CN110869772A - 控制探针尖端倾斜角度的扫描探针系统 - Google Patents

控制探针尖端倾斜角度的扫描探针系统 Download PDF

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Abstract

一种用探针扫描特征的方法，探针包括悬臂支架、从悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由悬臂的自由端承载的探针尖端。测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果；参考表面限定垂直于参考表面的参考表面轴线，探针尖端相对于参考表面轴线具有参考倾斜角；根据探针定向测量结果改变悬臂的形状，使得探针尖端相对于悬臂支架移动，参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角。采用探针扫描样品表面，其中，样品表面限定垂直于样品表面的样品表面轴线，探针尖端具有相对于样品表面轴线的扫描倾斜角。在扫描样品表面期间，移动悬臂支架，使得探针尖端以小于第一参考倾斜角的扫描倾斜角插入到样品表面中的特征中。

Description

控制探针尖端倾斜角度的扫描探针系统
技术领域
本发明涉及一种用探针扫描特征的方法和相应的设备，以及使悬臂相对于参考表面定向的方法。
背景技术
WO2016/198606描述了一种已知的扫描探针系统。该系统具有探针，所述探针包括从底座延伸到自由端的悬臂，以及由悬臂的自由端承载的探针尖端。第一驱动器设置有第一驱动器输入端，所述第一驱动器设置为根据在第一驱动器输入端处的第一驱动信号来驱动探针。第二驱动器设置有第二驱动器输入端，所述第二驱动器设置为根据第二驱动器输入端处的第二驱动信号来驱动探针。控制系统设置为控制第一驱动信号，以使第一驱动器在一系列循环中重复地朝向和远离样品的表面驱动悬臂的底座。表面检测器设置为当其检测到探针尖端与样品的表面的相互作用时，针对每个循环生成表面信号。控制系统还设置为响应于从表面检测器接收到的表面信号而修改第二驱动信号，第二驱动信号的修改使得第二驱动器控制探针尖端。
US2014/0289911公开了一种观测样品表面的方法。探针与第一样品紧密接近并在第一样品上进行扫描。使用检测系统监测探针对其与样品间相互作用的响应，采集指示所述响应的第一数据集。探针和/或样品倾斜一定角度。在倾斜步骤之后，探针在第一样品或第二样品上扫描，使用检测系统监测探针对其与扫描样品间相互作用的响应，并且采集指示所述响应的第二数据集。所述方法包括在使探针和/或样品倾斜之前分析第一数据集以确定倾斜角度的额外步骤。
US2017/0016932公开了一种探针系统，该探针系统包括具有第一臂和第二臂的探针以及由第一臂和第二臂承载的探针尖端。照射系统设置为通过以相应照射功率分别照射在第一臂的第一致动位置处和第二臂的第二致动位置处来使探针变形。致动控制器设置为独立地控制每个致动位置处的照射功率，以便控制探针的高度和倾斜角度，进而控制尖端的高度和横向位置。第一臂和第二臂在通过探针尖端的对称平面的相对侧上彼此成镜像。还公开了一种检测系统，该检测系统不仅测量探针尖端的高度生成高度信号，而且还测量探针的倾斜角度生成倾斜信号，根据该倾斜信号可以确定尖端的横向位置。
WO2015/197398描述了一种利用承载在悬臂上的探针尖端检查样品表面的方法。如果探针尖端扫描具有高纵横比的样品表面的一部分，则悬臂会扭转，从而使探针尖端倾斜。
US2008/0223117描述了另一种已知的扫描探针显微镜。
US2017/0059609描述了用于扫描探针显微镜的光轴调节方法。
发明内容
本发明的第一方面提供了根据权利要求1的方法和根据权利要求22的设备。在WO2015/197398中，增大探针尖端角度以扫描高纵横比特征，而在本发明的第一方面中，探针尖端以减小的扫描倾斜角插入到样品表面的特征中。WO2015/197398中的方法适于扫描突出的高纵横比特征，因为倾斜的探针尖端可以从侧面接近突出的特征，不会与样品表面的另一部分发生碰撞。然而，已经意识到，由于在插入时倾斜的探针尖端会与凹入特征的唇缘碰撞，WO2015/197398的方法不适于扫描如沟槽、孔、井或凹坑等凹入特征。因此，为了避免这种碰撞，在本发明的第一方面的方法中减小了探针尖端的倾斜角，以插入到样品表面中的特征中。
在探针尖端插入之前，测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果。该参考表面可以是样品表面的一部分或参考试样的表面。根据探针定向测量结果改变悬臂的形状，以使探针尖端相对于悬臂支架移动，探针尖端相对于参考表面的参考倾斜角从第一倾斜角减小到第二倾斜角。最基本地，探针定向测量结果可能仅用于确定减小参考倾斜角所需的探针尖端的枢转方向。举例来说，探针定向测量结果可以用于确定是顺时针还是逆时针扭转悬臂，以减小参考倾斜角。可选地，探针定向测量结果可以用于确定使参考倾斜角最小化所需的探针尖端的枢转幅度——理想情况下，参考倾斜角减小为零，以便探针尖端在插入到特征中时不倾斜。
样品表面限定垂直于样品表面的样品表面轴线，并且探针尖端具有相对于样品表面轴线的扫描倾斜角。通常，样品表面轴线与参考表面轴线基本上平行。在扫描样品表面期间，移动悬臂支架，以使探针尖端以扫描倾斜角插入到样品表面中的特征中，扫描倾斜角至少小于第一参考倾斜角，且优选地，扫描倾斜角远远小于第一参考倾斜角。通常，当探针尖端插入到特征中时，探针尖端基本以相对于样品表面轴线的第二参考倾斜角固定，可选地，在第二参考倾斜角的任一侧具有小的抖动振荡。
在整个扫描过程中，扫描倾斜角可以保持固定，也可以变化，例如在插入到特征中之后，迅速缩回探针。
通常，测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果包括与参考表面相互作用，例如，通过光学测量参考表面的定向(例如，通过将感测光束反射离开参考表面)或通过用探针扫描参考表面。
探针定向测量结果可以直接测量探针尖端的定向，或者探针定向测量结果也可以测量悬臂的定向，根据悬臂的定向可以推断出探针尖端的定向。
改变悬臂的形状可以包括挠曲悬臂、扭转悬臂，或同时或依次挠曲或扭转悬臂。优选地，可使悬臂挠曲和扭转，因为挠曲和扭转悬臂能够控制倾斜角，且在两个轴线上将倾斜角最小化。可选地，悬臂的挠曲和扭转可以分别和独立控制。
在从属权利要求中陈述了本发明的第一方面的其它优选特征。
本发明的第二方面提供了一种根据权利要求19的使悬臂定向的方法。第二方面提供了一种在如在本发明的第一方面中使用探针尖端扫描例如沟槽、孔、井或凹坑等凹入特征之前使悬臂定向的光学方法。
在从属权利要求中陈述了本发明第二方面的优选特征。
本发明的又一方面提供了一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的自由端承载的探针尖端，所述方法包括：测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果，其中，参考表面限定垂直于参考表面的参考表面轴线，探针尖端具有相对于参考表面轴线的参考倾斜角；根据探针定向测量结果改变悬臂的形状，以使探针尖端相对于悬臂支架移动，参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角；采用探针扫描特征，其中，所述特征限定特征轴线，且所述探针尖端具有相对于所述特征轴线的扫描倾斜角，在扫描样品表面期间，移动所述悬臂支架，以使所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述特征中，所述扫描倾斜角小于第一参考倾斜角。
特征轴线通常垂直于样品表面，但可选地，特征轴线可以相对于样品表面倾斜一定倾角。
本发明的又一方面提供了一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂、以及由所述悬臂的自由端承载的探针尖端，所述方法包括：测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果，其中，参考表面限定垂直于参考表面的参考表面轴线，探针尖端具有相对于参考表面轴线的倾斜角；根据探针定向测量结果改变悬臂的形状，以使探针尖端相对于悬臂支架移动，以及倾斜角从第一倾斜角减小到第二倾斜角；采用探针扫描样品表面，其中，在扫描样品表面期间，移动悬臂支架，以将探针尖端插入到样品表面中的特征中，其中探针尖端基本上固定为第二倾斜角。倾斜角通常固定在±0.1度的范围内——也就是说，由于抖动震荡的幅度不大于0.1度，因此倾斜角可能会略有变化。
本发明的又一方面提供了一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂、以及由所述悬臂的自由端承载的探针尖端，所述方法包括：测量探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果，其中，参考表面限定垂直于参考表面的参考表面轴线，探针尖端具有相对于参考表面轴线的参考倾斜角；根据探针定向测量结果改变悬臂的形状，以使探针尖端相对于悬臂支架移动，参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角，并且悬臂的形状改变为扫描形状；采用探针扫描特征，其中，在扫描样品表面期间，移动悬臂支架，以使探针尖端插入到特征中，其中悬臂的形状基本上固定为该扫描形状。通常，扫描形状固定在±0.1度的范围内——也就是说，由于抖动振荡的幅度不大于0.1度，扫描形状可能会发生变化，以使探针的倾斜角度略有变化。
附图说明
将参考附图对本发明实施例进行描述，其中：
图1示出了一种扫描探针显微镜系统；
图2为带有矩形悬臂的探针的俯视图；
图3示出了图2中探针的端视图；
图4为带有两臂式悬臂的探针的俯视图；
图5示出了一种可替代结构的探针尖端；
图6详细示出了检测器；
图7a示出了一种参考表面的光学测量；
图7b示出了从参考表面反射的光束在分段光电二极管上的两个位置；
图8a示出了一种悬臂的光学测量；
图8b示出了在悬臂向下弯曲所需悬臂角度之后，从悬臂反射的光束在分段光电二极管上的位置；
图9示出了一种可选的悬臂的光学测量；
图10示出了通过扭转悬臂来调整探针倾斜角；
图11a示出了相对于参考表面以第一参考倾斜角倾斜的探针尖端；
图11b示出了当探针尖端以第一参考倾斜角倾斜时从悬臂反射的光束在分段光电二极管上的位置；
图12a示出了相对于参考表面以第二参考倾斜角倾斜的探针尖端；
图12b示出了当探针尖端以第二参考倾斜角倾斜时从悬臂反射的光束在分段光电二极管上的位置；
图13a示出了探针尖端扫描样品表面中的沟槽的轨迹；
图13b示出了沟槽轴线；
图14为插入到沟槽中的悬臂的侧视图，其探针尖端相对于样品表面轴线和沟槽轴线以低或零扫描倾斜角倾斜；
图15示出了与沟槽的底部相互作用并由于悬臂的伸直而迅速缩回的探针尖端；
图16示出了表面检测时悬臂的抖动震荡；
图17为插入到沟槽中的悬臂的端视图，其探针尖端相对于样品表面以低或零扫描倾斜角倾斜；
图18示出了与沟槽的底部相互作用并由于扭转悬臂而迅速缩回的探针尖端；
图19示出了如图17和18所示的探针尖端扫描沟槽的轨迹；以及
图20和21示出了一种可选的探针定向测量过程，其中探针尖端扫描对称沟槽或其它凹入特征。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明实施例的扫描探针显微镜系统。该系统包括第一驱动器4和探针，探针包括悬臂2和探针尖端3。第一驱动器4的底部承载悬臂支架13，其中悬臂2从悬臂支架13由近端或底座2a延伸到远端自由端2b。悬臂2的自由端2b承载探针尖端3。
探针尖端3包括圆锥形或棱锥形结构，该结构从其基底到其远端处的一点逐渐变细，该远端处的点是探针尖端3与样品台11a上的样品7相互作用的最接近的点。示出了探针尖端3的轴线垂直延伸(即，基于图1所示的参考坐标系在Z方向上延伸)。样品包括样品表面，该样品表面限定了垂直于样品表面的样品表面轴线7a，样品表面轴线7a在图1中也垂直延伸。图2的俯视图中所示的悬臂2包括从悬臂支架13延伸出的单跨梁，该单跨梁具有矩形轮廓。悬臂2的长度约为20微米，宽度约为10微米，厚度约为200纳米。
悬臂2是由具有不同热膨胀系数的两种(或多种)材料组成的热双压电晶片结构，通常是具有金或铝涂层的硅或氮化硅基底。该涂层延长悬臂的长度，并覆盖尖端3的背面。由致动控制器33控制的照射系统(以激光器30的形式)设置为用强度调制的辐射斑15在悬臂的上部涂布侧照射悬臂。
悬臂2由厚度均匀的整体结构形成。举例来说，如Albrecht T.、Akamine,S.、Carver,T.E.、Quate,C.F.J.，Microfabrication of cantilever styli for the atomicforce microscope,Vac.Sci.Technol.A 1990,8,3386(下文称为"Albrecht等人")中所描述的，该整体结构可以通过选择性地蚀刻SiO2或SiN4薄膜来形成。如Albrecht等人所述，尖端3可以与悬臂一体成型，也可以通过加成工艺(例如电子束沉积)来形成，还可以单独地形成并通过粘合剂(或其它附接方法)来附接。
选择致动光束32的波长，以被涂层良好吸收，以使得悬臂2沿其长度弯曲并移动探针尖端3。在此实施例中，涂层位于样品的相反侧，使得悬臂2在加热时向下朝向样品弯曲，但可选地，涂层也可以位于样品的同一侧，使得悬臂2在加热时远离样品弯曲。
在一种可选的实施例中，如图4所示，悬臂2包括第一悬臂辐2a和第二悬臂辐2b。悬臂辐从悬臂支架13延伸出，具有由支架承载的近端和远离支架的自由远端。悬臂辐2a、2b的远端通过桥接件14接合，该桥接件的底面上设置有探针尖端3。由致动控制器33控制的第一激光器和第二激光器设置为在涂布侧上相应的第一致动位置处和第二致动位置处用相应的强度调制的第一辐射斑15a和第二辐射斑15b照射悬臂辐2a、2b。尖端支撑结构具有通过探针尖端10的对称平面16，且在第一致动位置处和第二致动位置处的辐射斑15a、15b对称地位于对称平面16的相对侧上。
致动控制器33向第一激光器输出第一控制信号A1，该第一控制信号A1相应地控制第一辐射斑15a的照射功率，同样地，致动控制器33向第二激光器输出第二控制信号A2，该第二控制信号A2相应地控制第二辐射斑15b的照射功率。两个不同的控制信号A1和A2独立地控制两个辐射斑15a、15b的照射功率，以便在两个正交轴线(θYZ和θXZ)上分别调整探针3的倾斜角度，如在US2017/0016932中更详细的描述，其内容通过引用并入本文中。
可选地，两个悬臂辐的涂层可以位于相反的侧上：也就是说，悬臂辐2a上的涂层可以位于其上侧(与样品相反的一侧)，使得悬臂辐2a在加热时会朝向样品弯曲，悬臂辐2b上的涂层位于其下侧(与样品相同的一侧)，使得悬臂辐2b在加热时在与样品相反的方向上弯曲。
返回到图1，第一驱动器4是压电致动器，其根据在第一驱动器输入端5处的第一驱动信号在Z方向上上下扩张和收缩。如下文进一步描述，第一驱动信号使第一驱动器4在一系列循环中使探针反复地朝向和远离样品7移动。第一驱动信号由第一控制器8生成。通常地，第一驱动器4由挠曲件(图中未示出)机械地引导。
干涉仪检测器80设置为检测正对着探针尖端3的悬臂2的自由端2b的高度。图1仅示意性地示出检测器80，图6给出了更详细的视图。分束器102将来自激光器101的光100分成感测光束103和参考光束104。参考光束104被引导到适当定位的后向反射器120上，然后返回到分束器102。对准后向反射器120，以使其相对于样品7的垂直(Z)位置提供固定的光程。分束器102具有能量吸收涂层，并且将入射光束103和参考光束104两者分开，生成相对相移为90度的第一干涉图和第二干涉图。在第一光电检测器121和第二光电检测器122处分别检测两个干涉图。
理想情况下，来自光电检测器121、122的输出是具有90度相位差的互补正弦和余弦信号。并且，它们应没有dc偏移，具有相等的幅度，并且仅取决于悬臂的位置和激光器101的波长。当光程差改变时，可采用现有的方法监测光电检测器121、122的输出，以便确定并且校正由于两个光电检测器的输出不是完全谐波(具有相等的幅度且相位正交)而引起的误差。类似地，还可根据本领域已知的方法来校正dc偏移水平。
这些光电检测器输出适合与常规的干涉仪可逆条纹计数设备和条纹细分设备123一起使用，这些设备可以提供为专用硬件、FPGA、DSP或编程计算机。相位正交条纹计数设备能够测量悬臂位置的位移至λ/8的准确度。即，对于532nm的光为66nm。现有的基于信号反正切的条纹细分技术允许将准确度提高到纳米级或更小。在上述实施例中，参考光束104设置为相对于样品7的Z位置具有固定的光程。因此，其可以从载有样品7的载物台11a的表面反射或从后向反射器(其位置与载物台的位置相关)反射。参考光程可以大于或小于从探针反射的光束103所遵循的光程。可选地，反射器与样品Z位置之间的关系不必是固定的。在这样的实施例中，参考光束可以从固定点反射，该固定点与样品的Z位置具有已知的(但是变化的)关系。因此，尖端的高度由干涉测量的光程差和相对于固定点的样品Z位置推导得出。
干涉仪检测器80是零差系统的一个实例。所描述的特定系统为此应用提供了许多优点。使用两个相位正交干涉图能够多个条纹上并因此在大位移范围上测量悬臂位移。在US6678056和WO2010/067129中描述了基于这些原理的干涉仪的实例。可选地，也可以采用能够测量光程变化的干涉仪系统。EP 1 892 727中描述了一种适用的零差偏振干涉仪，US5144 150中描述了一种适用的外差偏振干涉仪。
返回到图1，检测器80的输出是在高度检测线20上的高度信号，该高度信号被输入到表面高度计算器21和表面检测单元22。表面检测单元22设置为在检测探针尖端3与样品7的相互作用时针对每一周期在表面检测器输出线23上生成表面信号。
反射光束也被分束器106分成第一分量107和第二分量110。第一分量107经由透镜109被引导到分段四象限光电二极管108，并且第二分量110被分束器102分束并引导到光电二极管121、122，以在输出线20上生成高度信号。光电二极管108生成角度信号124，该角度信号指示反射光束的第一分量107在光电二极管108上的位置，并且根据悬臂相对于感测光束103的倾斜角度而变化。
图7到图9图示说明了相对于样品台11a上的参考表面90测量和定向悬臂2的反射性上表面的方法。参考表面90可以是样品台11a上的样品7的一部分，也可以是样品台11a上的单独的参考试样的表面。如果使用单独的参考试样，则其可以位于样品台11a的一侧，以使得样品7和参考试样同时位于样品台11a上。可选地，可以在悬臂2定向(如下所述)之后移除参考试样，然后在样品台11a上替换上样品7以进行扫描。
如图6所示，首先通过透镜驱动器81在Z方向上移动透镜105，直到参考表面90位于透镜的前焦平面中为止，如图7a所示。该聚焦步骤可通过测量干涉仪输出20的对比度并调整透镜105的Z位置直到对比度达到最大来实现。换句话说，随着透镜105的移动，光电检测器121、122将生成随着干涉图经过最小和最大干涉位置而增大和减小的信号。最大值与最小值之间的强度差即为干涉仪对比度，当样品7位于透镜的前焦平面时，对比度达到最大值。也可以采用其他方法(例如强度测量)来将样品7的表面放置在透镜的前焦平面中。
如图7a所示，感测光束103穿过透镜105，并从参考表面90反射以形成反射光束111a，从参考表面90反射的光束111a被引导到四象限光电二极管108上。如图7b所示，反射光束111a偏离象限光电二极管108的中心为距离D1，检测器驱动器82使检测器80相对于透镜105横向移动此距离D1，使得感测光束103移动距离D1(如图7a所示)，而且反射光束移位到位置111b，使得反射光束111a落在象限光电二极管108的中心，如图7b所示。
接下来，如图8a所示，引入探针，并向上移动透镜105，使悬臂2的反射性上表面代替参考表面90位于透镜105的焦平面中。再次，通过监测干涉仪测得的对比度来实现聚焦。
如角度信号124所指示，从悬臂反射的光束在光电二极管108上的位置提供了探针定向测量结果。也就是说，角度信号124提供了与悬臂2的反射性上表面相切的平面2c相对于参考表面90的定向指示。因此，如果平面2c与参考表面90平行，则从悬臂反射的光束将落在光电二极管108的中心。更典型地，平面2c与参考表面90并不完全平行，因此光束将从光电二极管108的中心偏移。此偏移的方向和量值提供了平面2c与参考表面90的平面之间的倾斜的方向和量值的指示。最后，基于角度信号124调整悬臂2的形状，以使得反射光束落在象限光电二极管108上的期望位置上——光电二极管108上的期望位置取决于探针相对于参考表面90的期望角度。因此，如果希望与悬臂2的反射性上表面在探针尖端3正上方的点处相切的平面2c与参考表面90的平面平行，则调整悬臂2的形状，以使得反射光束落在四象限光电二极管108的中心。可选地，如果希望平面2c以如图8a所示的悬臂角度α倾斜，则使悬臂2向下弯曲，直到反射光束在光电二极管108上移位偏移距离D2到位置111c(如图8b所示)为止。注意，在图8a中，悬臂支架13已经向上移动，以将反射点保持在透镜的焦平面中，然而等效地，为了将反射点保持在焦平面中，可以将透镜105向下移动。而且，如果由悬臂的弯曲所引起的垂直位移小于1微米，则反射点将保持在透镜105的景深之内，因此将不需要移动悬臂支架13或透镜105来将悬臂保持在焦平面上。
上述定向过程由图1所示的倾斜控制器38控制，该倾斜控制器配置为基于角度信号124和偏移距离D2生成倾斜控制信号39，该倾斜控制信号存储在存储器50中并与特定探针或探针组相关联。激光器30(或多个激光器)设置为根据第二驱动器输入端31处的第二驱动信号来移动悬臂2，该第二驱动信号由第二控制器33生成。倾斜控制信号39输入到第二控制器33，使得激光器30根据倾斜控制信号39改变悬臂的形状。倾斜控制器38配置为经由角度信号124从检测器80接收探针定向测量结果，并且控制倾斜控制信号39，以使得激光器30根据需要改变悬臂的形状。在上述定向过程中，悬臂的形状变为图8a中虚线所示的弯曲形状，下文将其称为悬臂的扫描形状。悬臂被固定为该弯曲的扫描形状，以便在下文描述的后续扫描过程中插入到高纵横比的特征中。
在图9所示的可选的调零方法中，在执行如图7a所示的样品测量过程之后，检测器驱动器82使检测器80相对于透镜105横向移动偏移距离D2，以使得感测光束103移位，反射光束移位到位置111d，位置111d偏离四象限光电二极管108的中心距离D2。接着，悬臂2在倾斜控制信号39的控制下向下弯曲，直到反射光束移位距离D2，反射光束返回到四象限光电二极管108的中心，悬臂采用图9中虚线所示的扫描形状。
在这种情况下，如图6所示，检测器驱动器82从存储器50接收偏移距离D2，并相应地移动检测器80。注意，检测器驱动器82不仅可以在如图6所示的Y方向上移动检测器80，而且可以在与图6正交的X方向上移动检测器。
此时，在探针尖端3的正上方的点处与悬臂2的反射性上表面相切的平面2c相对于参考表面90处于已知角度。假定探针尖端3的制造正确无缺陷，则已知探针尖端3的轴线3a相对于平面2c的角度。因此，通过适当地选择距离D2，悬臂可以以期望的悬臂角度α倾斜，这意味着探针尖端的轴线3a精确地定向为与参考表面90成直角。
在图8a给出的实施例中，通过使悬臂2沿其长度弯曲，平面2c在YZ平面上倾斜。如图10所示，也可以使用类似过程来通过扭转悬臂来使平面2c在XZ平面上倾斜，直到反射光束落在四象限光电二极管108的中心。悬臂的这种扭转运动可以通过区别地驱动图4中悬臂的两个辐射斑15a、15b来实现。注意，悬臂的扭转和挠曲可以分别独立地加以控制。因此，可以同时调整它们以同时或依次(一个接一个)在两个轴线上扶正探针尖端。在图10的情况下，悬臂2的形状变为在图10中的虚线所示的扭转的(也可为弯曲的)扫描形状，悬臂2固定为该扫描形状，以用于下文描述的后续扫描过程。
如图11a和12a所示，参考表面90限定了垂直于参考表面90的参考表面轴线90a。探针尖端的轴线3a相对于该参考轴线90a具有参考倾斜角。在上述过程中，相对于参考表面90测量与悬臂2的反射性上表面相切的平面2c的定向，以生成探针定向测量结果——从悬臂反射的光束在光电二极管108上的位置提供了该探针定向测量结果。
图11b示出对应于图11a的反射光束位置111d和相关联的探针定向测量结果Δ，图12b示出对应于图12a的反射光束位置111e。悬臂的形状根据探针定向测量结果Δ改变，以使探针尖端3相对于悬臂支架13移动，参考倾斜角从图11a所示的第一参考倾斜角θ1减小到图12a所示的第二参考倾斜角θ2。理想情况下，第二参考倾斜角θ2为零，以使得探针尖端的轴线3a平行于参考表面轴线90a，但实际上，调整可能有些不准确而使第二参考倾斜角θ2为非零，但其量值比第一参考倾斜角θ1小得多。注意，出于说明的目的，角度θ1和θ2的大小被高度放大，通常地，第一参考倾斜角θ1的量级为几度，并且理想情况下，第二参考倾斜角θ2小于1度、小于0.5度或小于0.1度。
来自光电二极管108的探针定向测量结果Δ确定了最小化第二参考倾斜角θ2所需的倾斜角变化的量值和方向。因此，在图12b的实施例中，悬臂挠曲以在YZ平面中生成倾斜角减小量Δθyz，并且还扭转以在XZ平面中生成倾斜角减小量Δθxz。
如上所述，激光器30设置为根据第二驱动器输入端31处的第二驱动信号来改变悬臂的形状，第二驱动信号由第二控制器33生成。如下文进一步详细描述，波形发生器40设置为从表面检测器输出线23接收表面信号，并响应于接收到的表面信号而修改第二驱动器输入端31上的第二驱动信号，第二驱动信号的修改导致第二驱动器30控制探针——更具体地，与第一驱动信号相反地驱动探针，以使探针尖端3在Z处减速，然后从样品7缩回。
在如上所述，使探针尖端3定向之后，执行扫描操作以生成样品7的图像。通过压电XY致动器11对样品7施加XY光栅扫描运动，所述压电XY致动器在扫描控制器26和致动器控制器27的控制下使承载样品7的样品台11a移动。
图13a示出了当探针尖端3扫描样品表面7g中的沟槽17时，探针尖端的顶点的轨迹。样品表面7g是图1所示的样品台11a上的样品7的上表面的一部分。样品表面7g限定了垂直于样品表面7g的样品表面轴线7a，探针尖端3具有相对于样品表面轴线7a的扫描倾斜角β。注意，在上述定向过程中使用的参考表面90也位于样品台11a上，因此可以假定样品表面轴线7a与参考表面轴线90a完全平行。如图13b所示，沟槽17具有与样品表面轴线7a平行的沟槽轴线17a，因此也可以假定沟槽轴线17a与参考表面轴线90a平行。
在生成表面信号之前，最初存在尖端接近阶段41，其中，第一驱动器4将悬臂2和探针尖端3垂直向下移向样品7的表面。在尖端接近阶段41中，悬臂以其扫描形状向下弯曲，使得尖端3的轴线大致与样品表面7g成直角并且平行于样品表面轴线7a——也就是说，扫描倾斜角β接近为零。尖端3的轨迹是垂直直线41，这是因为在尖端接近阶段41期间，悬臂的倾斜度基本上没有变化，还因为第一驱动器4是线性压电致动器，其在探针尖端插入到沟槽17中时沿大致直线延伸。
如上所述，通过压电XY致动器11将XY光栅扫描运动赋予样品7。因此，在此实施例中，在XY平面内探针与样品7之间的相对水平运动是通过样品的运动而产生的，而不是通过探针的运动产生的。在另一实施例中，在XY平面中的相对运动可以通过探针的运动来替代生成(被扫描的样品保持静止)。由第一驱动器4施加的循环性垂直运动具有10kHz量级的频率和约200nm的幅度。XY致动器11在X方向上赋予的光栅扫描水平运动具有1-100Hz频率，以及约1微米的幅度。因此，垂直(Z)运动是主要的，在图13a中忽略了光栅扫描水平运动。XY致动器11可以替代地生成停止和步进运动，而不是赋予连续的光栅扫描运动，在所述停止和步进运动中，每次接近/回缩循环均在静态位置执行(XY执行器11在Z方向上赋予运动，而X方向或Y方向上没有赋予运动)。这对于在测量循环中不需要XY运动的非常深且狭窄的沟槽可能是优选的。
在尖端接近阶段41期间的大部分时间里，第一驱动信号以基本上恒定且预定的速率变化，因此探针尖端3以基本上恒定的速度朝向样品表面移动。
接下来，表面检测单元22检测探针尖端3与样品表面的相互作用，并输出表面信号。该表面信号通过如下操作的谐振检测方法生成。波形发生器40提供周期性的抖动信号，该信号被调谐到悬臂2的挠曲或扭转谐振频率。该抖动信号用于调制激光器30或另一光热致动激光器(图中未示出)。抖动信号在悬臂中引起周期性的光热应力，该光热应力会激发通常幅度在1-10纳米之间、频率在MHz量级的周期性运动。注意，周期性抖动运动的幅度远低于第二驱动器输入端31上的第二驱动信号生成的非谐振运动的幅度。举例来说，非谐振运动的行进距离可能比周期性抖动运动的幅度大10-1000倍。
在以上实施例中，抖动信号被调谐到悬臂2的挠曲或扭转谐振频率，引起周期性的谐振运动，但在一种可选实施例中，抖动信号可能处于不同的频率，使得抖动运动是非谐振的。
探针朝向表面前进，直到尖端3与表面相互作用，通常地，该相互作用是由于排斥力引起的，但原则上可以采用存在的任何力量的交互作用。因此，周期性抖动运动的幅度、相位或频率发生变化，该变化由表面检测单元22检测，并且使表面检测单元22生成表面信号。相应地，也可以应用本领域中已知的用于谐振检测的其它检测方案。例如，可以采用扭转谐振，并且可以监测探针的扭转运动。
在生成表面信号时，表面高度计算器21(或任何其它合适的测量系统)基于干涉仪的输出20来测量表面高度。表面高度的每次测量(每个周期一次)由表面信号触发，并由表面高度计算器21发送到数据采集单元25。
在尖端接近阶段期间，第二驱动信号为高电平，因此致动光束32处于开启状态，并且悬臂具有如图14所示的向下弯曲的扫描形状。表面信号作为波形发生器40修改第二驱动器输入端31上的第二驱动信号的触发，以使得第二驱动信号从高电平变为低电平(关闭致动光束32)。第二驱动信号的该修改使得悬臂2冷却，探针尖端3从扫描样品缩回，从表面位置60缩回到缩回位置61。在悬臂缩回阶段期间，在生成表面信号之后，悬臂立即通过伸直来改变形状，如图15所示。第二驱动信号的该修改使得探针尖端3沿略微弯曲的轨迹42迅速从样品表面缩回。
在生成表面信号时，波形发生器40修改第一驱动器输入端5上的第一驱动信号，以使得第一驱动信号的变化率逐渐反转极性——换句话说，在缩回阶段，第一驱动器4驱动悬臂的基底2a向下并朝向样品，反转到驱动悬臂的基底2a向上并且远离样品。然后在支撑缩回阶段，第一驱动器4使探针向上缩回远离样品，在此阶段探针尖端3沿垂直线性轨迹43运动。
在支撑缩回阶段的第一部分期间，悬臂2伸直。接下来，波形发生器40重置第二驱动信号，使致动光束32再次开启，并且悬臂2再次向下弯曲到其扫描形状，从而使探针尖端轴线3a再次垂直定向以准备下一个周期。
图16是示出了紧接在表面检测之前和之后，悬臂相对于感测光束103的角度的曲线图。如上所述，周期性的抖动信号用于调制来自激光器30或另一光热致动激光器(未示出)的致动光束32，该周期性抖动信号使悬臂周期性抖动运动振荡，震荡的幅度通常在1-10纳米之间，频率为MHz量级。该周期性抖动运动可参见图16，图16示出了在自由空间中完整幅度的周期性抖动运动的三个周期70，与样品的相互作用使得幅度在之后两个周期71过程中减小，直到表面被检测，且悬臂以约100nm的行进距离迅速伸直。伸直的悬臂在多个周期72(即弹动，取决于质量因数)内返回到1-10nm的稳态幅度。然后，伸直的悬臂继续以1-10nm的完整自由空间幅度振荡，如73处所示。
探针的精确轨迹取决于许多因素，例如样品相互作用的性质和接近的速度。相互作用可以发生在比图16中71处所示的更多周期或更少周期上。也可存在与探针松弛相关的时间常数。
由于探针尖端的小幅度周期性抖动运动，当探针尖端向样品表面移动时，悬臂的角度轻微震荡，如70处所示。但是，随着探针尖端朝向样品表面移动，该角度可视为基本恒定的，这是因为与悬臂的基底朝向和远离样品表面平移的幅度相比，图16所示的抖动运动的幅度很小，基底平移的幅度通常为约500-1000nm，比图16中所示的抖动运动的1-10nm幅度大得多。类似地，在悬臂伸直期间探针尖端的轨迹42约为100nm，并且因此也比图16中所示的抖动运动的1-10nm幅度大得多。
当探针尖端和悬臂的基底一起朝向样品表面平移时，悬臂相对于感测光束和样品7的平均角度73保持基本恒定，因为该角度将在如图16所示的平均值73的任一侧迅速振荡，频率为MHz量级，其远高于悬臂的基底朝向和远离样品表面的平移频率(约10kHz)。第二驱动信号也是如此，也就是说，波形发生器40设置为控制第二驱动信号，以使得在探针尖端和悬臂的基底一起朝向样品表面平移时，第二驱动信号的平均值保持基本恒定。
响应于接收到的表面信号，悬臂的形状改变，以使悬臂相对于感测光束103的角度改变。在以上给出的实施例中，响应于接收到的表面信号，通过关闭致动光束32来减小悬臂的加热。这导致悬臂采取更松弛的状态(在这种情况下，通过伸直)。在一个可选的实施例中，响应于接收到的表面信号，也可能增大悬臂的加热，也就是说，可开启致动光束32，而不是关闭。
来自干涉仪10的高度信号既可以被表面高度计算器21用来从被扫描样品的表面进行测量，又可以被表面检测单元22用来检测探针尖端与被扫描样品的表面的相互作用。可选地，来自干涉仪的高度信号可以被表面高度计算器21用来从扫描样品的表面进行测量，但不能被表面检测单元22用来检测探针尖端与样品表面的相互作用。更确切地讲，表面检测单元22使用来自光电二极管108的基于光学杠杆的角度信号124来检测探针尖端与被扫描样品表面的相互作用。也就是说，基于光学杠杆的角度信号124用来检测表面位置，而不是基于干涉仪的高度信号20来检测表面位置。
在这种情况下，系统可以选择性地使用DC阈值检测方法来生成表面信号，而不是上文关于图16所描述的谐振检测方法。波形发生器40不施加抖动信号，并且角度信号124被输入到表面检测单元22。分段式光电二极管108被分成多个段(通常为四个)。如果悬臂2的角度改变，则反射光束在光电二极管108上的位置也改变。因此，分段式光电二极管108的各段的相对输出给出了悬臂相对于感测光束103的角度的指示，该角度作为角度信号124被输出。
如上所述，在接近阶段41期间，悬臂2的角度基本恒定。探针尖端3与扫描样品的表面相互作用，这导致悬臂2向上弯曲。当悬臂2的角度(由角度信号124测量)的变化大于预设的DC阈值时，表面检测单元22生成表面信号。
图13所示的缩回轨迹42是由于悬臂沿其长度伸直而引起的，因此可以使用如图2所示的单臂式悬臂。如果使用如图4所示的两臂式悬臂，则可以通过在XZ平面中扭转悬臂来生成缩回，而不是在YZ平面中使其伸直来生成。此可选的方法如图17-19中所示。
综上所述：在图7a到图12b所示的初始定向过程中，测量探针相对于参考表面90(参考表面为样品台11a上的参考样品的一部分，或样品台11a上的样品7的一部分)的方向，以生成探针定向测量结果Δ，根据探针定向测量结果Δ改变悬臂的形状(通过挠曲和/或扭转悬臂)，使得探针尖端相对于悬臂支架13移动，参考倾斜角从第一参考倾斜角θ1减小到第二参考倾斜角θ2(可为零)。接着采用探针扫描样品表面7g，该扫描包含图13a中所示的过程，在该过程中，悬臂支架向下移动，使得将探针尖端插入到沟槽17或其它凹入特征中。图7a到图12b所示的定向过程使探针尖端3的轴线3a定向，使得其具有低或零倾斜角θ2。当探针插入到沟槽17中时，由第二控制器33生成的第二驱动信号基本上固定(任选地，具有小的抖动振荡)，因此当探针尖端插入到沟槽17中时，悬臂的形状也基本上固定为其扫描形状，并且扫描倾斜角保持很小——由抖动振荡引起的变化很小。优选地，当将探针尖端插入到沟槽17中时，扫描倾斜角相对于样品表面轴线7a大致为零(至少平均为零)。
当探针插入到沟槽17中时，探针尖端的扫描倾斜角至少低于第一参考倾斜角θ1，优选地，其远低于第一参考倾斜角，例如小于第一参考倾斜角θ1的50％、30％、10％、5％或1％。举例来说，在插入到沟槽17中期间，扫描倾斜角可以小于1度、小于0.5度或小于0.1度。
随着尖端沿缩回轨迹42运动，探针尖端的扫描倾斜角略微增大，但随着探针尖端3沿垂直线性缩回轨迹43运动，探针尖端的扫描倾斜角回到大致为零。
如图14所示，沟槽17具有入口7c、底部7d和从入口延伸到底部的一对相对侧壁。沟槽具有从入口到底部的深度D、在入口处的宽度W以及纵横比D/W。在图14的示例中，纵横比D/W约为1.5，但可以大于2、5或10。
类似地，探针尖端具有根部和尖端、从根部到尖端的长度L、在其根部的最大直径Wc，以及大于5、10或15的纵横比L/Wc。
在图3的示例中，高纵横比的探针尖端3直接连接到悬臂，但在图5的可选示例中(未按比例绘制)，探针尖端3是从锥形尖端基底3a的顶点延伸的高纵横比晶须。
在图5的示例中，探针尖端3的根部直径Wc＝10nm，长度L＝200nm，并且纵横比L/W＝20。探针尖端3的长度L必须大于沟槽的深度D，并且宽度Wc必须小于沟槽入口7c处的宽度W。
WO2015/197398的方法不适用于扫描例如沟槽、孔、井或凹坑等高纵横比凹入特征，因为高度倾斜的探针尖端将与沟槽7的唇缘7e在沟槽的侧壁与样品表面7g相交处发生碰撞。因此，在上述方法中，探针尖端的扫描倾斜角保持较小，以便插入到沟槽17中和从沟槽17缩回，避免与唇缘7e发生这种碰撞。图16中所示的1-10nm幅度的抖动运动仅产生探针尖端3的扫描倾斜角的小变化，为约0.03度，这不会引起探针尖端3与唇缘7e碰撞。
上文参考图7a到图12b描述了用于确定悬臂2的反射性上表面的平面2c在探针尖端3正上方的点处的倾斜角的光学校准过程。如果探针尖端3相对于悬臂的平面2c的角度未精确地获知，则可通过如下操作执行探针尖端3的倾斜角的直接测量。除了图7a至图12b的光学测量方法，或者作为替代，可以执行这种直接测量。
图20和21示出了探针尖端3扫描参考表面中的沟槽或其它凹痕。沟槽具有对称结构，具有相对的垂直侧壁。在图20中，探针尖端3与侧壁错位，而在图21中，探针尖端3垂直定向，以使得其与侧壁精确对准。
图20和图21中的虚线指示了可以由探针尖端3进入的沟槽的部分。图20中错位的后果是探针尖端3不能进入沟槽左手侧的区域150，但其可以进入沟槽的右手侧的区域。结果是在沟槽左侧收集到较少的信息。这种不对称性将反映在参考表面的重建图中。
测量和对准探针尖端3的方法如下。首先，用探针以参考倾斜角θ1在其名义上的“未倾斜”定向上扫描参考平面，以生成参考表面的图。许多参考特征(例如图20和21中的沟槽)是对称的，因此有望如此成像。因此，在第一次扫描完成后，将分析探针在此定向上获得的参考表面的图。具有常见不对称程度的多个特征的出现表明探针错位。可以根据成像特征的不对称性来计算错位的量值和方向。然后向悬臂梁2施加补偿性倾斜，以减小参考倾斜角，在垂直方向上探针尖端3，如图21所示。可选地，也可以在通过分析第一次扫描的图而确定的方向上将悬臂调整预设量，以减少不对称性，并采集另一图像。可以重复此过程，直到图像中预期对称的特征对称地出现在图像中。
Image Metrology A/S的SPIP(请参见http://www.imagemet.com)和Gwyddion(免费和开源软件)(请参见http://gwyddion.net)是两个可用于生成和分析样品图的图像处理程序包。
成像特征的不对称性可通过线轮廓分析来确定，也就是说，通过从图像中提取一行数据并分析该行数据来确定。该行数据可以沿着探针的扫描方向或任意方向提取，该行数据可以是多条行的平均值或者是插值，以降低噪音。
可选地，成像特征的不对称性还可以通过尖端形状表征来确定，示例地，如以下内容中所述：
·http://gwyddion.net/documentation/user-guide-en/tip-convolution-artefacts.html；或者
·J.S.Villarubia,J.Res.Natl.Inst.Stand.Technol.102(1997)425
图21示出了正确对准时探针扫描相同的表面特征。在这种情况下，尖端将沿对称路径运动。此路径的对称性会在图像中反映出来，然后获知探针已正确对准。
参考表面具有特征的已知布置，这些特征有望在数据中生成特征性信号。观察到的信号与预期信号之间的偏差可以用于推断探针的错位。可选地，参考表面具有高纵横比的特征(例如沟槽或峰)，其纵横比(长度/宽度)比探针尖端更高。
在图11b的光学测量过程中，通过将感测光束反射离开悬臂来获得探针定向测量结果Δ。在上述的直接探针尖端测量过程中，探针定向测量结果改为通过扫描如图20中的对称特征以生成参考表面的图，然后对参考表面的图进行分析得出探针定向测量结果而获得。探针定向测量结果用于推断和校正探针相对于参考表面的错位。
如图7-12或图21中所述，一旦探针已相对于参考表面进行了定向，则可以扫描多个样品，而不必重复定向过程。对于给定的探针和/或在更换探针时，探针定向过程将定期重复。
附图中示出的和文本中描述的每个电子元件(例如，倾斜控制器38；表面检测器22；表面高度计算器21；波形发生器40；致动器控制器8、33、27；波形发生器40；扫描控制器26；数据采集单元25等)可以实施为硬件、软件或任何其它形式(例如硬件和软件的任何组合)。举例来说：单个现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)或多个FPGA或DSP可以实施所有电子元件，或者每个电子元件都可以由专用FPGA或DSP或FPGA或DSP的任何组合加以实施。
尽管上文已参考一个或多个优选实施例描述了本发明，但应了解，在不脱离如所附权利要求中所描述的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或改进。

Claims (27)

1.一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的所述自由端承载的探针尖端，所述方法包括：
测量所述探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果，其中，所述参考表面限定垂直于所述参考表面的参考表面轴线，所述探针尖端相对于所述参考表面轴线具有参考倾斜角；
根据所述探针定向测量结果改变所述悬臂的形状，使得所述探针尖端相对于所述悬臂支架移动，且所述参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角；以及
采用所述探针扫描样品表面，其中，所述样品表面限定垂直于所述样品表面的样品表面轴线，且所述探针尖端具有相对于所述样品表面轴线的扫描倾斜角，在扫描所述样品表面期间，移动所述悬臂支架，以使所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述样品表面中的特征中，所述扫描倾斜角小于所述第一参考倾斜角。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在扫描所述样品表面期间，移动所述悬臂支架，使得所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述样品表面中的所述特征中，所述扫描倾斜角基本上固定为所述第二倾斜角。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一驱动器根据第一驱动信号来平移所述悬臂支架；且第二驱动器根据第二驱动信号改变所述悬臂的形状。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，扫描所述样品表面包括：
控制所述第一驱动信号，使得所述第一驱动器在一系列周期中重复地朝向和远离所述样品表面驱动所述悬臂支架；
在检测到所述探针尖端与所述样品表面的相互作用时，对每个周期生成表面信号；以及
响应于所述表面信号的接收，修改所述第二驱动信号，所述第二驱动信号的所述修改使所述第二驱动器改变所述悬臂的形状，使得所述探针尖端从所述样品表面缩回，其中，对于每个周期，在生成所述表面信号之前存在接近阶段以及在生成所述表面信号之后存在缩回阶段，在所述接近阶段，所述第一驱动器使所述悬臂支架和所述探针尖端朝向所述样品表面移动，在所述缩回阶段，所述第一驱动器使所述悬臂支架和所述探针尖端远离所述样品表面移动。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述第一驱动器是线性致动器，在所述探针尖端插入到所述特征中时，所述线性制动器基本上沿直线延伸。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的方法，其中，当所述探针尖端插入到所述特征中时，所述第二驱动信号基本固定。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，当所述探针尖端插入到所述特征中时，所述悬臂的形状基本固定。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述特征中，所述扫描倾斜角小于所述第一倾斜角的50％、30％或10％。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述特征中，所述扫描倾斜角小于1度、优选地小于0.5度、最优选地小于0.1度。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，测量所述探针相对于所述参考表面的定向以生成所述探针定向测量结果包括与所述参考表面相互作用。
11.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，测量所述探针尖端相对于所述参考表面的定向，以生成所述探针定向测量结果。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过以下操作来测量所述探针尖端相对于所述参考表面的定向：
采用所述探针扫描所述参考表面以生成数据集；
分析所述数据集以识别所述数据集中的不对称特征；以及
确定所述不对称特征中的不对称度，以生成所述探针定向测量结果。
13.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，测量所述悬臂相对于所述参考表面的定向，以生成所述探针定向测量结果。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过以下操作来测量所述悬臂相对于所述参考表面的定向：
用经由透镜的感测光束照射所述参考表面，使得所述感测光束被所述参考表面反射，生成从所述参考表面反射的光束；
采用所述透镜采集从所述参考表面反射的光束，并将从所述参考表面反射的光束引导到位置敏感检测器上，所述位置敏感检测器生成参考测量结果，所述参考测量结果指示从所述参考表面反射的光束在所述位置敏感检测器上的位置；
采用所述感测光束照射所述悬臂，使得所述感测光束被所述悬臂反射，生成从所述悬臂反射的光束；
采用所述透镜采集从所述悬臂反射的光束，并将从所述悬臂反射的光束引导到所述位置敏感检测器，所述位置敏感检测器生成悬臂测量结果，所述悬臂测量结果指示从所述悬臂反射的光束在所述位置敏感检测器上的位置；以及
根据所述参考测量结果和所述悬臂测量结果生成所述探针定向测量结果。
15.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，改变所述悬臂的形状包括使所述悬臂挠曲和/或扭转。
16.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述特征具有入口和底部、从所述入口到所述底部的深度D、所述入口处的宽度W以及纵横比D/W，所述纵横比D/W大于1、2、5或10。
17.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述探针尖端具有根部和尖端、从所述根部到所述基底的长度L、最大宽度W以及纵横比L/W，所述纵横比L/W大于5、10或15。
18.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述特征具有入口、底部和从所述入口延伸到所述底部的一对相对侧壁。
19.一种使悬臂相对于参考表面定向的方法，所述方法包括：
用经由透镜的感测光束照射所述参考表面，使得所述感测光束从所述参考表面反射，生成从所述参考表面反射的光束；
采用所述透镜采集从所述参考表面反射的光束，并将从所述参考表面反射的光束引导到位置敏感检测器上，所述位置敏感检测器生成参考测量结果，所述参考测量结果指示从所述参考表面反射的光束在所述位置敏感检测器上的位置；
采用所述感测光束照射所述悬臂，使所述感测光束从所述悬臂反射，生成从所述悬臂反射的光束；
采用所述透镜采集从所述悬臂反射的光束，并将从所述悬臂反射的光束引导到所述位置敏感检测器，所述位置敏感检测器生成悬臂测量结果，所述悬臂测量结果指示从所述悬臂反射的光束在所述位置敏感检测器上的位置；
改变所述悬臂相对于所述参考表面的定向；以及
根据所述参考测量结果和所述悬臂测量结果控制改变所述悬臂的定向，使得所述悬臂成为以预定角度相对于所述参考表面定向。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，当所述参考表面反射所述感测光束时，所述参考表面位于所述透镜的焦平面中；以及，所述方法还包括：移动所述透镜，使得当所述悬臂反射所述感测光束时，所述悬臂位于所述透镜的所述焦平面内。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过以下操作将所述悬臂定位在所述透镜的所述焦平面中：
在干涉仪中组合从所述悬臂反射的光束与参考光束，生成干涉图；
测量所述干涉图，生成干涉仪输出；
监测所述干涉仪输出的对比度；
移动所述透镜，使得所述对比度达到最大；以及
通过以下操作将所述参考表面定位在所述透镜的所述焦平面中：
在所述干涉仪中组合从所述参考表面反射的光束与所述参考光束，生成干涉图；
测量所述干涉图，生成干涉仪输出；
监测所述干涉仪输出的对比度；
移动所述透镜，使得所述对比度达到最大。
22.一种用探针扫描样品表面的设备，所述设备包括：
探针，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的所述自由端承载的探针尖端；
第一驱动器，配置为平移所述悬臂支架；
倾斜控制器，配置为生成倾斜控制信号；
第二驱动器，配置为根据所述倾斜控制信号来改变所述悬臂的形状；以及
测量系统，配置为测量所述探针相对于参考表面的定向，生成探针定向测量结果，
其中，所述探针尖端具有相对于所述参考表面的参考倾斜角；
所述倾斜控制器配置为从所述测量系统接收所述探针定向测量结果并控制所述倾斜控制信号，使得所述第二驱动器根据所述探针定向测量结果改变所述悬臂的形状，所述探针尖端相对于所述悬臂支架移动，所述参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角；
所述样品表面限定垂直于所述样品表面的样品表面轴线；
所述第一驱动器配置为移动所述悬臂支架，使得所述探针尖端插入到所述样品表面中的特征中；以及，
所述倾斜控制器配置为控制所述倾斜控制信号，使得在所述探针尖端插入到所述特征中时，所述探针尖端具有相对于所述样品表面轴线的扫描倾斜角，所述扫描倾斜角小于所述第一倾斜角。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述第一驱动器是线性致动器，在所述探针尖端插入到所述特征中时，所述线性致动器基本上沿直线延伸。
24.根据权利要求22或23所述的装置，其中，所述第二驱动器配置为通过挠曲和/或扭转所述悬臂来改变所述悬臂的形状。
25.一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的所述自由端承载的探针尖端，所述方法包括：
测量所述探针相对于参考表面的定向以生成探针定向测量结果，其中，所述参考表面限定垂直于所述参考表面的参考表面轴线，所述探针尖端相对于所述参考表面轴线具有参考倾斜角；
根据所述探针定向测量结果改变所述悬臂的形状，使得所述探针尖端相对于所述悬臂支架移动，且所述参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角；
采用所述探针扫描特征，其中，所述特征表面限定特征轴线，且所述探针尖端具有相对于所述特征轴线的扫描倾斜角，在扫描所述样品表面期间，移动所述悬臂支架，使得所述探针尖端以所述扫描倾斜角插入到所述特征中，所述扫描倾斜角小于所述第一参考倾斜角。
26.一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的所述自由端承载的探针尖端，所述方法包括：
测量所述探针相对于参考表面的定向，以生成探针定向测量结果，其中，所述参考表面限定垂直于所述参考表面的参考表面轴线，且所述探针尖端相对于所述参考表面轴线具有倾斜角；
根据所述探针定向测量结果改变所述悬臂的形状，使得所述探针尖端相对于所述悬臂支架移动，且所述倾斜角从第一倾斜角减小到第二倾斜角；以及
采用所述探针扫描样品表面，其中，在扫描所述样品表面期间，移动所述悬臂支架，使得所述探针尖端插入到所述样品表面中的特征中，其中所述探针尖端基本上以所述第二倾斜角固定。
27.一种用探针扫描特征的方法，所述探针包括悬臂支架、从所述悬臂支架延伸到自由端的悬臂以及由所述悬臂的所述自由端承载的探针尖端，所述方法包括：
测量所述探针相对于参考表面的定向，以生成探针定向测量结果，其中，所述参考表面限定垂直于所述参考表面的参考表面轴线，且所述探针尖端相对于所述参考表面轴线具有参考倾斜角；
根据所述探针定向测量结果改变所述悬臂的形状，使得所述探针尖端相对于所述悬臂支架移动，所述参考倾斜角从第一参考倾斜角减小到第二参考倾斜角，并且所述悬臂的形状改变为扫描形状；以及
用所述探针扫描特征，其中，在扫描所述样品表面期间，移动所述悬臂支架，使得所述探针尖端插入到所述特征中，其中，所述悬臂的形状基本上固定为所述扫描形状。
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