The Atomic Force Microscope (AFM) is a powerful instrument in the nanometer-scale science and technology. Since its invention in 1986, the AFM has evolved significantly; refining its capabilities and conveniences. A sample scanner can move a sample to within a few nm of resolution within a certain range. Early AFM models kept the probing unit (including a micro-machined cantilever) stationary and controlled the sample position with the scanner. The “sample-scanning” design can handle only small and light samples. Large and heavy samples such as silicon wafers and Liquid Crystal Display panels require a “tip-scanning” AFM.
In this thesis, a novel high speed and highly accurate tip scanning AFM (TS-AFM) head which uses a flexure guided xy and z scanning system has been developed. Moreover, additional components including a coarse z-stage, an optical microscope with a motorized focus stage and structural frames are also developed to evaluate the feasibility for application for large samples for example, Liquid Crystal Displays and wafers.
The scanning speed of AFMs which use lock-in amplifiers for non-contact imaging is determined by a settling (decaying of a transient response) time of cantilever. So, system bandwidths of xy and z scanners are chosen according to the settling time of cantilever. The system bandwidth is determined by a “separation frequency” not by a first resonant frequency. The separation frequency is enhanced via an appropriate preload. In this thesis, a preloading effect on a flexure guided nano-positioner (scanner) is proven by theory and experiments. The xy and z scanning system which uses flexure guides and multilayered PZT actuators is optimally designed by used the concept of separation frequency. A highly sensitive optical lever for nulling sensor is designed by using a systematic approach and a commercial optic simulation program. The coarse z-stage which uses a preloaded ball screw, a cross roller guide and a harmonic drive five phase stepping motor is designed in viewpoint of a high holding stability during AFM imaging. The direct on-axis optical microscope which uses a motorized focus stage provides a much better vision than the optical microscopes provided on conventional large sample AFMs.
The non-contact AFM mode is implemented to make cantilevers be used longer in industrial fields. Accordingly, the dual phase lock-in detection technique is used for nulling control of the TS-AFM. To be more accurate AFM imaging, the tip-deconvolution algorithm is used for eliminating the tip convolution effect on the topographic data of samples. Moreover, a novel correction method for eliminating un-orthogonality in AFM image caused by the xy scanner is presented. Finally, a control algorithm which uses a feed-forward for fast imaging and a feedback for accurate imaging is dealt in this thesis.
As for experiments, a novel highly speedy and highly accurate tip-scanning AFM (TS-AFM) for large samples is implemented and assembled firstly. Second, performances of AFM components are evaluated in view point of the travel range, the resolution, the resonance and so on. Especially, crosstalk effects among axes of fine scanners are investigated thoroughly. Third, performances of AFM images are investigated via various standard samples. Here, crosstalk effects among axes of fine scanners are investigated via NC-AFM images. As a final evaluation, the issue for the scanning speed is investigated.
본 연구는 LCD와 같은 대형 시료를 나노 미터 정밀도로 측정을 하기 위한 새로운 고속 및 고정밀 팁 스캐닝 원자 현미경의 설계 및 응용에 관한 연구이다. 본 연구의 팁 스캐닝 원자 현미경은 정밀한 측정을 위하여 최적화된 유연 가이드를 사용하는 3축 미세 구동기와 민감도와 분해능이 좋은 광학 지레 방법을 사용한다. 또한, 고속 측정을 위하여 팁 스캐닝 구조와 피드 포워드 방법의 제어 기법이 사용되었다. 시료의 정확한 이미징을 위해 유연 가이드, xy 스캐너의 직각도 개선을 위한 직각도 교정용 회로, 팁 디콘벌류션 알고리듬을 채택하였다. LCD와 같은 대형 시료를 다루기 위하여, 팁 스캐닝 헤드는 프레임에 고정되었고, 시료가 조동 xy 구동기에 의해 이동된다. 마지막으로, 캔틸레버의 내구성을 위해 2개의 록인 증폭기를 사용하는 비 접촉 원자현미경 모드를 채택하였다.
산업용 대형 시료를 이미징하기 위한 팁 스캐닝 원자현미경의 설계를 위한 설계 사양이 결정되었고, 미세 구동기를 설계하기 위하여 시스템 응답 속도를 최대화하는 최적 설계 방법을 제안 및 구현되었다. 또한, 최적 설계의 정확성을 높이기 위하여 유한 요서 해석 기법을 이용하여 비교 및 성능 향상을 달성하였다. 고속 스캐닝을 위하여 미세 구동기를 설계 시 예압을 이용하는 방법을 채택하였고, 설계 시 예압 효과에 대한 이론 및 실험을 통하여 해석의 정확성을 높였다. 비 접촉 원자현미경 모드 시 영점 조정을 위해 고 분해능 및 민감도가 좋은 광학 지레를 제안 및 설계 하였고, 수직 방향의 조동 구동을 위해 하모닉 감속기를 사용하였으며, 캔틸레버 및 시료를 관찰하기 위하여 고성능 광학 현미경을 제안 및 설계 하였다. 또한, 외부 진동 및 소음에 둔감한 고강성 프레임을 해석 및 설계하였다.
원자현미경의 측정 모드는 접촉, 비 접촉 및 탭핑 모드가 있으며, 각각의 모드에 대해서 비교 분석을 수행하였다. 본 연구의 측정 모드는 시료에 손상을 주지 않는 비 접촉 모드를 표준 모드로 채택하였으며, 고정밀 계측을 듀얼 록인 증폭기를 채택하였다. 비 접촉 모드를 위한 전자회로가 소개되었으며, 이미징의 정확도를 높이기 위하여 팁 디콘벌류션 알고리듬을 개발 및 적용하였고, 직각도 교정용 전자회로를 개발 및 적용하였다.
실험 결과 이송 거리는 $100\times100\times10[\mu m^3]$ 이상 달성하였고, 분해능은 수직: 1 nm, 수평: 5 nm 정도로 측정이 되었다. 정확도를 평가하기 위하여 옵티컬 플랫을 사용하여 측정결과 수직 방향의 정확도는 1 nm 이하로 측정되었고, 수평 방향의 직각도는 직각으로 평가되었다. 측정 속도는 2차원 표준 시편을 사용하여 측정 결과 약 3 Hz 이상으로 평가되었다. 이상의 실험 결과는 사용 원자현미경 (XE-150, PSIA Corp.)의 성능을 능가하는 고속 및 고정밀 원자현미경으로 평가된다.
결론적으로, LCD와 같은 대형 시료를 측정하기 위한 새로운 고속 및 고정밀 팁 스캐닝 원자현미경을 설계, 구현 및 평가하였다. 구현된 팁 스캐닝 원자현미경은 미세 패턴 (~ 10 nm)을 측정하기에 충분한 정확도를 갖추었고, 본 연구의 연구 결과는 향후 LCD 및 반도체 샘플용 원자현미경으로서 채택되어질 것이다.
