KR20210150608A

KR20210150608A - 토션 윙 프로브 어셈블리

Info

Publication number: KR20210150608A
Application number: KR1020217039387A
Authority: KR
Inventors: 쉬칭 후; 마틴 와그너; 웨이지에 왕; 챈민 수
Original assignee: 브루커 나노, 아이엔씨.
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-12-10
Also published as: US11119118B2; US11555827B2; JP7391998B2; CN114026438A; WO2020227222A1; EP3963341A1; JP2022530987A; EP3963341A4; US20220107339A1; US20200348333A1

Abstract

계측 기기를 위한 토션 프로브는 토션 바를 통해 지지 구조에 커플링된 캔틸레버를 포함한다. 캔틸레버, 지지 구조 및 토션 바의 암들은 실질적으로 동일한 두께를 갖는다.

Description

토션 윙 프로브 어셈블리

바람직한 실시예들은 계측 기기(metrology instrument)를 위한 프로브(probe) 디바이스 및 이에 상응하는 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 예를 들어 원자력 현미경(atomic force microscope)(AFM)에 사용하기 위한 토션 윙(torsion wing) 프로브에 관한 것이고, 이는 크게 개선된 이미징 대역폭(imaging bandwidth)을 달성하고 쉽게 일괄 제작(batch fabricated)될 수 있다.

AFM(Atomic Force Microscope)과 같은 스캐닝 프로브 현미경(scanning probe microscope)(SPM)들은 샘플 표면을 원자 차원(atomic dimension)까지 특성화(characterize)하기 위해 날카로운 팁(tip)과 낮은 힘들을 사용하는 디바이스들이다. 일반적으로 SPM 프로브의 팁은 샘플의 특성(characteristic)들에서의 변화들을 감지(detect)하기 위해 샘플 표면에 도입(introduce)된다. 팁과 샘플 사이에 상대적인 스캐닝 이동(relative scanning movement)을 제공함으로써 샘플의 특정 영역에 걸쳐 표면 특성 데이터를 얻을(acquire) 수 있고 샘플의 대응하는 맵(map)이 생성(generate)될 수 있다.

AFM 및 그 동작의 개요는 다음과 같다. 전형적인 AFM 시스템은 도 1에 개략적으로 도시되어있다. 캔틸레버(cantilever)(15)를 갖는 프로브(14)를 포함하는 프로브 디바이스(12)를 이용(employ)하는 AFM(10). 스캐너(24)는 프로브-샘플 상호작용이 측정되는 동안 프로브(14)와 샘플(22) 사이의 상대 운동(relative motion)을 생성시킨다. 이러한 방식으로 샘플의 이미지 또는 기타 측정치들이 획득(obtain)된다. 스캐너(24)에는 전형적으로 3개의 직교(orthogonal) 방향(XYZ)들로 보통 운동을 생성하는 하나 이상의 액츄에이터가 포함된다. 종종, 스캐너(24)는 3개의 축들 모두에서 샘플 또는 프로브를 이동시키기 위한 하나 이상의 액츄에이터, 예를 들어 압전(piezoelectiric) 튜브 액츄에이터를 포함하는 단일 통합 유닛(single integrated unit)이다. 대안적으로, 스캐너는 다수의 분리된 액츄에이터들의 어셈블리일 수 있다. 일부 AFM들은 스캐너를 다수의 구성 요소들로 분리한다(예: 샘플을 이동시키는 XY 스캐너와 프로브를 이동시키는 분리된 Z-액츄에이터). 따라서 기기는 예를 들어 Hansma et al. 미국 특허 RE 34,489호, Elings et al. 미국 특허 제5,266,801호, 및 Elings et al. 미국 특허 제5,412,980호에 설명된 것과 같이 샘플의 일부 다른 표면 특성 또는 지형(topography)을 측정하는 중에 프로브와 샘플 사이의 상대 운동을 창출(create) 가능하다.

공통의 구성(configuration)에서, 프로브(14)는 종종 캔틸레버(15)의 공진 주파수(resonant frequency)에서 또는 그 근처에서 프로브(14)를 구동하는 데 사용되는 진동 액츄에이터 또는 구동기(drive)(16)에 커플링된다. 대안적인 배열(arrangement)들은 캔틸레버(15)의 디플렉션(deflection), 토션(torsion) 또는 기타 운동을 측정한다. 프로브(14)는 종종 통합된 팁(integrated tip)(17)을 갖는 미세 가공(micrfabricated) 캔틸레버이다.

일반적으로, 전자 신호(electronic signal)는 SPM 제어기(20)의 제어 하에 액츄에이터(16)(또는 대안적으로 스캐너(24))가 프로브(14)가 진동하게 구동시키도록 하게하기 위하여 AC 신호 소스(AC signal source)(18)로부터 적용(apply)된다. 프로브-샘플 상호작용은 전형적으로 제어기(20)에 의한 피드백을 통해 제어된다. 눈에 띄게도(notably), 액츄에이터(16)는 스캐너(24) 및 프로브(14)에 커플링될 수 있지만 자체 액츄에이팅(self-actuated) 캔틸레버/프로브의 일부(part)로써 프로브(14)의 캔틸레버(15)와 일체로(integrally) 형성될 수 있다.

선택된 프로브(14)는 진동되고 샘플 특성들이 전술한 바와 같이 프로브(14)의 진동의 하나 이상의 특성의 변화를 감지함으로써 모니터링됨에 따라 샘플(22)과 접촉하게 된다. 이와 관련하여, 디플렉션 감지 장치(deflection detection apparatus)(25)는 전형적으로 빔(beam)을 프로브(14)의 배측(backside)을 향해 지향시키도록 이용되고, 빔은 감지기(26)를 향해 반사된다. 빔은 감지기(26)를 가로질러 변위되기 때문에, 예를 들어, RMS 디플렉션을 결정하고 이를 제어기(20)에 전송하기 위해 적절한(appropriate) 신호들은 블록(28)에서 처리(process)되고, 이는 프로브(14)의 진동에서 변화들을 결정하기 위해 신호들을 처리한다. 일반적으로 제어기(20)는, 전형적으로 프로브(14)의 진동의 설정치(setpoint) 특성을 유지(maintain)하기 위해, 팁과 샘플(또는 레버(lever)(15)의 디플렉션) 사이의 상대적으로 일정한 상호 작용을 유지하는 제어 신호들을 생성한다. 보다 구체적으로, 제어기(20)는 설정치와의 팁-샘플 상호작용에 의해 야기되는 프로브 디플렉션에 대응하는 신호, 서킷(circuit)(30)과, 비교함으로써 획득되는 에러 신호를 조건화(condition)하는 고전압 증폭기(34) 및 PI 이득 제어 블록(32)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(20)는 팁과 샘플 사이에 일반적으로 일정한 힘을 보장(insure)하기 위해 설정치 값(AS)에서 진동 진폭을 유지하는 데 종종 사용된다. 대안적으로, 설정치 위상 또는 주파수가 사용될 수 있다.

워크스테이션(40)은 또한 제어기(20) 및/또는 별도의 제어기 또는 연결된 또는 독립형(stand-alone) 제어기들의 시스템에 제공되며, 제어기로부터 수집된 데이터를 수신하고 포인트 선택(point selection), 곡선 맞춤 및 거리 결정 동작들을 수행하기 위해 스캐닝 중에 획득된 데이터를 조작한다.

프로브 팁(대부분의 AFM은 고해상도를 위해 팁이 뾰족한 프로브들(반경 10nm 미만)을 이용함)의 샘플과의 상호 작용에 응답하는 캔틸레버의 디플렉션은 매우 민감한 디플렉션 감지기, 가장 자주는 광학 레버 시스템으로 측정된다. 이러한 광학 시스템들에서, 렌즈는 일전형적으로 캔틸레버의 오버헤드(overhead)에 배치된 소스로부터 캔틸레버의 배측으로 레이저 빔을 포커싱(focus)하는데 이용된다. 레버의 배측(팁 반대측)은 빔이 거기로부터 광감지기(photodetector)를 향해 반사될 수 있도록 반사(reflective)(예를 들어, 제조 동안 금속화(metallization)를 사용하여)한다. 작동 중 감지기를 가로지르는 빔의 변위는 레버의 디플렉션의 측정을 제공하고, 이는 하나 이상의 샘플 특성을 다시 나타낸다.

"다이빙 보드(diving board)" 또는 삼각형 형태를 갖는 표준 프로브에서, 포커싱된 레이저 빔이 캔틸레버의 배측과 접촉하는 지점이 회전 각도를 결정하고, 이는 광전다이오드(photodiode) 디플렉션 신호 및 디플렉션 민감도에 영향을 미친다. 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 반사 배측(reflective backside)(52)을 갖는 AFM 프로브(50)는 팁(53)이 샘플(미도시)에 도입될 때 전형적으로 그 공진 주파수에서 진동하도록 구동된다. 이러한 상호작용 동안 프로브(50)의 디플렉션을 측정하기 위해, 이전에 설명된 것과 같은 광학 디플렉션 감지 시스템(54)이 이용된다. 디플렉션 감지 시스템(54)은 전자기 에너지 "L"의 빔을 프로브(50)의 배측(52)을 향해 지향시키는 레이저(56)를 포함한다. 이 빔 "L"은 사분면(quadrant) 광전다이오드(58)와 같은 감지기를 향해 다시 반사(reflect back)된다. 도 2a에서, 빔 "L"이 프로브(50)의 고정 단부(60)(대략 중간)를 더욱 향하여 배측(52)을 치도록(strike) 위치되면, 회전 각도는 θ1이다. 그러나, 빔 "L"이 빔 "L"을 프로브(50)의 자유 단부 또는 팁 단부(tip end)를 지향시키도록 위치되는 경우, 회전 각도는 프로브 디플렉션이 동일하더라도 더 큰 각도인 θ2이다. 도시된 바와 같이, 이 후자의 경우에 빔은 감지기(58)의 중심(center)보다는 모서리(edge)를 향해 더 많이 접촉한다. 이 차이는 민감도에 큰 영향을 줄 수 있고, 이는 이상적으로는 즉 레이저 위치와 무관하게 일정하다. 주목할만하게도, 전형적인 다이빙 보드나 삼각형 모양의 캔틸레버는 레이저 정렬 위치(alignment position)에 따라 민감도가 변하기 때문에 민감도를 일정하게 유지하는 것이 본질적으로 불가능하다.

고정 단부를 갖는 삼각형 형태의 레버 또는 표준 다이빙 보드의 또 다른 결점은 팁 상의 힘이 측정에 영향을 미칠 수 있다는 점이다. 예를 들어, 피크 힘 태핑 모드(peak force tapping mode)(PFT-IR)에서 IR 자극(excitation)에 대한 샘플의 응답을 측정하는 경우 접촉 공진 주파수(contact resonance frequency)는 접촉력에 따라 변할 것이다. 도 3은 팁(76)을 지지하는 자유 단부(74)를 갖는 캔틸레버(72)를 포함하는 프로브(70)를 도시한다. 레버(72)는 고정 단부(78)에서 프로브 베이스(미도시)로부터 연장한다. 이 경계 조건(boundary condition)은 접촉 공진 주파수가 샘플 표면에 대해 일반적으로 직교(orthogonal)(Z) 방향으로 팁(76)과 샘플(미도시) 사이의 접촉력 "F"에 의존하게 한다. 이는 주파수 시프트(shift)로 인해 접촉 공진을 트래킹(track)해야 하므로 샘플 속성 측정을 복잡하게한다(complicate). 측정된 접촉 공진 주파수가 팁과 샘플 사이의 접촉력에 대해 실질적으로 독립적인 AFM 프로브를 갖는 것이 바람직하다.

상기의 관점에서, 계측 분야는 PF-IR 모드에서 샘플 특성들을 측정할 때 접촉 공진 주파수를 모니터링하는 것을 포함하는, AFM 측정 상의 팁-샘플 상호작용력들의 영향들 및, 예를 들어 AFM 광학 디플렉션 감지 방식(scheme)에서, 레이저 포지셔닝과 관련된 상기 주목된 결점들을 극복하는 프로브를 필요로 한다.

"SPM" 및 특정 타입들의 SPM에 대한 두문자어(acronym)들은 본 명세서에서 현미경 장치들 또는 관련 기술, 예를 들어 "원자력 현미경(atomic force microscopy)"을 지칭하는 데 사용될 수 있다는 점에 유의해야한다.

본원에 포함되어 있음.

발명의 바람직한 예시적인 실시예는 유사한 참조 번호가 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면에 예시된다.
도 1은 종래 기술의 원자력 현미경의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 광빔(light beam)이 캔틸레버의 배측 상의 다른 지점들에 부딪힐 때 디플렉션을 감지하는 이슈(issue)를 예시하는, 프로브 및 디플렉션 감지 장치를 포함하는 종래 기술 AFM의 개략적인 측면도(side elevational view)이다.
도 3은 고정 단부를 갖는 종래 기술의 다이빙 보드 타입 프로브의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토션 윙 프로브의 개략적인 등각도(isometric view)이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4의 프로브를 도시하고, 디플렉션이 바람직한 실시예들의 방법에 따른 큰 반경 팁들 갖는 AFM 프로브들의 단계적(stepwise) 미세가공의 일련의 이미지들임을 예시한다.
도 6은 바람직한 실시예들의 토션 윙 프로브의 낮은 드리프트(drift)를 예시하는 그래프이다.
도 7은 종래 기술 다이빙 보드 AFM 프로브에 대한 도 6과 유사한 그래프이다.
도 8은 디플렉션으로 도시된 바람직한 실시예의 토션 윙 프로브의 개략적인 등각도이다.
도 9는 유체에서 작동되는 종래 기술 다이빙 보드 타입 프로브의 개략적인 측면도이다.
도 10은 유체에서 작동되는, 바람직한 실시예들에 따른 토션 윙 프로브의 개략적인 측면도이다.
도 11은 바람직한 실시예에 따라 제조된 토션 윙 프로브의 개략적인 평면도(top plan view)이다.
도 12는 종래 기술 다이빙 보드 프로브의 개략적인 평면도이다.
도 13a 및 도 13b는 바람직한 실시예에 따른 토션 윙 프로브의 진동의 진폭 및 위상 대 주파수를 각각 도시하는 그래프이다.
도 14는 바람직한 실시예들의 토션 윙 프로브를 사용하여 이미징된 PMMA 샘플의 NanoIR 스펙트럼(흡수 대 파장)의 그래프이다.
도 15는 바람직한 실시예에 따른 토션 윙 프로브를 제조하는 방법의 흐름도(flow chart)이다.
도 16a 내지 도 16f는 바람직한 실시예에 따라 제조되는 토션 윙 프로브의 일련의 개략적인 측면도이다.
도 17은 도 16a 내지 도 16f의 방법에 따라 제조된 토션 윙 프로브의 개략적인 평면도이다.

바람직한 실시예들은 종래의 다이빙 보드 또는 삼각형 형상의 AFM 프로브와 달리 고정 단부가 없는 캔틸레버를 갖는 토션 윙 프로브 및 대응하는 제조 방법을 제공함으로써 종래 솔루션들의 결점들을 극복한다. 제조 방법은 프로브 자체, 토션 바 및 프로브가 연장되는 기판 모두에 대해 균일한 두께를 갖는 프로브를 제공한다. 이러한 방식으로 프로브는 작동 대역폭, 노이즈 및 드리프트 측면에서 우수한 성능 특성으로 쉽게 일괄 제작될 수 있다. 또한 프로브-샘플 힘들의 영향이 최소화되고 민감도가 레이저 포지셔닝에 의존하지 않는다.

바람직한 실시예의 제1 양상(aspect)에 따르면, 토션 윙 프로브 어셈블리는 베이스 및 베이스로부터 연장하는 프로브를 포함한다. 이 경우 프로브는 지지 구조(support structure), 및 대향되는 단부들, 팁을 지지하는 제1 자유 단부, 및 제2 자유 단부를 갖는 캔틸레버를 가진다. 한 쌍의 토션 암들을 포함하는 토션 바는 캔틸레버를 지지 구조에 커플링 시키고, 지지 구조, 캔틸레버 및 토션 바의 두께들은 동일하다.

바람직한 실시예의 또다른 양상에 따르면, 프로브의 스프링 상수(f0/k)에 대한 자연 공진 주파수(natural resonant frequency)의 비율은 다이빙 보드 베이스에 고정된 하나의 단부를 갖는 캔틸레버를 갖는 다이빙 보드 프로브의 f0/k보다 적어도 3배 더 크다.

이 실시예의 추가적인 양상에서, 프로브, 지지 구조 및 캔틸레버는 질화 실리콘(silicon nitride)이고, 증착 단계는 저압 화학 증기 증착(low pressure chemical vapor deposition)(LPCVD)을 사용하여 수행된다.

바람직한 실시예의 다른 추가적인 양상에 따르면, 캔틸레버는 토션 암들의 대향하는 측부들 상에 제1 및 제2 부분들을 포함하고, 제1 부분의 표면적은 제2 부분의 표면적과 동일하다.

바람직한 실시예들의 또 다른 양상에서, 샘플의 광열 유도 표면 변위(photothermal induced surface displacement)를 측정하기 위해 AFM을 작동시키는 방법은 지지 구조, 팁을 지지하는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버를 상기 지지 구조에 커플링시키는 토션 암들을 포함하는 토션 바를 갖는 토션 윙 프로브를 제공하는 단계를 포함한다. 다음으로, 프로브는 작동의 모드에서 진동하도록 구동되고, IR 방사선은 표면의 변위를 유발하고 토션 바를 공진으로 구동하는 팁의 대략적인 위치에서 샘플의 표면을 향해 지향된다. 그런 다음, 지향시키는 단계에 대해 응답하는 프로브의 디플렉션을 기반으로 한 변위가 측정된다.

이 실시예의 또 다른 양상에서, AFM 모드는 PFT 모드이다.

바람직한 실시예의 다른 추가적인 양상에 따르면, 토션 윙 프로브는 균질한(homogeneous) 두께를 갖는다.

바람직한 실시예들의 또 다른 양상에서, AFM은 샘플과 상호작용하는 토션 윙 프로브, 및 프로브 디플렉션을 측정하기 위한 광학 디플렉션 감지 장치를 포함한다. 광학 디플렉션 감지 장치는 레이저 및 감지기를 포함하고, 레이저는 프로브를 향해 방사선을 지향시키고 프로브는 감지기를 향해 방사선을 반사시키고, 디플렉션 측정의 민감도는 방사선이 프로브와 접촉하는 위치와 무관하다.

바람직한 실시예의 다른 양상에 따르면, 토션 윙 프로브는 기판을 제공하는 단계, 및 기판 상에 산화 실리콘(silicon oxide) 및 질화 실리콘의 층을 증착시키는 단계들을 포함하는 프로세스에 의해 미세가공(microfabricate)된다. 그 다음, 방법은 기판의 제1 측 상에 프로브 어셈블리의 베이스를 포토리소그래피 방식(photolithographically)으로 형성하는 단계를 포함한다. 그 다음, 제조 방법은 제1 측 상에 질화 실리콘의 또 다른 층을 증착시키는 단계, 및 프로브 어셈블리의 프로브를 포토리소그래피 방식으로 형성하는 단계를 포함한다. 프로브는 지지 구조, 대향되는 단부들, 팁을 지지하는 제1 자유 단부, 및 제2 자유 단부를 갖는 캔틸레버, 및 캔틸레버를 지지 구조에 커플링시키는 한 쌍의 토션 암들을 포함한다. 지지 구조, 캔틸레버 및 토션 바들은 동일한 두께들을 갖는다.

발명의 이들 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내면서 제한이 아닌 예시의 방식으로 제공되는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 본 발명의 범위 내에서 많은 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 본 발명은 이러한 모든 수정을 포함한다.

먼저 도 4를 참조하면, 원자력 현미경에 사용하기 위한 토션의(torsional)(또는 토션 윙) 프로브(100)가 캔틸레버(110)의 적어도 하나의 부분을 수용(accommodate)하는 오프닝(opening)(108)에 의해 분리된 지지 부재들(104, 106)을 갖는, 지지 구조(102)를 포함하는 것으로 개략적으로 도시된다. 캔틸레버(110)는 대략 중간 지점에서 레버(110)의 길이 방향 축 "A"에 실질적으로 직교하는 토션 바들(112, 114)을 통해 부재들(104, 106)에 커플링된다.

작동시, 프로브(100)가 진동하도록 구동됨에 따라, 토션 바들(112, 114)은 회전하여 전체(entire) 캔틸레버(110)가 축 "B"의 주위로 자유롭게 회전하게 하고, 지지 부재들(104, 106)이 각각 고정 단부들(116, 118)을 가진다. 결과적으로, 프로브(110)의 팁이 샘플(미도시)과 상호작용함에 따라, 접촉력은 예를 들어 원하는 대로 PF-IR 모드에서 접촉 공진 주파수에 훨씬 더 낮은 영향을 미칠 것이다. 이것은 접촉 공진 주파수가 레버(72)의 고정 경계(fixed boundary)(78)에 주어진 접촉력에 의존하는 도 3에 도시된 프로브(70)와 같은 표준 AFM 프로브와 직접적인 대조를 이룬다.

토션 윙 프로브(100)의 또 다른 주요 이점이 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 프로브(100)를 사용하면, 광학 감지 장치의 레이저 "L"이 캔틸레버(110)의 배측(122)에 치는 위치에 관계없이 캔틸레버(110)의 중앙을 향하는 위치 "P"(도 5A) 또는 위치 "Q"(도 5B), 빔이 감지기(124)를 향해 다시 반사될 때, 회전 각도(θ)는 동일하다. 결과적으로 디플렉션 민감도는 동일하다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 전형적인 AFM 프로브의 대조적인 경우에서, 레이저 소스, 감지기 포지셔닝에 따라 반사된 빔이 감지기와 접촉하지 않을 가능성과 함께 디플렉션 민감도가 변한다.

특히 PF-IR 모드와 관련하여, 일 단부에 고정된 캔틸레버를 갖는 종래의 다이빙 보드 프로브의 경계 조건은 접촉 공진 측정들에 또 다른 방식으로 영향을 미친다. 도 6 및 도 7은 약 1시간 후 접촉 공진 주파수에 대한 열 노이즈 전력 스펙트럼(thermal noise power spectrum)의 플롯들을 도시한다. 도 6에서 토션의(TRW) 프로브와 관련된 데이터는 드리프트가 0.3kHz 미만으로 유지된 상태에서, 플롯(140)(측정의 시작) 및 플롯(142)(측정 1시간 후)에서 약 360kHz에서 안정적인 접촉 공진을 예시한다. 표준 프로브(SNL)의 경우 드리프트는 적어도 10배(an order of magnitude) 이상 크다(도 7). 다시 말해서, 토션 윙 프로브의 경우처럼 캔틸레버가 자유롭게 회전하도록 허용되면(도 6), 프로브 전체가 열 드리프트의 대상이 되기 때문에 프로브 상의 접촉 공진 드리프트 영향들이 크게 감소한다.

더욱이, TRW 설계는 (더 큰 대역폭을 갖는 AFM 작동의 경우) 접촉 강성(stiffness) 및 레버 길이를 실질적으로 감소시키고, 3배 이상으로 민감도를 개선한다. 레버 어셈블리는 약 2kHz에서 일반 직사각형 다이빙 보드 타입 레버와 동일한 방식으로 PFT 모드를 작동시킨다. PFT 작동 프로브가 샘플 표면에 일시적으로 접촉하는 동안(IR 복사로 자극됨), 광열 유도 표면 변위는 토션 바를 팁을 통해 공명(설계상 약 200kHz)으로 구동한다. 민감도는 1/kT 및 1/LT에 비례하며, 여기서 kT는 약 1/10kC(토션 바(캔틸레버를 지지 구조에 커플링시키는 2개의 토션 암들) 및 캔틸레버 각각의 스프링 상수들)이고 LT는 약 L(각각 토션 바와 캔틸레버의 길이들)의 1/3이다. 민감도는 10배 향상될 수 있다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 바람직한 실시예들에 따른 진동 TRW 프로브의 유한 요소 분석(finite element analysis)(FEA)을 사용하여 210kHz(도 13A에서 진폭 플롯, 도 13B에서 위상) 부근에서 조화(harmonic)되는 토션의 공진이 있는 것으로 결정되었다. 이 작은 토션의 프로브 공진 프로브는 더 높은 "Q"(Q = fr/BW) 및 더 높은 접촉 공진 주파수를 갖고, 이는 NanoIR 적용례에 특히 유용하다(예를 들어, 본 양수인(assignee)에게 양도된 US 공개공보 US-2018-0052186-A1 참조). 특히, TRW 프로브는 더 높은 디플렉션 민감도를 보이므로(exhibit) 기존 AFM 프로브를 사용할 때보다 2~3배 더 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)(S/N)로 NanoIR 유도 표면 진동을 센싱(sense)할 수 있다.

다음으로 도 8을 참조하면, AFM에 사용하기 위해 미세가공된 예시적인 토션의(TRW) 프로브(150)가 도시되어 있다. 프로브(150)는 구조(152)에 대해 자유롭게 회전하는 캔틸레버(154)를 위한 공간을 정의하는 본질적으로 T자형인 오프닝(153)을 갖는 지지 구조(152)를 포함한다. 캔틸레버(154)는 캔틸레버(154)의 길이 방향 축에 실질적으로 직교하게 연장하는 동일 선형의(co-linear) 토션 바들(156, 158)에 의해 지지 구조(152)에 커플링된다. 그것의 자유 단부(160)에서, 프로브는 (테스트 중인 샘플(미도시)의 표면에 실질적으로 직교하는) "Z"로 이동하는 팁(162)을 지지한다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 프로브(150)는 미세 가공되어 지지 구조(152), 캔틸레버(154) 및 토션 바들(156, 158)은 모두 동일한 두께를 갖는다.

프로브(150)는 앞서 설명된 바와 같이 다양한 모드들에서 진동하도록 구동될 수 있다. (예를 들어, PF-IR 분광법(spectrpscopy)을 수행하기 위한) 피크 힘 태핑 모드에서, 프로브 마운트(미도시) 지지 프로브(150)가 부착된 Z 피에조 튜브(Z piezo tube)는 샘플 표면에 대해 프로브를 직선 위아래로 프로브를 이동시키기 위해 Z로 구동된다. 그것의 크기 때문에, 지지 구조(152)는 전형적으로 캔틸레버의 공진 주파수에서 샘플 표면에 직교하게 팁(162)을 진동시키고 "Z"로 캔틸레버를 이동시키도록 비틀거나 회전하는 토션 바들(156, 158)에 비해 상대적으로 강성이다. 태핑 모드에서는 프로브를 "Z"로 진동시키기 위해 별도의 Z-피에조(Z-piezo)가 제공될 수 있다.

특히 속도 및 분해능(resolution) 개선이 계속됨에 따라 AFM 성능에 대한 또 다른 주요 영향은 특히 피크 힘 태핑 모드를 사용하여 액체에서 실험을 수행할 때 프로브 디플렉션에 대한 유체역학적(hydrodynamic) 배경 기여(background contribution)들이다. 이들은 US 특허 제8,739,309호, 제8,646,109호 및 제8,650,660호에서 더 자세하게 논의된 바와 같이, 얻어진 데이터를 잠재적으로 오염(contaminate)시키는, 측정된 프로브 응답의 일부가 되는 프로브 디플렉션에 대한 기여들이다. 이와 관련하여 본 TRW 프로브의 장점이 도 9 및 도 10을 참조하여 설명된다. 도 9는 고정 단부(174) 및 팁(178)을 지지하는 자유 단부(176)를 갖는 캔틸레버(172)를 갖는 종래의 AFM 프로브(170)를 개략적으로 도시한다. 고정 단부(174)는 AFM 작동 중 (샘플 표면에 직교하는) Z로 이동되는 베이스(미도시)로부터 연장한다. 일련의 하향 화살표(180)는 베이스가 수직 상향으로 이동됨에 따른 수압 또는 힘을 예시한다. 프로브(170)에 대한 결과적인 토크(resultant torque)는 프로브 디플렉션에 대한 유체역학적 배경 기여를 창출한다. (전형적으로 복잡한 배경 빼기 알고리즘(complex background subtraction algorithm)을 통해) 배경 디플렉션이 고려되지 않는 한 측정을 오염시킬 수 있다.

대조적으로, 바람직한 실시예들의 TRW 프로브(190)를 보여주는 도 10을 참조하면, 프로브 디플렉션에 대한 유체역학적 배경 영향은 본질적으로 0이다. 프로브(190)는 Z로 또는 (예를 들어, z-피에조 엑츄에이터 또는 AFM의 스캐닝 튜브를 사용하여) 수직으로 이동하는 베이스(미도시)에 커플링된 고정 단부들(198, 200)을 갖는 강성 제1 및 제2 부재들(194, 196)을 갖는 지지 구조(192)를 포함한다. 프로브는 또한 토션 바들(204, 206)를 통해 제1 및 제2 부재들(194, 196)에 커플링된 캔틸레버(202)를 포함한다. 캔틸레버는 전방 부분(front portion)(208) 및 후방 부분(back portion)(210)을 포함하고, 전방 부분은 팁(212)을 지지한다. 중요하게는, 전방 및 후방 부분들(208, 210)은 바람직하게는 실질적으로 동일한 표면적을 갖는다. 작동 중에, 프로브(190)가 구동됨에 따라, 토크는 토션 바를 회전시켜 캔틸레버가 토션 바들(204, 206)을 중심으로 회전하게 하고, 이에 의해 팁(212)을 샘플 표면(미도시)에 직교하도록 이동시킨다. 이 경우 수압은 프로브의 베이스가 위쪽으로 이동될 때 캔틸레버(202)에 아래쪽 힘을 가하는 화살표들(214)의 배열로 도시된다. 그러나, 프로브(170)와 달리, TRW 프로브(190)는 전방 및 후방 부분들(208, 210)의 표면적이 실질적으로 동일한 한, 제로 토크를 경험(experience)한다. 그 결과, 측정 데이터에서 프로브 디플렉션에 대한 유체 역학적 배경 영향이 효과적으로 최소화(minimize)된다.

바람직한 실시예들에 따른 TRW 프로브 어셈블리(250)의 일 실시예의 구조가 도 11의 평면도에 도시된다. 프로브 어셈블리(250)는 프로브(254)가 연장하는 베이스(252)를 포함한다. 프로브(254)는 대향되는 제1 및 제2 부분들(258, 260)을 갖는 지지 구조(256)를 포함한다. 부분들(258, 260)은 토션 바 암에 비해 훨씬 더 강성이고, 전형적으로 10-20배 더 강성이다. 프로브(252)는 또한 이전에 설명된 바와 같이 토션 바 암들(264, 266)을 통해 제1 및 제2 부분들(258, 260)에 커플링된 캔틸레버 암(262)을 포함한다. 캔틸레버(262)는 전방 부분 또는 팁 패드(268) 및 후방 부분 또는 리플렉스 패드(reflex pad)(270)를 포함한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 토션 암 폭(wta)(양쪽 암(264, 266))은 약 3.5μm이고, 팁 패드(268)의 길이(ltp)는 약 23.5μm이고, 리플렉스 패드(270)의 폭(wrp)은 약 12μm이다. 프로브의 공진 주파수는 약 380 kHz이고 스프링 상수 k는 약 0.3N/m로 약 1267의 주파수 (f0)/k를 산출(yield)한다. 대조적으로 동일한 두께를 갖는 표준 직사각형 AFM 프로브(280)(도 12)의 경우, 캔틸레버는 약 600nm의 두께, 약 77μm의 길이(282) 및 약 12μm의 폭(284)을 가질 수 있다. 이러한 파라미터는 약 138kHz의 공진 주파수, 약 0.3N/m의 스프링 상수 k 및 약 260의 주파수 (f0)/k를 산출한다. 그러나 일반적으로 두께는 약 5μm만큼 클 수 있고, 전형적으로 50nm 내지 5μm, 바람직하게는 약 750nm이다.

그 결과, 바람직한 실시예들의 토션 윙 프로브는 표준 다이빙 보드 캔틸레버보다 약 3배 더 높은 f0/k(스프링 상수에 대한 자연 공진 주파수)를 본다(see). 비교를 위해, 이 토션 윙 프로브 어셈블리(250)는 동일한 레이저 스팟(spot)을 홀딩(hold)할 수 있게하는 직사각형 프로브와 같이 동일한 두께 및 폭을 갖는 캔틸레버를 포함한다. 그러나 더 높은 f0/k 비율은 동일한 이미징 힘으로 태핑 모드에서 더 높은 이미징 대역폭을 허용한다.

예를 들어, 도 14는 바람직한 실시예들의 토션 윙 프로브와 기존의 다이빙 보드 타입 프로브를 모두 이용하는 AFM에 의해 획득된 PMMA 샘플의 NanoIR 스펙트럼을 예시한다. 바람직한 실시예들의 토션 윙 프로브들은 ~1550-1650cm-1 범위에서 삽입도(inset)(300)에서 볼 때 최대 2배 더 나은 신호 대 노이즈 비를 갖는다.

도 15는 도 4, 도 5, 도 8, 도 10 및 도 11에 도시된 것과 같은 바람직한 실시예들에 따른 토션 윙 프로브를 제조하는 방법을 도시한다. 방법(500)은 프로브 빌드(build)를 설명하기 위한 도 16a 내지 도 16f, 뿐만 아니라 예시적인 TRW 프로브의 평면도인 도 17과 관련하여 설명될 것이다. 방법(500)은 기판, 예를 들어 실리콘 웨이퍼(도 16a의 550)를 제공하는 제1 단계인 블록(502)을 포함한다. 대체 기판들은 유리, 석영, GaAs(비소화 갈륨)일 수 있다.

웨이퍼는 블록(504)에서 웨이퍼의 양 측부들 상에 산화 실리콘(SiO2)을 성장시키기 위한 기판으로 사용된다. 이 산화물(552)은 도 16B에 예시된다. 그 다음, 블록(506)에서, 질화 실리콘(도 16b의 554)이 산화물 층(552) 상에 증착된다. 바람직하게는 이것은 저압 화학 증기 증착(LPCVD)으로 행해진다. 그런 다음 블록(508)(또한 도 16c의 영역(556) 참조)에서 프로브 몸체들(캔틸레버의 베이스 고정 단부(base fixed end))을 정의하기 위한 배측의 후속(subsequent) 에칭(예: KOH)을 위한 구조들(미도시)을 창출하기 위해 적절한 마스크(mask)가 사용된다. 보다 구체적으로, 도 17을 참조하면, 이 단계는 프로브 어셈블리(600)의 베이스(602)의 적어도 일부를 정의한다. 다음으로, 블록(510)에서, 캔틸레버/지지 구조 재료, 바람직하게는 도 16d에 도시된 바와 같이 질화 실리콘(Si3N4)(558)이 증착된다. 블록(512)에서, 실리콘은 도 16e의 프로브 팁(560)들(도 17에서 프로브(600)의 팁(616))을 형성하기 위해 전방 측으로부터 에칭된다.

그 다음, 블록(514)에서, 캔틸레버(562)(도 16f)들이 적절한 에칭을 통해 형성되고 포토리소그래피 방식으로 패터닝된다. 도 17을 참조하면, 이 단계는 지지 구조(604) 및 캔틸레버(610)를 커플링 하는 토션 암들(618, 620) 및 지지 부재들(606, 608)을 포함하는 지지 구조(604)를 정의한다. 캔틸레버는 팁(616)을 지지하는 전방 부분(614) 및 후방 부분(612)을 포함한다. 도 10의 개략도와 유사하게, 후방 및 전방 부분들(612, 614)은 바람직하게는 유사한 크기를 가지므로 유체에서 작동될 때 캔틸레버 상의 유체력(fluid force)(화살표(204) - 도 10)은 본질적으로 양 부분들에서 동일하다.

마지막으로, 프로브들은 도 17에 도시된 것과 같은 프로브들을 형성하기 위해 블록(516)에서 웨이퍼로부터 릴리징(release)되거나 그렇지 않으면 다이싱(dice)된다. 최적의 성능을 위한 전형적인 치수들은 도 11과 관련하여 개시된 치수들을 포함한다.

본 발명을 수행하기 위해 본 발명자들에 의해 고려되는 특정 실시예들이 위에 개시되어 있지만, 본 발명의 실시(practice)는 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 특징들의 다양한 추가들, 수정들 및 재배열들은 근본적인 발명 개념의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims

베이스; 및
상기 베이스로부터 연장하는 프로브;
를 포함하고,
상기 프로브는,
지지 구조;
대향되는 단부들, 팁을 지지하는 제1 자유 단부, 및 제2 자유 단부를 갖는 캔틸레버; 및
상기 지지 구조에 상기 캔틸레버를 커플링시키는 한 쌍의 토션 암들을 포함하는 토션 바;
를 포함하고,
상기 지지 구조, 상기 캔틸레버 및 상기 토션 바들의 두께들은 동일한,
토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 두께는 5㎛ 미만인 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 프로브의 스프링 상수(f0/k)에 대한 자연 공진 주파수의 비율은,
다이빙 보드 베이스에 고정된 하나의 단부를 갖는 다이빙 보드 캔틸레버의 f0/k 보다 적어도 3 배 더 큰,
토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 지지 구조의 강성은 상기 토션 암들의 강성보다 적어도 10배 더 큰, 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 프로브, 지지 구조 및 캔틸레버는 질화 실리콘인 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 증착 단계가 LPCVD인 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 캔틸레버는 상기 토션 암들의 대향 측부들 상에 제1 및 제2 부분들을 포함하고, 상기 제1 부분의 표면적은 상기 제2 부분의 표면적과 동일한 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 기판이 실리콘 웨이퍼인 토션 윙 프로브 어셈블리.
제1항에 있어서, 팁 재료는 실리콘인 토션 윙 프로브 어셈블리.
샘플의 광열 유도 표면 변위를 측정하기 위해 AFM을 작동시키는 방법으로써,
지지 구조, 팁을 지지하는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버를 상기 지지 구조에 커플링시키는 토션 암들을 포함하는 토션 바를 갖는 토션 윙 프로브를 제공하는 단계;
작동의 AFM 모드에서 상기 프로브를 진동으로 구동하는 단계;
상기 팁의 대략적인 위치에서 상기 샘플의 표면을 향해 IR 방사선을 지향시켜서 상기 표면의 변위를 유발하고 상기 토션 바를 공진으로 구동하는 단계; 및
상기 지향시키는 단계에 대해 응답하여 상기 프로브의 디플렉션을 기반으로 상기 변위를 측정하는 단계;
를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 AFM 모드는 PFT 모드인 방법.
제10항에 있어서, 상기 토션 윙 프로브는 균질한 두께를 갖는 방법.
제10항에 있어서, 상기 IR 방사선은 중-IR 방사선인, 방법.
샘플과 상호 작용하는 토션 윙 프로브; 및
프로브 디플렉션을 측정하기위한 광학 디플렉션 감지 장치;
를 포함하고,
상기 광학 디플렉션 감지 장치는 레이저 및 감지기를 포함하고, 상기 레이저는 상기 프로브를 향해 방사선을 지향시키고 상기 프로브는 상기 감지기를 향해 상기 방사선을 반사시키고, 디플렉션 측정의 민감도는 상기 방사선이 상기 프로브와 접촉하는 위치와는 무관한,
AFM.
제14항에 있어서,
상기 토션 윙 프로브 어셈블리는,
베이스; 및
상기 베이스로부터 연장하는 프로브;
를 포함하고,
상기 프로브는,
지지 구조;
대향되는 단부들, 팁을 지지하는 제1 자유 단부, 및 제2 자유 단부를 갖는 캔틸레버; 및
상기 지지 구조에 상기 캔틸레버를 커플링시키는 한 쌍의 토션 암들;
을 포함하고,
상기 지지 구조, 상기 캔틸레버 및 상기 토션 바들은 동일한 두께를 갖는,
AFM.
제15항에 있어서, 상기 팁은 실리콘으로 만들어지고, 상기 캔틸레버는 질화 실리콘으로 만들어지는 AFM.
제15항에 있어서, 상기 두께는 5㎛ 미만인 방법.