KR100496457B1

KR100496457B1 - Head of atomic force microscope

Info

Publication number: KR100496457B1
Application number: KR10-2003-0026101A
Authority: KR
Inventors: 국양; 이진환; 이성준; 김성헌; 서정필; 박용대
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2005-06-23
Also published as: KR20040092608A

Abstract

본 발명은 SPM(Scanning Probe Microscope)장치의 레이저와 PSPD(position sensitive photodiode detector)사이의 정렬에 관한 장치의 구조 및 방법에 관한 것으로서, 시편 표면의 기울기에 따라 PSPD 신호의 기준값이 변하는 현상을 없앰으로써 높은 분해능을 가능하게 하는 장비의 구조적인 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure and method for the alignment between a laser of a scanning probe microscope (SPM) device and a position sensitive photodiode detector (PSPD). The present invention is directed to eliminating a phenomenon in which a reference value of a PSPD signal changes according to a slope of a specimen surface. A structural method of equipment that enables high resolution.

이를 위해 본 발명은 기존의 레이저 반사거울의 기하학적인 배치 및 방법을 기존의 방법(고정거울1개, 움직거울1개)과는 다르게 변형하여 2개의 거울이 동시에 움직이면서 평행상태를 유지시키는 구조로 변경함으로써, PSPD에 조정되어진 신호의 기준값이 시편의 모양이나 기울어진 정도와는 무관하게 유지되는 것을 특징으로 한다.To this end, the present invention changes the geometric arrangement and method of the conventional laser reflection mirror to a structure that maintains parallel state while moving two mirrors at the same time unlike the conventional method (one fixed mirror, one moving mirror) As a result, the reference value of the signal adjusted to the PSPD is maintained irrespective of the shape of the specimen or the degree of inclination.

Description

Atomic Microscope Head {HEAD OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE}

본 발명은 원자 현미경의 헤드에 관한 것으로서, 일반적으로 원자 현미경은 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자사이의 간격에 존재하는 인력과 척력의 특성을 이용하여, 탐침의 휨을 측정함으로써 원자크기 수준으로 된 표면영상을 제공한다.The present invention relates to the head of an atomic force microscope. In general, an atomic force microscope is used to measure the deflection of the probe by using the characteristics of attraction and repulsive force in the gap between the tip of the probe and the atom on the sample surface. Provide surface image.

탐침과 표면사이에 걸리는 힘을 감지하는 원자 현미경으로는, 원자와 원자를 원자 1,2개 크기 정도로 가까이 접근시켰을 때 원자 사이에서 나타나는 힘을 이용하는 스캐닝 프로브 현미경(SPM)을 들 수 있는데, 이런 SPM의 예로 탐침과 측정 시료 표면사이에 작용하는 원자간의 힘을 감지해서 표면을 분석하는 원자 현미경(AFM), 표면의 전하와 탐침 공급전하 사이에 작용하는 정전기력을 이용하여 표면의 전하분포를 감지하는 정전기력 현미경(EFM) 또는 탐침을 자화시켜 시료 표면의 자기적 특성을 감지하는 자기력 현미경(MFM) 등이 있으며 표면과 측정시료 사이에 작용하는 힘을 감지하고 이를 통해 그 표면의 형상을 측정하게 된다. An atomic microscope that detects the force between the probe and the surface is the Scanning Probe Microscope (SPM), which uses the force that appears between atoms when they are brought closer to the size of one or two atoms. Examples are atomic force microscopy (AFM), which analyzes the surface by detecting the force between atoms acting between the probe and the sample surface, and electrostatic force, which detects the charge distribution on the surface using electrostatic forces acting between the surface charge and the probe supply charge. There is a magnetic force microscope (MFM) that magnetizes the microscope (EFM) or the probe to detect the magnetic properties of the sample surface, and detects the force acting between the surface and the sample to measure the shape of the surface.

AFM에서는 캔틸레버라는 길이 약 100마이크로 미터, 폭 10 마이크로 미터, 두께 1마이크로 미터의 아주 작고 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지는 작은 막대를 사용한다. 이 캔틸레버의 끝 부분에는 뾰족한 바늘이 달려 있으며 이 바늘의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 인력이나 척력이 작용하게 된다. 척력이 작용하게 되는 경우에 그 힘의 크기는 1-10 nN 정도로 아주 미세하지만, 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해서 휘어지게 되는데, 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드를 사용하여 측정한다. 이렇게 하면 바늘 끝이 0.01nm정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다. 이때 바늘 끝의 움직임을 구동기에 피드백하여 캔틸레버의 휘는 정도를 일정하게 유지시키면 탐침 끝과 시료사이의 간격도 일정해지므로 이를 이용해서 시료의 표면의 형상을 측정해낼 수 있다. AFM uses a small bar that can be bent up and down easily by very small and minute forces of about 100 micrometers in length, 10 micrometers in width and 1 micrometer in thickness. The tip of the cantilever has a pointed needle that is very sharp, about the size of a few atoms. When the probe approaches the sample surface, the attraction or repulsive force acts on the gap between the atoms at the tip of the probe and the atoms at the sample surface. When the repulsive force is applied, the magnitude of the force is very small (1-10 nN), but the cantilever is also very sensitive and is bent by the force. To measure the cantilever's bending up and down, the laser beam is projected on the cantilever. The angle of the light reflected from the top of the cantilever is measured using a photodiode. This allows you to measure the fine movement of the needle tip to about 0.01 nm. At this time, if the bend of the cantilever is kept constant by feeding back the movement of the tip of the needle to the driver, the distance between the tip of the probe and the sample is also constant, and thus the shape of the surface of the sample can be measured.

이러한 작업을 서로 직각을 이루는 세개의 방향으로 행하게 되는데, 종래에는 3차원 스캐닝을 위하여 x,y,z 방향 스캐너가 모두 한 몸체에 고정되는 것을 사용하여 왔다. 그런데 이것은 세 방향의 스캐너가 한데 묶여 움직이기 때문에 다른 두 개의 축으로부터 한 개의 축 방향으로는 독립적으로 움직일 수가 없어 비선형성과 누화(crosstalk)가 발생하는 문제점이 있었다.This operation is performed in three directions perpendicular to each other. Conventionally, x, y, and z scanners have been fixed to one body for three-dimensional scanning. However, this is because the scanners in three directions are tied together and cannot move independently from one of the other two axes in one axis direction, resulting in nonlinearity and crosstalk.

또한, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 z방향 스캐너를 x-y 방향 스캐너로부터 분리한 스캐너도 도입되었는데, 이러한 스캐너는 z방향에 관계없이 x-y방향으로 샘플의 스캔이 가능하므로 작은 샘플뿐 아니라 큰 샘플도 얼마든지 스캔이 가능하고 왜곡이 없는 스캐닝이 가능하게 되었다. 또한 분리된 z스캐너가 구동하는 질량을 줄이기 위해서 z스캐너는 캔틸레버와 검출기만을 움직이고 레이저와 레이저빔 정렬 시스템 구조는 다른 프레임에 고정되게 제작되었다. 그런데 이 경우 캔틸레버를 교체하거나 하는 경우등에 있어서, 1차 움직거울을 사용하여 검출기의 중앙에 레이저광을 고정시키려고 하면 항상 평행하게 있어야 하는 1차 움직거울과 2차 고정 거울이 항상 처음과 다른 약간의 벌어진 각을 가지게 되고, 이러한 각의 크기에 따라서 항상 고정되어져 있어야 하는 기준 신호 값이 스캔을 하는 동안 시편의 기울기나 표면의 상태에 따라 변하게 되어 기준값의 변형을 가져오는 문제점이 있었다. 이러한 역되먹임의 기준값의 변형은 수 나노 크기로 z방향에 높이 오차를 가지게 함으로써 시료표면과 탐침사이에서 실제로 느끼는 힘이 아닌 오차에 의한 힘을 스캐너가 느끼게 됨으로써 예측할 수 없는 영상을 구현하게 되는 문제점이 있었다.In addition, in order to solve the above problems, a scanner in which the z-direction scanner is separated from the xy-direction scanner has been introduced. Since such a scanner can scan a sample in the xy direction regardless of the z-direction, not only a small sample but also a large sample You can scan as much as you want and scan without distortion. In addition, to reduce the mass driven by the separate z scanner, the z scanner only moves the cantilever and detector, and the laser and laser beam alignment system structure is fixed to another frame. In this case, however, if the cantilever needs to be replaced, the first moving mirror and the second fixed mirror, which must always be parallel when the laser beam is fixed to the center of the detector, are always slightly different from the first one. There is a problem in that the reference signal value, which has an open angle, and which is always fixed according to the magnitude of the angle, changes depending on the inclination of the specimen or the state of the surface during scanning, resulting in a deformation of the reference value. The variation of the reference value of the inverse feedback has a problem of realizing an unpredictable image by causing the scanner to sense the force caused by the error, not the force actually felt between the sample surface and the probe by having a height error in the z direction at several nanoscales. there was.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서, x,y,z 방향의 스캔에 비선형성이 존재하지 않는 스캐닝을 제공하면서도 거울의 움직임이나 시료의 기울어진 정도 등에서 오는 기본적인 신호의 변형을 완전히 없애는 기하학적인 구조와 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a scanning without nonlinearity in the scan in the x, y, and z directions, while completely eliminating the deformation of the basic signal resulting from the mirror movement or the degree of inclination of the sample. It is an object to provide a geometric structure and method.

상기한 바와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명은, 원자 현미경 헤드를 제공하는데, 상기 원자 현미경 헤드는, In order to achieve the above object, the present invention provides an atomic microscope head, the atomic microscope head,

레이저광을 생성하는 레이저광원과;A laser light source for generating laser light;

상기 레이저광원으로부터 나온 빛의 방향을 굴절시키는 프리즘과;A prism that refracts the direction of light emitted from the laser light source;

측정하는 시료의 표면 굴곡에 연동하는 탐침을 가지며, 상기 굴절된 빛이 안착하고, 상기 안착된 빛을 반사하는 캔틸레버와;A cantilever having a probe interlocked with surface curvature of a sample to be measured, wherein the refracted light is seated and reflects the seated light;

상기 캔틸레버로부터 반사된 빛을 반사하는 한 개 이상의 거울과;At least one mirror reflecting light reflected from the cantilever;

상기 거울로부터 반사되어 오는 빛의 각도를 측정하여 상기 캔틸레버의 휘는 정도를 측정하기 위한 검출기와;A detector for measuring a degree of bending of the cantilever by measuring an angle of light reflected from the mirror;

상기 빛이 캔틸레버에 수렴하는 수렴 위치를 조정하기 위한 레이저 조정 바와;A laser adjustment bar for adjusting the convergence position at which the light converges on the cantilever;

상기 거울의 위치를 조정하기 위한 거울 조정 바와;A mirror adjustment bar for adjusting the position of the mirror;

서로에 대해 수직인 세 방향으로 스캔하면서 발생하는, 상기 캔틸레버와 시료표면의 원자사이의 힘의 변화에 의해 캔틸레버가 휘는 정도를 측정하여 상기 검출기에서 정해진 초기 기준 신호값과의 차이를 역되먹임을 하여 상기 캔틸레버의 미소변화에 대한 보정을 하는 스캐너를 포함하는 원자 현미경 헤드에 있어서,By measuring the degree of warp of the cantilever due to the change in force between the cantilever and the atoms on the sample surface, which are generated by scanning in three directions perpendicular to each other, the feedback from the initial reference signal determined by the detector is reversed. In the atomic microscope head including a scanner for correcting the small change of the cantilever,

상기 스캐너중 한 방향 스캐너는 서로 수직인 다른 두 방향 스캐너로부터 분리되어 있고,One of the scanners is separated from the other two scanners perpendicular to each other,

상기 거울들은 항상 평행을 이루도록 고정되어 함께 연동하여 움직이는 것을 특징으로 하는 원자 현미경 헤드를 제공한다.The mirrors provide an atomic microscope head characterized in that they are always fixed in parallel and move together in conjunction.

상기 원자 현미경 헤드에서, 상기 레이저 조정 바는 서로 수직인 세 개의 방향으로 조정이 가능한 것일 수 있다. 기존의 원자 현미경에서는 x-y방향 조정바만 구비하고 있어서, z방향으로의 조정에는 원자현미경을 분리하고 조정해야 하는 등의 어려움이 있었으나 본 발명에 따르는 장치는 z 방향으로의 조정도 용이하다.In the atomic microscope head, the laser adjustment bar may be adjustable in three directions perpendicular to each other. In the conventional atomic force microscope, only the x-y direction adjustment bar is provided. However, the adjustment of the direction in the z direction has to be performed by separating and adjusting the atomic microscope, but the device according to the present invention is also easy to adjust in the z direction.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 거울은 2개일 수 있다. 특별한 경우에 3개 이상이 거울이 사용될 수도 있으나 2개의 거울의 사용이 가장 일반적이다.The mirror in the atomic microscope head may be two. In special cases three or more mirrors may be used, but the use of two mirrors is the most common.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 분리된 스캐너는 캔틸레버 및 검출기와 결합되어 있으며 함께 구동될 수 있다. 서로 수직인 세 방향중 한 방향의 스캐너를 분리시켜 구동시키으로서 세방향의 스캐너가 함께 구동될 때 발생하는 비선형성을 제거 할 수 있으며, 분리된 스캐너에는 비교적 중량이 적게 나가는 검출기, 캔틸레버등을 결합시킴으로써 구동이 용이하다.The separated scanner in the atomic microscope head is coupled to the cantilever and detector and can be driven together. By separating and driving the scanners in one of the three directions perpendicular to each other, the nonlinearity that occurs when the scanners in the three directions are driven together can be eliminated.The separated scanners combine detectors and cantilevers that are relatively light in weight. This makes driving easy.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 두 개의 거울은 크기가 다른 것 일 수 있다. 상기 거울중 검출기를 향해 마지막으로 반사되는 거울의 크기를 더 크게 함으로써 그 이전 거울에서 반사되는 빛의 반사각도가 벌어지는 경우에도 반사가 가능하다.The two mirrors in the atomic microscope head may be of different sizes. By increasing the size of the mirror that is finally reflected toward the detector among the mirrors, reflection is possible even when the angle of reflection of the light reflected from the previous mirror is expanded.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 캔틸레버는 탈착이 가능한 것일 수 있다. 캔틸레버를 탈착가능하게 함으로써 캔틸레버를 교환하여 MFM으로의 사용도 가능하다.The cantilever may be detachable from the atomic microscope head. By making the cantilever detachable, the cantilever can be exchanged for use in the MFM.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 캔틸레버의 탈착은 자석에 의해 탈착이 가능한 것 일 수 있다. 캔틸레버의 탈착을 용이하게 하기 위해 자석식으로 탈착이 가능하게 할 수 있다.Desorption of the cantilever from the atomic microscope head may be detachable by a magnet. In order to facilitate the detachment of the cantilever, the detachment may be made magnetically.

상기 원자 현미경 헤드에서 상기 캔틸레버에서 팁의 탈착은 나사등에 의해 조이는 방법으로 탈착이 가능한 것일 수도 있다. 나사에 의해 아래에서부터 조이는 방법으로 함으로써 상대적으로 공간의 여유가 많은 아래쪽에서 팁을 탈착 시킴으로써 탈착이 용이하다. 특히 도5와 같이 원자 현미경에서 현미경 헤드가 접히는 식의 구조를 갖는 경우 현미경 헤드를 위쪽으로 접어놓고 팁을 탈 부착 시킬 수 있기 때문에 팁의 탈착/부착이 더 용이하다. 이것은 캔틸레버 자체를 탈착/부착하는 경우에도 동일하게 적용된다.The detachable tip of the cantilever from the atomic microscope head may be detachable by a screw or the like. By screwing from the bottom, it is easy to detach by removing the tip from the bottom where there is a relatively large space. In particular, in the case of a structure in which the microscope head is folded in an atomic microscope as shown in Figure 5, it is easier to detach / attach the tip because the microscope head can be folded up and detached from the tip. The same applies to the case of detaching / attaching the cantilever itself.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자 현미경 헤드(10)의 사시도이다.1 is a perspective view of an atomic force microscope head 10 according to an embodiment of the present invention.

상기 헤드는 레이저광원(12)과 z스캐너, 검출기(16), 거울(15), 캔틸레버(14), 거울 조정바(13), 레이저 조정 바(11) 등으로 구성된다. 레이저 광원(12)에서 나온 빛은 프리즘을 통해서 캔틸레버(14) 위에서 거울(15)로 반사되고 거울들(15)의 연속적인 반사에 의해 빛은 검출기(16)의 중앙에 조정되고 이때의 값을 적당한 기준신호 값으로 하여 스캐닝을 하게 된다. 이때, x-y스캐너는 x-y스캔 제어기에 의해서 구동되고, 캔틸레버(14)에 비춰지는 레이저광선이 반사되는 각도를 검출기에서 측정하게 된다. 이렇게 하면 약 0.01nm정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있는데 바늘 끝의 움직임을 초기에 정해진 기준 신호값과 비교하여 z스캐너를 움직여 캔틸레버(14)가 일정하게 휘도록 유지시켜 탐침 끝과 시료사이의 간격을 일정하게 하여 시료의 형상을 측정하게 된다.The head is composed of a laser light source 12, a z scanner, a detector 16, a mirror 15, a cantilever 14, a mirror adjustment bar 13, a laser adjustment bar 11 and the like. Light from the laser light source 12 is reflected through the prism onto the mirror 15 on the cantilever 14 and by the continuous reflection of the mirrors 15 the light is adjusted to the center of the detector 16 and the value is Scanning is performed with the appropriate reference signal values. At this time, the x-y scanner is driven by the x-y scan controller, and the detector measures the angle at which the laser beam reflected by the cantilever 14 is reflected. In this way, it is possible to measure even minute movements of about 0.01 nm. The movement of the tip of the needle is compared with the initial reference signal value, and the z-scanner is moved to keep the cantilever 14 bent constantly. The shape of the sample is measured at regular intervals.

종래에 x,y,z 스캐너가 일체형으로 제작된 원자현미경의 경우에, 스캐너의 움직임이 한 방향은 나머지 방향에 대해 독립적이지 못하게 되어 비선형성의 문제가 생겼지만, 본 발명에 따른 실시예에서는 x-y 스캐너와 z스캐너를 분리시켜 동작시킴으로써 상기한 것과 같은 비선형성의 문제를 해결할 수 있다. 본 발명과 같이 x-y 스캐너와 z스캐너를 분리시킨 원자 현미경도 종래에 있었지만, 초기에 기준 신호 값을 정해놓은 후에 거울의 위치가 여하한 이유에 의해 작은 변화라도 일어나게 되면 반사되는 각도가 달라져 검출기에 도달하는 위치가 달라지게 되고, 이것에 의해 역되먹임 값에서 변형이 일어나고 z 방향으로 오차가 생기게 되어 실제와는 다른 영상을 얻게 되었지만 본 발명에 따르는 장치는 도면에 도시된 바와 같이 거울이 항상 평행한 상태를 유지하면서 같이 움직이도록 함으로써 거울의 예기치 않은 위치변화에 의한 오차의 가능성을 줄였다.Conventionally, in the case of an atomic force microscope in which an x, y, z scanner is integrally manufactured, one direction of movement of the scanner becomes independent of the other direction, resulting in a problem of nonlinearity, but in the embodiment according to the present invention, the xy scanner By operating the and z-scanner separately, the problem of nonlinearity as described above can be solved. Although atomic microscopes in which xy scanners and z scanners are separated as in the present invention have conventionally existed, even after the initial setting of the reference signal value, even if a small change occurs due to the mirror position for any reason, the reflected angle changes to reach the detector. This results in a different position, which causes deformation in the inverse feedback value and an error in the z direction, resulting in an image different from the actual one, but the device according to the present invention has a state in which mirrors are always parallel as shown in the drawing. By keeping them together, they reduce the likelihood of errors due to unexpected changes in the mirror's position.

본 실시예에서 검출기(16)는 PSPD(photo sensitive photo diode)를 사용하는데 PSPD는 4개의 셀로 되어 있고 레이저의 위치 변화 변위를 정확하게 감지하도록 되어 있다.In this embodiment, the detector 16 uses a photo sensitive photo diode (PSPD), which consists of four cells and is adapted to accurately detect the position change displacement of the laser.

또한, 상기한 도면에서 보이듯이 캔틸레버(14)와 검출기(16)는 z스캐너에 의해서 함께 구동된다. 이렇게 함으로써 z서보가 구동해야 하는 질량을 줄여서 z서보 대역폭(z servo bandwidth)을 줄일 수 있다. 또한 캔틸레버(14)를 포함하는 부분은 z스캐너로부터 탈착이 가능하다. 따라서 캔틸레버(14)를 교체하여 자성체를 입힌 탐침을 사용하여 시료의 자기적 성질을 알아내는데 쓰일 수도 있다. 이때 탐침을 코팅하는 자성체로는 코발트, 크롬, 니켈등이 사용될 수 있다. 캔틸레버(14)는 원자간력과 자기력에 의해 동시에 영향을 받는데 이 두가지 힘의 성질이 다르기 때문에 구별이 가능하다, 즉, 원자간력은 시료가까이에서만 크게 작용하지만 자기력은 멀리까지 작용한다. 따라서 시료 가까이에서 작용력의 크기를 측정하면 토포그래피(topography) 영상이 얻어지고 멀리 떨어져서 측정하면 자기 분포도가 얻어진다. 이러한 방식으로 시료의 자기적 성질을 알아내는 데 쓰일 수 있다.Also, as shown in the above figure, the cantilever 14 and the detector 16 are driven together by the z scanner. This reduces the z servo bandwidth by reducing the mass the z servo needs to drive. In addition, the portion including the cantilever 14 can be detached from the z scanner. Therefore, the cantilever 14 may be replaced and used to determine the magnetic property of the sample by using a magnetically coated probe. In this case, as the magnetic material for coating the probe, cobalt, chromium, nickel, or the like may be used. The cantilever 14 is simultaneously influenced by the atomic force and the magnetic force, and can be distinguished because the two forces have different properties, that is, the atomic force works largely near the sample but the magnetic force works far. Therefore, a topography image is obtained by measuring the magnitude of the force near the sample, and a magnetic distribution is obtained by measuring the distance from a distance. In this way it can be used to determine the magnetic properties of the sample.

캔틸레버(14)를 포함하는 부분을 결합하는 방식은 클립 방식 또는 자석 방식이 사용되어 질 수 있다. 같은 방식으로 MFM이 아닌 EFM으로의 사용도 가능하다.The method of joining the part including the cantilever 14 may be a clip method or a magnet method. In the same way, it is possible to use EFM instead of MFM.

도2는 본 발명에 따른 원자 현미경 헤드(10)의 다른 실시예를 도시하는 도면이다. 도2는 본 발명에 따른 원자 현미경 헤드(10)를 위쪽에서 본 사시도 이다. 레이저 조정 바(11)가 3개인 것을 볼 수 있는데 서로 수직인 세 개의 방향으로의 조정이 가능하다. 종래의 레이저 조정 바(11)는 거울의 위치를 x-y 방향으로만 조정이 가능하였으나 본 발명에 따르는 실시예에서는 서로 수직인 세 개의 방향으로도 조정이 가능하여 z방향으로도 조정이 가능하다. 이렇게 함으로써 레이저 광원(12)에서 나온 레이저가 캔틸레버(14)에 의해 반사될 때 반사되는 레이저의 스팟에서 레이저 광의 단면을 최소로 맞출 수 있는데, 종래의 제품은 초기에는 레이저가 스팟에 떨어지는 단면이 최적으로 맞춰져 나왔다고 하더라도 장비 노후등의 원인에 의해 그에 변화가 있는 경우 조절이 용이하지 않았으나 본 발명에 따른 장치에서는 서로 수직인 세 개의 방향으로의 조정도 가능하므로 레이저의 위치를 z방향으로 조정함으로써 스팟에 떨어지는 단면이 최적이 되도록 조정이 가능하다. 그러나 z방향의 레이저 조정 바(11)는 그 사용빈도가 적어 손잡이를 작게 제작한 것을 볼 수 있다.2 shows another embodiment of an atomic microscope head 10 according to the present invention. 2 is a perspective view from above of an atomic microscope head 10 according to the present invention. It can be seen that there are three laser adjustment bars 11, and adjustment in three directions perpendicular to each other is possible. Conventional laser adjustment bar 11 can adjust the position of the mirror only in the x-y direction, but in the embodiment according to the present invention can also be adjusted in three directions perpendicular to each other can also be adjusted in the z direction. This minimizes the cross-section of the laser light at the spot of the reflected laser when the laser exiting the laser light source 12 is reflected by the cantilever 14. The conventional product initially has an optimal cross-section where the laser falls to the spot. Even if it is set to, it is not easy to adjust when there is a change due to the cause of equipment obsolescence, but in the apparatus according to the present invention can be adjusted in three directions perpendicular to each other, so the position of the laser is adjusted in the z direction to the spot. It is possible to adjust so that the falling section is optimal. However, the laser adjustment bar 11 in the z-direction can be seen that the handle is made small because the frequency of use is small.

도3a,도3b, 도3c는 종래의 z스캐너가 분리된 원자현미경에서, 거울(15)들이 항상 평행을 이루고 움직이지 않는 경우에 어느 한쪽의 거울(15)의 위치 변이에 의해서 오차가 발생하는 것을 도시하는 도면이다. 도3의 a에 도시되듯이 거울이 평행을 이루고 있는 경우에는 문제가 없지만, 여하한 이유에 의해서 한쪽의 거울(15)이 약 1도 정도라도 어긋나게 되는 경우에는(도3의 b) 캔틸레버(14)로부터 반사되는 레이저가 검출기(16)에 도착되는 지점이 달라져서, 즉 기준 신호값이 변하게 되어 z스캐너가 이를 보정하기 위해 그만큼 아래로 이동하게 되는 것을 도시한다. 이 경우 양쪽 거울(15)간의 각도 차이 때문에 레이저가 검출기(16)에 도달하는 각도가 달라지게 되어 기준값에 변화가 오게 된다. 이경우엔, 실제 존재하지도 않는 힘을 스캐닝한 것과 같은 결과가 되어 표면 영상에 오차를 가져오게 된다. 도3의c는 이러한 과정을 도시한다. 도면에서 보듯이 z스캐너가 기준 신호값의 변화를 보정하기 위해 아래로 이동하게 된 경우 레이저가 검출기(16)에 도달하는 각도의 변화로 인해 검출기에서의 검출위치가 달라짐을 알 수 있다. 3A, 3B, and 3C show an error caused by the positional shift of one of the mirrors 15 when the mirrors 15 are always parallel and do not move in the atomic microscope in which the conventional z scanner is separated. It is a figure which shows that. There is no problem when the mirrors are parallel as shown in Fig. 3A. However, if one mirror 15 is displaced by about 1 degree for some reason (b in Fig. 3), the cantilever 14 The point at which the laser reflected from) arrives at the detector 16 is different, i.e., the reference signal value is changed so that the z scanner moves down that much to correct it. In this case, the angle at which the laser reaches the detector 16 is changed due to the difference in angle between the two mirrors 15, resulting in a change in the reference value. In this case, the result is a scan of a force that does not actually exist, resulting in an error in the surface image. 3c illustrates this process. As shown in the figure, when the z-scanner is moved downward to correct the change in the reference signal value, it can be seen that the detection position in the detector is changed due to the change in the angle at which the laser reaches the detector 16.

도4a, 도4b는 본 발명에 따르는 거울 구조를 갖는 원자 현미경 헤드(10)의 개략도를 도시한다. 도4a는 거울(15)이 연동하여 동시에 움직이는 경우를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이 거울(15)이 연동되기 때문에 어느 한쪽 거울(15)이 수평면과 이루는 각도만큼 다른 쪽 거울(15)도 수평면과 같은 각도를 갖게된다. 따라서 한쪽 거울(15)이 초기의 상태에서 벗어나 다른 각도를 갖게되면 다른 쪽 거울(15)도 같은 각도를 갖는다.4A and 4B show schematic views of an atomic microscope head 10 having a mirror structure according to the present invention. 4A shows a case in which the mirrors 15 move simultaneously with each other. As shown in the figure, since the mirror 15 is interlocked, the other mirror 15 has the same angle as the horizontal plane as much as the angle of one mirror 15 to the horizontal plane. Therefore, when one mirror 15 is out of the initial state and has a different angle, the other mirror 15 has the same angle.

도4b는 거울(15)이 초기의 각에서 1도 정도 기울어진 경우를 도시한다. 거울(15)이 초기의 각에서 1도 정도 차이가 나는 경우라도 두 개의 거울(15)이 일체로 되어 있기 때문에 거울(15)은 모두 같은 정도로 기울어져 평행을 이루게 된다. 또한 피드백 작용에 의해 캔틸레버(14)가 내려오더라도 캔틸레버(14)와 검출기(16)는 z스캐너에 부착되어 같이 움직이기 때문에 캔틸레버(14)가 내려온 만큼 검출기도 같이 내려오게 되고 또한 거울의 반사각도는 일정하므로 검출기(16)에 레이저가 도달하는 각도는 변함이 없고 따라서 검출기(16)에 도달하는 레이저의 위치는 변함이 없게된다. 따라서 초기에 설정된 기준값에 차이가 없게 됨을 볼 수 있다. 4B shows the case where the mirror 15 is inclined by about 1 degree from the initial angle. Even if the mirror 15 differs by about one degree from the initial angle, since the two mirrors 15 are integrated, the mirrors 15 are all inclined to the same degree and parallel to each other. In addition, even if the cantilever 14 descends by the feedback action, since the cantilever 14 and the detector 16 move together while being attached to the z scanner, the detector also descends as much as the cantilever 14 descends, and the reflection angle of the mirror is also lowered. Is constant so that the angle at which the laser reaches the detector 16 does not change and thus the position of the laser reaching the detector 16 does not change. Therefore, it can be seen that there is no difference in the initially set reference value.

도5는 본 발명에 따르는 원자 현미경 헤드(10)를 장착한 원자 현미경의 일실시예를 도시한다. 본 발명에 따르는 원자 현미경 헤드(10)가 접히는 방식으로 부착된 경우의 실시예이다. 본 발명에서처럼 캔틸레버(14)나 팁을 탈착가능하게 제작한 경우에 원자 현미경 헤드(10) 자체를 위쪽으로 접히는 방식으로 원자 현미경을 제작함으로써 그 탈착을 더욱 용이하게 할 수 있다. 이 경우 팁도 종래의 경우처럼 위쪽에서부터 조여서 고정시키는 방법이 아니라 아래에서부터 조여서 고정시키는 경우에는 그 탈착이 더욱 용이하게 된다.Figure 5 shows one embodiment of an atomic microscope equipped with an atomic microscope head 10 according to the present invention. An example is where the atomic microscope head 10 according to the invention is attached in a folded manner. When the cantilever 14 or the tip is detachably manufactured as in the present invention, the detachment can be made easier by manufacturing the atomic microscope by folding the atomic microscope head 10 itself upward. In this case, the tip is also tightened from the top, as in the case of the prior art, if not fixed by tightening from below it is more easily removable.

본 발명은 움직거울이 항상 평행이 되고 연동되어 움직이도록 장치하고 일 방향의 스캐너가 다른 두 개 방향의 스캐너로부터 분리되어 작동되게 함으로써 비선형성이 존재하지 않는 스캐닝을 제공하면서도 거울의 움직임이나 시료의 기울어진 정도 등에서 오는 오차를 제거한 원자 현미경헤드를 제공하게된다. The present invention provides a device in which the moving mirror is always parallel and interlocked, and the scanner in one direction is operated separately from the scanner in the other two directions, thereby providing scanning without the nonlinearity and tilting of the specimen or the tilt of the sample. It provides an atomic microscope head that eliminates errors from the degree of gin.

또한 서로 수직인 세 개의 방향으로 레이저를 조정 가능하게 함으로써 캔틸레버에 안착되는 레이저의 단면적을 용이하게 조정이 가능한 원자 현미경 헤드를 제공하게된다.In addition, by allowing the laser to be adjusted in three directions perpendicular to each other, it is possible to provide an atomic microscope head that can easily adjust the cross-sectional area of the laser seated on the cantilever.

도1은 본 발명에 따른 원자 현미경 헤드의 일실시예를 도시하는 도면.1 illustrates one embodiment of an atomic microscope head in accordance with the present invention.

도2는 본 발명에 따른 원자 현미경 헤드의 다른 실시예를 도시하는 도면2 shows another embodiment of an atomic microscope head according to the present invention;

도3a,도3b,도3c는 종래의 고정 거울과 움직거울이 평행을 이루지 않으면서 움직이는 경우에 오차가 발생하는 것을 도시하는 도면.3A, 3B, and 3C are diagrams showing that an error occurs when a conventional fixed mirror and a moving mirror move without being parallel.

도4a,도4b는 본 발명에 따르는 거울 구조를 갖는 원자 현미경 헤드의 작동을 도시하는 도면.4A and 4B show the operation of an atomic microscope head having a mirror structure according to the present invention.

도5는 본 발명에 따르는 원자 현미경 헤드를 장착한 원자 현미경의 일실시예를 도시하는 도면.5 shows one embodiment of an atomic microscope with an atomic microscope head in accordance with the present invention.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 원자현미경 헤드 11: 레이저 조정 바10: atomic force microscope head 11: laser adjustment bar

12 : 레이저 광원 13: 거울 조정 바12: laser light source 13: mirror adjustment bar

14: 캔틸레버 15: 거울14: cantilever 15: mirror

16: 검출기(PSPD) 16: Detector (PSPD)

Claims

A laser light source 12 for generating laser light;

A prism that refracts the direction of light emitted from the laser light 12 source;

A cantilever (14) having a probe interlocked with the surface curvature of the sample to be measured, wherein the refracted light is seated and reflects the seated light;

One or more mirrors (15) for reflecting light reflected from the cantilever (14);

A detector (16) for measuring the degree of bending of the cantilever (14) by measuring the angle of light reflected from the mirror (15);

A laser adjustment bar (11) for adjusting the convergence position at which the light converges on the cantilever (14);

A mirror adjustment bar (13) for adjusting the position of the mirror (15);

Initial reference signal determined by the detector 16 by measuring the degree of warpage of the cantilever 14 due to a change in the force between the cantilever 14 and the atoms on the sample surface, generated by scanning in three directions perpendicular to each other. A scanner for correcting the small change of the cantilever 14 by inverting the difference from the value;

An atomic microscope head comprising:

One of the scanners is separated from the other two scanners perpendicular to each other,

Said mirrors (15) are always fixed in parallel so that they move in conjunction with the atomic microscope head.

2. The atomic microscope head of claim 1, wherein the laser adjustment bar is adjustable in three directions perpendicular to each other. 3.

2. Atomic microscope head according to claim 1, characterized in that the mirror (15) is two.

4. Atomic microscope head according to claim 3, characterized in that the separated scanner is coupled and driven together with the cantilever (14) and the detector (16).

5. Atomic microscope head according to claim 4, characterized in that the two mirrors (15) are of different sizes.

The atomic force microscope head according to any one of claims 1 to 5, wherein the cantilever (14) is detachable.

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