KR102483659B1 - 주사 프로브 현미경의 프로브와 샘플 사이의 간격을 수평 측면 방향으로 촬영하는 방법 - Google Patents

주사 프로브 현미경의 프로브와 샘플 사이의 간격을 수평 측면 방향으로 촬영하는 방법 Download PDF

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Abstract

샘플(6)과 프로브(11)를 서로에 대해 상대적으로 이동시켜 샘플(6)을 분석하기 위한 주사 프로브 현미경(1)으로서, 이 주사 프로브 현미경(1)은 실질적으로 수평인 측면 방향으로 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 간격(62)에 대한 영상을 검출하는 검출 유닛(60)을 포함한다.

Description

주사 프로브 현미경의 프로브와 샘플 사이의 간격을 수평 측면 방향으로 촬영하는 방법{IMAGING A GAP BETWEEN SAMPLE AND PROBE OF A SCANNING PROBE MICROSCOPE IN SUBSTANTIALLY HORIZONTAL SIDE VIEW}
본 발명은 스캐닝 프로브 현미경(SPM)에 관한 것으로, 특히 원자간력 현미경(AFM)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스캐닝 프로브 현미경의 프로브와 샘플 사이의 간극을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
SPM 또는 AFM에서 샘플 표면을 스캔하기 전에, 일반적으로 샘플과 프로브 간의 두 가지 접근 단계가 발생한다. 제 1 조대한 접근 단계(first coarse engagement step)에서, 캔틸레버 타입 프로브는 샘플 표면 위에서 수 밀리미터(또는 수 센티미터) 위치에서 샘플 표면 위의 1 밀리미터 미만의 위치(예를 들어, 수 100 마이크로미터의 위치)로 이동된다. 이러한 조대한 접근 단계 후에, 미세한 접근이 시작된다; 캔틸레버는 측정을 위한 그의 최종 시작 위치에 도달할 때까지 수 마이크로미터씩 단계별로 이동한다.
그러나, 시간을 절약하기 위해, 캔틸레버를 샘플을 향해 너무 빠르게 너무 가깝게 이동시키지 않고 이로써 캔틸레버 팁 및/또는 샘플을 손상시키지 않으면서, 제 1 조대한 접근 단계가 신속하게 수행되는 것이 바람직하다.
따라서, 스캐닝 프로브 현미경 시스템에서, 최종 접근 절차 이전에 프로브와 샘플을 서로 근접하게 위치시키는 것이 바람직하다. 이러한 접근 프로세스는 일반적으로 느린 프로세스이며, 이러한 프로세스의 지속 시간은 커버되어야 하는 간극에 대해서 선형적으로 스케일링되며, 이로써, 이러한 프로세스의 지속 시간을 최소화하고, 이러한 초기 간극의 크기는 장비의 처리량을 향상시키는데 바람직하다. 캔틸레버를 샘플을 향해서 또는 그 반대로 이동시키는 동안, 캔틸레버가 샘플과 우연히 접촉하면 팁 및/또는 샘플 및/또는 장비가 손상될 수 있으므로 주의해야 한다. 특히 매우 광택이 있거나 투명한 샘플의 경우에, 샘플 높이를 판단하기 어려울 수 있다. 또한, 장비가 측정할 수 있는 샘플이 높이가 큰 경우에, 캔틸레버-샘플 분리를 제어하는 스테이지에 의해 커버되는 거리 또한 커야 한다. 이 경우에, 낮은 높이의 샘플의 경우에, 위치 피드백이 신뢰할 수 없고 오퍼레이터가 너무 주의하여서 실수를 할 수도 있다면, 조대한 접근을 하는데 필요한 시간이 길어질 수 있다.
장비가 허용하는 샘플들이 수평적 치수가 크고 높이에 있어서 상당한 편차가 있는 경우, 오퍼레이터는 측 방향으로 병진 이동시 높이가 높은 특징부에 충돌하지 않도록 주의해야 한다.
이러한 맥락에서, 오퍼레이터는 다음 중 하나를 수행해야 한다:
- 눈으로 현장에서 실시간으로 조대한 접근을 모니터링한다. 이를 위해서는, 샘플/측정 헤드에 대한 양호한 뷰가 요구되며, 이는 일반적으로 시스템 주변의 인클로저를 개방하는 것을 수반한다. 이러한 동작으로 인해 시스템이 불안정해질 수 있다(온도, 대기압, 오염).
- 샘플과 프로브의 하향식 뷰 초점을 (일반적으로 현미경 광학장치를 사용하여) 비교함으로써 조대한 접근을 모니터링한다. 이는, 상부 표면이 초점을 맞추기 쉽지 않을 때, 예를 들어, 재료가 투명하거나 매우 연마되고 표면에 오염물이 제거된 때에, 충돌을 일으킬 수 있다. 이러한 유형의 표면들(매우 깨끗하고 광학적으로 평탄함)은 SPM에서 일반적이다. 또한, 샘플이 경사도를 가지며 이로써 샘플의 일부 영역들이 현미경 광학장치의 피사계 심도(depth of field)를 초과하며 이로써 모든 시야가 한 번에 포커싱될 수 없을 때에 문제가 된다.
- 일 위치에서 샘플 및 프로브 위 및 측면 측으로의 접근을 모니터링하여서, 관심 영역에 대한 급한 경사 뷰를 제공한다.
본 발명의 목적은 손상의 위험 없이 빠른 속도로 샘플에 대해 스캐닝 프로브 현미경의 프로브를 접근시킬 수 있게 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 독립항들에 따른, 스캐닝 프로브 현미경과, 스캐닝 프로브 현미경의 프로브과 샘플 사이의 간극을 모니터링하는 방법이 제공된다.
본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 프로브과 샘플을 서로에 대해 이동시켜 샘플를 분석하는 스캐닝 프로브 현미경이 제공되며, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 실질적으로 수평인 측면 뷰로 상기 샘플과 프로브 간의 간극의 이미지를 검출하도록 구성된 검출 유닛을 포한한다(상기 검출 유닛에 의해 캡처된 간극의 이미지가 상기 간극의 실질적으로 수평인 측면 뷰에 대응하는 한, 이러한 검출 동작은 상기 검출 유닛의 수평 정렬을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있음).
본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 스캐닝 프로브 현미경의 프로브과 샘플 사이의 간극을 모니터링하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 실질적으로 수평인 측면 뷰로 상기 간극의 이미지를 검출하는 단계를 포함한다.
본명의 적용의 맥락에서, "실질적으로 수평인 측면 뷰"라는 용어는 상기 샘플과 프로브가 수직 방향으로 이격되어 있을 때, 검출 유닛이 프로브와 샘플 사이의 간극의 이미지를 매우 정확한 수평 방향으로부터 크게 벗어나지 않은 유효한 시야(viewing) 방향을 따라서 검출할 수 있도록 상기 검출 유닛이 구성되는 것을 말한다. 이러한 실질적으로 수평인 측면 뷰는 0도의 완전 수평 시야각 또는 해당 시야 방향으로부터 간극의 정확한 치수가 실질적으로 정확하게 검출될 수 있도록 작은 편차의 시야 각을 수반할 수 있다. 당업자는 정렬 공차 등으로 인해, 매우 엄밀한 수평 배열 또는 시야 방향으로부터 약간의 편차가 있을 수 있음을 확실히 이해할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 스캐닝 프로브 현미경이 제공되며, 이를 사용하여 프로브와 샘플 사이의 간극이 신뢰할 수 있는 방식으로 정확하게 검출될 수 있으며, 이로써, 프로브와 샘플 간의 서로에 대한 이격 거리의 적어도 대략적인 조대한 조절이 단시간에 달성될 수 있다. 이는 특히 잘못되거나 부정확하게 결정된 간극의 결과로서 상기 프로브와 샘플 간의 과도한 접근으로 인해서, 프로브와 샘플의 의도하지 않은 충돌로 인한 프로브 및/또는 샘플의 손상 위험 없이, 달성될 수 있다. 큰 경사의 시야 각보다는 정확한 수평 또는 실질적인 수평 뷰로 간극의 이미지를 촬상함으로써, 프로브와 샘플 사이의 간극의 실제 크기를 쉽고, 빠르고, 확실하게 결정할 수 있다. 반복적으로 검출될 수 있는 이러한 결정된 정보는 샘플 및 프로브를 서로 접근하는 절차를 제어하는데 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 예시적인 실시형태는 실제 측면 뷰 센서, 장면, 즉, 프로브(예를 들어, 캔틸레버 팁)와 샘플 표면 사이의 간극 형태로 된 관심 영역의 수평 뷰를 캡처할 수 있는 관측 시스템의 형태로 된 검출 유닛(카메라, 센서 등을 포함할 수 있음)을 제공한다. 이러한 맥락에서 "수평"은 광 검출 경로가 측정 시스템의 x-y-평면(z 방향은 프로브 및/또는 샘플 스테이지의 수직 이동 방향임)과 평행 또는 적어도 실질적으로 평행함을 나타낼 수 있다. 따라서, 수평은 약간 경 사진 또는 기울어진 방향 또는 평면을 포함한다. 수평면으로부터의 편차는 바람직하게는 5°미만, 특히 2°미만 또는 심지어는 1°미만, 특히 바람직하게는 0.5°미만이어야 한다. 꺽인 광학 경로가 구현될 수 있기 때문에, 수평 뷰는 반드시 관측 장치 또는 검출 유닛(예를 들어, 하나 이상의 카메라) 자체가 각각의 수평면에 위치될 것을 요구하지 않는 것으로 고려되어야 한다.
이하, 스캐닝 프로브 현미경의 다른 추가 실시형태들 및 상기 방법의 추가 실시형태들을 설명한다.
일 실시형태에서, 실질적으로 수평인 측면 뷰의 이미지는 수평축에 대해 5° 미만, 특히 2°미만의 각도로 검출된다. 순수한 수평 측면 뷰로부터의 아주 작은 각도의 불일치에도, 샘플과 프로브 사이의 간극의 치수와 관련하여 의미 있고 신뢰할 수 있는 정보를 얻을 수 있다는 것이 증명되었다. 검출 유닛의 순수한 수평 배열로부터 비교적 작은 편차를 허용함으로써, 작은 부정확성을 수용할 수 있는 스캐닝 프로브 현미경이 제공된다. 특히 약 5°미만의 편차가 있는 경우, 간극 검출 정확도와 고장 없는 조대한 조절 성능을 과도하게 저하시키지 않으면서 시스템의 신속한 정렬이 가능하다는 것이 판명되었다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 상기 검출된 간극의 이미지에 기초하여, 상기 프로브과 상기 샘플 간의 초기 이격 거리, 예를 들어, 적어도 3mm, 보다 구체적으로, 적어도 5mm로부터 최종 이격 거리, 예를 들어, 1mm 미만으로 되게 상기 프로브와 상기 샘플을 서로 접근시키기 위해서, 상기 프로브와 상기 샘플 중 적어도 하나를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 구동 유닛은 신속하고 신뢰성 있는 방식으로 프로브와 샘플 사이의 목표 이격 거리의 조절(특히, 조대한 조절)을 달성할 수 있다. 검출된 이미지로부터 도출될 수 있는 결정된 간극 크기를 고려하여 샘플과 프로브를 이미 작아진 이격거리까지 서로 접근시키도록 제어하면, 프로브와 샘플 간에 원하지 않는 충돌이 발생할 위험이 없다. 수평으로 검출된 간극 크기는 매우 정밀하게 결정될 수 있고, (예를 들어, 조대한) 이격 거리 조절은 매우 정확하고 신뢰성 있게 또한 이루어질 수 있다. 따라서, 실제 스캐닝 프로브 현미경 검사의 시작은 매우 신속하게 수행될 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 구동 유닛은, 상기 검출된 간극의 이미지에 기초하여, 상기 초기 이격 거리로부터 중간 이격 거리까지 상기 프로브와 상기 샘플을 제 1 속도로 상호 접근시키고 그리고 이어서, 상기 중간 이격 거리에서 상기 최종 이격 거리까지 상기 프로브와 상기 샘플을 상기 제 1 속도보다 낮은 제 2 속도로 상호 접근시키기 위해, 상기 프로브와 샘플 중 적어도 하나를 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 보다 저속의 접근 운동은, 즉, 프로브 팁과 샘플 표면 사이의 원자 간 또는 분자 간 힘을 탐지하고 이를 기초로 거리를 계산함으로써, 프로브(특히, 캔틸레버) 편향을 측정함으로써 제어될 수 있다. 부가적으로 또는 대안 적으로, 제 2 속도로의 운동은 검출된 간극의 이미지에 기초하거나 이러한 이미지로부터 결정될 수 있다.
일 실시형태에서, 초기 이격 거리로부터 중간 이격 거리로 되게 샘플과 프로브를 서로 접근시키는 구동 유닛의 부분은 하나의 구동 스테이지(예를 들어, 모터화된 구동 스테이지)로서 구현될 수 있다. 중간 이격 거리로부터 최종 이격 거리가 되도록 이들을 서로 접근시키는 구동 유닛의 부분은 2 개의 구동 스테이지들의 조합으로서 구현될 수 있으며, 예를 들어, 초기 이격 거리에서 중간 이격 거리로 되게 이들을 서로 접근시키는데 사용되는 구동 스테이지가 추가 스테이지(예를 들어, 피에조 스테이지)와 조합될 수 있다. 이러한 실시형태에 따르면, 상술한 조대한 이격 거리 조절 뒤에는, 더 낮은 속도로 수행되어야 하는 미세 이격 거리 조절이 뒤따를 수 있으며, 이로써, 피할 수 없는 잔류하는 부정확성의 결과로서 프로브와 샘플이 원하지 않게 충돌하는 것이 방지된다. 이러한 접근시키는 절차를 프로브 및 샘플을 서로 신속하게 근접시킬 수 있는 제 1 절차 및 이후에 이들을 더 낮은 속도로 접근시키는 제 2 절차로 분할할 수 있다. 검출 유닛의 실질적으로 수평인 측면 뷰를 고려하여 결정된 간극 크기의 개선된 정확성으로 인해, 제 1 속도가 증가되거나 제 2 미세 이격 거리 조절의 개시가 연기될 수 있다. 이는 실험을 시작하기 전에 스캐닝 프로브 현미경을 준비하는 전체 과정을 가속화한다.
일 실시형태에서, 구동 유닛은 오퍼레이터에 의해 수동으로 또는 제어 유닛의 제어하에서 자동으로 작동되도록 구성된다. 검출된 이미지가 오퍼레이터에게 디스플레이될 때, 인간 오퍼레이터는 실제 실험을 시작하기 전에 프로브와 샘플 사이의 거리를 신뢰할만하게 조절할 수 있다. 이러한 접근시키는 과정에서 간극의 이미지를 계속해서 검출하면서, 오퍼레이터는 접근시키는 절차의 진행 상황을 되돌아보고 프로브와 샘플 사이의 거리를 신뢰성 있게 조정할 수 있다. 대안적으로, 이미지 처리(예를 들면, 이미지 인식) 등에 의해 자동적으로 검출될 수 있는 상기 결정된 간극 크기는, 스캐닝 프로브 현미경 분석을 시작하기 전에 프로브와 샘플 사이의 시작 위치를 기계가 제어하는 조절 동작을 위한 기초사항으로서 사용된다. 이러한 두 접근 동작들은 모두 정확한 측면 뷰로 검출된 간극의 이미지를 고려하여 높은 신뢰성으로 수행될 수 있다.
일 실시형태에서, 검출 유닛은 광학 시스템의 재조절 없이 상이한 크기들의 샘플들에 대해 간극의 크기 또는 치수(즉, 프로브와 샘플 사이의 거리)를 검출할 수 있도록 구성된다. 이러한 실시형태에서, 검출 유닛은 넓은 범위에 걸쳐 이미지들 및 간극 크기들을 검출할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 스캐닝 프로브 현미경은 최대 30 mm의 두께를 갖는 샘플들에 대해서도 동작하도록 구성될 수 있다. 이로써, 검출 유닛의 광학 시스템을 한 번 탑재하고, 샘플의 크기 및/또는 형상 또는 프로브과 샘플 사이의 시작 이격 거리가 변하는 경우에도, 이러한 광학 시스템에 대한 빈번한 수정 없이 광학 시스템의 정렬이 유지될 수 있게 된다. 이러한 광학 시스템의 재조절 과정이 필요 없게 되면, 사용자는 고장 없이 또는 부정확함이 없이, 스캐닝 프로브 현미경을 조작할 수 있다. 특히, 매우 바람직한 텔레센트릭 광학 시스템 구현은 그러한 샘플들에 대한 측정을 용이하게한다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 간극을 전자기 방사선으로, 특히 실질적으로 수평인 측면 위치로부터 조명하도록 구성된 조명 유닛을 포함한다. 검출 유닛에서와 같이, 조명 유닛에 의해 생성된 전자기 방사선 빔이 실질적으로 수평 전파 방향으로 간극을 따라 또는 간극 주위로 전파되는 한, 조명 유닛은 수평 정렬될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이로써, 꺽인 빔 경로, 특히 조명 유닛과 간극 사이에 꺽인 광학 경로가 포함될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이러한 조명 유닛은 전자기 방사선(특히 가시광, 대안적으로는 자외선 또는 적외선)을 방출하여 간극을 조명하여 검출된 이미지(들) 상에서 한편에서는 간극과 프로브 간의 콘트라스트 및 다른 편에서는 샘플과 간극 간의 콘트라스트를 향상시킬 수 있다. 이러한 방법을 취함으로써, 이미지 상에서 간극을 식별하는 정확성이 향상될 수 있고, 이에 의해 프로브와 샘플 간의 이격 거리 조절의 정확성이 향상될 수 있다. 조명 유닛이 (검출 유닛에 대해 상술된 바와 같이) 실질적으로 수평인 측면 위치에서 또한 배치되는 경우, 전자기 방사선 빔은 조명 유닛과 검출 유닛 사이에서 실질적으로 직선 방향을 따라 전파될 수 있다. 이는 또한 검출의 높은 정확도에 기여한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 주변으로부터의 충분한 광이 존재하는 경우에, 조명 유닛을 생략할 수도 있다는 것이 주목된다.
일 실시형태에서, 조명 유닛과 검출 유닛 사이의 광학 경로는 꺽이지 않은 선형 광학 경로이다(이러한 경로의 일부에 대해서는 도 4를 참조하면 됨). 이러한 구성은 매우 낮은 하드웨어 비용으로 구현될 수 있으며 광학적 아티팩트을 발생시키지 않는다.
다른 실시형태에서, 조명 유닛과 검출 유닛 사이의 광학 경로는 특히 하나의 꺽임 위치(도 2 참조) 또는 두 개의 꺽임 위치(도 1 참조)를 포함하는 꺽인 광학 경로이다. 이러한 실시형태는 특히 선형 형상의 부품을 사용하는 것을 불가능하게 하거나 이러한 바가 부적절하게 되는 장치 구성요소들에 대한 제약사항이 있는 경우에 유리하다. 이러한 상황에서, 임의의 자유 공간 영역(이러한 자유 공간 영역은 스캐닝 프로브 현미경의 구성 요소들에 의해 점유되지 않음)이 조명 유닛 및/또는 검출 유닛을 수용하는데 사용될 수 있다. 하나의 꺽임 위치는 조명 유닛과 프로브와 샘플 간의 간극 사이의 광 경로를 꺽을 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 또 다른 꺽임 위치는 한편으로는 프로브와 샘플 사이의 간극과 다른 한편으로는 검출 유닛 간의 광 경로를 꺽을 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 전자기 방사선이 상기 조명 유닛으로부터 상기 간극을 통해 상기 검출 유닛으로 전파되도록 상기 검출 유닛 및 상기 조명 유닛은 상기 샘플 및 상기 프로브를 사이에 두는 반대편 양측에 각기 위치하는 특징을 갖는다. 조명 유닛 및 검출 유닛은 간극을 통해 전파하면서 전자기 방사선의 전파 방향을 따라 배치될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 검출 유닛 및/또는 조명 유닛의 실제 배열이 간극을 통과하는 동안 전자기 방사선 빔의 전파 방향으로부터 벗어날 수 있도록, 전자기 방사선의 전파 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 편향 미러 또는 다른 광학 요소(예를 들어, 렌즈, 플레이트, 웨지(wedge) 및/또는 프리즘)를 구현하는 것이 가능하다. 이전의 실시형태가 조명 유닛으로부터 검출 유닛으로의 광학 경로로부터 전자기 방사선 빔의 강도를 지나치게 제한하지 않거나 고장날 가능성이 없는 매우 짧은 광학 경로를 허용하지만, 후자의 실시형태는 검출 유닛 및/또는 조명 유닛을 배치할 수 있는 위치와 관련된 더 높은 자유도를 제공한다.
일 실시형태에서, 조명 유닛은 간극을 균일하게 조명하도록 구성된다. 본 발명의 적용 측면에서, "균일하게 조명한다"라는 용어는 전자기 방사선 빔의 세기가 간극의 전체 연장 영역에 걸쳐서 실질적으로 또는 전체적으로 동일하거나, 예를 들어, 10 퍼센트 미만만큼 간극의 연장 영역에 걸쳐서 편차가 나는 것을 말한다. 이러한 조치를 취함으로써, 간극의 불균일한 조명에 기인하고, 이미지로부터 간극 및 그 크기를 잘못 판단할 수 있게 하는 임의의 광학적 아티팩트이 방지될 수 있다. 빈 장면(샘플 또는 캔틸레버 타입 프로브가 보이지 않음)에서, 균일한 상태로부터의 편차는 센서 또는 검출 유닛에 의해 서로 상이한 강도 수준(특히, 간극 연장 영역에 걸쳐서 상이한 강도 수준)으로서 인식된다. 이러한 빈 이미지의 콘트라스트는 해당 장면에서 인식될 수 있는 물체의 광학 밀도에 대한 한계치를 설정한다. 즉, 예를 들어 투명 또는 반투명 샘플이 장비에 배치되면, 결과적인 이미지의 콘트라스트는 조명 상의 비균질성보다 상당히 높아야하며, 이로써 오퍼레이터 또는 컴퓨터 알고리즘에 의한 샘플 경계의 검출이 높은 신뢰성 및 정확성을 갖는 것이 보장된다.
상이한 실시형태들에 따라서 균일한 조명을 달성하는 방식들에 관한 다양한 가능한 방식들이 존재한다. 일 실시형태에서, 이를 달성하는 광학 요소는 전자기 방사선의 전파 경로에 배치된 연마된 면을 갖는 프리즘이다. 다른 실시형태에서, 균일한 조명은 확산성 표면들의 스택으로서 구현될 수 있는 확산기에 의해 달성될 수 있다. 확산기는 투과성 기하학적 구조로 구현될 수 있거나(이는 광 빔이 확산기를 통해 전파하며 이로써 광 빔이 균일하거나 보다 균일하게 되도록 됨), 또는 반사성 기하학적 구조로 구현될 수 있다(이는 광 빔이 확산기에서 반사되어 균일하게 되도록 됨). 또 다른 예시적인 실시형태에서, 균일한 조명은 광 가이드로서 작용하는 섬유 다발을 구현함으로써 얻어질 수 있다. 언급된 각각의 실시형태에서, 발광 다이오드는 예를 들어 전자기 방사선 소스로서 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 검출 유닛과 간극 사이에 광학 시스템을 포함한다. 이러한 광학 시스템은 렌즈, 미러, 구멍, 빔 스플리터 등과 같은 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 이러한 광학 시스템은 방사선 빔이 검출 유닛(예를 들어, CMOS 검출기 또는 CCD 검출기 또는 광 다이오드 어레이)에 도달하기 전에 방사선 빔을 조작할 수 있다.
매우 바람직한 실시형태에서, 광학 시스템은 텔레센트릭 광학 시스템이고, 특히, 간극과 검출 유닛 사이의 거리와 무관하거나 실질적으로 무관한(특히, 10% 이하의 편차로 서로 관련성이 없는) 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학 시스템을 포함한다. 텔레센트릭 광학 시스템이 구현될 때, 텔레센트릭 시스템은 샘플로부터 멀리 위치될 수 있다. 이렇게 하면 정확한 측면 뷰를 구현하는 것이 상당히 단순해지는데, 그 이유는 이러한 텔레센트릭 시스템은, 많은 기하학적 실시형태들에서, 광학 시스템을 샘플 및 프로브에 매우 가깝게 위치시키는 것을 허용하지 않는 장치의 크기 제약사항을 충족시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 텔레센트릭 광학 시스템이 사용되는 경우, 광학 시스템과 샘플, 프로브 및 이들 간의 간극의 배열체 사이의 거리는 텔레센트릭 광학 시스템에 의해 캡쳐된 이미지 상에서의 간극의 크기를 감소시키지 않고서 멀어질 수 있다. 텔레센트릭 광학 시스템의 특징은, 간극이 검출 유닛에 의해 캡쳐된 이미지 상에 나타날 때에, 간극의 크기가 검출 유닛의 이미지 검출 표면과 간극의 위치 간의 거리와 실질적으로 무관하다는 것이다. 텔레센트릭 광학 시스템을 구현하는 이러한 매우 바람직한 실시형태를 사용하면, 오정렬(misalignment), 허용 오차 등에 대해 매우 강한 간극 검출 구조를 얻는 것이 가능하다. 텔레센트릭 광학 시스템은 간극의 크기가 간극과 검출 유닛의 위치 사이의 거리에 의존하지 않도록 검출 유닛의 광 감지 검출기 상으로 간극의 이미지를 맵핑할 수 있다는 특성을 갖는다. 텔레센트릭 광학 시스템을 제공하면, 전체적으로 스캐닝 시스템 현미경의 구성요소들 및 광학 시스템을 자주 재조정할 필요가 없어진다.
예시적인 실시형태에 따른 텔레센트릭 광학 시스템에서 구현될 수 있는 텔레센트릭 렌즈는 무한대로 그의 입사 동공 또는 출사 동공을 갖는 합성 렌즈이다. 이전의 경우에는, 이는 간극의 정사영 뷰(ortho-graphic view)를 생성한다. 이는 광학 시스템이 주 광선들, 즉 광학 시스템의 전방 또는 후방에서 광학 축에 평행한 광선들을 각각 선택한다는 것을 의미한다. 렌즈를 텔레센트릭하게 만드는 간단한 방법은 조리개 구경 조리개를 렌즈의 초점들 중 하나에 놓는 것이다. 무한대의 입사 동공은 렌즈를 물체-공간 텔레센트릭 상태로 만들고, 이로써 이미지 배율은 검출 유닛의 시야에서 간극의 거리 또는 위치와 무관하게 된다.
일 실시형태에서, 광학 시스템은 적어도 하나의 렌즈, 특히 두 개의 렌즈를 포함한다. 광학 시스템이 단지 하나의 렌즈를 포함하는 경우, 광학 시스템을 통해 전파될 때 전자기 방사선 빔의 강도 손실은 매우 작게 유지될 수 있다. 따라서, 간극의 검출된 이미지의 고품질이 얻어져서 간극의 크기, 형상 등의 결정이 매우 정확하게 될 수 있다. 그러나, 2 개의 렌즈를 구현할 때, 광학적인 결함들이 강력하게 억제될 수 있고, 간극의 매우 정확한 이미지가 검출 유닛 상으로 투영될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 렌즈 중 하나는 해당 렌즈의 초점 길이에 적어도 실질적으로 대응하는, 검출 유닛으로부터의 이격 거리에 위치된다. 이러한 방식을 취함에 따라, 검출된 이미지 상에서의 간극의 크기는 간극과 검출 유닛 사이의 이격 거리와는 실질적으로 무관하게 된다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 검출된 이미지에 기초하여 샘플과 프로브 사이의 거리의 정량적인 값을 결정하도록 구성된 결정 유닛을 포함한다. 프로브와 샘플 사이의 그러한 정량적인 거리를 결정하면, 프로브와 샘플 사이의 상호 공간적 관계를 매우 신속하게 조절할 수 있다. 이러한 결정은 이미지 프로세싱에 의해서 또는 간극의 검출된 이미지를 디스플레이 상에 눈금으로 표시함으로써 오퍼레이터에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 이러한 정량적 거리를 결정함으로써, 간단하고 자동으로 처리 가능한 파라미터가 결정될 수 있으며, 이러한 파라미터는 이격 거리 조절 절차에 있어서 중요한 가치를 갖는다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 프로브와 샘플로 구성된 어레이 주위에 배열된 적어도 2 개의 검출 유닛을 포함할 수 있으며, 각각의 검출 유닛은 서로 상이한 방향으로부터 간극의 실질적으로 수평인 측면 뷰를 검출하도록 배치된다. 따라서, 적어도 2 개의 검출 유닛이 샘플 및 프로브의 어레이 주위에 배열될 수 있으며, 각각은 상이한 방향으로부터 실질적으로 수평인 측면 뷰를 검출한다. 이로서, 프로브와 샘플 사이의 위치 조절이 매우 편리하고 정확하게 된다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 예를 들어, (간극으로부터) 검출 유닛으로 전파되는 전자기 방사선을 조작하도록 구성된 광학적 조작 유닛을 포함하며, 이러한 광학적 조작 유닛은 균일한 세기를 갖는 전자기 방사선의 평행한 광선들의 집합을 생성하도록 구성된 연마된 프리즘일 수 있다. 한 세트의 평행한 광선을 발생시킴으로써, 조명 및 검출 절차가 매우 정확해질 수 있다. 광학적인 아티팩트가 강하게 억제될 수 있다.
일 실시형태에서, 스캐닝 프로브 현미경은 원자 현미경으로서 구성된다. 그러나, 다른 유형의 스캐닝 프로브 현미경이 프로브와 샘플 사이의 간극을 검출하기 위한 검출 유닛을 구비할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 구현될 수 있는 이와 같은 대안적인 스캐닝 프로브 현미경의 예는 스캐닝 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)이며, 이러한 스캐닝 터널링 현미경에서는, 자극 전류가 팁에 인가되며, 이로써 터널 효과로 인해서, 측정된 응답 전류가 팁과 샘플 사이에 존재하는 실제 힘에 의존한다.
본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 구현될 수 있는 스캐닝 프로브 현미경의 다른 예는, SNOM(scanning near-field optical microscope), TERS(tip-enhanced Raman spectroscopy) 현미경 또는 자기력 현미경(MFM)이다.
본 발명의 전술한 측면 및 추가 측면은 이하에 기술될 실시예의 예들로부터 명백해지며 실시예의 이러한 예들을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경을 도시한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경의 광학 시스템의 상이한 단면들을 도시한다.
도면들의 예시는 개략적이다. 상이한 도면들에서, 유사하거나 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 제공된다.
도면을 참조하면서, 예시적인 실시예들이 더 상세히 설명되기 전에, 본 발명의 예시적인 실시예들이 개발된 토대를 제공하는 몇 가지 기본적인 고려 사항들이 요약될 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 샘플과 스캐닝 프로브 현미경의 프로브 사이의 빠른 조대한 접근을 돕는 측면 뷰 센서가 제공된다. 이러한 실시예는 조대한 접근 동작을 돕기 위해 샘플과 프로브 간의 이격에 대한 신뢰성 있는 뷰를 제공할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예는 샘플과 프로브 사이의 장면의 텔레센트릭 뷰(telecentric view)를 제공한다. 이러한 뷰는 샘플이 투명 층들을 포함하고 있어도 우수한 콘트라스트를 제공하며 샘플과 캔틸레버 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있게 한다. 본 발명의 실시예는 종래의 시스템에 비해 넓은 시야를 제공하여 시스템을 통해서 더 큰 크기의 샘플들이 검사될 수 있게 한다. 본 발명의 실시예들에 의해 획득 가능한 뷰는 장비의 자동화된 처리 및 자동화된 또는 원격 가이던스와 적절하게 양립된다. 스캐닝 프로브 현미경 장비에서 정확히 측면 뷰(즉, 경사 뷰 대신에, 하향식 축으로부터 정확히 또는 대략적으로 90°인 뷰)를 사용하면 오퍼레이터는 프로브과 샘플 사이의 거리를 모니터링할 수 있다. 시스템의 광학 구성 요소들은, 측면 뷰 축을 따라서 보이는 측면 뷰가 캡처되는 한, 측면 뷰 축에 배치될 수도 있고 배치되지 않을 수도 있다. 적절한 정확한 측면 뷰 광학적 요소들은 텔레센트릭(telecentric)이므로, 측면 뷰 시스템의 광학 축에 대한 다수의 샘플-프로브 위치들에 대해서 이격 거리를 정확하게 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 측면 뷰 시스템의 출력은 오퍼레이터 및/또는 자동화된 절차(예를 들어, 샘플로의 조대한 접근, 충돌 회피 메커니즘 등)를 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 측면 뷰 시스템의 출력은 장비의 원격 조작을 위해서 사용될 수 있으며, 이로써 (샘플 챔버를 개방하는 것에서 기인하는) 온도, 압력 및/또는 습도와 같은 조건들의 불안정화 및 추가적인 대기 시간이 피할 수 있다. 측면 뷰의 출력은 프로브와 샘플 사이의 거리와 샘플 기하학적 구조에 대한 정량적 정보를 제공하도록 캘리브레이션될 수도 있다. 직교 방향들을 바라보는 두 개의 측면 뷰 시스템들이 조합되어 샘플 탐색의 안전성과 속도를 높일 수도 있다.
본 발명의 실시예의 측면 뷰 시스템은 예상 범위의 샘플 높이를 커버하는 균일한 조명을 갖는 광원(예를 들어, LED 어레이, 확산기, 광 가이드)을 구현할 수 있다. 일 실시예에서, 측면 뷰 텔레센트릭 광학장치들이 연마된 유리 프리즘과 결합되어 전체 시야에 걸쳐 균일한 강도를 갖는 평행 광선들의 집합을 생성할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예는 센서/렌즈로부터의 물체의 거리 및 측면 뷰 시스템의 시야에서의 물체의 위치와 무관하게, 배율을 제공할 수 있는 물체-공간 텔레센트릭 광학 시스템을 사용한다.
텔레센트릭 광학 시스템의 구성 요소는 핀홀, 하나 이상의 렌즈, 평행하는 광선들을 보장하는 광학 부재, 균일한 조명을 생성하는 전자기 방사선 소스, 및 검출 유닛으로서의 광 및 카메라 장치일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전자기 방사 빔의 전파 경로는 광원으로부터 확산기로 그리고 확산기를 거쳐서 그리고 프로브와 샘플 사이의 간극으로 그리고 상기 간극으로부터 센서에 도달하며, 이로써 광은 샘플과 캔틸레버 간의 갭을 통과하여 센서에 도달한다. 이러한 구성에서, 고체 부품들과 이들 사이의 간극 간의 콘트라스트는 매우 높다.
본 발명의 다른 실시예에서는 광원 및 센서가 샘플의 동일 측에 위치하거나 또는 소정 각도로 배치될 수 있다. 이와 같은 구성에서, 센서가 수광하는 빛은 샘플로부터 반사될 수 있다. 이는 샘플에 대한 더 자세한 정보를 제공할 수 있다.
다른 예시적인 실시예는 2 개 또는 다수의 광원을 구현할 수 있다. 제 1 광원은 광이 샘플-캔틸레버 간극을 통과하여 센서에 도달하도록 위치될 수 있다. 제 2 광원은 샘플의 동일 측에 위치하거나 또는 소정의 각도로 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 센서가 수광하는 빛은 샘플로부터 반사될 수 있다. 또한, 이러한 실시예는 샘플에 대한 보다 상세한 정보를 제공할 수 있다.
고체 부품들과 공기 간의 높은 콘트라스트를 가짐으로써 오퍼레이터는 고체 부품이 종단되는 위치를 결정할 수 있다. 또한, 측면 뷰 센서에 의해 획득된 장면이 장비의 머신 비전 및/또는 자동 제어를 위한 입력으로 사용되는 경우, 해당 이미지의 어느 영역이 샘플 또는 캔틸레버에 대응하는지 자동으로 검출하는 데 사용되는 임계 값은 해당 이미지의 콘트라스트와 직접적으로 관련된다.
바람직한 실시예에서, 광원은 센서 또는 검출 유닛에 의해 보이는 전체 장면을 커버하는 영역에 걸쳐 균일하다. 빈 장면(즉, 샘플 또는 캔틸레버가 보이지 않음)에서, 균일한 상태로부터 편차는 센서에 의해 서로 다른 강도 수준으로서 인식될 수 있다. 이러한 빈 이미지의 콘트라스트는 해당 장면에서 인식될 수 있는 물체들의 광학적 밀도에 대한 한계치를 설정한다. 즉, 예를 들어 투명 또는 반투명 샘플이 장비에 배치되면, 결과적인 이미지의 콘트라스트는 조명의 비균일성보다 상당히 높아야 하며, 그렇지 않으면, 오퍼레이터 또는 컴퓨터 알고리즘에 의한 샘플 경계의 검출이 신뢰할 수 없게 된다.
일 실시예에서, 캔틸레버와 샘플 간의 간극을 모니터링하는 방법이 제공된다. 또한, 팁과 샘플 사이의 상대적인 거리를 5mm보다 큰 거리(또는 10mm 또는 20mm보다 큰 거리)에서 1mm 미만(또는 0.5mm 또는 0.1mm 미만) 거리로 변화시키는 방법이 제공된다. 다른 실시예에서, 캔틸레버를 샘플로 또는 샘플을 캔틸레버로, 미세한 접근이 실용적이지 못 수 있을 정도로 큰 이격 거리에서, 미세한 접근이 1 분 또는 그 이하로 걸리는 거리까지, 신속하게 접근시키는 방법이 제공된다. 또한, 변화된 샘플 높이들에 맞게 구성을 조정하거나 재구성할 필요가 없는 큰 수직 시야를 갖게 샘플에 대해 셋업이 고정된 장치가 제공된다. 렌즈 왜곡 보정, 장면 스티칭, 등을 수행할 수도 있다.
도 1은 원자간력 현미경(AFM)으로서 구현되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경(SPM)(1)을 도시한다.
스캐닝 프로브 현미경(1)에 있어서, 샘플(6)의 표면을 따라 이동할 때의 프로브(11)의 신장, 즉 프로브(11)(돌출 팁(5)을 갖는 캔틸레버(7)로서 구현될 수 있음)의 위치 또는 형상의 변화는 광학 센서 시스템에 의해 검출될 수 있다. 이러한 맥락에서, 전자기 방사선 소스(2)(예를 들어, 레이저 소스)는 포커싱 유닛(12)(하나 이상의 광학 렌즈들의 어레이로 구현될 수 있음)을 통해 전파되는 1 차 전자기 방사선 빔(13)을 프로브(11) 상에 투사한다. 2 차 전자기 방사선 빔(3)은 프로브(11)의 상부 표면에서의 1 차 전자기 방사선 빔(13)의 반사에 의해 발생된다. 2 차 전자기 방사선 빔(3)은 감광성 및 위치 감지 검출기(10)로 전파한다(특히, 2 차 전자기 방사선 빔(3)은 편향 미러(14) 또는 다른 광학적 편향 요소에 의해 검출기(10) 상으로 편향될 수 있다). 측정 프로브(11)가 액추에이터(4)(도 1에 따른 수직 방향으로의 위치 변화를 트리거할 수 있음)에 의해 움직일 때에 및/또는 측정 프로브(11)의 형상이 변화될 때, 레이저 광의 변화가 위치 감지 검출기(10)에서 검출될 수 있다. 분석 중이거나 특성화되고 샘플 홀더(54) 상에 또는 샘플 지지체(17) 상에 배치된 샘플(6)과 프로브(11)의 측정 팁(5)(캔틸레버 팁으로도 표현될 수 있음)의 상호 작용에 기초하여, 프로브(11)의 반응은 변화할 것이고, 검출기(10)의 대응하는 영역은 2 차 전자기 방사 빔(3)에 의해 충돌될 것이다. 검출기 신호는 평가 유닛(8)에서 처리될 수 있다. 샘플(6)의 표면의 생성된 고해상도 이미지는 디스플레이 유닛(9)에 의해 디스플레이될 수 있다. 측정 팁(5)(즉, 프로브(11)의 민감성 팁(5))에 의해서 샘플(6)의 표면을 스캐닝할 수 있다. 샘플 지지체(17)는 수평면에서(즉, 도시된 z-방향에 수직인 x-방향 및 y-방향)으로 이동될 수 있다. 따라서, 스캐닝 프로브 현미경(1)은 프로브(11)에 의해 샘플(6)의 표면을 스캐닝함으로써 샘플(6)에 관한 표면 정보를 판정하는 역할을 한다. 따라서, 스캐닝 프로브 현미경(1)에서, 프로브(11)와 샘플(6)을 서로에 대해 이동시킴으로써 샘플(6)을 분석할 수 있다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 스캐닝 프로브 현미경(1)은 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 간극(62)의 이미지를 실질적으로 수평인 측면 뷰로 검출하도록 구성된 검출 유닛(60)(CCD 카메라 또는 CMOS 카메라와 같은 카메라를 포함할 수 있음)을 포함한다. 이러한 간극(62)의 실질적으로 수평인 측면 뷰는 수평축(도시된 z-방향에 수직으로 배향됨)에 대해 2°미만의 각도로 전파하는 광 빔(전자기 방사선 빔(66) 참조)에 의해 검출된다. 보다 정확하게는, 검출 유닛(60)은 실질적으로 수평 방향을 따라 간극(62)을 바라보았을 때 볼 수 있는 바와 같이, 수직으로 이격된(z 방향의) 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 간극(62)의 이미지를 검출하도록 구성된다. 샘플(6) 및 프로브(11)에 근접한 스캐닝 프로브 현미경(1)의 다양한 요소들의 포지셔닝의 제약조건을 충족시키기 위해, 검출 유닛(60)에 의해 캡쳐된 간극(62)의 이미지가, 미러들(31, 33) 사이의 간극(62)의 영역에서 실질적으로 수평으로 전파하는 전자기 방사 빔(66)에 의해 규정되는 완전 수평형인 꺽이지 않은 광학 경로의 단부에 위치될 때 획득될 이미지와 동일하다는 사실에도 불구하고, 검출 유닛(60)은 도면에서 이중으로 꺽인(folded) 광학 경로(미러들(31, 33) 참조)의 단부에 위치된다. 도 1에 도시된 정확한 측면 뷰 검출 구조로 인해, 검출 유닛(60)은 스캐닝 프로브 현미경(1)의 광학 요소들의 재조정 없이 상이한 크기들을 갖는 샘플들(6)에 대해서 간극(62)의 수직 크기를 검출할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 최대 30mm 이상의 치수를 갖는 샘플들(6)이 정밀하게 검출될 수 있다.
또한, 스캐닝 프로브 현미경(1)은, 상기 검출된 간극(62)의 이미지에 기초하여, 그리고 선택사양적으로 추가적으로 상기 검출기(10)로부터 얻어진 정보에 기초하여, 상기 프로브(11)과 상기 샘플(62) 간의 초기 이격 거리, 예를 들어, 10 mm로부터 이들 간의 최종 이격 거리, 예를 들어, 0.2 mm가 되도록 이들을 서로 접근시키기 위해서, 프로브와 샘플 간의 공간적 관계를 미세하지 않게 대략적으로 조대하게 조절하는 과정 및/또는 이에 후속하는 미세하게 조절하는 과정을 통해서, 상기 프로브(11)에 대해 상기 샘플(6)을 이동 또는 구동시키도록 구성된 구동 유닛(63)을 포함한다. 보다 상세하게는, 구동 유닛(63)은, 간극(62)의 검출된 이미지가 사용될 수 있는 조대한 대략적인 조절 과정에서 제 1 속도로 상기 초기 이격 거리에서 중간 이격 거리로 되게 프로브(11) 및 샘플(6)이 서로 접근하게 프로브(11)에 대해서 샘플(6)을 이동시키도록 구성된다.
대안적으로, 구동 유닛(63)은, 간극(62)의 검출된 이미지가 사용될 수 있는 조대한 대략적인 조절 과정에서 제 1 속도로 상기 초기 이격 거리에서 중간 이격 거리로 되게 프로브(11) 및 샘플(6)이 서로 접근하게 샘플(6)에 대해서 프로브(11)를 이동시키도록 구성된다.
이어서, 예를 들어 검출기(10)로부터의 데이터에 기초하여, 프로브(11) 및 샘플(6)은 그들 간의 이격 거리가 상기 중간 이격 거리에서 최종 이격 거리가 되도록 상기 제 1 속도보다 작은 제 2 속도로 서로 더 접근할 수 있다. 검출 유닛(60)에 의해서 정확한 측면 뷰 이미지에 기초하여 정확하게 결정된, 검출된 간극(62)의 정확한 크기 정보를 사용하여, 프로브(11)와 샘플(6) 간의 바람직하지 못한 충돌의 위험없이 높은 제 1 속도로 조대한(coarse) 조절이 수행될 수 있다. 구동 유닛(63)은 사용자에 의해 수동으로 또는 예컨대, 프로세서와 같은 제어 유닛(84)의 제어 하에서 자동으로 동작할 수 있다. 제어 유닛(84)은 스캐닝 프로브 현미경(1)의 동작을 제어할 수 있으며, 이러한 목적을 위해, 참조 부호들(4, 8, 60, 63, 72 및 80)로 표시된 구성요소들 중 적어도 일부에 연결될 수 있다.
또한, 스캐닝 프로브 현미경(1)은 도 1에 따른 이중으로 꺽인 광학 경로를 통해 실질적으로 수평인 측면 위치로부터 전자기 방사선(66), 예를 들어 가시광 빔으로 간극(62)을 조명하도록 구성된 조명 유닛(64)을 포함한다. 따라서, 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60) 사이의 광학 경로는 2 개의 반사 미러(31, 33)에 의해 규정된 2 개의 꺽임 위치들을 포함하는 꺽인 광학 경로이다. 검출 유닛(60) 및 조명 유닛(64)은 이중으로 꺽인 광학 경로의 반대편 단부들 상에 배치되며, 이러한 이중으로 꺽인 광학 경로의 중간 위치에서 수직으로 간극(62)만큼 이격된 샘플(6) 및 프로브(11)가 존재한다. 따라서, 전자기 방사선(66)은 조명 유닛(64)으로부터 미러(31)를 통해 이어서 간극(62)을 통해서 이어서 미러(35)를 통해 검출 유닛(60)으로 전파한다. 바람직하게는, 조명 유닛(64)은 간극의 전체 폭에 걸쳐 실질적으로 동일한 세기로 간극(62)을 균일하게 조명하도록 구성된다.
광학 시스템(68)은 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이에 배치되고 바람직하게는 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학 시스템으로서 구성된다. 텔레센트릭 광학 시스템(68)은 렌즈(70)의 초점 길이에 대응하는 검출 유닛(60)까지의 이격 거리에 배치된 렌즈(70)를 포함한다.
결정 유닛(80)에는 검출 유닛(60)에 의해 검출된 이미지를 나타내는 이미지 데이터가 제공되고, 결정 유닛은 검출된 이미지에 기초하여 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 거리 또는 간극 크기의 정량적 값을 결정하도록 구성된다. 이러한 정량적 값은 제어 유닛(84)에 공급될 수 있고 제어 유닛(84)에 의한 구동 유닛(63)의 제어를 위한 기초로서 작용할 수 있다. 선택사양적 프로세싱 유닛(72)은 검출 유닛(60)에 의해 생성된 다수의 수평으로 검출된 이미지들을 프로세싱하도록 구성된다. 선택적으로 또는 부가적으로, 검출된 이미지는 스크린 상에 디스플레이될 수 있으며, 따라서 오퍼레이터에 의해 관찰될 수 있다.
균일한 강도를 갖는 전자기 방사선(66)의 평행한 광선들의 집합을 생성하기 위해 간극(62)으로부터 검출 유닛(60)을 향해 전파되는 전자기 방사선(66)을 조작하도록 광학적 조작 유닛(74)이 제공 및 구성될 수 있다.
검출 유닛(60)은 수직 정렬 또는 z-정렬을 위해서 사용되는 정보를 제공하는 카메라를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 카메라는 샘플 표면의 이미지를 생성하지 않지만 프로브(11)와 샘플(6) 사이의 수직 거리를 관측하거나 측정한다. 이러한 측정 정보는 샘플(6)을 향해서 캔틸레버 타입 프로브(11)를 안전하게 접근시키는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 유닛(60)은 샘플(6) 또는 프로브(11)의 특징의 이미지를 검출하지 않고 간극(62)의 이미지를 검출한다. 이는 도 1에 도시된 바와 같은, 광원, 카메라 및 스캐닝 프로브 현미경(1)의 다른 구성 요소들의 고정된 셋업(setup)에 의해 달성될 수 있다. 이러한 구성 요소들은 AFM 프레임 및/또는 샘플-유지 구성요소(즉, 스테이지의 베이스)를 기준으로 고정된 위치를 가질 수 있다.
이하에서, 스캐닝 프로브 현미경(1)의 동작을 설명한다. 실제 스캐닝 프로브 현미경 측정을 시작하기 전에, 샘플(6)과 캔틸레버(7) 사이의 상호 포지셔닝이 조정될 필요가 있다. 이러한 목적을 위해, 샘플(6)과 캔틸레버(7) 사이의 바람직하지 않은 충돌 손상 또는 충격을 피할 수 있도록 하는 예를 들어, 10mm의 충분히 높은 이격 거리로 샘플(6)과 캔틸레버(7)는 서로 이격되게 배치된다. 그 후, 구동 유닛(63)은 샘플(6)과 캔틸레버(7)가 예를 들어, 1 mm의 상호 이격 거리에 도달할 때까지 상대적으로 높은 제 1 속도로 조대한 조절을 수행함으로써 샘플(6)과 캔틸레버(7)가 서로 접근하게 한다. 샘플(6)과 캔틸레버(7)가 어느 정도 서로 접근할 수 있는지에 대한 정보를 얻기 위해, 샘플(6)과 캔틸레버(7) 사이의 간극(62)의 이미지가 검출된다. 이러한 목적을 위해, 조명 유닛(64)은 전자기 방사선 빔(66)으로서 광학적 광선을 방출한다. 미러(31)에 의해 편향된 후에, 전자기 방사선 빔(66)은 샘플(6)과 캔틸레버(7) 사이의 간극(62)을 통해 전파한 다음에 다른 미러(33)에 충돌한다. 미리 빔 조작 유닛(74)에서 빔 조절이 수행될 수 있다. 렌즈(70)를 통과한 후에, 전자기 방사선 빔(66)은 이러한 전자기 방사선 빔(66)이 이미지의 형태로 검출되는 검출 유닛(60)에 도달한다. 이러한 검출된 이미지에 기초하여, 간극(62)에 관한 정보뿐만 아니라 간극의 형상 및 크기가 결정 유닛(80)에 의해 결정될 수 있다. 이러한 결정의 결과는, 예를 들어, 제어 유닛(84)을 통해 구동 유닛(63)에 공급될 수 있으며, 구동 유닛은 이러한 간극(62)의 결정된 크기에 기초하여 조대한 조절을 수행할 수 있다. 미러들(31 및 33) 사이의 전자기 방사선 빔(66)의 수평 전파로 인해, 간극(62)의 수평 이미지가 검출 유닛(60)에 의해 검출될 수 있다. 그러나, 검출 미러들(31 및 33)의 존재로 인해, 샘플-프로브 영역에 대해 이격되게 조명 유닛(64) 및 검출 유닛(60)을 배치할 수 있으며, 이러한 경우에, 오직 작은 공간만이 이러한 조명 및 검출 유닛들을 수용하도록 존재할 수 있다. 조명 유닛(64)은 발광 다이오드 또는 발광 다이오드들의 어레이일 수 있다. 간극(62)에 대한 조명의 균일성을 향상시키기 위해, 조명 유닛(64)과 간극(62) 사이에 확산기(37) 등을 배치할 수 있다. 전술한 스캐닝 프로브 현미경(1)에 의해 캡처된 간극(62)의 정확한 수평 측면 뷰로 인해, 간극(62)의 크기가 높은 정확도로 결정될 수 있고, 샘플과 프로브 간의 이격 거리 조절이 매우 정확하게 이루어질 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경(1)의 광학 시스템들(68)의 상이한 단면들을 도시한다.
도 2를 참조하면, 물체-측 텔레센트릭 측면 뷰 센서 또는 광학 시스템(68)이 도시되어있다. 도 2에서, 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60)의 감광 표면 사이의 광학 경로는 스캐닝 프로브 현미경(1)의 기하학적 구조의 제약사항을 만족시키기 위해 미러(33)를 구성함으로써 꺽인다. 그러나, 대안적으로는, 도 1(예를 들어, 2 개의 미러(31, 33)를 구현함)에서와 같이 이중으로 꺽인 기하구조를 가질 수도 있거나, 또는 전혀 꺽이지 않은 완전한 길이 방향의 광학 경로(예를 들어, 이러한 경우에는, 미러를 구성할 필요가 없음)를 가질 수도 있다. 따라서, 도 2에 따르면, 조명 유닛(64)(균일한 조명을 제공함)과 검출 유닛(60) 사이의 광학 경로는 단지 하나의 꺽임 위치를 포함하는 단일 꺽임 광학 경로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 조명 유닛(64)으로부터 수평으로 도달하여 간극(62)을 통과하는 광은 미러(33), 프리즘 또는 임의의 다른 적절한 광학 요소에 의해 편향될 수 있다. 오퍼레이터는 예를 들어, 스크린(눈금(scale)을 포함할 수도 있음) 상에서 이미지를 볼 수 있고 수동으로 샘플(6)의 표면을 향한 프로브(11)의 접근을 제어할 수 있다. 이러한 프로세스는 또한 제어 유닛(84) 등을 포함함으로써 반자동화되거나 완전히 자동화될 수 있다. 검출 유닛(60)은 간극(62)의 크기를 측정하고, 이 정보를 처리함으로써, 프로브(11) 및/또는 샘플(6)의 이동이 제어될 수 있다.
조명 유닛(64)(광원과 같은)은 장면, 즉 간극(62)에 수평으로 도달하는 균일 한 조명 빔 또는 전자기 방사선 빔(66)을 생성한다. 도 1과는 대조적으로, 조명 유닛(64)은 이제 간극(62)의 높이에서 전자기 방사선 빔(66)의 전파 방향에 정렬되게 배치되고 간극에 수직으로 배열되지 않는다. 광원 자체는 (도 2에서와 같이) 반드시 xy 평면에 위치할 필요는 없으며, 위에서 또는 아래에서 임의의 방향으로 도달한 광은 해당 평면으로 재배향될 수 있다. 전자기 방사 빔(66)은 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 간극(62)에 대한 실질적으로 균일한 조명을 보장해야 한다. 강도 변동 또는 광 편차가 충분히 작으면(이는 입사하는 광이 과도하게 불균일해지지 않음을 의미함), 투명 물체조차도 높은 정확성으로 검출될 수 있다.
입사 전자기 방사 빔(66)은 x-y-평면 내의 임의의 방향 또는 임의의 각도로부터 도달할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 광원 또는 전자기 방사선 소스(64)(또는 관련된 미러(31), 프리즘(prism) 등)의 적절한 위치는 카메라 또는 검출 유닛(60)(또는 이와 관련된 미러(33), 프리즘(prism) 등)과 직경 방향에서 반대편 방향으로 존재할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 텔레센트릭 광학 시스템(68)이 구현될 수 있다. 이러한 텔레센트릭 광학 시스템(68)은 물체 공간에서 텔레센트릭할 수 있다. 이러한 광학 구성의 장점은 이미지 평면에서, 물체의 이미지가 거리에 관계없이 동일한 크기를 갖는다는 점이다(도 4 참조). 즉, 이러한 텔레센트릭 구성에서는 원근 왜곡이 없다. 예시적인 실시예에 따른 텔레센트릭 광학 시스템(68)은 기본적으로 하나의 렌즈(70)와 함께 작동한다(도 1 또는 도 4 참조). 도 2에 도시된 구성은 2 개의 렌즈(70)를 포함한다. 그러나, 렌즈(70)의 개수는 1 개 또는 2 개가 아닌 다른 개수일 수 있다. 렌즈(들)(70)의 하류에는, 구멍(91)이 제공될 수 있으며, 이 구멍을 통해서, 전자기 방사선 빔(66)이 검출 유닛(60)에 도달하기 전에 전파된다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스캐닝 프로브 현미경(1)의 광학 시스템(68)을 도시한다. 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 거리들에 있는 3 개의 물체들(y1, y2, y3 참조)이 도시되어 있으며, 이러한 물체들(y1, y2, y3 참조)은 캔틸레버(7)와 샘플(6) 사이의 간극(62)을 상징한다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 물체들은 동일한 치수 y1 = y2 = y3을 가지지만, 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 이격 거리들에 위치하며, 이러한 물체들은 상이한 크기들로 검출 스크린 또는 검출 표면 상에 촬상될 것이다. 도 3의 광학 시스템(68)이 구현될 때, 샘플-프로브 배열이 광학적 아티팩트이 수반되는 것을 방지하기 위해 사전 정의된 위치에 위치하도록 주의를 기울여야한다. 참조 번호(93)는 투영 중심을 나타내고, 물체들(y1, y2, y3 참조)의 이미지(95)도 또한 도시된다. 핀홀과 검출면 사이의 거리는 도면 번호 g로 도시된다.
도 4에 도시된 광학 시스템(68)은 텔레센트릭 광학 시스템(68)의 구현으로 인한 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 도 3의 실시예에서와 같이, 도 4의 실시예는 꺽이지 않은 선형 광학 경로인, 조명 유닛(64)(도시되지 않음)과 검출 유닛(60) 사이의 광학 경로를 구현한다.
동일한 치수들(y1 = y2)를 가지지만 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 거리들에 위치하는 2 개의 물체(y1, y2 참조)가 도시되어 있으며, 이러한 물체들(y1, y2 참조)는 캔틸레버(7)(또는 프로브(11))와 샘플(6) 사이의 간극(62)을 상징한다. 이러한 핀홀 카메라(43) 및 렌즈(70)의 구성에서는, 검출 스크린 상에 촬상될 간극(62)의 치수는 간극(62)이 제 1 위치(y1 참조) 또는 제 2 위치(y2 참조)에 위치하는지의 여부에 관계없다. 따라서, 간극(62)의 크기는 프로브-샘플 배열의 정확한 위치에 관계없이 정확하게 결정될 수 있다. 상당히 유리하게는, 렌즈(70)와 핀홀 카메라(43)의 구멍(41) 사이의 거리 f는 렌즈(70)의 초점 길이와 동일하다. 물체들(y1, y2 참조)의 이미지들(95)은 모두 동일하거나 실질적으로 동일한 크기를 갖는다.
본 명세서에서 "포함하는"이라는 용어는 다른 구성 요소 또는 단계를 배제하지 않으며 해당 구성요소의 단수형은 복수형을 배제하지 않는다는 것을 유의해야 한다. 또한, 상이한 실시예들과 관련하여 설명된 요소들은 서로 조합될 수 있다.
청구 범위의 참조 부호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점에 유의 해야한다.
본 발명의 구현은 도면에 도시되고 전술한 바람직한 실시예로 한정되지 않는다. 그 대신에, 기본적으로 상이한 실시예들의 경우에도 본 발명에 따른 원리 및 도시된 방식들을 사용하는 다수의 변형예들이 가능하다.

Claims (15)

  1. 프로브(11)와 샘플(6)을 서로에 대해 이동시킴으로써 샘플(6)을 분석하는 스캐닝 프로브 현미경(1)에 있어서,
    상기 스캐닝 프로브 현미경(1)은 상기 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 간극(62)의 이미지를 수평인 측면 뷰(side view)로 검출하기 위한 검출 유닛(60);
    적어도 일부분이 상기 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이에 있는 광학 시스템(68)으로서,
    상기 광학 시스템(68)은 상기 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학 시스템이고,
    상기 광학 시스템(68)은 적어도 하나의 렌즈(70) 및 구멍(91)을 포함하고, 전자기 방사선(66)이, 상기 간극(62)을 통해 전파된 후에, 상기 검출 유닛(60)에 도달하기 전에 상기 구멍을 통해서 전파되는[0069], 광학 시스템(68); 및
    수평인 측면 위치로부터, 상기 간극(62)을 전자기 방사선(66)으로 조명하도록 구성된 조명 유닛(64)으로서,
    상기 검출 유닛(60) 및 조명 유닛(64)은, 상기 전자기 방사선(66)이 상기 조명 유닛(64)으로부터 상기 간극(62)을 통해 상기 검출 유닛(60)으로 전파되도록 배치되는, 조명 유닛(64);을 포함하는, 스캐닝 프로브 현미경.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수평인 측면 뷰의 상기 이미지는 수평축에 대해 5° 미만의 각도로 검출되는, 스캐닝 프로브 현미경.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 간극(62)의 이미지에 기초하여, 상기 프로브(11)과 샘플(62)을 초기 이격 거리로부터, 최종 이격 거리로 서로 접근시키기 위하여, 상기 프로브(11)와 샘플(6) 중 적어도 하나를 이동시키도록 구성되는 구동 유닛(63)을 포함하는, 스캐닝 프로브 현미경.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동 유닛(63)은 상기 프로브(11)와 샘플(6)을 상기 초기 이격 거리로부터 중간 이격 거리까지 제 1 속도로 상호 접근시키고, 이어서 상기 중간 이격 거리로부터 최종 이격 거리까지 상기 제 1 속도보다 낮은 제 2 속도로 상호 접근시키기 위해, 상기 프로브(11)와 샘플(6) 중 적어도 하나를 이동시키도록 구성되는, 스캐닝 프로브 현미경.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 유닛(60)은 재조절 없이 상이한 크기의 샘플들(6)에 대해 상기 간극(62)의 크기를 검출할 수 있도록 구성되는, 스캐닝 프로브 현미경.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선(66)이 상기 조명 유닛(64)으로부터 상기 간극(62)을 통해 상기 검출 유닛(60)으로 전파되도록, 상기 검출 유닛(60) 및 조명 유닛(64)은 상기 샘플(6) 및 프로브(11)의 양편에 배치되며; 또는,
    상기 조명 유닛(64)은 상기 간극(62)을 균일하게 조명하도록 구성되며; 또는
    상기 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60) 사이의 광학 경로는 꺽이지 않은 선형 광학 경로이며; 또는,
    상기 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60) 사이의 광학 경로는 꺽인 광학 경로인; 스캐닝 프로브 현미경.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈(70)는 상기 적어도 하나의 렌즈(70) 중 적어도 하나의 초점 거리에 대응하는, 상기 검출 유닛(60)으로부터의 이격 거리(f)에 위치하는, 스캐닝 프로브 현미경.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 이미지에 기초하여, 상기 샘플(6)과 프로브(11) 사이의 거리의 정량적인 값을 결정하도록 구성된 결정 유닛(80)을 포함하는, 스캐닝 프로브 현미경.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브(11)와 샘플(6)로 구성된 어레이 둘레에 배치된 적어도 2개의 검출 유닛(60)을 포함하고, 각각의 검출 유닛(60)은 서로 상이한 방향으로부터 상기 간극(62)에 대한 수평인 측면 뷰를 검출하도록 배열되는, 스캐닝 프로브 현미경.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 유닛(60)을 향해 전파되는 전자기 방사선(66)을 조작하도록 구성된 광학 조작 유닛(74)을 포함하는, 스캐닝 프로브 현미경.
  11. 스캐닝 프로브 현미경(1)의 프로브(11)와 샘플(6) 사이의 간극(62)을 모니터링하는 방법으로서, 상기 스캐닝 프로브 현미경(1)은 조명 유닛(64), 검출 유닛(60) 및 적어도 일부분이 상기 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이에 있는 광학 시스템(68)을 포함하고, 상기 광학 시스템(68)은 상기 간극(62)과 검출 유닛(60) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학 시스템이고, 상기 광학 시스템(68)은 적어도 하나의 렌즈(70) 및 구멍(91)을 포함하고, 전자기 방사선(66)이, 상기 간극(62)을 통해 전파된 후에, 상기 검출 유닛(60)에 도달하기 전에 상기 구멍을 통해서 전파되는, 상기 모니터링 방법에 있어서,
    상기 조명 유닛(64)을 사용하여 수평인 측면 위치로부터 상기 간극(62)을 전자기 방사선(66)으로 조명하는 단계로서, 상기 검출 유닛(60) 및 조명 유닛(64)은, 상기 전자기 방사선(66)이 상기 조명 유닛(64)으로부터 상기 간극(62)을 통해 상기 검출 유닛(60)으로 전파되도록 배치되는, 조명하는 단계; 및
    수평인 측면 뷰로 상기 간극(62)의 이미지를 검출하는 단계;를 포함하는 모니터링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 간극(62)의 검출된 이미지에 기초하여 상기 프로브(11) 및 샘플(6)이 서로 접근하도록 이동되는, 모니터링 방법.
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