JP2001500958A - 自動的なプローブ交換および位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プローブの自動的な交換および正確な位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡および方法であり、プローブマウント(32)に取り付けるための１以上の付加的な保管プローブ(4)が保管カセット(22)またはウエハに保管され、選択されたプローブが検出システム(11)に位置合わせされ、そして位置合わせされたプローブがプローブマウントに対してクランプされる。クランプ処理はクランプ(68)を使用して実行され、このクランプ(68)は保管カセットから置換プローブを取り外す時にディセーブルされ、プローブをプローブマウントに取り付ける時にイネーブルされ、後続するプローブ交換ために後にプローブを解放する時にディセーブルされる。プローブ検出システムからの信号を使用するか、あるいはプローブ画像のパターン認識処理を使用してプローブ位置を決定することにより、プローブ位置合わせが自動化され、作業者の介在なくプローブの取り外しおよび交換が可能となる。適切なプローブ取り付けおよび動作を確実にするために、エラーチェックのための技術が使用される。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 自動的なプローブ交換および位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡 発明の背景 発明の分野 本発明は走査プローブ顕微鏡に関し、特に、例えば改良されたプローブ交換お よび位置合わせを有する原子間力顕微鏡のような走査プローブ顕微鏡および走査 プローブ顕微鏡におけるプローブ交換の方法に関する。先行技術の論考 １．走査プローブ顕微鏡 走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は試料表面に対してシャープなプローブを走査 して、試料表面の特性の局所的な測定を行う。１つの一般的な例は、走査力顕微 鏡としても知られている原子間力顕微鏡であり、これは試料表面に対して（一般 的にカンチレバーと呼ばれている）曲がり易いスプリングレバーに取付けられた シャープな針を走査する。カンチレバーの自由端の動き、位置、角度を測定する ことにより、表面の微細構成、局所的な粘着、摩擦、弾性、磁界または電界の存 在などを含む表面の多くの特性が決定される。他のＳＰＭには、走査トンネル顕 微鏡や走査近接場光学顕微鏡や走査静電容量顕微鏡や他のいくつかのものが含ま れる。２．プローブ交換 これらの走査プローブ技術の多くでは、プローブは損傷を受け、汚れ、鈍るよ うになる。この場合、試料の高品質な測定を行う能力を回復するためにプローブ を交換しなければならない。先行技術では、これは古いプローブを取り除いて新 しいプローブを再取り付けする作業者により手でなされていた。プローブは小さ くデリケートなことが多く、この作業はかなりの熟練を必要とする。デリケート なプローブの１例は、図３に概略的に示されている原子間力顕微鏡で使用される カンチレバー先端である。典型的なカンチレバーは10-500μｍの長さ、10-50μ ｍの幅、および0.5-5μｍの厚みがあり、カンチレバーはほぼ1.5ｍｍ長さ×３ｍ ｍ幅×0.5ｍｍ高さであるサポート基板上に製造されることが多い。カンチレバ ーは単一のワイヤや薄い金属ビームなどからも形成される。以下に説明するプロ ーブのデリケートな性質と位置合わせのために、ＳＰＭ設計のプローブの交換の 中には、パーク・サイエンティフィック・インスツルメントに譲渡された米国特 許第5,376,790号に説明されているように、多くの分数がかかるものがある。こ の時間の間、ＳＰＭ計測器は通常使用することができないことから、最小のプロ ーブ交換および位置合わせ時間は高い試料スループットにとって重要である。走 査プローブ顕微鏡がさらに幅広く使用されるにしたがって、あまり熟練していな い作業者によりさらに素早く操作でき使用できる、あるいは作業者の介在なく自 動的に駆動される計測器を開発するプレッシャが増加してきている。３．検出システムに対するプローブの位置合わせ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で使用されるカンチレバーを含む多くのプローブは 、検出システムと正確に位置合わせしなければならない。ＡＦＭの場合では、検 出システムはカンチレバープローブの自由端の動きを測定する。多くの原子間力 顕微鏡は、ことによるとほんの5-50ミクロンの幅しかない集束レーザビームのも とでカンチレバーを中心付けることを必要とする光学検出技術を使用する。カン チレバーは同様な大きさのターゲット領域を持っているので、カンチレバーのレ ーザ位置合わせには、かなり安定した手を持っていないユーザの能力を越えるこ とが多い精度を必要とする。先行技術は、位置合わせ調整、事前に位置合わせさ れたあるいは自己位置合わせプローブ、および位置合わせを必要としないプロー ブの３つの方法でプローブの位置合わせを取り扱ってきた。これらの先行技術の 内いくつかが図１に図示されている。４．位置合わせのための機械的な調整 図１Ａに示されているように、第１の技術は、光ビームを動かすか（ハンズマ 氏らの米国特許第4,935,634号および再発行番号第34489号、アルベルト氏らの米 国特許第5,157,251号）、（米国特許第5,025,658号および第5,189,906号に基づ く商業的な計測器でなされるように）プローブを動かすか、あるいはカンチレバ ーマウントを動かす（米国特許第5,144,128号）機械的調整を組み込んでいる。 機械的な調整はレバーおよび／またはネジによりユーザの動きを減らすことがで き、位置合わせに必要な正確な動きを可能にする。例えば図１Ａは先行技術で使 用される機構の簡単化した断面図を示しており、光源18をチルトステージ100に 装着することによりＡＦＭ上の光ビーム12を調整している。レーザの傾きを変え ると放射光ビームの位置が変わる。細かいピッチのネジ102を使用することによ り、光ビームはプローブ4のカンチレバーアーム6を照らすために正確に調整する ことができる。先行技術ではこの調整は手でなされていた。 図１Ｂは、カンチレバープローブ4を位置合わせするための他の先行技術を示 している。このケースでは、カンチレバープローブは、プローブを検出器光ビー ム12と位置合わせするために使用されるＸＹ並進運動ステージ24に装着される。 調整システムに必要な付加的な質量がスキャナの共振周波数を減少させて、より 遅い走査速度を必要とすることから、物理的にプローブを並進運動させるシステ ムにとって、プローブにおけるこのような調整は非実用的あるいは望ましくない ことが多い。 テクニカル・インスツルメント・カンパニーにより販売されているＤＭＥディ アルスコープによって使用されるプローブの位置合わせのための他の先行技術装 置が図１Ｃに概略的に示されている。この装置は、光学顕微鏡104の対物レンズ に組み込まれている原子間力顕微鏡から構成されている。この装置では、カンチ レバープローブ4は強磁性ホルダ106に接着され、そして強磁性ホルダ106は環状 永久磁石108により対物レンズの端部に対して磁気的に保持される。強磁性ホル ダは、手で対物レンズの端部に置かれるか、磁石により並進運動ステージから持 ち上げられる。最後の位置合わせのために、並進運動ステージ上に装着された１ 組のピン110が強磁性マウント上の穴と係合するまで、ユーザは１組のピン110を 移動させる。ユーザはプローブが位置合わせされるまでピンで強磁性マウントを 押すことができる。同様な方法は、米国特許第5,423,514号においてワキヤ マ氏らにより説明されている。 この手順はいくつかの欠点を持っている。第１に、強磁性プローブマウント10 6が手により取り付けられず、代わりにＸＹ並進運動ステージ24から磁気的に持 ち上げられた場合、対物レンズ上の永久磁石は強磁性のプローブマウントとプロ ーブを数ミリメータの距離ジャンプさせて磁石106と接触させる。接触のための ジャンプは、無秩序で潜在的に有害なステップである。強磁性プローブマウント 106と磁石108との間に結果的として生じる衝撃は、きわどい試料に対して使用さ れる時に重大な汚染問題となる小片を生じさせる。走査プローブ顕微鏡は半導体 および集積回路製造設備におけるステップを監視するためにますます使用されて きており、そこではこのような小片汚染は受け入れることができない。 さらに、接触のためのジャンプはいくぶん再現不可能な事象であり、カンチレ バープローブの最終位置は、検出システムにより必要とされる位置合わせ公差よ りもかなり多い量、ランダムにオフセットされる。ジャンプにより生じるランダ ムなオフセットを補正するために、特別なピン固定物110を使用するプローブの 付加的な位置合わせが必要となる。また磁石108および強磁性プローブマウント1 06の表面は正確にスライドする表面でないので、プローブの最終的な位置合わせ はぎこちなく、プローブ交換の間に作業者による広範囲な介入が必要となる。５．事前位置合わせされたプローブおよび自己位置合わせプローブ “事前位置合わせ”プローブまたはビルディング自己位置合わせプローブに対 するいくつかの技術が存在する。例えば、先に言及した特許でハンズマ氏によっ ても説明され、さらに米国特許第5,376,790号でも説明されているように、カン チレバープローブが特別な割り出しホルダ112上に装着されている。事前位置合 わせカンチレバープローブはトポメトリックアンドパーク・サイエンティフック ・インスツルメントにより商業的に販売され、そのセールス文献にさらに説明さ れている。割り出しホルダは一般的に、原子間力顕微鏡検出システムに対して割 り出しホルダが正確に位置付けられることを確実にする移動マウント装置114を 持つ。カンチレバープローブ4は（通常ＡＦＭ製造業者の工場において）割り出 しホルダ112上に配置され、何らかの基準に対して位置合わせされ、そして適所 に接着される。基準が工場で維持され、基準と適合する各ＡＦＭが元の基準と十 分な位置合わせを維持するのであれば、ＡＦＭに取り付けられる各カンチレバー は検出システムと“事前位置合わせ”されていることになる。カンチレバーを事 前位置合わせするのに必要な付加的な構成部品および労力は、実質的に顧客に対 するプローブの費用を引き上げる。これらのシステムの中には実際信頼性がなく 、現場で作業者が手で調整することが必要であると分かったものもある。 図１Ｅに示されているように、カンチレバープローブ4のサポート基板8も底面 にエッチングされた移動または準移動マウント表面で作られている。このような カンチレバープローブは、独国のナノプローブにより作られ、米国特許第5,253, 515号においてトダ氏らにより説明されている。取り付けの際にカンチレバー自 体が検出システム12,14に対して位置合わせされるように、組合わせ表面116をＡ ＦＭに取り付けることができる。残念ながら、カンチレバーのサポート基板の大 きさが小さいために、組合わせ表面における位置合わせ機構はかなりデリケート であり、損傷を受けやすい。小さな小片がカンチレバーサポート基板または組合 わせ表面を汚すと、位置合わせ不良も生じる。現在標準的な位置合わせシステム も存在していないので、特定のカンチレバー組合わせ表面をＡＦＭに作ると、非 常に様々な他のカンチレバープローブと互換性がなくなる。６．非位置合わせプローブ 最後に、検出システムに対する細かい位置合わせを必要としないいくつかのタ イプのプローブが使用されている。走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の電極先端が その例である（図１Ｆ）。ＳＴＭに対して、シャープな金属針が導電ホルダに挿 入され、導電ホルダは増幅器に対して電気的接触をもたらし、増幅器は先端と試 料との間のトンネル電流を測定する。導電マウントとの接触と増幅器に対する電 気的接続だけで、細かい位置合わせは必要でない。このような先端は注入チュー ブ120の小さな部分に保持されることが多い。このようなシステムとって先端の 交換は非常に簡単であり、１対のピンセットにより手で容易に実行することがで きる。他のいくつかの走査プローブ顕微鏡は、位置合わせが必要でない、走査イ オン伝導性顕微鏡の電極プローブ、そしてある場合には走査近接場光学顕微鏡 （ＳＮＯＭ）の電極プローブを含むプローブを使用する。 他の非位置合わせプローブも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に対して開発されてお り、この中には、カンチレバーのたわみに応答して電圧または抵抗の変化を生じ させるピエゾ電気またはピエゾ抵抗材料124を有するストレインゲージカンチレ バープローブ122（図１Ｇ）がある。このようなプローブは米国特許第5,229,606 号および第5,266,801号において最初に公開され、その後米国特許第5,345,816号 、第5,345,815号および第5,321,977号でも説明されている。非位置合わせＳＴＭ プローブおよびピエゾ抵抗カンチレバープローブは、パーク・サイエンティフィ ック・インスツルメントにより販売されたオートプローブ ＶＰ ＵＨＶ ＡＦ Ｍ／ＳＴＭにおいて使用されている。 これらの非位置合わせピエゾ電気およびピエゾ抵抗プローブは、ＵＨＶのよう なアクセスしがたい環境で作業するのに便利であるが、ＡＦＭに対して最良の光 学的検出システムの感度レベルに適合していない。またピエゾ抵抗およびピエゾ 電気カンチレバープローブの感度は、カンチレバーの機械的な特性に縛られてお り、非常に高いたわみ感度を持つカンチレバーは多くの適用に対して堅すぎる。 これらの理由ために、商業的なＡＦＭシステムの大多数は光学的な検出技術をい まだに使用しており、これは検出システムに対するカンチレバープローブの位置 合わせを必要とする。７．先行技術のプローブ交換 先行技術の走査プローブ顕微鏡のほとんどは自動的なプローブ交換に対する設 備を持たない。これらのシステムは古いプローブを手で取り除き、手でその適切 な場所に新しいプローブを取り付けることが必要である。いくつかのシステムは 、ドーナツ形スライドトレーまたは同様な回転可能なキャリア上に装着された複 数のプローブを持っている。例えば、パーク・サイエンティフィック・インスツ ルメントにより販売されたオートプローブ ＶＰ ＵＨＶ ＡＦＭ／ＳＴＭや、 米国特許第5,157,256号においてア一ロン氏により説明されている超高真空（Ｕ ＨＶ）で動作するＳＴＭのための装置は、ドーナツ形スライドトレー上に複数の 非位置合わせＳＴＭプローブを保持し、新しいプローブを適所に回転させる手段 を 持っている。トダ氏らは（米国特許第5,253,515号）は、回転可能なキャリア上 に事前位置合わせまたは自己位置合わせＡＦＭカンチレバープローブを装着する ための同様な機構を説明している。ＤＭＥデュアルスコープとともに使用するた めの先に説明した技術も複数のプローブとともに使用するために適合させること ができるが、強磁性プローブマウントがジャンプして磁石と接触した後のプロー ブ位置の再現不可能性と関連する小片汚染問題により、きわどい試料を測定する 自動化システムに対してこの技術は満足できないものである。 要約すると、先行技術は、実質的に費用、複雑性、信頼性を増加させることな く、さまざまなプローブタイプに対して走査プローブ顕微鏡に組み込むことがで きるプローブ交換および位置合わせの信頼性ある方法を提供していない。さらに 、先行技術は、作業者の介在がない自動的なプローブ交換および位置合わせを提 供していない。 発明の要約 したがって、本発明の１つの目的は、便利で信頼性あるプローブ交換および位 置合わせを含む、新しく改良された走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微 鏡を作動させる方法を提供することである。 本発明の他の目的は、実質的な費用または複雑性の増加がなく、さまざまなプ ローブタイプの交換および位置合わせを容易に適応させることができる、新しく 改良された走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡を作動させる方法を提 供することである。 さらに別の目的は、プローブ交換および位置合わせが自動化されている先に着 目したような新しい顕微鏡および方法を提供することである。 これらおよび他の目的は、新規な走査プローブ顕微鏡を提供することにより本 発明にしたがって達成することができ、この新規な走査プローブ顕微鏡は、少な くとも１つのプローブを保管するプローブ保管手段と、前記プローブがプローブ マウントに移された時に、前記プローブ保管手段により保管されている前記プロ ーブをサポートするプローブマウントと、前記試料の少なくとも１つの特性に関 係するプローブ応答を検出する検出システムと、前記プローブマウントと前記試 料との間および前記プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動 を生成する並進運動手段と、前記プローブ保管手段からプローブを取り外し、前 記プローブマウント上に前記プローブを取り付ける、選択的に起動可能なプロー ブピックアップ手段と、前記検出システムに関して前記プローブ保管手段を位置 付けて前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手段を起動するように前記 並進運動手段を制御する制御手段とを具備している。 本発明の走査プローブ顕微鏡の好ましい実施形態では、前記プローブピックア ップ手段が、前記プローブ保管手段に保管されているプローブと前記検出システ ムとの相対位置合わせを測定する位置合わせ検出手段を備えており、前記制御手 段が、前記位置合わせ検出手段からの入力を受け取り、前記保管プローブと前記 検出システムとの間の所要の位置合わせが達成されるまで前記保管プローブと前 記検出システムとの間の相対運動を生成するように前記並進運動手段に加えられ る制御信号を出力する手段と、前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手 段を起動する手段とを備えている。 １つの実施形態では、前記並進運動手段が、前記プローブ保管手段と前記検出 システムとの間の相対並進運動を生成する第１の手段と、前記プローブマウント と前記試料との間の相対並進運動を生成する第２の手段とを備えている。前記第 １の手段および第２の手段により生成された運動の組合わせを、前記保管プロー ブと前記プローブマウントとの間の位置合わせを生成させるのに使用することが できる。 本発明にしたがうと、前記制御手段は、前記保管プローブが前記プローブマウ ントと近接してまたは接触して位置合わせされるように、前記保管プローブの位 置合わせの前に前記保管プローブと前記プローブマウントが近接した時または接 触した時を決定する。前記保管プローブの所要の位置合わせが達成された時に前 記保管プローブが前記プローブマウントにクランプされる。クランプは、真空ク ランプ、機械的クランプ、静電的クランプ、電磁気的クランプ、あるいは他の同 様なクランプ手段により実現される。 好ましい実施形態では、本発明の方法は、前記プローブを前記プローブマウン トにクランプする前に、前記プローブマウントと近接してまたは接触して前記保 管プローブを配置することを含む。プローブがしっかりと装着されているか否か を決定するために、さまざまなエラーチェック方法が使用される。 本発明の走査プローブ顕微鏡の好ましい実施形態では、プローブ保管手段がプ ローブ保管カセットとしてまたは複数のプローブが保持されるウエハとして実現 される。プローブ保管手段が、前記プローブに関して前記試料を移動させるのに も使用される前記並進運動手段上に装着されている。 本発明は、試料の特性のマップを生成することができ、プローブマウントと前 記試料との間の相対並進運動を生成する手段と前記試料の特性に関するプローブ の応答を検出する検出システムとを含む走査プローブ顕微鏡のプローブマウント 上にプローブを装着する新規かつ改良された方法にも向けられている。この方法 は、前記プローブマウント上に装着するためのプローブをプローブ保管装置上に 保管し、前記検出システムに対して前記保管プローブを位置合わせし、前記プロ ーブが位置合わせされた時に前記保管プローブを前記プローブマウントに取り付 けることを含んでいる。 １つの位置合わせ技術では、位置合わせを示す、和信号、垂直方向たわみ信号 、横方向たわみ信号の少なくとも１つを生成するために、位置感知検出器が使用 される。他の技術では、前記プローブの光学画像を生成し、前記生成された画像 のパターンを認識することにより位置合わせが達成される。他の技術では、この 方法は前記プローブ保管装置上に基準マークを提供し、前記基準マークを含む画 像を形成し、前記画像中の前記基準マークを検出し、前記検出された基準マーク に基づいて前記保管プローブを位置合わせすることを含んでいる。 位置合わせ後、本発明の方法は、一般的に前記プローブマウントに対して前記 位置合わせされた保管プローブを真空により保持するように、前記位置合わせさ れた保管プローブに対して真空を適用することにより、前記プローブマウントに 対して前記位置合わせされた保管プローブをクランプすることを含む。プローブ がしっかりと装着されたか否かを決定するために、さまざまなエラーチェック方 法が使用される。さらに一般的には、真空クランプ、機械的クランプ、静電的ク ランプ、あるいは他の同様なクランプを使用することにより、プローブがプロー ブマウントに対してクランプされる。図面の簡単な説明 添付した図面を考慮に入れて以下の詳細な説明を参照することにより同じこと がよりよく理解できるにしたがって、本発明およびその付随する多くの効果のよ り完全な理解が容易に得られるであろう。 図１Ａ−１Ｅは、検出システムに対して走査プローブ顕微鏡におけるプローブ を位置合わせするために使用されるいくつかの先行技術システムの簡単化した図 であり、図１Ｆと１Ｇは、このような位置合わせを必要としない先行技術のＳＰ Ｍプローブの簡単化した図である。 図２は、本発明にしたがった自動的なプローブ交換および位置合わせ能力を備 えた走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面図である。 図３は、原子間力顕微鏡において使用されるカンチレバープローブの簡単化し た斜視図である。 図４Ａおよび４Ｂは、本発明にしたがった走査プローブ顕微鏡で使用するため に保管装置に複数のプローブを保持するプローブカセットのそれぞれの実施形態 の簡単化した斜視図である。 図５は、本発明にしたがった走査プローブ顕微鏡においてプローブをピックア ップし保持するために真空を使用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面 クローズアップ図である。 図６は、本発明にしたがった走査プローブ顕微鏡においてプローブをピックア ップし保持するために、機械的クランプ、スプリングアセンブリ、リニアアクチ ュエータを使用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面クローズアップ図 である。 図７は、本発明にしたがったビデオ画像またはパターン認識を使用することを 含む、光ビューイングを使用して走査プローブ顕微鏡においてカンチレバープロ ーブを位置合わせすること図示している平面図である。 図８Ａは、本発明にしたがってカンチレバーの長さに垂直な方向の検出ビーム に対してカンチレバープローブを位置合わせするプロセスの概略スケッチである 。 図８Ｂは、本発明にしたがってカンチレバーの長さに沿った方向の検出ビーム に対してカンチレバープローブを位置合わせするプロセスの概略スケッチである 。 図９Ａ−９Ｄは、走査プローブ顕微鏡から使用済プローブを取り除くための技 術を図示しているいくつかの装置の簡単化した断面クローズアップ図である。 好適な実施形態の詳細な説明 図面を参照すると、同一の参照番号はいくつかの図面を通して同一の部品また は対応する部品を示しており、特にその図２を参照すると、本発明にしたがった 自動的なプローブ交換および位置合わせ能力を備えた走査プローブ顕微鏡の例が 図示されている。図示の目的だけのために、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の特定の 設計が図示されているが、図示されている一般的な原理は、さまざまな走査プロ ーブ顕微鏡に適用可能である。１．特定の原子間力顕微鏡設計を含む基本的な走査プローブ顕微鏡設計と動作 走査プローブ顕微鏡法では、走査機構（略して、スキャナ）2がプローブ4と（ 図示されていない）試料との間の相対運動を生じさせる。プローブ4は、試料の １つ以上の特性に関係する信号または応答を発生させることができる。検出シス テム11は、プローブによって発生された信号または応答を測定し、強調または増 幅する。試料上の１つ以上の点において１つ以上の試料特性のマップを生成する ために、スキャナ、プローブ、検出システム、関連電子回路およびデータ獲得シ ステムが使用される。スキャナは任意数の並進運動軸を持つことができるが、通 常、試料表面に平行な２つ（ＸおよびＹ軸）と試料に垂直な１つ（Ｚ軸）の３軸 で走査する能力を持っている。スキャナは、３軸で走査できる単一チューブの形 態でピエゾ電気材料から作られているか、複数の単一軸構成要素の組合わせや、 チューブと単一軸構成要素の任意の組合わせから作られていることが多い。また スキャナの動きをさまざまな機構的手段により制約し、増幅してもよい。スキャ ナは電歪材料、磁歪材料、任意の同様な材料から構成することもでき、実際、十 分細かい動きを生み出す任意の装置から構成することもできる。 原子間力顕微鏡法のケースでは、プローブ4は通常サポート基板8上に装着され たスプリングレバーすなわちカンチレバー6である（図３参照）。カンチレバ ー6、その針10、およびそのサポート基板は全体としてプローブ4として呼ばれる 。原子間力顕微鏡法では検出システム11がカンチレバーの自由端の動きを検出す る。この動きを検出するためにさまざまな光学的技術が使用されることが多い。 光レバー検出を使用する検出システム11の例が図２に示されている。このケース では、光ビーム12がカンチレバー上に焦点が合わされ、反射ビーム14が位置感知 検出器16に向けられる。位置感知検出器は通常２または４セグメントの光ダイオ ードあるいはラテラル効果光ダイオードである。カンチレバー6の自由端が表面 の特徴に応答してたわむので、反射光ビーム14は位置感知検出器16上で位置を変 える。光レバーＡＦＭのケースでは、光源18、光ビーム12,14、位置感知検出器 （ＰＳＤ）16が全体として検出システム11を形成する。スキャナ2、光ビーム源1 8、およびＰＳＤ16は、ここでは、通常ＡＦＭヘッド20として呼ばれる共通のア センブリに装着されているように示されている。もちろん、スキャナ、ビーム源 、プローブおよび検出器の多くの変化した配置がいままでなされており、そして 構成することが可能である。 検出器11が光学干渉計を含んでいるＡＦＭも作られており、光ビームの代わり に電子ビームを使用する他の検出システムさえ作られている。初期のＡＦＭでは 、走査トンネル顕微鏡の先端がＡＦＭカンチレバーの上に配置されており、カン チレバーのたわみを検出するために電子トンネルにおける変動が使用されていた 。これらすべての技術では、通常ミクロンスケールの精度で検出システムがプロ ーブ4に対して位置合わせされなければならない。必要とされる高い位置合わせ 精度は、新しいプローブを取り付けそして位置合わせすることを促す。２．プローブ交換および プローブカセット、プローブマウントおよび並進運動ステージの位置合わせ 図２はまたプローブ交換および構成部品の位置合わせを示しており、この構成 部品には自動プローブ交換および位置合わせに使用されるプローブカセット、プ ローブマウントおよび並進運動ステージが含まれている。概略的に示されている ように、プローブ4はここではプローブ保管カセット22であるプローブ保管装置 上に装着されており、このプローブ保管カセット22は走査プローブ顕微鏡に取り 付けるための１つ以上のプローブを保管することができる。可能性あるプローブ カセットは図４Ａおよび図４Ｂに示されている。プローブカセット22は、ＳＰＭ 検出システム11に対するプローブカセット22と保管プローブ4の動きを生じさせ るＸＹ並進運動装置24または同様な装置の上に装着される。このようなＸＹ並進 運動装置は、ＳＰＭに対して試料を移動させたり、試料に対してＳＰＭを移動さ せたりするために、走査プローブ顕微鏡においてすでに普通に使用されている。 これらのＸＹ並進運動ステージは通常ミクロンスケールで再現可能な動きを生じ させることができる精密装置であり、このような装置はデジタル・インスツルメ ントにより製造されたディメンジョンシリーズＳＰＭシステムにおいて既に使用 されている。 このケースのＸＹ並進運動装置24はサポートプラットフォーム26に装着されて いる。垂直サポートフレーム28はサポートプラットフォーム26に装着され、この サポートプラットフォーム26にはＺ並進運動装置30が装着される。Ｚ並進運動装 置30または同様な装置が、ＳＰＭヘッド20とプローブカセット22との間の相対的 な垂直運動を生み出す。別の構成では、Ｚ並進運動装置がプローブカセットを動 かし、代わりに、プローブカセットに対するＳＰＭヘッドのＸＹＺ軸運動を提供 する並進運動装置の任意の組合わせが本発明にしたがって使用できる。 プローブマウント32がスキャナ2の自由端に取り付けられる。プローブマウン トは、プローブカセット22に保管されているプローブ4をピックアップして保持 するために、選択的に起動可能ないくつかのピックアップ機構を持っており、そ の内の２つの実施形態が図５および６において詳細に示されている。振動プロー ブシステムに対しては、他の振動駆動装置33（通常小さなピエゾ電気装置）をプ ローブマウント32の近くに装着してもよい。プローブの振動は、スキャナ2のＺ 軸に対して垂直変調信号を加えることにより引き起こしてもよい。 図２に示されているシステムの残りは、位置合わせし、プローブカセット22か らプローブ3をピックアップするプロセスを制御することに関係する。この装置 および技術の一般的な手順は、ＸＹ並進運動装置24、Ｚ並進運動装置30、スキャ ナ2のいずれかまたはすべてを使用して、プローブカセット22またはプローブマ ウントを移動することである。プローブ4が検出システム11に対して適切に位置 合わせされると、プローブカセット22からＳＰＭのプローブマウント32上にプロ ーブを持ち上げるために、プローブピックアップアクチュエータ34がイネーブル される。この時点で、プローブ4がスキャナ2に取り付けられ、試料の特性を測定 する準備ができる。３．適切なプローブ位置合わせの検出 Ａ．光学的パターン認識 ピックアップアクチュエータ34がイネーブルされる前に、プローブが適切に位 置合わせされているか否かを検出するために位置合わせ検出システムを使用する ことができる。このような位置合わせ検出システムの内２つが図２に図示されて いる。１つの技術では、プローブ4の位置を見ることができるように対物レンズ3 6が配置される。示されている実施形態では、すべてＺ並進運動装置に装着され ている対物レンズ36、部分ミラー38、ミラー40を使用して、プローブ4の画像が 垂直サポートフレームに装着されているカメラ42の内部に形成される。この光学 系の詳細は図示のためだけに提供されており、プローブの光景を提供する多くの 代わりのシステムも動作する。 図２に示されている実施形態では、カメラ42からの画像は光学的パターン認識 システム44に送られる。光学的パターン認識システムは、プローブ4の形状を探 して、プローブの端部が何らかの基準位置からどの程度オフセットしているかを 示す信号を発生させるように設計またはプログラムされている。これは一般的に 、カメラ画像のいくつかのサブセットと基準形状との相互相関マップを形成する ことによりなされる。もちろんパターン認識システムは、４セグメント光ダイオ −ドまたは他の位置感知検出器上にプローブの画像を投射するくらい簡単に構成 することができる。ビーム形状カンチレバーのような簡単な対象物に対して、基 準位置からどの方向にプローブがオフセットしているかを示すために、４セグメ ント光電検出器からの信号を容易に処理することができる。 パターン認識システムまたは同様な装置からの信号は制御システム46に送られ 、そして制御システム46は、ＸＹ並進運動装置24、Ｚ並進運動装置30、およびス キャナ2のそれぞれの動きを制御する１組の運動駆動装置50,52,54にコマンドを 発 行する。プローブが何らかの基準中心点45に対して位置合わせされるまでプロー ブを動かすために、並進運動装置および／またはスキャナのいずれかまたはすべ てが使用される。プローブが基準中心点と位置合わせされた時にプローブが検出 システム11とも位置合わせされるように、基準中心点は較正プロセスを通して選 択される。ＡＦＭカンチレバープローブの最終位置合わせが図７に概略的に示さ れている。代わりに、非自動化システムにおいて、プローブピックアップアクチ ュエータがプローブ画像の観察によりイネーブルされる前に、ユーザが手動でプ ローブの必要なＸＹＺ運動を生じさせることができる。Ｂ．反射信号 先に説明したパターン認識技術の代わりのものとして、ピックアップのために プローブを位置合わせするのに、検出システム11自体を位置合わせ検出システム として使用してもよい。これも図２に概略的に示されている。これはより少ない 付加構成部品しか必要とせず、より安価な走査プローブ顕微鏡システムにさえ含 めることができることから、興味をそそる技術である。 ＡＦＭに対する光レバーたわみが示されている特定のケースでは、位置感知検 出器16の出力は信号処理電子回路48に送られる。信号処理電子回路はさまざまな 信号を生じるが、（１）和信号、（２）垂直方向たわみ信号、（３）横方向たわ み信号の３つの簡単な信号が特に有用である。和信号はカンチレバープローブ4 からの反射ビーム14における反射された光の総量の尺度である。垂直方向および 横方向たわみ信号は、検出システム、特に入来光ビーム12に対するカンチレバー の自由端の相対的な垂直方向および横方向の角度を測定する。 プローブカセット22中のプローブ4の位置合わせを達成するために、満足のい く反射ビーム14がビーム反射信号処理電子回路48により検出されるまで、ＸＹ並 進運動装置24、Ｚ並進運動装置30、およびスキャナ２のいずれかまたはすべてが 動かされる。これが行われる１つの方法は、単に、ＳＰＭ検出システムに対して プローブをまたはこの逆をラスタ走査させている間に先に説明した“和”信号を 監視することによりなされる。これは図８Ａおよび８Ｂに概略的に示されている 。これらの図面では、ＡＦＭカンチレバーはカンチレバー軸に対して垂直な方向 に （図８Ａ）および平行な方向に（図８Ｂ）走査される。これらの走査は、要求さ れる走査範囲、速度、精度および安定性に基づいて、ＸＹ並進運動装置24または スキャナ2、この組合わせ、あるいは任意の均等な並進運動手段により生じさせ ることができることに着目すべきである。例えば、ＸＹ並進運動装置を粗い位置 合わせに使用し、スキャナ運動を細かい位置合わせに使用することができる。 両方のケースにおいて、レーザ反射“和”信号が動きに対してグラフ化される 。図８Ａでは、入来光ビームの中心がカンチレバープローブの中心と位置合わせ された時にレーザ“和”信号が最大であることを示している。コマンドを実行し て、プローブ4がカンチレバー軸に垂直なＹ軸において検出システム上で中心付 けられるまで、ＸＹ並進運動装置24またはスキャナ2のいずれかまたは両方を移 動させるために、制御システム46によりレーザ和信号使用をすることができる。 一旦カンチレバーがＹ軸において中心付けられると、カンチレバーの長さに沿 ったＸ軸において同様な走査が実行される。カンチレバーが動いて入来光ビーム 12のパスの外から直接ビームパスに入ると、“和”は、本質的にゼロから最大値 まで増加する。光レバーおよび同様の技術は、入来ビーム12がＡＦＭカンチレバ ープローブの自由端の近くに位置付けられる時に最も敏感である。入来光ビーム がカンチレバーの固定端の方（この場合検出システムはあまり敏感でない）に移 動してもレーザ反射和信号は最大値のままであるので、カンチレバーの位置を選 択するために付加的な手段を使用しなければならない。例えば較正手順により、 最良の感度を生み出す入力ビームの位置を見つけることができる。例えば１つの 実施形態では、50％点のような、和信号が最大である点からの予め定められたオ フセット距離が、制御システムにプログラムされるかセットされる。制御システ ムは、所要のオフセット位置に達するまでＸＹ並進運動装置24またはスキャナ2 のいずれかまたは両方に対してコマンドを発行する。もちろん、和信号のＸ軸導 関数の極大点を探すことや、ことによると最大和信号の95％が見つかるまでカン チレバーを動かすことを含む、多くの同様な方法を使用してもよい。最もよく動 作する特定のプロセスは、カンチレバーの細部および入来ビームの形状に依存し 、特定のケースに対して最適化することができる。 この手順の間に、ＳＰＭの付加的な位置合わせを自動的に達成してもよいこと に着目することに価値がある。例えば、光レバーＡＦＭは、通常、反射光ビーム 14がおおよそ位置感知検出器16上に中心付けられることを必要とする。カンチレ バープローブの位置合わせおよびピックアップの間または後に、反射光ビーム14 に対して位置感知検出器16を動かして中心付ける運動制御信号を発生させるため に、ビーム反射信号処理電子回路48および制御システム46により生成された垂直 方向および横方向たわみ信号を使用することができる。代わりに、制御システム 46は、垂直方向および横方向たわみ信号がそれらの利用可能な範囲の中心にある ように、これらの信号を電子的にオフセットする信号を発生させることができる 。Ｃ．代わりの位置合わせ技術 もちろん先の手順の任意の組合わせを使用することもできる。例えば粗い位置 合わせに対して光学的パターン認識を使用し、細かい位置合わせに対してレーザ 反射信号を使用することができる。代わりに、付加的なモータまたは駆動機構で 細かい位置合わせを実行することもできる。例えば図１Ａに示されている先行技 術のシステムでは、光ビームの位置を調整するネジにモータを取り付けることが できる。制御システムおよび同様な運動駆動装置は、光ビームをプローブと位置 合わせするために、先に説明した技術の任意のものを使用して光ビームの位置を 調整することができる。さらに、容量性の、磁気的な、光学的な、または機械的 な手段により、プローブの位置の近接感知を含む、他のさまざまな位置合わせ検 出技術を使用することができる。Ｄ．位置感知検出器の位置合わせ 検出システムの最大ダイナミックレンジに対して、測定ビームに関して検出器 を中心付けることが必要であることが多い。例えば光レバーＡＦＭのケースでは 、反射ビーム14を位置感知検出器16上に中心付けるか、あるには任意のオフセッ トを電子的に補償することが通常必要である。堅いカンチレバーや同様なプロー ブに対しては調整は必要とされない。さまざまな程度にゆがみまたは曲がり易い いくつかのプローブのケースでは、位置感知検出器の機械的な並進運動または電 子オフセットが必要とされる。モータや電子オフセット方法は、自動プローブ交 換 および位置合わせの一部として含めてもよい。４．ピックアップ前の複数プローブ位置の決定 プローブカセット22上の保管装置に保持されているプローブ4のアレイ位置を 決定するために、プローブ位置合わせを検出するための先に説明した技術の任意 のものを使用することができる。保管装置に保持されているプローブの位置の記 録を作成するために、個々のプローブをピックアップするステップなしで、任意 の位置合わせ技術を複数のプローブに対して繰り返すことができる。ＸＹ並進運 動装置24および／またはスキャナ2を選択されたプローブの記録された位置に動 かすことにより、プローブを素早く交換することができる。５．プローブピックアップ機構の詳細 先に説明した技術の１つまたは任意の適切な代わりの技術を使用することによ り、一旦Ｘ軸およびＹ軸において検出システムに対してカンチレバーが位置合わ せされると、プローブがプローブマウントピックアップ機構32の垂直範囲に入る まで、Ｚ並進運動装置30が動かされる。既にプローブマウントピックアップ機構 の垂直範囲内に入っているプローブでプローブ位置合わせをできる場合には、こ のステップもより早く実行することができる。２つのタイプのプローブマウント が図５および６に示されている。以下に説明されている装着システムのいずれも プローブ上に特別に輪郭が付けられた組合わせ表面を必要としないことは着目す べきことである。このために、特定の自己位置合わせプローブに対して設計され ているシステムよりも非常に多様なプローブ形状に対して、これらおよび同様な プローブ装着技術を使用することができる。Ａ．真空プローブマウント 図５はスキャナ2の端部の簡単化した断面図を示しており、スキャナ2の上に真 空ベースのプローブマウント32が装着される。示されている設計では、プローブ マウント32は中空真空空洞60で作られている。真空空洞の１つの開口はプローブ 4に向けて下向きに向けられている。例えば注入チューブから作られている真 空取り付け部品62は、プローブマウント32中の真空空洞60の他の開口に対して取 り付けられる。柔軟性あるチューブ64が真空取り付け部品62に取り付けられる。 チューブ64の他端は、必要な付加的な配管を通ってバルブ66にそして（示されて いない）真空源に接続される。真空バルブ66は、図２ではプローブピックアップ アクチュエータ34の形態である。柔軟性あるチューブ64は、チューブがスキャナ 2の動きを制限せずに、そして所望されない振動を伝えないように、軽く柔軟性 があるものが選択される。一旦、Ｚ並進運動装置30がプローブ4を真空プローブ マウント32の範囲に動かすと、プローブピックアップ真空バルブが開かれ、真空 空洞60のより低い方の開口に対してプローブが引き上げられる。Ｂ．機械的なプローブクランプ プローブピックアップ機構に対する代わりの実施形態が図６に示されている。 この設計では、プローブマウント32に対してプローブ4をクランプするために、 機械的なプローブクランプ68が使用される。多くの異なる機械的クランプ方法を 使用することができる。示されている設計では、機械的なクランプがピボットネ ジ70上で揺動し、圧縮タイプのクランプスプリング72によりスプリング負荷され ている。プローブマウント32がプローブカセット22から遠い時には、クランプス プリング72が伸びてプローブクランプ68の一端上を押し、他端がプローブ4をプ ローブマウント32に対して押すようにする。このケースではプローブカセット22 はカットアウト76を持ち、これによって、クランプがプローブマウントにプロ− ブを持ち上げることができるように、プローブクランプ68がプローブ4の一部の 下を動くことができる。プローブクランプ68を解放するために、ソレノイド駆動 プランジャ74または同様な装置を使用して、プローブクランプの端部を押すこと ができる。一旦、プローブマウント32の底部がプローブ4の上部に十分近く位置 付けられると、ソレノイドプランジャ74は外され、プローブマウントに対してプ ローブをクランプし、試料の特性を測定するのに使用する準備ができる。このタ イプクランプシステムは、プローブを手で交換するのが困難な真空システムにお いて自動的にプローブを交換するために使用することもできる。Ｃ．代わりのプローブ装着方法 プローブマウントに対してプローブを装着するために多くの代わりの方法を使 用することができ、使用されてきた。この例には、異なる機械的なクランプ、電 磁気的または静電気的装着、弱い接着剤の使用などが含まれる。プローブ装着方 法に対する唯一の要求は、プローブをピックアップおよび解放するために再現可 能にエネーブルおよびディセーブルできることである。Ｄ．事前位置合わせ、自己位置合わせおよび非位置合わせプローブ 事前位置合わせ、自己位置合わせ、または非位置合わせプローブを使用する代 わりの実施形態において、説明した細かい位置合わせステップの任意のものを使 用せずに、説明した方法の任意のものを使用してプローブをピックアップしても よいことにも着目すべきである。このケースでは、ＸＹＺ並進運動ステージが、 プローブピックアップ機構の範囲内でプローブを単に動かし、プローブピックア ップアクチュエータが係合される。事前位置合わせ、自己位置合わせ、または非 位置合わせプローブは、検出システムに対してプローブを位置合わせする別のス テップを必要としない。６．プローブマウントの垂直位置付け：プローブープローブマウント近接の検出 実際には、ピックアッププロセスの間にプローブの所望しないオフセットを避 けるために図２のプローブピックアップアクチュエータ34（例えば真空バルブま たはソレノイドプランジャ）がイネーブルされる前に、プローブマウントは、プ ローブと非常に近接してまたはプローブと接触さえして位置付けられなければな らないことが多い。ピックアップの間の十分大きなオフセットは、検出システム 11に対してプローブ4を誤って位置合わせすることになる。必要とされる近接ま たは接触の程度は、特定のプローブおよびプローブピックアップ装置に依存する 。この理由のために、プローブピックアップアクチュエータ34をエネーブルする 前に、プローブ4がプローブマウント32に十分近付くまたはプローブマウント32 と接触する時を検出することが望ましい。これに対して、プローブのＺ位置の慎 重な制御や較正、近接または接触センサの使用などを含む多くの技術を使用する こ とができる。多様な近接センサが、いくつか挙げると光学三角測量および他の光 学技術、静電容量検出、ターゲット近くのチューブを通って吹くガスに対する圧 力変化の検出を使用して、工業的な装置および作業において一般的に使用されて いる。 接触を検出する１つの付加的な方法は、図２に示されているようなＡＦＭに既 に組み込まれている。先に説明したように、ビーム反射信号処理電子回路からの 垂直方向または横方向たわみ信号を監視することができる。これらの信号は、入 来レーザビームに対してカンチレバーの垂直方向および横方向の角度を測定する 。機械公差または設計のために、プローブカセット22上のカンチレバーサポート 基板8とスキャナ2上のプローブマウント32との間にわずかな角度的な不整合があ る。プローブマウント32がカンチレバーサポート基板8と接触する時、プローブ マウントの角度と整合するように動くにしたがってカンチレバーアーム6の角度 が変化する。これが起こると、垂直方向および横方向のたわみ信号において検出 可能な変化が生じる。これはプローブ4とプローブマウント32との間の接触のよ り感度の低い検出器であるが、反射ビーム14と位置感知検出器16のサイズに依存 して和信号も変化する。 したがってプローブ4とプローブマウント32との間の接触点は、和信号、垂直 方向のたわみ信号または横方向のたわみ信号の任意のものあるいは全部を監視す ることにより決定することができる。プローブ4とプローブマウント32との間の 接触が達成された時に、プローブピックアップアクチュエータ34がイネーブルさ れ、検出システムに対して最小のオフセットでプローブマウントに対してプロー ブをクランプする。７．プローブの解放 一旦プローブが鈍くなったり汚れると、システムは使用済プローブを下げ、新 しいプローブをピックアップする。ユーザの介在なくシステムを動作させること ができる。使用済プローブを解放するために、プローブマウント32はプローブカ セット22の空スロットに対して、または同様な使用済プローブ保管領域に対して 位置付けられる。いくつかのケースでは、例えば図５に示されているプローブマ ウントの実施形態において、（真空ピックアップバルブ66を閉じ、真空空洞60を 空気中に通気することによって）真空をオフにすることにより、プローブピック アップアクチュエータ34を解放することだけが必要である。プローブは、ソレノ イドプランジャ74に対してプローブマウントを位置付けてプランジャを係合する ことにより、図６に示されているプローブクランプ機構において同様に解放する ことができる。 しかしながらいくつかのケースでは、（通常表面汚染物質の表面張力または静 電気力のために）十分な接着力がプローブ4とプローブマウント32との間に存在 し、ピックアップアクチュエータ34が外された時にプローブがプローブマウント から落ちるのを防ぐ。このケースの場合、プローブをプローブマウントから取り 除くために付加的な機械力を提供することが必要である。 いくつかの方法が図９Ａ−９Ｄに概略的に示されている。１つの簡単な技術（ 図９Ａ）はプローブ4とプローブカセット22または使用済プローブ保管領域86に おける別の表面とを軽く機械的接触することである。プローブと他の表面との軽 い接触はプローブを無理に移動させることになる。使用済プローブ保管領域の表 面を接着剤88でコーティングして、接触時にプローブがプローブマウントから確 実に引き出されるようにすることもできる（図９Ｃ）。 ＡＦＭカンチレバープローブに対して、プローブとプローブカセットまたは使 用済プローブ保管領域の表面との接触を先に説明したのと同じ方法、すなわち構 成部品の垂直位置の正確な制御または較正により、あるいはビーム反射信号を監 視することにより検出することができる。プローブ4がプローブマウント32から 落ちた時、通常、和信号、垂直方向のたわみ信号または横方向のたわみ信号にお けるシャープな変化が示される。 他の方法（図９Ｂ）は、付加的な真空空洞60をプローブカセット22または代わ りの使用済プローブ保管領域に作ることを含む。このケースでは、使用済プロー ブを取り除くために付加的なプローブ除去真空バルブ90をターンオンした時に、 ピックアップ真空バルブ66（図２）がターンオフされる。代わりにプローブマウ ント32の真空空洞60に正の空気圧を向けることができる。 プローブが１個の強磁性材料92に装着されるのであれば、例えば磁気装着シス テム（図９Ｄ）も使用することができる。プローブピックアップ磁石94がプロー ブ4をプローブマウント32に保持し、使用済プローブを除去するためにプローブ 除去磁石96を使用することができる。電磁石はターンオンおよびターンオフさせ ることができることから、この適用に対して好ましい。他の機構により、例えば 適切なＸＹＺ位置合わせが達成される前に強磁性プローブマウント92が磁石94に 飛び付くのを避ける機械的クリップによりプローブのピックアップと解放が制御 されるのであれば、永久磁石も使用することができる。先のアイデアの任意の組 合わせを含む、他の多くの同様なプローブピックアップおよび解放方法も実現す ることができる。８．エラーチェック 自動測定に使用する前に、プローブ装着の完全さおよびプローブの品質をチェ ックすることことが望ましい場合が多い。いくつかのエラーチェックの任意のも のを実行することができる。例えば、真空によりピックアップされるプローブの ケース（図５）では、最小の“安全”値に対して真空圧力をチェックすることが できる。真空圧力が安全値より下の場合には、プローブまたはプローブマウント 上の何らかの破片または欠陥により、あるいは他の何らかのシステム破壊により 、プローブ4がプローブマウント32に対して十分にシールされていないことにな る。別の装着システムに対して同様なチェックをすることができる。制御システ ム46は悪いプローブを廃棄して新しいプローブを載せようとするコマンドを発行 することができる。繰り返し失敗が生じると、制御システム46は、プローブ装着 が失敗し、システムがサービスを必要とすることを技術者に対して警告すること ができる。 適切なプローブ装着、位置合わせおよび動作をチェックするために、他のいく つかの同様なテストを実行することができる。ＡＦＭに対して、これらには、カ ンチレバープローブから反射された光の総量（和信号）をチェックしたり、プロ ーブ装着後に最終的な水平方向または垂直方向のたわみ信号をチェックすること を含めることができる。低い和信号は検出システムとの悪い位置合わせを示す一 方、水平または垂直方向のたわみ信号における偏差はゆがんだカンチレバー6あ るいは欠陥のあるカンチレバーサポート基板8またはプローブマウント32を示す ことができる。 振動プローブシステムに対して、制御システムは所定の駆動振幅に対するカン チレバーの振幅および／または位相応答、カンチレバーの共振周波数または振幅 スペクトラム、および／または振動カンチレバーに対する品質係数“Ｑ”をチェ ックすることができる。振幅スペクトラムにより、カンチレバー振動の振幅に対 する振動駆動周波数を参照する。振動カンチレバー技術は振動駆動装置33からプ ローブマウントを通ってカンチレバーへの振動エネルギの伝達に依存するので、 振幅応答、位相および品質係数Ｑはプローブとプローブ装着の完全さの評価を得 ることになる。うまく装着されたカンチレバープローブは、一般的に共振周波数 近くの振幅スペクトラムにおいて単一のなめらかな共振ピークを示す。プローブ の不安定な装着はカンチレバーの振幅スペクトラムにおいて複数のピークを生じ る。入来レーザビーム14がカンチレバーの自由端からいくらか離れて位置付けら れていると、反射レーザビーム14がより少なく偏向するので、低い応答振幅はカ ンチレバー６に対する検出システム11の不適切な位置合わせも示す。 共振周波数および完全な振幅応答スペクトラムもカンチレバーのスプリング接 触についての情報を提供し、欠陥のあるまたは損傷したカンチレバーを検出する のに使用することができる。汚染物質の付加された質量のために共振周波数にシ フトがあるので、共振周波数をチェックするとプローブの汚染を検出することも できる。９．プロー−ブカセットの詳細 次の説明はプローブカセットの詳細である。図４Ａおよび４Ｂは多くの可能性 あるプローブカセット22のうちの２つの簡単なスケッチを示している。カセット は任意数のプローブのために空間を持っており、線状または格子で位置合わせさ れていることが好ましい。スケッチは、原子間力顕微鏡法用カンチレバープロー ブのためのプローブカセットの特定のケースを示している。プローブカセットは 、多数の機械加工されたまたは成形されたプローブポケット78を持っている。ポ ケットは、名目上スキャナ2の端部上のプローブマウントと同じ角度32において 維 持されており、プローブマウントとプローブ表面のより容易な係合を可能として いる。ポケットは付加的なプローブ先端の余裕79も持っており、プローブを損傷 させることなく先端を試料に向けてプローブを保管できるようになっている。 プローブポケット78は、プローブの外部寸法よりもわずかだけ大きい横方向寸 法を持つことが最も良いように形成されているので、保管されているプローブは プリセットされているパターンに対してきっちりと位置合わせされる。保管プロ ーブ位置で隙間のない公差を維持することは重要でないが、保管プローブ4に対 するプローブマウント32と検出システム11（図２）の位置合わせプロセスをスピ ードアップし、簡単化する。同じ理由のために、プローブカセットは一般的に正 確に機械加工された表面、運動学的な装着表面、または他の同様な高い精度の装 着手段を持ち、高い精度および再現可能性でＸＹ並進運動装置に対して確実に装 着するようになっている。図４Ｂは例えばＸＹ並進運動装置上の正確なピン上に 装着することができる低いカンチレバーカセット上の２つの穴83を示している。 完全な位置合わせは必要ないことを心に留めておくことが重要である。プローブ をピックアップする前にＸＹ並進運動装置またはスキャナを移動させる手順が、 任意のプローブ位置合わせ不良エラーを訂正するからである。 プローブカセットは、基準マーク、識別マーク、小片ガード、および出荷カバ ーを含む、いくつかの便利な構成も持っている。基準マーク80は、ＳＰＭシステ ムをプローブカセット22およびプローブ4のＸ，ＹおよびＺ位置に較正するため に、（図２に示されている）対物レンズ36、カメラ42およびパターン認識システ ム44のような光学系によって使用することができる。オプション的な識別マーク 84（例えばバーコード）は、例えばプローブカセットに載せられているプローブ の番号とタイプを示すことができる。オプション的な小片ガード82は、例えば機 械的な防壁または真空リングから構成されており、プローブピックアッププロセ スで発生した小片がデリケートな試料を汚染することを防ぐことができる。プロ ーブカセット22は、保管プローブの安全な輸送を可能にするために保護出荷カバ ー81も備えている。保護カバーはプローブカセット22上のプローブポケット78に プローブ4を保持し、さらにプローブに接着しない材料から作られているかある いはコーティングされていることが好ましい。このようにして、保管位置からプ ローブを無理に移動させることなくカバーを取り除くことができる。代わりにプ ローブカセットが、例えば以前に説明され図9Bに示されている真空保持手段のよ うな、カセットにプローブを保持するための解放可能な手段を持っていてもよい 。 もちろん多くの代わりの構成が可能である。例えば、ＡＦＭ用のカンチレバー プローブは、数百プローブから構成されているウエハに製造することが多い。こ れらの完全で変更されていないウエハは独立したプローブカセットの代わりに使 用することができる。ウエハ上のカンチレバープローブは平板印刷プロセスによ り形成されるので、カンチレバープローブは一般的にサブミクロンスケールで相 互に正確に位置合わせされている。この正確な位置合わせは、プローブ交換プロ セスを一層早くすることができる。プローブ交換時にプローブのウエハは、デジ タル・インスツルメントにより製造されているディメンジョン7000ＳＰＭシステ ム上で既に使用されているようなロボットウエハ搭載装置により、ＸＹ並進運動 ステージ上に自動的に載せることができる。このケースでは、プローブがウエハ から取り出されてＡＦＭに取り付けられる時に小片汚染を抑制するのに追加的な 予防措置が必要となりそうである。１０．他の走査プローブ顕微鏡 明瞭化のために、この明細書中における議論の大半は、光レバー技術を含む、 原子間力顕微鏡の特定の例および特定の検出手段に集中している。ここで概説さ れている原理は、１）プローブの交換、および２）検出システムに対するプロー ブの位置合わせを必要とするさまざまな走査プローブ顕微鏡の任意のものに拡張 することができる。例えば、ＳＴＭ先端とＡＦＭカンチレバーの適切な位置合わ せが達成されるまでプローブマウントと検出器（ＳＴＭ先端）を並進運動させる 同様なプロセスにより、ＡＦＭカンチレバーの動きを検出するために走査トンネ ル顕微鏡（ＳＴＭ）先端および電子トンネルを使用するＡＦＭを位置合わせし、 その後プローブをピックアップすることができる。システムは電子トンネルの光 学的パターン認識または測定値あるいは同様な技術を使用して、適切な位置合わ せを検出することができる。 他の例は走査近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）であり、この場合には、先細り状 光学プローブが光を試料に伝えまたは試料から光を受け取る。光学プローブは試 料に平行な方向に振動されていることが多く、振動振幅における振動は固定され たプローブ−試料分離を維持するために使用される。光学プローブの動きを測定 するために検出システムが要求される。容量性検出、光学干渉計法および他の光 学的技術を含むいくつかの検出システムが使用されてきた。これらはそれぞれ、 検出システム（例えばキャパシタ板または光ビーム）の何らかの部品と光学プロ ーブの動く部品との位置合わせを必要とする。ＳＮＯＭも最近カンチレバー付き 光学プローブで作られてきており、カンチレバー付き光学プローブもカンチレバ ープローブの動きを検出するために光学レバー技術を使用する。これらの理由の ために、このプローブの交換およびプローブの位置合わせ技術はＳＮＯＭに対し ても使用することができる。 例えばＡＦＭ技術とＳＴＭ画像、磁気画像、容量性画像、高速静電測定などと を組合わせる計測器のような、多くのハイブリッド力顕微鏡もある。これらの技 術や同様な技術の任意のものは、ここで説明しているプローブ交換および位置合 わせ技術から利益を得る。 したがって、先に説明したように、本発明は走査プローブ顕微鏡のためのプロ ーブ交換および位置合わせ装置および方法に向けられており、この装置および方 法は先行技術の制限を解消し、走査プローブ顕微鏡において既に一般的に使用さ れている並進運動ステージおよび走査機構を使用して、作業者の介在なく自動的 なプローブ交換を提供する。これは、半導体プロセスやコンピュータハードディ スクの製造のような表面臨界製作ラインにおける技術者を含む非熟練者が走査プ ローブ顕微鏡法の技術にアクセス可能なようにするに向けての大きなステップで ある。 先の説明は多くの特定なことを含んでいるが、これらは本発明の範囲を限定す るように構成されてはならず、むしろ１以上の好ましい実施形態の例として構成 されるべきである。他の多くの実施形態が可能である。例えば走査プローブ顕微 鏡スキャナは、固定された試料および固定されたプローブカセットに対してＸＹ Ｚ並進運動ステージ上に装着することができる。したがって、添付した請求の範 囲の範囲内で、ここで特に説明されたようなもの以外の別な方法を実施してもよ いことを理解すべきであり、同様な結果または能力を生み出す他のすべての機械 的なアセンブリおよびプロセスは本発明の範囲内であると考えるべきである。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年７月６日（１９９９．７．６） 【補正内容】 請求の範囲 １．試料上の１以上の点において前記試料の少なくとも１つの特性のマップを生 成する走査プローブ顕微鏡であって、 少なくとも１つのプローブを保管するプローブ保管手段と、 前記プローブがプローブマウントに移されたときに、前記プローブ保管手段に より保管されている前記プローブをサポートするプローブマウントと、 前記試料の少なくとも１つの特性に関係するプローブ応答を検出する検出シス テムと、 前記プローブマウントと前記試料との間および前記プローブ保管手段と前記検 出システムとの間の相対並進運動を生成する並進運動手段と、 前記プローブ保管手段からプローブを取り外し、前記プローブマウント上に前 記プローブを取り付ける、選択的に起動可能なプローブピックアップ手段と、 前記検出システムにより作られた信号に少なくとも一部は基づいて、前記検出 システムに関して前記プローブ保管手段を位置付けし、次に、自動プローブ交換 をおこなうように前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手段を起動する ために前記並進運動手段を制御する制御手段とを具備する走査プローブ顕微鏡。 ２．さらに、前記プローブ保管手段内に保管されているプローブと前記検出シス テムとの相対位置合わせを測定する位置合わせ検出手段を備えている請求項１記 載の走査プローブ顕微鏡。 ３．前記制御手段が、 前記位置合わせ検出手段からの入力を受け取り、前記保管されたプローブと前 記検出システムとの間の所要の位置合わせが達成されるまで前記保管されたプロ ーブと前記検出システムとの間の相対運動を生成するために前記並進運動手段に 加えられる制御信号を出力する手段と、 前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手段をつぎに起動する手段とを 備えている請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。 ４．前記並進運動手段が、 前記プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動を生成する第 １の手段と、 前記プローブマウントと前記試料との間の相対並進運動を生成する第２の手段 とを備えている請求項３記載の走査プローブ顕微鏡。 ５．前記第１の手段および第２の手段により生成された運動の組合わせが、前記 保管されたプローブと前記プローブマウントとの間の位置合わせを生成させるの に使用される請求項４記載の走査プローブ顕微鏡。 ６．前記走査プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、前記プローブがスプリン グレバーまたはカンチレバーである請求項５記載の走査プローブ顕微鏡。 ７．前記検出システムが、前記スプリングレバーまたはカンチレバーのたわみを 検出する光学手段を備えている請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。 ８．前記位置合わせ検出手段が、 前記保管されたプローブの光学画像を生成する手段と、 前記生成された画像のパターンを認識するパターン認識手段とを備えている請 求項３記載の走査プローブ顕微鏡。 ９．前記位置合わせ検出手段が、和信号、垂直方向たわみ信号および横方向たわ み信号の少なくとも１つを生成する位置感知検出手段を備えている請求項３記載 の走査プローブ顕微鏡。 １０．前記制御手段が、 前記保管されたプローブが前記プローブマウントと近接してまたは接触して位 置合わせされるように、前記保管されたプローブの位置合わせの前に前記保管さ れたプローブと前記プローブマウントが近接したときまたは接触したときを判断 する手段と、 前記保管されたプローブの所要の位置合わせが達成されたときに前記保管され たプローブを前記プローブマウントに取り付けるために前記ピックアップ手段を 起動する手段とを備えている請求項３記載の走査プローブ顕微鏡。 １１．クランプする手段があって、それが、真空により前記プローブマウントに 対して前記保管されたプローブを保持するように前記保管されたプローブに対し て真空を適用する手段を備えている請求項１０記載の走査プローブ顕微鏡。 １２．前記クランプする手段が、真空クランプ、機械的クランプ、静電的クラン プ、電磁気的クランプからなるグループから選択されたクランプである請求項１ ０記載の走査プローブ顕微鏡。 １３．前記顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、前記プローブがスプリングレバーま たはカンチレバーである請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 １４．前記検出システムが、前記スプリングレバーまたはカンチレバーのたわみ を検出する光学手段を備えている請求項１３記載の走査プローブ顕微鏡。 １５．前記プローブ保管手段がプローブ保管カセットを備えている請求項１記載 の走査プローブ顕微鏡。 １６．前記プローブ保管手段が複数のプローブが保持されているウエハを備えて いる請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 １７．前記プローブ保管手段が前記プローブ保管手段上に備えられた基準マーク を有し、 前記位置合わせ検出手段が、 前記基準マークを含む画像を形成する手段と、 前記画像における前記基準マークを検出する手段と、 前記検出された基準マークを示す信号を前記制御手段に入力する手段とを備え ている請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。 １８．前記プローブ保管手段が、前記プローブに関して前記試料を移動させるの にも使用される前記並進運動手段上に装着されている請求項１記載の走査プロー ブ顕微鏡。 １９．試料の特性のマップを生成することができ、かつ、プローブマウントと前 記試料との間の相対並進運動を生成するシステムと前記試料の特性に関するプロ ーブの応答を検出するプローブ応答検出システムとを含む走査プローブ顕微鏡の 、プローブマウント上にプローブを装着する方法において、 前記プローブマウント上に装着するためのプローブをプローブ保管装置上に保 管する段階と、 前記プローブ応答検出システムに関して前記保管されたプローブの位置合わせ を検出して、検出された位置合わせに対応する検出信号を作る段階と、 自動プローブ交換を行うために前記検出する段階で検出された位置合わせに基 づいて、前記プローブ応答検出システムに関して前記保管されたプローブ位置合 わせを行うために、前記検出信号に応答して前記相対並進運動システムを制御す る段階と、 前記検出する段階で保管されたプローブが所定の位置にあることを検出すると きは前記プローブを前記プローブマウント上に取り付ける段階とから成る方法。 ２０．さらに、前記保管されたプローブと前記プローブマウントとの隔たりを制 御して前記保管されたプローブが前記プローブマウントと近接もしくは接触して から前記プローブが前記プローブ応答検出システムと位置合わせを行うようにす る段階を備えた請求項１９記載の方法。 ２１．前記プローブ保管装置上に基準マークを用意する段階を含み、また、 前記位置合わせを検出する段階は、 前記基準マークを含む画像を形成しかつこの画像内の基準マークを検出する段 階を含み、また、 前記制御する段階は検出された基準マークに基づいて前記保管されたプローブ を位置合わせするために前記並進システムを制御する段階を含む請求項２０記載 の方法。 ２２．前記取り付ける段階は、位置合わせされ保管されたプローブに真空を与え て、この真空という手段によって該位置合わせされたプローブをプローブマウン トに保持する段階を含む請求項２０記載の方法。 ２３．さらに、前記プローブと前記プローブマウントとの間に与えた真空を測定 してプローブがしっかりと装着されているかどうかを判断する段階を含む請求項 ２２記載の方法。 ２４．前記プローブを保管する段階が、ウエーハの表面上に複数の前記プローブ を保持する段階を含む請求項２０記載の方法。 ２５．前記ウエーハの表面上に複数の基準マークを用意し、また前記位置合わせ を検出する段階は前記基準マークを含む画像を形成して、該画像内の基準マーク を検出することを含み、さらに前記制御する段階は前記並進運動システムを制御 して選ばれたプローブを検出された基準マークに基づいて位置合わせすることを 含む請求項２４記載の方法。 ２６．さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いてプローブの位置を検出する段階を含み 、また 前記制御する段階は前記並進運動システムを制御して前記プローブ応答検出シ ステムにより検出されたプローブの位置に基づいて該検出システムに関してプロ ーブを位置に並進させることを含む請求項２５記載の方法。 ２７．さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの位置を検出する段階を 含み、また 前記制御する段階は、該プローブ応答検出システムによって検出されたプロー ブの位置に基づいて検出システムに関してプローブの位置を並進運動するために 前記並進運動システムを制御することを含む請求項２４記載の方法。 ２８．前記位置合わせを検出する段階は前記プローブの光学画像を生成する段階 と生成された画像のパターンを認識する段階とを含む請求項１９記載の方法。 ２９．前記制御する段階は、前記認識する段階で認識されたパターンに基づいて 前記プローブの選ばれたものを位置合わせするために前記並進運動システムを制 御することを含む請求項２８記載の方法。 ３０．さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの位置を検出する段階を 含み、また 前記制御する段階は前記プローブ応答検出システムによって検出されたプロー ブの位置に基づいて検出システムに関してプローブの位置を並進運動するために 前記並進運動システムを制御することを含む請求項１９記載の方法。 ３１．さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの位置を検出する段階を 含み、また 前記制御段階は前記プローブ応答検出システムによって検出されたプローブの 位置に基づいて検出システムに関してプローブの位置を並進運動するために前記 並進運動システムを制御することを含む請求項２１記載の方法。 ３２．前記位置合わせを検出する段階は位置感知検出器を使用して、和信号、垂 直方向たわみ信号、横方向たわみ信号の少なくとも１つを生成する請求項１９記 載の方法。 ３３．前記取り付ける段階は、 前記位置合わせされた保管されたプローブに真空を与えて、この真空という手 段によって該位置合わせされたプローブをプローブマウントに保持する段階を含 む請求項１９記載の方法。 ３４．さらに、 前記プローブと前記プローブマウントとの間に与えた真空を測定してプローブ がしっかりと装着されているかどうかを判断する段階を含む請求項３３記載の方 法。 ３５．前記取り付ける段階は、 真空クランプ、機械的なクランプ、静電気的なクランプ、電磁気的なクランプ の少なくとも１つを使用して、前記プローブを前記プローブマウントにクランプ することを含む請求項１９記載の方法。 ３６．試料上の１以上の点において前記試料の表面上の複数の位置でのプローブ 応答の検出と関係するマップを生成する走査プローブ顕微鏡であって、 保管されたプローブを有するプローブ保管ユニットと、 該プローブ保管ユニット内に保管されたがその上に保管されることになるプロ ーブマウントと、 プローブ応答検出システムと、 該プローブ保管ユニットと該プローブマウントとの間およびプローブが装着さ れている前記プローブマウントと該試料との間の相対並進運動を生成する相対並 進運動システムと、 プローブ位置合わせ検出システムと、 プローブピックアップデバイスと、 該プローブ位置合わせ検出システムの出力に基づいて該プローブマウントに関 して該プローブ保管ユニットの位置決めをするために該プローブ位置合わせ検出 システムによって生成された位置合わせ検出信号に応答して該相対並進システム を制御し、また該プローブ位置合わせ検出システムが自動プローブ交換を行うた めに所定のプローブ位置合わせを検出するときには該保管されたプローブを該プ ローブマウントに移送するために該プローブピックアップデバイスを作動させる 制御器とを備えた走査プローブ顕微鏡。 ３７．前記プローブ位置合わせ検出システムは、 光学作像デバイスと、 該光学作像デバイスに接続されたパターン認識デバイスとを備えた請求項３６ 記載の走査プローブ顕微鏡。 ３８．原子間力顕微鏡として実現された請求項３７記載の走査プローブ顕微鏡。 ３９．前記プローブ位置合わせシステムは前記プローブ応答検出システムを備え ている請求項３７記載の走査プローブ顕微鏡。 ４０．前記相対並進運動システムは、 共通並進運動ステージを備え、このステージによって前記プローブ保管ユニッ トと前記プローブマウントの間で前記相対並進運動が生成され、またプローブが 装着されている前記プローブマウントと前記サンプルとの間で前記相対並進運動 が生成されるようにされた請求項３９記載の走査プローブ顕微鏡。 ４１．前記相対並進運動システムは、 スキャナを備え、このスキャナは前記プローブマウント上に装着されたプロー ブと前記サンプルとの間で、前記制御器の制御の下で前記サンプルの前記少くと も１つの特性のマップを作成するように相対並進運動を生じさせる請求項４０記 載の走査プローブ顕微鏡。 ４２．前記プローブはスプリングレバーまたはカンチレバーである請求項４１記 載の走査プローブ顕微鏡。 ４３．前記プローブ応答検出システムは光学たわみ検出器を含む請求項４２記載 の走査プローブ顕微鏡。 ４４．前記プローブ位置合わせ検出器は前記プローブ応答検出システムを備えて いる請求項４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ４５．前記ピックアップデバイスは選択的に作動可能な真空源を備えている請求 項４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ４６．前記ピックアップデバイスは真空クランプ、機械的クランプ、静電気的ク ランプ及び電磁気的クランプからなるグループから選択されたクランプを備えて いる請求項４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ４７．前記スキャナは、前記少くとも１つの試料の前記マップを生成するよう制 御されたときに前記試料と前記プローブとの間の相対並進運動を作り出し、また 前記共通並進運動ステージは前記プローブマウントに関して前記プローブステー ジユニットの位置を制御するときに前記プローブマウントと前記プローブ保管ユ ニットとの間の相対並進運動を作り出す請求項４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ４８．前記プローブマウントは空洞を含み、また前記プローブピックアップデバ イスは該空洞にソレノイドバルブを介して接続された真空源を含んでいる請求項 ４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ４９．さらに、前記空洞に接続された気体圧力源を備えている請求項４８記載の 走査プローブ顕微鏡。 ５０．原子間力顕微鏡として実現された請求項４１記載の走査プローブ顕微鏡。 ５１．原子間力顕微鏡として実現された請求項４０記載の走査プローブ顕微鏡。 ５２．前記相対並進運動システムは、 前記プローブ保管手段と前記プローブマウントとの間で相対並進運動を作り出 す１以上の並進運動ステージで成る第１の並進運動サブシステムと、 プローブが装着された前記プローブマウントと前記試料との間で相対並進運動 を作り出す１以上の並進運動ステージで成る第２の並進運動サブシステムとを備 えた請求項３９記載の走査プローブ顕微鏡。 ５３．前記相対並進運動システムはさらに、 前記試料の少くとも１つの特性の前記マップを生成するために前記制御器の制 御の下に前記プローブマウント上に装着されたプローブと前記試料との間で相対 並進運動を作り出すスキャナを備えている請求項５２記載の走査プーブ顕微鏡。 ５４．原子間力顕微鏡として実現された請求項５３記載の走査プローブ顕微鏡。 ５５．前記第１と第２の並進運動ステージにより作り出される運動の組合せが前 記保管されたプローブと前記プローブ応答検出システムとの間の位置合わせを生 じさせる請求項５２記載の走査プローブ顕微鏡。 ５６．原子間力顕微鏡として実現された請求項５２記載の走査プローブ顕微鏡。 ５７．原子間力顕微鏡として実現された請求項３５記載の走査プローブ顕微鏡。 ５８．前記制御器は前記プローブ位置合わせ検出器に応答して前記並進運動シス テムへ制御信号を出力し、 前記並進運動システムは該制御信号に応答して前記プローブ保管ユニットと前 記プローブ応答検出システムとの間で相対並進運動を生成して前記保管されたプ ローブが前記プローブ応答検出システムと位置合わせされるようにし、また 前記制御器は、前記保管されたプローブと前記プローブ応答検出システムとの 位置合わせが前記プローブ位置合わせ検出システムにより検出されたときに前記 プローブピックアップデバイスを作動させる請求項３７記載の走査プローブ顕微 鏡。 ５９．前記プローブ位置合わせ検出システムが和信号、垂直方向たわみ信号およ び横方向たわみ信号の少くとも１つを作成する位置感知検出器を備えた請求項５ ８記載の走査プローブ顕微鏡。 ６０．プローブとプローブマウント接近検出器を備え、 前記制御器は該プローブとプローブマウント接近検出器に応答して前記制御信 号を出力し、かつ前記プローブが前記プローブマウントに接触もしくは接近する とときに前記プローブピックアップデバイスを作動させる請求項５８記載の走査 プーブ顕微鏡。 ６１．前記プローブマウントは空洞を含み、また 前記プローブピックアップデバイスはソレノイドバルブを介して該空洞に接続 された真空源を含む請求項６０記載の走査プローブ顕微鏡。 ６２．さらに、前記空洞に接続された気体圧力源を備える請求項６１記載の走査 プローブ顕微鏡。 ６３．原子間力顕微鏡として実現された請求項６０記載の走査プローブ顕微鏡。 ６４．原子間力顕微鏡として実現された請求項５８記載の走査プローブ顕微鏡。 ６５．前記プローブは、スプリングレバーもしくはカンチレバーを含む請求項３ ６記載の走査プローブ顕微鏡。 ６６．前記プローブ応答検出システムは、光学たわみ検出器を備えている請求項 ６５記載の走査プローブ顕微鏡。 ６７．前記ピックアップデバイスは、選択的に作動可能な真空源を備えている請 求項３６記載の走査プローブ顕微鏡。 ６８．前記ピックアップデバイスは、真空クランプ、機械的クランプ、静電気的 クランプ及び電磁気的クランプから成るグループから選択されたクランプを備え ている請求項３６記載の走査プローブ顕微鏡。 ６９．前記プローブ保管ユニットは、プローブ保管カセットを備えている請求項 ３６記載の走査プローブ顕微鏡。 ７０．前記プローブ保管ユニットは、複数のプローブを保持するウエーハを備え ている請求項３６記載の走査プローブ顕微鏡。 ７１．前記プローブ保管ユニットは基準マークを備え、また 前記プローブ位置合わせ検出システムはプローブ保管ユニット光学作像デバイ ス、及び基準マークパターン認識検出器であって該プローブ保管ユニット光学作 像デバイスと前記制御器とに接続されたものを備えている請求項３６記載の走査 プローブ顕微鏡。 ７２．前記プローブマウントは空洞を含み、また 前記プローブピックアップデバイスは該空洞にソレノイドバルブを介して接続 された真空源を含んでいる請求項３６記載の走査プローブ顕微鏡。 ７３．さらに、前記空洞と接続された気体圧力源を備えている請求項６０記載の 走査プローブ顕微鏡。 ７４．原子間力顕微鏡として実現された請求項７３記載の走査プローブ顕微鏡。 ７５．原子間力顕微鏡として実現された請求項３６記載の走査プローブ顕微鏡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プレイター、クレイグ・ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、ペンブロー ク・アベニュー 5530 (72)発明者 グリッグ、デイビッド・エー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93105、サンタ・バーバラ、ストーンクリ ーク・ロード 1217、ユニット・イー (72)発明者 メイヤー、チャールズ・アール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、ローズ・アベ ニュー 5080−イー (72)発明者 ハーツォッグ、ウイリアム・エイチ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、バーティス・ ストリート 619 (72)発明者 ガーリー、ジョン・エー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93105、サンタ・バーバラ、ケンモア・プ レイス 2991 (72)発明者 エリングス、バージル・ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93110、サンタ・バーバラ、バイア・クラ リス 4664

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．試料上の１以上の点において前記試料の少なくとも１つの特性のマップを生 成する走査プローブ顕微鏡において、 少なくとも１つのプローブを保管するプローブ保管手段と、 前記プローブがプローブマウントに移された時に、前記プローブ保管手段によ り保管されている前記プローブをサポートするプローブマウントと、 前記試料の少なくとも１つの特性に関係するプローブ応答を検出する検出シス テムと、 前記プローブマウントと前記試料との間および前記プローブ保管手段と前記検 出システムとの間の相対並進運動を生成する並進運動手段と、 前記プローブ保管手段からプローブを取り外し、前記プローブマウント上に前 記プローブを取り付ける、選択的に起動可能なプローブピックアップ手段と、 前記検出システムに関して前記プローブ保管手段を位置付けて前記選択的に起 動可能なプローブピックアップ手段を起動するように前記並進運動手段を制御す る制御手段とを具備する走査プローブ顕微鏡。 ２．前記プローブピックアップ手段が、前記プローブ保管手段に保管されている プローブと前記検出システムとの相対位置合わせを測定する位置合わせ検出手段 を備えている請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 ３．前記制御手段が、 前記位置合わせ検出手段からの入力を受け取り、前記保管プローブと前記検出 システムとの間の所要の位置合わせが達成されるまで前記保管プローブと前記検 出システムとの間の相対運動を生成するように前記並進運動手段に加えられる制 御信号を出力する手段と、 前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手段を起動する手段とを備えて いる請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。 ４．前記並進運動手段が、 前記プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動を生成する第 １の手段と、 前記プローブマウントと前記試料との間の相対並進運動を生成する第２の手段 とを備えている請求項３記載の走査プローブ顕微鏡。 ５．前記第１の手段および第２の手段により生成された運動の組合わせが、前記 保管プローブと前記プローブマウントとの間の位置合わせを生成させるのに使用 される請求項４記載の走査プローブ顕微鏡。 ６．前記走査プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、前記プローブがスプリン グレバーまたはカンチレバーである請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 ７．前記検出システムが、前記スプリングレバーまたはカンチレバーのたわみを 検出する光学手段を備えている請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。 ８．前記走査プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、前記プローブがスプリン グレバーまたはカンチレバーである請求項５記載の走査プローブ顕微鏡。 ９．前記検出システムが、前記スプリングレバーまたはカンチレバーのたわみを 検出する光学手段を備えている請求項８記載の走査プローブ顕微鏡。 １０．前記位置合わせ検出手段が、 前記保管プローブの光学画像を生成する手段と、 前記生成された画像のパターンを認識するパターン認識手段とを備えている請 求項３記載の走査プローブ顕微鏡。 １１．前記位置合わせ検出手段が、和信号、垂直方向たわみ信号および横方向た わみ信号の少なくとも１つを生成する位置感知検出手段を備えている請求項３記 載の走査プローブ顕微鏡。 １２．前記制御手段が、 前記保管プローブが前記プローブマウントと近接してまたは接触して位置合わ せされるように、前記保管プローブの位置合わせの前に前記保管プローブと前記 プローブマウントが近接した時または接触した時を決定する手段と、 前記保管プローブの所要の位置合わせが達成された時に前記保管プローブを前 記プローブマウントに取り付ける手段とを備えている請求項３記載の走査プロー ブ顕微鏡。 １３．前記クランプする手段が、真空により前記プローブマウントに対して前記 保管プローブを保持するように前記保管プローブに対して真空を適用する手段を 備えている請求項１２記載の走査プローブ顕微鏡。 １４．前記クランプする手段が、真空クランプ、機械的クランプ、静電的クラン プ、電磁気的クランプからなるグループから選択されたクランプである請求項１ ２記載の走査プローブ顕微鏡。 １５．前記プローブ保管手段がプローブ保管カセットを備えている請求項１記載 の走査プローブ顕微鏡。 １６．前記プローブ保管手段が複数のプローブが保持されているウエハを備えて いる請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 １７．前記プローブ保管手段が前記プローブ保管手段上に提供された基準マーク を備え、 前記位置合わせ検出手段が、 前記基準マークを含む画像を形成する手段と、 前記画像における前記基準マークを検出する手段と、 前記検出された基準マークを示す信号を前記制御手段に入力する手段とを備え ている請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 １８．前記プローブ保管手段が、前記プローブに関して前記試料を移動させるの にも使用される前記並進運動手段上に装着されている請求項１記載の走査プロー ブ顕微鏡。 １９．試料の特性のマップを生成することができ、プローブマウントと前記試料 との間の相対並進運動を生成する手段と前記試料の特性に関するプローブの応答 を検出する検出システムとを含む走査プローブ顕微鏡のプローブマウント上にプ ローブを装着する方法において、 前記プローブマウント上に装着するためのプローブをプローブ保管装置上に保 管し、 前記検出システムに対して前記保管プローブを位置合わせし、 前記プローブが位置合わせされた時に前記保管プローブを前記プローブマウン トに取り付けることを含む方法。 ２０．前記検出システムに対して前記プローブを位置合わせする前に、前記プロ ーブマウントと近接してまたは接触して前記保管プローブを配置することをさら に含む請求項１９記載の方法。 ２１．前記位置合わせステップが、位置感知検出器を使用して、和信号、垂直方 向たわみ信号、横方向たわみ信号の少なくとも１つを生成する請求項１９記載の 方法。 ２２．前記位置合わせステップが、 前記プローブの光学画像を生成し、 前記生成された画像のパターンを認識することを含む請求項１９記載の方法。 ２３．前記プローブ保管装置上に基準マークを提供することを含み、 前記位置合わせステップが、 前記基準マークを含む画像を形成し、 前記画像中の前記基準マークを検出し、 前記検出された基準マークに基づいて前記保管プローブを位置合わせすること を含む請求項１９記載の方法。 ２４．前記プローブを保管するステップが、ウエハの表面上に複数のプローブを 保持することを含む請求項１９記載の方法。 ２５．前記ウエハの表面上に複数の基準マークを提供することを含み、 前記位置合わせステップが、 前記基準マークを含む画像を形成し、 前記画像中の前記基準マークを検出し、 前記検出された基準マークに基づいて複数のプローブの中から選択されたもの を位置合わせすることを含む請求項２４記載の方法。 ２６．前記取り付けステップが、真空によって前記プローブマウントに対して前 記位置合わせされたプローブを保持するように前記位置合わせされた保管プロー ブに対して真空を適用することを含む請求項１９記載の方法。 ２７．前記取り付けステップが、真空によって前記プローブマウントに対して前 記位置合わせされたプローブを保持するように前記位置合わせされた保管プロー ブに対して真空を適用することを含む請求項２０記載の方法。 ２８．プローブがしっかりと装着されているか否かを決定するように、前記プロ ーブと前記プローブマウントとの間に適用された真空を測定することをさらに含 む請求項２６記載の方法。 ２９．プローブがしっかりと装着されているか否かを決定するように、前記プロ ーブと前記プローブマウントとの間に適用された真空を測定することをさらに含 む請求項２７記載の方法。 ３０．前記取り付けステップが、真空クランプ、機械的なクランプ、静電気的な クランプ、電磁気的なクランプの少なくとも１つを使用して前記プローブを前記 プローブマウントにクランプすることを含む請求項１９記載の方法。