KR20090014339A - 고속 주사 탐침 현미경 구성요소의 능동 댐핑 - Google Patents

Abstract

주사 탐침 현미경의 내부 진동을 능동적으로 댐핑하는 기술이 개시된다. SPM의 기계적인 어셈블리 내에 공진을 포함한 다양한 기계적인 움직임의 여기가 특히 고속 애플리케이션에 있어서 그 성능에 역으로 영향을 줄 수 있다. 액추에이터가 움직임을 보상하는 데 사용된다. 액추에이터는 z 방향으로만 동작할 수 있거나, 다른 방향으로 동작할 수도 있다. 액추에이터(들)는 안티노드의 위치에 위치할 수 있다.

Description

고속 주사 탐침 현미경 구성요소의 능동 댐핑{ACTIVE DAMPING OF HIGH SPEED SCANNING PROBE MICROSCOPE COMPONENTS}

이 출원은 2006년 2월 23일에 출원된 미국 가출원 제60/776,385호에 우선권을 청구하는, 2007년 2월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제11/678,018호에 우선권을 청구한다. 우선 출원의 개시내용은 이 출원의 개시내용의 부분으로 간주된다(그리고 참고로 이 출원의 개시내용에 통합되어 있다).

원자간력 현미경(AFM: Atomic Force Microscope)은 샘플의 표면에 관하여 캔틸레버(cantilever)의 단부 상에 빈틈없는 탐침을 래스터링(rastering)하는 것으로부터 얻어지는 정보에 의거하여 표면 지형의 이미지(및 다른 샘플 특성)를 생성하는 데 사용되는 장치이다. 캔틸레버의 편향 또는 래스터링하면서 검출되는 그 발진의 변화가 샘플의 지형의(또는 다른) 특징에 대응한다. 편향 또는 발진의 변화는 일반적으로 광 레버 구조에 의해 검출되며, 그것에 의해 광 빔이 광 레버와 동일한 기준 프레임 내의 캔틸레버 상으로 지향된다. 캔틸레버로부터 반사된 빔은 위치 감응 검출기(PSD)를 조명한다. 캔틸레버의 편향 또는 발진이 변화함에 따라, PSD 상의 반사되는 점의 위치가 변화하여 PSD로부터의 출력의 변화를 초래한다. 캔틸레버의 편향 또는 발진의 변화는 일반적으로, 편향 또는 발진을 일정한 프리셋 값에 유지하기 위해, 샘플에 관하여 캔틸레버 베이스의 수직 위치의 변화를 트리거한다. 이 피드백은 AFM 이미지라고 하는 원자간력 현미경으로부터의 이미지를 생성한다.

원자간력 현미경은 다수의 상이한 이미징 모드에서 동작될 수 있다. 접촉 모드에서, 캔틸레버의 팁(tip)이 샘플 표면과 일정하게 접촉한다. 진동 모드에서, 팁은 표면과 접촉하지 않거나 단속적으로만 접촉한다.

도 1은 원자간력 현미경 내에서의 액추에이터의 사용에 대한 하나의 종래의 방법을 도시한다. 샘플(1)이 z-액추에이터(2)에 부착된다. 가요성 캔틸레버(6)의 베이스(7)가 헤드 프레임(9)에 부착되어 있는 xy-액추에이터(8)에 부착된다(여기에서 "xy"는 액추에이터가 수평 XY 평면에서 움직이는 것을 나타내고, "z"는 액추에이터가 수직 방향으로 움직이는 것을 나타내며, "X" 및 "Y" 및 "Z"는 서로 수직인 방향이다). xy-액추에이터(8)는 z-액추에이터(2)와 조합되어, 모든 3차원에서 탐침(5)과 샘플(1) 사이에 상대적인 움직임을 제공한다. z-액추에이터(2)는 기구의 프레임(4)에 부착되는 구조(3)에 의해 지지된다. 캔틸레버(6)는 탐침(5)과 샘플(1) 사이의 상호작용에 응답하여 편향한다. 이 편향은 PSD(10)에 의해 측정된다. PSD(10)의 출력은 제어기(11)에 의해 수집된다. 일반적으로, 제어기(11)는 신호의 일부 처리를 실행하고, 캔틸레버 편향, 진폭, 위상 또는 다른 파라미터와 같은 양을 추출한다. 이들 값은 종종 디스플레이 장치(12)상에 디스플레이된다. 또한, 제어기(11)는 샘플 특성에 응답하여 샘플(1)과 캔틸레버(6)의 베이스(7)의 상대적인 위치를 차례로 변화시키는 피드백 루프를 동작시킬 수 있다.

원자간력 현미경에 의한 샘플의 정확한 특징 묘사는 종종 X 또는 Y 방향으로 주사하면서 샘플을 정확하게 특징짓기에 충분한 레이트(rate)로 샘플 표면에 관련된 Z 방향에 수직으로 캔틸레버의 베이스를 움직이도록 원자간력 현미경의 능력에 의해 제한된다.

이 움직임 레이트는 종종 대역폭에 의해 표현된다. 필요한 대역폭은 원하는 이미지 사이즈(픽셀 내) 및 각 픽셀의 획득 레이트에 의존한다. 아래의 표 1은 다양한 이미징 시나리오에 필요한 대역폭을 나타낸다. 예를 들면, 1초에 256×256 픽셀 이미지를 채우는 것은 131 ㎑의 대역폭을 필요로 한다.

표 1: 고속 원자간력 현미경 이미징에 필요한 폐쇄 루프 대역폭(BW).

샘플 표면 상의 크고 작은 모든 특징들의 높이를 정확하게 측정하기 위해, z-액추에이터는 큰 범위의 높이까지 샘플 표면과 캔틸레버의 베이스 사이에 상대적인 움직임을 제공할 능력을 가져야 한다, 즉, 큰 수직 이동을 가져야 한다. z-액추에이터는 다수의 종래의 원자간력 현미경의 주사 튜브일 수 있다. 아실럼 리서치 MFP-3D 원자간력 현미경과 같은 다른 현미경에서는, z-액추에이터는 만곡부이다. 그 부품들은 가장 큰 표면 특징들까지도 측정하기에 충분하게 위 및 아래로 캔틸레버를 움직이기에 충분한 크기여야 한다.

다수의 액추에이터의 작동 범위는 장치의 물리적인 치수와 비례한다. 이것은 압전 액추에이터에 확실히 흔히 있는 경우이다. 예를 들면, 토킨(TOKIN) 인코포레이티드로부터 시판되고 있는 압전 스택 액추에이터의 경우에, 최대 이동 거리는 명목상으로는 5㎜, 10㎜ 및 20㎜의 각각의 길이를 갖는 스택에 대해 4.6㎛, 9.1㎛ 및 17.4㎛이다. 따라서, 이동 범위를 증가시키는 부차적인 결과는 액추에이터가 더욱 커지는 것이다. 이들 더욱 커진 액추에이터는 더욱 느리게 움직인다.

액추에이터 움직임의 속도를 특징짓는 하나의 방법은 액추에이터의 공진 주파수이다. 상술한 압전 스택은 각각 대략 261㎑, 138㎑ 및 69㎑의 공진 주파수를 갖는다. 이들 3개의 스택에 사용된 압전 재료는 동일하다는 것을 주목하라. 공진 주파수의 변화는 주로 상이한 사이즈 그에 따른 질량(masses)으로 인한 것이다.

인용된 공진 주파수는 비어 있는 스택에 대한 것이다. 이들 비어 있는 스택을 지지 구조에 부착하거나 만곡부 내에 일체화시키는 것은 공진 주파수를 실질적으로 더욱 감소시킨다. 또한, 어떤 질량을 압전에 부착하는 것은 공진 주파수를 더욱 감소시킨다.

실제로, 이것은 액추에이터가 샘플이나 캔틸레버의 베이스를 표면을 정확하게 탐지하기에 충분히 빠르게 움직일 수 없을 수도 있다는 것을 의미한다. 이것은 샘플 및/또는 탐침 중의 하나에 손상을 초래할 수 있거나, 표면 지형의 재생이 덜 정확하게 되도록 초래할 수 있다. 이들 결과를 피하기 위해, 원자간력 현미경 조작자는 일반적으로 z-액추에이터가 샘플 내의 지형의 변화에 적응할 수 있을 때까지 X 및 Y 방향으로 주사 레이트를 감소시킨다.

일반적으로, 원자간력 현미경 조작자는 피드백 루프 이득을 증가시킴으로써 z-액추에이터의 응답을 증가시키기 시작한다. 그러나, 어떤 점에서, z-액추에이터는 공진하기 시작하고, 그 공진 운동은 액추에이터 지지 구조에 기생 발진을 생성하고, 입력하기 위한 액추에이터의 응답의 위상을 변화시키기도 한다. 이들 기생 발진 및 위상 변화는 기구의 성능 및 생성된 다른 데이터와 이미지의 화질을 감소시킨다.

도 1에 도시된 작동 스킴은 팁과 샘플 사이에 상대적인 움직임을 제공하는 데 공통으로 사용되는 방대한 수의 작동 스킴을 대표한다. 이것은 원자간력 현미경 조작자가 z-액추에이터의 응답을 증가시키도록 피드백 루프 이득을 증가시킬 때 무엇이 일어나는지를 분석하는데 유용한 모델을 제공할 수 있다. 피드백 루프 이득을 증가시키면 수직 또는 Z 방향으로 z-액추에이터(2)의 신장을 증가시킨다. 이 증가된 신장은 그러나, 지지 구조(3) 상의 반응력이 증가하게 된다.

도 2는 도 1의 하부 좌측 세그먼트를 구성하며, 이것을 더욱 상세히 나타낸다. 도 2에서는, 도 1에서와 같이, 샘플(1)이 z-액추에이터(2)에 의해 지지된다. 도 2 - 반응력 - 는, 신장하여 샘플(1)을 거리 ΔZ_sam 움직이게 하는 z-액추에이터(2)를 도시한다. 이 움직임은 샘플의 가속을 초래하도록 샘플 상에 가해지는 힘 F_sam을 필요로 한다. 뉴턴의 제2 법칙은 지지 구조(3)상에 가해지는 대응하는 반응력 F_sup가 존재함을 의미한다. 이 반응력은 지지 구조에서의 다소의 편향 ΔZ_{s up}을 야기한다. 지지 구조의 구부림은 강한 샘플의 감소된 움직임(ΔZ_sam)과 전체적으로 샘플 작동의 감소된 대역폭을 유도한다.

이미지 획득 속도를 상승시키는 결과를 극복하는 하나의 방법이, 캔틸레버 에러 신호가 주사 범위를 초과하여 변화할 수 있지만, 평균값을 세트포인트에 유지할 수 있도록 있어 왔다(앨브레이트(Albrecht) 및 퀘이트(Quate)). 이 방법에 의해, 피드백 루프의 작업이 매우 쉽게 되어 더 빠른 주사를 가능하게 한다. 그러나, 이 기술을 사용하는 에러 파라미터 내의 큰 변화는 팁 무뎌짐 또는 손상 및 샘플 손상에 한정되지는 않지만 이들을 포함하는 해로운 영향을 줄 수도 있다.

다른 방법이 "겹쳐진(nested)" 액추에이터를 사용하도록 있어 왔다. 대형의, 비교적 긴 범위 및 저속 액추에이터가 소형의 짧은 범위지만 매우 고속의 액추에이터와 함께 사용된다. 이것은 소형 고속 액추에이터가 작은 표면 변화를 수용할 수 있으면서 대형 액추에이터가 전체 XY 주사 범위를 초과하는 큰 높이 변화에 대비하기 때문에, 더 고속에서 이미지가 획득되게 할 수 있다. 이 방법의 일례는 설체크(Sulchek) 등 및 로저스(Rogers) 등에 의한 캔틸레버에 통합된 아연 산화물 압전 액추에이터이다. 이들 작동된 캔틸레버는 캔틸레버 베이스 및 샘플 표면 사이의 거리를 제어하는 일반적인 액추에이터와 함께, 캔틸레버의 베이스와 샘플의 표면 사이의 효과적인 거리가 일정하게 유지될 수 있게 하는 동시에, 캔틸레버 탐침이 샘플을 특징짓는다. 이들 캔틸레버를 사용하면, 38㎑의 대역폭이 표시되고 있다.

작동된 캔틸레버 방법은 일부 어려움을 상승시킨다. 고속 및 저속 피드백 루프를 조합하는 것은 항상 사소하지는 않다. 2개의 피드백 루프를 조정하는 것은 단일 루프를 조정하는 것보다 명백히 시간이 더 소비되고 문제가 있다. 샘플의 정확한 특징 묘사를 얻기 위한 최종 데이터의 조합은 또한 더욱 복잡하게 되어 기구 에러 및 인공산물의 경향이 있다. 작동된 캔틸레버는 반드시 매우 딱딱하여 소프트 샘플의 이미징을 해결하기 어렵게 만든다. 원자간력 현미경의 강도 중 하나인 유체 내의 이미징은 캔틸레버에 직접 전기적인 접촉을 필요로 하기 때문에 작동된 캔틸레버로 실현하기 어렵다. 작동된 캔틸레버의 설계값과 상이한 질량을 갖는 것으로 샘플을 변경하면 고속 이미지 취득의 영향을 극복하기 위한 그 능력을 심각하게 저하시킬 수 있다. 마지막으로, 작동된 캔틸레버가 공진을 갖더라도, 그 성질이 기생 발진 및 위상 시프트를 유도하며, 따라서 데이터 품질을 감소시키고 캔틸레버 및/또는 샘플에 손상을 유발한다.

원자간력 현미경 이미지 취득의 속도를 높이면서 기생 발진 및 위상 시프트를 최소화시키기 위한 다른 방법은 기구의 프레임에 전달되는 운동량이 근본적으로 존재하지 않는 무반동의 평형 배열로 액추에이터를 구성하는 것이다. 일반적으로, 이러한 배열은 평형 액추에이터의 설계, 구성 또는 재료의 성질에서의 어떤 작은 불일치를 보정하기 위해 부가적인 댐핑 재료의 사용을 포함한다. 평형 액추에이터 방법은 클리블랜드(Cleveland) 등, 안도(Ando) 등 및 매시에(Massie)에 의해 사용되어 왔다. 약점은 시스템이 개방 루프 시스템이라는 것이다. 예를 들어, 샘플이 변화할 때 공통인 것처럼 작동된 질량이 변화하면, 또는 노화에 따라 공통으로 일어나는 바와 같이 압전 감도가 변화하면, 평형이 줄어들고 덜 효과적으로 된다.

도 3은 평형 액추에이터 방법을 도시한다. 도 1에서와 같이, 샘플(1)이 z- 액추에이터(2)에 부착되고, z-액추에이터는 기구(4)의 프레임에 부착되는 지지 구조(3)에 의해 지지된다. 그러나 이 경우, 지지 구조(3) 아래에 위치되는 2차 z-액추에이터(13) 및 2차 z-액추에이터(13)에 부착되는 선택적인 질량(14)이 존재한다. 또한, 2차 액추에이터용의 가변 이득 드라이브(15)가 있을 수 있다. z-액추에이터(2)뿐만 아니라, 가변 이득 드라이브(15)를 갖는 2차 z-액추에이터(13)가 유사한 (또는 동일한) 피드백 신호로 구동된다. 가변 이득 드라이브(15) 및 질량(14)에 의해 제공되는 이득은 지지 구조(3)에 전달되는 운동량이 실질적으로 0이 되도록 선택된다. 구체적으로는, z-액추에이터(2)의 베이스에 의해 지지 구조(3) 상에 가해지는 힘이 동일하고, 2차 z-액추에이터(13)의 베이스에 의해 가해지는 힘과 반대이다.

유사한 동작이 평형 만곡부를 사용하는 것을 포함하는 다수의 다른 방법으로 달성될 수도 있다. 지지물에 전달되는 운동량을 근본적으로 0으로 감소시킬 목적을 모두 갖는 다수의 방법에 대한 미국 특허 제6,459,088 B1호 및 제6,323,483 B1호를 참조하라. 이 방법은 또한 안도의 그룹에 의해 다수의 변화와 함께 사용되어 왔다.

도 3의 평형 액추에이터 방법은 설계가 평형인 반대의 액추에이터에 신중하게 포커스되며 그에 의해 지지 구조 내에서 공진의 여기를 방지하는 개방 루프 시스템이다. 개방 루프 시스템은 그러나, 결점을 나타낸다. 도 3의 것과 같은 시스템의 실험적인 결과는 샘플(1)의 질량이 변화하면, 평형 상태가 더 이상 충족되지 않고, 액추에이터(2 및 13)에 의해 지지 구조(3)에 운동량이 전달되는 것을 도시하 고 있다. 이것은 차례로 상기 방법이 방지하려고 노력하는 바로 그 공진을 유도한다. 또한, 액추에이터의 감도는 시간 경과에 따라 또는 환경적인 조건에 응답하여 변화할 수 있고, 이것도 또한 이들 문제를 유발한다. 마지막으로, 개방 루프 평형 방법은 매우 철저한 제조 제어를 필요로 한다.

안도에 의해 최근에 제안된 평형 액추에이터 방법의 변형은 다른 개방 루프 액추에이터(2 및 13)의 구동 시에 드라이브 또는 "더미(dummy)" 액추에이터(변형이 그 작업에서 드라이브 또는 "더미" 액추에이터를 참조할 때)의 모델을 포함함으로써 이들 결점을 극복하려고 시도한다. 그러나, 이 해법은 액추에이터 중 어느 하나의 동작이 "더미" 액추에이터로부터 벗어나기 시작할 때 자체의 결점을 갖는다. 안도의 변형은 새로운 액추에이터 동작에 대한 보상 시스템의 움직임을 측정하여 자동으로 보정하는 메커니즘을 제공하지 않는다.

기생 발진 및 위상 시프트를 포함하지 않고 이미지 취득의 속도를 상승시키는 문제점에 대한 최근의 방법은 코데라(Kodera) 등의 방법이다. 코데라 등은 Q-제어 아이디어에 의거하여 평형 스캐너의 공진을 댐핑하는 방법을 제안하고 있다. 그들의 방법은 z-액추에이터용의 구동 회로에 "모의(mock) 스캐너"를 도입하여, 차례로 드라이브의 위상이 액추에이터 공진의 진폭을 감소시키도록 조정되게 할 수 있다. 이 방법은 액추에이터의 동작이 미리 프로그래밍되어야 하는 제약이 가해지고, 그 특성이 변화하면, 댐핑 효과는 더 이상 전혀 최적으로 작용하지 않게 된다.

캔틸레버 베이스의 기구의 동작 시에 고속 액추에이터의 사용에 의해 생성되는 기구 내부로의 관성력의 영향을 능동적으로 댐핑하는 장치 및 그러한 장치를 사용하는 방법이 여기에 개시된다.

여기에 설명되는 시스템 및 기술은, 탐침이 작은 표면 특징의 높이를 측정할 수 있는, 캔틸레버 베이스의 기구 특히, 원자간력 현미경용의 신규의 샘플 및/또는 탐침 홀더를 제공한다.

여기에 제공되는 시스템 및 기술은 액추에이터에 의해 생성되는 기구 내부로의 관성력의 영향의 댐핑을 가능하게 하고, 그러한 댐핑은 조작자에게 우선적으로 볼 수 없고 다른 것보다 제조하기에 더 쉬운 심리스(seamless) 방법으로 행한다. 댐핑은 액추에이터에 의해 생성되는 힘에 대한 장치의 반응의 측정의 지능적인 해석에 의거하여 현명한 방법으로 달성된 후, 그들 측정된 힘을 보상한다.

하나의 양태에서, 그들 기술을 실현하는 기술 및 시스템은 높은 주사 레이트에서 표면 특징의 더욱 정확한 이미징을 가능하게 하는 신규의 캔틸레버 베이스의 기구를 제공한다.

다른 양태에서, 이들 개발들은 기구의 내부 구성에서의 기생 발진을 감소시킴으로써 높은 주사 레이트에서 샘플 특징을 측정할 수 있는 캔틸레버 베이스의 기구를 제공한다.

다른 양태에서, 여기에서 설명하는 개발들은 캔틸레버 베이스의 기구 내의 고속 z-액추에이터에 의해 생성되는 기생 발진이 댐핑될 수 있게 하여 성능을 향상시킬 수 있다.

여기에서 설명하는 동작 모드 및 기구 설치의 또 다른 양태에서, 캔틸레버 베이스의 기구 상의 압전 튜브의 하단 상에서 사용할 수 있도록 충분히 낮은 질량 및/또는 작은 기생 진동의 고속 액추에이터를 제공하는 것이 가능하다.

여기에서 나타내는 방법은, 겹쳐지거나 병렬 피드백 루프에서의 동작 및 고속 작동으로 캔틸레버 베이스의 기구가 개선될 수 있게 한다.

다른 양태에서, 여기에서 설명하는 스킴은 캔틸레버 베이스의 기구에 기구의 내부 동작으로부터 또는 외부 소스, 쇼크, 섭동 또는 노이즈로부터 생기는 진동을 소거하는 능력을 제공한다.

여기에 설명한 개발들의 다른 특징은 캔틸레버 베이스의 기구 내의 하나 이상의 위치에서의 진동이 감지될 수 있고 기구 내에 설계된 액추에이터로 능동적으로 댐핑되는 것이다.

여기에서 논의되는 기술 및 물리적인 실시예의 특정은 감지와 작동의 양자가 단일 장치로 통합되어 능동 댐핑의 설계 및 실시가 간략화되고 비용 및 복잡성이 줄어드는 것이다.

이 기술은 기구의 상이한 부분들 사이의 상대적인 진동을 댐핑하는 데 유용하다.

여기에서 설명하는 기술 및 기구 설치의 이점은, 그들이 댐핑의 능동 제어를 통해, 작동되는 대상물의 질량에 실질적으로 무관한 향상된 성능을 제공한다는 것이다.

진동의 능동 제어가 얼마나 잘 실행되고 있는가에 대한 정보를 조작자에게 제공하는 추가의 이점은 조작자가 기구의 환경이나 동작 파라미터를 변경하여 성능을 최적화할 수 있다는 것이다.

도 1 - 작동 샘플 - 은 종래 기술의 단일 z-축 액추에이터를 도시한다.

도 2 - 반응력 - 는 z-축 액추에이터와 그 지지 구조의 동작을 도시한다.

도 3 - 평형 작동 샘플 - 은 종래의 평형 액추에이터를 도시한다.

도 4 - 댐핑된 작동 샘플 - 는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.

도 5 - 보충력 - 는 능동적으로 댐핑하는 기생 발진의 피드백 절차를 도시한다.

도 6 - 응답 스펙트럼 - 은 종래의 기술과 능동 댐핑 방법 및 장치를 비교한 측정값을 도시한다.

도 7 - 자기 감지 - 은 2차 액추에이터가 자기 감지되는 일 실시예를 도시한다.

도 8 - 고차 모드 - 은 기본과 다른 모드가 지지 구조에서 여기되는 상황을 도시한다.

도 9 - 고차 모드 댐핑 - 는 지지 구조 내의 기본 및 고차 모드를 능동적으로 댐핑하는 기술을 도시한다.

도 10 - 고차 모드 댐핑 - 은 지지 구조에서 수직 모드 또는 모드들을 능동적으로 댐핑하는 기술을 도시한다.

도 11 - 변형 실시예 1 - 은 샘플이 착탈 가능한 퍽(puck) 또는 홀더(holder) 상에 유지되는 일 실시예를 도시한다.

도 12(a)∼(e) - 디멘전 타입 AFM에 대한 z 보상 - 는 원자간력 현미경의 주사 팁 버전과 호환 가능한 실시예를 도시한다.

캔틸레버 베이스의 기구들은 원자간력 현미경, 분자력 탐침(probe) 기구(1D 또는 3D), 고해상도 프로필로미터(profilometer) 및 화학 또는 생물학적 감지 탐침과 같은 기구들을 포함한다. 실시예는 원자간력 현미경(AFM)을 설명한다. 실시예들은 이들 장치뿐만 아니라 나노 단위의 애플리케이션에 사용될 수 있는 임의의 다른 계측 기구를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 원자간력 현미경 지지 구조에서의 어떤 기계적인 진동이 측정된다. 기생 발진의 성능 저하를 방지할 목적으로 댐핑력(damping force)이 인가된다. 지지 구조의 능동 댐핑은, 종래의 액추에이터가 열악한 성능을 발휘했던 높은 주사 속도에서도, 그리고 오히려 최소 표면 피처(features)의 매우 정확한 주사를 가능하게 한다.

실시예들은 캔틸레버 베이스의(cantilever-based) 기구 즉, 샘플의 특성을 기술하기 위한 탐침을 갖는 장치와 함께 사용될 수 있다. 장치는 원자간력 현미경에서와 같이, x-액추에이터, y-액추에이터 및 z-액추에이터를 가질 수도 있다. 액추에이터들은 예컨대, 탐침을 래스터(raster)하거나, 샘플 표면에 대하여 캔틸레버 베이스의 위치를 변경하기 위해 원자간력 현미경에 공통으로 사용된다. 액추에이터들은 탐침과 샘플 사이에 상대적인 움직임을 제공한다. 상이한 목적 및 상이한 결과를 위해, 샘플을 작동시키거나, 팁을 작동시키거나 양자의 어떤 조합을 작동시 키는 것이 유용할 수도 있다.

센서들이 또한 원자간력 현미경에 공통으로 사용된다. 센서들은 액추에이터들에 의해 생성된 움직임을 포함하는 원자간력 현미경의 여러 가지 구성요소들의 움직임을 검출하는 데 사용된다.

상술할 목적으로, 달리 특정하지 않으면, 용어 "액추에이터"는 압전 가동 만곡부(piezo activated flexures), 압전 튜브, 압전 스택(stacks), 블록(blocks), 바이모프(bimorphs), 유니모프(unimorphs), 선형 모터, 전기변형 액추에이터, 정전 모터, 용량 모터, 보이스 코일 액추에이터 및 자기변형 액추에이터를 포함하는, 입력 신호를 물리적인 운동으로 변환하는 폭넓은 장치들의 배열을 칭한다. 용어 "위치 센서" 또는 "센서"는 용량 센서, 유도 센서(와전류(eddy current) 센서를 포함한다), 차동 변압기, 가변 인덕턴스, 광 간섭계, 광 편향 검출기(앞에서 PSD라고 함), 스트레인 게이지(strain gages), 압전 센서, 자기변형 및 전기변형 센서를 포함하는, 변위, 속도 또는 가속도를 전기 신호로 변환하는 장치를 칭한다.

장치는 또한 아실럼 리서치(Asylum Research)에 의해 제조된 프로필로미터 또는 분자력 탐침-1D 제품에서와 같이 z-액추에이터만을 가질 수도 있다. 이들 캔틸레버 베이스의 기구에서, 이들 및 다른 목적은, 고속 피드백 루프에서 동작하는 고속 액추에이터 어셈블리를 포함하고, 그 어셈블리 내의 기생 발진을 댐핑하는 2차 액추에이터 및 능동 피드백 루프를 또한 포함하는 탐침(또는 샘플) 홀더에 의해 달성된다.

고속 액추에이터 어셈블리가 낮은 질량을 갖고, 그에 따라 탐침을 더욱 고속 으로 변위시킬 수 있으며, 더 크고 더 높은 질량의 종래의 액추에이터 상에 장착되면, 그 고속 액추에이터 어셈블리는 고속 피드백 루프에서, 종래의 액추에이터의 피드백 루프와 겹쳐지거나 병렬 피드백 루프에서 동작할 수 있다.

고속 액추에이터 어셈블리는 z-액추에이터 및 2차(또는 보상 또는 댐핑) z-액추에이터라고도 하는 제1 및 제2 고속 액추에이터를 포함한다. 이와 달리, 추가의 액추에이터가 있을 수도 있다. 액추에이터들은 고정된 단부들이 공통 지지물에 부착되도록 배열될 수 있다. 액추에이터들이 지지물의 반대 측에 예컨대, 상부 및 하부에 부착되면, 상부 액추에이터의 상단부와 하부 액추에이터의 하단부는 모두 자유롭게 움직인다. 일 실시예에서, 측정 탐침 예컨대, 원자간력 현미경 캔틸레버의 탐침이 샘플에 근접하게 위치하는 하부 액추에이터의 하단부에 직접 또는 그에 장착하는 수단을 통해 부착된다. 평형 질량이 상부 액추에이터의 상단부에 부착되거나 부착되지 않을 수도 있다. 액추에이터 중 하나 또는 양자가 만곡부에 프리로드(preload)되어 만곡부가 작동력에 응답하여 구부려지게 하도록 배열된다. 이러한 기하학적 구조 및 피드백 루프를 통해, 상부 및 하부 액추에이터가 반대 방향으로 움직이도록 배열된다. 피드백 루프는 지지 구조에서의 움직임이 상부(2차) 액추에이터에 의해 댐핑되게 한다.

다른 실시예에서, 샘플은 상부 액추에이터에 의해 운반되고, 하부 액추에이터는 2차 액추에이터로서 동작한다. 그러나, 원리는 동일하다. 피드백 루프는 하부(2차) 액추에이터가 지지 구조 내의 진동을 댐핑하게 한다.

댐핑하는 실시예를 설명할 목적으로, 탐침이 하부 액추에이터인 z-액추에이 터에 의해 움직이고 있는 단축 시스템을 생각할 수 있다. 원자간력 현미경은 탐침과 샘플 사이에 상호작용을 가질 수 있다. 피드백 루프가 어떤 프리셋 레벨에서 이 상호작용을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 이 피드백 루프는 z-축 액추에이터를 제어하여, 차례로, 프리셋 대역폭과 함께 프리셋 레벨에서 상호작용을 유지하도록 탐침-샘플 거리를 조절한다. 이와 달리, 탐침 위치가 피드백 루프와 무관한 방식으로, 또는 이산 이벤트에 트리거되는 피드백과 함께 제어될 수도 있다. 전자의 예들은 힘-거리 곡선 및 탐침의 진동 구동을 포함한다. 후자의 예들은 탐침 위치가 피드백 루프로 측정되는 샘플 지형에 상대적인 거리에 위치하는 측정 모드 및 트리거된 힘 거리 곡선을 포함한다.

z-축이 에너지가 공급될 때, 탐침은 원하는 위치에 수직으로 움직인다. 이 움직임은 지지 구조에 반응력을 필수적으로 부과할 것이고, 그것이 뉴턴의 제2 법칙에 의해 지지 구조에 움직임을 유도할 것이다. 이 움직임은 2차 액추에이터를 제어하는 피드백 루프를 작동하는 다른 센서로 검출된다. 피드백 루프는 지지 구조 내의 이 측정된 움직임을 댐핑하도록 동작함으로써, 기생 발진을 감소시킨다.

일 실시예가 도 4에 도시된다. 샘플(1)이 기구(4)의 프레임에 부착되는 지지 구조(3)에 의해 지지되는 z-액추에이터(2)에 부착된다. 지지 구조(3)에 부착된 센서(16)는 지지 구조(3) 상으로의 힘에 대응하는 신호를 제어기(111)에 출력한다. 지지 구조 상으로의 힘은 예컨대, 움직임, 가속도, 위치 및/또는 속도일 수 있다. 제어기(111)는 2차 z-액추에이터(13)를 구동시키는 피드백 루프에서 이 신호를 사용하여, 지지 구조(3)의 진동을 능동적으로 댐핑시킨다.

일 실시예에서, 2차 z-액추에이터(13)는 그 단부에 부착되는, 지지 구조(3)에서의 반응력에 대한 센서(16)의 감도를 향상시키기 위해 "테스트 질량"으로 작용하는 작은 질량(14)을 갖는다.

센서(16)가 지지 구조(3) 내의 움직임을 측정할 때, 제어기(111)는 지지 구조(3) 내의 움직임을 댐핑하는 방식으로 2차 액추에이터(13)를 움직이게 하는 피드백 전자장치로서 동작한다.

도 5는 지지 구조(13) 내의 움직임을 감지하는 것에서 시작하여 그 움직임의 댐핑에서 끝나는 이벤트들의 시퀀스를 도시하는 플로우차트이다. 이 플로우차트는 제어기(111)에 의해, 또는 전용 제어 회로를 통해 실행될 수도 있다.

도 5는 510에서 분석되는 센서(16)로부터의 입력(500)을 도시한다. 520은 센서값이 움직임이 있는 것을 나타내는지를 판정한다. 그렇지 않은 경우, 아무런 동작도 취하지 않고 흐름을 계속된다. 그러나, 520에서 움직임이 발견되면, 530에서 보상 계산이 수행되어, 2차 z 액추에이터(13)에 출력(540)을 산출한다. 이 보상은 움직임을 댐핑하는 액추에이터(13)에 하나의 값을 산출한다.

실시예의 능동 댐핑 방법은, 지지 구조의 유도된 움직임을 측정하는 단계 및 이 움직임을 능동적으로 댐핑하는 단계의 점에서, US 특허 제6,459,088 B1호 및 제6,323,483 B1호에 기재된 "평형" 액추에이터와 상당히 상이하다. 종래 기술의 평형 액추에이터는 지지 구조로의 운동량 전달(momentum transfer)이 "실질적으로 0"이 되도록 설계된다. 실시예에서, 운동량 전달 자체는 정지된다. 지지 구조 내에 실질적으로 0 움직임이 있다면, 센서는 어떠한 움직임도 측정하지 않고, 피드백 루 프는 2차 보상 액추에이터에 에너지를 공급하지 않는다.

도 6은 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 방법들 사이의 예시적인 측정 차이점들을 도시한다. 이들 측정을 위해, 캔틸레버 탐침(5)이 샘플(1), 이 경우에는 새롭게 쪼개어진 운모와 접촉하게 된다. z-액추에이터(2)가 주파수의 범위에서 여기되었을 때(또는 "처프되었을(chirped) 때") 편향 신호가 모니터링된다. 도 6의 곡선들은 처프된 z-액추에이터(2)에 의해 여기되는 탐침(5)의 주파수 의존 응답을 도시한다. 구체적으로는, 곡선 17은 탐침(5)이 샘플(1)과 접촉하고 있을 때 및 z-액추에이터(2)가 여기되었을 때 PSD(10)의 응답이다. 도 6은 지지 구조(3) 내의 공진에 대응하는 응답 진폭 내의 큰 피크들을 도시한다. 이들 공진은 지지 구조(3)와 z-액추에이터(2)의 베이스 사이의 반응력에 의해 구동되고 있다. 원자간력 현미경을 이용한 그러한 태스크(task)를 포함하는 다수의 위치결정 태스크에 있어서, 지지 구조 내의 이러한 공진 움직임은 매우 바람직하지 못할 수도 있다.

오픈 사각형을 갖는 곡선 18a는 도 6에 도시된 US 특허 제6,459,088 B1호 및 제6,323,483 B1호에 기재된 바와 같은 평형 액추에이터의 응답 진폭을 도시한다. 이들 특허에 기재된 결과로부터 기대되는 바와 같이, 공진 피크의 응답 진폭 18a는 상당히 감소되었으며, 이것은 0과 동등하게 되는 것은 아니지만, 지지 구조(3)로의 운동량 전달이 감소된 것을 의미한다. 0에 더욱 가까운 곡선을 얻기 위해, 그 위치들 및 질량들 및 움직임들이 서로 더욱 정확하게 상쇄되도록 더 높은 허용오차를 갖는 평형 액추에이터를 제조하는 것이 필요하다. 이 허용오차 요건은 종래 기술의 평형 액추에이터 방법의 단점이다. 그럼에도 불구하고, 곡선 18a는 지지 구조 의 움직임이 감소되는 점에서 바람직하다.

이 종래 기술의 방법의 단점은 3 그램 질량이 샘플 위치에 도입될 때 명백해진다. 결과적인 응답 진폭 곡선 18b(클로즈드(closed) 사각형)에 도시된 바와 같이, 주파수 응답에 상당한 변화가 있다. 이 곡선은, 공진 시에 더 큰 진폭으로 지지 구조(3)를 구동하는 현재의 비평형 액추에이터들(2 및 13)에 의해 매우 더 큰 응답을 나타낸다. 이 동작은 바람직하지 않고 중요하다. 하나의 샘플(또는 탐침)에서 상이한 질량을 갖는 샘플들(또는 탐침들)을 갖는 다른 것으로의 전환은 원자간력 현미경에 의한 작업 시에 공통이다.

상이한 샘플을 갖는 지지 구조(3)의 감지된 움직임을 능동적으로 댐핑하는 일 실시예가 곡선 19a 및 19b에 도시된다. 곡선 19a는 비평형 액추에이터 곡선인 곡선 18a와 동일한 샘플에 의한 응답 진폭을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 응답 진폭은 평형 액추에이터 방법으로부터 도출되는 것보다 다소 더 크다. 이것은, 이 실시예는 보상 피드백 루프가 활성화되기 전에 지지 구조(3)의 어떤 움직임을 측정하기 위해 센서(16)를 사용하기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 진폭은 단일 액추에이터 방법(곡선 17)으로부터 더욱 더 감소된다. 3 그램 질량이 부가될 때, 결과적인 곡선 19b는 원래의 곡선 19a와 거의 구별할 수 없고, 등가의 평형 액추에이터 곡선(곡선 18b)보다 더 낫다.

이것은 능동 댐핑 방법이 작용한 질량의 변화를 성공적으로 다룰 수 있음을 나타낸다. 동일한 방식으로, 여기에 기재된 능동 방법은 시간 동안의 액추에이터 감도의 변화를 자동으로 설명한다.

압전 액추에이터에 의한 문제점은 그 감도가 시간, 온도 및 다른 환경적인 요인에 의존할 수 있다는 것이다. 지지 구조 움직임의 능동 측정 및 피드백 보상이 이 움직임을 자동으로 설명하여, 매우 로버스트(robust)한 시스템을 생산한다.

센서 노이즈가 능동 댐핑 방법의 효율성에 영향을 준다. 임계적인 위치에 놓이는 다수의 센서 또는 더 낮은 노이즈 센서들은, 평형 액추에이터의 제조 시에 매우 주의하더라도, 평형 액추에이터 방법보다 더 나은 성능을 제공할 수 있다. 모든 환경에서 정도를 갖는 액추에이터를 평형을 맞추는 것을 어렵게 만드는 이들 종류의 장치의 제조 시에 거의 항상 실제의 현실의 효과들이 존재한다. 그러나, 이것이 능동 댐핑 설계의 강점이다. 제조 허용오차는 엄격한 것으로 될 필요는 없다. 구성에서 임의의 비대칭성이 센서 또는 센서들에 의해 측정된다. 피드백 루프/2차 액추에이터 조합은 그 결점을 보완한다.

어떤 목적으로, 능동 댐핑 방법을 채용한 기구의 설계를 간략화하는 것이 바람직할 수도 있다. 일 실시예가 도 7에 도시된 바와 같은 자기-감지 액추에이터를 사용한다. 여기에서, 센서(16)와 도 4의 2차 z-액추에이터(13)가 단일의 이중 목적 장치(20)로 대체된다. 이 장치(20)는 센서와 2차 z-액추에이터의 양자로서 작동한다. 장치(20)는 예컨대, 압전 스택의 움직임을 검출하고 그 움직임을 제어함으로써 응답하는 외부 회로를 갖는 압전 스택일 수 있다. 다른 기술들이 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 이러한 목적으로 채용될 수도 있다.

이중 목적 장치(20)에 의해 감지되는 지지 구조(3) 내의 진동 및 적절한 응답은, 제어기(111)의 외부나 내부에 있을 수 있지만 여기에서는 외부로서 도시된 보상 전자장치(21)에 의해 제어될 수 있다.

다른 실시예는 피드백 루프를 제어하고 진동을 보상하기 위해 제어기(111)를 사용한다.

작은 질량(114)이 지지 구조(3) 내의 반응력에 대한 장치의 감도를 향상시키기 위해 "테스트 질량"으로서 이중 목적 장치(20)의 단부에 선택적으로 부착될 수 있다.

이중 목적 장치(20) 상에 클램핑된 단부 또는 만곡부의 사용이 그 성능을 향상시킬 수 있다. 발명자가 압전 스택을 센서로서 사용하였고, 지지 구조(3) 내의 반응력에 대한 스택의 감도를 향상시키기 위해 "테스트 질량"으로서 단부에 소형 질량을 부착하였을 때, 그 결과는 8㎑의 지지 구조 공진 중 하나에서 20㎷의 피크 신호였다. 동일한 압전 스택이 대신 클램핑되어 지지 구조에 대해 프리-로드되었을 때, 피크 신호는 130㎷ 넘어까지 증가하였고, 6×보다 더 큰 향상이 얻어졌다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 더 정확하고 로버스트한 피드백 루프를 구성하기 위해서는 더 큰 신호가 유리하다.

안정성 및 선택성의 이유로, 피드백 루프의 대역폭을 제어하는 것이 유리할 수도 있다. 예를 들면, 주요 목적이 특별한 지지 구조 공진 또는 공진의 범위를 제어하는 것이면, 그 공진을 둘러싸는 협대역폭을 갖는 피드백 루프가 광대역 피드백 루프보다 나을 수도 있다. 또한, 지지 구조 및 센서의 기계적인 응답과 센서 조절의 전자적인 응답에 의존하여, 광대역 피드백을 어렵거나 불가능하게 만드는 시스템 내의 주파수 의존 위상 시프트가 존재할 수도 있다. 이 경우에, 대역폭을 선택하는 것이 기구의 성능을 향상시킬 수도 있다. 특정 주파수에서의 보상이 피드백 루프를 간략하게 그리고 더욱 로버스트하게 될 수 있게 한다. 아날로그 및/또는 디지털 고역 통과, 저역 통과, 또는 대역 통과 필터의 사용을 포함하는, 특정 범위의 주파수로 피드백 보상을 제한하는 다수의 수단이 존재한다. 하나의 루프가 일정 범위에서의 공진을 댐핑하도록 최적화되고 제2 루프가 다른 범위에서의 공진을 댐핑하도록 최적화된, 하나 이상의 피드백 루프를 갖는 것이 유리할 수도 있다. 상이한 주파수 범위에 특정된 부가적인 피드백 루프가 또한 사용될 수 있다.

별개의 피드백 루프들이 각 센서/액추에이터 조합에 사용되는 것이 유리하다고 판명될 수도 있다. 이 경우에, 피드백 루프의 주파수 범위는 중첩하거나 중첩하지 않을 수도 있다. 그러나, 주어진 피드백 루프의 주요 작업은 주어진 센서/액추에이터 조합을 동작시키는 것이다. 다른 센서들 또는 액추에이터들로부터의 정보가 이들 특정 피드백 루프의 실시에 또한 사용될 수 있는데, 그 이유는 그것이 가능하고, 다양한 센서들과 액추에이터들 사이의 기계적인 결합이 존재하는 것이 있음직 하더라도 가능할지도 모르기 때문이다.

구성된 견본에서, 지지 구조 자체의 공진 주파수보다 높은 지지 움직임 감지 구조의 공진 주파수를 갖는 것이 유리했다. 이것이 지지 진동을 댐핑하기 위해 더욱 간단한 피드백 루프를 사용할 수 있게 한다. 이것이 사실이 아닌 경우, H-인피니티(infinity) 기술과 같은 더욱 복잡한 피드백 스킴이 센서 구조의 하나 이상의 공진을 통해서라도 지지 움직임을 제어하도록 실시될 수 있다.

일반적인 지지 구조는 종종 도 4 및 도 7에 도시된 간단한 기하학적 구조보 다 매우 많이 복잡하다. 여기에서 고려되는 타입의 정밀 기구를 설계할 때 평가될 필요가 있는 성능, 제조 가능성 및 품질에 영향을 주는 다수의 기술 요건이 있다. 또한, 기구의 진동 특성을 이해하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 어떤 주어진 지지 구조에 대해, 기구의 성능과 타협하는 다양한 진동 모드를 평가한 후 그 제어를 위해 다양한 위치에 능동 댐핑을 부가하는 것이 유용하다.

설계 단계 동안 기구 내의 원하지 않는 진동 모드를 평가하는 다수의 기술이 존재한다. 이들은 구조의 컴퓨터 모델링(modeling) 및 레이저 진동계 또는 다른 기구로의 측정 동작을 포함한다. 그러한 평가 후에, 본 발명의 능동 댐핑 방법이 그들 진동을 선택적으로 댐핑하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 진동을 해결하기 위해 이 방법을 사용하는 일 실시예가 도 8에 도시된다. 도 8의 실시예는 샘플 대신에 페이로드(payload)(22)를 사용한다. 페이로드는 z-액추에이터(2)에 의해 수직 방향으로 움직인다. 도 1에 도시된 실시예와 달리, 이 실시예는 지지 구조(23)가 2개의 위치(88 및 89)에서 기구(4)의 프레임에 부착되어 있다. 지지 구조(23)에 부착되는 움직임 센서(816)가 지지 구조(23)의 수직 움직임을 검출하여, 신호를 제어기(811)에 전송한다. 제어기(811)는 차례로 보상 z-액추에이터(813)의 사용을 통해 검출된 움직임을 댐핑하기 위한 신호를 전송한다. 하나의 명시에서, 보상 z-액추에이터(813)는 지지 구조(23)에서의 반응력에 대한 움직임 센서(816)의 감도를 향상시키기 위해 "테스트 질량"으로서 작용하는 부가적인 질량(814)을 그 단부에 부착하고 있다. 그러나, 페이로드(22)는 수직축(24)에 대해 대칭이 아닐 수도 있다. 보상 z-액추에이터(813)가 움직일 때, 그로 인해 지지 구조(23) 상에 측방향 의(비틀리는) 반응력(토크)이 가해지게 된다. 이것은 차례로 점선 구조(25)로 나타내는 제2 모드 발진을 여기시킨다. 지지 구조(25)의 제2 모드 발진은 2개의 특정 위치(26 및 27)에 안티-노드(anti-nodes)를 갖는다.

안티-노드는 제2 모드 움직임을 댐핑하도록 보상 z-액추에이터를 위치시키기 위한 최상의 위치일 수 있다. 도 9는 이러한 종류의 댐핑을 사용하는 일 실시예를 도시한다. 도 8에서와 같이, 수직축(24)을 따른 지지 구조(23)의 기생 발진이 보상 z-액추에이터(13)에 의해 댐핑된다. 또한, 도 9의 실시예는 도 8에서 위치(26 및 27)에 도시된 제2 모드 발진의 그 각각의 위치에서의 움직임을 측정하기 위한 부가적인 센서(28 및 29)를 포함한다. 이들 움직임에 대응하는 신호가 제어기(911)에 출력되고, 제어기(911)는 이 정보를 사용하여, 지지 구조(23)에서의 반응력에 대한 움직임 센서(16, 28 및 29)의 감도를 향상시키기 위한 선택적인 부가 질량(31 및 33)을 각각 갖는 보상 z-액추에이터(30 및 32)를 제어한다.

도 9에 도시된 제어기(11)가 중앙 유닛인 한, 동일한 기능이 하나 이상의 센서/보상 z-액추에이터 조합을 각각 제어하는 분배된 제어기로 달성될 수 있다. 보상 z-액추에이터(30 및 32)의 움직임을 제어함으로써, 더 높은 모드 진동이 댐핑될 수 있다. 유사한 성능이 안티-노드(26 및 27)에 위치하는 이중 목적 자기-감지 액추에이터를 사용하여 얻어질 수 있다. 이 방법은 지지 구조(23)의 임의의 수의 진동 모드까지 확장될 수 있다.

다른 모드를 댐핑하는 다른 실시예가 도 10에 도시된다. 이 실시예에서, 도 8에 도시된 흔들리는(swaying) 또는 비틀리는 움직임은 주 축(1024)에 수직인 성분 과 정렬되는 센서(34) 및 액추에이터(35)로 보상될 수 있다. 이 도면에서, 보상은 액추에이터(34) 및 부가된 질량(35)으로 달성된다. 부가적인 센서/액추에이터 조합이 축(1024)에 평행하게 및/또는 수직으로 배치될 수 있다.

도 11은 샘플(1)이 착탈 가능한 퍽 또는 홀더(1101) 상에 유지되는 일 실시예를 도시한다. 이 홀더(1101)는 자석(1102) 또는 당업자에게 잘 알려진 타입의 주사 전자 현미경 샘플 스터브(stubs)에 사용되는 타입의 스터브 클램프와 같은 다른 메커니즘을 사용하여 샘플에 선택적으로 고정된다. 샘플 퍽은 상기 논의된 타입과 유사한 1차 액추에이터(1104)를 포함하는 만곡 어셈블리(1103)에 고정된다. 제어 전자장치(11)에 의해 지향될 때, 이 1차 액추에이터는 만곡 부재(1105)를 편향되게 하는 만곡 어셈블리의 일부분에 힘을 가하며, 그에 따라 샘플을 힘 축을 따라 움직이게 한다. 센서(1106A)가 1차 액추에이터(1104)의 베이스 근처에 고정된다. 이 센서의 출력이 1차 액추에이터(1104)가 부착되는(1108) 만곡 어셈블리(1103)의 부분의 변위, 속도 또는 가속도를 측정한다. 이 센서 신호가 차례로 제어 전자장치(11)에 의해 보상 또는 2차 액추에이터(1107)를 구동시키는 데 사용된다. 이 액추에이터의 작업은 만곡 어셈블리(1103)의 베이스 만곡부에서 센서(1106A 또는 1106B)가 측정하는 진동을 댐핑하는 것이다. 다른 실시예에서와 같이, 센서(1106A 또는 1106B)는 실제로는 다수의 센서일 수 있다. 2차 또는 보상 액추에이터(1107)는 압전 소자만일 수 있거나, 이 문서 내의 다른 부분에서 논의된 타입의 임시의 질량을 가질 수 있다. 액추에이터(1107)는 프리로드 스크류(1109) 또는 다른 장치로 실시되는 고정되거나 조정 가능한 힘으로 프리로드될 수도 있다.

2차 액추에이터(1107)는 비압전 액추에이터일 수도 있다. 센서(들)(1106A 및/또는 1106B)에 의해 측정되는 움직임을 댐핑할 수 있는 어떠한 액추에이터가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 전체 만곡 어셈블리(1103∼1109)는 수직 또는 z-방향으로 샘플을 움직일 책임이 있다. 그것은 차례로 샘플(1)과 탐침 팁(5) 사이에 상대적인 움직임을 제공하는 액추에이터(8)에 연결되어 있다(1110).

도 12(a)∼(e)는 원자간력 현미경의 주사 팁 버전과 호환 가능한 실시예를 나타낸다. 이것은 상업적으로 시판되는 "디멘젼(Dimension)" 시리즈, 디멘젼 VX 시리즈 및 Veeco instruments(뉴욕, 우드베리 소재)에서 시판하는 "메트롤로지(Metrology)" 시리즈 현미경을 포함한다. 이 현미경은 착탈 가능한 탐침 홀더를 갖고, 예컨대, 미국 특허 제5,714,682호 및 제6,861,649호 등에 기재되어 있다. 도 12(a)∼(e)에 기재되어 있는 보상 탐침 홀더는 상기 특허에 기재되어 있는 탐침 홀더를 대체하도록 설계되고, Veeco Instruments로부터 디멘젼, 디멘젼 VX 및 및 유사한 상표명으로 거래된다.

도 12(a)는 캔틸레버(612)가 문서의 평면의 실질적으로 지시되는 탐침 홀더 서브어셈블리를 도시하는 도면이다. 도 12(b)는 서브어셈블리의 z-축(1208)에 대해 90도 회전된 동일한 서브어셈블리를 도시한다. 칩(7)에 부착된 탐침(512)이 포켓(1203) 내에 장착된다. 이 포켓은 차례로 1차 액추에이터(1204)에 부착된다. 이것은 1차 중앙 지지물(1205)에 부착된다.

시계 1201 및 1210에서, 1차 액추에이터(1204)의 움직임에 응답하여 중앙 지지물(1205)의 댐핑이 상기 논의된 타입의 조합된 검출기/액추에이터(1206)로 달성 된다. 이 액추에이터는 선택적인 반응 질량(1207)이 부착되어 있다. 반응 질량 대신에, 보상 서브어셈블리용의 상기 논의된 실시예들과 유사한 만곡 설계를 사용하는 것이 가능하고 어떤 경우에는 바람직하다. 이 실시예에서는, 동일한 요소(1206)가 중앙 지지물의 움직임을 검출하고 그 움직임을 보상하는 양자에 사용된다. 도 12(c)는 측정 센서(1221) 및 보상 액추에이터(1222)가 별개의 엔티티인 다른 실시예를 도시한다. 상기 논의된 실시예에서와 같이, 1207에 의해 또는 1221에 의해 측정되는 신호가 보상 액추에이터(1206 또는 1222)의 움직임을 제어하기 위해 피드백 루프에 사용된다.

도 12(d) 및 (e)는 디멘젼 또는 유사한 헤드 내의 z-액추에이터에 전체 어셈블리가 효과적으로 접속될 수 있게 설계된 복수의 소켓, 개구 또는 핀(1232)을 한정하는 베이스 또는 홀더(1231)에 부착되는 1201 및 1220의 서브어셈블리를 도시한다.

상술한 바와 같이, 미국 특허 제6,459,088 B1호 및 제6,323,483 B1호는 지지물에 전달되는 운동량을 근본적으로 0으로 감소시킬 목적을 갖는 모든 방법의 호스트를 도시한다. 이 방법은 또한, 안도(Ando)의 그룹에 의한 다수의 변종과 함께 사용되어 왔다. 여기에 기재되는 다수의 실시예들은 또한, 실시예들이 피드백 댐핑 기능의 성능을 측정하는 부가적인 센서를 필요로 할 수 있는 키 예외를 갖고, 참조문헌에 기재된 일반적인 구조를 사용할 수도 있다. 자기-감지 액추에이터가 사용되면, 이 문서에 기재되는 작동 어셈블리는 상기 참조문헌에서 논의된 어셈블리와 상당히 유사한 것처럼 보일 수 있다. 그러나, 그에 의하면 성능은 달성되고 기능은 매우 상이하다.

보상 z-액추에이터 및 센서를 배치하는 하나의 방법에서, 위치들이 기구에 "설계"된다. 다른 방법에서, 기구가 먼저 설계된 후, 본 발명에 사용될 수 있는 타입의 레이저 진동계 또는 센서(들)와 같은 움직임 측정 장치로 모드가 실험적으로 측정된다. 진동 모드가 측정된 후에, 능동 댐핑 센서 및 액추에이터가 장치 성능을 향상시키거나 최적화시키기 위한 위치로 배치된다. 이들 종류의 애플리케이션에 있어서, 자기-감지 액추에이터가 특히 유용할 수 있다.

몇 개의 실시예들을 이상에서 상세히 기재하였지만, 다른 실시예들이 가능하고, 발명자(들)는 이들을 이 명세서 내에 포함되도록 의도한다. 명세서는 다른 방법으로 달성될 수 있는 더욱 일반적인 목적을 달성하기 위한 구체적인 예들을 기재한다. 이 개시내용은 예시적이 되도록 의도되고, 청구항들은 당업자에게 예측 가능할 수 있는 어떤 변형 또는 수정을 커버하도록 의도된다. 예를 들면, 측정 분야를 벗어나는 다른 애플리케이션이 심사숙고된다.

또한, 발명자(들)는 단어 "수단"을 사용하는 청구항들만이 35 USC 112, 제6절 하에서 해석되도록 의도한다. 또한, 청구항들에 제한이 명시적으로 포함되지 않으면, 청구항들에 명세서로부터의 제한이 없다고 해석되도록 의도된다. 여기에 기재되는 컴퓨터는 범용이거나 워크스테이션과 같은 일부 특정 용도 컴퓨터의 어떤 종류의 컴퓨터일 수도 있다. 여기에 기재되는 제어기는 윈도우즈 XP나 리눅스를 실행시키는 펜티엄급 컴퓨터일 수 있거나, 매킨토시 컴퓨터일 수도 있다. 컴퓨터는 또한 PDA, 셀폰, 또는 랩톱과 같은 휴대용 컴퓨터일 수도 있다.

프로그램은 C, 또는 자바(Java), 브류(Brew) 또는 어떤 다른 프로그래밍 언어로 기록될 수도 있다. 프로그램은 저장 매체 예컨대, 자기 또는 광 예컨대, 컴퓨터 하드 드라이브, 착탈 가능한 디스크 또는 메모리 스틱이나 SD 미디어와 같은 미디어, 또는 다른 착탈 가능한 매체 상에 상주할 수도 있다. 프로그램은 또한 로컬 머신이 여기에 기재되는 동작을 실행할 수 있게 하는 예컨대, 서버나 로컬 머신에 신호를 전송하는 다른 머신을 갖는 네트워크를 통해 실행될 수도 있다.

구체적인 수치가 여기에 언급된 경우에, 그 값은 어떤 다른 범위가 구체적으로 언급되지 않으면, 본 출원의 개시 범위 내에 있으면서, 20%만큼 증가 또는 감소될 수도 있다고 간주되어야 한다.

Claims (42)

1. 지지물에 의해 지지되는 샘플에 대한 압착에 의존하는 감지 시스템 내의 상기 지지물 상의 힘을 측정하는 단계; 및

   액추에이터를 사용하여 상기 움직임을 보상하며 그에 따라 상기 움직임을 댐핑하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 감지 시스템은 원자간력 현미경(AFM)의 구성요소들을 포함하는, 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 감지 시스템은 측정 캔틸레버를 포함하는, 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 제어기를 사용하여 상기 측정에 의거하여 보상을 결정하고, 상기 보상을 사용하여 상기 액추에이터에 출력을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 단계 및 상기 사용 단계는 별개의 구성으로 실행되는, 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 단계 및 상기 사용 단계는 자신의 움직임에 의거하여 출력 신호를 생성하고 인가된 신호에 의거하여 움직일 수 있는 단일 구성으로 실행되는, 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 단계는 상기 지지물에 의해 특정된 움직임의 위치를 판정하는 단계, 및 상기 위치에서 움직임을 보상하는 단계를 포함하는, 방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 특정된 움직임의 위치는 안티-노드(anti-nodes)인, 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 액추에이터를 사용하는 단계는 움직임의 방향에 관련된 제1 방향으로 향하는 제1 액추에이터를 사용하는 단계, 및 상기 제1 액추에이터에 수직으로 향하는 제2 액추에이터를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 샘플을 착탈 가능한 홀더 상에 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 측정 단계는 상기 착탈 가능한 홀더 상의 움직임을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 청구항 2에 있어서, 상기 측정 단계는 일정 접촉형(constant contact type) 원자간력 현미경으로 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
12. 청구항 2에 있어서, 상기 측정 단계는 주사 팁(scanning tip) 원자간력 현미경으로 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 액추에이터를 가중치를 사용하여 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 제어기는 움직임이 검출되지 않을 때 작동하지 않고 움직임이 없다고 판정하도록 동작하는, 방법.
15. 청구항 1에 있어서, 상기 힘은 움직임, 위치, 속도 및/또는 가속도 중 하나인, 방법.
16. 원자간력 현미경 내의 지지물의 움직임의 크기를 나타내는 입력을 수신하는 단계로서, 상기 지지물은 샘플을 홀드하는 것인, 단계;

    상기 입력이 움직임이 없는 것을 나타내는지의 여부를 판정하는 단계;

    상기 입력이 움직임이 없는 것을 나타내면 작동하지 않는 단계; 및

    상기 입력이 움직임이 검출된 것을 나타낼 때, 상기 움직임을 보상하는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 신호를 사용하여 액추에이터를 구동시켜 상기 움직임을 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 액추에이터도 또한 상기 입력을 생성하는, 방법.
19. 청구항 17에 있어서, 상기 입력은 상기 액추에이터로부터 떨어져 있는 센서에 의해 생성되는, 방법.
20. 청구항 16에 있어서, 상기 지지물에 의해 지정된 움직임의 위치를 판정하기 위해 측정하는 단계, 및 상기 위치에서 움직임을 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
21. 청구항 20에 있어서, 상기 특정된 움직임의 위치는 안티-노드인, 방법.
22. 청구항 17에 있어서, 상기 액추에이터를 사용하는 단계는 움직임의 방향에 관련된 제1 방향으로 향하는 제1 액추에이터를 사용하는 단계, 및 상기 제1 액추에이터에 수직으로 향하는 제2 액추에이터를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
23. 청구항 1에 있어서, 상기 샘플을 착탈 가능한 홀더 상에 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 측정 단계는 상기 착탈 가능한 홀더 상의 움직임을 측정하는 단 계를 포함하는, 방법.
24. 청구항 16에 있어서, 상기 측정 단계는 일정 접촉형 원자간력 현미경으로 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
25. 청구항 16에 있어서, 상기 측정 단계는 주사 팁 원자간력 현미경으로 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
26. 청구항 17에 있어서, 상기 액추에이터를 가중치를 사용하여 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
27. 접촉에 의해 측정될 샘플용 지지물;

    상기 지지물의 움직임을 측정하여 그 움직임을 나타내는 출력을 생성하는 센서;

    상기 센서로부터의 상기 출력을 수신하여 상기 출력에 의거하여 신호를 생성하는 제어기; 및

    상기 제어기로부터의 상기 신호에 의해, 상기 신호에 의거하여 상기 지지물의 상기 움직임을 댐핑하는 방식으로 구동되는 액추에이터를 포함하는, 보상 시스템.
28. 청구항 27에 있어서, 상기 지지물 센서는 원자간력 현미경의 구성요소들을 포함하는, 보상 시스템.
29. 청구항 27에 있어서, 상기 샘플을 측정하는 측정 캔틸레버를 더 포함하는, 보상 시스템.
30. 청구항 27에 있어서, 제어기를 사용하여 상기 측정에 의거하여 보상을 결정하고, 상기 보상을 사용하여 상기 액추에이터에 출력을 생성하는 것을 더 포함하는, 보상 시스템.
31. 청구항 27에 있어서, 상기 센서 및 상기 액추에이터는 별개의 구성인, 보상 시스템.
32. 청구항 27에 있어서, 상기 센서 및 상기 액추에이터는 자신의 움직임에 의거하여 출력 신호를 생성하고 인가되는 신호에 의거하여 움직일 수 있는 단일 장치인, 보상 시스템.
33. 청구항 32에 있어서, 상기 단일 장치는 압전 스택(piezo stack)인, 보상 시스템.
34. 청구항 27에 있어서, 상기 센서는 상기 지지물에 의해 특정된 움직임의 위치를 판정하고, 상기 액추에이터는 상기 위치에서 움직임을 보상하는, 보상 시스템.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 특정된 움직임의 위치는 안티-노드이고, 상기 액추에이터는 다수의 액추에이터 소자를, 상기 안티노드의 각각에서 하나씩 포함하는, 보상 시스템.
36. 청구항 27에 있어서, 상기 액추에이터는 움직임의 방향에 관련된 제1 방향으로 향하는 제1 액추에이터부, 및 상기 제1 액추에이터부에 수직으로 향하는 제2 액추에이터부를 포함하는, 보상 시스템.
37. 청구항 27에 있어서, 상기 샘플을 홀드하는 착탈 가능한 홀더를 더 포함하고, 상기 센서는 상기 착탈 가능한 홀더 상의 움직임을 측정하는, 보상 시스템.
38. 청구항 28에 있어서, 상기 구성요소들은 일정 접촉형 원자간력 현미경의 부품인, 보상 시스템.
39. 청구항 28에 있어서, 상기 구성요소들은 주사 팁 원자간력 현미경의 부품인, 보상 시스템.
40. 청구항 27에 있어서, 상기 액추에이터에 결합되는 질량 요소(mass element)를 더 포함하는, 보상 시스템.
41. 제1 마이크로액추에이터가 지지 구조에 결합되는 캔틸레버에 대하여 샘플을 옮기도록 상기 제1 마이크로액추에이터에 에너지를 공급하는 단계로서, 상기 마이크로액추에이터는 상기 에너지 공급에 의해 상기 지지 구조에 운동량을 전달하도록 연결되는, 단계;

    상기 지지 구조 내의 변화를 측정함으로써 상기 지지 구조에 전달되는 상기 운동량을 감지하는 단계;

    상기 지지 구조의 움직임을 댐핑하는 양만큼 제2 마이크로액추에이터에 에너지를 공급하는 단계를 포함하는, 원자간력 현미경의 동작 방법.
42. 청구항 41에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로액추에이터는 압전 액추에이터인, 원자간력 현미경의 동작 방법.

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