KR20030068375A - 주사 탐침 현미경 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope)은 서로 완전히 분리되고, 고정 프레임상에 물리적으로 별개의 위치들에 장착되는 2개의 상이한 스캐너(소위, "주사 스테이지"라 칭함)를 사용한다. 하나의 스캐너("x-y 스캐너"라 칭함)는 평면(소위, "x-y 평면"이라 칭함)상에 있는 샘플을 주사하지만, 다른 하나의 스캐너("z 스캐너"라 칭함)는 탐침을 평면에 수직한 방향(소위, "z 방향"이라 칭함)으로 (캔틸레버의 자유단에 지지되는) 주사한다. 2개의 스캐너가 서로 분리됨으로써, 각 스캐너가 다른 스캐너에 영향을 미치지 않고 (고정프레임에 대해 상대적으로) 움직일 수 있게 된다.

Description

주사 탐침 현미경{IMPROVED SCANNING PROBE MICROSCOPE}
주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope(SPM))은 나노 스케일의 과학과 기술에서 강력한 기구이다. SPM의 많은 변형체 중, 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope(AFM);原子間力顯微鏡)은 가장 광범위하게 사용되고 있으며, 가장 기본이 되는 현미경이다. 하나의 종래 AFM중 하나가 Phys. Rev. Lett. 56,930(1986)문헌의 지. 비닝(G. Binning), 시. 퀘이트(C. Quate), 시에이치. 거버(Ch. Gerber)의 논문에 게재되어 있다. 그 후 AFM이 계속 개선되어, 그의 이용 가능성과 편리성이 향상되었다. 통상 사용되는 구성에 있어서, 종래의 AFM은 마이크로머시닝으로 제작된 캔틸레버(cantilever)를 사용하며, 이 캔틸레버의 끝 부분에는 날카로운 바늘이 달려 있고, 압전 튜브를 이용해서 샘플이나 캔틸레버를 주사한다. AFM은 레이저 광선을 캔틸레버에 비추어, 반사된 광선을 위치 감지 광검출기(Position Sensitive Photo Detector(PSPD))로 검출해서 캔틸레버의 휘어짐을 측정한다.(Appl. Phys. Lett 53,2400(1988)에 지. 마이어(G. Meyer), 엔. 엠. 아머(N. M. Amer)의 논문을 참조).
이러한 구성의 AFM은 높은 수직 감도를 가지며, 비교적 실시하기 용이하다. 입사 레이저 광선을 캔틸레버상에 비추도록 조절하고, 반사된 광선을 PSPD의 중앙에 정렬하기 위하여, 정교한 나사들을 이용한 정렬 메커니즘(aligning mechanism)이 사용된다. 이러한 정렬 메커니즘과 함께 레이저, PSPD 및 캔틸레버를 포함하는 탐침 유닛은 상당한 질량을 가지므로, AFM이 정밀도를 유지하면서, 고속으로 탐침 유닛을 주사하는 것은 어렵다. 종래의 기술에 있어서, 전형적인 x 주사 속도는 0.1Hz 내지 4Hz의 범위에 있고, 필요한 z 서보 대역폭은 100Hz 내지 1kHz이다. 이와 같은 주사 속도는 수용 가능한 범위지이만, 이하에 설명된 이유 때문에 충분하지 않다. 따라서, 어떤 종래의 AFM에 있어서, 탐침 유닛은 고정된 상태로 유지되었고 샘플을 x, y 및 z축을 따라 주사하였다.
여기에 전체적인 내용을 참고 자료로 인용하고자 하는 알브레히트(Albrecht) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,157,251호 및 엘링스(Elings) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,237,859호를 참조하기 바란다.
그러나, 큰 실리콘 웨이퍼와 같은 대형 샘플은 충분한 수직 서보 주파수 응답에 대하여 z 방향으로 충분히 신속하게 예를 들어 1KHz 정도로 주사될 수 없다. 이 문제점을 설명하기 위해, 미합중국 특허 제 5,463,897호 2컬럼, 19 내지 24 라인을 참조하기 바란다. 또한, J. Appl. Phys. 76, 796(1994)에 피. 케이. 한스마(P. K. Hansma), 비. 드라케(B. Drake), 디. 그리그(D. Grigg), 시. 비. 프레터(C. B. Prater), 에프. 야셔(F. Yashar), 지. 걸라이(G. Gurley), 브이. 엘링스(V. Elings), 에스. 파인스타인(S. Feinstein), 및 알. 랄(R. Lal)의 논문을 참조하기 바란다. 이 문제점을 해결하기 위하여 레이저 광선이 캔틸레버의 이동을 따르도록 하면서, 캔틸레버를 주사시킬 수 있다. 간단한 방법은 정렬 메커니즘을 소형화하고, 전체 탐침 유닛을 주사하는 것이다. 이와 같은 주사 탐침은 미합중국, 94089, CA, 서니베일(Sunnyvale), 1171 보레가스 에비뉴(Borregas Avenue)에 소재한 비코 메트롤러지 그룹(Veeco Metrology Group)의 써모 마이크로스코프스(TM Microscopes)로부터 이용가능한 "AutoProbe M5" 주사 탐침 현미경에서 제공되며, www.tmmicro.com의 인터넷상에 기재되어 있다.
그러나, 이러한 소형화된 탐침 유닛은 아직도 상당한 질량을 가지므로, z 서보 응답을 감소시킨다. 또한 레이저 광선을 소형 나사들로 정렬하는 것이 불편하며 특별한 도구가 사용되어야 한다. 또 하나의 방법은 레이저 광선이 캔틸레버 이동을 따르면서 반사된 광선이 PSPD상의 동일점에 맞을 수 있도록 튜브 스캐너에 렌즈들을 부착하는 것이다. 이러한 튜브 스캐너는 미합중국 93117, CA 산타 바바라(Santa Barbara), 112 로빈 힐 로드(Robin Hill Road)에 소재하는 비코 메트롤로지 그룹(Veeco Metrology Group)의 디지털 인스트루먼츠(Digital Instruments)로부터 이용 가능한 "Dimension 3100" 주사 탐침 현미경에 제공되어 있으며, www.di.com의 인터넷상에 기재되어 있다. 또한, 프레터 등에 허여된 미합중국 특허 제 5,463,897호를 참조하기 바라며, 여기에 이것의 전 내용을 참고자료로 포함하기로 한다. 또한, J. Appl. Phsy. 76, 796(1994)에 피. 케이. 한스마(P. K. Hansma), 비. 드라케(B. Drake), 디. 그리그(D. Grigg), 시. 비. 프레터(C. B. Prater), 에프. 야셔(F. Yashar), 지. 걸리(G. Gurley), 브이. 엘링스(V. Elings), 에스. 파인스타인(S. Feinstein), 및 알. 랄(R. Lal) 등의 논문을 참조하기 바란다. 그러나, 이 방법으로는, 레이저 광선이 캔틸레버를 완전하게 따를 수 없고, 반사된 광선이 PSPD의 정확한 동일점에 존재하기 어렵기 때문에, x, y로 주사하는 동안 측정 오류 및 추적 힘 변이(tracking force variations)를 초래한다.
또한, 대부분의 AFM은 주사 오류 및 낮은 주사 속도라는 공통된 문제점들을 가지고 있다. 종래 기술에 일반적으로 사용된 압전 튜브 스캐너(piezolectric tube-based scanner)는 x, y, z 3차원 중 어느 한 방향으로만 독립적으로 움직일수 있는 직교 3차원 액츄에이터가 아니다. x,y 이동은 튜브의 휘어짐에 의존하기 때문에, x,y와 z축 사이의 크로스 토크(crosstalk)와 비선형성이 존재한다. AFM은, 여기에 전체적인 내용을 참고 자료로 인용하고자 하는, 바레트(Barrett)에게 허여된 미합중국 특허 제 5,210,410호에 기재된 압전 튜브의 고유 비선형성을 교정하기 위해 위치 센서를 사용할 수 있다; 또한, 알. 바레트(R. Barrett)의 Rev. Sci. Instrum. 62, 1393(1991) 논문을 참조하기 바란다. 그러나, 튜브 굴곡(tube flexing)으로 인한 z 크로스 토크는 제거되지 않아, 측정 오류 및 배경 굴곡 효과(background curvature effect)를 야기시킨다. 삼각 스캐너를 사용하는 것은 비선형성 및 크로스 토크 문제점을 크게 개선하지 못한다. 더욱이, 압전 튜브 스캐너는 낮은 공진 주파수(통상 1kHz 이하)를 가지며, 종래의 탐침 유닛을 고속으로 구동할만큼 강한 힘을 갖지 못한다.
스캐너의 직교성을 향상시키기 위해, 브라운스타인(Braunstein) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 6,310,342호, 제 6,057,546 및 제 5,854,487호 모두(이 특허들의 각각은 여기에 전 내용을 참고자료로 포함하기로 한다.)에는 x,y 주사용 굴곡 스테이지(flexure stage)를 사용하는 종래 기술이 게재되어 있다. 그러나, 브라운스타인(Braunstein) 등에 의해 제기된 z 스캐너는 x-y 스캐너에 부착되기 때문에, 대략 100Hz 정도인 x-y 스캐너의 공진 주파수보다 빠르게 이동될 수 없다.
상기에 설명된 바와 같이, AFM의 주사 속도가 중요하다. AFM의 주사 속도는 통상적으로 아래에 설명된 z 서보 주파수 응답에 의해 제한을 받는다. z 스캐너는 적절한 피드백 제어기를 가지고 샘플 모양을 따를 필요가 있다. x 방향의 주사 속도가 증가됨에 따라, z 스캐너는 상하로 더 빠르게 이동하여야 하며, z 서보 시스템에 보다 높은 대역폭을 요구한다. 그러나, 수직 서보 주파수 응답은 z 주사 시스템의 공진 주파수보다 더 높게 될 수 없다. z 주사 시스템은 z 스캐너와, z 스캐너용 지지구조물 및 z 스캐너가 z 방향으로 이동시켜야 하는 모든 것을 의미한다. z 스캐너에 많은 질량이 적재됨에 따라 z 주사 시스템의 공진 주파수는 감소된다. 만약 z 스캐너가 보다 높은 푸시풀 힘을 가지게 된다면, 공진 주파수 감소는 보다 작아진다.
전형적인 AFM의 z 서보 시스템은 수백 Hz 정도의 대역폭을 갖는다. 512Hz인 경우를 고려해 보자. 256 ×256 픽셀의 상을 얻고자 할 경우, x 방향으로 1Hz를 주사할 수 있다(전방 256 플러스 후방 256). 물론, 샘플이 평탄해서 인접한 데이터 포인트들 사이의 높이 변화가 작다면, 보다 빠르게 주사할 수 있다. 256 라인의 데이터를 수집할 필요가 있기 때문에, 하나의 주사를 종료하기 위해서는 256초(약 4분)가 소요된다. 이 4분은 긴 시간이어서, 주사 속도를 증가시키는 것이 중요하다. 일반적으로, x-y 주사 속도는 x-y 주사 대역폭에 의해 제한되는 것이 아니라 z 서보 주파수 응답에 의해 제한된다.
AFM에서는, 종종 캔틸레버를 교체할 필요가 있다. 마이크로 머시닝으로 제조된 캔틸레버는 소형 칩(2 ×4mm)상에 부착되며, 핀셋으로도 취급하기 어렵다. 취급성을 향상시키기 위해, 종래 기술에서 캔틸레버 칩은 알루미늄 플레이트상에 장착되었다. 린커(Linker) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,376,790호를 참조하기 바란다. 또한, 써모 마이크로스코프스(TM Microscopes)사의 CP, M5를 참조하기 바란다. 이러한 종래 기술의 플레이트는 3개의 슬롯을 가지며, 3개의 슬롯의 각도는 서로 120°를 이룬다. 이 슬롯들은 3개의 볼과 접촉하게 된다. 칩 마운트를 유지하기위해 스프링 클립이 사용되었다. 또 하나의 종래 기술(TM Microscopes Explorer; 또한, 갬블(Gamble) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,319,960호를 참고하기 바람)에서는, 칩 마운트를 부착하기 위해 자석이 사용되었으나, 칩 마운트가 자석위에 직접 얹혀지는 방식으로, 이는 교체 후에 동일 캔틸레버 위치가 변할 수 있다. 영(Young) 등(미합중국 특허 제 5,705,814호 참조)은 캔틸레버를 정렬하기 위해 복잡한 방법을 사용하고 있다.
더욱이, AFM 헤드는 때때로 AFM 프레임으로부터 제거되어야 할 필요가 있다. AFM 헤드의 편리한 장착 및 탈착을 위해, 종래 기술에서는 도브테일 홈(dovetail groove)이 AFM 헤드상에 만들어졌고, 도브테일 레일(dovetail rail)이 프레임상에 장착되었다. 예를 들어, 써모 마이크로스코프스(TM Microscopes)사의 원자현미경 CP; 디지털 인스트루먼츠사(Digital Instruments)의 Dimension 3100을 참조하기 바란다. AFM 헤드는 프레임상에 단단하게 설치될 필요가 있기 때문에, 조임나사가 도브테일을 단단히 죄는데 사용되었다.
본 발명에 따른 주사 탐침 현미경은, 서로 완전히 분리되고 고정 프레임상에 물리적으로 별개의 위치들에 장착되는 2개의 다른 스캐너를 사용한다. 하나의 스캐너("x-y 스캐너"라 칭함)는 평면(또한, "x-y 평면"이라 칭함)상에 있는 샘플을 주사하지만, 다른 스캐너("z 스캐너"라 칭함)는 탐침을 평면에 수직한 방향(또한, "z방향"이라 칭함)으로 (캔틸레버의 자유단에 지지되는) 주사한다. 2개의 스캐너가 서로 분리됨으로써, 각 스캐너가 다른 스캐너에 영향을 미치지 않고 (프레임에 대하여)이동될 수 있다는 것이 보장된다.
실시예에 따르면, 주사 탐침 현미경은 캔틸레버의 휘어짐을 감지하기 위해서 탐침을 지지하는 캔틸레버를 조명하기 위한 광원 및 캔틸레버에 의해 반사된 광의 일부를 수광할 광검출기를 포함한다. 광원과 광검출기는 탐침의 수직이동선으로부터 수평으로 떨어진 위치들에 지지될 수 있다. 하나의 실시예에서, (프리즘과 같은) 반사요소는 탐침의 수직 이동 선을 따라 배열되고, 광원은 반사요소에 수평으로 정렬되어, 스캐너에 의한 캔틸레버의 수직 이동과 무관하게 캔틸레버상의 동일점이 조사(본 실시 예에서 아래 방향으로)된다.
이러한 실시예에서, 캔틸레버에 의해 반사된 광은 하나 이상의 광학 요소를 거쳐 광검출기로 유도될 수 있다. 예를 들면, 미러는 캔틸레버로부터의 광을 수평으로 광검출기로 반사하는데 사용될 수 있다. 이 경우, z 스캐너 이동으로 인한 광검출기로 검출된 위치의 오류는 소프트웨어적인 방법으로 교정될 수 있다.
또 하나의 예로서, 서로 수평으로 가로질러 배열된 2개의 평행 미러가 캔틸레버와 광검출기 사이에 사용되어, 캔틸레버에 의해 반사된 광은 광검출기로 입사되는 광과 동일한 각도를 갖는다. 따라서, 이 예에서, 광검출기상의 동일점(예를 들어, 중앙)은 (캔틸레버와 광검출기가 장착되는) z 스캐너의 수직 이동에 관계없이 조사되어진다.
또한 실시예에 의하면, 탐침 바늘의 이동선을 따라 대물 렌즈와 카메라를 수용하기 위하여, 광원과 광검출기 및 이들 사이의 경로에 있는 광학적 중계 요소들을 캔틸레버에 수직으로 근접하게 위치시킴으로써, 측정중인 시료의 직립 축상 시계(direct on-axis view)를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따른, z 스캐너가 x-y 스캐너로부터 분리된 주사 탐침 현미경을 예시하는 개념도.
도 2 내지 도 4는 3개의 상이한 실시예에서 도 1의 주사 탐침 현미경에 사용되는 레이저, 프리즘, 캔틸레버 광선, 스티어링 미러 및 광검출기를 보여주는 측면도.
도 5a는 본 발명의 또 다른 양태에 따른, 평가중인 샘플의 직립 축상 시계를 위한 광학 요소를 포함하는 주사 탐침 현미경을 보여주는 측면도.
도 5b는 하나의 실시예로 브래킷에 의해 축상 광학 모듈(on-axis optics module)의 초점 스테이지상의 굴곡 장착(flexible mounting)을 예시하는 도 5a에서의 5B-5B 방향의 측단면도.
도 5c 내지 도 5e는 x-y 스캐너와 고정 프레임을 포함하는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 타입의 주사 탐침 현미경의 조립체를 각각 보여주는 측면도, 정면도 및 상면도.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경(30)은 z 스캐너(10)를 x-y 스캐너(20)와 물리적으로 분리한다. 스캐너들(10 및 20)은 고정되어 있는 동일 프레임(35)에 장착되어 있지만, 대안적 실시예에서는 스캐너들(10 및20)이 다른 프레임들에 장착될 수 있다. 또한, 스캐너(10)와 스캐너(20) 사이에 z 스테이지(73)가 있다. z 스테이지(73)는 스테퍼 모터를 갖는 1차원 이동 스테이지로서, 샘플 표면이 z 스캐너의 움직이는 범위 내에 도달할 수 있도록, (z 스캐너에 장착된 캔틸레버에 장착된) 탐침을 샘플 척(50)상의 샘플에 아주 근접하게 이동시키는데 사용된다. 스캐너의 장착 방법에 관계없이, 2개의 스캐너(10 및 20)는 물리적으로 서로 분리된다(즉, 두 스캐너는 고정프레임(35)에 결합되는 것을 제외하고는 기계적으로 결합되지 않으며, 각 스캐너는 다른 스캐너와 독립된 프레임에 대해 상대적인 운동을 제공한다).
위에 기재된 형태의 주사 탐침 현미경처럼 x-y 스캐너(20)가 z 스캐너(20)로부터 물리적으로 분리되는 것은, 브라운스타인(Braunstein) 등에 의한 미합중국 특허 제 6,310,342호, 제 6,057,546호 및 제 5,854,487호에 기술된 바와 같이 두 스캐너를 단일 헤드로 통합하는 것 보다 다수의 잇점을 가지게 된다. 2개의 스캐너를 갖춘 브라운스타인 등의 헤드를 사용하는 것과 대조적으로, z 스캐너(도 1참조:10)는 훨씬 더 빠르고, 보다 정확하게 이동할 수 있다.
현미경(30)의 하나의 실시예는 샘플 척(50)을 x-y 방향으로만 주사하는 (즉, 예를 들면 실리콘 웨이퍼를 지지하는) 2차원 굴곡 스테이지(two-dimensional flexure stage)(20)를 사용하고, 탐침 캔틸레버(34)를 z 방향으로만 주사하는 1차원 압전 액츄에이터(10)를 사용한다.
굴곡 스테이지(20)의 예는 PI사의 http://www.pi.ws로부터 이용 가능한 모델 P-730 스테이지이다. 이와 같은 굴곡 스테이지(20)는 높은 직교성을 가지고, x-y 방향으로 대형 샘플(∼2kg)을 최대 100Hz 주파수까지 주사할 수 있다. 이 주사 속도는 x-y축에 대한 대역폭 요구 조건이 z축에 대한 대역폭 요구 조건보다 훨씬 낮기 때문에 충분하다. 하나의 실시예에 있어서, z 스캐너로 사용되는 스택 압전 액츄에이터(10)는 적정 예비하중을 받을 때, 높은 푸시풀 힘(push-pull force)과 더불어 높은 공진 주파수(> 10kHz)를 갖는다.
하나의 실시예에 있어서, 현미경(30)은 레이저(31), 레이저 광선 조절 기구(예를 들면, 프리즘:32) 및 광검출기(예를 들어, 위치 감지 광검출기(Position Sensitive Photo Detector(PSPD):33)를 포함한다. 광검출기(33)는 z 스캐너(10)에 의해 지지되며, z 스캐너(10)는 캔틸레버(34)를 또한 지지한다.
현미경(30)의 이러한 배열에 의해, 레이저광선이 z 스캐너(10)의 이동과 무관하게 캔틸레버(34)의 동일점에 비추어지고, 반사된 광선은 확실하게 PSPD의 동일점에 도달할 수 있게 된다. 따라서, 광검출기(34)에는 캔틸레버(34)의 휘어짐만이 측정된다. 도 2의 실시예에 있어서, 레이저(31)와 레이저 광선 조절 기구(32)는 탐침 헤드에 고정되어 있다.
레이저(31)로부터의 레이저 광선은 프리즘(32)에 의해 반사되며, 레이저(31)와 프리즘(32)은 유리판(37)위에 고정되어 있다. 유리판(37)(과 프리즘(32))의 캔틸레버(34)에 대한 각도는 유리판 홀더(39)의 두 대각선 모서리에 설치된 2개의 나사(38A 및 38B)로 조절될 수 있다. 레이저 광선이 수직 방향으로 캔틸레버(34)상에 수직한 방향으로 비추어지기 때문에, 레이저 광선은 z 스캐너(10)의 이동에 관계없이 항상 캔틸레버(34)상의 동일점에 항상 맞추어진다.
캔틸레버(34)로부터 반사된 광선은 스티어링 미러(steering mirror:40)에 의해 반사되어, 광검출기(33)에 도달한다. 도 2의 미러(40)는 프리즘(32)을 통과하는 수직선과 평행한 위치에 있는 탐침헤드(36)에 의해 지지된다. 반사된 광선이 PSPD(33)의 중앙에 맞을 수 있도록, 대각선 모서리에 있는 2개의 나사(41 및 42)를 이용해 스티어링 미러(40)의 각도를 약간 조절될 수 있다. 스티어링 미러(40)가 수직으로 설치되어 있기 때문에, 반사된 광선은 z 스캐너의 이동에 관계없이 항상 PSPD(33)의 동일점에 맞게 되며, PSPD(33)는 캔틸레버의 휘어짐만을 검출한다.
하나의 실시예에 있어서, 광학 현미경을 수용하기 위해 캔틸레버(34)위에 공간 확보가 필요하다. 이를 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이 PSPD(33)를 레이저(31)보다 낮은 곳에 위치시킨다. 더욱이, 스티어링 미러(40)로부터 반사된 레이저 광선의 경로가 도 3에 나타낸 바와 같이 수평이 되도록, 스티어링 미러(40)는 수직에 대하여 어떤 각도(예를 들어, 45°)로 설치된다. 그러나, 이 배열에서는, 반사된 레이저 광선에 의해 PSPD(33)상에 형성된 지점은 z 스캐너(10)가 이동함에 따라 변화한다. 도 3에 나타낸 바와 같이 z 스캐너(10)가 거리 h를 이동할 때, PSPD(33)상의 레이저 광선 지점의 위치는 h(1-sin2θ) 만큼의 오류가 존재한다. 이 오류의 양은 캔틸레버(34)가 h 만큼 휘어질 때 레이저 광선 지점의 변위량에 비하여 아주 작다. 그 이유는 반사된 레이저 광선의 각도 변화에 따라 PSPD상의 레이저 광선 입사 위치의 변위가 훨씬 크기 때문이다. 광선의 경로 변화를 설명하기 위해 h가 도면에서 매우 크게 과장되었다는 것을 주목하라. 예를 들어, 캔틸레버의 길이는 대략 100㎛이지만, h는 수 nm 내지 수 ㎛ 정도의 매우 작은 양이다.
물론, 이 오류는 스티어링 미러(40)가 z 스캐너에 부착되어 있는 일부 실시예에서는 발생하지 않는다. 그러나, 질량이 커지면서 z-대역폭이 상당히 감소하게 된다. 어떤 실시예들에서는 z 스캐너가 캔틸레버(34)와 PSPD(33)만을 주사함으로써 스티어링 미러(40)를 주사하는 방식에 비해 대역폭을 증가시킬 수 있다.
z 스캐너의 이동 변우 h는 알려진 양이기 때문에, 소프트웨어를 이용해서 오류 h(1-sin2θ)를 보정하는 것이 가능하다. 대안적인 방법으로, 또 하나의 미러(43)를 추가로 삽입함으로써 이와 같은 오류를 제거할 수 있으며, 새로운 미러(43)의 각도는 스티어링 미러(40)의 각도와 평행하고 PSPD(33)는 미러(43)에 지향되어 있다.
도 4의 구성에서는, 제 2 미러(43)가 제 1 미러(40)의 영향을 정확하게 보정하므로 레이저 광선은 z-스캐너 이동에 관계없이 PSPD(33)의 동일점에 비추어진다. 따라서, 프리즘(32)위의 공간(도 4)은 도 5a에 나타낸 바와 같이, 직립 축상 광학 현미경(direct on-axis optical microscope)의 설치에 이용될 수 있다. 샘플 척(도5a에는 도시하지 않음)에 의해 고정되어 있는 샘플에서부터 카메라까지의 광 경로는 캔틸레버(34)를 통과하는 수직선상에 있다. 본 실시예에서, 이 광학 현미경의 상부(44)는 포커싱 스테이지(45)에 [유연 지지체(flexible mount)(51)를 통해] 유연하게 지지되며, 하부(46)는 두 측면에 2개의 나사(48 및 49)를 갖는 U자형 브래킷(도 5b에 도시:47)에 의해 고정된다.
두 개의 스프링 플런저(도 5b에 도면 부호화되지 않음)는 나사(48)측 맞은 편에 있는 하위부(46)를 밀어 내고, 두 개의 추가 스프링 플런저는 나사(49)측 맞은 편에 있는 하위부(46)를 밀어낸다. 이 배치를 취함으로써, 2개의 나사(48 및 49)만을 수동 조절하여 광학 현미경을 패닝(panning)할 수 있다. 피봇팅 점(pivoting point)에서부터 초점면까지의 거리는 200mm 이상이지만, 패닝 거리(panning distance)는 ±0.5mm 보다 작다. 그러므로, 패닝 동안에 초점면의 최대 변이는 1㎛ 보다 작고, 이는 광학 현미경의 초점 깊이(focal depth)내에 있다.
도 5a 및 도 5b에 설명된 실시예와는 달리, 일부 종래의 대형 샘플 AFM(예를 들어, 써모 마이크로스코프스(TM Microscopes)사의 M5; 디지털 인스트루먼츠(Digital Instruments)사의 디멘션(Dimension) 3100와 유사함; 또한, 여기에 전 내용을 참고자료로 포함하고자 하는 프레터(Prater) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,463,897호와 영(Young) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,705,814호를 참고할 것)에서는, 경사 미러가 캔틸레버와 대물 렌즈 사이에 삽입된다. 경사 미러는 스크래치 등 결함을 가질 수 있으며 광 경로를 모두 수용할 수 없기 때문에, 종래 기술에서는 이러한 광학 현미경의 특성이 저하된다.
이러한 종래의 광학 현미경에서는 시계(view)를 상하(좌우)로 이동시키면, 대물렌즈가 광축으로부터 벗어나게 되므로, 상당히 흐린 상을 맺게 된다. 모든 광학요소들-대물 렌즈, 튜브 렌즈 및 CCD 카메라-이 단일체에 고정되어, 패닝(panning) 동안에 함께 움직이고, 또한 위에서 설명했듯이 패닝 동안에 초점 깊이의 변화가 거의 없기 때문에, 이러한 흐릿함은 도 5a 및 도 5b에 설명된 실시예에 의해 없어진다.
도 5a 및 도 5b에 설명된 특정 실시예(다른 실시예들은 이 특정실시예 보다 더 작거나 또는 큰 이점을 가질 수 있지만)는 하기의 이점을 갖는다:
1) 주사 정밀도 : x,y 와 z 축 사이의 크로스 토크(cross talk)가 전혀 없어, 높은 주사 정밀도를 얻을 수 있다.
2) 샘플 크기 : 샘플이 x-y 방향으로만 주사되기 때문에, 소형 샘플뿐만 아니라 대형 샘플도 충분히 고속으로 주사할 수 있다.
3) 주사 속도 : z 스캐너는 큰 힘을 갖는 높은 공진 주파수를 가지는 반면에, 캔틸레버와 PSPD만을 주사하면 되므로, 종래 기술에서보다 z 서보 주파수 응답이 훨씬 더 크다.
4) 편리성 : 레이저 광선 조절 기구는 탐침 헤드에 고정되어, 이러한 레이저 광선 조절 기구를 별도의 공구 없이도 편리하고 정확하게 조절할 수 있는 정도로 충분히 크게 될 수 있다.
5) 광 시각 : 캔틸레버 위쪽에 충분한 공간을 확보할 수 있기 때문에, 직립 축상 광학 현미경(direct on-axis optical microscope)을 수용하는 것이 가능하다.
6) 패닝(panning) : 브래킷을 갖는 단일체 광학 현미경을 사용함으로써, 광학 현미경의 상이 보다 선명하고 뚜렷해진다.
본 명세서에 기술된 실시예의 다양한 변경 및 적용이 본 발명의 청구 범위를 포함하지 않고서 이루어질 수 없음을 숙련된 기술자는 이해할 것이다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 의도와 범위에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 주사 탐침 현미경으로서,
    고정 프레임;
    상기 고정 프레임에 부착된 제 1 스캐너와, 상기 제 1 스캐너에 부착되고 평면상으로 상기 제 1 스캐너에 의해 이동 가능한 샘플 척;
    물리적으로 상기 제 1 스캐너로부터 분리되고 상기 고정 프레임에 부착된 제 2 스캐너; 및
    상기 제 2 스캐너에 의해 지지되며, 상기 샘플 척의 이동 평면에 수직한 선을 따라 상기 제 2 스캐너에 의해 이동 가능한 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 자유단에 부착된 탐침을 포함하는 주사 탐침 현미경.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버상에 배열된 반사기;
    상기 반사기로 지향된 광원; 및
    상기 반사기에 의해 반사된 광원으로부터의 광의 일부를 받기 위해 배열된광검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 제 2 스캐너상에 장착되는 것을 특징으로 하는 주사탐침 현미경.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 광검출기는 스테이지상에 장착되고, 상기 스테이지는 상기 고정 프레임상에 장착되며;
    상기 광원은 상기 스테이지에 장착되며;
    상기 제 2 스캐너는 상기 스테이지에 장착되는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침의 이동선을 따라, 상기 고정 프레임에 의해 지지되는 대물 렌즈와 카메라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 스캐너는 스택 압전 액츄에이터(stacked piezoelectric actuator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 스캐너에 의해 제공된 상기 탐침의 이동에 대하여 고정된 위치에, 상기 고정 프레임에 의해 지지되는 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사탐침 현미경.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 미러는 상기 탐침의 이동선에 평행하게 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 미러는 상기 탐침의 상기 이동선에 대하여 각도를 이루어 배향되는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 미러는 제 1 미러하고, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 제 1 미러에 평행하게, 상기 고정 프레임에 의해 지지되는 제 2 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 미러와 상기 제 2 미러의 각각은 상기 소정의 직선의 대향하는 면에 설치되는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 캔틸레버, 상기 제 1 미러 및 상기 제 2 미러상에 위치된 반사기에 의해 반사된 광원으로부터의 광을 수광하기 위해, 상기 제 2 미러와 대향되게 배열된 광검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 스캐너는 x-y 굴곡 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플 척은 평면에서만 상기 제 1 스캐너에 의해 이동 가능하고; 상기 캔틸레버의 상기 고정단은, 상기 제 1 스캐너에 의한 상기 샘플 척의 상기 이동 평면에 수직한 방향으로만, 상기 제 2 스캐너에 의해 이동 가능한 것을 특징으로 하는 주사 탐침 현미경.
  15. 현미경 장치로서,
    스테이지에 장착되고, 상기 스테이지의 이동 방향으로 선형 이동으로 한정되는 스캐너;
    상기 스캐너에 의해 지지되고 자유단을 갖는 캔틸레버; 및
    상기 스테이지에 의해 지지되고 상기 스테이지의 이동 방향과 평행한 축을 갖는 대물 렌즈를 포함하는 현미경 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 상기 축과 평행하고 상기 캔틸레버의 자유단을 통과하는 선을 따라, 상기 캔틸레버와 상기 대물 렌즈 사이에 상기 스테이지에 의해 지지되는 반사기; 및
    상기 반사기로 지향되고, 상기 축으로부터 옆으로 나란하게 배열되며, 또한 상기 스테이지에 의해 지지되는 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 렌즈의 축은 상기 선과 동일축인 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 캔틸레버에 배열된 반사기;
    상기 반사기로 지향된 광원; 및
    상기 반사기에 의해 반사된 상기 광원으로부터의 광의 일부를 수광하기 위해 위치된 광검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  19. 샘플을 평가하기 위한 방법으로서,
    제 1 방향으로 캔틸레버의 자유단에 부착된 탐침을 이동시키는 단계;
    상기 탐침의 이동없이 상기 제 1 방향과 수직된 평면상에서 샘플을 이동시키는 단계; 및
    적어도 하나의 상기 이동 작용 동안 상기 캔틸레버의 휘어짐을 측정하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 탐침의 이동과 동시에 광검출기를 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 광검출기의 이동 거리는 상기 탐침의 이동 거리와 동일하고, 스티어링 미러는 상기 탐침과 상기 광검출기 각각의 이동 동안 고정된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
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