KR102615578B1 - 사이드 뷰 이미징을 사용하는 시료의 높이 프로파일 특성화 - Google Patents

Abstract

프로브(11)와 시료(6)를 서로에 대해 이동시킴으로써 시료(6)를 분석하기 위한 주사 탐침 현미경(1), 특히 원자간력 현미경이 제공되며, 주사 탐침 현미경(1)은, 실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 시료(6)의 이미지를 검출하도록 배치되고 구성된 사이드 뷰 카메라(90)를 포함하는 검출 유닛(60) 및 검출된 이미지를 기반으로 시료(6) 표면의 적어도 일부의 프로파일을 나타내는 정보를 결정하기 위한 결정 유닛(80)을 포함한다.

Description

사이드 뷰 이미징을 사용하는 시료의 높이 프로파일 특성화{Characterizing a height profile of a sample by side view imaging}

본 발명은 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope, SPM)에 관한 것으로, 특히 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 주사 탐침 현미경에 의해 시료를 분석하는 방법에 관한 것이다.

SPM 또는 AFM에서, 시료 표면을 스캔하기 전에 일반적으로 두 가지 결합 단계가 발생한다. 첫 번째의 거친 결합(coarse engagement) 단계에서, 캔틸레버형 프로브(cantilever-type probe)가 시료 표면 위의 수 밀리미터(또는 심지어 센티미터)에서 시료 표면 위의 1 밀리미터 미만(예를 들어, 수 100 마이크로미터)의 위치로 이동된다. 이 단계 이후, 미세 결합(fine engagement)이 시작된다. 캔틸레버가 측정을 위한 최종 시작 위치에 도달할 때까지 캔틸레버는 연속적으로 또는 수 마이크로미터 단위로 이동한다.

이러한 결합 단계 동안뿐만 아니라 프로브가 시료를 스캔하는 실제 시료 분석 동안, 프로브와 시료 모두가 프로브와 시료 사이의 충돌에 의해 손상되지 않도록 주의해야 한다. 이 문제는 복잡한 모양의 시료를 분석할 때 특히 두드러진다.

미국 특허 제9,448,393호는 크기가 SPM의 통상적인 작동 스캐닝 영역의 배수인 큰 시료를 조사하거나 측정하는 데 사용되는 주사 탐침 현미경(SPM)을 개시하고 있다. 빈번한 재조정을 피하거나 SPM의 초점을 맞출 때 시간 소모적인 인간 상호작용 및 오류를 방지하기 위해, 큰 시료를 스캐닝하도록 구성된, 거친 즉 저해상도의 비-SPM 스캐닝 또는 매핑 단계와 시료의 완전한 맵을 제공하는 단계를 포함하고, 이후 시료의 관심 영역을 식별하고, 해당 영역은 고해상도의 SPM에 의해 초점이 맞춰진 미세 래스터 스캐닝(raster scanning) 단계를 거치는, 바람직하게는 수리적 평가 단계가 이어지는, 큰 시료0의 SPM 스캐닝을 위한 다단계의 자동화된 방법이 개시되어 있다.

미국 특허 제7,430,898호는 광학 서브시스템 및 원자간력 현미경 프로브를 포함하는 시스템을 개시하고 있다. 광학 서브시스템은 시료의 표면 상의 위치에 관한 위치 정보를 생성하도록 구성된다. 시스템은 위치 정보를 기반으로 해당 위치 근처에 프로브를 배치하도록 구성된다. 방법은 광학 서브시스템을 이용하여 시료의 표면 상의 위치에 대한 위치 정보를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 위치 정보를 기반으로 해당 위치 근처에 원자간력 현미경 프로브를 배치하는 단계를 포함한다. 또 다른 시스템은 스캐터로메트리(scatterometry)를 사용하여 웨이퍼의 오버레이(overlay)를 측정하도록 구성된 광학 서브시스템을 포함한다. 시스템은 또한 웨이퍼 상의 특성의 특징을 측정하도록 구성된 원자간력 현미경을 포함한다. 추가적인 방법은 스캐터로메트리를 사용하여 웨이퍼의 오버레이를 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 원자간력 현미경을 사용하여 웨이퍼 상의 특성의 특징을 측정하는 단계를 포함한다.

그러나, 특히 시료가 복잡한 형상을 갖는 경우, 매우 민감한 팁(tip)을 갖는 프로브가 의도하지 않게 프로브와 충돌하여, 프로브, 시료 및/또는 분석을 파괴할 수 있는 가능성이 여전히 존재한다. 이러한 단점을 부분적으로 극복하려는 기존의 접근법들은 정밀도가 부족하고 번거로울 수 있다.

본 발명의 목적은 주사 탐침 현미경의 간단하고, 신속하고, 결점에 강한 동작을 가능하게 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 독립항에 따른 주사 탐침 현미경 및 주사 탐침 현미경에 의해 시료를 분석하는 방법이 제공된다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 프로브와 시료를 서로에 대해 이동시킴으로써 시료를 분석하기 위한 주사 탐침 현미경(특히 원자간력 현미경)이 제공되며, 주사 탐침 현미경은 실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 시료의 이미지를 검출하도록 배치되고 구성된 사이드 뷰 카메라를 포함하는 검출 유닛 및 검출된 이미지를 기반으로 시료 표면의 적어도 일부의 프로파일을 나타내는 정보를 결정(예를 들어, 시료의 하나 이상의 부분의 하나 이상의 정량적인 높이 값을 결정)하기 위한 결정 유닛을 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 주사 탐침 현미경(특히 원자간력 현미경)에 의해 시료를 분석하는 방법이 제공되며, 방법은 실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 시료의 이미지를 검출하는 단계와, 검출된 이미지를 기반으로 시료 표면의 적어도 일부의 프로파일을 나타내는 정보를 결정하는 단계 및 결정된 정보를 고려하여 프로브와 시료를 서로에 대해 이동시킴으로써 시료를 분석하는 단계를 포함한다.

본 출원의 맥락에서, "실질적으로 수평인 사이드 뷰"이라는 용어는 특히, 시료와 프로브가 수직 방향으로 이격되어 있을 때, 검출 유닛이 순수 수평 방향에서 크게 벗어나지 않는 유효 시야 방향을 따라 시료의 이미지를 검출할 수 있도록 구성된다는 것을 나타낼 수 있다. 이는 0의 완전 수평 시야각 또는 이 시야 방향에서 시료의 투사를 실질적으로 정확하게 검출할 수 있는 작은 시야각을 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 정렬 공차(alignment tolerance) 등으로 인해, 순수 수평 배열 또는 시야 방향으로부터 약간의 편차가 있을 수 있음을 확실히 알 것이다.

본 출원의 맥락에서, "시료의 적어도 일부의 프로파일"이란 용어는 특히 주사 탐침 현미경에 의한 분석 동안 프로브에 의해 스캐닝될 수 있는 시료의 외부 표면의 지형을 특징으로 하는 정보를 나타낼 수 있다. 이러한 프로파일 정보는 시료 또는 이의 일부(들)의 높이 프로파일에 관한 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 프로파일 정보는 시료 표면(또는 이의 일부)의 각각의 위치에 대해 이 각각의 위치에서의 시료 높이를 나타내는 3차원 높이 맵일 수 있다. 그러나, 이러한 프로파일 정보는 또한 결합 단계 및/또는 실제 분석 동안 충돌을 피하기 위해 주의를 기울어야 하는 확연한 높이를 갖는 시료의 하나 또는 다수의 영역을 나타내는 사이드 뷰로부터의 투사(projection) 또는 그림자(shadow) 이미지로부터 도출될 수 있다. 예를 들어 시료의 국부적인 또는 전반적인 최대 높이와 관련된 하나 이상의 영역에서 시료의 높이를 나타내는 투사 또는 그림자 이미지로부터의 정보로서 하나 이상의 양적 매개변수가 결정될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 주사 탐침 현미경에 의해 분석될 시료의 프로파일 또는 높이 맵이 적어도 부분적으로 사이드 뷰 카메라에 의해 도출되는 주사 탐침 현미경이 제공된다. 사이드 뷰 카메라에 의해 시료 프로파일 정보를 결정하는 단계는 사이드 뷰, 즉 수직 투사 또는 그림자 이미지로부터 적절히 검출될 수 있는 하나 이상의 국부적인 최대 시료 높이 영역에 관한 의미 있는 정보를 제공한다. 시료의 국부적인 최대 높이의 이러한 영역은 사이드 뷰로부터 적절히 캡쳐될 수 있고 최대 높이의 이러한 시료 영역으로부터 프로브 팁을 적절하게 이동(navigate)하기 위한 고도의 관련 정보를 제공할 수 있다. 동시에, 높이 맵 결정과 관련하여 사이드 뷰 카메라에 의한 시료의 검출은 주사 탐침 현미경의 작동이 방해 받지 않도록 시료 위의 영역을 자유롭게 유지한다.

시료의 실제 분석과 관련하여 시료 표면을 스캔하기 전에, 프로브는 시료 위의 짧은 거리에 있어야 한다. 이를 위해, 특히 수평 치수가 크고 상당한 높이 및/또는 두께 변화가 있는 시료에 대하여, 시료 표면의 높이 맵(특히 3차원 프로파일)을 생성하는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 조작자는 시료 및/또는 프로브의 충돌 및 손상을 피하기 위해 프로브를 x- 및 y-방향으로(즉, 수평면 내에서) 매우 신중하게 이동시켜야 할 것이다. 예시적인 실시형태에 따르면, x- 및 y-방향의 프로브 이동(navigation) 및 z-방향(수직 방향일 수 있음)의 프로브-시료 접근(approach)을 지원하는 정보를 조작자(또는 완전 자동화된 실시형태의 경우 기구)에 제공하기 위해 사이드 뷰 이미징에 의해 시료의 높이 맵으로 표현될 수도 있는 (예를 들어, 3차원) 프로파일을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 맵의 존재는 이동을 가속화하고 z-방향으로 크게 확장되는 시료의 영역과 프로브 사이의 충돌을 방지한다. 이는 특히 측면(x 및 y) 치수로 확장되는 큰 시료 및/또는 평평하지 않은 시료에 적용된다.

더욱 상세하게, 본 발명의 예시적인 실시형태는 실제 사이드 뷰 센서, 즉 장면의 수평 뷰, 즉 시료의 3차원 곡면 형태 또는 더욱 정확하게는 이의 투사 형태의 관심 영역을 캡쳐할 수 있는 관찰 시스템(카메라, 센서 등을 포함할 수 있음) 형태의 검출 유닛을 제공할 수 있다. "수평"은 이러한 맥락에서 광 검출 경로가 측정 시스템의 x-y-평면(z-방향은 프로브 및/또는 시료 스테이지의 수직 이동 방향임)과 평행하거나 적어도 실질적으로 평행한 것을 나타낼 수 있다. 따라서 수평은 약간 경사진 또는 기울어진 방향 또는 평면을 포함한다. 수평면으로부터의 편차는 바람직하게는 5° 미만, 특히 2° 미만 또는 심지어는 1° 미만, 특히 바람직하게는 0.5° 미만이어야 한다. 폴딩된(folded) 광 경로가 구현될 수 있기 때문에 수평 뷰는 관찰 장치 또는 검출 유닛(예를 들어, 하나 이상의 카메라) 그 자체가 각각의 수평면에 배치되는 것을 반드시 요구하지는 않는다는 것을 고려해야 한다.

이하, 주사 탐침 현미경 및 방법의 또 다른 실시형태가 설명될 것이다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은 시료의 그림자 이미지로부터 하나 또는 다수의 높이 값을 결정하는 단계 및 시료의 적어도 일부의 3차원 표면 함수를 결정하는 단계로 이루어진 군 중에서 적어도 하나에 의해 정보를 결정하도록 구성된다. 하나의 사이드 뷰 카메라가 고정된 위치에 배치되면, 수직 투사 또는 그림자 영상이 얻어질 수 있다. 이러한 실시형태에서, 프로파일의 일종의 그림자 이미지만을 산출하는 수평 카메라만이 존재한다. 다시 말해서, 사이드 뷰 센서는 자체적으로 2차원 그림자 이미지를 산출할 수 있다. 두 개 이상의 사이드 뷰 카메라를 제공하고 및/또는 시료 스테이지에 대해 사이드 뷰 카메라(들)를 회전시키면 시료 프로파일에 관한 더 많은 정보를 제공할 것이다. 따라서, 두 개 이상의 사이드 뷰 센서들을 제공하고/제공하거나 센서 및/또는 시료를 회전시키면, 더욱더 미세한 구조물(예를 들어, 산 뒤에 숨어있는 계곡)의 검출을 가능하게 한다. 사이드 뷰 카메라에 적어도 하나의 추가 카메라(특히 탑-다운 뷰(top-down view) 또는 경사 뷰(oblique view) 정보를 제공하는 추가 카메라)를 추가함으로써, 시료 표면 또는 이의 일부의 3차원 맵이 결정될 수 있다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은 상이한 위치 및/또는 배향에서 검출 유닛에 의해 검출된 시료의 다수의 이미지를 조합함으로써, 특히 연관시킴으로써 프로파일을 나타내는 정보를 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 사이드 뷰 시스템에 의해 얻어진 정보는 비-수평적 시각에서, 예를 들어 탑-다운 시각 및/또는 경사 시각에서 시료의 상이한 뷰를 제공하는 다른 검출 및/또는 관찰 시스템에 의해 얻어진 다른 정보와 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 시료의 높이 맵 또는 3차원 표현과 같은 시료의 추가 정보가 생성될 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛은 상이한 공간 위치 및/또는 상이한 공간 배향으로 배치된 다수의 카메라에 의해 시료의 다수의 이미지를 검출하도록 구성된다. 이를 통해 시료 프로파일 정보가 도출될 수 있는 정보의 기초를 확장하거나 확대할 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛은 적어도 하나의 카메라와 시료를 상이한 위치 및/또는 상이한 공간 배향으로 서로에 대해 이동시키도록 구성함으로써 시료의 다수의 이미지를 검출하도록 구성된다. 예를 들어, 하나의 사이드 뷰 카메라는 제 1 이미지를 캡쳐하기 위해 시료에 대해 제 1 위치로 이동될 수 있다. 이후, 이 사이드 뷰 카메라는 제 2 이미지를 캡쳐하기 위해 예를 들어 수직 또는 z-축을 중심으로 시료에 대해 예를 들어 90° 회전할 수 있다. 이들 두 개(또는 그 이상의) 이미지의 조합을 통해 시료 프로파일에 관한 정보를 정제할 수 있다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은 미리 정해진 광 패턴이 투사된 시료의 검출된 이미지를 분석함으로써 정보를 결정하도록 구성된다. 결정 유닛은 프로파일된 시료 표면 상의 검출된 구조 광(structured light)(예를 들어, 곡선)의 형상 및 초기에 시료 표면 상에 투사된 미리 정해진 광 패턴(예를 들어, 직선) 간의 편차를 평가할 수 있다. 이 편차는 시료의 표면 프로파일에 기인하며, 따라서 특성화될 수 있다. 따라서, 구조 광(예를 들어, 하나 이상의 직선 광)은 시료의 표면 프로파일의 완전한 3차원 이미지를 도출하기 위한 추가 정보를 얻기 위해 사용될 수 있다. 이러한 맥락에서, 미리 정해진 패턴이 시료의 표면에 투사되는 것이 가능하다. 표면의 불규칙성은 광 패턴을 변화시킨다. 이미지 인식 기능이 있는 카메라는 대응하는 광 이미지를 검출할 수 있다. 이미지는 광 패턴의 변화를 검출하기 위해 처리될 수 있고, 이를 통해 시료 표면의 실제 윤곽을 계산할 수 있다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은 패턴 인식 및 물체 인식 중 적어도 하나를 수행하여 시료의 검출된 이미지를 분석함으로써 정보를 결정하도록 구성된다. 물체 인식과 관련하여, 카메라는 상이한 물체를 인식하는데, 예를 들어 시료와 시료 홀더를 구별할 수 있다. 이는 상승된 구조물 뒤에 감추어져 있거나 탐지할 수 없는 구역을 식별하는 데 도움이 된다. 패턴 인식과 관련하여, 하나 이상의 소정의 패턴이 각각의 이미지 상에서 검출될 수 있고, 따라서 시료 표면에 관한 정보의 기초, 특히 시료와 시료 홀더 사이의 경계를 정제할 수 있다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은 3차원 재구성과 관련하여 시료의 다수의 검출된 이미지를 분석함으로써 정보를 결정하도록 구성된다. 특히, 상이한 공간 방향 또는 배향으로부터 검출된 상이한 이미지의 조합은 시료 표면을 매우 정확한 방식으로 특성화할 수 있는 보충 정보를 제공할 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은, 예를 들어 사이드 뷰 카메라, 와이드 뷰 카메라 또는 현미경을 형성할 수 있는 적어도 하나의 하이 다이내믹 레인지(High Dynamic Range, HDR) 카메라를 포함할 수 있다. HDR 이미징은 반사면의 측정을 용이하게 하고 불균일한 조명을 보정한다. 따라서, 혹독한 조건 하에서 또는 어려운 조명 조건 하에서 시료 표면 프로파일에 관한 신뢰할 수 있는 정보가 또한 결정될 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은, 예를 들어 하나 이상의 다음과 같은 방식으로 결정된 정보를 처리하도록 구성된 처리 유닛(예를 들어, 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치(CPU)와 같은 하나 이상의 프로세서 또는 프로세서의 일부)을 포함할 수 있다:

일 실시형태에서, 처리 유닛은 시료의 프로파일을 고려하여 프로브가 도달할 수 없는 적어도 하나의 도달 불가능 영역을 결정하기 위해 데이터 및/또는 정보를 처리할 수 있다. 이를 위해, 처리 유닛은 프로브의 기하구조 및/또는 프로브를 지지하는 구조물을 나타내는 기하 정보 및 시료에 관한 프로파일 정보를 고려할 수 있다. 이러한 조치를 취함으로써, 처리 유닛은 기하학적 조건의 결과로서 프로브 및/또는 한편으로는 프로브를 지지하는 구조물 다른 한편으로는 시료 사이의 충돌의 위험 없이 프로브에 의해 분석될 수 없는 시료의 하나 이상의 영역을 계산할 수 있다.

일 실시형태에서, 처리 유닛은 시료를 분석하기 위한 초기 프로파일-관련 위치로 이동하도록 프로브를 제어하기 위한 제어 정보를 결정하기 위해 데이터 및/또는 정보를 처리할 수 있다. 분석을 시작하기 위한 초기 위치에 관한 판정은, 시료의 표면 프로파일을 고려하는, 즉 충돌을 피하는 적절한 시작 위치에 도달하기 위해 프로브가 시료에 대해 이동되는 가장 짧은 또는 가장 빠른 궤도를 결정하는 목표에 의해 통제될 수 있다.

일 실시형태에서, 처리 유닛은 시료를 분석하는 동안 프로파일-적응 궤도(profile-adapted trajectory)를 따라 서로에 대해 이동하도록 프로브와 시료를 제어하기 위한 제어 정보를 결정하기 위해 데이터 및/또는 정보를 처리할 수 있다. 시료의 분석 동안 프로브와 시료 사이의 상대 운동을 나타내는 궤도는 프로브의 기하구조 및 시료의 표면 프로파일로 인해 시료와 프로브가 충돌할 수 있는 금지된 또는 도달 불가능 영역을 생략함으로써 결정될 수 있다.

일 실시형태에서, 사이드 뷰 카메라는 실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 시료와 프로브 사이의 갭을 모니터링하도록(바람직하게는 시료의 표면 프로파일을 나타내는 이미지 데이터를 캡쳐하는 것과 동시에) 배열되고 구성된다. 대응하여, 결정 유닛은, 갭을 모니터링하는 관점에서 검출 유닛에 의해 검출된 이미지 데이터를 기반으로, 갭을 특성화하는 정보를 결정하도록, 특히 갭의 크기(예를 들어, 수직 연장)를 결정하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 예시적인 실시형태에 따르면, 프로브와 시료의 서로에 대한 적어도 거친 조정이 짧은 시간에 설정될 수 있도록, 프로브와 시료 사이의 갭이 신뢰할 수 있는 방식으로 실제로 검출될 수 있는 주사 탐침 현미경이 제공된다. 이는 프로브와 시료의 의도하지 않은 충돌로 인한, 특히 잘못되거나 부정확하게 결정된 갭의 결과로서 이들 두 몸체 사이의 과도한 접근으로 인한 프로브 및/또는 시료의 손상의 위험 없이 달성될 수 있다. 큰 경사 시야각보다는 정확한 또는 대략적인 수평 뷰에서 갭의 이미지를 얻음으로써, 프로브와 시료 사이의 갭의 실제 치수가 용이하고, 신속하고 신뢰할 수 있게 결정될 수 있다. 반복적으로 검출될 수도 있는 이러한 결정된 정보는 시료와 프로브에 접근하는 절차를 제어하기 위해 사용될 수 있다.

일 실시형태에서, 실질적으로 수평인 사이드 뷰의 이미지는 수평축에 대해 5° 미만, 특히 2° 미만의 각도로 검출된다. 완전히 수평인 사이드 뷰에서 매우 작은 각도의 불일치가 있는 경우, 시료의 높이 프로파일 및 시료와 프로브 사이의 갭의 치수와 관련하여 의미 있고 신뢰할 수 있는 정보를 얻는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 검출 유닛의 순수 수평 배열로부터 비교적 작은 편차를 허용함으로써, 작은 부정확성에 대해 내성이 있는 주사 탐침 현미경이 제공된다. 특히 약 5° 미만의 편차가 있는 경우, 갭 검출 및 무결점의 거친 조정의 정밀도뿐만 아니라 시료 표면 프로파일 특성화를 과도하게 손상시키지 않으면서 시스템의 신속한 정렬이 가능하다는 것이 밝혀졌다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 특히 적어도 부분적으로 시료와 검출 유닛 사이에 광학계를 포함한다. 이러한 광학계는 렌즈, 거울, 구멍, 빔 스플리터 등과 같은 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 이러한 광학계는 검출 유닛(예를 들어, CMOS 검출기 또는 CCD 검출기 또는 광 다이오드 어레이)에 도달하기 전에 방사선 빔을 조작할 수 있다.

일 실시형태에서, 광학계는 텔레센트릭 광학계(telecentric optical system), 특히 (특히 현재 분석되는) 시료의 관심 측정 지점과 사이드 뷰 카메라 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학계이다. 사이드 뷰 카메라(특히, 와이드 뷰 카메라 및/또는 현미경과 같은 적어도 하나의 추가 카메라와 함께)는 시료 표면에서 관심 있는 각각의 측정 지점에 관한 이미지 정보를 캡쳐하도록 조정될 수 있다. 이후, 사이드 뷰 카메라(특히, 적어도 하나의 추가 카메라와 함께)는 시료의 관심 있는 또 다른 측정 지점에 관한 이미지 정보를 캡쳐함으로써, 개별적으로 도출된 정보 항목을 결합하여 시료의 높이 분포를 나타내는 정보를 얻을 수 있다. 텔레센트릭 광학계가 구현될 때, 이미지의 배율은 시료의 관심 있는 상이한 측정 지점에 대해 동일하다. 이로 인해 개별 정보 항목이 더 잘 비교되고 결합될 수 있다.

일 실시형태에서, 광학계는 텔레센트릭 광학계, 특히 시료 및 한편으로는 프로브 다른 한편으로는 사이드 뷰 카메라 사이의 갭의 거리와 실질적으로 무관한(특히 10% 이하의 편차로) 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학계이다. 텔레센트릭 광학계가 구현될 때, 텔레센트릭 광학계는 시료에서 멀리 배치될 수 있다. 이는 많은 기하학적 실시형태에서 광학계를 시료와 프로브에 매우 가깝게 배치하는 것을 허용하지 않는 장치의 크기 제한을 충족시킬 수 있기 때문에 실제 사이드 뷰의 구현을 크게 단순화한다. 그러나, 텔레센트릭 광학계가 사용되는 경우, 광학계 및 시료와 프로브의 배치 사이의 거리는 시료의 높이 프로파일의 해상도 또는 텔레센트릭 광학계에 의해 캡쳐된 이미지 상의 갭의 크기를 감소시키지 않고 클 수 있다. 검출 유닛에 의해 캡쳐된 이미지 상에 나타나는 바와 같이, 시료의 높이 프로파일의 해상도 및 갭 크기가 검출 유닛의 이미지 검출 표면 및 시료와 프로브의 위치 사이의 거리와 실질적으로 무관하다는 것이 텔레센트릭 광학계의 특징이다. 텔레센트릭 광학계를 구현하는 이러한 매우 바람직한 실시형태에 따라, 오정렬 등에 매우 견고하고 높은 공차를 제공하는 시료 프로파일 결정(및 선택적으로 추가적으로 갭 검출) 구조를 얻는 것이 가능하다. 텔레센트릭 광학계는, 시료 표면의 높이 프로파일의 해상도(및 선택적으로 갭의 크기)가 언급된 거리 조건에 의해 결정되지 않는 방식으로, 시료 표면(및 선택적으로 갭)의 이미지를 검출 유닛의 광 감응 검출기 상에 투사하는 특성을 갖는다. 텔레센트릭 광학계를 제공하면 또한 전체적으로 주사 시스템 현미경의 광학계 또는 요소를 자주 재조정할 필요가 없어진다.

예시적인 실시형태에 따른 텔레센트릭 광학계에서 구현될 수 있는 텔레센트릭 렌즈는 무한 거리의 입사동(entrance pupil) 또는 출사동(exit pupil)을 갖는 복합 렌즈이다. 이전의 경우, 이는 시료 표면과 갭의 투사의 정사영 뷰(orthographic view)를 생성한다. 이는 광학계가 주 광선, 즉 시스템의 전방 또는 후방에서 광축에 평행한 광선을 각각 선택한다는 것을 의미한다. 렌즈를 텔레센트릭하게 만드는 간단한 방법은 구경 조리개를 렌즈의 초점 중 하나에 놓는 것이다. 무한 거리의 입사동은 렌즈를 물체-공간 텔레센트릭하게 만들고, 따라서 이미지 배율은 시료-프로브 배열의 거리 또는 검출 유닛의 시야에서 갭의 거리 또는 위치와 무관하다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 시료의 측면 투사 및/또는 시료와 프로브 사이의 갭을, 특히 실질적으로 수평인 측면 위치로부터, 전자기 방사선으로 특히 균일하게 조명하도록 구성된 조명 유닛을 포함한다. 검출 유닛과 마찬가지로, 조명 유닛에 의해 생성된 전자기 방사선 빔이 실질적으로 수평 전파 방향으로 시료 및/또는 갭을 따라 전파되는 한, 조명 유닛은 수평으로 정렬될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이는 특히 한편으로는 조명 유닛 다른 한편으로는 갭 또는 시료 사이에 폴딩된 빔 경로를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 이러한 조명 유닛은 갭을 조명함으로써 검출된 이미지(들) 상의 한편으로는 갭 다른 한편으로는 프로브와 시료 사이의 대비(contrast)를 향상시키기 위해 전자기 방사선(특히 가시광, 대안적으로는 자외선 또는 적외선)을 방출할 수 있다. 또한, 측 방향 위치로부터 시료의 균일한 조명이 유리하게 달성될 수 있다. 이러한 조치를 취함으로써, 시료의 높이 프로파일을 특성화(및 선택적으로 이미지상의 갭을 식별)하는 정확도가 개선될 수 있고, 따라서 프로브-시료 상호작용의 조정의 정확도가 개선될 수 있다. 조명 유닛이 (검출 유닛에 대해 상기한 바와 같이) 실질적으로 수평인 측면 위치에 또한 배치되는 경우, 전자기 방사선 빔은 조명 유닛과 검출 유닛 사이에서 실질적으로 직선 방향을 따라 전파될 수 있다. 이는 또한 검출의 고정밀도에 기여한다. 그러나, 주변으로부터 충분한 광이 존재하는 또 다른 실시형태에서, 조명 유닛을 생략하는 것도 가능하다고 할 수 있다.

본 출원의 맥락에서, "균일하게 조명하는"이라는 용어는 특히 전자기 방사선 빔의 강도가 갭의 전체 연장에 걸쳐 실질적으로 또는 완전히 동일하다는 것을, 예를 들어 갭 연장을 걸쳐 10% 미만 벗어난다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 조치를 취함으로써, 갭의 불균일한 조명으로 인해 발생하는, 그리고 이미지로부터 시료 프로파일 및/또는 갭과 이의 크기의 잘못된 판단을 초래할 수 있는 모든 광학 아티팩트(optical artifact)가 방지될 수 있다. 빈 장면(시료 또는 캔틸레버형 프로브가 보이지 않음)에서, 균질성의 편차는 센서 또는 검출 유닛에 의해 상이한 강도 수준(특히 갭 연장에 걸쳐)으로 인식된다. 이러한 빈 이미지의 대비는 장면에서 인식할 수 있는 물체의 광학 밀도에 대한 제한을 설정한다. 즉, 예를 들어 투명한 또는 반투명한 시료가 장치에 배치되면, 생성된 이미지의 대비는 인간 조작자 또는 컴퓨터 알고리즘에 의해 검출된 시료 경계가 높은 신뢰성과 정확성을 가질 수 있도록 조명 불균일성보다 크게 높아야 한다.

상이한 실시형태에 따라 균일한 조명이 달성될 수 있는 방법은 다양하다. 일 실시형태에서, 이를 달성하는 광학 요소는 전자기 방사선의 전파 경로에 배치된 연마된 면을 갖는 프리즘이다. 또 다른 실시형태에서, 균일한 조명은 확산 표면의 스택으로 구현될 수 있는 디퓨저(diffuser)에 의해 달성될 수 있다. 디퓨저는 (광 빔이 디퓨저를 통해 전파됨으로써 균일하거나 더욱 균일하게 되도록) 투과 기하구조에서 또는 (광 빔이 디퓨저에서 반사됨으로써 균일하게 되도록) 반사 기하구조에서 실현될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 균일한 조명은 광 가이드로서 작용하는 섬유 다발을 구현함으로써 얻어질 수 있다. 언급된 각각의 실시형태에서, 예를 들어 전자기 방사선 소스로서 발광 다이오드가 사용될 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛은, 상기한 적어도 하나의 사이드 뷰 카메라 외에도, 특히 상부 위치 또는 경사 위치로부터 시료의 적어도 일부(특히 전체)의 광각(wide angle) 이미지를 검출하도록 배치되고 구성된 와이드 뷰 카메라를 포함한다. 예를 들어, 와이드 뷰 카메라는 적어도 1 cm²의 시료 영역을 볼 수 있다. 예를 들어, 이러한 와이드 뷰 카메라는 4 cm x 4 cm의 시료 영역을 캡쳐할 수 있다. 와이드 뷰 카메라의 시야 방향은, 예를 들어 적어도 30°, 특히 적어도 60°, 특히 적어도 80°의 사이드 뷰 카메라의 시야 방향과의 각도를 취할 수 있다. 이러한 와이드 뷰 카메라에 의해, 시료에 관한 경사진 또는 평평한 뷰 정보, 즉 특히 수평면에서의 시료 프로파일에 관한 정보가 캡쳐될 수 있다. 따라서, 상기한 와이드 뷰 카메라와 함께 상기한 사이드 뷰 카메라를 병용함으로써 현저한 추가적 정제가 달성될 수 있다. 이러한 와이드 뷰 카메라는 상부 또는 비스듬히 위쪽을 향하는 위치로부터 시료 또는 이의 일부의 광각 뷰를 제공할 수 있다. 상기한 사이드 뷰 센서와 추가의 와이드 뷰 센서의 상승적인 조합은 (상대적으로 낮은 해상도의) x-y-위치 및 각각의 지점의 대응하는 z-위치(즉, 이 x-y-지점에서의 시료 높이)를 산출할 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛은, 상기한 적어도 하나의 사이드 뷰 카메라 외에서 (그리고 선택적으로 상기한 적어도 하나의 와이드 뷰 카메라 외에도), 특히 상부 위치 또는 경사 위치로부터 시료의 하위부분(subportion)만을 검출하도록 배치되고 구성된 적어도 하나의 현미경(내로우 뷰 카메라(narrow view camera)로 표현될 수도 있음)를 포함한다. 예를 들어, 현미경 또는 내로우 뷰 카메라는 10 mm² 이하의 시료 영역을 볼 수 있다. 예를 들어, 이러한 현미경은 2 mm x 2 mm의 시료 영역을 캡쳐할 수 있다. 현미경의 시야 방향은, 예를 들어 적어도 30°, 특히 적어도 60°, 특히 적어도 80°의 사이드 뷰 카메라의 시야 방향과의 각도를 취할 수 있다. 바람직하게, 현미경의 시야 방향은 사이드 뷰 카메라의 시야 방향과 90°의 각도를 취한다. 이러한 현미경에 의해, 시료의 하위부분에만 관한 고도의 해상도이지만 공간적으로 제한된 평면 뷰 정보, 즉 수평면에서의 미세한 시료 프로파일에 관한 정보가 캡쳐될 수 있다. 일 실시형태에서, 현미경은 와이드 뷰 카메라보다 시료의 더 작은 영역을 볼 수 있고 및/또는 와이드 뷰 카메라보다 높은 해상도를 가질 수 있다. 사이드 뷰 카메라와 와이드 뷰 카메라 외에도 현미경 형태의 제 3 센서(바람직하게는 탑-다운-뷰(top-down-view) 위치에 배열됨)가 구현될 수 있는 것이 특히 바람직할 수 있다. 사이드 뷰 카메라, 와이드 뷰 카메라 및 현미경의 조합은 시료의 3차원 프로파일 정보를 매우 높은 해상도로 제공할 수 있다.

일 실시형태에서, 결정 유닛은, 사이드 뷰 카메라에 의해 캡쳐되고 수직면(실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 사이드 뷰 카메라에 의해 볼 수 있음) 상의 시료의 투사에 해당하는 적어도 하나의 이미지 및 적어도 하나의 추가 카메라에 의해 캡쳐되고 또 다른 면(즉, 수직면에 대해 비스듬한 면, 예를 들어 수평면) 상의 시료의 투사에 해당하는 적어도 하나의 추가 이미지를 결합함으로써 시료의 프로파일을 재구성하도록 구성된다. 후자의 투사는 탑-다운 뷰 또는 비스듬한 또는 경사진 뷰에서 볼 수 있다. 다시 말해서, 사이드 뷰 카메라에 의해 검출된 표면 프로파일 정보는 적어도 하나의 추가 카메라(예를 들어, 와이드 뷰 카메라 및/또는 현미경)에 의해 검출된 보완적인 표면 프로파일 정보와 관련해서 해석될 수 있다. 이러한 조치를 취함으로써, 시료의 높이 프로파일에 대한 완벽한 사진이 상기한 정보 요소의 상승적인 조합에 의해 얻어질 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경에 의해 시료를 분석하는 것은 결정된 정보를 기반으로 수행된다. 따라서, 주사 탐침 현미경에 의한 시료의 실제 분석은 손상을 방지하고 분석 중인 시료를 매우 정확하게 특성화하기 위해 시료의 높이 프로파일에 관한 정보를 사용할 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 갭의 검출된 이미지를 기반으로 예를 들어 적어도 3 mm(특히 적어도 5 mm)의 초기 거리에서부터 예를 들어 1 mm의 최종 거리까지 프로브와 시료를 상호 접근시키기 위해 프로브 및/또는 시료를 이동시키도록 구성된 구동 유닛을 포함한다. 따라서, 구동 유닛은 신속하고 신뢰할 수 있는 방식으로 프로브와 시료 사이의 원하는 거리의 (특히, 거친) 조정을 설정할 수 있다. 검출된 이미지로부터 도출할 수 있는 결정된 갭 크기를 고려하여 이미 작은 거리까지의 이들 두 요소의 접근을 제어함으로써, 프로브와 시료 사이에 원하지 않는 충돌이 발생할 위험이 없다. 수평으로 검출된 갭 크기의 관점에서, 이는 매우 정밀하게 결정될 수 있고, (예를 들어, 거친) 조정이 또한 매우 정확하고 신뢰할 수 있게 이루어질 수 있다. 따라서, 실제 주사 탐침 현미경 조사의 시작은 매우 신속하게 수행될 수 있다.

일 실시형태에서, 구동 유닛은 초기 거리에서부터 중간 거리까지 제 1 속도로 그리고 이어서 중간 거리로부터 최종 거리까지 제 1 속도보다 느린 제 2 속도로 프로브와 시료를 상호 접근시키기 위해 프로브 및/또는 시료를 이동시키도록 구성된다. 이러한 느린 접근 동작은 프로브(특히 캔틸레버) 편향을 측정함으로써, 즉 프로브 팁과 시료 표면 사이의 원자력 또는 분자력을 검출하고 거리를 계산함으로써 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제 2 속도의 동작은 갭의 검출된 이미지를 기반으로 하거나 이로부터 결정될 수 있다.

일 실시형태에서, 초기 거리로부터 중간 거리까지의 접근을 달성하는 구동 유닛의 부분은 하나의 구동 스테이지(예를 들어, 전동 구동 스테이지)로 구현될 수 있다. 중간 거리로부터 최종 거리까지의 접근을 달성하는 구동 유닛의 부분은 두 개의 구동 스테이지의 조합으로, 예를 들어 추가 스테이지(예를 들어, 피에조 스테이지)와 함께 초기 거리로부터 중간 거리까지의 접근을 위해 사용되는 구동 스테이지로 구현될 수 있다. 이 실시형태에 따르면, 상기한 거친 조정 후에는 피할 수 없는 나머지 부정확의 결과로서 프로브 및 시료의 원하지 않는 충돌을 방지하기 위해 더욱 느린 속도로 수행되어야 하는 미세 조정이 뒤따를 수 있다. 접근 절차를 프로브와 시료가 신속하게 접근될 수 있는 제 1 부분으로 나누면 접근이 더욱 느린 속도로 계속되는 제 2 절차가 뒤따를 수 있다. 검출 유닛의 실질적으로 수평인 사이드 뷰를 고려한 갭 크기 결정에 있어서의 향상된 정확성으로 인해, 제 1 속도가 증가되거나 제 2 미세 조정의 시작이 연기될 수 있다. 이는 실험을 시작하기 전에 주사 탐침 현미경을 준비하는 전체 절차의 속도를 높인다.

일 실시형태에서, 구동 유닛은 조작자에 의해 수동으로 또는 제어 유닛의 제어 하에 자동으로 작동되도록 구성된다. 검출된 이미지가 인간 조작자에게 디스플레이될 때, 인간 조작자는 실제 실험을 시작하기 전에 프로브와 시료 사이의 거리를 신뢰할 수 있게 조절할 수 있다. 이 접근 과정에서 갭의 이미지를 계속해서 검출하는 동안, 조작자는 접근 절차의 진행을 추적할 수 있고 따라서 프로브와 시료 사이의 거리를 신뢰할 수 있게 조정할 수 있다. 대안적으로, 이미지 처리(예를 들어, 이미지 인식) 등에 의해 자동으로 검출될 수 있는 결정된 갭 크기가 주사 탐침 현미경 분석을 시작하기 전에 프로브와 시료 사이의 시작 위치의 기계 제어식 조정을 위한 기반으로 취해지는 것도 가능하다. 실제 사이드 뷰에서 검출된 갭의 이미지로 인해 두 접근법 모두 높은 신뢰성을 갖고 수행될 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛은 광학계의 재조정 없이 상이한 크기의 시료에 대해 갭의 크기 또는 치수(즉, 프로브와 시료 사이의 거리)를 검출할 수 있도록 구성된다. 이러한 실시형태에서, 검출 유닛은 넓은 범위에 걸쳐 이미지와 갭 크기를 검출할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 주사 탐침 현미경은 최대 30 mm의 두께(또는 높이)를 갖는 시료와 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 이는 시료의 크기 및/또는 형상 또는 프로브와 시료 사이의 시작 거리가 변하는 경우에도 검출 유닛의 광학계를 한번 장착하고 빈번한 수정 없이 정렬을 유지할 수 있게 한다. 이 광학계 재조정을 필요 없게 함으로써, 사용자는 실패할 또는 부정확할 가능성 없이 주사 탐침 현미경을 조작할 수 있다. 특히, 텔레센트릭 광학계의 매우 바람직한 구현은 이러한 시료에 대한 측정을 용이하게 한다.

일 실시형태에서, 조명 유닛과 검출 유닛 사이의 광 경로는 폴딩되지 않은 선형 광 경로이다(이러한 경로의 일부에 대해서는 도 4 참조). 이러한 구성은 매우 낮은 하드웨어 노력으로 구현될 수 있으며 광학 아티팩트가 발생할 가능성이 없다.

또 다른 실시형태에서, 조명 유닛과 검출 유닛 사이의 광 경로는, 특히 하나의 폴딩 위치(도 2 참조) 또는 두 개의 폴딩 위치(도 1 참조)를 포함하는 폴딩된 광 경로이다. 이러한 실시형태는 특히 선형 부품을 불가능하게 하거나 부적절하게 만드는 장치 구성요소에 대한 제약이 있는 경우에 유리하다. 이러한 시나리오에서, 모든 자유 공간 영역(주사 탐침 현미경의 구성요소에 의해 점유되지 않음)은 조명 유닛 및/또는 검출 유닛을 수용하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 폴딩 위치는 조명 유닛 및 프로브와 시료 사이의 갭 사이의 광 경로를 폴딩시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 또 다른 폴딩 위치는 프로브 및 한편으로는 시료 다른 한편으로는 검출 유닛 사이의 갭 사이의 광 경로를 폴딩시킬 수 있다.

일 실시형태에서, 검출 유닛과 조명 유닛은 전자기 방사선이 조명 유닛으로부터 갭을 통해 검출 유닛으로 전파되도록 시료와 프로브의 대향 측면 상에 배치된다. 조명 유닛과 검출 유닛은 갭을 통해 전파되는 전자기 방사선의 전파 방향을 따라 배치될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 검출 유닛 및/또는 조명 유닛의 실제 배열이 캡을 통과하는 동안 전자기 방사선 빔의 전파 방향에서 벗어날 수 있도록 전자기 방사선의 전파 방향을 변경시키는 하나 이상의 편향 거울 또는 다른 광학 요소(예를 들어, 렌즈, 플레이트, 쐐기 및/또는 프리즘)를 구현하는 것이 가능하다. 전자의 실시형태가 전자기 방사선 빔의 강도를 조명 유닛으로부터 검출 유닛으로 향하는 경로로부터 부적절하게 제한하지도 않고 결함을 일으킬 가능성도 없는 매우 짧은 광 경로를 허용하는 반면, 후자의 실시형태는 검출 유닛 및/또는 조명 유닛을 배치할 수 있는 매우 높은 자유도를 제공한다.

일 실시형태에서, 광학계는 적어도 하나의 렌즈, 특히 두 개의 렌즈를 포함한다. 광학계가 하나의 렌즈만을 포함하는 경우, 광학계를 통해 전파될 때 전자기 방사선 빔의 강도 손실이 매우 작게 유지될 수 있다. 따라서, 고품질의 검출된 갭 이미지를 얻어질 수 있고, 따라서 이의 크기, 형상 등이 매우 정밀하게 결정될 수 있다. 그러나, 두 개의 렌즈를 구현할 때, 광학 아티팩트가 강력하게 억제될 수 있고, 매우 정확한 갭 이미지가 검출 유닛 상에 투사될 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 렌즈 중 하나는 이 렌즈의 초점 길이에 적어도 실질적으로 대응하는 검출 유닛으로부터의 거리에 위치한다. 이러한 조치를 취함으로써, 검출된 이미지 상의 갭의 크기는 갭과 검출 유닛 사이의 거리와는 엄밀히 무관하다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 검출된 이미지를 기반으로 시료와 프로브 사이의 거리의 정량적인 값을 결정하도록 구성된 결정 유닛을 포함한다. 프로브와 시료 사이의 이러한 양적인 거리를 결정하면, 프로브와 시료 사이의 상호 공간적 관계를 매우 신속하게 조정할 수 있다. 이러한 결정은 갭의 검출된 이미지의 표시 위에 스케일을 디스플레이함으로써 이미지 처리에 의해 또는 조작자에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 거리를 결정함으로써, 간단하고 자동으로 처리 가능한 매개변수가 결정될 수 있으며, 이는 조정 절차에 대해 높은 값일 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 프로브와 시료로 구성된 어레이 주위에 배열된 적어도 두 개의 검출 유닛을 포함할 수 있으며, 각각의 검출 유닛은 시료 표면의 및 선택적으로 또 다른 방향으로부터 갭의 실질적으로 수평인 사이드를 검출하도록 배치된다. 따라서, 적어도 두 개의 검출 유닛은 시료-프로브 어레이 주위에 배열될 수 있으며, 이들 각각은 또 다른 방향으로부터 실질적으로 수평인 사이드 뷰를 검출한다. 이는 프로브와 시료 사이의 위치 조정을 매우 편리하고 정확하게 한다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 (예를 들어, 시료로부터 및/또는 갭으로부터) 검출 유닛을 향해 전파되는 전자기 방사선을 조작하도록 구성된 광학 조작 유닛, 특히 균일한 강도를 갖는 전자기 방사선의 한 세트의 평행 광선을 생성하기 위한 연마된 프리즘을 포함한다. 한 세트의 평행 광선을 발생시킴으로써, 조명 및 검출 절차가 매우 정확해질 수 있다. 광학 아티팩트도 강력하게 억제될 수 있다.

일 실시형태에서, 주사 탐침 현미경은 원자력간 현미경으로서 구성된다. 그러나, 다른 유형의 주사 탐침 현미경은 프로브와 시료 사이의 갭을 검출하기 위한 검출 유닛을 구비할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 구현될 수 있는 이와 같은 대안의 주사 탐침 현미경의 일례는, 자극 전류가 팁에 인가됨으로써, 터널 효과로 인해, 측정된 응답 전류가 팁과 시료 사이에 존재하는 실제 힘에 의해 결정되는, 주사 터널 현미경(scanning tunnelling microscope)이다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 구현될 수 있는 주사 탐침 현미경의 다른 예는 근접장 주사 광학 현미경(scanning near-field optical microscope, SNOM), 팁 강화 라만 분광기(tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS) 현미경 또는 자기력 현미경(magnetic force microscope, MFM)이다.

본 발명의 상기한 양태 및 추가 양태는 아래에 기술될 실시형태의 예로부터 명백하며 이러한 실시형태의 예를 참조하여 설명된다.

도 1은 분석될 시료의 높이 맵을 제공하는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경을 도시한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경의 광학계의 다른 단면을 도시한다.
도 5는 사이드 뷰 카메라와 와이드 뷰 카메라를 사용하여 분석될 시료의 높이 맵을 제공하는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경의 일부를 도시한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경에 의해 분석될 시료를 도시하며, 시료의 표면 프로파일로 인해 프로브가 진입할 수 없는 영역을 도시한다.
도 7은 사이드 뷰 카메라, 와이드 뷰 카메라 및 내로우 뷰 카메라를 사용하여 분석될 시료의 높이 맵을 제공하는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경의 일부를 도시한다.
도 8A는 시료 홀더 상의 시료의 실제 이미지를 도시한다.
도 8B 및 8C는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 와이드 뷰 카메라(도 8B)에 의해 그리고 사이드 뷰 센서(도 8C)에 의해 캡쳐된 시료 홀더 상의 시료 이미지를 도시한다.
도 8D는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 도 8B 및 도 8C의 이미지로부터 도출된 결정된 높이 맵을 도시한다.

도면의 도해는 개략적이다. 상이한 도면에서, 유사하거나 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 제공된다.

도면을 참조하기 전에, 몇 가지 기본적인 고려사항이 요약되는데, 이를 기반으로 본 발명의 예시적인 실시형태가 개발되었다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 사이드 뷰 카메라 기반 시료 프로파일 결정 구조가 제공된다. 특히, 다중 카메라 기반 시료 높이 맵 결정은, 특히 프로브 제어, 특히 캔틸레버 결합을 지원하기 위해 수행될 수 있다.

주사 탐침 현미경 시스템에서, 최종 결합 절차 이전에 프로브와 시료를 매우 가까이 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 결합은 일반적으로 더딘 과정이며, 기간은 커버될 필요가 있는 갭과 선형적으로 비례한다. 따라서, 기구의 처리량을 향상시키기 위해 이 초기 간격을 줄이거나 심지어는 최소화하는 것이 바람직하다. 프로브(예를 들어, 캔틸레버)를 시료를 향해 또는 그 반대로 이동시키는 동안, 캔틸레버 프로브가 시료와 우연히 접촉하면 프로브 팁 및/또는 시료 및/또는 기구가 손상될 수 있으므로 주의해야 한다.

기구가 수용하는 시료가 수평 치수도 상당한 높이 변화를 갖는 경우, 조작자는 시료와 프로브 중 하나를 측면으로 옮길 때 돌출부 또는 높은 특성에 충돌하지 않도록 조심해야 한다.

사용 가능한 시료 높이 맵이 없는 경우, 사용자는 다음 중 하나를 수행해야 한다.

- 눈으로 거친 접근을 현장에서 모니터링한다. 이를 위해서는 시료/측정 헤드를 잘 관찰해야 하는데, 이는 일반적으로 시스템 주변에서 인클로저를 여는 것이 포함된다. 이 작업에 의해 시스템(온도)이 불안정해질 수 있다. 또한, 이러한 접근법은 시료와 프로브 사이의 매우 원하지 않는 충돌을 신뢰성 있게 방지하지 못한다.

- 시료와 프로브의 탑-다운 뷰 포커스를 비교하여 접근과 이동을 모니터링한다. 이는, 예를 들어 물질이 투명하거나 매우 연마되고 표면에 오염이 없는 경우, 상부 표면이 초점을 맞추기 쉽지 않을 때 충돌을 일으킬 수 있다. 주사 탐침 현미경과 마찰학(tribology) 연구에서 이러한 유형의 표면(매우 깨끗하고 광학적으로 평평함)은 일반적이다. 시료의 일부 영역이 현미경 광학 장치의 피사계 심도를 초과하여 모든 시야가 한번에 초점이 맞춰질 수 없는 기울기 정도를 시료가 가질 때 또한 문제가 될 수 있다.

따라서, 종래에는 시료 상의 하나의 위치에서 다른 위치로 이동할 때 측정 센서/헤드의 일부와 충돌할 위험이 있다.

또한, 현미경 조작에서, 큰 시료에 대한 이동은 보통 이동 공간에 비해 표적 측정 위치가 아주 작기 때문에 일반적으로 지루하다. 또한 현미경은 일반적으로 매우 제한된 피사계 심도(Depth of Field, DoF)를 갖기 때문에, 긴 거리에 걸쳐 이동하는 동안 시료에 초점을 맞추는 것이 매우 어렵다. 제한된 DoF는 또한 시료 표면에 초점을 맞추는 데 필요한 시간을 증가시킨다.

상기한 바를 고려하여 그리고 언급된 단점과 다른 단점을 극복하기 위해, 본 발명의 예시적인 실시형태는 시료 표면 프로파일 정보를 도출하기 위해 사용되는 하나 이상의 이미지를 캡쳐하기 위한 사이드 뷰 카메라를 제공한다. 이는 주사 탐침 현미경 아래의 시료의 정확한 높이 추정치를 얻는 것을 가능하게 하고, 이는 이동 성능 및 사용자 경험을 현저하게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 시료의 표면 프로파일의 투사 및 바람직하게는 동시에 시료와 측정 프로브 사이의 갭을 이미징할 수 있는 광학 사이드 뷰 센서가 제공된다. 검출된 이미지는 시료의 높이 프로파일 정보를 결정하기 위해 처리될 수 있다. 이 센서는 또한 사이드 뷰 카메라 이미지가 하나의 축 또는 여러 축에 대해 주로 하나 이상의 최대 높이 영역을 이미징하기 때문에 일반적으로 이미지 기반 방법에서 문제가 되는 투명 또는 반사 시료에 대해 작동할 수 있다. 큰 영역에 대한 신속하고 안전한 이동을 수행하기 위해서는, 전체 시료 영역에 대해 양호한 오버뷰(overview)를 얻는 것이 바람직하며, 이는 사이드 뷰 센서의 시야(field of view, FoV)보다 훨씬 클 수 있다. 이후 센서 이미지에서 실제 시료 높이, 특히 높이 프로파일에 대한 정량적인 값을 얻는 것이 가능할 수 있다. 이미지 정보의 기반을 더욱 넓히기 위해, 사이드 뷰 카메라는 따라서 와이드 뷰 카메라 및/또는 내로우 뷰 카메라 또는 현미경과 같은 적어도 하나의 추가 센서 또는 카메라와 결합될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 두 개, 세 개 또는 그 이상의 카메라가 구현될 수 있다. 특히, 상이한 공간 배향에서 상이한 이미징 특성을 갖는 다수의 카메라를 포함하는 것이 가능할 수 있다. 일 실시형태에서, 이들 카메라는 하나의 표적(예를 들어, 이동 좌표계)을 통해 참조(예를 들어, 보정 및/또는 조정)될 수 있다.

본 발명의 실시형태에서, 안전한 결합이 달성될 수 있다. 예를 들어, 이는 시료 회전에 의해 달성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이는 마이크로 및 매크로 이미지 모두를 캡쳐함으로써 실현될 수 있다. 또한 시료와의 충돌을 방지하기 위해 주사 탐침 현미경의 구성요소의 기하학적 데이터(예를 들어, CAD 데이터)를 고려하는 것도 가능하다.

본 발명의 예시적인 실시형태는 또한 자동화 측면에서 이점을 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 사용자 상호작용은 스캔 영역 선택에 대해서만 필요하지만, 결합을 위한 개입의 필요는 없다.

또한, 예시적인 실시형태에서는 상이한 높이와 결합의 시료들 사이에서 이동 속도를 높일 수 있다.

안전한 거친 결합 응용을 기반으로 하는 실시형태는 시료의 프로파일을 보기 위해 카메라를 사용할 수 있다. 시료 또는 카메라를 서로에 대해 이동시킴으로써 전체 시료의 그림자 이미지를 캡쳐하기 위해 보정된 사이드 뷰 센서를 사용하는 것도 가능할 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 높이 프로파일 결정 구조는 더욱 정제된 시료 오버뷰를 얻기 위해 광시야 카메라(wide field camera)(와이드 뷰 카메라로 표현될 수도 있음)를 사이드 뷰 카메라에 추가함으로써 더욱 용이해질 수 있다. 이러한 실시형태에서, 예를 들어 시료와 카메라를 서로에 대해 이동시키는 것이 가능하다(시료 영역은 시야보다 클 수 있음). 이로 인해 구조 광, 입체 뷰와 같은 3차원 재구성 방법을 기반으로 및/또는 물체 인식을 기반으로 높이 맵을 정제할 수 있다.

시료 프로파일 결정을 위한 사이드 뷰 카메라와 와이드 뷰 카메라의 조합은 또한 측정하는 동안 사용자 상호작용이 없는 자동 안전 접근법이다. 이러한 조합은 상이한 높이의 시료와 임의의 측정 장치를 사용하는 자동화된 접근법 간의 신속한 이동이라는 추가의 이점을 갖는다. 언급된 조합은 마이크로 이동 및 관심 영역 선택을 위해 원자력간 현미경 상에서 보정된 또 다른 고배율 카메라(내로우 뷰 카메라 또는 현미경으로 표현될 수도 있음)로 더욱 용이하게 될 수 있다.

사이드 뷰 카메라(특히 텔레센트릭 광학계), 와이드 뷰 카메라 및 내로우 뷰 센서(예를 들어, 현미경)의 조합은 사용자 상호작용 없이 안전하고 신속한 자동 원자력 현미경 캔틸레버 결합을 얻는 것을 가능하게 한다.

일 실시형태에서, (추가의 카메라를 갖거나 갖지 않는 상이한 실시형태에서) 시료 표면의 완전한 3차원 높이 함수를 얻을 수 있도록 시료 및/또는 사이드 뷰 카메라 회전을 수행하는 것이 가능하다.

완전한 3차원 이미지를 얻기 위해 시료 표면에 투사되는 구조 광을 구현하는 것도 가능하다. 도출된 높이 프로파일의 추가 정제를 위해, 시료 영역과 비-시료 영역을 구별하는 인식이 구현될 수 있다. 카메라 좌표계의 보정 및/또는 조정을 위해 매크로 및 마이크로 뷰 모두에서 볼 수 있는 광원(예를 들어, 레이저 스팟) 또는 특징을 사용하는 것도 가능하다. 높이 경치 결정을 위해서, 사이드 뷰 카메라와 이동하는 시료만 사용하는 것도 충분할 수 있다. 그러나, 대규모 시료 이동을 지원하기 위해 오버뷰 카메라가 제공될 수 있다. 마이크로 카메라 지지 영역 선택은 원자간력 현미경 측정을 위해 이루어질 수 있다. 사이드 뷰 센서 정보가 겹쳐져서 예를 들어 등고선도(contour plot)를 설정하는 것도 가능하다. 바람직하게, 구현된 매크로/마이크로 카메라는 높은 반사율과 같은 어려운 특성을 갖는 시료에 대한 이미징 성능을 향상시키기 위해 하이 다이내믹 레인지(HDR) 카메라일 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 시료와 주사 탐침 현미경의 프로브 사이의 신속한 거친 접근을 지원하기 위해 시료의 높이 프로파일 특성화를 위해 사용된 이미 언급된 사이드 뷰 카메라가 선택적으로 추가적으로 사용될 수 있다. 이러한 실시형태는 또한 거친 접근 동작을 돕기 위해 시료-프로브 분리의 신뢰성 있는 뷰를 제공할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 시료와 프로브 사이의 장면의 텔레센트릭 뷰를 제공한다. 이 뷰는 시료가 투명 층을 포함하고 있는 경우에도 양호한 대비를 제공하며 시료와 캔틸레버 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있게 한다. 본 발명의 실시형태는 종래의 시스템에 비해 넓은 시야를 제공하여 시스템에서 더 큰 시료를 검사할 수 있게 한다. 본 발명의 실시형태에 의해 얻을 수 있는 뷰는 자동화된 처리 및 기구의 자동화된 또는 원격 안내와 적절하게 호환이 된다. 주사 탐침 현미경 기구에서의 실제 사이드 뷰(즉, 비스듬한 뷰 대신에 탑-다운 축으로부터 정확히 또는 대략 90°)의 사용은 조작자가 프로브와 시료 사이의 거리를 모니터링할 수 있게 한다. 시스템의 광학 구성요소는, 해당 축을 따라 보이는 뷰가 캡쳐되는 한, 사이드 뷰 축에 배치될 수도 있고 배치되지 않을 수도 있다. 적절한 실제 사이드 뷰 광학 장치는 텔레센트릭이므로 사이드 뷰 시스템의 광축에 대해 다수의 시료-프로브 위치에 대한 거리를 정확하게 판단할 수 있다.

일 실시형태에서, 사이드 뷰 시스템의 출력은 조작자 및/또는 자동화된 절차(예를 들어, 시료에 대한 거친 접근, 충돌 회피 메커니즘 등)를 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 사이드 뷰 시스템의 출력은 장치의 원격 조작을 위해 사용될 수 있으며, 따라서 온도, 압력 및/또는 습도(시료 챔버를 여는 것에 기인함) 및 추가적인 대기 시간과 같은 조건의 불안정화를 피할 수 있다. 사이드 뷰의 출력이 보정되어 프로브와 시료 사이의 거리에 관한 그리고 시료의 기하구조에 관한 정량적인 정보를 제공하는 것도 가능하다. 직교 방향을 바라 보는 두 개의 사이드 뷰 시스템을 조합하여 시료 이동의 안전성과 속도를 높이는 것도 가능하다.

본 발명의 실시형태의 사이드 뷰 시스템은 기대되는 범위의 시료 높이를 커버하는 균일한 조명의 광원(예를 들어, LED 어레이, 디퓨저, 광 가이드)을 구현할 수 있다. 일 실시형태에서, 사이드 뷰 텔레센트릭 광학 장치는 연마된 유리 프리즘과 결합되어 전체 시야에 걸쳐 균일한 강도를 갖는 한 세트의 평행 광선을 생성할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 센서/렌즈로부터의 물체의 거리 및 시스템의 시야 내의 물체의 위치와 무관한 배율을 제공할 수 있는 물체-공간 텔레센트릭 광학계를 사용한다.

텔레센트릭 광학계의 구성요소는 핀홀, 하나 이상의 렌즈, 평행 광선을 보장하는 광학 부재, 균일한 조명을 생성하는 전자기 방사선 소스, 및 검출 유닛으로서의 광 및 카메라 배열일 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 전자기 방사선 빔의 전파 경로는 광이 시료-캔틸레버 갭을 통과하여 센서에 도달할 수 있도록 광원으로부터, 디퓨저를 통해 또는 디퓨저까지, 시료 표면의 일부까지 그리고 프로브와 시료 사이의 갭까지, 그리고 여기서부터 센서까지이다. 이러한 배치에서, 솔리드 부품과 이들 사이의 갭 사이의 대비는 매우 높다.

본 발명의 다른 실시형태는 광원 및 센서가 시료의 동일한 면에 또는 소정의 각도로 배치되게 할 수 있다. 이와 같은 배치에서, 센서가 수신하는 광은 시료로부터 반사될 수 있다. 이는 시료에 대한 더 많은 세부사항을 제공할 수 있다.

다른 예시적인 실시형태는 두 개 또는 다수의 광원을 구현할 수 있다. 제 1 광원은 광이 시료-캔틸레버 갭을 통과하여 센서에 도달하도록 배치될 수 있다. 제 2 광원은 시료의 동일한 면에 또는 소정의 각도로 배치될 수 있다. 이러한 배치에서, 센서가 수신하는 광은 시료로부터 반사될 수 있다. 또한, 이러한 실시형태는 시료에 대한 더 많은 세부사항을 제공할 수 있다.

솔리드 부품과 공기 사이의 높은 대비는 조작자가 솔리드 부품의 단부를 판정하는 것을 돕는다. 또한, 사이드 뷰 센서에 의해 획득된 장면이 머신 비전 및/또는 기구의 자동 제어를 위한 입력으로 사용되는 경우, 이미지의 어느 영역이 시료 또는 캔틸레버에 해당하는지를 자동으로 검출하기 위해 사용되는 임계값은 이미지의 대비와 직접적인 연관이 있다.

바람직한 실시형태에서, 광원은 센서 또는 검출 유닛에 의해 보이는 전체 장면을 커버하는 영역에 걸쳐 균일하다. 빈 장면(즉, 시료 또는 캔틸레버가 보이지 않음)에서, 균일성의 편차는 센서에 의해 상이한 강도 수준으로 인식될 수 있다. 이 빈 이미지의 대비는 장면에서 인식할 수 있는 물체의 광학 밀도에 대한 제한을 설정한다.

일 실시형태에서, 캔틸레버와 시료 사이의 갭을 모니터링하는 방법이 제공된다. 또한 팁과 시료 사이의 상대 거리를 5 mm보다 큰 거리(또는 심지어 10 mm 또는 20 mm보다 큰 거리)에서 1 mm보다 작은 거리(또는 심지어 0.5 mm 또는 0.1 mm보다 작은 거리)로 이동시키는 방법은 제공된다. 또 다른 실시형태에서, 미세 결합이 비실용적인 너무 긴 거리로부터 미세 결합이 1 분 이하가 걸리는 거리까지 시료에 대해 캔틸레버를 또는 캔틸레버에 대해 시료를 신속하게 접근시키는 방법이 제공된다. 또한, 변형된 시료 높이에 대한 배열을 조정하거나 재구성할 필요가 없는 큰 수직 시야를 갖는 시료에 대해 설정이 고정되는 장치가 제공된다. 렌즈 왜곡 보정, 장면 스티칭(stitching) 등을 수행하는 것도 가능하다.

도 1은 원자간력 현미경(AFM)으로서 구현되는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(SPM)(1)을 도시하고 있다.

주사 탐침 현미경(1)에서, 프로브(11)의 신장, 즉 시료(6)의 표면을 따라 이동할 때 프로브(11)(돌출 팁(5)을 갖는 캔틸레버(7)로 구현될 수 있음)의 위치 또는 형상의 변화가 광학 센서 시스템에 의해 검출될 수 있다. 이 상황에서, 전자기 방사선 소스(2)(예를 들어, 레이저 소스)는 포커싱 유닛(12)(하나 이상의 광학 렌즈 어레이로 구현될 수 있음)을 통해 전파되는 일차 전자기 방사선 빔(13)(특히 광 빔)을 프로브(11) 상에 방출한다. 프로브(11)의 상부 표면에서의 일차 전자기 방사선 빔(13)의 반사에 의해 이차 전자기 방사선 빔(3)이 생성된다. 이차 전자기 방사선 빔(3)은 감광성 및 위치 감응 검출기(10)로 전파된다(특히 이차 전자기 방사선 빔(3)은 편향 거울(14) 또는 다른 광 편향 요소에 의해 검출기(10) 상으로 편향될 수 있다). 측정 프로브(11)가 액추에이터(4)(도 1에 따른 수직 방향으로의 위치 변화를 유발할 수 있음)에 의해 이동할 때 및/또는 측정 프로브(11)가 이의 형상을 변화시킬 때, 레이저 광의 수정은 위치 감응 검출기(10)에서 검출될 수 있다. 분석 중인 또는 특성화될 그리고 시료 홀드(54) 상에 또는 시료 지지대(17) 바로 위에 배치된 시료(6)와 프로브(11)의 측정 팁(5)(캔틸레버 팁으로 표현될 수도 있음)의 상호작용에 따라, 프로브(11)의 응답은 변할 것이고 검출기(10)의 대응 영역에는 이차 전자기 방사선 빔(3)이 부딪힐 것이다. 검출기 신호는 평가 유닛(8)에서 처리될 수 있다. 시료(6) 표면의 생성된 고해상도 이미지는 디스플레이 유닛(9)에 의해 디스플레이될 수 있다. 시료(6)의 표면은 측정 팁(5)(즉, 프로브(11)의 민감한 팁(5))에 의해 스캔될 수 있다. 시료 지지대(17)는 수평면(즉, x-방향 및 도시된 z-방향에 수직인 y-방향)으로 이동될 수 있다. 따라서, 주사 탐침 현미경(1)은 프로브(11)에 의해 시료(6)의 표면을 주사함으로써 시료(6)에 관한 표면 정보를 결정하는 역할을 한다. 주사 탐침 현미경(1)에서, 시료(6)는 따라서 프로브(11)와 시료(6)를 서로에 대해 이동시킴으로써 분석될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주사 탐침 현미경(1)은 수평 사이드 뷰에서 시료(6)의 이미지를 검출하도록 구성된 사이드 뷰 카메라(90)(예를 들어, CCD 카메라 또는 CMOS 카메라)를 포함하는 검출 유닛(60)을 포함한다. 시료(6)의 높이 프로파일(참조 부호 77 참조)의 수직 투사 또는 그림자 이미지를 기술적으로 일컫는, 시료(6)의 실질적으로 수평인 사이드 뷰는 수평축(도시된 z-방향에 수직으로 배치됨)에 대해 2° 미만의 각도로 전파되는 광 빔(전자기 방사선 빔(66) 참조)을 통해 검출된다. 더욱 정확하게, 검출 유닛(60)은 실질적으로 수평 방향을 따라 시료(6)를 볼 때 보일 수 있는 시료(6)의 높이 프로파일을 검출하도록 구성된다. 특히, 시료(6)와 충돌하지 않도록 보호되어야 하는 접근 프로브(11)에 대한 최악의 시나리오(충돌은 시료(6)의 가장 높은 위치 또는 국부적인 최대값에서 가장 가능성이 높음)에 대응하는, 시료(6)의 하나 이상의 최고 또는 가장 높은 위치 또는 국부적인 최대값을 보는 것이 가능하다. 시료(6)와 프로브(11)에 근접한 주사 탐침 현미경(1)의 다양한 요소의 위치설정의 제약을 충족시키기 위해, 검출 유닛(60)에 의해 캡쳐된 시료(6)의 이미지가, 갭(62) 위의 그리고 거울(31, 33) 사이의 시료(6)의 영역에서 실질적으로 수평으로 전파되는 전자기 방사선 빔(66)에 의해 한정된, 완전히 수평인 폴딩되지 않은 광 경로의 단부에 위치될 때 얻어질 수 있는 이미지와 동일하다는 사실에도 불구하고, 검출 유닛(60)은 여기서 이중 폴딩된 광 경로(거울(31, 33) 참조)의 단부에 위치한다. 도 1에 도시된 실제 사이드 뷰 검출 구조로 인해, 검출 유닛(60)은 주사 탐침 현미경(1)의 광학 장치의 재조정 없이 크기가 다른 시료(6)에 대해 시료(6)의 수직 돌출부의 수직 크기를 검출할 수 있도록 구성된다 예를 들어, 최대 30 mm 이상의 치수를 갖는 시료(6)가 정밀하게 검출될 수 있다.

또한, 주사 탐침 현미경(1)은 검출 유닛(60)이 제공하는 하나 이상의 검출된 이미지를 기반으로 시료(6) 표면의 높이 프로파일을 나타내는 정보를 결정하도록 구성된 결정 유닛(80)(프로세서, 프로세서의 일부 또는 다수의 프로세서일 수 있음)을 포함한다. 더욱 정확하게, 결정 유닛(80)은 검출 유닛(60)의 사이드 뷰 배치의 결과로서 검출된 이미지를 기반으로 시료(6)의 그림자 이미지를 나타내는 정보를 결정하도록 구성된다.

일 실시형태에서, 결정 유닛(80)은 도시된 수직 또는 z-방향으로 시료(6)의 높이 맵에 관한 정보를 도출하기 위해 이미지 데이터를 단순히 처리할 수 있다. 그러나, 높이 프로파일 정보를 더 정제하기 위해, 하나 이상의 추가 조치가 취해질 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 광 패턴(예를 들어, 하나 이상의 직선 광 라인)이 시료(6) 상에 투사될 수 있고, 검출 유닛(60)은 이의 지문을 광학적으로 측정할 수 있다. 결정 유닛(80)은 이에 따라 미리 정해진 광 패턴이 투사된 시료(6)의 검출된 이미지를 분석할 수 있다. 기술적으로 말해서, 시료(6)의 높이 프로파일의 결과로서의 표면 곡률은 미리 정해진 광 패턴의 (특히 이전엔 직선인) 라인의 굴절로 변환되고, 따라서 임의의 카메라, 예를 들어 와이드 뷰 카메라(92) 및/또는 사이드 뷰 카메라(90)가 이러한 조작된 라인을 검출할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 결정 유닛(80)은 시료 지형의 특성을 더 정제하기 위해 패턴 인식 및 물체 인식과 관련하여 시료(6)의 검출된 이미지를 분석할 수도 있다. 검출 유닛(60)은 또한 시료(6)의 상이한 배향에서 다수의 사이드 뷰 이미지를 캡처하기 위해 시료(6)에 대해 (예를 들어, 수평면에서 90°만큼) 이동할 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주사 탐침 현미경(1)은, 결정된 정보를 처리함으로써, 시료(6)를 분석하기 위한 초기 프로파일 관련 시작 위치로 서로에 대해 이동하도록 시료(6)와 프로브(11)를 제어하기 위한 제어 정보를 결정하도록 구성된 처리 유닛(72)을 더 포함할 수 있다. 시료(6)를 분석하는 동안 프로파일-적응 궤도를 따라 서로에 대해 이동하도록 시료(6)와 프로브(11)를 제어하기 위한 제어 정보를 처리 유닛(72)이 결정하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 처리 유닛(72)은 프로브(11)에 의한 시료(6)의 분석을 위한 적절한 시작 위치를 결정하기 위해 및/또는 시료(6)의 분석을 시작할 때 및/또는 분석하는 동안 프로브(11)가 따라가는 궤도를 결정하기 위해 시료(6)의 수직 높이 맵을 나타내는 정보를 사용할 수 있다. 이러한 결정은 예를 들어 프로브(11) 및/또는 시료(6)의 돌출된 부분과 프로브(11)를 지지하는 구조물 사이의 충돌을 피하기 위한 경계 조건을 고려하여 이루어질 수 있다. 다시 말해서, 시료(6)를 따라 프로브(11)를 스캔하여 시료(6)를 분석하는 것은 결정된 시료 높이 분포 정보를 기반으로 수행될 수 있다.

바람직하게, 전체 시료 영역에 걸쳐 높이 맵을 생성할 수 있도록 사이드 뷰 카메라(90)에 대해 시료(6)를 이동시키는 주사 탐침 현미경(1)의 전동 스테이지에 대해 사이드 뷰 카메라(90) 또는 센서를 보정하는 것이 가능하다. 이는 하나 이상의 시료(6)와 충돌하지 않아야 하는 측정 센서/헤드의 형상 및 크기를 고려하여 시료(6) 상의 하나의 위치로부터 다른 위치로의 안전한 이동을 가능하게 한다.

여전히 도 1을 참조하면, 사이드 뷰 감지용으로 구성된 검출 유닛(60)은 실질적으로 수평인 사이드 뷰에서 시료(6)와 프로브(11) 사이의 갭(62) 이미지를 검출하도록 더 구성된다. 갭(62)의 이러한 실질적으로 수평인 사이드 뷰는 또한 광 빔(전자기 방사선 빔(66) 참조)을 통해 검출된다. 더욱 정확하게, 검출 유닛(60)은, 높이 프로파일 결정과 관련하여 시료(6)를 이미징하는 것 외에도, 실질적으로 수평 방향을 따라 갭(62)을 볼 때 보일 수 있는, 수평으로 이격된(z-방향 참조) 시료(6)와 프로브(11) 사이의 갭(62)의 이미지를 검출하도록 구성된다. 도 1에 도시된 실제 사이드 뷰 검출 구조로 인해, 검출 유닛(60)은 주사 탐침 현미경(1)의 광학 장치의 재조정 없이 크기가 다른 시료(6)에 대해 갭(62)의 수직 크기를 검출할 수 있도록 구성된다.

주사 탐침 현미경(1)은, 공간적인 프로브-시료 관계의 거친 조정 및/또는 이후의 미세 조정과 관련하여, 검출된 시료 프로파일 정보와 갭(62)의 이미지를 기반으로 그리고 선택적으로 추가적으로 검출기(10)로부터 얻어진 정보를 기반으로, 예를 들어 10 mm의 초기 거리로부터 예를 들어 0.2 mm의 최종 거리까지 프로브(11)와 시료(6)를 상호 접근시키기 위해 프로브(11)에 대해 시료(6)를 구동하거나 이동하도록 구성된 구동 유닛(63)을 더 포함한다. 더욱 상세하게, 구동 유닛(63)은 결정된 시료 높이 프로파일 및/또는 갭(62)의 검출된 이미지가 사용될 수 있는 거친 조정과 관련하여 제 1 속도로 초기 거리로부터 중간 거리까지 프로브(11)와 시료(6)를 상호 접근시키기 위해 프로브(11)에 대해 시료(6)를 이동시키도록 구성된다.

대안적으로, 구동 유닛(63)은 또한 결정된 시료 높이 프로파일 및/또는 갭(62)의 검출된 이미지가 사용될 수 있는 거친 조정과 관련하여 제 1 속도로 초기 거리로부터 중간 거리까지 프로브(11)와 시료(6)를 상호 접근시키기 위해 시료(6)에 대해 프로브(11)를 이동시키도록 구성될 수도 있다.

이후, 프로브(11)와 시료(6)는, 예를 들어 결정된 시료 높이 프로파일 및/또는 검출기(10)로부터의 데이터를 기반으로, 제 1 속도보다 느린 제 2 속도로 중간 거리로부터 최종 거리까지 더 접근될 수 있다. 검출 유닛(60)에 의해 검출된 시료(6)와 갭(62)의 실제 사이드 뷰 이미지를 기반으로 정확하게 결정된, 시료 높이 프로파일 및/또는 갭(62)의 정확한 크기에 관한 검출된 정보를 이용하여, 프로브(11)와 시료(6)의 원하지 않는 충돌의 위험 없이 빠른 제 1 속도로 거친 조정이 수행될 수 있다. 구동 유닛(63)은 사용자에 의해 수동으로 또는 제어 유닛(84)(예를 들어, 프로세서)의 제어 하에 자동으로 작동될 수 있다. 제어 유닛(84)은 주사 탐침 현미경(1)의 동작을 제어할 수 있으며, 이를 위해 참조 부호 4, 8, 60, 63, 72, 80 및 90에 따른 요소의 적어도 일부에 결합될 수 있다.

또한, 주사 탐침 현미경(1)은 시료(6)를 측면으로 그리고 균일하게 조사하고 도 1에 따른 이중 폴딩된 광 경로를 통해 실질적으로 수평인 측면 위치로부터 전자기 방사선(66), 예를 들어, 가시광 빔으로 갭(62)을 조명하도록 구성된 조명 유닛(64)을 포함한다. 따라서, 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60) 사이의 광 경로는 두 개의 반사 거울(31, 33)에 의해 한정된 두 개의 폴딩 위치를 포함하는 폴딩된 광 경로이다. 검출 유닛(60)과 조명 유닛(64)은 중간 위치에서 시료(6)와 프로브(11)가 갭(62)에 의해 이격된 이중 폴딩된 광 경로의 대향 단부 상에 배치된다. 따라서, 전자기 방사선(66)은 조명 유닛(64)으로부터 거울(31)을 통해, 갭(62)을 통해 그리고 거울(35)를 통해 검출 유닛(60)으로 전파된다. 바람직하게, 조명 유닛(64)은 전체 각각의 폭에 걸쳐 실질적으로 동일한 강도로 시료(6)와 갭(62)을 균일하게 조명하도록 구성된다.

광학계(68)는 갭(62)과 검출 유닛(60) 사이에 배치되고 바람직하게는 갭(62)과 검출 유닛(60) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학계로서 구성된다. 텔레센트릭 광학계(68)는 렌즈(70)의 초점 거리에 대응하는 검출 유닛(60)까지의 거리에 배치된 렌즈(70)를 포함한다.

상기한 결정 유닛(80)은 검출 유닛(60)에 의해 검출된 시료(6)와 갭(62)의 이미지를 나타내는 이미지 데이터를 제공받으며 또한 검출된 이미지를 기반으로 시료(6)와 갭(62) 사이의 거리 또는 갭 크기의 정량적인 값을 결정하도록 구성된다. 이 값은 제어 유닛(84)에 제공될 수 있고 제어 유닛(84)에 의한 구동 유닛(63)의 제어를 위한 기반의 역할을 할 수 있다. 또한, 결정된 시료 높이 프로파일은 시료(6)의 표면 프로파일(77)을 고려하여 스캐닝 프로브 현미경(1)의 동작을 제어하기 위해 제어 유닛(84)에 제공될 수 있다. 선택적인 처리 유닛(72)은 또한 검출 유닛(60)에 의해 생성된 다수의 수평으로 검출된 이미지를 처리하도록 구성된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 검출된 이미지는 스크린 상에 디스플레이될 수 있고 따라서 조작자에 의해 관찰될 수 있다.

광학 조작 유닛(74)은 균일한 강도를 갖는 전자기 방사선(66)의 한 세트의 평행 광선을 생성하기 위해 시료(6)와 갭(62)으로부터 검출 유닛(60)을 향해 전파되는 전자기 방사선(66)을 조작하도록 제공되고 구성될 수 있다.

검출 유닛(60)은 수직 또는 z-정렬에 사용되는 정보를 제공하는 카메라를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 이 카메라는 시료 표면의 이미지를 생성하고 프로브(11)와 시료(6) 사이의 수직 거리를 관찰하거나 측정한다. 두 가지 정보 항목은 캔틸레버형 프로브(11)를 시료(6)를 향해 안전하게 접근시키기 위해 사용될 수 있다.

이하, 주사 탐침 현미경(1)의 동작이 설명될 것이다. 실제 주사 탐침 현미경 측정을 시작하기 전에, 시료(6)와 캔틸레버(7) 사이의 상호 위치설정이 조정될 필요가 있다. 이를 위해, 시료(6)와 캔틸레버(7) 사이의 원하지 않는 충돌 또는 접촉의 손상을 피할 수 있도록 시료(6)와 캔틸레버(7)는 우선 예를 들어 10 mm의 충분히 먼 거리에 배치된다. 이후, 구동 유닛(63)은 우선 시료(6)와 캔틸레버(7)가 예를 들어 1 mm의 상호 거리에 도달할 때까지 상대적으로 빠른 제 1 속도의 거친 조정에 의해 시료(6)와 캔틸레버(7)를 접근시킨다. 시료(6)와 캔틸레버(7)가 서로를 향해 어느 정도 접근할 수 있는지에 대한 정보를 얻기 위해, 시료(6)의 높이 프로파일이 결정되고, 시료(6)와 캔틸레버(7) 사이의 갭(62)의 이미지가 검출된다. 이를 위해, 조명 유닛(64)은 전자기 방사선 빔(66)으로서 광학 광 빔을 방출한다. 거울(31)에 의한 편향 이후, 전자기 방사선 빔(66)은 시료(6) 상에 그리고 시료(6)와 캔틸레버(7) 사이의 갭(62)을 통해 전파되고 이후 추가 거울(33)에 부딪힌다. 빔 조작 유닛(74)에서 사전에 빔 조정이 달성될 수 있다. 렌즈(70)를 통과한 이후, 전자기 방사선 빔(66)은 전자기 방사선 빔(66)이 이미지의 형태로 검출되는 검출 유닛(60)에 도달한다. 이러한 검출된 이미지를 기반으로, 높이 맵 및 갭(62)의 크기에 관한 정보가 결정 유닛(80)에 의해 결정될 수 있다. 이 결정의 결과는, 예를 들어 제어 유닛(84)을 통해, 갭(62)의 결정된 크기를 기반으로 거친 조정을 수행할 수 있는 구동 유닛(63)에 제공된다. 거울(31 및 33) 사이의 전자기 방사선 빔(66)의 수평 전파로 인해, 갭(62)의 수평 이미지뿐만 아니라 시료(6)의 그림자 이미지가 검출 유닛(60)에 의해 검출될 수 있다. 그러나, 검출 거울(31 및 33)의 존재로 인해, 조명 유닛(64)뿐만 아니라 검출 유닛(60)을 이들 유닛을 수용하기 위해 작은 공간만이 존재할 수 있는 시료-프로브 영역에 대해 이격되게 배치하는 것이 가능하다. 조명 유닛(64)은 발광 다이오드 또는 발광 다이오드의 어레이일 수 있다. 시료(6)와 갭(62)의 조명의 균일성을 향상시키기 위해, 조명 유닛(64)과 갭(62) 사이에 디퓨저(37) 등이 배치될 수 있다. 상기한 주사 탐침 현미경(1)에 의해 캡쳐된 갭(62)의 실제 수평 사이드 뷰로 인해, 갭(62)의 크기뿐만 아니라 시료(6)의 높이 프로파일이 고정밀도로 결정될 수 있고, 시료-프로브 조정 또한 매우 정확하게 이루어질 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(1)의 광학계(68)의 다양한 단면을 도시하고 있다.

도 2를 참조하면, 물체 측 텔레센트릭 사이드 뷰 센서 또는 광학계(68)가 도시되어 있다. 도 2에서, 조명 유닛(64)과 검출 유닛(60)의 감광 표면 사이의 광 경로는 주사 탐침 현미경(1)의 기하구조의 제약을 충족시키기 위해 거울(33)을 구현한 결과로서 폴딩된다. 그러나, 대안적으로, 도 1(예를 들어, 두 개의 거울(31, 33)구현함)에서와 같이 이중 폴딩된 기하구조 또는 완전히 종 방향의 광 경로(예를 들어, 거울을 구현될 필요가 없음)를 갖는 것도 가능하다. 따라서, 도 2에 따르면, 조명 유닛(64)(균일한 조명을 제공함)과 검출 유닛(60) 사이의 광 경로는 하나의 폴딩 위치만을 포함하는 폴딩된 광 경로이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 조명 유닛(64)에서 수평으로 도착하고 갭(62)을 통과하는 광은 거울(33), 프리즘 또는 다른 적절한 광학 요소에 의해 재지향될 수 있다. 조작자는 예를 들어 스크린(스케일을 포함할 수도 있음) 상에서 이미지를 볼 수 있고 수동으로 시료(6)의 표면을 향하는 프로브(11)의 접근을 제어할 수 있다. 과정은 또한 제어 유닛(84) 등을 포함함으로써 반자동화되거나 완전히 자동화될 수 있다. 검출 유닛(60)은 시료 표면 프로파일 정보 및 갭(62)의 크기를 측정하고, 이 정보를 처리함으로써 프로브(11) 및/또는 시료(6)의 이동이 제어될 수 있다.

조명 유닛(64)(예를 들어, 광원)은 장면에 수평으로 도착하는, 즉 갭(62)을 따라 그리고 거친 표면을 갖는 시료(6) 상에 전파되는 균일한 조명 빔 또는 전자기 방사선 빔(66)을 생성한다. 조명 유닛(64)은 갭(62)과 시료(6) 모두를 측 방향으로부터 균일하게 조명하는 것이 바람직하다. 도 1과는 대조적으로, 조명 유닛(64)은 이제 갭(62)의 위치에서 전자기 방사선 빔(66)의 전파 방향과 일직선이 되도록 배열되고, 이에 수직으로 배열되지 않는다. 광원 자체는 반드시 x-y-평면(도 2와 같이)에 위치할 필요는 없지만 위 또는 아래 방향으로 도착한 광은 해당 평면으로 재지향될 수 있다. 전자기 방사선 빔(66)은 시료(6)와 프로브(11) 사이의 갭(62)의 실질적으로 균일한 조명을 보장해야 한다. 광의 강도 변동 또는 변화가 충분히 작으면(이는 유입되는 광이 과도하게 불균일해지지 않음을 의미함), 투명한 물체도 고정밀도로 검출될 수 있다.

유입되는 전자기 방사선 빔(66)은 x-y-평면에서 임의의 방향 또는 임의의 각도에서 도착할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 광원 또는 전자기 방사선 소스(64)(또는 관련된 거울(31), 프리즘 등)의 적절한 위치는 카메라 또는 검출 유닛(60)(또는 관련된 거울(33), 프리즘 등)과 정반대의 방향일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 텔레센트릭 광학계(68)가 구현될 수 있다. 이러한 텔레센트릭 광학계(68)는 물체 공간에서 텔레센트릭할 수 있다. 이러한 광학 구성의 장점은 이미지 평면에서 물체의 이미지가 거리에 관계없이 동일한 크기를 갖는다는 점이다(도 4 참조). 다시 말해서, 이러한 텔레센트릭 구성에서 원근 왜곡은 없다. 예시적인 실시형태에 따른 텔레센트릭 광학계(68)는 기본적으로 하나의 렌즈(70)와 함께 작동한다(도 1 또는 도 4 참조). 도 2에 도시된 구성은 두 개의 렌즈(70)를 포함한다. 그러나, 렌즈(70)의 개수는 또한 하나 또는 두 개와 다를 수 있다. 렌즈(들)(70)의 하류에는 전자기 방사선 빔(66)이 검출 유닛(60)에 도달하기 전에 전파되는 개구(91)가 제공될 수 있다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(1)의 가능한 광학계(68)를 도시하고 있다. 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 거리에 있는 세 개의 물체(y1, y2, y3 참조)가 도시되어 있으며, 이들 물체(y1, y2, y3 참조)는 캔틸레버(7)와 시료(6) 사이의 갭(62)을 상징한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 치수(y1 = y2 = y3)를 갖지만 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 거리에 배치된 물체는 상이한 크기를 갖는 검출 스크린 또는 검출 표면 상에 이미징될 것이다. 도 3의 광학계(68)가 구현될 때, 광학 아티팩트가 수반되는 것을 방지하기 위해 시료-프로브 배치가 미리 정해진 위치에 배치되도록 주의를 기울여야 한다. 참조 번호 93은 투사 중심을 나타내고, 물체(y1, y2, y3 참조)의 이미지(95)가 또한 도시된다. 핀홀과 검출 표면 사이의 거리는 참조 번호 g로 도시되어 있다.

도 4에 도시된 광학계(68)는 텔레센트릭 광학계(68)의 구현에 기인하는 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 것이다. 도 3의 실시형태에서와 같이, 도 4의 실시형태는 폴딩되지 않은 선형 광 경로인 조명 유닛(64)(도시되어 있지 않으나 갭(62)과 시료(6)를 균일하게 조명함)과 검출 유닛(60) 사이의 광 경로를 구현한다.

동일한 치수(y1 = y2)를 갖지만 핀홀 카메라(43)로부터 상이한 거리에 배치된 두 개의 물체(y1, y2 참조)가 도시되어 있으며, 이들 물체(y1, y2 참조)는 캔틸레버(7)(또는 프로브(11))와 시료(6) 사이의 갭(62)을 상징한다. 핀홀 카메라(43)와 렌즈(70)의 이러한 구성으로 인해, 검출 스크린 상에 이미징될 갭(62)의 치수는 갭(62)이 제 1 위치(y1 참조)에 위치하는지 제 2 위치(y2 참조)에 위치하는지의 여부와 무관하다. 따라서, 시료(6)의 프로파일 그리고 추가적으로 갭(62)의 크기는 프로브-시료 배치의 정확한 위치에 관계없이 정확하게 결정될 수 있다. 매우 바람직하게, 렌즈(70)와 핀홀 카메라(43)의 개구(41) 사이의 거리(f)는 렌즈(70)의 초점 거리와 동일하다. 물체(y1, y2 참조)의 이미지(95)는 모두 동일한(또는 실질적으로 동일한) 이미지를 갖는다.

도 4에 따른 텔레센트릭 광학계(68)는 갭(62)과 검출 유닛(60)의 사이드 뷰 카메라(90) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공한다. 그러나, 텔레센트릭 광학계(68)는 시료(6)의 관심 있는 각각의 측정 지점(83)(도 4에 예시적으로 도시됨)과 사이드 뷰 카메라(90) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공할 수도 있다.

도 5는 분석될 시료(6)의 높이 맵을 제공하는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(1)의 일부를 도시하고 있다.

도 1에서와 같이, 도 5의 실시형태는 또한 시료(6)의 사이드 뷰 이미지(89)를 캡쳐하는 사이드 뷰 카메라(90)를 포함한다. 그러나, 도 5의 실시형태에서, 검출 유닛(60)은 시료(6)의 주요한 또는 심지어 전체 표면의 광각 이미지(96)를 검출하도록 배치되고 구성된 와이드 뷰 카메라(92)를 더 포함하며, 비스듬히 위쪽을 향하는 위치로부터 대응하는 이미지를 검출한다. 와이드 뷰 카메라(92)의 광축(79)과 수직축(81) 사이의 경사각(α)은 45° 미만일 수 있고, 특히 20° 내지 30° 범위일 수 있다. 경사각(α)은 와이드 뷰 카메라(92)의 탑-다운 배향에 대응하여 0°일 수도 있다. 경사각(α)은 주사 탐침 현미경(1)의 구조에서 공간 요건 및 제약에 따라 선택될 수 있고, 와이드 뷰 카메라(92)가 시야 범위 내에서 시료(6)를 충분히 볼 수 있도록 선택되어야 한다. 따라서, 도 5에 따른 사이드 뷰 카메라(90)와 와이드 뷰 카메라(92)로 구성된 검출 유닛(60)은 상이한 공간 위치에 상이한 공간 배향에 배치된 다수의 카메라(90, 92)에 의해 시료(6)의 다수의 이미지를 검출하도록 구성된다.

표적은 측정 지점(83)의 정보, 특히 이의 x-좌표(85)와 이의 국부적인 시료 높이(99)(즉, 측정 지점(83) 및 x-축 상의 측정 지점(83)의 수직 투사인 x-좌표(85) 사이의 거리)를 검출하기 위한 것이다. 와이드 뷰 카메라(92)의 경사진 뷰에 기인하는 이 x-좌표(85)에서의 알려지지 않은 시료 높이(99)로 인해, 실제 x-좌표(85)와 실제 시료 높이(99)는 결정될 수 없다. 시료 높이(99)는 0 및 측정 지점(83)과 x-좌표(85) 사이의 사이일 수 있고, x-좌표(85)는 또 다른 지점(87)에 또는 실제 x-좌표(85)에 해당하는 지점에 또는 그 중간에 있을 수 있다. 예를 들어, 완벽한 3차원 표면 프로파일 맵이 요구되는 경우(이는 그림자 프로파일이 충분하지 않은 것으로 간주되는 특정 실시형태에서의 경우일 수 있음), 와이드 뷰 카메라(92)와 사이드 뷰 카메라(90) 모두의 정보의 조합만이 정확한 데이터를 산출한다. 시료 높이(99)와 x-좌표(85)는 정확하게 결정될 수 있다. 시료(6)의 표면을 하나하나씩 스캔하고(즉, 상이한 측정 지점(83)에서 측정하고) 설명된 방법을 적용함으로써, 표면 프로파일(77)이 결정될 수 있다.

이전 단락에서 설명된 알고리즘이 약간 수정하여 y-좌표에도 적용될 수 있다.

예를 들어, 사이드 뷰에서 그리고 그 위로부터 또는 경사진 위치로부터 측정 지점(83)을 검출함으로써 시료(6)의 측정 지점(83)에서 국부적 높이(99)를 측정하는 것이 가능하다. 높이 프로파일(77)을 함께 얻기 위해 시료(6)의 상이한 측정 지점(83)에 대해 이 절차를 반복하는 것이 가능하다. 사이드 뷰 카메라(90) 및 와이드 뷰 카메라(92)와 결합된 결정 유닛(80)은 검출된 이미지를 기반으로 시료(6) 표면의 3차원 프로파일을 나타내는 정보를 결정하도록 구성된다. 따라서, 결정 유닛(80)은 이때 3차원 재구성과 관련하여 시료(6)의 다수의 검출된 이미지를 분석한다. 결과적으로, 결정 유닛(80)은 수직면 상의 시료(6)의 투사를 나타내는 사이드 뷰 카메라(90)의 이미지를 경사진 평면(특히 0°보다 크고 90°보다 작은 각도, 예를 들어 5° 내지 85° 사이의 각도로 상기한 수직면과 교차하는 평면) 또는 수평면 상의 시료(6)의 투사를 나타내는 사이드 뷰 카메라(90)가 제공하는 추가 이미지와 결합함으로써 시료(6)의 표면 프로파일(77)을 재구성하도록 구성된다.

주사 탐침 현미경(1)에 와이드 뷰 카메라(92) 또는 센서를 부가함으로써, 이동을 더 단순화하기 위해 사용자에게 탑-다운 또는 경사진 뷰를 제공하는 것이 가능해진다. 그러나, 일반 카메라는 관찰하는 장면의 2차원 표현만을 제공하고, 이는 카메라 이미지 내의 지점과 실제 3차원 장면 사이의 고유하지 않은 관계를 초래한다.

와이드 뷰 카메라(92)의 이미지를 사이드 뷰 카메라(90)로부터 관찰된 높이와 연관시킴으로써, 이러한 모호성을 해결하는 것이 가능하며 이는 사용자가 3차원 측정 장면에서 측정 지점의 분명한 선택을 수행할 수 있게 한다. 사이드 뷰 카메라(90)로부터의 부가 정보 없으면, 경사진 뷰 카메라(예를 들어, 와이드 뷰 카메라(92))를 이용한 이동은 시료 높이와 와이드 뷰 카메라(92)의 시야각에 의존하는 오프셋에 의해 영향을 받을 수 있다. 와이드 뷰 카메라(92)가 공간 제약으로 인해 어려울 수 있는 수직으로 정확하게 장착되더라도, 중심에서 벗어난 측정 지점은 이 오프셋에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 사이드 뷰 카메라(90)와 와이드 뷰 카메라(92)의 조합이 특히 유리하다.

도 6은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(1)에 의해 분석될 시료(6)를 도시하며, 시료(6)의 표면 프로파일로 인해 프로브(11)가 진입할 수 없는 영역(88)을 도시하고 있다.

예를 들어, 상기한 처리 유닛(72)은 결정된 정보를 처리함으로써, 시료(6)의 프로파일(77)을 고려하여 프로브(11)가 기하학적으로 도달할 수 없는 도시된 도달 불가능 영역(88)을 결정하도록 구성될 수 있다. 프로브(11)가 이러한 도달 불가능 영역(88)에 진입하면, 프로브(11)와 시료(6) 사이의 충돌이 발생할 수 있다. 이러한 매우 원하지 않는 충돌은 시료(6)의 이전에 결정된 높이 프로파일(77)의 지식을 기반으로 추정될 수 있는 하나 이상의 도달 불가능 영역(88)을 결정함으로써 방지될 수 있다. 참조 번호 67은 설명된 기하학적 제약으로 인해 도달할 수 없는 예시적인 측정 위치를 나타낸다. 프로브(11)가 (참조 부호 11'로 개략적으로 도시된 바와 같이) 참조 번호 67에 따른 위치로 가상적으로 이동되면, 충돌이 발생할 수 있다. 따라서, 시료(6)의 결정된 프로파일 정보에 의해 표시되는 3차원 장면 레이아웃의 이용 가능성의 또 다른 이점은, 프로브(11)의 표면과 시료(6)의 지형으로 인해 측정 프로브(11)로 도달할 수 없는 장면 내의 영역(88)에 대해 사용자가 직접 통보 받을 수 있다는 것이다.

또한, 이용 가능한 추가 센서를 이용하여, 사이드 뷰 센서(90)로부터의 정보를 와이드 뷰 센서(92)로부터의 정보와 융합시킴으로써 높이 맵이 개선될 수 있다. 광학 이미지 센서를 고려하면, 이러한 추가 정보는 패턴 인식 및/또는 물체 인식 방법뿐만 아니라, 예를 들어, 시료(6) 상에 상이한 뷰, 초점으로부터의 형상 및/또는 구조 광을 이용하는 3차원 재구성 방법에 의해 검색될 수 있다.

단순한(도 1 비교) 또는 정제된(도 5 비교) 높이 맵을 사용하면 이동은,

- 사용자가 측정 센서/헤드로 시료 표면에 도달하는 것이 불가능한 금지 영역(88)으로 이동하는 것을 차단하고,

- 와이드 뷰 이미지 센서의 투사 왜곡을 교정하고,

- 측정 센서/헤드를 시료 표면에 근접하게 이동시켜 측정 시간을 단축하고,

- 하나의 위치/시료(6)로부터 다른 높이를 갖는 다른 위치/시료(6)로 이동 궤도를 개선하거나 최적화함으로써, 전환 중 필요한 안전 높이를 향상시키는 것에 의해 개선될 수 있다.

도 7은 분석될 시료(6)의 높이 맵을 제공하는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 주사 탐침 현미경(1)의 일부를 도시하고 있다.

도 7에 따르면, 검출 유닛(60)은 상이한 공간 위치 및 상이한 공간 배향으로 배치된 세 개의 상이한 유형의 카메라(90, 92, 94)에 의해 시료(6)의 다수의 이미지를 검출하도록 구성된다. 더욱 상세하게, 사이드 뷰 카메라(90)와 와이드 뷰 카메라(92)를 제공하는 것 외에도, 도 7에 따른 검출 유닛(60)은 탑-다운 뷰에서 그리고 카메라(90, 92)에 비해 높은 해상도로 시료(6)의 하위부분을 검출하도록 배치되고 구성된 내로우 뷰 카메라 또는 현미경(94)을 더 포함한다. 참조 번호 69로 나타낸 바와 같이, 적어도 하나의 카메라(90, 92, 94) 및/또는 시료(6)를 서로에 대해 상이한 위치로 이동하도록 구성하는 것도 선택적으로 가능하다.

도 5와 같은 실시형태에서, 와이드 뷰 카메라(92)는, 예를 들어 고성능 또는 고정밀도의 응용을 위해, 불충분한 해상도로 시료(6)를 캡쳐할 수 있으므로, 사소한 세부사항이 사이드 뷰 카메라(90)와 와이드 뷰 카메라(92)만의 조합에 의해 분해되지 않을 수 있다. 현미경(94)을 추가할 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 현미경(94)에 의해 캡쳐된 추가 정보로 인해 높은 국부적 해상도를 갖는 작은 공간 범위에서도 이동이 가능해진다.

도 7에 도시된 와이드 뷰 카메라(92)와 현미경(94)를 별도로 제공하는 것에 대한 또 다른 대안으로서, 예를 들어 와이드 뷰(또는 매크로) 모드와 내로우 뷰(또는 마이크로) 모드 사이에서 전환될 수 있는 하나의 공통 카메라(92+94)에 이들의 기능을 모두 결합하는 것도 대안적으로 가능하다.

도 8A는 시료 홀더(54) 상의 시료(6)(물체 A와 B를 포함)의 실제 이미지(51)를 도시하고 있다. 도 8B 및 도 8C는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 와이드 뷰 카메라(92) 또는 매크로 이미지 센서(도 8B)에 의해 그리고 사이드 뷰 센서(90)(도 8C)에 의해 캡쳐된 시료 홀더(54) 상의 시료(6)의 이미지(53, 55)를 도시하고 있다. 도 8D는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 도 8B 및 도 8C의 이미지(53, 55)로부터 도출된 결정된 높이 맵(57)을 도시하고 있다.

따라서, 도 8A 내지 도 8C는 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 기구 설정으로 기본 높이 맵(57)을 결정하기 위한 작업 흐름을 도시하고 있다.

도 8B에 도시된 와이드 뷰 이미지(53)는 시료(6)와 이의 물체 A 및 B에 대한 평면도 정보를 제공한다. 도 8C에 도시된 사이드 뷰 이미지(55)는 시료(6)와 이의 물체 A 및 B와 관한 투사된 정보(또는 그림자 이미지)를 제공함으로써 정량적인 높이 값을 제공한다. 도 8D에 따른 재구성은 3차원 높이 맵(57)이 결정될 수 있도록 도 8B에 따른 보완적인 정보 아이템을 도 8C 내에 결합한다.

현미경(94)이 추가로 구현되는 도 7에 따른 실시형태에서, 도 8D에 따른 높이 맵(57)이 더 정제될 수 있도록 물체 A 및 B의 하부구조에 대한 상세한 정보가 더 정제될 수 있다.

"포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며 단수는 복수를 배제하지 않는다는 것에 유의해야 한다. 또한, 상이한 실시형태와 관련하여 설명된 요소들이 결합될 수 있다.

청구항 내의 참조 부호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점에 유의해야 한다.

본 발명의 구현은 도면에 도시되고 상기한 바람직한 실시형태로 한정되지 않는다. 대신, 본질적으로 상이한 실시형태의 경우에도 도시된 해결책 및 발명에 따른 원리를 사용하는 다양한 변형이 가능하다.

Claims (15)

1. 프로브(11)와 시료(6)를 서로에 대해 이동시킴으로써 상기 시료(6)를 분석하기 위한 주사 탐침 현미경(1)에 있어서, 상기 주사 탐침 현미경(1)은:
   상기 시료(6)와 상기 프로브(11)가 수직 방향으로 이격되어 있을 때, 수평인 사이드 뷰에서 상기 시료(6)의 이미지를 검출하도록 배치되고 구성된 사이드 뷰 카메라(90)를 포함하는 검출 유닛(60)으로서, 상기 사이드 뷰 카메라(90)는 상기 수평인 사이드 뷰에서 상기 시료(6)와 상기 프로브(11) 사이의 갭(62)을 추가적으로 모니터링하도록 배치되고 구성되는, 상기 검출 유닛(60); 및
   상기 검출된 이미지를 기반으로 상기 시료(6)의 표면의 적어도 일부의 프로파일을 나타내는 정보를 결정하기 위한 결정 유닛(80)을 포함하고,
   상기 결정 유닛(80)은 상기 시료(6)의 그림자 이미지로부터 다수의 높이 값들을 결정하는 단계 및 상기 시료(6)의 적어도 일부의 3차원 표면 함수를 결정하는 단계로 이루어진 군 중에서 적어도 하나에 의해 정보를 결정하도록 구성되고,
   상기 결정 유닛(80)은 상기 시료(6)에 대해 서로 다른 위치들 또는 배향들로부터 상기 검출 유닛(60)에 의해 검출된 상기 시료(6)의 다수의 이미지들을 조합함으로써 상기 프로파일을 나타내는 정보를 결정하도록 추가로 구성되고, 그리고
   상기 다수의 이미지들을 제공하는 것에는 2개 이상의 사이드 뷰 카메라들(90)을 제공하는 것, 상기 사이드 뷰 카메라(90)를 회전시키는 것, 상기 시료(6)를 회전시키는 것으로 이루어진 군 중에서 적어도 하나가 포함되는, 주사 탐침 현미경(1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 결정 유닛(80)은 상기 시료(6)에 대해 서로 다른 위치들 또는 배향들로부터 상기 검출 유닛(60)에 의해 검출된 상기 시료(6)의 다수의 이미지들을 연관시킴으로써 상기 프로파일을 나타내는 정보를 결정하도록 구성되는, 주사 탐침 현미경(1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 검출 유닛(60)은,
   상기 시료(6)에 대해 서로 다른 공간 위치들에 또는 서로 다른 공간 배향들로 배치된 상기 검출 유닛(60)의 다수의 카메라들(90, 92, 94)에 의해; 또는
   상기 검출 유닛(60)의 적어도 하나의 카메라(90, 92, 94)와 상기 시료(6)를 서로 다른 위치들 또는 서로 다른 공간 배향들로 서로에 대해 이동하도록 하는 구성에 의해,
   상기 시료(6)의 다수의 이미지들을 검출하도록 구성되는, 주사 탐침 현미경(1).
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 결정 유닛(80)은,
   미리 정해진 광 패턴이 투사된 상기 시료(6)의 검출된 이미지로부터 상기 프로파일을 나타내는 정보를 결정하는 단계;
   패턴 인식 및 물체 인식 중 적어도 하나를 수행하여 상기 시료(6)의 검출된 이미지로부터 상기 프로파일을 나타내는 정보를 결정하는 단계; 및
   상기 시료(6)의 적어도 일부의 높이 프로파일의 3차원 재구성과 관련하여 상기 시료(6)의 다수의 검출된 이미지들을 분석하는 단계;
   로 이루어진 군 중에서 적어도 하나에 의해 정보를 결정하도록 구성되는, 주사 탐침 현미경(1).
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시료(6)의 프로파일을 고려하여 상기 프로브(11)가 도달할 수 없는 상기 시료(6)의 적어도 하나의 도달 불가능 영역(88)과;
   이후에 상기 시료(6)를 분석하기 위한 초기 프로파일-관련 위치로 서로에 대해 이동하도록 상기 프로브(11)와 상기 시료(6)를 제어하기 위한 제어 정보와;
   상기 시료(6)를 분석하는 동안 프로파일-적응 궤도를 따라 서로에 대해 이동하도록 상기 프로브(11)와 상기 시료(6)를 제어하기 위한 제어 정보;
   중 적어도 하나를 결정하기 위해 상기 결정된 정보를 처리하도록 구성된 처리 유닛(72)을 포함하는 주사 탐침 현미경(1).
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 수평인 사이드 뷰의 이미지는 수평축에 대해 5° 미만의 각도로 검출되는, 주사 탐침 현미경(1).
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 부분적으로 상기 시료(6)와 상기 검출 유닛(60) 사이에 광학계(68)를 포함하는 주사 탐침 현미경(1).
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 광학계(68)는 상기 시료(6)의 관심 측정 지점(83)과 상기 사이드 뷰 카메라(90) 사이의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학계인 특징과;
   상기 광학계(68)는 상기 시료(6)와 한편으로는 상기 프로브(11) 다른 한편으로는 상기 사이드 뷰 카메라(90) 사이의 갭(62)의 거리와 무관한 배율을 제공하는 텔레센트릭 광학계인 특징;
   중 적어도 하나의 특징을 포함하는 주사 탐침 현미경(1).
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시료(6)의 측면 투사 및 상기 시료(6)와 상기 프로브(11) 사이의 갭(62) 중 적어도 하나를 전자기 방사선(66)으로 조명하도록 구성된 조명 유닛(64)을 포함하는 주사 탐침 현미경(1).
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 검출 유닛(60)은 상기 시료(6)의 적어도 일부의 와이드 뷰 이미지(96)를 검출하도록 배치되고 구성된 와이드 뷰 카메라(92)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(1).
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 검출 유닛(60)은 상기 시료(6)의 하위부분을 검출하도록 배치되고 구성된 현미경(94)을 포함하는, 주사 탐침 현미경(1).
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 유닛(80)은, 상기 사이드 뷰 카메라(90)에 의해 캡쳐되고 수직면 상의 상기 시료(6)의 투사에 해당하는 적어도 하나의 이미지 및 적어도 하나의 추가 카메라(92, 94)에 의해 캡쳐되고 또 다른 면 상의 상기 시료(6)의 투사에 해당하는 적어도 하나의 추가 이미지를 결합함으로써 상기 시료(6)의 프로파일을 재구성하도록 구성되는, 주사 탐침 현미경(1).
13. 주사 탐침 현미경(1)에 의해 시료(6)를 분석하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    상기 시료(6)와 프로브(11)가 수직 방향으로 이격되어 있을 때, 수평인 사이드 뷰에서 사이드 뷰 카메라(90)를 사용하여 상기 시료(6)의 이미지를 검출하는 단계로서, 상기 사이드 뷰 카메라(90)는 상기 수평인 사이드 뷰에서 상기 시료(6)와 상기 프로브(11) 사이의 갭(62)을 추가적으로 모니터링하도록 배치되고 구성되는, 단계와;
    상기 검출된 이미지를 기반으로 상기 시료(6)의 표면의 적어도 일부의 프로파일을 나타내는 정보를 결정하고, 이로써 상기 시료(6)의 그림자 이미지로부터 다수의 높이 값들을 결정하는 것 및 상기 시료(6)의 적어도 일부의 3차원 표면 함수를 결정하는 것으로 이루어진 군 중에서 적어도 하나에 의해 정보를 결정하는 단계;
    상기 시료(6)에 대해 서로 다른 위치들 또는 배향들로부터 검출된 상기 시료(6)의 다수의 이미지들을 조합함으로써 상기 프로파일을 나타내는 정보를 결정하는 단계로서, 상기 다수의 이미지들을 제공하는 것에는 2개 이상의 사이드 뷰 카메라들(90)을 제공하는 것, 상기 사이드 뷰 카메라(90)를 회전시키는 것, 상기 시료(6)를 회전시키는 것으로 이루어진 군 중에서 적어도 하나가 포함되는, 단계; 및
    상기 결정된 정보를 고려하여 상기 프로브(11)와 상기 시료(6)를 서로에 대해 이동시킴으로써 상기 시료(6)를 분석하는 단계를 포함하는 방법.
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