팔보가 후방으로 배향된 반사면을 갖는 장치는 종래의 외팔보와 실질적으로 변경 없이 개발된 기존의 광학 검출 시스템으로 대체될 수 있다. 따라서, 현미경 시스템을 사용한 조사 방법의 종류는 현저하게 많아지게 된다.Indeed, a special option according to the present invention already comprises an existing AFM optical head which includes means for projecting the beam to a cantilever device (of the prior art) and directing the reflected beam to a suitable position sensitive detector such as a segmented photodiode. Is in the ability to convert. The cantilever device according to the invention, for example a device having a reflecting surface with a vertically oriented cantilever rearwardly oriented, can be replaced by a conventional optical detection system developed substantially without modification of the conventional cantilever. Therefore, the kind of irradiation method using a microscope system becomes remarkably large.

외팔보 탐침을 시료 표면에 실질적으로 수직하게 설치하고 있는 본 명세서에서 제안된 특히 신규한 사용 모드는, 탐침 팁을 시료 표면의 함몰부, 예컨대 집적 회로 구조상의 측벽 등의 직립 구조체 또는 언더컷(undercut) 구조체에 매우 인접한 함몰부로 삽입할 수 있는 능력에 있다. 종래의 외팔보 셋업은 이러한 가파른 구조를 이용할 수 없었다. 이를 위해, 본 발명의 외팔보 탐침은 탐침의 맨 끝 단부로서, 축방향으로 향한 및/또는 탐침을 이것 옆의 가파른 표면에 반하여 사용, 예컨대 탭핑 모드(tapping mode)에서 사용 가능하도록 측방향으로 향한 탐침 팁과 함께 사용할 수 있다.A particularly novel mode of use proposed here, in which the cantilever probe is installed substantially perpendicular to the sample surface, is an upright or undercut structure in which the probe tip is recessed on the sample surface, such as a sidewall on an integrated circuit structure. It is in the ability to insert into depressions very close to the. Conventional cantilever setups could not take advantage of this steep structure. For this purpose, the cantilever probe of the present invention is the far end of the probe, which is axially oriented and / or laterally directed such that the probe can be used against a steep surface next to it, for example in tapping mode. Can be used with tips.

시료 표면에 수직한 외팔보로 작동하는 현미경(TDFM에 해당)의 또 다른 유리한 특징은 정확한 탐침 팁의 유용성(시료 표면 거리 제어)에 있다. 외팔보 축을 따른 스프링 상수는 측방향으로 굴절에 대한 스프링 상수보다 훨씬 더 높다. 시료에 일반적으로 평행한 외팔보를 갖는 종래의 AFM에 있어서, 굴절의 정도는 팁-시료 분리와 팁에서의 검출된 힘 모두에 직접 관련이 있기 때문에, 이들을 독립적으로 결정할 수 없다. 수직 TDFM 혹은 ShFM 외팔보에 따르면, 굴절 정도는 팁-시료 분리에 거의 영향을 미치지 않으며, 따라서 이는 탐침의 축방향 조절에 의해 효과적이고 독립적으로 설정될 수 있다. 이는 종래의 AFM 이상으로 TDFM에 대해, 특히 힘 변위 실험에 대해 상당한 장점을 부여한다. 이는 팁과 시료 표면 사이의 독립적인 존속을 확장 혹은 압축하는 것과, 팁-시료 분리의 함수로서 힘을 측정한 것을 포함한다. 일례는 단일 분자 힘 스펙트로스코피이며, 팁과 표면 사이의 독립체가 단일 분자로 될 때, 그 분자의 구조적 거동이 조사중에 있게 된다. 다이나믹 기법으로서, TDFM은 보수적인 소산성 상호 작용의 측정을 가능하게 한다. 이러한 특수 기능은 종래의 광학 레버 AFM 시스템이 본 발명에 따라 광학적 레버 TDFM으로 개조될 경우 이용할 수 있게 된다.Another advantageous feature of a microscope (corresponding to a TDFM) operating with a cantilever perpendicular to the sample surface is the availability of the correct probe tip (sample surface distance control). The spring constant along the cantilever axis is much higher than the spring constant for lateral deflection. In conventional AFMs with cantilever beams generally parallel to the sample, the degree of refraction is directly related to both tip-sample separation and the detected force at the tip and therefore cannot be determined independently. According to the vertical TDFM or ShFM cantilever, the degree of refraction has little effect on tip-sample separation, so it can be effectively and independently set by axial adjustment of the probe. This gives significant advantages over TDFM over conventional AFM, especially for force displacement experiments. This includes expanding or compressing the independent persistence between the tip and the sample surface and measuring the force as a function of tip-sample separation. One example is single molecule force spectroscopy, and when the entity between the tip and the surface becomes a single molecule, its structural behavior is under investigation. As a dynamic technique, TDFM enables the measurement of conservative dissipative interactions. This special function becomes available when the conventional optical lever AFM system is adapted to the optical lever TDFM according to the present invention.

본 발명은 이하의 도면을 참조하여 설명될 것이다.The invention will be explained with reference to the following figures.

도 1 및 도 2는 종래 기술과 관련하여 앞서 설명하였다.1 and 2 have been described above in connection with the prior art.

도 3은 외팔보 탐침의 축이 시료 평면(sample plane: SP)에 수직하게 배열되어 있는 본 발명에 따른 외팔보 탐침을 도시한 도면이다. 탐침의 팁 근처에는 측방향 돌기(42)가 에칭/침적에 의해 형성되어 있다. 본 발명의 탐침에 따르면, 그것은 종래의 탐침상의 접점, 예컨대 후방으로 향한 평평한 경사면(43)으로 형성된 일반적인 피라미드형의 구조와 유사하게 구성되어 있다. 그러나, 이는 반드시 예리한 팁을 구비할 필요는 없다. 반사면으로서의 기능을 하도록 경사면(43)에는 금 코팅이 침적되어 있다. 반사면(43)이 탐침 축과 이루는 각도는 탐침 운동을 검출하는 데 있어서는 그렇게 중요하지 않지만, 이러한 검출을 위해 사용되는 광학 시스템의 입사 및 반사 빔(51)을 위한 공급원, 반사기 및 검출기의 편리한 구성을 제공하는 데 있어서는 상당히 중요하다. 본 발명의 실시예는 시료 평면(SP)에 실질적으로 수직하고, 4 사분원 광검출기(6)를 갖는 검출 장치, 예컨대 도 1에 도시된 종래의 모듈(module)에서와 같은 장치로 경사지게 반사되는 입사 레이저 빔(51)을 구비한다.3 shows a cantilever probe according to the invention in which the axis of the cantilever probe is arranged perpendicular to the sample plane (SP). Near the tip of the probe, a lateral protrusion 42 is formed by etching / deposition. According to the probe of the invention, it is constructed similarly to a conventional pyramidal structure formed of a conventional probe-like contact, for example a flat inclined surface 43 facing backwards. However, it does not necessarily have to have a sharp tip. A gold coating is deposited on the inclined surface 43 to function as a reflecting surface. The angle that the reflecting surface 43 makes with the probe axis is not so important for detecting probe motion, but the convenient configuration of sources, reflectors and detectors for the incident and reflective beams 51 of the optical system used for this detection. It is very important in providing. Embodiments of the present invention are substantially perpendicular to the sample plane SP and are incident obliquely reflected by a detection device having a four-quadrant photodetector 6, such as in a conventional module shown in FIG. 1. The laser beam 51 is provided.

작동에 있어서, 외팔보 탐침(4)은 압전 드라이버, 진동 자기장 혹은 다른 적절한 수단에 의해 시료 평면에 대해 실질적으로 평행하게 진동한다. 이러한 구동은 외팔보 탐침(4)이 종래의 방식에 따라 장착되어 있는 칩 기판(33)에 인가될 수 있다. 그 대안의 구동이 자장을 경유하여 혹은 액체를 통한 음향 커플링(acoustic coupling)을 경유하여 외팔보에 직접 인가될 수도 있다.In operation, the cantilever probe 4 vibrates substantially parallel to the sample plane by means of a piezoelectric driver, a vibrating magnetic field or other suitable means. This drive can be applied to the chip substrate 33 on which the cantilever probe 4 is mounted in a conventional manner. An alternative drive may be applied directly to the cantilever via a magnetic field or via acoustic coupling through the liquid.

이러한 구성에 따르면, 피라미드형 돌기(42)는 반사면을 수반하는 역할을 한다. 탐침 팁 자체(예리한 탐침 연장부(45)를 포함해도 좋음)는 탐침의 맨 끝 말단부에 있으며, 예컨대 전단 힘 현미경 혹은 트랜스버스 다이나믹 힘 현미경 기능을 행하도록 시료 표면에 매우 근접한 상태에서 진동한다. 이러한 신규의 장치에서 단일 편향 빔을 사용하는 본 발명의 기법은 사용하기에 간단하며, 더욱이 다른 관점에서 있어서 통상적일 수 있는 장치에서 행할 수 있다.According to this configuration, the pyramidal protrusion 42 serves to carry the reflective surface. The probe tip itself (which may include a sharp probe extension 45) is at the far end of the probe and vibrates in close proximity to the sample surface to perform, for example, shear force microscopy or transverse dynamic force microscopy. The technique of the present invention using a single deflection beam in such a novel device is simple to use and may even be done in a device which may be customary in other respects.

도 4a에는 반사기 돌기가 팁 근처에 형성되어 있고, 탐침 축(A)에 의해 이분된 평평한 V자 형상을 취하는 탐침(4)이 도시되어 있다. 이러한 구조는 통상 질화규소로 되어 있다. 도 4b는 실질적으로 직선형의 탐침, 예컨대 실리콘으로 이루어진 탐침을 도시한 것이다. 이러한 일반적인 형태는 공지된 것이지만, 본 발명의실시예에서 피라미드형의 돌기의 팁은 시료와의 상호 작용을 위해 정교하게 될 필요는 없으며, 그와 반대로 피라미드형 혹은 다른 형상의 측방향 돌기는 둔각으로 이루어질 있고 반사면으로서의 새로운 역할을 위해 비교적 크게 되어도 좋다. 이와 대조적으로, 축방향으로 향한 팁은 시료 표면과 상호 작용하도록 정교한 포인트 혹은 위스커로 이루어져 있다.4a shows a probe 4 with a reflector protrusion formed near the tip and having a flat V-shape divided by the probe axis A. As shown in FIG. This structure is usually made of silicon nitride. 4B shows a substantially straight probe, such as a probe made of silicon. Such a general shape is known, but in the embodiment of the present invention, the tip of the pyramidal protrusion does not need to be elaborate for interaction with the sample, whereas the pyramidal or other shape of the lateral protrusion is obtuse. And may be relatively large for a new role as a reflecting surface. In contrast, the axially oriented tip consists of a fine point or whisker to interact with the sample surface.

도 4c는 하나 이상의 탐침(4), 예컨대 상이한 형상, 크기 혹은 스프링 상수를 갖는 탐침이 어떻게 단일의 기판 칩(33)상에 형성될 수 있는가를 도시한 도면이다. 여기서, 그 자체는 공지의 것이다.4C shows how one or more probes 4, for example probes with different shapes, sizes or spring constants, can be formed on a single substrate chip 33. Here, it is a well-known thing.

도 5에는 도 1에 도시된 바와 같은 공지의 AFM 광학 헤드의 종래의 탐침 홀더를 대체하도록 설계된 본 발명의 일관점에 따른 외팔보 탐침 홀더(3)가 도시되어 있다. 이 외팔보 탐침의 칩 기판(33)은, 예컨대 절연된 압전 드라이버 패드(35)를 매개로 마운팅(36)상에 장착되기 때문에 탐침 축은 시료 플랫폼(21)상의 소정 영역 상으로 아래로 향하게 된다. 실제로, 그것은 주변의 현미경 구조체에 대해 정확하게 수직으로 설치될 필요는 없다. 특히, 기존의 장치를 개조할 때, 약간의 각도는 입사 레이저 빔의 방해 가능성을 감소시키기 때문에 바람직할 수 있다. 종래의 시료 지지체는 지지된 시료가 약간 경사지게 할 수 있는 가능성을 부여하기 때문에, 실제상의 시료 제공 평면을 탐침 축에 정확하게 수직으로 한 작동 셋업(operating set-up)을 달성하는데 있어서 문제가 없게 된다.FIG. 5 shows a cantilever probe holder 3 according to the present invention, which is designed to replace the conventional probe holder of a known AFM optical head as shown in FIG. 1. Since the chip substrate 33 of the cantilever probe is mounted on the mounting 36 via, for example, an insulated piezoelectric driver pad 35, the probe axis is directed downward onto a predetermined area on the sample platform 21. In fact, it does not need to be installed exactly perpendicular to the surrounding microscope structure. In particular, when retrofitting an existing apparatus, some angles may be desirable because they reduce the likelihood of disturbance of the incident laser beam. Conventional sample supports give the possibility of slightly tilting the supported sample, so there is no problem in achieving an operating set-up in which the actual sample providing plane is exactly perpendicular to the probe axis.

이러한 실시예는 압전식으로 구동 가능한 스캐닝 모듈(38)이 시료 플랫폼(21)을 지지하고 있는 형태의 시료 스캐닝 타입(scanned-sample type)이다.도 6은 변형된 마운팅을 도시한 것으로, 이는 압전 스캐닝 드라이브(38)가 탐침 칩(33)을 지지하고 시료 플랫폼(21)이 정지하고 있는 형태의 팁 스캐닝 타입(scanned-tip type)이다. 여기서, 입사 레이저는 경사, 예컨대 수직이 아니게 경사지게 할 필요가 있다.This embodiment is a scanned-sample type in which a piezoelectrically driven scanning module 38 supports the sample platform 21. FIG. 6 shows a modified mounting, which is a piezoelectric The scanning drive 38 supports the probe chip 33 and the sample platform 21 is stationary in the form of a scanned-tip type. Here, the incident laser needs to be inclined, for example, not perpendicular.

도 7은 탐침 위스커 팁(45')이 탐침 단부에서 측방향으로 향해 있는 다양한 작동 모드를 도시(확대 도시)한 것이다. 이는, 예컨대 탭핑 모드 현미경에 의해, 가파르게 경사지거나 수직, 또는, 예컨대 에칭 처리된 반도체 제품의 홈부나 벽과 같은 구조에 접해 있는 시료 표면의 부분들의 조사를 가능하게 해준다. 종래의 AFM 장치는 이러한 표면에 전혀 접근할 수 없었다.7 shows (enlarged view) the various modes of operation with the probe whisker tip 45 'facing laterally at the probe end. This makes it possible, for example, by tapping mode microscopy, to investigate portions of the sample surface that are steeply inclined or vertical, or which contact structures such as grooves or walls of, for example, etched semiconductor products. Conventional AFM devices have no access to these surfaces.

도 8은 시료 표면이 실제로 언더컷되어 있는 각종 변형례를 도시한 것이다. 이 도면에는, 측방향으로 향한 팁(45')을 종방향으로 향한 팁(45)과 조합할 수 있는 탐침이 또한 도시되어 있다.8 illustrates various modification examples in which the sample surface is actually undercut. Also shown in this figure is a probe capable of combining the laterally facing tip 45 'with the longitudinally facing tip 45.

Claims (19)

기판(33), 기판과의 일체형 이음부에서 자유단으로 향하는 탐침 축을 따라 전방으로 돌출하는 편향 가능한 외팔보 탐침(4)을 포함하며, 상기 외팔보 탐침(4)은,And a deflectable cantilever probe (4) projecting forward along the probe axis toward the free end at the integral joint with the substrate (33), wherein the cantilever probe (4), 사용시 시료 표면과 상호 작용하도록 상기 자유단에 인접하는 탐침 팁(45)과,A probe tip 45 adjacent the free end to interact with the sample surface in use, 상기 기판(33)과의 일체형 이음부로부터 멀어지는 쪽으로 외팔보 탐침(4)을 따라 간격을 두고 위치하고, 사용시 입사광 빔을 검출기로 반사시켜 탐침 팁(45)의 위치 거동을 표시하는 역할을 하는 반사면(43)을 포함하는, 원자 힘 현미경용 탐침 모듈에 있어서,A reflective surface positioned at intervals along the cantilever probe 4 toward the side away from the integral joint with the substrate 33 and reflecting the incident light beam to the detector during use to indicate the position behavior of the probe tip 45 ( 43. A probe module for atomic force microscopy, comprising: 상기 반사면(43)은, 이 반사면(43)의 법선이 탐침 축을 따라 뒤로 향하는 후방 성분을 갖도록 탐침 축으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 탐침 모듈.The reflecting surface (43) is a probe module, characterized in that inclined to the probe axis such that the normal of the reflecting surface (43) has a rearward component backward along the probe axis. 제1항에 있어서, 상기 반사면(43)의 법선은 탐침 축에 대한 수직선으로부터 적어도 30°후방으로 경사져 있는 것인 탐침 모듈.The probe module of claim 1, wherein the normal of the reflecting surface (43) is inclined at least 30 ° rearward from a perpendicular to the probe axis. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사면(43)은 탐침 축으로 기울어져 있는 것인 탐침 모듈.The probe module (1) according to claim 1 or 2, wherein the reflecting surface (43) is inclined to the probe axis. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탐침 팁(45)은 반사면(43)의 전방으로 탐침상에 형성되는 것인 탐침 모듈.Probe module according to any one of the preceding claims, wherein the probe tip (45) is formed on the probe in front of the reflective surface (43). 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탐침 팁(45)은 외팔보 탐침(4)의 자유단에 위치하고 탐침 축 방향으로 전방을 향하는 것인 탐침 모듈.Probe module according to any one of the preceding claims, wherein the probe tip (45) is located at the free end of the cantilever probe (4) and is directed forward in the direction of the probe axis. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탐침 팁(45')은 이것의 자유단에 인접한 외팔보 탐침(4)으로부터 측방향으로 돌출하는 것인 탐침 모듈.Probe module according to any of the preceding claims, wherein the probe tip (45 ') projects laterally from a cantilever probe (4) adjacent its free end. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면(43)은 외팔보 탐침(4)으로부터의 측방향 돌기(42)에 있는 후면인 것인 탐침 모듈.Probe module according to any one of the preceding claims, wherein the reflecting surface (43) is a rear surface in the lateral protrusion (42) from the cantilever probe (4). 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면(43)은 평평하거나 실질적으로 평평한 것인 탐침 모듈.Probe module according to any of the preceding claims, wherein the reflecting surface (43) is flat or substantially flat. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면(43)은 반사성 코팅을 갖는 것인 탐침 모듈.Probe module according to any one of the preceding claims, wherein said reflective surface (43) has a reflective coating. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외팔보 탐침(4)은 기판(33)상의 미세조립된 구조체이며, 상기 기판은 반도체 칩인 것인 탐침 모듈.Probe module according to any one of the preceding claims, wherein the cantilever probe (4) is a microfabricated structure on a substrate (33) and the substrate is a semiconductor chip. 원자 힘 현미경 검사를 행하는 방법으로,By way of atomic force microscopy, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 탐침 모듈을 포함하는 원자 힘 현미경 장치에 시료를 장착하는 단계와,Mounting a sample on an atomic force microscope device comprising a probe module according to any one of claims 1 to 10; 탐침 모듈의 탐침 축을 상기 시료 표면에 실질적으로 수직하게 하여 상기 시료의 표면이 탐침 모듈의 탐침 팁(45)에 근접하게 되도록 하는 단계와,Making the probe axis of the probe module substantially perpendicular to the sample surface such that the surface of the sample is close to the probe tip 45 of the probe module; 시료 표면을 가로질러 하나 이상의 방향으로 탐침 팁(45)과 시료 표면 사이의 상대 운동을 구동하는 단계와,Driving relative movement between the probe tip 45 and the sample surface in one or more directions across the sample surface, 외팔보 탐침(4)의 반사면(43)에서 광 빔(51)을 정향시키고 반사된 빔을 검출함으로써 탐침 팁(45)의 위치 거동을 추적하는 단계를 포함한 것인 방법.Tracking the positional behavior of the probe tip (45) by directing the light beam (51) at the reflecting surface (43) of the cantilever probe (4) and detecting the reflected beam. 제11항에 있어서, 상기 상대 운동은 진동 운동인 것인 방법.The method of claim 11, wherein the relative movement is a vibrational movement. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 외팔보 탐침(4)은 제6항에 따른 측방향으로 돌출하는 탐침 팁(45')을 구비하며, 상기 시료 표면은 함몰부 혹은 계단과 같은 직립한 측벽을 갖는 형상 특징을 지니며, 상기 측방향으로 돌출하는 탐침 팁(45')과 측벽은 근접되게 하고, 상기 구동된 상대 운동이 탐침 축을 횡단하는 방향으로 서로를 향하고 멀어지는 쪽으로 이동되게 하는 것인 방법.13. The cantilever probe (4) according to claim 11 or 12, having a laterally protruding probe tip (45 ') according to claim 6, wherein the sample surface is an upright sidewall such as a depression or a step. Wherein the laterally projecting probe tip 45 'and the sidewalls are in close proximity and the driven relative movement is directed toward and away from each other in a direction crossing the probe axis. . 탐침 마운트(36)와, 탐침 모듈의 기판(33)을 매개로 상기 탐침 마운트(36)에장착되고 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 탐침 모듈을 포함하는 것인 원자 힘 현미경 헤드 구조체.An atomic force microscope head, comprising a probe mount 36 and a probe module mounted to the probe mount 36 via a substrate 33 of the probe module and according to any one of claims 1 to 10. Structure. 제14항에 있어서, 시료 제공 영역을 형성하고, 탐침 모듈의 외팔보 탐침(4)의 탐침 축은 상기 시료 제공 영역에 실질적으로 수직으로 배열되는 것인 원자 힘 현미경 헤드 구조체.15. The atomic force microscope head structure according to claim 14, wherein the sample providing area is formed and the probe axis of the cantilever probe of the probe module is arranged substantially perpendicular to the sample providing area. 제15항에 있어서, 상기 시료 제공 영역에 설치된 시료 플랫폼(21)을 포함하며, 상기 외팔보 탐침(4)의 탐침 축은 상기 시료 플랫폼(21)의 표면에 실질적으로 수직인 것인 원자 힘 현미경 헤드 구조체.16. The atomic force microscope head structure according to claim 15, comprising a sample platform (21) installed in the sample providing area, wherein the probe axis of the cantilever probe (4) is substantially perpendicular to the surface of the sample platform (21). . 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침 축에 대해 전방이고 양호하게는 실질적으로 그 축에 평행한 방향으로 입사광 빔을 외팔보 탐침(4)의 반사면(43)으로 향하게 하기 위한 광원과, 상기 반사면(43)으로부터 반사된 빔을 검출하기 위한 광검출기를 갖는 검출기 시스템을 더 포함하는 것인 원자 힘 현미경 헤드 구조체.17. The method according to any one of claims 14 to 16, for directing the incident light beam to the reflecting surface 43 of the cantilever probe 4 in a direction that is forward with respect to the probe axis and preferably substantially parallel to that axis. And a detector system having a light source and a photodetector for detecting a beam reflected from the reflecting surface (43). 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 현미경 헤드 구조체를 구비하는 것인 원자 힘 현미경.An atomic force microscope comprising the microscope head structure according to any one of claims 14 to 17. 시료 플랫폼, 탐침 모듈을 시료 플랫폼상의 시료에 인접하게 장착하기 위한 탐침 마운트, 입사광 빔을 시료 플랫폼으로 양호하게는 그것에 실질적으로 수직하게 향하게 하는 광원과 입사광 빔으로부터 유도된 반사광을 검출하는 광검출기를 갖는 검출 시스템을 구비하는 헤드 구조체를 포함하는 원자 힘 현미경을 개조하는 방법으로,A sample platform, a probe mount for mounting the probe module adjacent to a sample on the sample platform, a light source for directing the incident light beam to the sample platform, preferably substantially perpendicular thereto, and a photodetector for detecting reflected light derived from the incident light beam A method of retrofitting an atomic force microscope comprising a head structure with a detection system, 상기 원자 힘 현미경의 헤드 구조체의 탐침 마운트를 탐침 마운트(36)와 제14항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 탐침 모듈로 대체하는 단계를 포함하는 것인 방법.Replacing the probe mount of the head structure of the atomic force microscope with a probe mount (36) and a probe module according to any one of claims 14-15.