KR20220105320A - 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치 - Google Patents

시료 표면의 전기장 분포 분석 장치 Download PDF

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Abstract

시료 표면의 전기장 분포 분석 장치가 개시된다. 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치는 광 투과홀이 형성되며, 상기 광 투과홀 상에 시료가 놓이는 스테이지; 상기 스테이지의 하부에서 상기 시료를 향해 적외선 광을 조사하는 광원부; 상기 시료의 상면과 접촉하는 탐침; 상기 탐침을 지지하는 캔틸레버; 및 상기 시료를 투과한 적외선 광에 의한 광열 효과로 인한 상기 탐침의 온도 변화를 측정하는 온도 측정 회로를 포함한다.

Description

시료 표면의 전기장 분포 분석 장치{Apparatus for measuring electrical field of sample}
본 발명은 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광열 효과로 인한 탐침의 온도 변화를 측정하여 시료 표면의 전기장 분포를 분석할 수 있는 장치에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope(SPM))은 나노 스케일의 과학과 기술에서 강력한 기구이다. SPM의 많은 변형체 중, 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope(AFM)은 가장 광범위하게 사용되고 있으며, 가장 기본이 되는 현미경이다. 하나의 종래 AFM중 하나가 Phys. Rev. Lett. 56,930(1986)문헌의 지. 비닝(G. Binning), 시. 퀘이트(C. Quate), 시에이치. 거버(Ch. Gerber)의 논문에 게재되어 있다. 그 후 AFM이 계속 개선되어, 그의 이용 가능성과 편리성이 향상되었다. 통상 사용되는 구성에 있어서, 종래의 AFM은 마이크로 머시닝으로 제작된 캔틸레버(cantilever)를 사용하며, 이 캔틸레버의 끝 부분에는 날카로운 바늘이 달려 있고, 압전 튜브를 이용해서 샘플이나 캔틸레버를 주사한다. AFM은 레이저 광선을 캔틸레버에 비추어, 반사된 광선을 위치 감지 광검출기(Position Sensitive Photo Detector(PSPD))로 검출해서 캔틸레버의 휘어짐을 측정한다.
(App Phys. Lett 53,2400(1988) 에 지. 마이어(G. Meyer), 엔. 엠. 아머(N. M. Amer)의 논문을 참조).
본 발명은 시료 표면의 형상 정보와 전기장 분포 정보를 분석할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치는 광 투과홀이 형성되며, 상기 광 투과홀 상에 시료가 놓이는 스테이지; 상기 스테이지의 하부에서 상기 시료를 향해 적외선 광을 조사하는 광원부; 상기 시료의 상면과 접촉하는 탐침; 상기 탐침을 지지하는 캔틸레버; 및 상기 시료를 투과한 적외선 광에 의한 광열 효과로 인한 상기 탐침의 온도 변화를 측정하는 온도 측정 회로를 포함한다.
또한, 상기 시료는 상기 적외선 광이 투과할 수 있는 실리콘 기판 위에 금속 격자 구조가 생성된 파장 편광 필터이며, 상기 광원부는, 광원; 상기 광원에서 제공되는 적외선 광의 경로를 변경하는 미러; 상기 미러에서 반사되는 적외선 광을 상기 시료로 집광하는 대물 렌즈; 및 상기 광원과 상기 대물 렌즈의 사이 구간에서 상기 적외선 광의 경로 상에 위치하는 파장 편광 필터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도 측정 회로는 상기 탐침의 온도 변화로 발열하는 저항부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탐침의 재질은 금을 포함하고, 상기 저항부의 재질은 바나듐을 포함하고, 상기 탐침의 표면에 소정 패턴으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 탐침은 도전체로 제공되고, 상기 저항부는 상기 탐침의 표면에 제공되는 유전체층; 및 상기 유전체층의 표면에 소정 패턴으로 제공되는 도전체층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탐침은 이산화 규소로 제공되는 바디; 및 상기 바디의 표면에 코팅된 제1도전체층을 포함하고, 상기 저항부는 상기 제1도전체층의 표면에 코팅되는 제1질화규소층; 상기 제1질화규소층의 표면에 코팅되는 크롬층; 상기 크롬층의 표면에 코팅되는 제2질화규소층; 및 상기 제2질화규소층에 코팅되는 제2도전체층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 캔틸레버에 근적외선 레이저 광을 조사하는 제2광원부; 및 상기 켄틸레버에서 반사된 상기 근적외선 레이저 광을 검출하는 위치 검출기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탐침의 표면은 그래핀 층으로 코팅될 수 있다.
본 발명은 캔틸레버에서 반사된 근적외선 레이저 광을 검출하여 시료 표면의 형상 정보 이미지를 생성하고, 시료를 투과한 적외선 광에 의한 탐침의 온도 변화를 측정하여 시료 표면의 전기장 분포 이미지를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 탐침과 온도 측정 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캔틸레버, 탐침, 그리고 저항부의 저면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침과 저항부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침과 저항부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전기장 분포 분석 장치로 측정하고자 하는 시료를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기장 분포 분석 장치로 도 3의 파장 편광 필터를 측정한 형상 정보 이미지(A)와 전기장 분포 이미지(B)를 나타내는 도면이다.
도 8은 적외선 광이 시료를 투과하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치를 나타내는 도면이다.
도 11은 파장 편광 필터의 편광 방향과 그에 따라 측정된 전기장 분포 이미지를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 탐침과 온도 측정 회로를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치(100)는 스테이지(110), 스테이지 이동부(120), 제1광원부(130), 탐침(140), 캔틸레버(150), 온도 측정 회로(160), 제2광원부(170), 위치 검출부(180), 그리고 이미지 생성부(190)를 포함한다.
스테이지(110)는 시료(10)를 지지한다. 스테이지(110)에는 광 투과홀(111)이 형성되며, 시료(10)는 광 투과홀(111)의 경로 상에 놓인다. 시료(10)가 광 투과홀(111)보다 작은 사이즈로 제공되는 경우, 스테이지(110)의 상면에는 시료(10)를 지지하기 위한 기판(20)이 놓일 수 있다.
스테이지 이동부(120)는 스테이지(110)를 X축과 Y축 방향으로 직선 이동시킨다.
제1광원부(130)는 광 투과홀(111) 상으로 적외선 광(IR1)을 조사한다. 제1광원부(130)는 광원(131), 미러(132, 133), 그리고 대물 렌즈(134)를 포함한다. 광원(131)은 적외선 광(IR1)을 조사한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 광원(131)에는 광학 필터가 제공될 수 있으며, 광학 필터는 광원(131)에서 발생되는 자외선 및 가시광선 파장 영역의 광을 제거한다.
미러(132, 133)는 광원(131)에서 제공되는 적외선 광(IR1)의 경로를 시료(10) 측으로 변경한다. 미러(132, 133)는 적외선 광(IR1)의 경로에 따라 복수 개 제공될 수 있다.
대물 렌즈(134)는 미러(132, 133)를 통해 제공된 적외선 광(IR1)을 시료(110)에 집광한다.
탐침(140)은 스테이지(110)의 상부에 위치하며, 그 끝단이 시료(10)의 상면과 접촉한다.
캔틸레버(150)는 탐침(140)을 지지한다. 캔틸레버(150)는 소정 길이를 가지며, 그 선단 하부에 탐침(140)이 제공된다. 캔틸레버(150)은 탐침 구동부(미도시)의 구동으로, Z축 방향으로 이동할 수 있다.
온도 측정 회로(160)는 탐침(140)의 온도 변화를 측정한다. 온도 측정 회로(160)는 저항부(161)을 포함한다. 저항부(161) 저항부(161)은 탐침(140)과 함께 온도가 변하며, 온도 측정 회로(160)는 저항부(161)의 온도 변화를 통해 탐침(140)의 온도를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캔틸레버, 탐침, 그리고 저항부의 저면을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 저항부(161)는 캔틸레버(150) 및 탐침(140)과 전도도가 상이한 재질로 제공되며, 캔털레버(150) 및 탐침(140)의 저면에 소정 패턴으로 제공될 수 있다. 실시 예에 의하면, 저항부(161)는 캔틸레버(150)의 길이 방향을 따라 서로 나란하게 제공되며, 탐침(140)의 끝단으로 제공될 수 있다. 캔틸레버(150) 및 탐침(140)의 재질은 금(Au)을 포함하고, 저항부(161)의 재질은 바나듐(V)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침과 저항부를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 탐침(140)은 도전체로 제공되고, 저항부(161)는 유전체층(162)과 도전체층(163)을 포함한다. 유전체층(162)은 탐침(140)의 표면에 제공되고, 도전체층(163)은 유전체층(162)의 표면에 소정 패턴으로 제공될 수 있다. 도전체층(163)은 도 3에서 설명한 저항부(161)와 동일한 패턴으로 제공될 수 있다. 도전체층(163)은 탐침(140)과 전도도가 상이한 재질로 제공된다. 실시 예에 의하면, 탐침(140)의 재질은 금(Au)을 포함하고, 도전체층(163)의 재질은 바나듐(V)을 포함할 수 있다. 온도 측정 회로(160)는 탐침(140)과 도전체층(163)의 온도 차이로부터 전기적 신호를 생성한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침과 저항부를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 탐침(140)은 이산화규소(SiO2)로 제공되는 바디(141) 표면에 제1도전체층(142)이 코팅된 구조로 제공되고, 저항부(161)는 유전체층(162)과 제2도전체층(166)을 포함한다. 유전체층(162)은 제1도전체층(142)의 표면에 코팅된다. 유전체층(162)은 제1질화규소층(163), 크롬층(164), 그리고 제2질화규소층(164)이 순차적으로 적층된 구조로 제공된다. 제2도전체층(166)은 유전체층(162)에 코팅된다. 제1도전체층(142)과 제2도전체층(166)의 성분은 금을 포함할 수 있다. 온도 측정 회로(160)는 제1도전체층(142)과 제2도전체층(166)의 온도 차이로부터 전기적 신호를 생성한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2광원부(170)는 캔틸레버(150)로 근적외선 레이저 광(IR2)을 조사한다. 제2광원부(170)는 제1광원부(130)보다 낮은 출력으로 레이저 광(IR2)을 조사한다.
위치 검출부(180)는 캔틸레버(150)에서 반사된 근적외선 레이저 광(IR2)을 검출한다. 위치 검출기(180)는 근적외선 레이저 광(IR2)을 검출할 수 있는 포토 다이오드로 제공될 수 있다.
이미지 생성부(190)는 위치 검출기(180)에서 검출된 근적외선 레이저 광(IR2)의 분석을 통해 시료(10) 표면의 형상 정보 이미지를 생성한다. 그리고 이미지 생성부(190)는 온도 측정 회로(160)에서 측정된 온도 정보를 이용하여 시료(10)의 전기장 분포 이미지를 생성한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전기장 분포 분석 장치로 측정하고자 하는 시료를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 시료(10)는 다양하게 제공될 수 있다. 시료(10)는 적외선 파장 영역을 투과할 수 있는 기판(11) 상에 적외선 파장이 투과하지 못하는 금속 패턴(12)이 형성된 구조로 제공될 수 있다. 일 예에 의하면, 시료(10)는 1,000nm이상의 적외선 파장 영역을 투과할 수 있는 실리콘 기판(11) 상에 금속 패턴(12)이 생성된 구조로 제공될 수 있다. 시료(10)는 파장 편광 필터가 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기장 분포 분석 장치로 도 3의 파장 편광 필터를 측정한 형상 정보 이미지(A)와 전기장 분포 이미지(B)를 나타내는 도면이고, 도 8은 적외선 광이 시료를 투과하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 형상 정보 이미지(A)에는 시료(10) 표면의 영역에 따른 높이(Height) 정보가 확인된다. 형상 정보 이미지(A)에는 금속 패턴이 높게 기판 표면이 낮게, 그리고 패턴과 기판 표면이 단차 지게 표시된다.
그리고 전기장 분포 이미지(B)에는 시료(10) 표면의 영역에 따라 온도 차이를 확인할 수 있다. 적외선 광은 시료(10)의 영역에 따라 시료(10)를 투과하거나, 시료(10)에 반사 또는 흡수된다. 도 8을 참조하면, 도 2에서 설명한 시료의 경우, 금속 패턴(12)이 형성된 영역에서는 적외선 광(IR)이 반사 또는 흡수되고(IR3), 금속 패턴(12)의 사이 영역은 적외선 광(IR)이 투과된다(IR4).
시료(10)를 투과한 적외선 광은 광열 효과에 의해 탐침(140)을 가열한다. 때문에, 전기장 분포 이미지에서 적외선 광이 투과된 영역은 높은 온도로 표시된다. 이러한 전기장 분포 이미지는 기존의 적외선 카메라를 사용하지 않고 시료의 적외선 투과 이미지로 활용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탐침을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 탐침(140)의 표면에는 그래핀 층(141)이 코팅된다. 그래핀 층(141)은 광열 효과의 발생 효율을 높여, 탐침(140)의 온도 민감도를 개선시킨다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1광원부(130)는 파장 편광 필터(135)를 더 포함한다. 파장 편광 필터(135)는 광원(131)과 대물 렌즈(134)의 사이 구간에서 적외선 광(IR1)의 경로 상에 위치한다. 파장 편광 필터(135)를 통과한 적외선 광(IR1)은 기 설정된 방향으로 편광되어 시료(10)에 제공된다. 시료(10)의 금속 패턴(12) 방향이 적외선 광(IR1)의 편광 방향과 일치하면, 적외선 광(IR1)은 흡수 또는 반사된다. 반면, 시료(10)의 금속 패턴(12) 방향이 적외선 광(IR1)의 편광 방향에 수직하면, 적외선 광(IR1)은 시료(10)를 투과한다.
도 11은 파장 편광 필터의 편광 방향과 그에 따라 측정된 전기장 분포 이미지를 나타내는 도면이다.
도 11에서, OFF 영역은 적외선 광(IR1)을 조사하지 않은 상태에서 측정한 시료의 이미지를 나타내고, ↔ 영역은 적외선 광(IR1)을 조사한 상태에서 수평 방향의 파장 편광 필터(135)를 이용하여 측정한 시료(10)의 이미지를 나타내고, ↕ 영역은 적외선 광(IR1)을 조사한 상태에서 수직 방향의 파장 편광 필터(135)를 이용하여 측정한 시료(10)의 이미지를 나타내고, Un-pol 영역은 적외선 광(IR1)을 조사한 상태에서 파장 편광 필터(135)를 이용하지 않고 측정한 시료(10)의 이미지를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 파장 편광 필터(135)의 사용 여부와 파장 편광 필터(135)의 편광 방향에 따라 적외선 광(IR1)의 투과 여부 및 투과 정도가 달라진다. 적외선 광(IR1)의 특성은 전기장 특성과 동일하게 나타나므로, 상기 측정 이미지를 통해 시료의 전기장 분포 특성을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치
110: 스테이지
120: 스테이지 이동부
130: 제1광원부
140: 탐침
150: 캔틸레버
160: 온도 측정 회로
170: 제2광원부
180: 위치 검출부
190: 이미지 생성부

Claims (8)

  1. 광 투과홀이 형성되며, 상기 광 투과홀 상에 시료가 놓이는 스테이지;
    상기 스테이지의 하부에서 상기 시료를 향해 적외선 광을 조사하는 광원부;
    상기 시료의 상면과 접촉하는 탐침;
    상기 탐침을 지지하는 캔틸레버; 및
    상기 시료를 투과한 적외선 광에 의한 광열 효과로 인한 상기 탐침의 온도 변화를 측정하는 온도 측정 회로를 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료는 상기 적외선 광이 투과할 수 있는 실리콘 기판 위에 금속 격자 구조가 생성된 파장 편광 필터며,
    상기 광원부는,
    광원;
    상기 광원에서 제공되는 적외선 광의 경로를 변경하는 미러;
    상기 미러에서 반사되는 적외선 광을 상기 시료로 집광하는 대물 렌즈; 및
    상기 광원과 상기 대물 렌즈의 사이 구간에서 상기 적외선 광의 경로 상에 위치하는 파장 편광 필터를 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 측정 회로는 상기 탐침의 온도 변화로 발열하는 저항부를 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탐침의 재질은 금을 포함하고,
    상기 저항부의 재질은 바나듐을 포함하고, 상기 탐침의 표면에 소정 패턴으로 제공되는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 탐침은 도전체로 제공되고,
    상기 저항부는
    상기 탐침의 표면에 제공되는 유전체층; 및
    상기 유전체층의 표면에 소정 패턴으로 제공되는 도전체층을 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 탐침은
    이산화 규소로 제공되는 바디; 및
    상기 바디의 표면에 코팅된 제1도전체층을 포함하고,
    상기 저항부는
    상기 제1도전체층의 표면에 코팅되는 제1질화규소층;
    상기 제1질화규소층의 표면에 코팅되는 크롬층;
    상기 크롬층의 표면에 코팅되는 제2질화규소층; 및
    상기 제2질화규소층에 코팅되는 제2도전체층을 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버에 근적외선 레이저 광을 조사하는 제2광원부; 및
    상기 켄틸레버에서 반사된 상기 근적외선 레이저 광을 검출하는 위치 검출기를 더 포함하는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침의 표면은 그래핀 층으로 코팅되는 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치.
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