KR20060016118A - 주사 프로브 현미경 및 샘플면 주사 방법 - Google Patents

Abstract

주사 프로브 현미경은 정전 면 액추에이터와 주사 프로브 팁을 포함한다. 정전 면 액추에이터는 트랜스레이터와 스테이터를 포함한다. 트랜스레이터는 제1 면 상에 배치된 제1 전극들을 구비한다. 스테이터는 제2 면 상에 배치된 제2 전극들을 구비한다. 트랜스레이터는, 트랜스레이터가 스테이터에 대하여 제1 면 및 제2 면에 직교하는 방향으로 변위할 수 있도록, 제1 및 제2 면들이 대향한 상태에서 스테이터에 탄성적으로 연결된다. 주파 프로브 팁은 트랜스레이터에 연결된다. 제1 및 제2 전극들은, 인가 전압에 반응해서, 트랜스레이터를 스테이터에 대하여 제1 방향으로 변위시키도록 배향된 정전기력을 생성하도록 배열되고, 주사 프로브 팁의 위치는 트랜스레이터의 변위에 의해서 제어될 수 있다.

Description

주사 프로브 현미경 및 샘플면 주사 방법{SCANNING PROBE MICROSCOPE USING A SURFACE DRIVE ACTUATOR TO POSITION THE SCANNING PROBE TIP}

본 발명은 주사 프로브 현미경에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 주사 프로브 팁의 위치를 정전 면 액추에이터를 사용하여 지정하는 주사 프로브 현미경에 관한 것이다.

주사 프로브 현미경들이 알려져 있다. 예를 들어, 빈닉(Binnig)의 미국 특허 제 4,724,318호에는 원자 분해능을 갖는 물체의 표면을 촬상하는 방법{Method of imaging surface of object with atomic resolution}에 대하여 기재되어 있으며, 알렉산더(Alexander ) 등의 미국 특허 제 6,005,251호에는 주사 프로브 현미경을 위한 음성 코일 스캐너{Voice coil scanner for scanning probe microscope}에 대하여 기재되어 있고, 클리블랜드(Cleveland) 등의 미국 특허 제 6,323,483호에는 주사 프로브 현미경용 압전 스캐너{piezoelectric scanner for scanning probe microscope}에 대하여 기재되어 있다. 기존 주사 프로브 현미경들은 샘플면에 걸쳐서 프로브 팁의 위치를 지정하는데 압전 액추에이터들을 사용하고, 그러한 액추 에이터들은 인가 전압을 변위로 변형하고 100 ㎛에서 0.1 ㎛까지의 운동 범위에 유용하다. 안타깝게도, 이러한 압전 액추에이터들은 탐탁지 않은 기계적 공진으로 인해 한계를 갖는다. 전압이 인가되면, 압전 액추에이터는 대응 위치로 변위한다. 압전성 물질은 그 위치에서 줄어든다. 제2 전압이 인가되면, 제2 전압에 대응하는 위치가 초기 전압이 인가되었을 때의 위치에 대응하는 기억으로 나타난다. 이것은 이력현상이라 불린다. 압전 액추에이터의 위치는 인가전압의 이력에 의거한다.

프로브로 면을 주사할 때, 그 주사 속도는 팁 마멸, 샘플 마모, 외팔보 반응 시간, 검출기 감도, 소프트웨어 수집 시간, 외부 진동, 유효 주사 속도, 및 면에 수직인 팁을 가속하는데 유효한 가속도 등의 몇 가지 요인들에 의해서 제한된다. 대부분의 진보는 이러한 영역들에서 이루어진다. 예를 들어, 어떤 연구 그룹은 데이터 저장 애플리케이션을 위한 고주파 팁을 설명했다. 1997년도 6월 시카고에서 개최된 고체상태 센서 및 액추에이터에 대한 국제회의에 제출된 레이드(Reid) 등에 의해서 제출된 "예리한 팁을 갖는 5 MHz, 2N/m 피에조저항 외팔보{5 MHz, 2N/m Piezoresistive Cantilevers with INCISIVE tips}"의 447 내지 450 쪽을 참조하시오. 그러나, 최대 팁 가속도는 여전히 종래의 주사 프로브에 대한 중력 가속도(g)의 수 배 정도로 극히 제한되어 있다.

압전 액추에이터를 주사 현미경 프로브 팁을 변위시키는데 사용할 경우, 그 주사 속도는 제한된다. 보다 높은 속도로 동작하면, 프로브 팁은 인가 전압에 의해서보다는 압전 액추에이터의 기계적 공진에 의해서 더욱 구동될 것이다. 이것은 압전 액추에이터가 수용할 수 있는 주사 속도를 제한한다.

압전 액추에이터의 큰 중량은 몇 개의 작동 스테이지들이 서로 적층될 때 복합적인 효과를 갖는다. 몇몇 주사 프로브 현미경에 대해서는, x-y 스테이지 상에 z 액추에이터를 장착하는 것이 바람직하다. z 액추에이터의 큰 중량은 x-y 스테이지를 만들 수 있도록 주사 속도를 감소시킨다. z 액추에이터의 큰 중량은 또한 프로브가 가속될 때 x-y 스테이지에 큰 반작용력을 가한다. 비록 클리블랜드 등의 미국 특허 제 6,323,483호 및 바츠케(Bartzke) 등의 미국 특허 제 5,524,354호에는 액추에이터의 두 부분을 반대 방향으로 이동시킴으로써 반작용력을 감소시키는 밸런스드 압전 액추에이터에 대하여 기재되어 있긴 하지만, 주사 프로브 현미경의 z 액추에이터에 적용된 밸런스드 압전 액추에이터는 액추에이터의 크기 및 중량을 배로 할 수 있고, 나아가 x-y 스테이지가 제공할 수 있는 주사 속도를 감소시킬 수도 있다. 그러한 밸런스드 액추에이터들의 제어는 어려울 수 있으며 주사 프로브 현미경을 전체적으로 보다 복잡하게 만든다. 또한, 압전 액추에이터는, 압전 액추에이터의 위치가 인가 전압의 이력에 의거하도록 만드는 기억 또는 탐탐치 않은 문제점을 갖는 것으로 알려져 있다.

제1 양상에 따라서, 본 발명은 정전 면 액추에이터를 구비하고 그 액추에이터를 프로브 팁을 주사시키는데 사용하는 주사 프로브 현미경을 제공한다. 정전 면 액추에이터는 트랜스레이터(translator)와 스테이터(stator)를 포함한다. 트랜스레이터는 제1 면상에 배치된 제1 전극들을 구비한다. 스테이터는 제2 면상에 배치된 제2 전극들을 구비한다. 트랜스레이터는, 그 트랜스레이터가 스테이터에 대해서 제1 및 제2 면들과 평행한 제1 방향으로 변위될 수 있도록, 제1 면과 제2 면이 서로 대향한 상태로 스테이터에 탄성적으로 연결된다. 주사 프로브 팁은 트랜스레이터에 연결된다. 제1 및 제2 전극들은, 인가 전압에 반응해서, 트랜스레이터를 스테이터에 대하여 제1 방향으로 이동시킬 수 있든 정전기력을 생성하도록 배열된다. 트랜스레이터의 그러한 이동은 주사 프로브 팁의 위치를 제어가능하게 지정한다.

제2 양상에 따라서, 본 발명은, 프로브 팁과 정전 면 액추에이터를 이용하는 샘플면 주사 방법을 제공한다. 정전 면 액추에이터는 스테이터와 트랜스레이터를 포함한다. 프로브 팁은 트랜스레이터에 연결된다. 트랜스레이터는, 샘플면에 걸쳐서 프로브 팁을 주사시키기 위한 제1 방향으로 스테이터에 대해서 정전기적으로 변위되고, 그 프로브 팁의 특성은 샘플면에 걸친 프로브의 주사에 응답으로 감지된다.

종래 주사 프로브 현미경의 성능을 제한하는 중요한 요인은, 샘플면에 수직인 방향에 프로브 팁을 위치시키는데 이용되는 압전 혹은 자기 액추에이터의 중량이다. 외팔보 및 프로브 팁은 수 나노그램의 총합 중량을 가질 수 있지만, 프로브 팁을 위치시키는데 사용되는 종래의 액추에이터는 수 십 내지 수 백 그램의 중량을 갖는다. 프로브 팁을 위치시키고 가속하는데 있어서, 생성된 힘의 대부분은 액추에이터 자체를 가속하는데 사용된다. 프로브 팁의 중량에 보다 근접하게 일치하는 액추에이터를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 대해서는, 다음의 도면들을 참조로 한 대표적인 실시예들에 대한 설명에서 상세하게 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 주사 프로브 현미경의 대표적인 실시예의 측면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 주사 프로브 현미경의 하나의 실시예의 스캐너 부분의 제1의 대표적인 실시예의 단면도이다.

도 3은 도 2에 나타낸 주사 프로브 현미경의 하나의 실시예에 있어서 정전 구동 방식의 Z 액추에이터 및 프로브 팁의 위치를 지정하는데 사용되는 압전 구동 방식의 X-Y 미세 조정 스테이지의 대표적인 실시예의 평면도이다.

도 4는 도 2의 정전 구동 방식의 Z 액추에이터의 상세한 평면도이다.

도 5 및 도 6은 도 4의 단면선 5-5 및 6-6을 따라 각각 취한 단면도들이다.

도 7은 도 4에 나타낸 액추에이터의 스테이터 어셈블리의 평면도이다.

도 8은 도 4에 나타낸 액추에이터의 트랜스레이터 어셈블리의 스테이터 대향면을 나타내는 평면도이다.

도 9 내지 도 11은, 구동 전극의 작동을 나타내는, 도 4에 나타낸 액추에이터의 측면도들이다.

도 12는 본 발명에 따른 주사 프로브 현미경의 하나의 실시예의 스캐너 부분에 사용할 수 있는 정전 구동 방식의 X-Y 미세 조정 액추에이터의 대표적인 실시예의 평면도이다.

도 13은 본 발명에 따른 주사 프로브 현미경의 스캐너 부분의 제2의 대표적인 실시예의 사시도이다.

도 14 및 도 15는 진동 소거 액추에이터들의 대표적인 실시예들을 나타내는 평면도들이다.

도 16은, 트랜스레이터 면과 스테이터 면 사이에 유전성유체가 배치된, 도 4에 나타낸 액추에이터의 단면도이다.

도 17은 소수성 도료로 트랜스레이터 및 스테이터의 면들을 코팅한, 도 4에 나타낸 액추에이터의 단면도이다.

도 18은 본 발명에 따른 샘플면 주사 방법의 대표적인 실시예의 흐름도이다.

본 발명의 실시예에서는, 주사 프로브 현미경은 주사 프로브 팁(scanning probe tip)에 동작 가능하게 연결된 정전 면 구동 액추에이터(electrostatic surface drive actuator)를 사용한다. 주사 프로브 팁은 원자력 현미경 팁(atomic force microscope tip; AFM tip), 자기력 현미경 팁(magnetic force microscope tip; MFM tip), 주사 터널링 현미경 팁(scanning tunneling microscope tip; STM tip), 전계 방사형 주사 현미경 팁(scanning field emission microscope tip; SFM tip), 전기력 현미경 팁(electric force microscope tip; EFM tip), 주사 열 현미경 팁(scanning thermal microscope tip), 주사 근접광 현미경 팁(scanning nearfield optical microscope tip; SNOM tip), 혹은 기타 주사 프로브 팁일 수 있 다. 정전 면 액추에이터는 프로브 팁이 부착될 수 있는 큰 영역을 제공한다. 정전 면 액추에이터는 샘플면을 가로지르는 넓은 가동 범위(100㎛)에 걸쳐서 주사 프로브 팁의 위치를 지정하고 주사 프로브 팁을 구동할 수 있다. 게다가, 정전 면 액추에이터는 높은 공진 주파수를 가지기 때문에, 프로브 팁은 매우 정밀하고 정확하게 높은 주사 속도로 이동시킬 수 있다.

도 1은 대표적인 주사 프로브 현미경(1)과 그 기준 축들의 측면도이다. X방향, Y방향, Z방향은 서로 직교하는 세 방향으로 연장되어 있다. 도 1에서, 현미경(1)은 베이스(base)(2), 두 개의 기둥(pole)(3), 피측정 샘플이 장착되는 척 어셈블리(chuck assembly)(4), 주사 프로브(6)가 장착될 스캐너(5)를 포함한다.

도 2는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일례에 따른 주사 프로브 현미경(1)(도 1)의 스캐너(5)의 평면도이다. 도 2에서, 스캐너(5)는 미세 Z 액추에이터(fine scale Z actuator)(10)에 부착된 주사 프로브(6)를 포함한다. Z 액추에이터(10)는 Z 스테이터 어셈블리(stator assembly)(37)와 Z 트랜스레이터 어셈블리(translator assembly)(39)로 구성된다. Z 거치 구조(holding structure)(17)에 Z 스테이터 어셈블리(37)가 부착되고 트랜스레이터 어셈블리(39)는 Z 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 되도록, Z 액추에이터(10)가 Z 거치 구조(17)에 장착된다. Z 액추에이터(10)는, 전기 패드에 전기적으로 접촉된 전기 프로브 팁이나 그 등가물(도시 안 함)을 추가로 포함한 상태에서 거치 구조(17)에 장착되어, 거치 구조(17)와 Z 액추에이터(10) 간의 전기 신호 전송을 가능하게 할 수 있다.

도 3은 거치 구조(17)가 장착된 현미경(1)(도 1)의 X-Y 미세 조정 스테이지 (121)의 실시예를 나타내는 평면도이다. X-Y 미세 조정 스테이지(121)는 X-Y 스테이터(120), Y 트랜스레이터(19) 및 X 트랜스레이터(18)를 포함한다. 거치 구조(17)는 X 트랜스레이터(18)에 고정된다. X 트랜스레이터(18)는 Y 트랜스레이터(19)에 유연하게 부착되고, Y 트랜스레이터(19)는 X-Y 스테이터(120)에 유연하게 부착된다. 도 2나 도 3에는 도시하지 않았지만, X-Y 스테이터(120)부터의 전기 신호를 거치 구조(17)에 연결하는 전기 경로들에 구비되어 있다.

본 발명의 실시예에서는, 샘플(28)의 면(27)에 평행하지 않게 배치된 프로브(6)의 외팔보(8)(도 5 참조)를 구비한 프로브(6)가 Z 액추에이터(10)에 고정된다. 도 5는, 프로브(6)와 Z 액추에이터(10)의 상대적인 배치(relative orientation)를 보다 자세히 나타낸 것으로서, 프로브(6)의 구성요소들을 부가적으로 나타낸 것이다. 외팔보(8)와 샘플 면(27)의 각도(A)는, 예를 들어, 약 10도이며, 주사 프로브 현미경이 작동 중일 때 Z 액추에이터(10)나 프로브(6)의 일부(프로브 팁(7) 제외)가 샘플면(27)에 접촉되지 않도록 여유(clearance)를 제공한다.

도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 주사 프로브 현미경의 하나의 실시예에서는, 스캐너(5)가 외팔보(8)의 휜 정도(deflection)를 측정하는 측정 시스템을 포함한다. 그 측정 시스템은 Y 트랜스레이터(19)에 고정된 제1의 접이식 반사경(21)과 X 트랜스레이터(18)에 고정된 제2의 접이식 반사경(22)을 포함한다. 측정 시스템은 또한 레이저 다이오드 및 콜리메이터(collimator)(23) 및 사분광검출기(quadrant photo detector)(26)도 포함한다(도 3 참조).

레이저 다이오드 및 콜리메이터(23)는 입사 광선(24)으로서 제1의 접이식 반 사경(21)에서 반사되는 광선을 형성한다. 그 광로는 다음과 같다. 입사 광선(24)은 제2의 접이식 반사경(22)에서 반사된 후, 주사 프로브(6)의 외팔보(8)(도 5 참조)의 반사면에서 반사된다. 외팔보(8)에서 반사된 광은 반사 광선(25)로서 제2의 접이식 반사경(22)에서 반사된다. 반사 광선(25)은 제1의 접이식 반사경(21)에서 반사되어 사분광검출기(26)로 들어간다. 사분광검출기(26)는 4개의 검출기 각각에 들어가는 광에 비례하는 출력들을 생성한다. 그 검출기 출력들을 비교해서 외팔보(8)의 휜 정도를 정량화한다.

프로브의 휜 정도를 측정하기 위한 다른 시스템들도 알려져 있는데, 이러한 시스템들을 상기 측정 시스템 대신에 사용할 수 있다. 구체적으로는, 피에조레지스터(piezoresistor)를 외팔보(8)의 베이스에 조립할 수 있다. 이 경우, 외팔보의 휜 정도에 따라 피에조레지스터의 저항이 변화하게 된다. 혹은, 광학 간섭계를 사용하여 기준면에 대한 외팔보(8)의 위치를 검출할 수도 있다. 외팔보(8)와 고정면 간의 캐패시턴스를 측정하여 외팔보(8)의 휜 정도를 감시하는 것도 가능하다.

상술한 바와 같이, 도 2의 스캐너(5)는 X-Y 미세 조정 스테이지(121)를 포함한다. 도 3에는, X, Y 양방향을 따라서 병진할 수 있는 압전 구동 방식의 2차원 스테이지로서의 X-Y 미세 조정 스테이지(121)의 평면도가 도시되어 있다. 또한, 접이식 반사경(21 및 22), 레이저 다이오드 및 콜리메이터(23) 및 사분광검출기(26)도 도시되어 있다.

도 1을 잠시 참조하면, 주파 프로브 현미경(1)의 일례에서는, X-Y 미세 조정 스테이지(121)의 X-Y 스테이터(120)가 주사 프로브 현미경의 한 쪽 기둥(3)에 고정 되는 한편, 샘플(28)이, 샘플면(28)을 주사 프로브(6)와 마주보도록 한 상태에서, 주사 프로브 현미경의 다른 쪽 기둥(3)에 고정된다. 지금부터 도 3을 참조하면, Y 트랜스레이터(19)는, Y 트랜스레이터(19)의 4개의 모서리를 3개에 하나씩 위치한 현수(懸垂) 만곡부(suspension flexure)(40)에 의해서 X-Y 스테이터(120)에 유연하게 연결된다. 상기 현수 만곡부는, 미국 특허 제 6,215,222호의 호엔(Hoen)의 "정전 면 액추에이터를 사용하는 광학 교차접속 스위치{Optical Cross-Connect Switch Using Electrostatic Surface Actuators}"에 기술되어 있는 현수 만곡부와 유사하다.

피벗 만곡부(pivot flexure)(306)는 Y 트랜스레이터(19)를 Y 피벗 암(Y pivot arm)(124)의 제1 단에 연결한다. 다른 피벗 만곡부(304)는 Y 피벗 암(124)의 길이방향의 도중에 위치하고 Y 피벗 암을 X-Y 스테이터(120)에 연결한다. Y 압전 액추에이터(122)의 일단은 X-Y 스테이터(120)에 유연하게 부착된다. 피벗 만곡부(302)는 Y 피벗 암(124)의 제2 단을 Y 압전 액추에이터(122)의 타단에 연결한다. 피벗 만곡부(302, 304 및 306)는, XY 평면에 수직인 축들에 대하여 그다지 크지 않은 회전 운동을 하도록 되어 있지만, Y 방향으로는 잘 움직이지 않기 때문에, Y 압전 액추에이터(122)에 의해서 Y 피벗 암(124)에 가해진 힘을 수용한다. 따라서, Y 피벗 암(124)의 제1 단이 Y 트랜스레이터(19)를 Y 방향으로 이동시킨다.

Y 트랜스레이터(19)는 X 트랜스레이터(18)용 스테이터의 역할을 한다. X 트랜스레이터(18)는, X 트랜스레이터(18)의 4개의 모서리를 3개에 하나씩 위치한 현수 만곡부(41)에 의해서 Y 트랜스레이터(19)에 유연하게 결합된다. X 트랜스레이 터(18)를 Y 트랜스레이터(19)에 연결하는 현수 만곡부(41)는 Y 트랜스레이터(19)를 X-Y 스테이터(120)에 연결하는 현수 만곡부(40)와 유사한 구조로 되어 있다.

X 트랜스레이터(18)는 피벗 암 및 피벗 암과 유사한 피벗 만곡부들에 의해서 X 압전 액추에이터(132)에 연결되고, 피벗 만곡부들은 Y 트랜스레이터(19)를 Y 압전 액추에이터(122)에 연결하는데 이용된다. 보다 구체적으로는, 피벗 만곡부(307)는 X 피벗 암(134)의 제1 단을 X 트랜스레이터(18)에 연결하고, 다른 피벗 만곡부(308)는 X 피벗 암(134)의 길이 방향의 도중에 위치하여 X 피벗 암(134)을 Y 트랜스레이터(19)에 연결한다. X 압전 액추에이터(132)의 일단은 Y 트랜스레이터(19)에 유연하게 부착된다. 피벗 만곡부(308)는 피벗 암(134)의 제2 단을 X 압전 액추에이터(132)의 타단에 연결한다. 피벗 만곡부(307, 308 및 309)는, XY 평면에 수직인 축들에 대하여 그다지 크지 않은 회전 운동을 하도록 되어 있지만, X 방향으로는 잘 움직이지 않기 때문에, X 압전 액추에이터(132)에 의해서 X 피벗 암(134)에 가해진 힘을 수용한다. 따라서, X 피벗 암(134)의 제1 단이 X 트랜스레이터(18)를 X 방향으로 이동시킨다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, Y 트랜스레이터(19)는, X-Y 스테이터(120) 상에, 피벗 만곡부(306)의 왼쪽에는 두 개의 현수 만곡부(40)를 두고 피벗 만곡부의 오른쪽에는 하나의 현수 만곡부(40)만을 둔 상태에서 장착된다. Y 트랜스레이터(19)를 따른 X 방향에서의 피벗 만곡부(306)의 위치는, 모든 현수 만곡부들(40)의 균형에 의해서 스프링력(spring force)이 가해지도록, 다음에 설명하는 바와 같이 설정된다.

피벗 만곡부(306)는, X 방향에서 Y 트랜스레이터의 길이 방향 도중에 있는 한 점에서 Y 트랜스레이터(19)에 Y 방향으로의 원동력을 가한다. 피벗 만곡부(306)가 Y 트랜스레이터(19)에 연결되는 점은, 피벗 만곡부(306)에 의해서 가해지는 원동력과 현수 만곡부(40)에 의해서 생성된 스프링력이 Y 트랜스레이터(19) 상에 집합적으로 노 네트 회전 모멘트(no net rotational moment)를 가할 수 있도록 위치된다.

Y 액추에이터(122)가 인가된 전압에 반응해서 길어지거나 짧아지면, 피벗 만곡부(306)는 Y 트랜스레이터(19)를 회전 없이 선형적으로 이동시킨다. 모든 현수 만곡부(40)가 동일한 스프링력을 부여하는 통상의 경우에는, Y 트랜스레이터(19)를 따른 피벗 만곡부(306)의 위치는, 피벗 만곡부(306)의 오른쪽에 있는 Y 액추에이터(19)의 단보다는 피벗 만곡부(306)의 왼쪽에 있는 Y 액추에이터(19)의 단에 더 가깝다. Y 액추에이터(19)에 따른 피벗 만곡부(306)의 위치는, 방금 전에 설명한 바와 같이, 원동력과 모든 현수 만곡부(40)에 의해서 생성되는 스프링력의 균형이 맞도록 설정된다.

X 트랜스레이터(18)의 길이에 따른 피벗 만곡부(307)의 위치는, Y 트랜스레이터(19)에 따른 피벗 만곡부(306)의 위치를 결정하기 위한 방금 전의 설명한 것과 유사한 방식으로 결정된다. 또한, X 및 Y 피벗 암 각각에 대하여, 각 피벗 암(134 및 124)의 길이를 따른 각 피벗 만곡부(304 및 308)의 위치는 필요한 동작 진폭 확대나 기계적 장점을 제공할 수 있도록 설정된다. 진폭 증대를 제공하는 배치에 대하여 설명한다.

도 2 및 도 3에 도시한 스캐너(5)의 X-Y 미세 조정 스테이지(121)의 구정요소들 중 대부분은 동일한 두께, 즉 Z 방향에 있어서의 동일한 수치를 갖는다. 따라서, 한 장의 재료로 X-Y 미세 조정 스테이지(121)의 대부분을 제조할 수 있다. 와이어 방전 기계가공이나 레이저 기계가공 등의 일반적인 기계가공 기술은 X-Y 스테이터(120), X 트랜스레이터(18), Y 트랜스레이터(19), 그와 관련된 만곡부들(40 및 41), 피벗 암, 및 피벗 만곡부들을 하나의 전체 유닛으로서 형성하는데 이용될 수 있다. 스캐너(5)의 스테이지(121)에 적당한 재료로서는, 알루미늄, 고강도 강철, 단결정 실리콘이 있으며, 영률(Young's modulus)과 밀도 간의 비가 큰 기타 재료도 사용될 수 있다.

작동 시, 도 2 및 도 3에 도시된, 스캐너(5)의 X-Y 미세 조정 스테이지(121)는 거치 구조(17) 및 액추에이터(10)를 샘플면(27)에 걸쳐서 주사한다. Z 방향 액추에이터(10)는, 프로브 팁(7)을 샘플면(27)과 접촉하는 위치, 샘플면(27) 위에 위치시킨 후, 샘플면(27) 위에서 Z 방향에서 진동하게 하거나 샘플면(27)과 접촉한 상태에서 진동하게 하는 작동을 하거나, 사용자에 의해서 그 밖에 어떠한 양상의 주사가 요구된 상황에 있게 된다.

프로브 팁(7)이 샘플면(27)과 접촉하는 경우에는, 외팔보(8)가 구부러지고, 그 외팔보의, 프로브 팁(7)의 반대 쪽 반사면은 새로운 방향으로 반사 광선(25)을 반사한다. 마찬가지로, 샘플면(27)이 불규칙한 경우에는, 프로브 팁이 그 불규칙함을 주사할 때 외팔보는 그 길이 축에 대하여 꼬이고 그 휨과 꼬임의 양에 따라 광선이 다른 방향으로 반사될 수도 있다. 휘기도 하고 꼬이기도 한 외팔보(8)의 굴곡은 사분광검출기(26) 상에서의 반사 광선(25)의 위치를 변경한다. 상기 두 방향에 있어서의 반사 광선의 위치 오프셋(offset)은 휨과 꼬임의 양에 비례한다.

상술한 바와 같이, 프로브 팁(7)이 샘플면(27)에 걸쳐서 주사된다. 그러나, 다른 한편으로는, 프로브 팁(7)과 샘플면(27) 간의 상대적 동작은, 주사 프로브(7)를 유연하게 장착하는 것과, 샘플(28)을 액추에이터(10) 상에 샘플면(27)이 프로브 팁(7)에 대하여 주사되도록 장착하는 것에 의해서 얻어질 수도 있다. 그러한 주사 샘플 현미경은 외팔보(8)의 휜 정도를 측정하기 위한 측정 시스템의 위치에 있어서의 대응하는 변화를 요구한다.

기타 현미경 배치(예를 들어, 빈닉(Binnig)의 미국 특허 제 4,724,318호, 알렉산더(Alexander ) 등의 미국 특허 제 6,005,251호, 클리블랜드(Cleveland) 등의 미국 특허 제 6,323,483호에 기술된 것들)에 대한 설명은 여기에 참조로 인용한다. 또한, 척 어셈블리(4)가 조악한 위치지정 샘플(28)용의 거친 조정이 가능한 X-Y-Z 스테이지를 포함할 수 있지만, 스캐너(5)는 X, Y, Z 방향에서 주사 프로브의 미세 위치지정을 실행한다. 또, 스캐너(5)는 거친 조정이 가능한 스캐너를 거칠게 위치지정하기 위한 거친 조정이 가능한 X-Y-Z 스테이지를 추가로 포함할 수 있지만, 척 어셈블리는 샘플(28) 고정하여 유지한다. 또, 스캐너(5)가 미세 조정 스테이지를 거칠게 위치지정하기 위한 거친 조정이 가능한 X-Y 스테이지를 추가로 포함할 수 있지만, 척 어셈블리(4)는 샘플을 고정하여 유지하고 거친 샘플(28)의 거친 위치지정을 위한 거친 조정이 가능한 Z 스테이지와 Z 방향에서 결합한다. 본 발명의 범 위 내에 있는, 거친 조정이 가능한 스테이지들과 미세 조정 스테이지들의 기타의 많은 조합들은 모두 현미경(1)에 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 샘플(28)은 X, Y, Z 방향으로 이동 가능한 스테이지(29) 상의 척에 장착되어 큰 운동을 제공하고 X-Y-Z 미세 조정 상태가 미세 주사를 제공하는 것을 허용한다. 여기서도, 프로브 팁(7)과 샘플(28) 간의 상대적 운동이 요구된다.

본 발명에 따르면, 정전 면 액추에이터는 상술한 Z 액추에이터(10)로서 사용된다. 정전 면 액추에이터 자체에 대해서는 다수의 특허에 기재되어 있다. 구체적으로는, 히구치(Higuchi) 등의 미국 특허 제 5,378,954호의 "정전 액추에이터{Electrostatic Actuator}", 호엔(Hoen) 등의 미국 특허 제 5,986,381호의 "교류 전압 패턴을 갖는 정전 액추에이터{Electrostatic Actuator with Alternating Voltage Patterns}", 호엔(Hoen)의 미국 특허 제 6,215,222호의 "정전 면 액추에이터를 이용한 광학 교차접속 스위치"에 기재되어 있으며, 이것들은 여기서 참조로 인용되고 있다.

도 4 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 있는 Z 액추에이터(10)로서 사용할 수 있는 정전 면 액추에이터를 자세히 나타낸다. 도 4는 X 방향을 따라 본 Z 액추에이터(10)의 측면도이며 단면선 5-5 및 6-6의 위치를 나타낸다. 도 5는 단면선 5-5를 따라 취한 단면을 나타내고, 도 6은 단면선 6-6을 따라 취한 단면을 나타낸다. 도 7 및 도 8은 정전 면 액추에이터의 스테이터와 트랜스레이터의 정면도를 각각 나타낸다.

도 4에서는, 트랜스레이터(34)가 스테이터(36)를 덮도록 도시되어 있다. 트 랜스레이터(34)는 4개의 만곡 구조(42)에 의해서 스테이터(36)에 유연하게 연결된다. 2개의 만곡 구조(42)는 트랜스레이터(34)의 각 옆에 위치한다. 도시된 대표적인 실시예에서는, 각 만곡 구조(42)가 4개의 개별적인 만곡부(15)를 포함한다. 8개의 트래스레이터 지지부(38)는 주변 프레임(perimeter frame)(12)으로부터 연장된다. 각 만곡 구조(42)의 4개의 만곡부(15)는 트랜스레이터(34)와 일체로 형성된다. 각 만곡 구조(42)의 2개의 중앙 만곡부(15)는 트랜스레이터(34)로부터 플로팅 빔(floating beam)(16)쪽으로 연장되어 있다. 각 만곡 구조(42)의 2개의 외측 만곡부(15) 각각은 플로팅 빔(16)으로부터, 8개의 트랜스레이터 지지부(38) 중, 그 만곡부가 부착된 지지부 쪽으로 연장되어 있다. 도 6은 도 4의 단면선 6-6을 따라 취한 단면도이다. 도 6은 스테이터(36), 트랜스레이터 지지부(12), 주변 프레임(13), 만곡부(15) 및 트랜스레이터(34) 부분을 나타낸다. 만곡 구조(42)의 만곡부는 X 방향의 치수보다 사실상 작은 Z 방향의 치수를 갖기 때문에, X 방향으로의 트랜스레이터의 이동을 억제하면서 트랜스레이터가 스테이터에 대하여 Z 방향으로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 만곡부가 Z 방향에 수직인 X 및 Y 방향으로의 소정의 이동을 허용할지라도, 그러한 수직 이동은 매우 미미하다. 소정 예에서는, 만곡부(15)가 2 ㎛의 Z 방향 치수와 100 ㎛의 X 방향 치수를 갖는다.

도 5는 액추에이터 상에 장착된 주사 프로브(6)를 구비한 정전 면 액추에이터(10)의 단면선 5-5를 따라 취한 단면도이다. 주사 프로브(6)는 프로브 팁(7), 외팔보(8) 및 핸들(handle)(9)을 포함한다. 핸들(9)은 잡힐 만큼 충분히 크기 때문에 핸들이라고 불리지만, 외팔보(8) 및 프로브 팁(7)은 쉽게 잡히지 않을 만큼의 크기이다. 외팔보(8)는 프로브 팁(7)의 반대쪽에 반사면(403)을 갖는다. 반사면(403)은 도 2 및 도 3을 참조해서 위에서 설명했던 측정 시스템의 일부를 형성한다. 주사 프로브(6)를 장착할 수 있는 다른 위치는 스테이터(36)로부터 먼 트랜스레이터(34)의 면 상의 장착 영역(30)이다. 다른 실시예에서는, 외팔보와 프로브가 핸들 없이 면 구동 액추에이터에 부착된다. 또 다른 실시예에서는, 프로브 팁(7)을 트랜스레이터(37)와 일체로 형성함으로써 프로브 팁(7)을 트랜스레이터(34)에 연결된 연결한다.

정전 면 액추에이터(10)는 스테이터 어셈블리(37) 및 트랜스레이터 어셈블리(39)를 포함한다. 도 7을 추가로 참조하면, 스테이터 어셈블리(37)는 스테이터(36), 스테이터(36)의 외주 상에 위치하는 트랜스레이터 지지부(12), 및 스테이터(36)의 면(404)의 보다 중앙부에 위치하는 스테이터 전극(56)을 포함한다. 스테이터 전극은, 전도성일 수 있는 스테이터(36) 상에 교호로 배치된 절연 스테이터나 절연체층(408) 상에 배치된다. 스테이터(36)를 향하는 트랜스레이터 어셈블리(39)의 면을 나타내는 도 8을 추가로 참조하면, 트랜스레이터 어셈블리(39)는, 트랜스레이터 지지부(12)에 고정 부착된 주변 프레임(13), 트랜스레이터(34), 주변 프레임(13)과 트랜스레이터(34) 사이에서 연장하는 현수 만곡 구조(42), 및 트랜스레이터 전극들(58)을 포함한다. 각 현수 만곡 구조(42)는 만곡부들(15)과 플로팅 빔(16)으로 구성된다. 트랜스레이터 전극들(58)은 스테이터 전극들(56)과 대향하는 트랜스레이터(34)의 면(402) 상에 배치된다. 트랜스레이터 전극들은, 전도성일 수 있는 트래스레이터 상에 교호로 배치된 절연 트랜스레이터나 절연층(406) 상에 배 치된다. 총괄하여, 트랜스레이터 및 스테이터 전극들은 구동 전극들을 구성한다.

다른 실시예에서는, 핸들 구조(도시 안 함)가, 트랜스레이터 어셈블리(39)의 스테이터 어셈블리(37)에의 부착을 용이하게 하기 위해서 주변 프레임(13)에 부착된다. 핸들 구조는 X 방향에서의 트랜스레이터 어셈블리(39)의 강성을 증가시켜 조립 시 보다 용이하게 유지되는 구조는 제공한다. 핸들 구조(도시 안 함)가 트랜스레이터(34)에 추가적으로 혹은 대안적으로 부착될 수 있다. 또, 핸들 구조는 도시한 바와 같이 생략될 수도 있다.

주변 프레임(13), 트랜스레이터(34), 만곡부(15) 및 플로팅 빔(16)은 통상적으로 종래의 마이크로 기계가공 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 하나의 집적 유닛으로서 형성된다. 마찬가지로, 스테이터 어셈블리(37)는 종래의 마이크로 기계가공 및 웨이퍼 접합 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 종래의 마이크로 기계가공 기술을 실리콘 웨이퍼에 적용하면, 하나 이상의 실리콘 웨이퍼에 적용된 종래의 집적회로 제조 기술을 사용하여 집적 전자 구성요소를 추가로 구비하여 Z 액추에이터(10)를 형성할 수 있다.

도 8을 참조하면, 트랜스레이터(34)는, 제1 전극들(58)이 배치될 제1 면이라 불리는 면(402)을 갖는다. 이 전극들은 X 방향으로 길고, Z 방향으로 배열되어 있다. 도 7을 참조하면, 스테이터(36)는 제2 전극들(56)이 배치될 제2 면이라 불리는 면(404)을 갖는다. 제2 전극들은 X 방향으로 길고 Z 방향으로 배열되어 있다. 트랜스레이터(34)는 서로 대향하고 있는 제1 면(402)과 제2 면(404)에 의해서 스테이터(36)에 탄성적으로 연결되기 때문에, 트랜스레이터(34)는 스테이터(36)에 대하 여 Z 방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 제1 전극들(58)과 제2 전극들(56)은 서로 대향하여 위치한다.

정전 면 액추에이터(10)가 작동하면, 트랜스레이터 및 스테이터의 전극들에 전압이 인가되어, 트랜스레이터와 스테이터 간에 정전기력이 발생한다. 트랜스레이터를 스테이터에 대하여 Z 방향으로 배치하기 위해서, 전압을 조정하여 Z 방향의 정전기력 성분을 생성한다. 트랜스레이터와 스테이터의 변위 동작에 대하여 이하에 보다 자세히 설명한다. 트랜스레이터의 Z 방향으로의 이동은 트랜스레이터(34)에 부착된 주사 프로브 팁을 샘플면(27)에 대하여 Z 방향으로 이동시킨다.

호엔(Hoen) 등의 미국 특허 제 5,986,381호 또는 호엔의 미국 특허 제 6,215,222호에 기술되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 스테이터 전극에서의 전압의 변화는 트랜스레이터의 위치를 Z 방향으로 이동시킨다. 트랜스레이터는 서브나노미터 크기의 스텝(step)로, 사실상, 100 피코미터 이하의 스텝으로 이동시킬 수 있다. 트랜스레이터는 정전계에 의해서 확립된 가파른 전위 우물(steep potential well) 내에 놓이기 때문에, 트랜스레이터 위치는 정확하고 반복가능하다.

도 7 및 도 8에는, 두 세트의 구동 전극, 트랜스레이터 전극들(58)과 스테이터 전극들(56)이 도시되어 있다. 구동 전극들(58)은 트랜스레이터(34)의 면(402) 상에 위치하고, 구동 전극들(56)은 스테이터(36)의 면(404) 상에 위치한다. 이들 구동 전극들에 인가된 전압은 트랜스레이터를 Z 방향으로 변위시킬 성분을 갖는 정전기력을 생성한다. 구동 전압에 인가되는 전압에 대해서는 아래에 설명한다. 각 구동 전극은 같은 세트 내에 있는 다른 구동 전극들과 평형한 얇고 긴 조각 모양의 전도체이다. 각 세트의 구동 전극들은 Z 방향으로 반복되는 하나의 열로 배열된다.

지금부터 도 5를 참조하면, 박막 절연체(406)는 트랜스레이터 전극(58)과 트랜스레이터(34) 사이에 위치한다. 유사하게, 다른 박막 절연체(408)는 스테이터 전극(56)과 스테이터(36) 사이에 위치한다. 이들 절연막들은, 전극들에 인가되는 전압들이 다를 수 있도록 전극들을 서로로부터 고립시킨다. 예를 들어, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드, 혹은 알루미늄 니트라이드 등의 절연재를 프라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터 증착, 혹은 저온 화학 기상 증착에 의해서 트랜스레이터 및 스테이터 상에 절연막(406) 및 절연막(408)으로서 구동 전극 형성 전에 각각 증착될 수 있다. 스테이터와 트랜스레이터는 통상 가볍게 도핑된 실리콘 웨이퍼로부터 형성된다. 상기 웨이퍼는 p 혹은 n 도핑된 것일 수 있다.

트랜스레이터(34)를 Z 방향으로 변위시키는 정전기력은 트랜스레이터 전극들(58)에 인가된 전압들과 스테이터 전극들(56)에 인가된 전압들에 의해서 생성된다. 상기 전압들은 소정의 전압 패턴들로 인가된다. 예를 들어, 공간적으로 교호하는 전압 패턴이 트랜스레이터 전극들(58)에 인가된다. 보다 구체적인 예에서는, 0이 아닌 동일 전압이 짝수 번째 트랜지스레이터 전극들에 인가되고 0 V의 전압이 홀수 번째 트랜스레이터 전극들에 인가된다. 통상, 소정의 전압 패턴들이 스테이터 전극들(56)에 추가로 인가된다. 예를 들어, 공간적으로 교호하는 전압 패턴이 스테이터 전극들(56)에 인가된다. 보다 구체적인 예에서는, 스테이터 전극들(56)의 열에 인가되는 전압들은 어떤 0이 아닌 전압과 0 전압 사이에서 교호하지만, 선택 인 접 전극 쌍들에는 동일 전압(상기 0이 아닌 전압 혹은 0 전압)이 인가된다. 동일 전압이 인가되는 인접 전극 쌍들은 Z 방향에서 공간적으로 주기적 패턴으로 반복된다. 트랜스레이터는 동일 전압이 인가되는 인접 전극 쌍들 중 소정 한 쌍에 대한 전압을 스위칭하는 것에 의해서 이동된다. 이것은 동일 전압이 인가되는 전극 쌍들의 Z 방향 위치를 변경시킨다. 상술한 전압 패턴들을 트랜스레이터 전극들(58)과 스테이터 전극들(56)에 인가하면, 대향하는 면들(402 및 404) 상의 전극들 간에 정전기력이 발생한다. 통상 스테이터 전극들(56)에 인가되는 전압들을 변경하는 것만으로, 트랜스레이터(34)를 소정 방향으로 소정 변위량 만큼 변위시킬 수 있다.

반복 거리는 특정 전압으로 유지되는 트랜스레이터 전극의 중앙과 거의 동일 전압으로 유지되는 가장 가까운 트랜스레이터 전극의 중앙 사이의 거리에 의해서 규정된다. 모든 다른 트랜스레이터 전극들이 동일 전압으로 유지되는 실시예에서, 반복 거리는, 트랜스레이터 전극들의 중앙간 거리가 일정하다고 가정할 때, 그 중앙간 거리의 두 배다. 생성된 정전기력이 트랜스레이터(34)를 변위시키는데 최적이기 위해서는, 트랜스레이터 전극의 반복 거리와 스테이터 전극과 트랜스레이터 전극 간의 간극 거리의 비를 소정 범위 내에로 유지하는 것이 바람직하다. 정전기력의 원치 않는 X 및 Y 방향의 성분들의 크기에 대하여 정전기력의 원하는 Z 방향 성분의 크기를 최대로 하기 위해서는, 반복 거리와, 스테이터 전극들(56)과 트랜스레이터 전극들(58) 간의 공간의 비를 사실상 16이하로 유지하는 것이 바람직하다.

구동 전극에 전압을 인가해서 정전기력을 생성 및 변경하는 다양한 방법들이 있다. 전압 패턴들을 인가하여 구동 전극들 간에 정전기력을 생성 및 변경하여 트 랜스레이터(34)를 변위시키는 대표적인 방법에 대하여 도 9 내지 도 11을 참조하여 지금부터 설명한다.

도 9는 트랜스레이터(34) 및 스테이터(36)의 측면도를 나타내다. 트랜스레이터는 다수의 트랜스레이터 전극들(60, 62, 64, 66, 68, 70 및 72)과 함께 나타내었는데, 상기 다수의 트랜스레이터 전극들은 교호로 전압원(74) 및 전압원(76)에 전기적으로 연결된다. 전압원(74)은 전극들(62, 66, 70)에 연결되며 일정한 소정 전압, 예를 들어, +5V의 DC를 공급한다. 그러나, 그 전압원에 의해 인가된 전압은 필요한 정전기력을 확립하는데 요구되는 최소치만큼 작을 수도 있고 트랜스레이터에서의 전기적 아크 방전 없이 허용될 수 있을 만큼 클 수도 있다. 예를 들어, 소정 전압은 3V 내지 100V일 수 있다. 전압원(76)은 전극들(60, 64, 68 및 72)에 연결되며 일정 전압, 예를 들어, 0V를 공급하지만, 예를 들어, 10V 내지 100V를 공급할 수도 있다. 0V가 전극들(60, 64, 68 및 72)에 인가되는 실시예에서는, 전압원(76)은 전극들(60, 64, 68 및 72)은 없어도 되고, 전극들(60, 64, 68 및 72)은 그 대신에 전압원(74)의 기준 단자(도시 안 함)에 연결될 수도 있다.

스테이터(36)는 제어기(112)에 연결된 다수의 스테이터 전극들(78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108 및 110)과 함께 도시되어 있다. 제어기(112)는 스테이터 전극들(78 내지 100) 각각에 0V 또는 소정 전압, 예를 들어, +5V의 DC를 선택적으로 공급한다.

트랜스레이터 전극들(60 내지 72)은, 사실상 6개의 트랜스레이터 전극들이 Z 방향에서 소정 길이 L로 배열되도록 간격이 띄워져 있고, 스테이터 전극들은, 사실 상 7개의 스테이터 전극들이 Z 방향에서 수정 길이 L로 배열되도록 간격이 띄워져 있다. 이 예에서는, 스테이터가 트랜스레이터가 변위될 때 정지 상태를 유지한다. 도 9 내지 도 11의 각각은 스테이터 전극(94)의 한 쪽 가장자리를 기준점 Zref로 지정한다.

우선, 일례에서는, 제어기(112)가 도 9에 나타낸 바와 같이 5V를 스테이터 전극들(76, 80, 84, 86, 90, 94, 98, 100 및 104)에 인가한다. 5V를 공급받은 전극들은 식별을 용이하게 하기 위해서 빗금을 그어 나타낸다. 상술한 바와 같이, 인접 스테이터 전극들(88 및 90) 및 인접 스테이터 전극들(102 및 104)에는 5V가 인가된다.

트랜스레이터(34)를 +Z 방향으로 변위시키기 위해서, 제어기(112)는 도 10에 나타낸 바와 같이 스테이터 전극들(90 및 104)에 대한 전압을 5V에서 0V로 스위칭한다. 이러한 변화는 트랜스레이터(34)에 트랜스레이터(34)를 +Z 방향으로 변위시키는 정전기력을 가한다. 변경된 전압 패턴에서는, 0V가 인접 스테이터 전극들(90 및 92)과 인접 스테이터 전극들(104 및 106)에 인가된다.

트랜스레이터(34)를 +Z 방향으로 더욱 변위시키기 위해서, 제어기(112)는 스테이터 전극들(78, 92 및 106)에 대한 전압을 0V에서 5V로 스위칭한다. 전극들(92 및 106)은, 이전에 상태가 스위칭된 스테이터 전극들(90 및 104)에 바로 인접한다. 그 결과 전압 패턴은 도 11에 나와 있다. 이전의 변화와 유사하게, 이 스테이터 전극들(78 내지 110)의 전압 패턴에 있어서의 상기 변화는 트랜스레이터를 +Z 방향으로 변위시킨다. 이 변화된 전압 패턴에서는, 5V가 인접 스테이터 전극들(78 및 80), 인접 스테이터 전극들(92 및 94), 및 인접 스테이터 전극들(106 및 108)에 인가된다.

이러한 방식으로 7개의 모든 스테이터 전극의 상태를 계속 스위칭하면, 트랜스레이터(34)가 +Z 방향으로 더욱 이동한다. 그러나, 트랜스레이터를 스테이터(36)에 연결하는 현수 만곡부(42)가 원 위치로부터의 트랜스레이터의 총 변위량에 물리적 제한을 가한다.

도 9를 참조하면, 트랜스레이터를 상술한 방법에 의해 제공된 것보다 작은 증가량만큼 트랜스레이터를 이동시킬 수 있다. 전극들(90 및 104)에 대한 전압을 5V에서 0V로 변경하는 대신에, 이들 전극들에 대한 전압을 0V와 5V 사이의 중간 전압으로 변경할 수 있다. 이것은 트랜스레이터를 도 9와 도 10 간의 스텝보다 작은 스텝만큼 이동시킨다. 사실, 많은 작동 범위에서는, 트랜스레이터의 위치는 전극들(90 및 104)에 인가되는 전압과 선형 관계에 있다.

트랜스레이터(34)에 정전기력을 가하기 위한 구동 전극들 및 인가 전압의 다른 구성도 가능하다. 상술한 전압을 인가하는 방법은, Z 방향에서 소정 거리 내에 6개의 전극이 반복되는 트랜스레이터 전극들의 그룹들과 Z 방향에서 소정 거리 내에 7개의 전극이 반복되는 스테이터 전극들의 그룹들을 갖는다. 그러나, 상술한 전압들을 인가하는 방법은 제1 전극 세트 내의 전극 그룹들이 동일 거리 내에 있는 2n개의 전극들로 구성되고 제1 전극 세트 내의 전극 그룹들이 동일 거리 내에 있는 2n+1개의 전극들로 구성되는 다른 방법으로 직접 확장될 수 있다. 이 예에서는, 공간적으로 교호하는 전압 패턴이 제1 전극 세트, 예를 들어, 트랜스레이터 전극들 에 인가도고, 공간적으로 교호하는 전압 패턴이 제2 전극 세트, 예를 들어, 스테이터 전극들에 인가된다. 제2 세트 내의 전극들은 홀수 번째 전극들의 그룹들로 나누어지고, 각 그룹 내의 2개의 전극은 인접 그룹 내에 있는 인접 전극들과 동일한 전압을 가지므로, 동일 전압이 인가되는 각 인접 전극 쌍 내의 전극 들 중 소정 하나에 대한 전압을 스위칭하면 트랜스레이터가 이동한다.

다른 정전 면 드라이브도 본 발명에 적용할 수 있다. 일례가 히구치(Higuchi) 등의 미국 특허 제 5,448,124호에 기재되어 있다. 이 예에서는, 제1 구동 전극 세트와 제2 구동 전극 세트의 피치들이 유사하고 삼상 순간 교호 전압들(three-phase temporally alternating voltages)이 제1 및 제2 구동 전극 세트 모두에 인가된다. 제1 및 제2 전극 세트에 인가되는 삼상 신호들(three-phase signals) 간의 위상차를 바꿈으로써 트랜스레이터의 위치를 제어한다.

도 12는 X 및 Y 방향 모두로 이동할 수 있는 X-Y 미세 조정 스테이지의 정전기 구동 방식의 실시예(200)의 평면도이다. X-Y 미세 조정 스테이지(200)는 도 3을 참조하여 앞에서 설명한 압전 구동 방식의 X-Y 미세 조정 스테이지(121) 대신에 사용될 수 있다. X-Y 미세 조정 스테이지(200)는, 두 개의 직교하는 방향에서 독립적으로 스테이지를 이동시키기 위해 두 가지, 직교 정전 드라이브를 이용한다는 점을 제외하고는, Z 액추에이터(10)(도 4 내지 도 10 참조)를 참조하여 앞에서 설명한 바와 유사한 방식으로 정전기적으로 구동된다. X-Y 미세 조정 스테이지(200)는 X-Y 스테이터(236), Y 트랜스레이터(219) 및 X 트랜스레이터(218)로 구성된다.

도 12에서, Y 트랜스레이터(219)는, 도 4 내지 도 6을 참조로 앞에서 설명한 현수 만곡부(42)와 거의 유사한 4개의 현수 만곡부(40)에 의해서 주변 프레임(213)에 유연하게 연결된다. 주변 프레임(213)은, 도 4 및 도 6을 참조하여 앞에서 설명한 바와 같이 트랜스레이터 지지부(12)를 사용하여 주변 프레임(13)이 스테이터(36)에 장착되는 것과 유사한 배치로, 중간 트랜스레이터 지지부를 사용하여 X-Y 스테이터(236) 상에 장착된다.

도 12에 나타낸 실시예에서는, Y 트랜스레이터(219)가, 도 4 내지 도 11을 참조로 앞에서 설명한 정전 면 드라이브와 유사한 선형 정전 면 드라이브에 의해서 Y 방향으로 정전기적으로 구동된다. 또한, Y 트랜스레이터(219)는, 도 4, 도 6 및 도 8을 참조로 앞에서 설명한 현수 만곡부(42)와 거의 유사한 4개의 현수 만곡부(41)에 의해서 X 트랜스레이터(218)가 유연하게 연결되는 스테이터 프레임의 역할을 한다. 도 12에 나타낸 실시예에서는, X 트랜스레이터(218)가, 도 4 내지 도 11을 참조로 앞에서 설명한 정전 면 드라이브와 유사한 선형 정전 면 드라이브에 의해서 X 방향으로 정전기적으로 구동된다. 양쪽 정전 면 드라이브를 위한 스테이터 전극들은 스테이터(236)의 면(404) 상에 위치한다. X 트랜스레이터(218)의 트랜스레이터 전극들에 대향하여 배치된 스테이터 전극들은 Y 트랜스레이터(219)의 트랜스레이터 전극들에 대향하여 배치된 스테이터 전극들에 직교한다. 게다가, X 트랜스레이터(218)의 트랜스레이터 전극들에 대향하여 배치된 스테이터 전극들이 X 트랜스레이터(218)의 트랜스레이터 전극들보다 길어서, X 트랜스레이터의 Y 방향 위치와 관계없이 전극들이 중첩한다.

도 12에 나타낸 정전 구동 방식의 X 트랜스레이터(218) 및 Y 트랜스레이터 (219)는, 소정 레벨의 성능을 위한, 도 3에 나타낸 대응하는 압전 구동 방식의 X 트랜스레이터(18) 및 Y 트랜스레이터(19)보다 중량(mass)이 작다. 정전 구동 방식의 트랜스레이터들은 중량이 작기 때문에, 보다 빠른 슬루 레이트(slew rate)를 가지며 앞서 설명한 압전 구동 방식 트랜스레이터보다 빨리 주사할 수 있다. 게다가, 정전 면 모터는, 압전 액추에이터의 위치가 인가 전압의 이력에 의거하도록 하는 압전 액추에이터의 좋지 않은 문제점이나 기억을 갖지 않는다. 이 실시예에서는, 도 4 내지 도 11을 참조로 앞에서 설명한 Z 액추에이터(10)가 장착 영역930) 내의 X-Y 미세 조정 스테이지(200)의 X 트랜스레이터(218) 상에 장착된다. Z 액추에이터(10)는 주사 프로브(6)를 Z 방향으로 이동시키기 위하여 상술한 바와 같이 작동할 수 있다.

도 13에 나타낸 다른 실시예에서는, 스캐너(5)(도 1)가, (도 12에 자세히 나타내고 도 13에는 개략적으로 나타낸) X-Y 미세 조정 스테이지(200)가 장착되는 압전 Z 액추에이터(210)로 구성된다. 주사 프로브(6)는 장착 영역(30) 내의 X-Y 미세 조정 스테이지(200)의 X 트랜스레이터(218) 상에 장착된다. 압전 Z 액추에이터(210)는 인가 전압에 반응해서 Z 방향으로 줄어들거나 늘어난다. X-Y 미세 조정 스테이지(200)는 X 트랜스레이터(218)를 이동시키고, 이에 따라서, 주사 프로브(6)는 주사 프로브의 일부를 구성하는 선형 정전 면 드라이브에 인가되는 전압들에 반응하여 X 및 Y 방향으로 이동한다. 정전 구동 방식의 X-Y 미세 조정 스테이지(200)의 가벼운 중량 및 기타 이로운 특성들 때문에, 스캐너(5)는, 압전 구동 방식의 X-Y 미세 조정 스테이지를 이용하는 스캐너보다 나은 주사 속도 성능을 갖는다.

또 다른 실시예에서는, 통상 샘플면을 따른 주사 프로브(6)의 빠른 가속 및 감속에 의해 야기되는 진동은 도 14에 나타낸 구조에 의해 카운트 밸런스(counter-balance)된다. 이 실시예에서는, 도 1의 현미경 내의 Z 액추에이터(10)는 두 개의 동일 선형 액추에이터(140 및 150)로 구성된다. 주사 프로브(6)는 장착 영역(30) 내의 선형 액추에이터(140)의 트랜스레이터 상에 장착되고, 주사 프로브(6)와 질량이 같고 주사 프로브(6)와 동일 질량 중앙을 갖는 카운터 매스(counter mass)가 장착 영역(130) 내의 선형 액추에이터(150)의 트랜스레이터 상에 장착된다. 또는 주사 프로브(6)는 장착 영역(130) 내에 장착되고, 카운터 매스가 장착 영역(30) 내에 장착된다. 치수나 피치가 유사한 전극들이 액추에이터들(140 및 150)의 스테이터 및 트랜스레이터의 마주보는 면들 상에 배치되고, 유사한 공간적으로 교호하는 전압 패턴들이 두 액추에이터들의 트랜스레이터 전극들에 인가되고, 유사한 공간적으로 사실상 교호하는 전압 패턴들이 두 액추에이터의 스테이터 전극들에 인가된다. 그 액추에이터들의 스테이터 전극들에 인가된 공간적으로 사실상 교호하는 전압 패턴들은 유사하지만 반대 방향들로 변화하여, 액추에이터(140)를 +Z 방향으로, 액추에이터(150)를 -Z 방향으로, 동일 거리 만큼 이동시킨다. 그 역의 경우도 마찬가지다. 이 경우, 액추에이터(150)는 주사 프로브를 구동하지 않지만, 액추에이터(150)와 액추에이터(150) 상에 장착된 카운터 매스는, 액추에이터(140)가 주사 프로브를 이동시킨 것에 의해서 야기된 역반작용력을 감소시킬 것이다. 정확한 중량 및 중량 중앙은 액추에이터(140)와 주사 프로브(6) 간을 정합하는 한편 액추에이터(150)와 액추에이터(150) 상의 카운터 매스는 액추에이터(140)와 주사 프로브(6)의 운동에 의해서 생긴 진동의 소거를 최적화한다.

도 15에 도시된 또 다른 실시예에서는, 액추에이터들(140 및 150) 중 하나만이 정전 면 액추에이터를 가지고 방향 반전 구조들에 의해서 다른 액추에이터들에 링크된다. 각 방향 반전 구조는 피벗 암(142)과 피벗 만곡부들(144, 146 및 148)을 포함한다. 피벗 만곡부(144)는 피벗 암(142)의 제1 단에 트랜스레이터(140)를 연결한다. 피벗 만곡부(146)는 피벗 암(142)의 중간점을 X-Y 스테이터(120)에 연결한다. 피벗 만곡부(148)는 피벗 암(142)의 제2 단을 트랜스레이터(150)에 연결한다. 지금 막 설명한 방향 반전 구조를 이용하면, 트랜스레이터(140)가 +Z 방향으로 이동할 때, 방향 반전 구조는 트랜스레이터(150)를 -Z 방향으로 동일 거리만큼 이동시킨다. 역의 경우에도 마찬가지다.

피벗 만곡부들은 ZY 평면에 수직인 축들에 대하여 그다지 크지 않은 회전 운동을 하도록 되어 있지만, Z 방향으로는 잘 움직이지 않는다. 그러므로, 트랜스레이터(140)는 피벗 암(142)의 제1 단을 이동시키고 피벗 암(142)의 제2 단은 트랜스레이터(150)를 이동시킨다. 방향 반전 구조 때문에, 도 15의 실시예는 트랜스레이터들(140 및 150) 중 하나 하에서의 구동 전극을 갖는 액추에이터들의 운동으로부터 야기되는 진동을 소거할 수 있다.

도 14 및 도 15에 나타낸 실시예들에서는, 액추에이터들(140 및 150)이 앞서 설명한 바와 같이 기계가공에 의해서 제작된다. 따라서 액추에이터들의 중량을 상당히 감소시킬 수 있다. 결론적으로, 도 14 및 도 15의 실시예들은 높은 슬로 레이트를 얻을 수 있다. 게다가, 도 14나 도 15에 나타낸 바와 같이, 주사 프로브가 장착되는 Z 액추에이터의 운동에 의하여 야기된 진동을 소거하기 위한 주사 프로브(6)의 중량의 카운트 밸런스는 도 12에 나타낸 실시예의 정전 면 액추에이터에 적용될 수도 있다.

몇몇 예에서는, 습윤 환경, 즉 수증기가 존재하는 환경이나, 수성 환경, 즉 물속에서 Z 액추에이터(10)를 작동시키는 것일 바람직하다. 물은 극성 분자기 때문에, 스테이터 전극들(56)과 트랜스레이터 전극들(58) 사이에 생성된 정전 전위를 차폐하는 경향이 있다. 이 차폐 효과는 Z 액추에이터(10)에서와 같이 정전 면 액추에이터에서 생성된 정전기력을 감소시킨다. 도 16은 트랜스레이터(34)와 스테이터(36) 간에 유전성 유체층(310)을 배치함으로써 상기 문제를 피하는 Z 액추에이터(10)의 실시예(300)를 나타낸다. 적합한 유전성 유체로서는 3M사의 "FLUORINERT

"가 시판되고 있다. 변압기 오일들도 적합한데, 그러한 오일로서는, "Shell Oil"사의 "DIALA

Oil M"이 시판되고 있다. 그러한 오일의 점도도 진동 제동자로서 역할을 한다.

도 17은 전극들을 액체수 환경으로부터 보호하는 다른 실시예(350)를 나타낸다. 이 실시예에서는, 소수성 유전막(355)이 스테이터 전극들(56)과 트랜스레이터 전극들(58)을 둘러싸는 Z 액추에이터(10) 부분에 적용된다. 소수성 유전막들(355)은 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 폭의 간극들에 의해서 분리된다. 이 간극들은 너무 좁아서 그 간극을 통해 액체수가 전극들에 도달할 수 없다. Z 액추에이터(10)의 만족스런 작동이 얻어진다. 게다가, 도 16 및 도 17에 나타낸 방수는 도 12, 도 14 및 도 15에 나타낸 정전 명 액추에이터들에도 적용할 수 있다.

프로브 팁으로 샘플면을 주사하는 본 발명에 따른 방법의 실시예(160)에 대하여 도 18을 참조하여 지금부터 설명한다. 우선, 162에서, 프로브 팁과 정전 면 액추에이터가 구비된다. 정전 면 액추에이터는 스테이터와 트랜스레이터를 포함한다. 164에서, 프로브 팁은 트랜스레이터에 연결된다. 166에서, 트랜스레이터는 제1 방향으로 스테이터에 대하여 정전기적으로 변위된다. 168에서, 프로브 팁의 특성이 샘플면에 걸친 프로브 팁의 주사에 반응해서 감지된다.

상술한 방법의 실시예를 도 2에 나타낸 스캐너(5)를 이용해서 실행하면, 샘플면(27)에 걸친 프로브 팁의 주사에 반응한 외팔보(8)의 굴곡은 샘플면의 특성에 의거한다. 사용되는 주사 프로브 현미경의 방법에 의거한 프로브 팁의 추가적인 혹은 대안적인 반응들도 가능하다. 예를 들어, 프로브 팁이 주사 터널링 현미경 팁이면, 외팔보(8)에 전압이 인가될 때 흐르는 전류는 샘플면(27)의 특성에 의거한다. 또, 프로브 팁이 주서 열 현미경 팁이라면, 프로브 팁에 의한 열 손실 경험은 샘플면(27)의 특성에 의거할 것이다. 프로브 팁의 다른 반응들도 가능하다. 166에서, 샘플에 걸친 프로브의 주사에 반응해서 감지된 프로브의 특성은, 예를 들어, 굴고, 열 손실, 전류 등이다. 하나의 예에서는, 프로브 팁의 기계적 변위는 외팔보(8)가 구부러지게 하고 반사 광선의 위치를 바꾼다. 그 감지 방법은 도 1 및 도 2에 나타내었다. 프로브 팁의 휜 정도를 감지하는 다른 방법은 외팔보(8)에 조립된 피에조레지스터의 저항의 변화를 검출하는 것이다. 프로브 팁의 휜 정도를 감지하는 또 다른 방법은 기준면에 대한 외팔보의 휜 정도를 검출하는 레이저 간섭계를 사용하는 것이다. 상술한 바와 같이, 감지 방법은 프로브 팁에 흐르는 전류의 변화의 검출이나 프로브 팁을 통한 열 손실 차의 검출을 수반할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 대표적인 실시예들을 이용하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 정확한 실시예들로 한정되는 것이 아니라 청구 범위에 의해서 규정된다.

Claims (21)

1. 제1 전극들이 배열되어 있는 제1 면을 가지는 트랜스레이터 및 제2 전극들이 배열되어 있는 제2 면을 가지는 스테이터를 포함하는 정전 면 액추에이터와,

   상기 트랜스레이터에 연결된 주사 프로브 팁을 포함하되,

   상기 트랜스레이터는 상기 트랜스레이터가 상기 스테이터에 대하여 상기 제1 및 제2 면들에 평행한 제1 방향으로 변위할 수 있도록 상기 제1 및 제2 면들이 대향한 상태에서 상기 스테이터와 탄성적으로 결합하고,

   상기 제1 및 제2 전극들은, 인가되는 전압에 반응해서, 상기 트랜스레이터를 상기 스테이터에 대하여 상기 제1 방향으로 이동시킬 수 있는 정전기력을 생성하도록 배열된

   주사 프로브 현미경.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정전 면 액추에이터는,

   상기 스테이터와 상기 트랜스레이터 사이에 연장되어 있는 현수 만곡부들을 추가로 구비하고,

   상기 현수 만곡부들이 상기 제1 방향에 직교하는 방향들에서 보다 상기 제1 방향에서 더 큰 컴플라이언스(compliance)를 갖는

   주사 프로브 현미경.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 트랜스레이터는 제1 트랜스레이터를 구성하고,

   상기 정전 면 액추에이터는, 제3 전극들이 배열된 제3 면을 가는 제2 트랜스레이터를 추가로 구비하고,

   상기 제1 트랜스레이터는 제4 전극들이 배열된 제4 면을 가지고,

   상기 제2 트랜스레이터는, 상기 제2 트랜스레이터가 상기 제1 트랜스레이터에 대하여, 상기 제3 및 제4 면들과는 평행하고 상기 제1 방향에는 수진인 제2 방향으로 변위될 수 있도록, 상기 제3 및 제4 면들이 대향한 상태에서 상기 제1 트랜스레이터에 탄성적으로 연결되고,

   상기 제3 및 제4 전극들이, 인가 전압에 반응해서, 상기 제2 트랜스레이터를 제1 트랜스레이터에 대하여 상기 제2 방향으로 변위시키도록 배향되는 정전기력을 생성하도록 배열되는

   주사 프로브 현미경.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 정전 면 액추에이터가, 상기 스테이터와 상기 트랜스레이터 사이에서 연장되어 있는 제1 현수 만곡부들과, 상기 제1 트랜스레이터와 상기 제2 트랜스레이터 사이에서 연장되어 있는 제2 현수 만곡부들을 추가로 포함하고,

   상기 제1 현수 만곡부들이 상기 제1 방향에 직교하는 방향에서보다 상기 제1 방향에서 보다 큰 컴플라이언스를 가지고,

   상기 제2 현수 만곡부들이 상기 제2 방향에 직교하는 방향에서보다 상기 제2 방향에서 보다 큰 컴플라이언스를 갖는

   주사 프로브 현미경.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 주사 프로브 현미경이, 베이스와, 상기 정전 면 액추에이터와 상기 베이스 사이에 배치된 압전 액추에이터를 추가로 구비하고,

   상기 압전 액추에이터가, 상기 정전 면 액추에이터를 상기 베이스에 대하여 상기 제1 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향으로 이동시키도록 작동할 수 있는

   주사 프로브 현미경.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 주사 프로브 현미경이, 제2 방향 및 제3 방향 각각으로 이동가능한 장착 스테이지를 포함하는 2차원 액추에이터를 추가로 구비하고,

   상기 제2 및 제3 방향들은 서로 직교하며,

   상기 정전 면 액추에이터가 상기 제2 및 제3 방향들에 직교하는 상기 제1 방향을 갖는 상기 장착 스테이지 상에 장착되는

   주사 프로브 현미경.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 2차원 액추에이터가 2차원 압전 액추에이터와 2차원 정전 면 액추에이터 중 하나인

   주사 프로브 현미경.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 전극들이 반복 거리를 규정하고,

   상기 제1 전극들과 상기 제2 전극들 간의 거리는 간극 거리를 규정하고,

   상기 간극 거리로 상기 반복 거리를 나눈 값이 16 미만인

   주사 프로브 현미경.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 전극들이 상기 제1 면상에 서로 평행하게 배치된 얇고 긴 조각 모양의 전도체이고,

   상기 제2 전극들이 상기 제2 면상에 서로 평행하게 배치된 얇고 긴 조각 모양의 전도체이고,

   상기 제1 전극들이 상기 제2 전극들과 평행한

   주사 프로브 현미경.
10. 제 1 항에 있어서,

    반복해서 공간적으로 교호하는 전압 패턴을 확립하기 위해서 상기 제1 전극들에 소정 전압들을 인가하도록 상기 제1 전극들에 전기적으로 연결된 전압원과,

    반복하는 공간적으로 사실상 교호하는 전압 패턴을 확립하기 위해서 상기 제2 전극들에 다른 전압들을 인가하도록 제2 전극들에 전기적으로 연결된 전압 제어기를 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 배치된 유전성 유체를 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 적어도 한 면 상에 배치된 소수성 유전막을 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 트랜스레이터가 제1 트랜스레이터를 구성하고,

    상기 정전 면 액추에이터가, 제3 면을 갖는 제2 트랜스레이터를 추가로 포함하고,

    상기 제2 트랜스레이터가, 상기 트랜스레이터가 상기 스테이터에 대하여 상기 제1 방향으로 변위될 수 있도록, 상기 제3 및 제2 면들이 서로 대향한 상태에서 상기 스테이터에 탄성적으로 연결되는

    주사 프로브 현미경.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 정전 면 액추에이터가 제3 면 상에 배열된 제3 전극들을 추가로 포함하고,

    상기 스테이터가 상기 제2 면에 배치된 제4 전극들을 추가로 포함하고,

    상기 제3 및 제4 전극들이, 인가 전압에 반응해서, 상기 제2 트랜스레이터를 상기 스테이터에 대하여 상기 제1 방향으로 변위시키도록 배향된 정전기력을 생성하도록 배열되는

    주사 프로브 현미경.
15. 제 14 항에 있어서,

    제1 중량 중앙은 상기 제1 트랜스레이터에서 규정되고,

    제2 중량 중앙이 상기 제2 트랜스레이터에서 규정되고,

    상기 제1 및 제2 중량 중앙을 통해서 규정된 선이 상기 제1 방향과 평행한

    주사 프로브 현미경.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 제1 트랜스레이터와 상기 제2 트랜스레이터를 링크시키는 방향 반전 구조를 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
17. 제 1 항에 있어서,

    상기 트랜스레이터에 상기 프로브 팁을 연결하는 외팔보를 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 외팔보와 상기 트랜스레이터 사이에 배치되는 핸들을 추가로 구비하는

    주사 프로브 현미경.
19. 프로브 팁과, 스테이터 및 트랜스레이터를 포함하는 정전 면 액추에이터를 제공하는 단계와,

    상기 프로브 팁을 상기 트랜스레이터에 연결하는 단계와,

    상기 프로브가 상기 샘플면에 걸쳐 주사하도록, 상기 트랜스레이터를 상기 스테이터에 대하여 제1 방향으로 정전기적으로 변위시키는 단계와,

    상기 샘플면에 걸친 상기 프로브의 상기 주사에 반응해서 상기 프로브의 특성을 감지하는 단계를 포함하는

    샘플면 주사 방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 트랜스레이터를 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에서 변위시키는 단계를 추가로 포함하는

    샘플면 주사 방법.
21. 제 19 항에 있어서,

    상기 트랜스레이터를 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향에서 변위시키는 단계를 추가로 포함하는

    샘플면 주사 방법.

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