KR102204809B1 - 주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법 - Google Patents

주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛(555); 및 (b) 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브(400)를 고유 진동(1050)으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 주사 탐침 현미경(500)에 관한 것이다.

Description

주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법
본 특허 출원은 2016년 10월 28 일자로 출원된 독일 특허 출원 DE 10 2016 221 319.9의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로서 명백하게 포함된다.
본 발명은 주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경은 샘플 또는 그 표면을 주사하기 위해 측정 프로브를 사용하여 샘플 표면의 토포그래피(topography)를 표현하기 위한 측정 데이터를 산출한다. 주사 탐침 현미경은 이하 SPM으로 약칭한다. 서로 다른 SPM 유형은 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용 유형에 따라 구별된다.
원자간력 현미경(AFM) 또는 주사 포스 현미경(SFM)이라고 하는 현미경에서, 측정 프로브의 측정 팁은 샘플 표면의 원자력, 일반적으로 교환 상호 작용(exchange interaction)의 반데르발스 인력 및/또는 척력에 의해 편향된다. 측정 팁의 편향은 측정 팁과 샘플 표면 사이에 작용하는 힘에 비례하며, 이 힘은 샘플의 표면 토포그래피를 결정하는 데 사용된다.
AFM 이외에도, 예를 들어, 주사 터널링 현미경, 자력 현미경 또는 광학 및 음향 근접 주사 현미경과 같은 특정 적용 분야에 사용되는 다수의 추가 장치 유형이 있다.
주사 탐침 현미경은 다른 작동 모드에서 사용될 수 있다. 제1 접촉 모드에서, 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면 상에 위치되고, 이 상태에서 샘플 표면 위로 주사된다. 여기서 측정 팁을 운반하는 측정 프로브의 캔틸레버 또는 스프링 빔의 편향이 측정될 수 있고, 샘플 표면을 이미징하는 데 사용할 수 있다. 제2 접촉 모드에서, 캔틸레버의 편향은 폐쇄된 제어 루프에서 일정하게 유지되고, SPM의 거리는 샘플 표면의 윤곽을 추적한다. 이 두 가지 작동 모드에서는 첫번째로 측정 팁이 크게 마모되고, 두번째로 민감한 샘플이 측정 팁과의 접촉으로 손상되거나 파괴될 수 있다.
제3 작동 모드인 비접촉 모드에서, 측정 팁은 샘플 표면으로부터 규정된 거리로 이동되고, 측정의 캔틸레버는 통상적으로 캔틸레버의 공진 주파수에서 또는 그 부근에서 진동하도록 여기된다. 그런 다음 측정 프로브가 샘플 표면 위로 주사된다. 이 작동 모드에서 측정 팁이 샘플과 접촉하지 않기 때문에 마모가 적다. 그러나, SPM의 공간 분해능은 접촉 작동 모드보다 이 작동 모드에서 더 낮으며, 또한 샘플 표면에서 작용하는 힘의 짧은 범위로 인해 표면 윤곽을 결정하는 것이 어렵다.
제4 작동 모드인 간헐적 모드(또는 탭핑 모드TM)에서, 캔틸레버는 마찬가지로 강제 진동을 수행하도록 하지만, SPM과 샘플 표면 사이의 거리는 발진기의 작은 부분 동안에만 측정 팁이 샘플 표면에 도달하도록 선택된다. 샘플 표면의 윤곽은 강제 진동의 주파수, 진폭 또는 위상의 변화에서 파생되며, 이 변화는 측정 프로브와 샘플 표면의 상호 작용으로 인해 발생한다. 간헐 모드는 앞서 언급한 세 가지 작동 모드 간의 절충안을 나타낸다.
간행물 "자여 발진 방식 태핑 모드 원자력 현미경", Rev. Scien. Instr., volume 72, number 9, pages 4220-4222에서, 저자 L. Maning, B. Rogers, M. Jones, J.D. Adams, J.L. Fuste 및 S.C. Minne은 간헐적인 작동 모드(또는 탭핑 모드™)에 사용되는 압전 마이크로 캔틸레버 센서를 기술하고 있다.
위의 단락에 명시된 출판물과 유사하게, B. Rogers, L. Manning, T. Sulchek, J.D. Adams in Ultramicroscopy 100(2004), pages 267-276 의 논문 "압전 캔틸레버를 이용한 탭핑 모드 원자력 현미경 개선"은 간헐 동작 모드에서 사용하기 위한 압전 마이크로-캔틸레버 센서를 기술하고 있다.
"Sensors & Trans-ducers Journal, volume 98, issue 11, 2008 년 11 월호, 45-53 페이지, ISSN 1726-5479의 논문 "바이모프 액추에이터와 압저항식 판독 기능이 통합된 마이크로 캔틸레버의 자여 발진 모드를 위한 모든 디지털 PLL 시스템 "에서, 저자 N. Nikolov, N. Kenarov, P. Popov, T. Gotszalk 및 I. Rangelow는 통합 바이모프 액추에이터와 압저항식 판독 장치가 있는 마이크로 캔틸레버용 자여 발진 시스템을 설명한다.
제5 작동 모드인 스텝인 동작 모드 또는 단순히 스텝인 모드에서, 샘플 표면에 수직인 및 샘플 표면에 평행한 이동이 순차적으로 수행된다. 이를 위해, 측정 프로브의 측정 팁을 샘플 표면 위로 내리고, 샘플 표면과 측정 팁 사이의 상호 작용을 동시에 측정한다. 그 후, 측정 팁이 실질적으로 초기 위치로 다시 가게된다. 결과적으로, 측정 팁은 샘플 표면에 평행한 규정된 부분에 의해 변위되고, 분석 프로세스는 추가로 낮추는 프로세스와 함께 계속된다. 이러한 관계는 도 1에 개략적으로 설명된다.
논문 "반도체 공정 평가를위한 인라인 원자력 현미경" Hitachi Review, volume 51(2002), number 4, 130-135 페이지에서, 저자인 H. Koyabu, K. Murayama, Y. Kembo and S. Hosaka는 AFM의 작동 모드의 단계를 설명한다. 도 1은 상술한 공개물로부터 발췌한 것이다.
미국 특허 제 7 129 486 B2 호의 미국 특허 문서는 스텝인 주사 모드와 유사한 PFM(pulsed force mode) 동작 모드에 대한 시간-힘 곡선의 측정 및 분석을 기술하고 있다.
미국 특허 제 7 631 548 B2 호의 미국 특허 문서는 주사 탐침 현미경의 스텝인 동작 모드를 고려하고, 편향 신호의 검출된 시간 곡선이 어떻게 샘플 표면을 분석하는데 사용될 수 있는지를 설명한다.
측정 프로브의 캔틸레버의 측정 팁을 샘플 표면 상에 낮추고 프로브로부터 측정 팁을 회수하는 시간 곡선을 재현하는 도 2는 직전 언급된 특허 출원으로부터 발취했다. 스텝인 동작 모드의 특징은, 측정 프로브의 캔틸레버의 진동의 의도하지 않은 여기로서, 상기 진동은 예를 들어 샘플 표면과 측정 팁 사이의 접착력에 의해 야기된다. 샘플 표면으로부터 측정 프로브가 회수하는 동안 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면에서 들어 올려질 때, 이 힘은 측정 프로브의 공진 주파수 또는 그 고유 진동에서 진동을 여기한다. 측정 프로브의 스프링 상수 크기와 주사 탐침 현미경의 측정 프로브가 작동하는 주변 조건에 따라, 이 진동의 감쇠는 도 2에 도시된 것보다 상당히 낮을 수 있다. 도 3은 샘플 표면에서 들어 올려지는 측정 프로브에 의해 여기된 진동의 2차 감쇠 곡선이다. 이 도면은 특허 문헌 US 8 650 660 B2로부터 취해졌다.
캔틸레버의 진동이 상당한 진폭을 갖는 한 추가 주사 프로세스가 시작될 수 없다. 그 위에 겹쳐지는 측정 프로브의 감쇠 진동을 갖는 측정은 큰 어려움으로 만 해석될 수 있다. 따라서 샘플 표면을 떠날 때 여기되는 측정 프로브의 진동 감쇠 시간은 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 제한한다.
이미 위에서 언급한 미국 특허 번호 제8 650 660 B2 호의 문서는 AFM의 PFT(peak force tapping) 작동 모드를 설명한다. 첫째로, PFT 작동 모드는 AFM의 자동 조정을 단순화하고 두 번째로 PFT 작동 모드는 캔틸레버의 진동 감쇠를 기다릴 필요가 없으며, 이는 새로운 측정 사이클이 시작되기 이전에 측정 팁이 샘플 표면을 들어올리는 경우에 여기된다. 이를 위해, 측정 프로브의 측정 데이터는 샘플 또는 그 표면과의 모든 상호 작용 사이클에 걸쳐 기록된다. 상호 작용 사이클은 측정 프로브가 샘플과 상호 작용하는 상호 작용 부분과 샘플 표면과 측정 프로브 사이의 상호 작용이 없는 부분으로 세분된다. 샘플과 측정 프로브 사이의 상호 작용력은 상호 작용 부분에서 결정되고, 측정 팁의 편향의 영점은 상호 작용이 없는 부분에서 계산된다.
이 특허 문서에는 측정 프로브의 측정 팁과 측정 데이터로부터의 샘플 표면 사이의 상호 작용을 확인하기 위하여 스텝인 주사 사이클 당 많은 양의 데이터의 정확한 기록, 각 스텝인 주사 사이클 내 상호 작용 부분 또는 상호 작용 영역을 결정하기 위한 마커의 자동 또는 수동 배치 및 큰 연산 용량을 필요로 한다.
본 발명은 SPM의 스텝인 주사 모드의 상술한 문제 영역 또는 이전 솔루션의 복잡성을 피하기 위해 적어도 부분적으로 사용될 수 있는 장치 및 방법을 특정하는 문제점을 해결한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 문제는 청구항 1에 따른 장치에 의해 해결된다. 일 실시예에서, 상기 장치는 주사 탐침 현미경을 포함하며, 상기 주사 탐침 현미경은: a. 샘플 표면 위로 측정 프로브를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛; 및 b. 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브를 고유 진동으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치를 가진다.
샘플 표면에서 측정 프로브를 들어 올리면, 매우 넓은 주파수 스펙트럼이 측정 프로브를 여기시키며, 상기 측정 프로브가 고유 또는 공진 주파수에서 이완 발진을 일으킨다. 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경의 자여 발진 회로 장치는 스텝인 동작 모드 동안 측정 프로브의 고유 또는 공진 주파수에서 정밀하게 발진하도록 측정 프로브를 여기시킨다. 측정 프로브가 고유 주파수에서 작동됨에 따라, 측정 프로브와 샘플 표면 사이의 점착력으로 인해 발생하는 측정 프로브의 감쇠 진동은 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면에서 분리된 후 측정 프로브의 미리 결정된 진폭에서의 고유 진동의 적시의 진입(set-in)을 돕는다. 측정 프로브가 샘플 표면에서 들어 올려진 후, 들어올림에 의해 유도된 진동의 진폭이 새로운 주사 사이클 또는 스텝인 사이클이 시작되기 전에 고유 진동의 미리 정해진 진폭에 도달할 때까지 기다리기만 하면 된다. 이는 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 현저하게 증가시킨다.
상기 자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동에 대한 여기의 위상을 설정하도록 구현된 위상 시프터를 포함할 수 있다.
고유 주파수에서의 측정 프로브의 진동은 측정 프로브가 샘플 표면에서 들어올려진 이후에 가능한 빨리 재설정 될 수 있도록 하기 위해, 여기 또는 여기 신호와 측정 프로브의 고유 진동이 서로에 대해 규정된 위상차를 갖는 것이 바람직하다. 측정 프로브의 고유 진동의 가능한 최적의 여기는 여기 신호와 고유 진동이 실질적으로 90 °의 위상차를 가지는 경우에 달성된다.
본 출원 및 다른 곳에서, "실질적으로"라는 표현은 측정 변수가 종래 기술에 따라 측정 도구를 사용하여 측정되는 경우의 그의 오차 허용 범위 내의 측정 변수의 표시를 나타낸다.
상기 위상 시프터는 측정 프로브의 고유 진동의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±30°, 바람직하게는 ±20°, 보다 바람직하게는 ±10° 및 가장 바람직하게는 ±5°의 범위의 위상차로 상기 여기를 설정하도록 구현될 수 있다.
상기 자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동의 진폭을 설정하도록 구현된 자동 이득 폐루프 제어를 포함한다.
상기 자동 이득 폐루프 제어는 적어도 하나의 증폭기, 주사 홀드 회로 장치, 및 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 제어 유닛은 주사 모드와 홀드 모드 사이에서 상기 주사 홀드 회로 장치를 스위칭하도록 구현된다.
상기 자여 발진 회로 장치는 디지털 회로로서 구현될 수 있다. 상기 자여 발진 회로 장치는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)로 구현될 수 있다.
또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 측정 프로브의 캔틸레버에 전달하도록 구현된 제1 액추에이터를 가질 수 있으며, 또한 상기 자동 이득 폐루프 제어의 상기 제어 유닛으로부터의 신호를 상기 측정 프로브의 캔틸레버에 전달하도록 구현된 제2 액추에이터를 가질 수 있다.
상기 주사 탐침 현미경은 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 제1 액추에이터에 전달하도록 구현된 제1 레이저 시스템을 가질 수 있으며, 또한 상기 제어 유닛으로부터의 신호를 상기 제2 액추에이터에 전달하도록 구현된 제2 레이저 시스템을 가질 수 있다.
상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 바이모프 액추에이터로 구현될 수 있다. 상기 측정 프로브의 상기 캔틸레버는 바이모프 액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 측정 프로브의 캔틸레버의 편향을 검출하도록 구현되는 검출기를 가질 수 있으며, 또한 상기 측정 프로브의 캔틸레버의 자유 단부의 수직 위치를 검출하도록 구현되는 검출 유닛을 가질 수 있다.
상기 검출기는 광검출기 및/또는 간섭계를 포함할 수 있고, 검출 유닛은 광검출기 및/또는 간섭계를 포함할 수 있다. 자여 발진 회로 장치의 제어 유닛은 측정 프로브의 고유 진동의 주파수의 변화의 측정으로부터 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용을 결정하도록 구현될 수 있다.
또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 주사 유닛 및 여기 유닛을 포함하는 제어 장치를 가질 수 있으며, 상기 여기 유닛은 상기 자여 발진 회로 장치를 제어하도록 구현된다.
측정 프로브의 고유 진동은 1 kHz 내지 20 MHz, 바람직하게는 5 kHz 내지 10 MHz, 보다 바람직하게는 10 kHz 내지 5 MHz 및 가장 바람직하게는 20 kHz 내지 2 MHz의 주파수 범위를 포함할 수 있다. 상기 측정 프로브의 상기 고유 주파수의 진폭은 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 5nm 내지 700nm, 보다 바람직하게는 10nm 내지 500nm 및 가장 바람직하게는 20nm 내지 200nm의 범위를 포함할 수 있다.
자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동의 진폭을 모니터 하기 위하여 상기 자여 발진 회로 장치에 의해 이용되는 제어 신호를 제공하도록 구현되는 커넥터를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 청구항 15에 따른 방법에 의해 문제가 해결된다. 실시예에서, 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키는 방법으로서, 이하 단계: a. 샘플 표면 위로 측정 프로브를 스텝인 주사 모드로 주사하는 단계; 및 b. 자여 발진 회로 장치를 이용하여 상기 스텝인 주사 모드 동안 고유 진동을 수행하기 위하여 상기 측정 프로브를 여기하는 단계를 포함한다.
상기 단계 a. 및 b.는 ; c. 단계 b.에서: 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 측정 프로브에 전달하도록 구현되는 상기 제1 액추에이터를 작동시키는 단계; d. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 거리를 변화시키도록 구현되는 제2 액추에이터를 작동시키는 단계; 및 e. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 a. 및 b.는: f. 단계 b.에서: 상기 제2 액추에이터를 작동시키는 단계; g. 단계 b.에서: 주사 홀드 회로 장치를 주사 모드로부터 홀드 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동정지시키는 단계; h. 단계 b.에서: 상기 측정 프로브의 상기 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계값 이하로 떨어지는 경우에 상기 제1 액추에이터를 작동정지시키는 단계; i. 단계 a.에서: 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면의 접촉을 검출한 이후에 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁의 수직 위치를 결정하는 단계; j. 단계 a.에서: 상기 제2 액추에이터를 작동정지시키고, 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉의 손실이 있을 때까지 미리 결정된 지속 시간을 대기하는 단계; k. 단계 b.에서: 상기 제1 액추에이터를 동상으로 작동시키는 단계; 및 l. 단계 b.에서: 상기 주사 홀드 회로 장치를 홀드 모드로부터 주사 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉을 검출하는 단계는 이 지점에서의 상기 측정 프로브의 측정 팁의 수직 위치의 결정을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 제1 액추에이터의 작동 없이 상기 측정 프로브의 고유 진동의 감쇠 곡선으로부터 상기 제1 액추에이터의 동상 작동을 위한 스위치 온 시간을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템에 의해 실행되는 경우에, 전술한 측면의 방법 단계들을 수행하기 위하여 컴퓨터 시스템을 프롬프트하는 명령들을 포함할 수 있다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 주사 탐침 현미경의 스텝인 주사 모드를 개략적으로 도시한다.
도 2는 샘플 표면에 대한 측정 프로브의 접근과 상부 부분 이미지에서의 측정 프로브의 캔틸레버의 편향 신호를 도시하며, 샘플 표면에 대한 측정 프로브의 측정 팁의 접근, 상기 측정 팁과 샘플 표면의 접촉 및 하부 부분 이미지에서의 샘플 표면에서의 측정 프로브의 측정 팁의 들어올림을 제공한다.
도 3은 종래 기술에 따른 관련 이완 발진을 갖는 주사 탐침 현미경의 스텝인 동작 모드 또는 스텝인 주사 모드의 2 사이클을 도시하며, 상기 이완 발진은 샘플 표면에서 측정 프로브를 들어올림에 의해 유도된다.
도 4는 바이 모프 액추에이터를 구비한 측정 프로브의 개략도이다.
도 5는 주사 탐침 현미경의 일부 구성 요소를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 자여 발진 회로 배열의 일부 구성 요소를 재생산한다.
도 7은 FPGA의 형태로 구현된 자여 발진 회로 장치의 일부 구성 요소를 도시한다.
도 8은 스텝인 주사 모드의 사이클의 개략도.
도 9는 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타내며, 측정 프로브의 여기 주파수는 측정 프로브의 공진 주파수와 일치하지 않다.
도 10은 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타내며, 여기서 측정 프로브의 여기 주파수는 공진 주파수와 일치한다.
도 11은 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키는 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 1 내지 도 3은 주사 동작 모드, 주사 모드 또는 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경과 관련된 문제점을 간략하게 설명하기 위해 사용된다. 그 후, 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법의 현재 바람직한 실시예가 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1의 다이어그램은 스텝인 주사 모드로 작동되는 주사 탐침 현미경에 의해 측정 데이터가 기록되는 방법을 개략적으로 도시한다. 단계(i)에서, 측정 프로브는 샘플의 표면 상에 배치된다. 측정 프로브와 샘플 표면 사이의 마지막 접근 단계에서, 측정 프로브의 측정 팁은 주로 반데르발스 힘인 샘플 표면의 인력의 영향을 받으며, 상기 측정 팁이 샘플 표면에 의해 끌린다. 도 3에서, 이 영역은 문자 A와 B로 지정된다. B 지점에서 측정 프로브가 샘플 표면과 접촉한다. 이 상태에서 z 방향 또는 수직 방향, 즉 샘플 표면에 수직인 측정 프로브의 거리가 기준점 또는 기준면에 대해 측정된다.
그런 다음 측정 프로브가 도 1의(ii) 단계에서 샘플 표면에서 회수된다. 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접착력을 극복할 수 있도록, 측정 프로브의 캔틸레버에는 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접촉이 깨지기 전에 상당한 스트레스가 있다. 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접촉은 도 3의 지점 D에서 분리된다. 측정 프로브의 캔틸레버에 저장된 에너지는 최대 진폭 E을 갖는 공진 주파수에서 측정 프로브의 진동을 통해 소산된다.
단계(iii)에서, 측정 프로브는 샘플 표면으로부터 회수된 상태에서 소정 거리만큼 측 방향으로 변위된다. 새로운 하강 단계(i)는 샘플 표면의 측정 프로브의 측정 팁을 들어 올려 유도된 진동이 감쇠하자마자 시작될 수 있다.
상부 부분 이미지에서, 도 2는 샘플 표면으로부터 측정 프로브의 하강 및 회수 및 샘플 표면으로부터 측정 프로브를 분리함으로써 야기되는 측정 프로브의 캔틸레버의 진동을 다시 한번 보여준다. 측정 프로브를 하강하고 회수하는 것은 측정 프로브의 z-액추에이터에 적용된 제어 신호에 대한 반응으로 발생하며, 상기 제어 신호는 도 2에서 측정 프로브의 측정 팁의 편향 신호의 곡선 아래에 도시된다. 도 2의 하부 부분 이미지는 좌측에는 샘플 표면의 장거리 인력의 거리 범위를, 중앙에는 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면과 접촉한 상태를, 우측에는 샘플 팁이 샘플 표면에서 분리되는 순간을 나타낸다.
샘플 서비스에서 측정 팁을 들어 올려 측정 프로브의 캔틸레버가 진동하는 것은 여러 요인에 따라 달라진다. 측정 팁의 형태와 재질, 샘플의 재료 구성과 표면 상태가 영향을 미친다. 측정 프로브의 스프링 상수는 여기 공진의 최대 진폭 크기 및 감쇠 거동에 매우 중요하다. 마지막으로, 측정 프로브가 작동하는 주변 환경은 측정 프로브의 이완 발진의 감쇠 특성에 결정적으로 중요하다.
도 4는 측정 프로브(400)를 통한 단면을 개략적으로 도시한다. 측정 프로브(400)는 종래 기술에서와 같이 아래의 캔틸레버(410)로 지칭되는 벤딩 바(410)를 포함한다. 도 4에 예시된 예에서, 캔틸레버(410)는, 예를 들어, 실리콘과 같은 반도체 재료로 제조될 수 있는 제1 층(420)을 포함한다. 또한, 캔틸레버(410)는 예를 들어 금속을 포함할 수 있는 제2 층(430)을 갖는다. 2층 캔틸레버(410)에 대한 재료는 바람직하게는 강성 또는 탄성, 열팽창 및/또는 이들의 생산성에 따라 선택된다.
도 4의 예에서, 캔틸레버(410)는 바이모프 액추에이터(440)의 기능을 만족시킨다. 바이모프 액추에이터(440)를 활성화시킴으로써, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 먼저 소정의 주파수 및 진폭에서 다음으로 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 발진하도록 여기된다. 따라서, 바이모프 액추에이터(440)는 제1 액추에이터(480)의 기능을 만족시킨다. 또한, 바이모프 액추에이터(440)는 적절한 여기를 이용하여 하향, 즉 측정 팁(460)의 방향으로 굽혀질 수 있다. 따라서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 바이모프 액추에이터(440)는 제2 액추에이터(490)의 기능을 수행 할 수있다.
캔틸레버(410)의 자유 단부(450)에는 측정 팁(460)이 부착된다. 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)은 샘플 표면과 상호 작용한다. 캔틸레버(410)의 반대측 단부 또는 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분(foot)은 홀딩 장치(470)에 연결된다. 예를 들어 홀딩 플레이트의 형태로 구현되는 홀딩 장치(470)는 클램프(도 4에 도시되지 않음)에 의해 측정 프로브(400)를 주사 탐침 현미경에 부착시키는 역할을 한다.
도 5는 주사 탐침 현미경의 일부 구성 요소를 개략적으로 도시하는데, 그 SPM 측정 헤드는 측정 프로브(400)를 SPM(500)에 통합시키는 역할을 하는 마운트(명확성을 위하여 도 5에서 숨겨짐)를 갖는다. 주사 탐침 현미경은 샘플(510)을 검사하기 위하여 사용되는 측정 변수에 따라 구별된다. 주사 터널링 현미경(STM)은 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 터널링 전류를 사용하며, 그 터널링 전류는 샘플(510)의 샘플 표면(515)의 토포그래피를 분석하기 위하여 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이에 전압이 인가됨에 따라 발생한다. AFM(Atomic force microscopes)은 샘플(510)에 의한 측정 팁(460)의 편향으로부터 샘플(510)의 표면 윤곽을 결정한다. AFM(Magnetic force microscopes)은 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 자력을 측정한다. SNOM(Scanning near-field optical microscopes)는 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 상호 작용으로서 감쇄 전자기파를 이용한다. SNAM(Scanning near-field acoustic microscope)은 샘플(510)의 표면 토포그래피를 주사하기 위해 근거리 음향 상호 작용을 이용한다. 주사 탐침 현미경의 이러한 열거는 완전한건 아니다.
본 출원에 개시된 바와 같이, 스텝인 주사 모드에서 주사 탐침 현미경(500)의 주사비(scan rate) 또는 주사 속도(speed)를 가속시키기 위한 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 고유 진동의 여기 원리가 캔틸레버(410), 즉 탄성적으로 유연한 레버 아암 또는 짧게는 스프링 빔을 갖는 모든 유형의 주사 탐침 현미경의 측정 프로브에 적용될 수 있다.
원자 현미경(AFM)(500)은 주사 탐침 현미경(500)의 일례로서 아래에 설명된다. 도 5에 도시된 원자력 현미경(500)은 주변 조건 또는 진공 챔버(도 5에 도시되지 않음)에서 작동될 수 있다. 분석될 샘플(510)은 샘플 스테이지(520) 상에 배치된다. 샘플 스테이지(520)는 위치 설정 장치(525)에 의해 3개의 공간 방향으로 위치될 수 있다. 위치 설정 장치(525)는 예를 들어 스핀들 액추에이터 및/또는 압전-액추에이터(도 5에 도시 없음)의 형태인 하나 이상의 마이크로-변위 요소를 포함한다.
측정 프로브(400)는 원자력 현미경(AFM)(500)의 AFM 측정 헤드 내의 고정 장치(도 4에 도시되지 않음) 상의 장착부에 의해 고정된다. 측정 프로브(400)의 고정 장치(470)는 압전 액추에이터(도 5에 도시되지 않음)를 통해 AFM(500)의 측정 헤드에 연결된다. 측정 프로브(400)를 AFM 측정 헤드에 연결하는 압전 액추에이터는 주사 장치의 기능을 수행할 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 또 다른 실시예에서, 홀딩 장치(470)를 AFM 측정 헤드에 연결하는 압전 액추에이터와 위치 설정 장치 사이에서의 샘플 표면(515)과 측정 프로브(400)의 측정 팁(460) 사이의 상대적인 움직임을 분할하는 것이 가능하다. 예를 들어, 위치 설정 장치(525)는 샘플 평면(xy-평면)에서 샘플(510)의 이동을 수행하고, 전술한 압전 액추에이터는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 샘플에 대한 법선의 방향(z-방향)의 이동을 구현한다.
그러나, 바람직하게는, 샘플 스테이지(520)는 고정식으로 구현되고, 측정 팁(460)은 마이크로-변위 요소(도 5에 미도시)에 의해 샘플(510)의 분석될 영역으로 가게 된다.
측정 프로브(400)는 복수의 동작 모드로 동작할 수 있다. 먼저, 측정 프로브(400)는 샘플(510)의 표면(515)에 걸쳐 일정한 높이로 주사될 수 있다. 대안으로, 측정 프로브(400)는 폐 제어 루프에서 일정한 힘으로 샘플 표면(515) 위로 가이드될 수 있다. 또한, 변조 방법의 도움으로, 캔틸레버(410)가 샘플 표면(515)에 대해 수직으로 진동하도록 하여, 이에 의해 폐 제어 루프에서 샘플(510)의 표면(515)을 주사하는 것이 가능하다.
그러나, 측정 프로브(400)는 주사 모드 또는 스텝인 동작 모드에서 동작되는 것이 바람직하다. 이 동작 모드에서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 측정 프로브(400)의 고유 또는 공진 주파수에서 진동하도록 여기된다. 도 5에 도시된 예에서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)가 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 진동하도록 여기하기 위하여 제1 레이저 시스템(530)을 이용한다. 레이저 시스템(530)은 레이저 빔(532)에 의해 측정 프로브(400)의 바이모프 액추에이터(440) 상에 지향되는 시간 변화하는 출력을 생성하고, 이는 바이모프 액추에이터(440)의 제1 액추에이터(480)의 기능을 제어한다. 도 5에 도시된 예에서, 제1 레이저 시스템(530)은 전자기 스펙트럼의 적외선 범위 내의 광, 특히 800nm 영역의 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함한다. 가변 출력 전력 또는 레이저 시스템(530) 에서의 대응하는 레이저 펄스를 생성하는데 이용되는 회로 장치의 상세가 도 6 및 도 7과 관련된 논의에서 이하 설명된다.
제2 레이저 시스템(570)은 샘플 표면(515)의 방향으로 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)를 구부리기 위해 사용된다. 이를 위해, 제2 레이저 시스템(570)의 빔(572)은 제1 레이저 시스템(530)의 빔(532)과 통합되어 도 5의 예에서 결합 요소(535)의 도움으로 두 레이저 시스템(530 및 570)의 공통 빔(537)을 형성한다. 결합 요소(535)는 편광 빔 스플리터 큐브를 포함할 수 있다. 결합된 빔(537)은 바람직하게는 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분으로 향하게 된다. 제2 레이저 시스템(570)은 시간에 대해 일정하거나 시간에 따라 천천히 변화하는 광 빔(532)을 방출한다. 도 5의 예에서, 제2 레이저 시스템(570)은 마찬가지로 적외선 파장 범위에서 방출하는 레이저 다이오드를 포함한다. 따라서, 제2 레이저 시스템(570)은 바이모프 액추에이터(440)의 제2 액추에이터(490)의 기능을 제어한다. 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 동일한 방출 파장을 가질 수 있거나 또는 상이한 파장을 갖는 광을 생성할 수 있다. 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 간략화를 위해 도 5에 숨겨진 공통 광학 유닛에 의해 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410) 상에 포커싱될 수 있다. 또한, 양 레이저 시스템(530 및 570)이 각각 전용 광학 유닛을 가지며, 캔틸레버(410)의 상이한 지점에 각각 포커스될 수 있다.
또한, 두 가지 기능(도 5에 도시되지 않음)을 수행하기 위해 단일 레이저 시스템을 사용할 수도 있다. 이 경우, 단일 레이저 시스템의 레이저 빔은 바이모프 액추에이터(440)에 시간상의 에너지를 공급하여, 바이모프 액추에이터(440)가 제1 액추에이터(480)로서, 캔틸레버(410)를 여기시켜 고유 진동수로 진동시키고, 제2 액추에이터(490)로서, 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)를 샘플 표면(515)의 방향으로 한정된 방식으로 굴곡시킨다. 이 구성은 우선, 주사 탐침 현미경(500) 및 제어 장치(550)의 복잡성을 감소시키고, 둘째로, 이는 단지 하나의 광선(537)으로 작업하는 것을 용이하게 하여, SPM(500)의 조정을 단순화시키므로, 유리하다.
레이저 시스템(530 및 570)에는 특별한 요구 사항이 없다. 그 파장은 원하는대로 선택될 수 있다. 그러나, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장은 레이저 빔(535 또는 575)의 조정을 용이하게 한다. 그러나, 바이 모프 액추에이터(440)에서 흡수된 방사선의 일부분은 캔티레버(410)의 재료와 레이저 시스템 또는 시스템(530 및 570)을 서로 매치시키기 위해 가능한 한 크다. 바이모프 액추에이터(440) 또는 캔틸레버(410)를 가열하기 위해서는 수 mW의 출력 전력으로 충분하다. 캔틸레버(410)를 가열하고 측정 프로브(400)의 고유 진동을 여기시키기 위해서는 10 ㎛ 미만의 초점 스폿(focal spot)에 초점을 맞추는 것이 필요하다. 특히, 레이저 방사선(537)이 캔틸레버(410)를 지나서 샘플(510)에 거의 도달하지 않도록 하기 위해, 초점 스폿은 캔틸레버(410)의 폭보다 작아야한다. 측정 프로브(400)의 공진 주파수는 수 kHz 내지 수 MHz 범위의 주파수 내에 있다. 이러한 요구 사항은 최신 레이저 시스템(530)에는 아무런 문제가 되지 않는다.
측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플(510)의 표면(515)의 상호 작용의 결과로서의 측정 팁(460)의 편향 또는 그 변화는 광 포인터 시스템을 사용하여 검출될 수 있다. 필수적인 구성 요소들로서, 광 포인터 시스템은 제3 레이저 시스템(540) 및 검출기(545)를 포함한다. 제3 레이저 시스템(540)은 검출 유닛(585)을 통해 방사하고 레이저 빔(542)을 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)로 향하게 한다. 캔틸레버(410)로부터 반사된 레이저 빔(547)은 검출기(545)에 의해 픽업된다. 도 5에 도시된 예에서, 제3 레이저 시스템(540)은 전자기 스펙트럼의 가시 범위의 광, 특히 녹색광을 방출하는 고체 상태 레이저를 포함한다. 제3 레이저 시스템(540)은 연결부(541)를 통해 제어 장치(550)에 의해 제어된다. 광 포인터 시스템의 검출기(545)는 종종 4개의 쿼드런트 포토다이오드의 형태로 구현된다. 2개의 세그먼트 포토 다이오드(도 5 및 도 6에 도시되지 않음)를 사용할 수도 있다. 검출기(545)는 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 캔틸레버(410)의 진동 및 샘플 표면(515)에 측정 팁(460)을 낮추기 위한 제2 액추에이터(490)에 의한 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 조정 가능한 굽힘 모두를 검출할 수 있다.
검출 유닛(585)은 도 5의 주사 탐침 현미경(500)에 설치된다. 예로서, 검출 유닛(585)은 예를 들어 레이저 간섭계 및/또는 포토 다이오드와 같은 광학 간섭계를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 예에서, 검출 유닛(585)은 간섭계를 포함하며, 그의 광원은 제3 레이저 시스템(540)에 의해 형성된다. 도 5에 도시된 예에서, 검출 유닛(585)은 측정 팁(460)이 샘플(510)의 표면(515)과 접촉하는 경우의 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치의 z- 위치를 측정하는데 이용된다. 이를 위하여, 간섭계(585)는 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과 접촉할 때 캔틸레버의 자유 단부(450)에 의해 반사된 제3 레이저 시스템(540)의 광빔(542)의 광을 분석한다. 또한, 특히 샘플 표면(515)에 수직인 z-방향에서의 측정 팁(460)의 움직임을확인하기 위하여, 검출 유닛(585)을 이용하는 것이 가능하다.
또한, 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 편향은 캔틸레버(410)의 압전 저항 소자 또는 센서(도 5에 도시되지 않음)의 도움으로, 추가적으로 또는 대안적으로 검출될 수 있다. 또한, 압전 저항 소자(도 5에 도시 없음)의 측정 데이터와 광학 포인터 시스템 및/또는 검출 유닛(585)의 광학 신호의 조합으로부터 기준 포인트 또는 기준 평면과 샘플 표면(515)과 관련된 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 거리를 결정하는 것이 가능하다.
또한, 원자 현미경(500)은 제어 장치(550)를 포함한다. 제어 장치(550)는 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)을 포함한다.
제어 장치(550), 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.
접속부(527 및 580)를 통해, 주사 유닛(555)은 측정 프로브(400)를 AFM 측정 헤드와 연결하는 위치 설정 유닛(525) 및/또는 압전-액추에이터의 이동의 개루프 및/또는 폐루프 제어를 제공한다. 또한, 제어 장치(550)의 주사 유닛(555)은 접속부(541)를 통해 제3 레이저 시스템(540)을 제어한다. 접속부(582)를 통해, 여기 유닛(560)은 측정 프로브(400)가 고유 진동으로 여기되는 여기 또는 여기 신호를 생성하는 자여 발진 회로 장치(590)를 제어한다.
자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(548)를 통해 검출기(545)로부터 측정 데이터를 수신한다. 또한, 자여 발진 회로 장치(590)는 마찬가지로 연결부(587)를 통해 검출 유닛(585)으로부터 측정 데이터를 얻을 수 있다. 검출 유닛(585)은 그 측정 데이터를 접속부(586)를 통해 제어 장치(550)의 주사 유닛(555)에 공급한다. 자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(531)를 통해 제1 레이저 시스템(530)을 제어하고, 상기 제1 레이저 시스템은 다시 레이저 빔(532)에 의해 바이모프 액추에이터(440)의 제1 액추에이터(480)를 제어한다. 더욱이, 자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(571)를 통해 제2 레이저 시스템(570)을 제어한다. 전술한 것처럼, 제2 레이저 시스템(570)의 레이저 빔(572)은 바이모프 액추에이터(440)의 제2 액추에이터(490)를 제어하고, 따라서 샘플 표면(510)의 방향으로의 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)의 굽힘을 제어한다. 이를 위해, 결합 레이저 빔(537)은 전술한 것처럼 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분의 인근(즉, 홀딩 장치(470)가 부착되는 캔틸레버(410)의 단부)에 있는 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)로 향하게 된다.
대안적인 실시예에서, 바이모프 액추에이터(440)는 레이저 시스템(570) 대신에 하나 이상의 저항 소자를 사용하여 가열된다. 예를 들어, 제1 저항 소자는 제1 레이저 시스템(530) 대신에 사용될 수 있고, 제2 저항 소자는 제2 레이저 시스템(570)(도 5에 도시되지 않음) 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 측정 프로브(410)는 압전 소자(도 5에 도시되지 않음)의 도움으로 그것의 고유 주파수에서 진동하도록 여기된다. 전술한 실시예들의 혼합된 형태를 사용하는 것도 가능하다.
측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용은 진동하도록 여기되어 있는 측정 프로브(400)의 진폭 변화에 의해 검출될 수 있다. 대안적으로, 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근할 때 고유 진동의 주파수의 변화로부터 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용을 확인할 수 있다.
도 6의 다이어그램(600)은 측정 프로브(400)의 고유 진동을 생성하기 위한 여기 또는 여기 신호를 생성하는데 사용될 수 있는, 도 5의 자여 발진 회로 장치(590)의 필수 구성 요소를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 레이저 시스템(680)에서 결합된다. 자여 발진 회로 장치(590)의 제어 유닛(610)은 SPM(500)(도 6에 도시 없음)의 제어 장치(550)의 여기 유닛(560)에 연결된다. 자여 발진 회로 장치(590)는 증폭기(620), 주사 홀드 회로 장치(640) 및 제어 유닛(610)의 형태의 자동 이득 폐루프 제어(670)를 갖는다. 또한, 자여 발진 회로 장치(590)는 스위치(660)를 포함하며, 이에 의해 제어 유닛(610)은 주사 홀드 회로 장치(640)의 주사 모드와 홀드 모드 사이에서 스위칭할 수 있다. 위상 시프터(630)는 레이저 시스템(680)에 대해 제공되는 여기의 또는 레이저 시스템(680)에 대해 제공되는 제어 신호의 위상 각도를 측정 프로브(400)의 고유 진동의 위상에 적응시킨다. 또한, 자동 이득 폐루프 제어(670)는 위상 쉬프터(630)의 및 주사 홀드(640)의 신호를 결합하는 결합 유닛(650)을 갖는다. 예를 들어, 결합 유닛(650)은 위상 시프터(630)의 신호와 주사 홀드 회로 장치(640)의 신호를 곱하는 승산 유닛을 가질 수 있다(도 6에 도시 없음). 또한, 결합 유닛(650)은 위상 쉬프터(630)와 주사 홀드 회로 장치(640)의 승산된 신호를 제어부(610)의 신호에 가산하는 합산 유닛(도 6에서는 미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 제어 유닛(610)은 전압 램프(voltage ramp)를 생성하기 위한 생성기 부분을 포함한다. 생성기 부분은 레이저 시스템(680)에 대한 여기 신호(675)의 일부인 전압 신호를 생성한다. 제어 유닛(610)의 생성기 부분의 전압 램프는 레이저 시스템(680)을 통해 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 제어하고 및 이에 따라 샘플 표면(515)으로부터의 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)까지의 거리를 제어한다.
자여 발진 회로 장치(590)가 증폭된 측정 신호(625)와 동상인 검출기(545)의 측정 신호(615)의 부분을 곱함으로써, 결합 유닛(650)은 측정 프로브(400)의 고유 진동에 대한 포지티브 피드백을 갖는 여기(675) 또는 여기 신호(675)를 생성한다. 측정 프로브(400)의 고유 진동의 이상적 여기(675)를 목적으로, 여기(675)는 측정 프로브(400)의 자연 진동의 위상에 대해 90 °의 위상차를 갖는다. 여기 신호(675)의 위상은 측정 프로브의 고유 진동의 위상보다 π/2만큼 선행한다. 측정 프로브의 고유 진동의 위상 폐루프 제어의 작동 범위를 크게 제한하지 않고 ± 30 °의 범위 내에서 가능한 최적의 π/2 위상차로부터의 편차가 허용된다.
자동 이득 폐루프 제어(670)는 여기 신호(675)의 진폭을 미리 결정된 값으로 조절한다. 즉, 여기의 이득은 진동 주기 동안의 측정 프로브(400)의 고유 진동의 손실이 보상되도록 설정된다. 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근하는 동안, 제어 유닛(610)은 스위치(660)를 작동시켜 주사 홀드 회로 장치(640)를 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 조정되는 주사 모드로부터 고유 진동의 진폭이 더 이상 조정되지 않으나 대신 고정된 여기 신호(675)에 의해 여기되는 홀드 모드로 스위칭한다. 진폭을 고정된 여기로 조절하는 것에서의 전환은 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용 동안 및 측정 프로브(400)의 고유 진동의 소정 진동 진폭을 유지하기 위하여 시도하는 폐루프 제어로 인한 측정 팁과 샘플 표면(515) 사이의 접촉시에 민감한 샘플 또는 측정 프로브(400)를 손상시키는 것을 방지한다.
측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉이 검출된 후에, 제어 유닛(610)은 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프한다. 도 6에 도시된 결합된 레이저 시스템(680)에서, 레이저 시스템(680)이 그 출력 전력의 직접 광 성분(도 6에 도시되지 않음)으로 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 계속 활성화시키는 동안 제1 액추에이터(480)의 정현파 여기는 중단된다. 제어 유닛(610)은 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 소정의 임계값 이하로 감소하는 것으로부터 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 결정한다. 이를 위해, 제어 유닛(610)은 검출기(545)로부터의 신호를 연속적으로 평가한다. 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 검출 직후에 주사 유닛(555)은 검출 유닛(585)의 측정 데이터로부터 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치를 확인한다. 그 결과로, 자여 발진 회로 장치(590)의 제어 유닛(610)은 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프한다. 레이저 시스템(680)은 도 6에 도시된 예에서 스위치 오프된다.
측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과의 접촉을 잃었음을 보장하는 미리 결정된 기간을 기다린 후에, 제어 유닛(610)은 제1 레이저 시스템(530)을 다시 스위치 온하거나 또는 여기 신호(675)로 레이저 시스템(680)을 작동시킨다. 주사 홀드 회로 장치(640)는 스위치(660)를 작동시킴으로써 홀드 모드에서 주사 모드로 병렬로 스위칭된다. 결과적으로, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 재활성화된다. 동시에, 여기 신호(675)와 측정 프로브(400)의 고유 진동 사이의 위상 제어 루프는 제1 레이저 시스템(530)의 스위칭에 의해 다시 닫혀진다.
레이저 시스템(680)이 여기 신호(675)에 의해 활성화될 때 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온 되는 경우, 다시 스위칭 온되는 시간은 측정 팁(460)을 샘플 표면(515)에서 들어올림에 의해 개시되는 여기 신호(675)와 측정 프로브(400)의 고유 진동 사이의 위상차가 가능한 최적 정도로 서로 맞춰지는 방식으로 선택된다.
이 시간을 결정하는 데는 여러 가지 옵션이 있다. 먼저, 제2 레이저 시스템(570)의 스위치 오프 시간과 제1 레이저 시스템(530)을 다시 스위칭 온하는 시간 간격(또는 레이저 시스템(680)을 스위치 오프하고 여기 신호(675)에 의해 활성화시키는 것 사이)에서 고정된 시간 간격이 대기된다. 다양한 스텝인 측정 사이클에서의 타이밍이 매우 유사하기 때문에, 스위치 온이 다시 수행되는 시간은 경험적으로 확인될 수 있다.
두번째로, 스텝인 사이클 1회 동안 측정 팁(460)의 편향의 전체 곡선을 측정 할 수 있으며, 도 3의 포인트 D 또는 E가 확인된다. 그 결과, 지점 B(제1 레이저 시스템(530)을 스위치 OFF)와 D(샘플 표면(515)으로부터 들어 올려지는 측정 팁(460)) 사이의 시간 간격이 공지된다. 예로서, 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온되기 전에 측정 프로브(400)의 이완 발진의 하나 이상의 주기를 기다리는 것이 여전히 가능하다. 또한, 샘플 표면으로부터 측정 팁(460)을 들어올림에 의해 개시되는 측정 프로브(400)의 이완 발진만을 측정하고, 이들 측정 데이터로부터 제1 레이저 시스템(530) 또는 제1 레이저 시스템(680)에 대한 스위치 온 시간을 계산할 수있다.
추가의 대안에서, 제1 레이저 시스템(530)은 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉 동안 스위치 오프될 필요는 없다. 그러나, 측정 프로브(400)의 강성 또는 스프링 상수에 의존하여, 이 절차는 자여 발진 회로 장치(590)의 전자 장치를 과도하게 구동할 위험이 있다.
자여 발진 회로 장치(590)는 아날로그 또는 디지털 형태로 구현될 수 있다. 또한, 자체 발진 회로 장치(590)는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
도 7의 다이어그램(700)은 FPGA(field programmable gate array) 형태의 디지털 회로 장치로서 구현된 자여 발진 회로 장치(790)의 예시적인 실시예를 도시한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)(710)는 검출기(545)로부터 아날로그 형태의 측정 신호(615)를 수신하여 디지털 신호(715)로 변환한다. 디지털 신호(715)는 자여 발진 회로 장치(790)의 FIR(finite impulse response) 필터(720)에 공급된다. 필터(720)는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 샘플 표면(515) 상으로 하강시킴으로써 생기고 샘플 표면(515)의 고유 진동 상에 중첩되는 측정 신호(615)의 느린 램프 성분을 제거한다. 필터링된 디지털 데이터는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭의 유효 값을 결정하는 제2 RMS(root mean square) 필터(725)에 공급된다. 필터(725)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 복수개의 주기들에 걸쳐 평균화한다. RMS 필터(725)의 출력은 PID(비례 적분 미분) 제어기(730)에 공급된다. 제어기(730)는 진폭 폐루프 제어에 대한 피드백 요소를 나타낸다. 스위치(732)의 도움으로, 진폭 폐루프 제어가 비활성인 기간 동안 클락 발생기(760)의 클락 신호는 PID 제어기(730)에 인가되지 않는다. PID 제어기(730)의 출력 신호(735)는 디지털 여기 신호(785)의 진폭 성분(A)을 포함하고, 주사 홀드 회로 장치(S&H; 740)의 입력에 인가된다.
RMS 필터(725)의 출력 신호의 제2 부분은 비교기 CMP(745)의 입력에 인가된다. 비교기(745)는 이 신호를 제2 입력에 인가되는 임계값(Thrs)와 비교한다. 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계치 아래로 떨어지면, 비교기(745)의 출력이 활성화된다. 즉, 상기 비교기는 함수 A <B를 실현한다. 비교기(745)는 그의 출력 신호를 지연 부재(DLY; 750)를 통해 FIFO(선입 선출) 메모리(775) 및 주사 홀드 회로 장치(740)에 그리고 두 번째로 램프 생성기(RAMP; 765)에 제공한다.
예로서, 램프 발생기(765)는 카운터의 형태로 구현될 수 있다. 지연 부재(750)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어를 다시 취하기 전에 대기를 실현한다. 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에서 들어올려진 후, 필터(720 및 725)는 회복하는데 약간의 시간을 필요로 한다. 따라서, 지연 부재(750)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어의 스위치 온을 이완 발진의 몇 주기 만큼 지연시킨다. 도 7에 도시된 예에서, 고정된 대기는 1 비트 신호의 형태로 구현된다.
디지털화된 입력 신호(715)의 제2 부분은 자여 발진 회로 장치(790)의 FIFO 메모리(775)에 공급된다. 메모리(775)는 위상 시프터의 기능을 실현한다. FIFO 메모리(775)의 지연은 메모리 깊이(예를 들어, 10 메모리 셀)와 자여 발진 회로 장치(790)의 클록 주파수의 지수(quotient)에 의해 결정된다. FIFO 메모리(775)의 출력 신호(780)는 디지털 여기 신호(785)의 위상 성분(φ)을 나타내고, 상기 출력 신호는 승산 유닛(755)에 공급된다.
클록 발생기(CLK; 760)에 의해 생성된 클록 속도는 램프 생성기(765)에, FIFO 메모리(775)에 및 진폭 폐쇄 제어가 활성화되는 기간 동안 PID 제어기(730)에 제공된다. 캔틸레버(410)의 고유 진동의 진동 진폭의 설정값은 신호 Sp(설정)의 도움으로 PID 제어기(730)에서 설정된다.
램프 생성기(765)는 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 활성화시킴으로써 캔틸레버(410)를 샘플 표면을 향해 구부리기 위한 신호(767)를 생성한다. 램프 생성기(765)의 카운터는 리셋 신호(res)를 이용하여 비교기(745)에 의해 정지되고, 비교기(745)의 출력에서의 전압 램프(767)는 초기값으로 리셋된다. 그 결과, 레이저 시스템(680)은 스위치 오프되고, 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)은 샘플 표면(515)으로부터 회수된다.
승산 유닛(755)은 메모리(775)의 출력의 신호, 즉 위상 성분(φ)과 주사 홀드 회로 장치(740)의 출력의 신호, 즉 측정 프로브(400)의 고유 진동의 여기 신호의 진폭 성분(A)을 승산한다. 합산 요소(Σ770)는 램프 생성기(765) 및 승산 유닛(755)의 출력 신호(767)를 가산한다.
자여 발진 회로 장치(790)의 출력 신호(785)는 디지털-아날로그 변환기 DAC(795)에 의해 아날로그 여기 신호(665)로 변환되고, 상기 아날로그 여기 신호는 레이저 시스템(680)에 공급된다. 도 5에 도시된 것처럼, 캔틸레버(410)를 굴곡시키기 위한 측정 프로브(400) 및 제2 레이저 시스템(570)의 고유 진동을 여기시키기 위한 제1 레이저 시스템(530)이 사용되며, 승산 유닛(755)의 출력 신호는 디지털-아날로그 변환 후에 제1 레이저 시스템(530)에 공급된다. 램프 발생기(765)의 출력 신호(767)는 적절한 디지털-아날로그 변환 후에 제2 레이저 시스템(570)을 제어한다. 이 실시예에서, 자여 발진 회로 장치(790)는 합산 소자(770)를 필요로 하지 않는다.
도 8은 주사 탐침 현미경(500)의 주사 모드 또는 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타낸다. 도식의 설명은 좌측 상부에서 시작한다. 초기 상태에서, 측정 프로브(400)는 그의 고유 주파수에서 진동하도록 여기된다. 이 상태에서, 도 5의 제1 레이저 시스템(530)은 켜지고 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 제1 액추에이터(480)를 활성화시킨다. 제1 단계에서, 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)에 의해 야기되는 캔티레버(410)를 구부림으로써 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 샘플 표면(515) 상에서 낮추기 위하여 레이저 시스템, 예를 들면 레이저 시스템(680)의 연속파 출력 전력이 증가되거나 또는 제2 레이저 시스템(570)이 스위치 온된다.
다음 블록 또는 단계에서, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어질 때까지 대기한다. 도 7의 맥락에서 설명한 바와 같이, 이것은 검출기(545)의 도움으로 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭을 연속적으로 측정함으로써 그리고 미리 결정된 임계치와의 비교에 의해 달성된다.
측정 프로브(400)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과 접촉하면, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 여기는 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프시킴으로써 제3 블록에서 종료된다. 정현파 여기 신호는 도 6 및 도 7의 레이저 시스템(680)에서 정지된다.
다음 단계에서, 측정 팁(460)의 수직 위치는 제3 레이저 시스템(540) 및 검출 유닛(585)의 도움으로 제4 블록에서 측정된다. 측정 팁(460)의 수직 위치는 검출기(545)의 측정 신호가 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 결정을 용이하게 한 직후에, 제2 검출 유닛(585)에 의해 측정된다. 결과적으로, 스텝인 측정 사이클에 대한 시간 간격은 짧게 유지될 수 있다. 측정 팁(460)의 위치를 결정한 후에, 제2 액추에이터(490)에 의한 캔틸레버(410)의 굽힘은 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프시킴으로써 정지된다. 레이저 시스템(680)은 도 6 및 도 7에서 스위치 오프된다.
그런 다음, 측정 팁(460)이 샘플(510)을 들어 올릴 때까지 제5 단계 또는 블록에서 대기한다. 도 6의 설명의 맥락에서, 3 개의 대안 방법이 특정되며, 이에 기초하여 이것이 발생하는 시간 또는 어떻게 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온되는 시간이 확인될 수 있는지 또는 어떻게 정현파 여기 신호가 레이저 시스템(680)에 가해질 수 있는 시간이 확인될 수 있는지를 결정하는 것이 가능하다. 여기 유닛(560)의 제어하에서, 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 측정 프로브(400)의 공진 주파수에서 여기(675) 또는 여기 신호(675)를 생성하고, 이를 측정 팁(460)을 들어 올림에 의해 생성되는 측정 프로브(400)의 진동에 위상면에서 중첩시킨다. 이를 위해, 레이저 시스템(530 또는 630)은 캔틸레버(410)의 제1 액추에이터(480)를 활성화시킨다.
그 후, 제6 단계에서 주사 홀드 회로 장치(640, 740)가 주사 모드에서 홀드 모드로 전환된다. 이미 전술한 바와 같이, 이것은 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근하는 경우에 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 샘플(520), 캔틸레버(410) 및/또는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 손상시키는 것을 방지한다. 그 다음, SPM(500)은 추가 주사 사이클을 위해 준비된다.
이미 위에서 설명된 바와 같이, 도 2 및 도 3은 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에서 들어 올려짐에 의한 그 공진 주파수에서 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 진동의 여기를 도시한다. 도 9는 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에서 들어 올려질 때 캔틸레버(410)의 진동 여기의 예를 나타낸다. 도 3에서와 같이, 샘플 팁(460)을 샘플 표면(515)에서 들어 올림에 의해 여기되는 캔틸레버(410)의 진동은 단지 약한 감쇠만 있을 뿐이다. 예를 들어, 이것은 캔틸레버(410)의 스프링 상수가 작고 측정 프로브(400)가 진공 환경에서 작동되는 경우, 즉 측정 프로브(400)에 의해 경험되는 주변 압력이 1 파스칼의 영역에 있거나, 보다 현저히 낮은 경우 발생할 수 있다.
도 9 및 도 10에서, 시간은 횡좌표를 따라 임의의 단위로 도시된다. 두 도면의 종좌표는 나노 미터 단위의 샘플 표면(515)으로부터의 측정 팁(460)의 거리를 나타낸다. 초기 상황에서, 측정 팁(460)은 샘플 표면(515)으로부터 100 nm의 평균 거리를 갖는다. 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 대략 10 nm의 진폭으로 진동한다. 제2 레이저 시스템(570)은 시간 T1에서 스위치 온되고 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)는 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 평균 거리를 감소시킨다. 시간 T2에서, 제어 유닛(610)은 측정 프로브(400)의 진동의 진폭이 미리 정해진 임계치 아래로 떨어짐을 검출하고 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프한다. 측정 팁(460)의 수직 위치는 시간 T3에서 측정된다. 제어 유닛(610)은 시간 T4에서 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프시킨다.
도 9에서, 측정 표면(515) 상에 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 하강시키는 동안 캔틸레버(410)의 여기 주파수는 캔틸레버(410)의 공진 주파수에 가깝지만, 동일하지 않다. 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)으로부터 분리된 후, 캔티 레버(410)는 비트(beat; 950)를 나타내는데, 이는 주파수가 고유 주파수와 상이한 여기와 측정 팁(460)이 심플 표면에서 들어올려짐에 의해 유도되는 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서의 여기의 중첩에 의해 초래된다. 측정 프로브(400)의 고유 진동이 실질적으로 감쇠할 때까지 계속되는 이 비트(950)는 이 시간 이전에 새로운 스텝인 사이클이 시작되는 것을 방지한다. 결과적으로, 스텝인 주사 모드의 주사 속도는 낮아서, 샘플 표면(515)에 대한 긴 검사 시간을 초래한다.
도 10은 도 9의 구성을 나타내며, 측정 프로브(400)의 여기(675)가 그 공진 또는 고유 주파수에서 정확하게 수행된다는 차이점이 있다. 이 경우, 측정 팁(460)을 측정 표면(515)에서 들어 올림에 의해 여기되는 측정 프로브(400)의 고유 진동(1150)은 측정 팁(460)을 샘플 표면(515)으로 낮췄을 때 존재하는 고유 진동(1050)을 가능한 신속하게 복원하는 것을 것을 돕는다. 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 진폭이 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근할 때 보이는 수준으로 떨어질 때까지 기다기만 하면 된다.
도 9의 비트(950)는 측정 팁(460)의 수직 위치를 결정하는 경우의 측정 오차에 직접 포함된다. 따라서, 고유 진동의 진폭이 다음 스텝인 측정 사이클 이전에 허용 가능한 측정 에러 이하로 감쇠될 때까지 기다릴 필요가 있다. 허용 가능한 측정 오차는 일반적으로 1 nm보다 현저히 적다. 도 10에 도시된 자여 발진의 경우, 고유 진동의 진폭이 고유 진동(1050)의 진폭의 설정값에 도달 할 때까지 기다릴 필요가 있다. 이러한 차이는 간단한 예를 사용하여 설명되어야 한다.
예로서, 측정 프로브(400)는 Q = 1000의 품질 계수를 갖는다. 고유 진동(1050)의 최대 진폭은 300 nm이다. 도 9에서 설명한 비트(950)의 경우, 새로운 스텝인 측정 사이클이 시작되기 전에 고유 진동의 진폭이 0.5 nm로 감소될 필요가 있다. 도 10에 도시된 고유 진동(1050)의 진폭은 50nm이다. 여기가 없으면, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 기하 급수적으로 감소한다. 고유 진동의 진폭이 50nm로 떨어지면, 약 150 진동 주기의 지속 시간이 요구되는 반면, 0.5nm으로의 진폭의 감소는 약 500 진동 주기의 지속 기간을 필요로 한다. 결과적으로, 스텝인 측정 사이클의 지속 시간은 측정 프로브(400)를 그것의 고유 주파수로 여기시킴으로써 대략 3 배만큼 감소될 수 있다.
마지막으로, 도 11은 스텝인 주사 모드 동안 주사 탐침 현미경(500)의 주사 속도를 증가 시키는데 사용될 수 있는 방법의 흐름도(1100)를 재생산한다. 이 방법은 단계(1110)에서 시작한다. 단계(1120)에서, 측정 프로브(400)는 샘플 표면(515) 위로 스텝인 주사 모드로 주사된다. 단계(1130)에서, 스텝인 주사 모드 동안 자여 발진 회로 장치에 의해 측정 프로브(400)가 고유 진동으로 여기된다. 상기 방법은 단계(1140)에서 종료한다.

Claims (19)

  1. 주사 탐침 현미경(500)으로서;
    a. 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛(555); 및
    b. 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브(400)를 고유 진동(1050)으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 가지고, 또한
    c. 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)에 대한 여기(675)의 위상을 설정하도록 구현된 위상 시프터(630)를 포함하되,
    상기 위상 시프터(630)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±30°범위의 위상차로 상기 여기(675)를 설정하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 위상 시프터(630)는 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±20°의 범위의 위상차로 상기 여기(675)를 설정하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 진폭을 설정하도록 구현된 자동 이득 폐루프 제어(670)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 자동 이득 폐루프 제어(670)는 적어도 하나의 증폭기(620), 주사 홀드 회로 장치(640, 740), 및 제어 유닛(610)을 포함하며, 상기 제어 유닛(610)은 주사 모드와 홀드 모드 사이에서 상기 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 스위칭하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 디지털 회로(700)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 FPGA(field-programmable gate array; 700) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 여기를 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)에 전달하도록 구현된 제1 액추에이터(480) 및 상기 자동 이득 폐루프 제어(670)의 상기 제어 유닛(610)으로부터의 신호를 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)에 전달하도록 구현된 제2 액추에이터(490)를 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 여기를 상기 제1 액추에이터(480)에 전달하도록 구현된 제1 레이저 시스템(530) 및 상기 제어 유닛(610)으로부터의 신호를 상기 제2 액추에이터(490)에 전달하도록 구현된 제2 레이저 시스템(570)을 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 액추에이터(480) 및 상기 제2 액추에이터(490)는 바이모프 액추에이터(440)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 캔틸레버(410)는 바이모프 액추에이터(440)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 편향을 검출하도록 구현되는 검출기(545) 및 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 수직 위치를 검출하도록 구현되는 검출 유닛(585)를 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)을 포함하는 제어 장치(550)를 더 가지며, 상기 여기 유닛(560)은 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 제어하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 고유 진동(1050)의 진폭은 1nm 내지 1000nm의 범위를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).
  14. 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경(500)의 주사 속도를 증가시키는 방법으로서, 이하 단계들:
    a. 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하는 단계;
    b. 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 이용하여 상기 스텝인 주사 모드 동안 고유 진동(1050)을 수행하기 위하여 상기 측정 프로브(400)를 여기하는 단계; 및
    c. 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 위상 시프터(630)를 이용하여 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)에 대한 여기(675)의 위상을 설정하는 단계 - 상기 위상 시프터(630)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±30°범위의 위상차로 상기 여기(675)를 설정하도록 구현됨 -
    를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 단계 a. 및 b.는:
    d. 단계 b.에서: 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 여기를 상기 측정 프로브(400)에 전달하도록 구현되는 제1 액추에이터(480)를 작동시키는 단계;
    e. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 거리를 변화시키도록 구현되는 제2 액추에이터(490)를 작동시키는 단계;
    f. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 검출하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 단계 a. 및 b.는 이하 단계들:
    g. 단계 b.에서: 상기 제2 액추에이터(490)를 작동시키는 단계;
    h. 단계 b.에서: 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 주사 모드로부터 홀드 모드로 스위칭함에 의해 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 진폭을 설정하기 위한 진폭 폐루프 제어를 작동정지시키는 단계;
    i. 단계 b.에서: 상기 측정 프로브(400)의 상기 고유 진동(1050)의 진폭이 미리 결정된 임계값 이하로 떨어지는 경우에 상기 제1 액추에이터(480)를 작동정지시키는 단계;
    j. 단계 a.에서: 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515)의 접촉을 검출한 이후에 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)의 수직 위치를 결정하는 단계;
    k. 단계 a.에서: 상기 제2 액추에이터(490)를 작동정지시키고, 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 손실이 있을 때까지 미리 결정된 지속 시간을 대기하는 단계;
    l. 단계 b.에서: 상기 제1 액추에이터(480)를 동상으로 작동시키는 단계;
    m. 단계 b.에서: 상기 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 홀드 모드로부터 주사 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 검출하는 단계는 이 지점에서의 상기 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치의 결정을 포함하는, 방법.
  18. 청구항 15 또는 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 액추에이터(480)의 작동 없이 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 감쇠 곡선으로부터 상기 제1 액추에이터(480)의 동상 작동을 위한 스위치 온 시간을 결정하는 단계를 더 갖는, 방법.
  19. 컴퓨터 시스템에 의해 실행되는 경우에, 청구항 14, 청구항 15 또는 청구항 17 중 어느 한 항 기재의 방법 단계들을 수행하기 위하여 컴퓨터 시스템을 프롬프트하는 명령들을 포함하는, 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.

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