KR20160098725A - 복수의 afm 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 방법 - Google Patents

복수의 afm 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 가지는 독립 나노 구조체 스캔장치를 구현하고, 이러한 스캔장치에서 고해상도 AFM 탐침을 이용하여 나노 구조체의 시편상 위치와 형태를 확인한 후, 확인된 나도 구조체에 대해 원자해상도 AFM 탐침을 이용한 스캔을 통해 3차원 형상을 측정함으로써 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하도록 한다.

Description

복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 방법{APPARATUS FOR SCANNING NANO STRUCTURE WITH PLURAL AFM PROBES AND METHOD THEREOF}
본 발명은 독립 나노 구조체에 대한 AFM(atomic force microscope) 측정 방법에 관한 것으로, 특히 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 가지는 독립 나노 구조체 스캔장치를 구현하고, 이러한 스캔장치에서 고해상도 AFM 탐침을 이용하여 나노 구조체의 시편상 위치와 형태를 확인한 후, 확인된 나도 구조체에 대해 원자해상도 AFM 탐침을 이용한 스캔을 통해 3차원 형상을 측정함으로써 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하도록 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 방법에 관한 것이다.
근래에 들어, 마이크로 또는 나노 단위의 크기를 갖는 미소 구조물들은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자, 미소 전자 소자 또는 광전자 소자 등에 이용되고 있는데, 이러한 소자들의 설계 및 제작을 위해서는 그것들에 이용되는 미소 구조물들의 형상과 그 미소 구조물들의 기계적 물성 테스트가 요구된다.
일반적으로, 원자력 현미경(atomic force microscope), 즉, AFM은 미소 구조물로 된 시편의 표면 형상을 측정하기 위해 개발된 것이지만, 미소 구조물의 미소 하중과 변위의 고 분해능 테스트가 가능하다는 것이 인식되면서, 기계적 물성 테스트 기능, 특히, 나노 압입 테스트 기능이 추가되었다.
이처럼, 나노 압입 테스트 기능이 AFM에 추가됨으로써, 기존의 어떠한 테스트 기기로도 측정할 수 없었던 미소 크기의 시편에 대하여 탄성계수 또는 경도와 같은 기계적 물성을 측정할 수 있게 되었다.
그러나, 종래 AFM 프로브, 즉, AFM 탐침을 이용하는 나노 구조체 스캔장치들은 대부분 고정된 해상도를 가지는 하나의 AFM 탐침을 구비하고 있어 나노 구조체에 대한 다양한 해상도의 측정이 불가능하며, 하나의 탐침을 사용함에 따라 나노 구조체를 접촉하여 회전시키는 등의 동작을 수행하는 경우 AFM 탐침이 불순물에 의해 쉽게 오염되는 문제점이 있었다.
(특허문헌)
대한민국 등록특허번호 10-0679620호(등록일자 2007년 01월 31일)
따라서, 본 발명에서는 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 가지는 독립 나노 구조체 스캔장치를 구현하고, 이러한 스캔장치에서 고해상도 AFM 탐침을 이용하여 나노 구조체의 시편상 위치와 형태를 확인한 후, 확인된 나도 구조체에 대해 원자해상도 AFM 탐침을 이용한 스캔을 통해 3차원 형상을 측정함으로써 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하도록 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치로서, 대상 시료가 놓여지는 시편과, 상기 대상 시료를 측정하기 위한 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 구비하는 탐침부와, 상기 시편 또는 상기 탐침부에 연결되어, 상기 시편 또는 상기 복수의 AFM 탐침을 가로 방향으로 이동시키는 모터부를 포함한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 대상 시료에 대한 제1 측정을 수행하여 상기 시편상 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 제1 AFM 탐침과, 상기 제1 AFM 탐침과 기설정된 제1 거리로 이격되고, 상기 대상 시료에 대한 제2 측정을 수행하여 상기 대상 시료의 3차원 형상을 측정하는 제2 AFM 탐침을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편을 스캔하여 상기 대상 시료를 선정하고, 상기 대상 시료를 요청된 방향으로 회전시키거나 상기 대상 시료를 지지하고 있는 바인딩 분자층을 조절하면서 상기 대상 시료를 다시 스캔하여 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 바인딩 분자층의 조절 시 레이저 조사장치를 통해 상기 바인딩 분자층을 이루고 있는 바인딩 분자의 진동 주파수 또는 전자 여기 에너지에 해당하는 특정 파장의 레이저를 조사하여 상기 바인딩 분자층을 분자층 단위로 선택적으로 제거시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 조사장치는, 상기 제1 AFM 탐침의 외부에 위치하거나 또는 near-field scanning optical microscope 형태로 제작되어 상기 제1 AFM 탐침의 내부에 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 제1 AFM 탐침을 통해 상기 대상 시료에 대한 위치와 형태를 확인한 경우, 상기 대상 시료의 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시키고, 상기 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료에 대해 원자해상도로 스캔하여 상기 대상 시료에 대한 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 대상 시료의 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시킴에 있어서, 광학현미경을 이용하여 상기 제1 AFM 탐침과 상기 대상 시료간 제1 위치관계 영상을 촬영한 후, 제2 AFM 탐침을 상기 대상 시료로 이동시키면서 상기 제2 AFM 탐침과 상기 대상 시료간 제2 위치관계 영상을 촬영하여 상기 제2 위치관계 영상이 상기 제1 위치관계 영상과 일치하는 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 제1 AFM 탐침을 상하로 이동시키는 제1 모터와, 상기 제2 AFM 탐침을 상하로 이동시키는 제2 모터를 더 포함하며, 상기 제1 측정 또는 제2 측정 수행 시 상기 제1 모터 또는 제2 모터를 통해 상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침을 상기 시편의 상부에서 상기 대상 시료의 측정에 필요한 기설정된 높이로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침 각각에 연결되어 상기 제1 AFM 탐침과 상기 2 AFM 탐침을 통해 측정된 상기 대상 시료에 대한 스캔 영상을 생성하는 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 AFM 탐침은 고해상도를 가지며, 상기 제2 AFM 탐침은 원자해상도를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스캔 장치는, 상기 대상 시료에 대한 실제 측정전에 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 상대 위치에 대한 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캘리브레이션부는, 상기 캘리브레이션의 수행에 있어서, 상기 제1 AFM 탐침으로 상기 대상 시료의 특정 위치를 측정하여 기준이 되는 제1 영상을 정한 후, 상기 제1 거리를 이용하여 상기 제2 AFM 탐침을 상기 제1 영상이 촬영된 위치로 이동시켜 제2 영상을 촬영하도록 한 후, 상기 제2 영상이 제1 영상과 동일한 영상이 되도록 상기 제1 거리에 대한 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제1 시료가 놓여지는 제1 시편과, 상기 제2 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제2 시료가 놓여지는 제2 시편을 포함하며, 상기 제1 시편과 제2 시편은 상기 대상 시료가 놓여지는 시편을 중심으로 좌우에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 AFM 탐침 및 제2 AFM 탐침은, 상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침으로부터 측정된 영상의 화질이 기설정된 해상도 이하로 저하되는 경우 상기 제1 시편 또는 제2 시편으로 각각 이동되어 상기 제1 시료 또는 제2 시료를 통한 크리닝 과정이 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔방법으로서, 시편의 상부에 측정이 필요한 대상 시료를 위치시키는 단계와, 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침 중 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편상 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 제1 측정 단계와, 상기 복수의 AFM 탐침 중 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료의 3차원 형상을 측정하는 제2 측정 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 측정 단계는, 상기 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편을 스캔하여 상기 대상 시료를 선정하는 단계와, 상기 대상 시료를 요청된 방향으로 회전시키거나 상기 대상 시료를 지지하고 있는 바인딩 분자층을 조절하는 단계와, 상기 대상 시료를 스캔하여 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분자층을 조절하는 단계는, 상기 바인딩 분자층을 이루고 있는 바인딩 분자의 진동 주파수 또는 전자 여기 에너지에 해당하는 특정 파장의 레이저를 조사하여 상기 바인딩 분자층을 분자층 단위로 선택적으로 제거시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저는, 상기 제1 AFM 탐침의 외부에 위치되거나 또는 near-field scanning optical microscope 형태로 제작되어 상기 제1 AFM 탐침의 내부에 위치된 레이저 조사장치로부터 조사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 측정 단계는, 상기 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료에 대해 원자해상도로 스캔하여 상기 대상 시료에 대한 3차원 형상을 측정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 측정 단계를 수행하기 전에, 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 상대 위치에 대한 캘리브레이션을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캘리브레이션을 수행하는 단계는, 상기 제1 AFM 탐침으로 상기 대상 시료의 특정 위치를 측정하여 기준이 되는 제1 영상을 정하는 단계와, 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 기설정된 이격 거리를 이용하여 상기 제2 AFM 탐침을 상기 제1 영상이 촬영된 위치로 이동시키는 단계와, 상기 이동시키는 위치에서 상기 제2 AFM 탐침으로 제2 영상을 촬영하는 단계와, 상기 제2 영상이 제1 영상과 동일한 영상이 되도록 상기 이격 거리에 대한 캘리브레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침으로부터 측정된 영상의 화질이 기설정된 해상도 이하로 저하되는 경우 해당 AFM 탐침에 대한 크리닝을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 크리닝을 수행하는 단계는, 상기 제1 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제1 시료가 놓여진 제1 시편으로 이동시켜 크리닝하는 단계와, 상기 제2 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제2 시료가 놓여진 제2 시편으로 이동시켜 크리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 시편과 제2 시편은 상기 대상 시료가 놓여지는 시편을 중심으로 각각 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침이 수평 모터를 통해 이동되어 접근이 가능한 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 AFM 탐침은 고해상도를 가지며, 상기 제2 AFM 탐침은 원자해상도를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 가지는 독립 나노 구조체 스캔장치를 구현하고, 이러한 스캔장치에서 고해상도 AFM 탐침을 이용하여 나노 구조체의 시편상 위치와 형태를 확인한 후, 확인된 나도 구조체에 대해 원자해상도 AFM 탐침을 이용한 스캔을 통해 3차원 형상을 측정함으로써 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치의 상세 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치의 상세 블록 구성도,
도 3은 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 고해상도 AFM 탐침의 크리닝과 대상 시료의 위치, 형태 측정 과정 예시도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 바인딩 분자층 예시도,
도 8 내지 도 9은 본 발명의 실시 예에 따른 바인딩 분자층의 조절을 위한 레이저 조사장치의 구성 예시도,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 파장별 바인딩 분자층의 흡수율 그래프 예시도,
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 원자해상도 AFM 탐침의 크리닝과 대상 시료의 3차원 형상 측정 과정 예시도,
도 15 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 모터부내 위치 센서를 이용한 복수의 AFM 탐침간 상대위치 캘리브레이션 과정 예시도,
도 17 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 광학 현미경을 이용한 복수의 AFM 탐침간 상대위치 캘리브레이션 과정 예시도,
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치에서의 AFM 측정 동작 제어 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치의 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 시편(102), 모터부(108), 탐침부(100), 캘리브레이션부(122) 등을 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 스캔장치(100)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 시편(102)은 측정이 요구되는 대상 시료(150)가 놓여지는 물체로, 시편(102)을 가로(X,Y) 방향으로 이동시킬 수 있는 모터부(108)상 일정 영역에 형성될 수 있다. 또한, 이러한 시편(102)의 좌우로는 고해상도를 가지는 제1 AFM 탐침(112)의 크리닝(cleaning)을 위한 제1 시편(104), 원자해상도를 가지는 제2 AFM 탐침(114)의 크리닝을 위한 제2 시편(106) 등이 수평하게 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 시편(102)의 상부에는 AFM 탐침을 이용한 측정이 요구되는 독립 나노 구조체 등의 대상 시료(150)가 놓여질 수 있다.
또한, 제1 시편(104)은 제1 AFM 탐침(112)을 고해상도로 유지시키기 위한 시료가 놓여지는 시편을 말하는 것으로, 이러한 시료는 예를 들어 금(Au) 등이 될 수 있다. 또한, 제2 시편(106)은 제2 AFM 탐침(114)을 원자해상도로 유지시키기 위한 시료가 놓여지는 시편을 말하는 것으로, 이러한 시료는 예를 들어 일산화탄소 분자(CO)가 증착된 구리(Cu) 등이 될 수 있다.
모터부(108)는 시편(102), 제1 시편(104), 제2 시편(106)에 하부에 설치되어 AFM 측정 동작 시, 시편(102), 제1 시편(104), 제2 시편(106)을 가로(X,Y 방향)으로 이동시켜 각각의 시편이 탐침부(110)내 제1 AFM 탐침(112) 또는 제2 AFM 탐침(114)의 하부에 위치되도록 하는 장치로, 내부에 시편(102)을 중심으로 탐침부(110)내 구비된 제1 AFM 탐침(112) 및 제2 AFM 탐침(114)의 위치를 측정하는 위치 센서(position sensor)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
또한, 이러한 모터부(108)는 도 1에서는 시편(102), 제1 시편(104), 제2 시편(106)에 하부에 설치되는 것을 예로써 설명하였으나, 도 2에서 보여지는 바와 같이 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)에 연결되도록 설치되어 AFM 측정 동작 시 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)을 각각의 시편 상부로 이동시킬 수도 있다.
탐침부(110)는 시편(102)상 놓여진 대상 시료(150)를 측정하기 위한 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 구비할 수 있으며, 복수의 AFM 탐침을 이용하여 대상 시료(150)에 대한 3차원 형상 등의 측정을 수행할 수 있다.
이러한, 탐침부(110)는 앞서 설명한 바와 같이 고해상도를 가지는 제1 AFM 탐침(112)과 원자해상도를 가지는 제2 AFM 탐침(114)을 포함할 수 있으며, 제1 AFM 탐침(112)으로는 시편(102)상 대상 시료(150)의 위치와 형태를 측정할 수 있고, 제2 AFM 탐침(114)으로는 대상 시료(150)의 3차원 형상을 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 또한 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)은 기설정된 제1 거리(d)로 이격되어 함께 이동될 수 있다.
또한, 탐침부(110)는 제1 AFM 탐침(112) 또는 제2 AFM 탐침(114)을 상하 방향으로 이동시키는 제1 모터(z motor)(116) 및 제2 모터(118)를 구비하며, 이러한 제1 모터(116)와 제2 모터(118)는 제1 AFM 탐침(112) 또는 제2 AFM 탐침(114)을 시편(102), 제1 시편(104), 제2 시편(106)의 상부에서 각각의 시편을 향하여 상승시키거나 하강시킬 수 있고, 대상 시료(150)의 측정 시에는 제1 AFM 탐침(112) 또는 제2 AFM 탐침(112)을 시편(102)의 상부에서 대상 시료(150)의 측정에 필요한 기설정된 높이로 이동시킬 수 있다.
또한, 탐침부(110)는 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(112) 각각에 연결되는 스캐너(scanner)(120)를 구비할 수 있으며, 이러한 스캐너(102)는 제1 AFM 탐침(112)과 2 AFM 탐침(114)을 통해 측정된 대상 시료(150)에 대한 스캔 영상을 생성할 수 있다.
캘리브레이션부(calibration)(122)는 제2 AFM 탐침(114)을 이용한 대상 시료(150)에 대한 실제 측정전에 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)간 상대 위치에 대한 캘리브레이션을 수행한다. 즉, 예를 들어 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)간 기설정된 제1 거리(d)는 실제 측정 시 오차가 발생할 수 있는데, 캘리브레이션부(122)는 제1 거리(d)에 대해 발생한 오차값을 측정하고 실제 측정전에 이러한 오차값을 보상하여 보다 정확한 측정이 가능하도록 한다.
즉, 예들 들어 캘리브레이션부(122)는 캘리브레이션의 수행에 있어서, 도 15에서 보여지는 바와 같이 제1 AFM 탐침(112)으로 대상 시료(150)의 특정 위치를 측정하여 기준이 되는 제1 영상을 정하고, 도 16에서 보여지는 바와 같이 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)간 이격거리인 제1 거리(d)를 이용하여 제2 AFM 탐침(114)을 제1 영상이 촬영된 위치로 이동시켜 제2 영상을 촬영하도록 한 후, 제2 영상이 제1 영상과 동일한 영상이 되도록 제1 거리에 대한 오차를 보상함으로써 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
이하에서는, 복수의 AFM 탐침을 이용하여 독립 나노 구조체 등의 대상 시료(150)에 대해 3차원 형상을 측정하는 등의 AFM 측정 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다.
즉, 대상 시료(150)에 대한 AFM 측정이 시작되는 경우, 탐침부(110)내 제1 AFM 탐침(112)은 도 3에서 보여지는 바와 같이 제1 시편(104) 쪽으로 이동될 수 있다. 이때, 제1 AFM 탐침(112)을 제1 시편(104)의 위치로 이동시킴에 있어서, 시편(102), 제1 시편(104), 제2 시편(106)을 가로 방향(X,Y 방향)으로 이동시키는 모터부(108)를 이용하여 제1 시편(104)을 이동시킬 수도 있으며, 다른 실시 예로써, 도 2에서 보여지는 바와 같이 모터부(108)가 탐침부(110) 쪽에 연결된 경우에는 모터부(108)를 이용하여 탐침부(110)를 이동시키는 것을 통해 구현할 수도 있다
이어, 제1 AFM 탐침(112)은 도 4에서와 같이 제1 모터(116)에 의해 제1 시편(104)상으로 하강되어 제1 시편(104)을 통해 고해상도로 크리닝이 수행된다.
위와 같이 크리닝이 수행된 후, 제1 AFM 탐침(112)은 도 5에서와 같이 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 이동된 후, 도 6에서와 같이 제1 모터(116)에 의해 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 하강되어 시편(102)을 스캔하면서 대상 시료(150)를 선정하게 된다. 또한, 대상 시료(150)를 요청된 방향으로 회전시키거나 대상 시료(150)를 지지하고 있는 바인딩(binding) 분자층을 조절하면서 대상 시료(150)를 다시 스캔하여 시편(102)상 대상 시료(150)의 위치와 형태를 측정하게 된다.
이때, 바인딩 분자층(700)은 독립 나노 구조체 등의 대상 시료(150)를 고정하기 위해 대상 시료(150)의 주위에 성장시킨 다층의 미세 분자층을 말하는 것으로, 예를 들어 도 7의 (a)에서와 같이 대상 시료(150)의 주위에 다층으로 형성될 수 있으며, 바인딩 분자층(700)의 조절 시 도 7의 (b)에서 보여지는 바와 같이 분자층 단위로 제거될 수 있다.
이때, 탐침부(110)는 위와 같은 바인딩 분자층(700)의 조절을 위한 장치로서, 도 8, 도 9에서 도시된 바와 같이 레이저 조사장치(800, 900)를 구비할 수 있다.
도 8은 레이저 조사장치(800)를 제1 AFM 탐침(112)의 외부에 위치시킨 예를 도시한 것이며, 도 9는 레이저 조사장치(900)를 near-field scanning optical microscope 형태로 제작하여 제1 AFM 탐침(112)의 내부에 위치시킨 예를 도시한 것이다.
이러한 레이저 조사장치(800, 900)는 제1 AFM 탐침(112)이 대상 시료(150)의 위치와 형태를 측정하는 동작을 수행할 시 제1 AFM 탐침(112)과 연동하여 바인딩 분자층(700)의 조절을 수행할 수 있다.
즉, 레이저 조사장치(800, 900)는 바인딩 분자층(700)으로 바인딩 분자의 진동 주파수 또는 전자 여기 에너지에 해당하는 특정 파장의 레이저를 조사하여 바인딩 분자층(700)을 분자층 단위로 선택적으로 제거시킬 수 있도록 한다.
이때, 위와 같은 특정 파장을 선택함에 있어서는 도 10에서 보여지는 바와 같은 레이저의 파장에 따른 바인딩 분자의 흡수율 그래프를 참조하여 바인딩 분자가 가장 큰 흡수율을 가지게 되는 레이저의 파장을 선택할 수 있으며, 이러한 특정 파장의 레이저를 사용함에 따라 대상 시료(150)의 위 또는 주변에 붙어있는 바인딩 분자를 대상 시료(150)의 전체 온도를 변화시키는 것 없이 초저온에서도 선택적으로 분자층 단위로 제거시킬 수 있다.
이어, 위와 같이 제1 AFM 탐침(112)에 의한 대상 시료(150)의 위치 및 형태 등의 측정이 완료되는 경우, 탐침부(110)내 제2 AFM 탐침(114)은 도 11에서 보여지는 바와 같이 제2 시편(114) 쪽으로 이동된다.
이어, 탐침부(110)내 제2 AFM 탐침(114)이 도 12에서와 같이 제2 모터(118)에 의해 제2 시편(106)상으로 하강되어 제2 시편(106)을 통해 원자해상도로 크리닝이 수행된다.
위와 같이 크리닝이 수행된 후, 제2 AFM 탐침(114)은 도 13에서와 같이 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 이동된 후, 도 14에서와 같이 제2 모터(118)에 의해 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 하강되어 대상 시료(150)를 원자해상도로 스캔하여 대상 시료(150)에 대한 3차원 형상 등을 측정할 수 있다. 이때, 제2 AFM 탐침(114)은 제1 AFM 탐침(112)에 의해 확인된 시편(102)상 대상 시료(150)의 위치로 이동된 후, 대상 시료(150)의 측정을 위한 기설정된 일정 높이까지 하강되어 대상 시료(150)에 대한 스캔이 가능하게 될 수 있다.
이에 따라, 고해상도의 제1 AFM 탐침(112)으로 먼저 시편(102)상 대상 시료(150)를 선정하고 대상 시료(150)를 회전시키는 등의 조작을 통해 대상 시료(150)의 대략적인 형태를 확인한 후, 원자해상도의 제2 AFM 탐침(114)을 이용하여 대상 시료(150)의 3차원 형상 등을 측정하도록 함으로써, 독립 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하게 된다.
이때, 위와 같은 제1 AFM 탐침(112)과 제2 AFM 탐침(114)에 대해서는 주기적으로 해상도의 상태를 검사하여 각각의 AFM 탐침의 해상도가 기설정된 기준 해상도 이하로 되어 정밀한 측정이 어려운 것으로 판단되는 경우 도 4 또는 도 12에서와 같은 크리닝 동작을 실시하여 각각의 AFM 탐침의 해상도가 좋은 상태로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 이때, 제2 AFM 탐침(114)을 제1 AFM 탐침(112)이 확인한 대상 시료(150)의 위치로 이동시킴에 있어서는, 제1 AFM 탐침(112)이 대상 시료(150)를 선정하는 동작 수행 시 모터부(108)에 내장된 위치 센서를 통해 파악된 위치 정보를 활용하거나, 도 15에서와 같이 고배율 광학 현미경(950)을 활용하여 대상 시료(150)에 대한 대략적인 위치를 찾고 제2 AFM 탐침(114)을 이용한 실제 스캔을 통해 대상 시료(150)의 위치를 확정할 수 있다.
즉, 고배율 광학 현미경(950)을 이용하는 경우 광학 현미경(950)으로 대상 시료(150)의 같은 위치에 제2 AFM 탐침(114)이 오는지 확인하면서 광학 해상도로 같은 위치가 되도록 한 후, 제2 AFM 탐침(114)으로 대상 시료(150)를 스캔하여 기준 형상의 위치가 예상 위치에 정확히 오는지 확인하는 것을 통해 대략적인 위치를 찾게 된다.
좀더, 자세히 설명하면, 위와 같은 제2 AFM 탐침(114)의 이동에 있어서, 예를 들어 탐침부(110)는 도 17에서와 같이 구비되는 광학현미경(950)을 이용하여 제1 AFM 탐침(112)과 대상 시료(150)간 제1 위치관계 영상을 촬영한 후, 도 18에서와 같이 제2 AFM 탐침(114)을 대상 시료(150)로 이동시키면서 제2 AFM 탐침(114)과 대상 시료(150)간 제2 위치관계 영상을 촬영하여 제2 위치관계 영상이 제1 위치관계 영상과 일치하는 위치로 제2 AFM 탐침(114)을 이동시킬 수 있다. 이때, 위와 같이 광학 해상도 기준으로 제2 AFM 탐침(114)을 이동시킨 후, 제2 AFM 탐침(114)을 통해 스캔한 기설정된 특정 기준 형상의 위치가 예상 위치에 정확히 왔는지 확인하고 오차가 있는 경우 예상값을 교정하여 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치에서 나도 구조체의 AFM 측정 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 시편(102)상 독립 나노 구조체 등의 측정이 필요한 대상 시료(150)가 놓여질 수 있다(S100).
위와 같이, 대상 시료(150)가 놓여지는 경우 스캔장치(100)는 모터부(108)를 제어하여 제1 AFM 탐침(112)을 도 3에서 보여지는 바와 같이 제1 시편(104) 쪽으로 이동시킨다.
이어, 제1 모터(116)를 제어하여 도 4에서와 같이 제1 AFM 탐침(112)을 제1 시편(104)상으로 하강시켜 제1 시편(104)을 통해 제1 AFM 탐침(112)을 고해상도로 크리닝시키게 된다(S102).
그리고, 제1 AFM 탐침(112)에 대한 크리닝이 완료되는 경우, 스캔장치(100)는 크리닝이 수행된 제1 AFM 탐침(112)을 도 5에서와 같이 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 이동시킨 후(S104), 도 6에서와 같이 제1 모터(116)에 의해 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 하강시켜 제1 AFM 탐침(112)을 통해 시편(102)을 스캔하면서 대상 시료(150)를 선정하게 된다(S106).
이어, 위와 같은 스캔을 통해 시편(102)상 대상 시료(150)를 선정한 경우, 제1 AFM 탐침(112)을 이용하여 대상 시료(150)를 요청된 방향으로 회전시키거나 대상 시료(150)를 지지하고 있는 바인딩 분자층(700)을 조절하면서 대상 시료(150)를 다시 스캔하여 대상 시료(150)의 위치와 형태를 측정하게 된다(S108).
이때, 바인딩 분자층(700)의 조절에 있어서 스캔장치(100)는 예를 들어 레이저 조사장치(800, 900)를 통해 도 7의 (a)에서와 같이 대상 시료(150)의 주변에 고정된 다층의 미세 분자층인 바인딩 분자층(700)에 특정 파장의 레이저를 조사시켜 도 7의 (b)에서와 같이 분자층 단위로 제거시킬 수 있다.
위와 같이, 제1 AFM 탐침(112)에 의해 대상 시료(150)에 대한 시편(102)상 위치 및 대상 시료(150)의 형태에 대한 측정이 완료되는 경우, 스캔장치(100)는 제2 AFM 탐침(114)을 도 12에서와 같이 제2 모터(118)에 의해 제2 시편(106)상으로 하강시켜 제2 시편(107)을 통해 원자해상도로 크리닝시키게 된다(S110).
이어, 제2 AFM 탐침(114)에 대한 크리닝이 완료되는 경우, 스캔장치(100)는 크리닝이 수행된 제2 AFM 탐침(114)을 도 13에서와 같이 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)상 대상 시료(150)의 확인된 위치로 이동시킨 후, 도 14에서와 같이 제2 모터(118)에 의해 대상 시료(150)가 놓여진 시편(102)으로 하강시킨다(S112).
이때, 스캔장치(100)는 제2 AFM 탐침(114)을 하강시킴에 있어서, 대상 시료(150)의 측정을 위한 기설정된 일정 높이까지 하강시켜 대상 시료(150)에 대한 스캔이 가능하도록 할 수 있다.
이어, 스캔장치(100)는 제2 AFM 탐침(114)을 이용하여 독립 나노 구조체 등의 대상 시료(150)를 원자해상도로 스캔하여(S114) 대상 시료(150)에 대한 3차원 형상 등을 측정할 수 있다(S116).
이에 따라, 고해상도의 제1 AFM 탐침(112)으로 먼저 시편(102)상 대상 시료(150)를 선정하고 대상 시료(150)를 회전시키는 등의 조작을 통해 대상 시료(150)의 대략적인 형태를 확인한 후, 원자해상도의 제2 AFM 탐침(114)을 이용하여 대상 시료(150)의 3차원 형상 등을 측정하도록 함으로써, 독립 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 가지는 독립 나노 구조체 스캔장치를 구현하고, 이러한 스캔장치에서 고해상도 AFM 탐침을 이용하여 나노 구조체의 시편상 위치와 형태를 확인한 후, 확인된 나도 구조체에 대해 원자해상도 AFM 탐침을 이용한 스캔을 통해 3차원 형상을 측정함으로써 나노 구조체에 대한 보다 정밀한 측정이 가능하도록 한다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
100 : 스캔장치 102 : 시편
104 : 제1 시편 106 : 제2 시편
108 : 모터부 110 : 탐침부
112 : 제1 AFM 탐침 114 : 제2 AFM 탐침
116 : 제1 모터 118 : 제2 모터
120 : 스캐너 122 : 캘리브레이션부

Claims (25)

  1. 대상 시료가 놓여지는 시편과,
    상기 대상 시료를 측정하기 위한 서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침을 구비하는 탐침부와,
    상기 시편 또는 상기 탐침부에 연결되어, 상기 시편 또는 상기 복수의 AFM 탐침을 가로 방향으로 이동시키는 모터부
    를 포함하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 대상 시료에 대한 제1 측정을 수행하여 상기 시편상 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 제1 AFM 탐침과,
    상기 제1 AFM 탐침과 기설정된 제1 거리로 이격되고, 상기 대상 시료에 대한 제2 측정을 수행하여 상기 대상 시료의 3차원 형상을 측정하는 제2 AFM 탐침
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편을 스캔하여 상기 대상 시료를 선정하고, 상기 대상 시료를 요청된 방향으로 회전시키거나 상기 대상 시료를 지지하고 있는 바인딩 분자층을 조절하면서 상기 대상 시료를 다시 스캔하여 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 바인딩 분자층의 조절 시 레이저 조사장치를 통해 상기 바인딩 분자층을 이루고 있는 바인딩 분자의 진동 주파수 또는 전자 여기 에너지에 해당하는 특정 파장의 레이저를 조사하여 상기 바인딩 분자층을 분자층 단위로 선택적으로 제거시키는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 조사장치는,
    상기 제1 AFM 탐침의 외부에 위치하거나 또는 near-field scanning optical microscope 형태로 제작되어 상기 제1 AFM 탐침의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 제1 AFM 탐침을 통해 상기 대상 시료에 대한 위치와 형태를 확인한 경우, 상기 대상 시료의 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시키고, 상기 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료에 대해 원자해상도로 스캔하여 상기 대상 시료에 대한 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 대상 시료의 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시킴에 있어서, 광학현미경을 이용하여 상기 제1 AFM 탐침과 상기 대상 시료간 제1 위치관계 영상을 촬영한 후, 제2 AFM 탐침을 상기 대상 시료로 이동시키면서 상기 제2 AFM 탐침과 상기 대상 시료간 제2 위치관계 영상을 촬영하여 상기 제2 위치관계 영상이 상기 제1 위치관계 영상과 일치하는 위치로 상기 제2 AFM 탐침을 이동시키는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 제1 AFM 탐침을 상하로 이동시키는 제1 모터와,
    상기 제2 AFM 탐침을 상하로 이동시키는 제2 모터를 더 포함하며,
    상기 제1 측정 또는 제2 측정 수행 시 상기 제1 모터 또는 제2 모터를 통해 상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침을 상기 시편의 상부에서 상기 대상 시료의 측정에 필요한 기설정된 높이로 이동시키는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침 각각에 연결되어 상기 제1 AFM 탐침과 상기 2 AFM 탐침을 통해 측정된 상기 대상 시료에 대한 스캔 영상을 생성하는 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 AFM 탐침은 고해상도를 가지며, 상기 제2 AFM 탐침은 원자해상도를 가지는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 스캔 장치는,
    상기 대상 시료에 대한 실제 측정전에 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 상대 위치에 대한 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는,
    상기 캘리브레이션의 수행에 있어서, 상기 제1 AFM 탐침으로 상기 대상 시료의 특정 위치를 측정하여 기준이 되는 제1 영상을 정한 후, 상기 제1 거리를 이용하여 상기 제2 AFM 탐침을 상기 제1 영상이 촬영된 위치로 이동시켜 제2 영상을 촬영하도록 한 후, 상기 제2 영상이 제1 영상과 동일한 영상이 되도록 상기 제1 거리에 대한 캘리브레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제1 시료가 놓여지는 제1 시편과,
    상기 제2 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제2 시료가 놓여지는 제2 시편을 포함하며,
    상기 제1 시편과 제2 시편은 상기 대상 시료가 놓여지는 시편을 중심으로 좌우에 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 AFM 탐침 및 제2 AFM 탐침은,
    상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침으로부터 측정된 영상의 화질이 기설정된 해상도 이하로 저하되는 경우 상기 제1 시편 또는 제2 시편으로 각각 이동되어 상기 제1 시료 또는 제2 시료를 통한 크리닝 과정이 수행되는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치.
  15. 시편의 상부에 측정이 필요한 대상 시료를 위치시키는 단계와,
    서로 다른 해상도를 가지는 복수의 AFM 탐침 중 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편상 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 제1 측정 단계와,
    상기 복수의 AFM 탐침 중 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료의 3차원 형상을 측정하는 제2 측정 단계
    를 포함하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 측정 단계는,
    상기 제1 AFM 탐침을 이용하여 상기 시편을 스캔하여 상기 대상 시료를 선정하는 단계와,
    상기 대상 시료를 요청된 방향으로 회전시키거나 상기 대상 시료를 지지하고 있는 바인딩 분자층을 조절하는 단계와
    상기 대상 시료를 스캔하여 상기 대상 시료의 위치와 형태를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 분자층을 조절하는 단계는,
    상기 바인딩 분자층을 이루고 있는 바인딩 분자의 진동 주파수 또는 전자 여기 에너지에 해당하는 특정 파장의 레이저를 조사하여 상기 바인딩 분자층을 분자층 단위로 선택적으로 제거시키는 단계인 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 레이저는,
    상기 제1 AFM 탐침의 외부에 위치되거나 또는 near-field scanning optical microscope 형태로 제작되어 상기 제1 AFM 탐침의 내부에 위치된 레이저 조사장치로부터 조사되는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 측정 단계는,
    상기 제2 AFM 탐침을 이용하여 상기 대상 시료에 대해 원자해상도로 스캔하여 상기 대상 시료에 대한 3차원 형상을 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 측정 단계를 수행하기 전에, 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 상대 위치에 대한 캘리브레이션을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션을 수행하는 단계는,
    상기 제1 AFM 탐침으로 상기 대상 시료의 특정 위치를 측정하여 기준이 되는 제1 영상을 정하는 단계와,
    상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침간 기설정된 이격 거리를 이용하여 상기 제2 AFM 탐침을 상기 제1 영상이 촬영된 위치로 이동시키는 단계와,
    상기 이동시키는 위치에서 상기 제2 AFM 탐침으로 제2 영상을 촬영하는 단계와,
    상기 제2 영상이 제1 영상과 동일한 영상이 되도록 상기 이격 거리에 대한 캘리브레이션을 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 AFM 탐침 또는 제2 AFM 탐침으로부터 측정된 영상의 화질이 기설정된 해상도 이하로 저하되는 경우 해당 AFM 탐침에 대한 크리닝을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 크리닝을 수행하는 단계는,
    상기 제1 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제1 시료가 놓여진 제1 시편으로 이동시켜 크리닝하는 단계와,
    상기 제2 AFM 탐침을 크리닝하기 위한 제2 시료가 놓여진 제2 시편으로 이동시켜 크리닝하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 시편과 제2 시편은 상기 대상 시료가 놓여지는 시편을 중심으로 좌우에 상기 제1 AFM 탐침과 제2 AFM 탐침이 수평 모터를 통해 이동되어 접근이 가능한 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 AFM 탐침은 고해상도를 가지며, 상기 제2 AFM 탐침은 원자해상도를 가지는 것을 특징으로 하는 복수의 AFM 탐침을 이용한 스캔 방법.
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