KR20140129046A

KR20140129046A - 탐침 작동기

Info

Publication number: KR20140129046A
Application number: KR1020147023440A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 험프리스; 빈 자오
Original assignee: 인피니트시마 리미티드
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-11-06
Also published as: JP6216329B2; WO2013114100A1; US9291641B2; WO2013114099A1; US20150020244A1; US9222958B2; GB201201640D0; JP2018021930A; KR20140129047A; EP2810083A1; US20150013035A1; JP6495406B2; EP2810082B1; JP2015505616A; EP2810083B1; JP2015505617A; JP6224009B2; EP2810082A1

Abstract

본원은 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하는 방법에 관한 것이다. 제1 및 제2방사 빔의 세기는 변조되며; 상기 빔은 각 빔이 탐침을 가열하고 일반적으로 광열 효과에 의해 탐침이 변형을 일으키게 탐침 쪽으로 동시에 향하게 된다. 광학 시스템은 탐침 상의 서로 다른 구역으로 빔의 중심이 향하도록 배치된다. 이것은 각 빔의 구역이 그 효과를 최적화하게 선택될 수 있게 한다. 렌즈는 제1 및 제2빔들을 수신하고, 상기 탐침에 그들을 집속한다. 광 결합기는 빔들을 수신하고 결합하고, 결합된 빔이 탐침을 향하게 배치된다.

Description

탐침 작동기{PROBE ACTUATION}

본 발명은 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하는 방법과, 그 방법에 사용하기 위한 장치에 관한 것이다.

H. 야마시타, T. 유치하시, N. 고데라, A. 미야기, D. 야마모토, 및 T. 안도 등의, "고속 원자 힘 현미경(atomic force microscopy)용 작은 외팔보의 광열 작동기를 사용한 팁-시료간 이격거리의 제어"(Rev. Sci. Instrum. 78:083702(5페이지); 2007)는 외팔보의 광열 굽힘(photothermal bending)이 세기가 변조된 적외선 레이저(intensity-modulated infrared laser)에 의해 유도되는 원자 힘 현미경(AFM)을 기재했다. 적색 레이저는 또한 외팔보의 편향을 검출하는 데도 사용된다. 상기 2개의 레이저는 모두 대물 렌즈에 의해 외팔보에 집속된다.

상기 종래 구성의 장치가 가진 문제는 정확하게 탐침의 굽힘을 제어하고, 넓은 범위의 동작을 하기가 어렵다는 것이다.

본 발명의 제1양태는 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템을 제공하며, 상기 시스템은: 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 조명하도록 배치된 광학 시스템; 및 2개 이상의 구역에서 조명의 세기(the intensity of the illumination)를 다르게 변조하게 배치된 변조 시스템(modulation system)을 포함한다.

본 발명의 제2양태는 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 탐침의 변형이 일어나도록 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 조명하는 단계와; 2개 이상의 위치에서 조명 세기를 다르게 변조하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 탐침의 조명은 열을 발생하여, 광열 효과에 의한 변형이 일어나게 한다. 용어 "광열 효과(photothermal effect)"는 탐침의 열에 의해 발생하는 탐침의 변형을 지칭하는 일반적인 용어로 사용되며, 탐침의 이러한 열은 탐침의 조명에 의해 유도된다. 선택적으로, 탐침의 조명이 예를 들어 방사 압력(radiation pressure)에 의해 다른 메커니즘에 의한 변형이 일어나게 할 수도 있다. 방사 압력은 고 반사성 탐침 코팅과 공동의 이상적인 특정 형태로 가능한, 탐침에 부착되는 거울과 조합하여 사용될 수 있다.

탐침 상의 다른 구역의 조명은 각각의 조명 또는 스폿의 구역이 조명의 효과를 최적화하도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 탐침은 탐침 지지체에 인접한 상대적으로 넓은 기부근방 부분과 탐침 지지체로부터 떨어져 있는 상대적으로 좁은 말단부를 갖출 수 있으며; 광학 시스템은 탐침의 기부근방 부분과 탐침의 말단부를 조명하도록 배치된다. 다른 예로서, 1개 또는 2개의 조명 위치가 진동의 특정 모드(굽힘 또는 비틀림)의 노드 또는 안티-노드(anti-node)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 탐침은 말단부에서 횡방향 바아(cross bar)를 가진 T-형상으로, 상기 횡방향 바아의 각각의 대향 단부에서 1개의 조명 구역을 가질 수 있으며, 변조 시스템은 2개의 조명 구역에 180도 위상의 조명 세기를 조절하도록 배치된다.

조명 구역은 부분적으로 탐침에 중첩될 수 있는 것이지만, 바람직하게는 그들이 탐침에 중복되지 않는 것이다.

일 실시예에서, 광학 시스템은 단일 빔이 탐침 상의 2개 이상의 구역에 빔이 탐침을 순차적으로 조명하도록 이동하게 배치된다. 이 경우, 광학 시스템은 일반적으로 빔을 수신하여 탐침으로 향하게 하거나 집속하게 배치된 렌즈; 및 빔이 광축에 대한 각도로 렌즈에 들어오는 입사 각을 순차적으로 변조하게 배치된 전기 광학 변조기(EOM) 또는 음향 광학 변조기(AOM)를 포함한다. 다른 실시예에서, 광학 시스템은 2개 이상의 빔을 통해 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 동시적으로 조명하도록 배치된다.

탐침 상의 조명 구역이 다른 렌즈에 의해 지향되는 다른 빔으로 조명될 수는 있지만, 바람직하게는 광학 시스템이 제1빔과 제2빔을 수신하여 다른 구역에 있는 탐침으로 이들이 향하거나 집속(focus)하게 배치된 렌즈를 포함하는 것이다. 바람직하게, 이들이 다른 구역에 탐침으로 렌즈에 의해 지향되거나 집중되어서, 제1빔과 제2빔이 광축에 대해 서로 다른 입사각으로 렌즈에 입사한다. 제1빔과 제2빔은 이들이 상기 렌즈에 입사할 때 평행하게 입사한다. 선택적으로, 제1빔과 제2빔의 각각이 상기 렌즈에 입사할 때 평행하지 않게 입사(예를 들면, 분산 입사) 할 수 있다. 이 경우, 각각의 빔의 입사 각도는 평균 입사각(빔의 전체 폭에 대해 평균한 각도)으로 정의할 수 있으며, 제1빔과 제2빔은 렌즈의 광축에 대해 다른 입사 평균 각도로 렌즈에 입사한다.

각 빔의 직경은 렌즈의 입사동(entrance pupil)의 직경의 50% 또는 25% 보다 더 클 수 있다. 선택적으로 각각의 빔의 직경은 렌즈의 입사동의 직경의 10% 정도가 될 수 있다. 일반적으로, 빔은 렌즈의 입사동 내에서 중첩된다.

추적(tracking) 시스템이 1개 이상의 조명 빔을 이동시키기 위해 제공되어서, 전형적으로 빔(들)에 대해 대체로 직교하는 XY평면에서, 탐침의 움직임을 추적하여, 탐침이 조명되는 위치에 구역을 유지한다. 추적 시스템은 무빙 렌즈(moving lens)를 사용하여 탐침을 추적할 수 있다. 그러나, 이것은 특히 다른 파장의 광이 렌즈를 통과할 때 렌즈의 색수차(chromatic aberration)에 의한 문제를 발생할 수 있다. 또한, 렌즈는 중량으로, 빠르게 이동하기 곤란하게 만들며, 현미경의 작동 속도를 제한할 수도 있다. 따라서 바람직하게는, 광학 시스템이 하나 이상의 빔을 수신하여 이들을 탐침에 집중시키게 배치된 렌즈와; 빔(들)이 광축에 대한 각도로 렌즈에 입사하는 입사각이 장시간 동안 변하게 배치된 추적 시스템을 포함하는 것이다. 일반적으로, 추적 시스템은 서로 다른 빔들이 광축에 대해 서로 다른 입사각으로 렌즈에 입사하여, 이들이 서로 다른 구역에서 탐침에 렌즈에 의해 집속되게 배치된다. 통상적으로, 추적 시스템은 렌즈를 향한 방향으로 빔(들)이 반사하게 배치된 빔 스티어링 거울(beam steering mirror)과;(거울 팁핑(tipping) 또는 틸팅(tilting)하여) 빔 스티어링 거울을 회전하게 배치된 거울 작동기를 포함한다.

선택적으로, 광 추적 시스템이 필요하지 않은 경우, 탐침은 XY평면에서 정적으로 유지할 수 있다. 이 경우, 탐침과, 상기 탐침에 의해 스캐닝되는 시료와의 사이에 상대적인 XY동작은 탐침의 움직임보다는 시료의 움직임에 의해 일어날 수 있다.

일반적으로, 빔 결합기는 빔을 수신하고 결합하여, 결합된 빔이 탐침을 향하게 배치된다. 통상적으로, 빔은 서로 다른 특징(예를 들어, 서로 다른 파장 또는 바람직한 상이한 편광(polarisations))을 가져서, 빔 결합기가 복수의 빔 중 1개의 빔을 반사하고 나머지 빔은 전송한다. 빔이 효과적으로 탐침을 가열하도록 선택되는 동일한 파장(또는 적어도 유사한 파장)을 가질 수 있게 해주는 다른 편광을 가진 빔을 제공하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 제1 및 제2조명 구역은 동일한 파장에 방사선으로 조명되며, 그것은 탐침을 효과적으로 가열하거나, 방사 압력과 같은 다른 메커니즘에 의해 변형이 일어나도록 선택할 수 있다.

바람직하게, 탐침은 시료의 표면 위의 탐침을 이동하고 및/또는 탐침에 대해 시료를 이동하여 시료를 스캐닝하며, 변조 시스템은 탐침이 시료를 스캐닝하여 2개 이상의 구역 중 1개 이상에서 조명의 세기를 조절하게 배치된다. 예를 들어, 어느 한 구역에서의 조명의 세기는 측정 탐침 시료 사이의 상호작용에 응답하여 조절되어서, 탐침이 시료 면의 프로파일을 따라 움직인다.

광학 시스템은 탐침 상의 2개 이상의 구역에서 탐침을 조명하도록 배치되며, 일반적으로 탐침에 2개 이상의 조명 스폿(spot)을 제공한다. 변조 시스템은 2개 이상의 구역의 각각에 조명의 세기를 조절하고, 다른 구역 사이에서 서로 다르게(바람직하게는 독립적으로) 조명의 세기를 조절하도록 배치된다. 일반적으로, 조명의 세기는 제1구동 신호에 따라 구역 중 하나의 제1구역에서 조절되고 그리고 제2구동 신호에 따라 구역 중 하나인 제2구역에서 조절된다.

제1실시예에서, 스폿 중 하나를 사용하여 탐침을 대체로 일정하고 비교적 높은 주파수로 진동하며, 다른 스폿을 사용하여 탐침을 불규칙적으로 편향하여서 스캐닝되는 시료의 프로파일을 추적한다. 제2실시예에서, 스폿 중 하나를 사용하여 대체로 일정하고 비교적 높은 주파수로 탐침을 진동하고, 다른 스폿을 사용하여 선택된 탐침에 의해 스캐닝되는 시료를 향하는 방향으로 선택된 탐침이 이동하도록 탐침 어레이의 평면으로부터 하향하여 탐침을 선택하여서, 선택된 탐침이 시료와 상호작용할 수 있으며, 상기 어레이 내의 다른 탐침은 동일한 평면에서 선택되지 않고 남아있으며, 선택된 탐침에 의해 시료가 스캐닝되는 동안 시료와 상호작용하지 않는다. 제3실시예에서, 스폿 중 하나를 사용하여 탐침 진동을 하는 제1모드(예를 들어, 제1굽힘 모드)를 여기(excite)하며, 다른 스폿을 사용하여 진동을 하는 제2모드(예를 들어, 제1굽힘 모드보다 높은 주파수를 가진 제2굽힘 모드, 또는 비틀림 모드)를 여기한다. 따라서, 일반적으로, 조명의 세기는 2개 이상의 구역에서 다른(non-zero) 주파수로 변조된다(이들 주파수는 장시간 동안 변할 수 있음).

선택적으로, 탐침은 조명에 의해 수행되는 기능에 부합하도록 2개 이상의 조명 구역에서 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 탐침의 폭 및/또는 두께가 조명을 받는 2개 이상의 구역에서 상이할 수 있다.

탐침 제조공정으로 인해서, 탐침(및 탐침이 복합 층을 가진 탐침의 각각의 층)은 그 길이를 따라 균일한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 탐침의 두께는 그 길이를 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 탐침은 비교적 두꺼운 기초부(비교적 두꺼운 금속 층을 포함) 및 비교적 얇은 말단부(비교적 얇은 금속 층을 포함)를 가질 수 있다.

본 발명의 제3양태는 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템을 제공하며, 상기 시스템은: 제1 및 제2방사 빔의 세기를 조절하게 배치된 변조 시스템; 및 동시적으로 상기 빔을 탐침으로 지향하게 배치된 광학 시스템을 포함한다.

본 발명의 제4양태는 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하는 방법을 제공하며, 상기 방법은: 제1 및 제2방사 빔을 생성하는 단계; 제1 및 제2방사 빔의 세기를 조절하는 단계; 및 동시적으로 빔이 탐침을 지향하게 하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 각 빔이 탐침을 가열하고, 탐침은 광열효과에 의해 변형되는 것이다.

본 발명의 제3양태와 제4양태가 제공하는 개선된 시스템 및 방법에서는, 2개의 조절된 방사 빔을 사용하여 1개 이외에 탐침의 움직임을 구동하여서, 야마시타 등의 것보다 큰 파워로 탐침을 구동할 수 있으며, 따라서 탐침 조명의 세기 및 변조 대역폭을 증가시킬 수 있다.

빔은 탐침 상의 동일한 구역에 중심이 될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 광학 시스템이 탐침 상의 다른 구역으로 빔의 중심이 향하도록 배치되는 것이다. 이것은 각 빔의 구역이 그 효과를 최적화하게 선택할 수 있게 한다.

빔의 세기는 특히 이들이 탐침 상의 동일한 구역으로 지향하는 경우, 동일하게 조절될 수 있다. 그러나, 통상적으로는 변조 시스템이 제1방사 빔의 세기를 제2빔의 세기와는 다르게(바람직하게는 무관하게) 조절하도록 배치된다. 일반적으로, 제1빔의 세기는 제1구동 신호에 따라 조절되고, 제2빔의 세기는 제2구동 신호에 따라 조절된다.

본 발명의 다른 양태는 스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템 및 관련된 방법을 제공하며, 광학 시스템은 탐침이 변형하도록 탐침 상의 2개 이상의 구역에 빔으로 탐침을 순차적으로 조명하게 빔이 이동하도록 배치되며; 그리고 변조 시스템은 빔의 세기를 조절하도록 배치된다. 빔은 넓은 영역 전체에 걸쳐 에너지를 분배하기 위한 목적으로 탐침을 통해 스캐닝할 수도 있다.

다음과 같은 기술내용은 본 발명의 모든 면과 관련한 것이다.

탐침의 변형은 굽힘, 비틀림 또는 광열효과에 의해 발생하는 탐침의 다른 움직임일 수 있다.

추적 시스템은(각각의) 빔이 이동하여 탐침의 이동을 추적하여,(각각) 빔이 지향하는 탐침 상의 구역(들)을 유지하게 제공될 수 있다.

추적 시스템은 빔을 렌즈를 향한 방향으로 반사하는 빔 스티어링 거울과; (거울을 팁핑 또는 틸팅하여) 빔 스티어링 거울을 회전시키기 위한 거울 작동기를 포함할 수 있다.

작동 시스템은 탐침을 포함하는 스캐닝 탐침 현미경의 일부로서 제공될 수 있다. 탐침은 단일 물질을 포함하거나, 또는 서로 다른 열팽창 계수를 갖는 2개 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 2개 이상의 물질은(각각) 빔이 탐침을 가열하고, 광열효과에 의해 변형될 수 있게 배치된다.

스캐닝 탐침 현미경은 다음을 포함하는(그러나 한정적이지 않은 기재임) 많은 용도에 사용될 수 있다. 즉, 재료 과학 및 생물학 연구, 산업성 검사, 반도체 웨이퍼 및 마스크 검사 및 평가; 다양한 바이오 마커를 검출하는 바이오 센싱; 나노 리소그래피, 예를 들면, 스캐닝 탐침이 기판에 화합물을 증착하는 딥 펜 나노 리소그래피; 또는 탐침이 히터를 가진 데이터 스토리지를 포함하며, 상기 히터는 그 온도를 독립적으로 상승시켜 이진수를 나타내는 덴트(dent)를 생성하는 탐침에 의한 각인 작용에 따라 폴리머 기판을 용해한다.

일반적으로, 스캐닝 탐침 현미경을 작동하여(스캐닝 동작이 탐침의 이동 및/또는 시료의 이동으로 달성되는) 탐침에 의해 스캐닝되는 시료로부터의 정보를 얻는다. 시료로부터 얻어진 정보는 지형 정보 또는 다른 종류의 정보(예를 들면 시료 또는 시료 표면에 대한 화학적 및 기계적 정보)이다. 탐침 및 현미경은 부가적으로 예를 들어 적절한 상호작용 힘을 통한 자기장 또는 전기장과 같은 다른 시료의 특성을 측정하는데 사용될 수도 있다. 선택적으로, 스캐닝 탐침 현미경을 작동하여 예를 들어 시료에 화합물을 증착하거나 시료 상의 데이터를 저장하는 것과 같이 물질을 제거하거나 첨가하여, 탐침으로 시료를 조작하거나 수정할 수 있다.

일반적으로, 조명의 세기는 탐침이 시료와 상호작용할 때(예를 들어, 시료로부터 정보를 얻거나 또는 시료를 조작/수정할 때) 1개 이상의 구역에서 조절된다.

현미경은 탐침에 의해 스캐닝되는 시료의 이미지를 모으기 위한 이미지 수집 모듈을 포함할 수 있다.

현미경은 탐침의 움직임을 검출하기 위한 검출 시스템을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 검출 시스템은 조절된 스폿을 탐침으로 향하게 하는 동일한 렌즈에 의해 탐침으로 향하게 되는 검출 빔을 사용한다. 추적 시스템이 제공되는 경우, 바람직하게, 추적 시스템은 검출 빔을 이동시켜 탐침의 이동을 추적하고, 그에 따라서 검출 빔이 향하는 지점에서 탐침 상의 구역을 유지한다.

검출 시스템은 간섭측정(interferometry)에 기초하며, 검출 빔은 기준 빔과 결합하여 간섭 패턴을 생성하며, 상기 간섭 패턴은 2개의 빔 사이의 경로 차를 측정하거나 경로 차의 변화를 측정하여, 탐침의 순간 높이를 표시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 z방향 작동 시스템을 포함하는 일례의 원자 힘 현미경의 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 탐침이 시료 표면을 가로질러 스캐닝하는 동안, 제1, 제2 및 제3레이저 빔이 탐침의 국소 영역에 입사하는 추적 시스템의 세부 사항을 나타내는, 도 1의 z방향 작동 시스템을 예시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 빔 스티어링 시스템의 확대도이다.
도 4는 외팔보에 3개의 빔을 집속하는 대물 렌즈의 확대도이다.
도 5는 4개의 분리된 광원에 의해 조명될 때의 상태이며, 위에서 보았을 때의 외팔보를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 3개의 작동 빔의 변조 세기를 나타낸 도면이다.
도 7은 다른 탐침 구조 상의 z방향 작동 시스템의 3개의 빔의 바람직한 위치설정을 나타낸 도면이다.
도 8은 z방향 작동 시스템의 3개의 작동 빔의 바람직한 위치설정을 나타내는 선택형 열 바이모르프 탐침 설계의 개략도이다.
도 9는 AOM 또는 EOM을 포함하는 선택형 z방향 작동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 z방향 작동 시스템의 실시예를 포함하는 신규 현미경(10)을 도 1을 참조하여 도시했다. 현미경(10)은 탐침(16)에 의해 조사되는 시료(14)가 위에 장착된 스테이지(12)를 포함한다. 탐침(16)은 외팔보 빔(16a)과 팁(16b)을 포함하며, 상기 팁은 뾰족한 끝까지 경사지고, 외팔보 빔의 말단부를 향해 배치된다. 외팔보 빔의 다른 (기부근방) 단부는 마운트에 고정된다. 마운트와 탐침(16)은 압전기 xy 드라이버(18)에 연결되며, 상기 드라이버는 시료(14)의 평면(x,y)을 가로질러 탐침(16)이 이동하도록 스캐닝 제어기(20)에 의해 동작 가능한 것이다.

외팔보(16a)는 열 바이모르프로 지칭되는 타입의 것이다. 즉, 외팔보는 서로 다른 열팽창을 하는 2개(또는 그 이상)의 재료로 구성된다. 일반적으로 이것은 금 또는 알루미늄 코팅이 된 실리콘이나 실리콘 질화물 베이스가 될 것이다. 상기 코팅은 외팔보(16a)의 길이를 연장하며, 팁으로부터 뒷면을 덮는다.

작동 광원(22)은 외팔보의 코팅된 측으로 추적 시스템(24)을 통해 향하게 되는 세기-변조된 방사 빔을 발생한다. 광의 파장은 코팅재료가 잘 흡수하는 것으로 선정한다. 광학 시스템(도시되지 않음)은 외팔보(16a) 상의 다른 구역으로 빔이 향하게 한다. 탐침 조명 및 소스 장치에 대한 옵션은 이하에서 상세히 논의될 것이다. 이 개요의 목적을 위해서는 바이모르프 탐침(16)이 외팔보의 굽힘을 유도하고, 팁의 z방향 위치를 조정하도록 조명된다고 이해하는 것으로 충분할 것이다.

검출 시스템(26)은 탐침 팁(16b)의 편향 각을 나타내는 탐침 동작 신호를 수집하도록 동작한다. 검출 시스템(26) 내에서, 검출 광원(도 1에 도시 않음)은 팁이 장착된 단부에서 외팔보 빔(16a)의 상부 면(뒷면)으로, 추적 시스템(24)을 통해 지향되는 광 빔을 방출한다. 외팔보의 뒷면으로부터 반사되는 광은 편향 검출기(도면을 명료하게 나타내기 위해 도시하지 않음), 일반적으로 분할 포토다이오드로 전해지며, 상기 검출기는 외팔보의 편향을 나타내는 출력을 발생한다. 외팔보의 뒷면에서 반사되는 광은 명료한 도시가 이루어지게 도 1, 또는 도 3a 또는 도 4에 도시하지 않았다. 검출 시스템의 출력은 프로세서(28)에 의해 분석되어 탐침의 진동 진폭에 관한 정보를 구한다. 프로세서(28)를 선택적으로 작동하여 탐침 위치, 예를 들어 편향 또는 위상을 나타내는 다른 매개변수를 구할 수 있다. 측정된 진동의 진폭에 응답하는 피드백 제어기(30)는 피드백 신호(31)를 출력하며, 상기 피드백 신호는 탐침-시료간 이격 거리를 조정하여 일정한 진동 진폭을 유지하기 위해 탐침 위치의 조정을 지시하는 데 사용된다. 이런 탐침 위치의 조정은 Z방향-위치 피드백으로 아래에서는 참고된다. 이미지 수집 프로세서(32)는 현미경(10)에 의해 얻어진 시료의 표면에 관한 정보를 나타내는 피드백 제어기(30)로부터 피드백 신호(31)를 수신하고, 이것은 xy 스캔 패턴에 대한 지식과 함께, 시료(14)의 맵을 구성하는 데 사용된다. 일반적으로, 피드백 신호와 그에 따른 맵은 시료(14)의 표면에 대한 높이 정보를 제공한다.

상술한 바와 같이, 외팔보(16a)는 가열시 차등 팽창을 하는 재료로 이루어진 열 바이모르프 구조이다. 일 실시예에서, 외팔보(16a)는 알루미늄 코팅이 되었으며 실리콘 질화물로 제조된다. 작동 광원(22)은 최대 또는 피크가 특정 코팅을 위해 흡수 스펙트럼에 있는 1개 이상의 파장의 광을 방출한다. 예를 들어 파장은 ~ 810 nm 에 알루미늄 흡수 피크 근방에 있을 수 있다. 다른 코팅/파장 조합을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 500nm 광 미만의 높은 흡수성을 갖는 금(gold)을 사용할 수 있다. 이 광이 외팔보(16a)의 코팅 측에 입사하는 경우, 알루미늄은 실리콘 질화물보다 더 큰 정도로 신장되며, 팁은 시료를 향하는 방향으로 하향하여 이동하도록 외팔보가 굽어진다. 조명 세기가 증가하게 되면, 그에 따라서 팁(16b)은 시료 표면에 가깝게 이동한다. 반대로, 조명 세기가 낮아지는 경우, 구부러짐이 감소되고, 팁(16b)은 시료로부터 멀어지는 방향으로 이동한다.

명확히 다른 코팅 및 베이스 재료의 구성물은 조명에 대한 동일한 방향 또는 반대 방향으로 다른 수준의 구부러짐을 초래할 것이다. 작동 광원(22)은 신호 발생기(34)에 의해 제어되며, 상기 신호 발생기는 차례로, 피드백 제어기(30)에 연결된다. 따라서, 신호 발생기(34)를 작동하여 작동 광원(22)으로부터 방출되는 광의 세기를 제어할 수 있으며, 그것은 차례로 (특정 재료와는 관계없이) 열 바이모르프 탐침에 의해 나타나는 굴곡 도를 판단하여, 스캐닝을 하는 과정에서 팁-시료 사이의 이격거리를 관리한다.

작동 광원(22)으로부터 방출되는 광의 세기는 후술되는 매개변수에 따라 수행되는 스캐닝 진행에 따라 변한다. 기본적으로, 작동 광원(22)은 2개의 다른 타입의 탐침 제어: 상술된 z방향 위치 피드백과 탐침 진동(아래에서 상세히 설명됨)을 위한 구동기구를 제공하는 것으로 고려될 수 있다. 즉, 탐침의 진동을 구동하고, 스캐닝을 진행하는 동안 탐침-시료간 이격거리를 조정하도록 설정된다.

시료(14)의 이미지를 취하기 위해, 현미경은 다음과 같이 작동된다. 신호 발생기(34)는 원하는 주파수 및 진폭으로 진동하는 소스 신호를 제공한다. 이 신호는, 작동 광원(22)의 입력 시, 광원이 방출한 광 빔 중 하나의 빔이 신호 파형과의 관계로 그 세기를 변조하게 한다.

이 변조된 광이 외팔보(16a)에 입사되면, 광 세기의 변조로 변하는 외팔보의 굴곡을 초래한다. 따라서, 탐침 팁(16b)은, 자유 공간에서, 구동 신호의 것과 같은 주파수 및 진폭으로 시료를 향하거나 그로부터 멀어지는 방향으로 구동하게 된다. 이런 탐침 진동의 구동은 많은 원자 힘 현미경(AFM)의 용도에서 필요한 것이다. 동적 모드에서 작동하는 전형적인 AFM에서, 탐침 진동은 공진 또는 공진에 가까운 것일 수 있다. 선택적으로, 탐침은 탈(off)-공진이지만, 여전히 높은 주파수로 구동될 수 있다.

작동 시, 탐침(16)은 상술한 바와 같이 변조된 세기의 광 빔에 의해 조사(irradiate)되며, 따라서 원하는 자유 공간의 진폭으로 진동한다. 다음, 신호 발생기(34)는, 예를 들어, 작동 광원(22) 중 하나에 대한 구동 신호를 증가시킨다. 이것은 아래에서 상세하게 설명된다. 어느 경우 든, 그 결과는 탐침 팁(16b)이 시료에 가까이 이동한다는 것이다. 팁이 표면 쪽으로 이동하여 표면과 상호 작용하여서, 탐침의 진동 진폭은 감소된다. 탐침의 움직임은 검출 시스템(26)을 사용하여 모니터링 된다. 검출 시스템(26)으로부터의 출력은 프로세서(28)에 전달되며, 프로세서는 검출기 신호로부터 진동의 진폭을 끌어낸다.

피드백 제어기(30)는 탐침 진동의 관측된 진폭과 피드백 제어기(30)의 설정점의 진폭 사이의 차를 계산한다. 다음, 제어기(30)는 z방향 피드백 신호를 발생하며, 상기 신호는 이미지 수집 프로세서(32)에 의해 사용되어 시료 표면의 이미지를 구성한다. 또한, z방향 피드백 신호는 신호 발생기(34)에도 입력된다. 다음, 신호 발생기(34)는 지침 신호를 구동하여 1개의 작동 광원(22)으로 전송하여서 재변조된 출력을 생성한다. 재변조된 출력은 외팔보의 굴곡 패턴의 조절을 초래하며, 효과적으로 탐침 진동을 유지할 뿐만 아니라 피드백에 응답하여 팁의 Z방향 위치를 조정하기도 한다.

xy 스캐너(18)는 일반적으로 래스터 패턴(raster pattern)을 동반하며, 시료의 표면을 가로질러 탐침 팁(16a)을 구동한다. 스캐닝 제어기(20)는 추적 시스템(24)이 스캐너(18)에 의해 구동되는 스캔 패턴에 부합하여 작동 소스(22)와 높이검출 시스템(26) 양쪽으로부터의 광이 그 이동 시에 탐침 상의 자신들의 위치를 유지하도록 보장한다. 스캐닝 제어기(20)는 자신들의 특정한 구조 및 기계적 동작에 따른 스캐너(18)와 추적 시스템(24)에 대한 서로 다른 구동 신호를 계산할 수 있다. 팁(16b)이, 예를 들면, 증가된 높이와 그 표면의 일부가 직면하게 되면, 팁의 동작은 변경되며, 모니터링된 매개변수, 예를 들어 탐침 진동의 진폭은 설정 점으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 1개의 광원(22)에 의해 시료(14)로부터 광원이 멀어지게 이동하고, 검출기(28)로부터 수신된 신호를 그 설정점으로 귀환하게 제어하여서, 피드백 제어기(30)는 탐침 팁의 수직 위치를 조정하게 설정된다. 따라서, 탐침(16)은 표면과의 상호작용이 (진동 수에 대한) 일정한 평균값을 갖는 위치에서 유지된다.

도 2에서 Z방향 작동 시스템(22, 24, 34)의 기능 부분을 상세히 나타내었다. 이 예에서, 작동 광원(22)은 각각이 810nm 근방에서 동일한 적외선 파장의 광을 방출하는 제1 및 제2레이저(22a, 22b)를 포함한다. 제1레이저(22a)의 광(40a)은 수평적으로 편광되고, 제2레이저(22b)의 광(40b)은 수직적으로 편광된다. 양쪽 레이저(22a, 22b)가 방출하는 광의 출력 세기는 각각의 구동 신호를 통해 신호 발생기(34)가 제어하는 것과는 관계가 없다.

편광 빔 결합기(42)는 각각의 면(face)에 입사하는 2개의 광원에서 나오는 편광(40a, 40b)이 단일 출력 면에 출구를 향하게 배치된다. 특정적으로, 빔 결합기(42)는 빔(40b)의 S편광 성분을 반사하지만, 빔(40a)의 P편광 성분은 투과하는 빔(40a)에 대해 45°의 각도로 배치된 내부 거울(42a)을 갖는다.

빔(40b)이 S편광이 되고 그리고 빔(40a)이 P편광이 되는 사실은 제한적이지 않은 구성이다. 어느 한 편광이 어느 한 빔으로, 또는 실질적으로 원형 편광으로 사용할 수도 있다. 필요한 모든 것은 그들이 빔 결합기에서 결합될 수 있도록 그들이 다른 편광으로 된다는 것이다.

제1전동 거울(44a)은 2개의 회전 직교 축에 대한 거울 작동기(44c)에 의해 조향가능 하여, 제2레이저(22b)로부터의 광(40b)이 필요한 각도와 위치에서 빔 결합기(42)에 유입하게 한다. 따라서, 제1거울(44a)을 조정하여 레이저 출력 빔(40a, 40b)이 결합기를 대체로 평행하거나 소량의 각도 차이로-이 각도 차이는 도 3 및 도 4에 명료하게 도시되었음-빠져나가게 한다. 또한, 높이 검출 시스템(26)에 사용하기 위한 제3레이저 빔(40c)도 적절한 광학체(도시되지 않음)에 의해 아래에서 논의되는 스티어링 거울 시스템(46)으로 향해지게 된다.

제2전동 거울(44b)은 결합된 z방향 작동 빔(40a, 40b)이 추적 시스템(24)을 향하는 방향으로 지향되게 한다. 제2거울(44b)의 각도가 거울 작동기(44d)에 의해 2개의 직교 축에 대해 조정될 수 있어서, 레이저 출력 빔(40a, 40b)이 빔(40c)에 대해 작은 각도 차이를 갖고 추적 시스템(24)에 입사하여, 3개의 빔(40a, 40b, 40c)이 그 사이의 각도 차이가 작은 각도를 갖고 추적 시스템(24)에 입사한다. 탐침(16)이 xy스캐닝 시스템(18)에 의해 시료 표면을 가로질러 스캐닝하는 경우, 추적 시스템(24)은 3개의 빔(40a, 40b, 40c)이 탐침 xy 위치를 따르면서, 자신들의 상대적인 변위를 계속하여 유지하는 방식의 스캐닝을 한다.

추적 시스템(24)의 출사 시, 동시적으로 빔(40a, 40b, 40c)은 외팔보(16a)의 뒷면쪽으로 대물 렌즈(48)에 의해 집속된다. 빔(40a, 40b, 40c)이 다른 각도로 렌즈계(48)에 입사하여서, 그들은 외팔보(16a)의 각각의 횡방향으로 변위되는 구역에 집속된다.

추적 시스템(24)의 세부 사항은 도 3a 및 도 3b에 도시되었다. 빔(40a, 40b, 40c)은 직각 블록(54) 쪽으로 고정된 거울(52)로부터 반사된다. 직각 블록은 빔(40c)이 입사 면에 수직적으로 입사하도록 지향되어 있다. 빔(40a, 40b, 40c)의 상대적 각도 변위는 직각 블록(54)에 의해 유지된다. 빔(40a, 40b, 40c)은 빔(40c)에 대한 일정한 각도로 배향된 조정가능한 거울(56)로 전달된다. 빔(40a, 40b, 40c)은 대물 렌즈(48) 쪽으로 거울(56)로부터 반사된다. 거울(56)은 3개의 압전 작동기 지주(56a)에 장착되며, 상기 지주(strut)들은 도 3a에 도시된 바와 같이 거울의 중심에서 원형으로 120°간격으로 떨어져 있다. 3개의 지주(56a)의 길이는 2직교 축에 대해 거울을 이동하면서 함께 조정되거나, 또는 거울을 회전하거나 기울이면서 다른 비율로 조정될 수 있다. 즉, 거울(56)의 각도는 거울(56)을 기울여서 2직교 축에 대해 조정할 수 있다. 2직교 축에 대한 회전의 제어는 독립적으로 수행할 수 있다. 거울(56)을 기울여서, 반사된 빔(40a, 40b, 40c)을 함께 회전시켜, 각각의 빔의 입사각 및 입사점이 대물 렌즈(48)를 횡방향으로 가로질러 이동하게 한다. 거울(56)의 동조(synchronisation)는 탐침(16)에 따르는 스캐닝 패턴의 기울임이며, 그것은 xy 스캐너(18)에 의한 구동은 입사 빔(40a, 40b, 40c) 각각이 탐침 상에서 자신들의 위치를 유지하는 것을 의미한다. 탐침에서의 빔(40a, 40b, 40c)의 위치는 렌즈(48) 쪽으로의 빔의 입사각(입사점이 아님)에 의해서만 결정되어서, 탐침 상의 초점 사이의 간격은 렌즈로의 입사점의 변경으로 변하지 않는다.

이런 추적 시스템(24)은 4개, 5개, 또는 그 이상의 광 빔이 무빙 외팔보를 추적하게 하는데 채택될 수 있음을 당업자는 예측할 수 있을 것이다.

도 4는 외팔보(16a) 상의 각각의 스폿에 빔(40a, 40b, 40c)을 집속하는 대물 렌즈(48)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 렌즈(48)가 도 4에서 단 1개 만의 렌즈 요소로 도시되어 있지만, 그것은 다수의 렌즈 요소의 조립체를 포함할 수 있는 것으로 이해한다. 상술한 바와 같이, 거울(44a, 44b)은 빔(40a, 40b, 40c)이 렌즈의 광축(48a)에 대한 서로 다른 입사각으로 대물 렌즈(48)에 입사하도록 배치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이것은 빔(40a, 40b, 40c)이 그 길이를 따라 서로 다른 구역에 탐침 쪽으로 대물 렌즈(48)에 의해 집속되는 결과를 초래한다. 이 예에서, 빔(40c)은 광축(48a)과 평행하다. 상기 빔(40a, 40b, 40c)의 각각은 대물 렌즈(48)의 입사동(entrance pupil)의 직경의 1/4 보다 큰 직경을 갖는 것에 주의한다.

광학 시스템은 무한 광학 시스템이며, 따라서 빔(40a, 40b, 40c)은 이들이 대물 렌즈(48)에 입사할 때 모두 수집되며, 탐침 상의 스폿 위치는 오직 대물 렌즈(48)에 입사하는 수집된 빔의 각도에만 따르고, 그 횡방향 위치에는 따르지 않는다. 선택적으로, 시준(collimation) 렌즈(41a, 41b)는, 필요한 경우, 빔(40a, 40b)을 수집하기 위해 제공될 수 있다. 무한 광학 시스템(infinity optical system)은 이러한 렌즈(41a, 41b)의 위치가 외팔보에 스폿을 형성하는데 영향을 주지 않고 조정되고 광학 성분이 더해질 수 있기 때문에 바람직한 것이다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 광학 시스템은 각각의 빔이 렌즈(48)에 입사하여 분산(divergent)되는 유한 광학 시스템(finite optical system)이다.

도 5는 빔(40a-c)에 의해 조명된 외팔보(16a) 상의 스폿을 개략적으로 나타낸 도면이다. 스폿의 중심은 간격을 두고 떨어져 있으며, 스폿은 겹쳐져 있지 않다. 도 5는 또한 도 2에 도시된 비전(vision) 시스템 광원(60)에 의해 방출되는 빔(40d)에 의해 조명되는 대형 영역도 나타낸 것이다. 이 광원(60)은 비전 시스템의 일부이며, 스캔 수행에 앞서 탐침(16)과 빔의 광학적 정렬이 이루어진다. 비전 시스템은 또한 광원(60)으로부터 떨어져서, CCD 카메라(61), 부분적 반사 거울, 및 튜브 렌즈(41)를 포함하며, CCD에 이미지를 형성한다. 외팔보(16a)는 기판(61)에 장착되며, 위에서(z 방향) 보고 나타낸 것이다.

외팔보의 자유 말단부 근방에 제1스폿은 검출 레이저 빔(40c)의 입사 위치에 있다. 검출 레이저 빔(40c)은 비-변조된 빔이며, 상기 빔은 탐침 팁이 시료 표면과 상호 작용하여 탐침의 뒷면의 편향을 검출하는데 사용된다. 따라서, 외팔보의 반대편 측에서, 팁(16b) 부근에 위치하여야 한다. 팁(16b)은 대부분의 외팔보 설계에서 외팔보의 자유 말단부를 향해 있고, 마찬가지로 검출 레이저 빔(40c)도 자유 말단부를 향하는 방향으로 입사된다.

빔(40a)은 탐침의 편향을 이동시켜(즉, Z방향 피드백 신호(31)에 따라 스캐닝을 하는 과정에서 탐침-시료간 이격 거리를 조종하여), 자유 말단부와 기부근방 단부/기판(61) 사이에 위치한 제2스폿에 외팔보(16a)를 조명하게 배치된다. 빔(40b)은 스캐닝을 하는 과정에서 탐침의 진동을 구동하고, 외팔보(16a)와 기판(61)의 계면 근방에서 외팔보의 기부근방 단부에 입사된다. 빔(40a, 40b)에 의해 형성된 스폿은 유사한 크기로 나타나지만, 진동 및 편향 빔의 조명 영역은 다를 수 있다.

도시된 구역이 바람직하다 하더라도, 진동 빔(40b) 및 편향 빔(40a)이 도시된 것과는 다른 외팔보 상의 위치에 입사될 수 있다. 특히, 외팔보의 진동이 탐침 외팔보의 베이스(기부근방 단부)와 기판(61) 근방을 향하는 방향으로 진동 빔(40b)을 향하게 하여서 매우 효과적으로 여기 된다. 이것은 외팔보의 기계적 진동을 효과적으로 구동할 수 있게 한다.

대형의 제4스폿은 설치하는 동안 외팔보를 보는 데 사용되는 카메라(60)용 조명 빔(40d)이다. 이것은 선택적으로 시료를 스캐닝하는 동안 오프로 전환할 수 있다.

도 3에 나타낸 추적 시스템(24)은 모두 4개의 빔(40a-d)을 함께 추적하도록 배치되며, 상기 빔들은 종방향으로 정렬이 유지된다. 이런 방식으로 형성하여, 상기 빔들은 계속하여, 탐침이 스캐닝하는 과정에서 이동하여, 동일한 상대적 배향으로, 외팔보(16a)를 조명한다.

도 6은 3개의 빔(40a-c)의 세기 변조(intensity modulation)를 나타낸 그래프이다. 진동 빔(40b)의 세기는 제1구동 신호에 따른 신호 발생기(34)에 의해 조절되며, 그 신호는 일반적으로 수 십(10) kHz 내지 수 MHz 범위의 일정 주파수에 사인파(90)이며, 특정 사항은 현미경 구조, 작동 모드 및 특정 외팔보에 따른다. 제1구동 신호에 의해 생성된 탐침 팁(16b)의 진동의 최대 진폭은 일반적으로 10-200nm 정도이다. 편향 빔(40a)의 세기는 제2구동 신호에 따른 신호 발생기(34)에 의해 변조되어 탐침의 일정한 진동 진폭을 유지하며, 탐침의 팁(16b)은 시료의 프로파일을 추적할 수 있고, 이 경우에 탐침의 팁(16b)은 시료의 계단을 통과하여 '91'에서 제2구동 신호로 변한다. 전형적으로, 계단은 수 마이크로(microns) 정도의 크기로 이루어져서, 제2구동 신호에 의해 발생하는 탐침 팁(16b)의 편향 진폭은 일반적으로 제1구동 신호에 의해 발생하는 탐침 팁의 편향 진폭보다 어느 정도 더 큰 크기(즉, 적어도 10배 더 큰 크기)이다. 검출 레이저 빔(40c)은 일정한 세기(92)를 갖도록 변조되지 않는다.

도 7은 다른 탐침 형상을 나타낸 도면이다. 이런 구성에서, 외팔보는 베이스로부터 자유단부까지 연장되는 종방향 아암(74)과 자유단부에 횡방향 바아(76)를 갖고, T자 형상으로 형성된다. 이 평면도에서 볼 수 없더라도, 팁은 횡방향 바아(76)에 비대칭적으로 위치하여, 그에 의해 지지되어 있는 것을 의미한다. 이런 방식에서, 오프셋 팁은 시료 표면을 향하여 그로부터 멀어지는 방향으로 수직적으로 이동하는 작은 원호를 나타낸다. 뒤틀림 진동(torsional oscillation)에 의해서, 외팔보는 그 종축에 대해 진동하여 비틀림 운동을 수행하게 된다. 따라서, T자 형상의 탐침의 뒤틀림 진동은 표준 직사각형 탐침의 굴곡 진동으로 교체하여 사용할 수 있다.

뒤틀림 진동에 의해 확립되는 수직 팁 동작은 고속 스캐닝 현미경에 사용되는 경우, 다른 모드를 능가하는 여러 이점을 제공한다. 뒤틀림 공진은 굴곡 공진보다 높은 공진 주파수에 있다. 이상적으로, 뒤틀림 진동 주파수는 0.5 - 5 MHz 부근에 있고, 굴곡 탄성 상수는 0.2 - 2 Nm-1(이들 매개변수는 외팔보의 치수를 조정하여 제어될 수 있음) 정도이다. 이것은 시료되는 표면에서의 비율이 뒤틀림 작동용 보다 높다는 것을 의미한다. 따라서, 스캐닝 속도를 증가하거나, 또는 팁-시료 상호작용 힘의 검출 감도를 향상시키는데 사용할 수 있다. 동적 이미지에서 직면하는 다른 문제에는 때때로, 피드백 시스템에서의 대형 에러(예를 들면, 표면 높이의 급격한 변화로부터 제기되는 에러)가 굴곡 굽힘(편향)이 시료-탐침 베이스 간격에서의 에러를 수용하도록 증가할 때 표면에 인가되는 대형 힘을 초래할 수 있는 것이 있다. 진동의 뒤틀림 모드를 사용하여 동적 진동을 제공하는 것은 굴곡 굽힘의 강성(stiffness)이 동적 기능성의 손실 없이 감소 될 수 있는 것을 의미한다. 이것은 인가된 표면 힘에 에러의 영향력을 줄이고, 굴곡 굽힘이 뒤틀림 모드에 더하여 필요한 경우, 탐침의 더 큰 변위를 제공한다.

도 5의 직사각형의 탐침 설계와 같이, 3개의 간격을 두고 떨어져 있는 레이저 빔이 뒤틀림 진동을 여기하도록 T자형 탐침의 뒷면에 집속된다. 이전과 같이, 검출 레이저 빔(40c)은 탐침의 팁 위에 스폿에 집속된다. 탐침 팁이 횡방향 바아(76)를 따라 오프셋 되어서, 그렇게 검출 스폿(40c)도 있게 된다. 진동 빔(40b)은 다시 효과적인 결합을 보장하기 위해 탐침과 기판 사이의 계면에서의 외팔보(74)의 기부근방 단부에 집속된다. 그러나 이 실시예에서, 스폿(40b)은 외팔보 종축의 우측으로 오프셋으로 되어 있다. 오프셋(offset) 위치는 뒤틀림 진동을 가장 잘 여기하는 것으로 확인되었다. 제3빔(40a)은 다시 검출 및 진동 빔 사이의 외팔보 상에서 중심에 집속된다.

도 8은 본 발명의 Z방향 작동 시스템에 응답하는 탐침의 다른 설계를 도시한다. 이 실시예에서, 기판(93)은 3개의 탐침(94a-c) 어레이를 지지한다. 각 탐침은 기판에서 넓은 영역(96a)과 자유 단부까지 연장되는 좁은 영역(98a)을 갖는다. 양측 영역(96a, 98a)은 기초재료와는 다른 열 팽창성을 가진 재료로 코팅된다.

이 실시예에서, 팁의 위치 위에 있는 제1조명 스폿(100)은 검출 레이저에 의해 형성되었다. 이 스폿(100)은 탐침 이동을 구동하지 않는다. 제2스폿(102)은 외팔보의 2개의 섹션(96a, 98a) 사이의 계면에 집속된다. 이 계면은 또한 광열 에너지가 기계적인 진동을 여기하는 효과적인 결합 부위이다. 이 스폿(102)은 탐침 진동을 구동하는 레이저에 따른다. 제3스폿(104)은 기판(92) 쪽으로 탐침의 섹션(96a)에 집속된다. 이 레이저 빔은 탐침 선택에 대한 응답성이 있다. 즉, 탐침(94a-c) 중 하나에 집속되어, 그것을 다른 탐침의 평면으로부터 하향하여 낮추고, 그 탐침을 선택하여 스캐닝을 수행한다. 이전과 마찬가지로, 빔 추적 시스템은 모든 빔이 시료를 가로질러 스캐닝하기 때문에 탐침에 대해 고정된 위치를 유지하게 한다. 제1실시예에서의 시료의 프로파일을 따르는 탐침의 편향은 편향 빔(40a)에 의해 구동된다. 도 8의 경우, 이 프로파일 편향은 스폿(100, 102) 사이에 제4스폿(도시되지 않음)에 의해; 스폿(104)(그 탐침 선택 기능에 더하여)에 의해; 또는 압전 작동기와 같은 다른 작동 메커니즘에 의해 구동될 수 있다.

도 9는 오직 1개의 변조된 빔(110)만이 상기와 같이 2개의 변조된 빔(40a,b)을 대신하여 사용되는 다른 광학 장치를 나타낸다. 이 예에서, 렌즈(48) 내로의 빔(110)의 입사 각도는 상기 탐침 상의 서로 다른 2개의 구역에서 빔(110)으로 탐침를 순차적으로 조명하도록, 변조기(111)에 의해 2개의 각도(112, 114) 사이에서 절환된다. 변조기(111)는 전기광학 변조기 또는 음향광학 변조기가 바람직하다. 변조기(111)는 주파수적으로 충분하게 각도를 절환할 수 있어서, 탐침을 각각의 각도에서 조명 사이클 사이에서 심하게 냉각하지 않는다. 예를 들어, 탐침 상의 구역 사이에 절환 시간은 탐침 상의 구역의 열 시간 상수(thermal time constant)보다 작은 것이 바람직하다. 빔(110)이 각도(112)로 지향하는 경우, 탐침을 편향하여 시료의 프로파일을 따르게 조절되며, 각도(114)로 지향하는 경우, 탐침을 진동하도록 조절된다.

상기 예에서, 빔(110)은 빔에 의해 다루어지는 구역과 동조하여 변조된다. 즉, 빔(110)이 각도(112)로 지향될 때, 제1변조가 인가되어 빔의 세기를 변화시키며, 그리고 빔(110)이 각도(114)로 지향될 때, 제2변조가 인가되어 빔의 세기를 변화시킨다. 다른 실시예에서는, 빔(110)의 세기가 변조되지 않고, 대신에 2개의 구역의 가열 양이 펄스 폭 변조와 유사한 방식으로, 각 구역에 빔을 보내는 시간의 양을 제어하여 변조된다. 즉, 빔이 2개의 구역 사이를 절환(switch)하여서, 각 구역에서 보내는 시간의 양이 시간이 지남에 따라 변할 수 있어서, 각 구역으로 전달되는 평균 파워가 변할 것이다. 2개의 구역이 독립적으로 변조될 수 있도록, 상기 빔은 또한 절환 사이클의 일부로 제3구역으로 지향하기도 하며, 상기 제3구역은 탐침을 벗어나거나 탐침의 일부와 무열적 반응(no thermal response)을 한다.

또 다른 예에서, 빔(110)의 변조는 빔에 의해 다루어지는 구역과 동조하여 변화하지 않을 수 있다. 이 예에서, 빔(110)은 2개의 구역을 다르게 가열할 목적 이외에 넓은 영역에 걸쳐 에너지를 분배하기 위한 목적으로 외팔보의 표면 위에 연속적으로 스캐닝 된다. 빔(110)의 세기는 (예를 들어 탐침을 진동할 목적으로) 표면 위를 스캐닝할 때 변조되지만, 빔(110)의 세기가 스캐닝 동작에 동조하여 변조되지는 않는다. 즉, 제1구동 신호에 따른 구역의 제1구역 및 제2구동 신호에 따른 구역의 제2구동 구역에서 변조되지 않고 - 오히려 빔의 각도와 상관없이 단일 구동 신호(예를 들어 일정 주파수의 사인파) 만에 따라 변조된다.

설명의 편의를 위해, 도 9의 실시예에서는 검출 빔을 나타내지 않았다. 그러나 검출 빔은 또한 도 2에 도시된 다양한 다른 추가 항목과 함께 소용될 수 있는 것이다. 변조기(111)는 도 2의 항목(42, 44a, 44c)을 대체한다. 따라서, 추적 시스템(24)은 변조기(111)로 대체되지 않고, 따라서 거울(56)이 계속하여 사용되어서 탐침의 래스터 스캐닝 동작을 추적하는 데 사용된다.

언급한 바와 같이, 종래의 AFM 스캐닝을 하는 과정에서 Z방향으로의 탐침 동작은 2개의 성분: 탐침-시료 상호작용을 모니터링하는 데 사용되는 진동 성분과, 피드백 신호에 응답하여 탐침-시료간의 간격 거리를 조정하는데 사용되는 Z방향 위치설정 성분을 포함하여, 평균 상호작용의 세기가 일정 수준으로 유지되게 한다. 본 발명의 실시예(도 1)에서, 단일 작동 시스템을 사용하여 Z방향으로의 모든 탐침 움직임을 구동한다. 구동 신호의 피드백 성분을 사용하여 이미지를 구성한다.

상술한 실시예에서, 높이 검출 시스템(26)은 탐침의 각도를 측정하는 광학 레버를 사용하여 편향 검출에 기초한다. 다른 높이 탐지 시스템, 예를 들어 간섭계에 기초한 시스템도 사용될 수 있다. 그런 검출 시스템은 레이저 빔과 참조 빔을 방출하는 광원을 포함하며, 레이저 빔은 외팔보의 팁 단부의 상부 표면에 집속되며, 기준 빔은 스테이지의 상부 표면으로부터 반사된다. 반사 시에, 이런 광 빔은 간섭계를 포함하는 탐침 높이 검출기로 전달된다. 레이저 광은 간섭 패턴이 외팔보로부터 반사되는 광과 참조 빔 사이에서 발생되는 충분한 가간접성(coherent) 이다. 이것은 경로 차의 측정 또는 2개의 빔 사이의 경로 차의 변화 및 그에 따른 스테이지 표면 위의 외팔보의 뒷면의 순간 높이의 시도(indication)를 나타낸다.

도 4, 6 및 7의 탐침 팁 상의 스폿(40c)의 위치는 특히 바람직하게는, 검출 시스템(16)이 탐침 팁의 높이를 직접 측정하는 간섭계 검출 시스템인 경우에 바람직하다. 그러나, 검출 시스템(16)이 탐침의 각도를 측정하는 광학 레버이고, 검출 스폿(40c)의 위치가 덜 중요한 경우이면, 예를 들어 도 6의 경우에서와 같이 T자형 탐침용으로 횡방향 바아(76)를 가로질러 임의 장소에 배치할 수 있다.

본 발명이 하나 이상의 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 다양한 변경이나 변형이 첨부된 청구범위에서 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있는 것으로 한다.

Claims

스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 조명하도록 배치된 광학 시스템과;
2개 이상의 구역에 다르게 조명의 세기를 변조하게 배치된 변조 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항에 있어서,
광학 시스템은 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 동시적으로 조명하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
광학 시스템은 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈는 제1 및 제2빔을 수신하여, 이들이 제1 및 제2구역으로 향하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제3항에 있어서,
제1빔 및 제2빔은 그 광축에 대한 각도로 서로 다른 입사각으로 렌즈에 입사하여, 그들이 서로 다른 구역에서 탐침 쪽으로 렌즈에 의해 지향되는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
광학 시스템은 빔 결합기를 포함하며, 상기 빔 결합기는 제1 및 제2빔을 수신하여, 결합하여서, 탐침을 조명하도록 결합된 빔이 탐침을 향하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제5항에 있어서,
상기 빔은 빔 결합기가 빔 중 하나를 반사하고 나머지 빔을 전송하도록 서로 다른 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
탐침의 이동을 추적하도록 빔을 이동시키기 위한 추적 시스템을 추가로 포함하여, 탐침이 조명되는 위치에서 구역을 유지하는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제7항에 있어서,
추적 시스템은 탐침 상의 2개 이상의 서로 다른 구역에 빔으로 탐침을 순차적으로 조명하도록 빔을 이동하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항에 있어서,
광학 시스템은 탐침 상의 2개 이상의 구역에 빔으로 탐침을 순차적으로 조명하도록 빔을 이동하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제9항에 있어서,
광학 시스템은 빔을 수신하여 그것을 탐침 쪽으로 집속하게 배치된 렌즈와; 빔이 광축에 대한 각도로 렌즈에 입사하는 입사각을 순차적으로 변하게 배치된 전기광학 변조기 또는 음향광학 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
변조 시스템은 제1구동 신호에 따른 구역 중 1개의 제1구역에서 조명의 세기를 조절하게 배치되고, 그리고 상기 변조 시스템은 제1구동 신호와는 다른 제2구동 신호에 따른 구역 중 1개의 제2구역에서 조명의 세기를 조절하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
변조 시스템은 상기 구역 중 1개의 제1구역에서 조명의 세기를 조절하여 탐침을 진동하게 배치되고, 그리고 상기 변조 시스템은 상기 구역 중 1개의 제2구역에서 조명의 세기를 조절하여 탐침 어레이의 평면으로부터 하향하여 탐침을 선택하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제12항에 있어서,
진동에 의해 일어나는 탐침 팁의 편향 최대 진폭은 탐침 어레이의 평면으로부터 하향하여 발생하는 탐침의 편향 진폭보다 적어도 10 배 작은 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템에 있어서, 상기 작동 시스템은:
탐침 상의 2개 이상의 구역에 빔으로 탐침을 순차적으로 조명하게 빔을 이동하도록 배치된 광학 시스템과; 빔의 세기를 변조하도록 배치된 변조 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
탐침; 및 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 작동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
제15항에 있어서,
광학 시스템은 탐침을 가열하여, 탐침이 광열효과에 의한 변형이 일어나도록 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 조명하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
제15항 또는 제16항에 있어서,
탐침은, 각각의 빔이 탐침을 가열하여 탐침이 광열효과에 의해 변형될 수 있게 배치된 서로 다른 열팽창 계수를 갖는 2개 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐침은 탐침 지지체 근방에 상대적으로 넓은 기부근방 부분과 탐침 지지체로부터 원격진 상대적으로 좁은 말단부분을 갖고; 그리고 상기 광학 시스템은 상기 탐침의 기부근방 부분과 탐침의 말단부분을 조명하도록 배치된 것을 특징으로 하는 스캐닝 탐침 현미경.
스캐닝 탐침 현미경의 탐침의 구동 방법에 있어서, 상기 방법은:
탐침의 변형이 일어나도록 탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침을 조명하는 단계와; 2개 이상의 구역에 서로 다른 조명의 세기를 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서,
탐침 상의 2개 이상의 구역에 탐침의 조명은 탐침을 가열하여, 탐침이 광열효과에 의해 변형이 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서,
탐침은 탐침 상의 2개 이상의 구역에 동시적으로 조명되는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
렌즈가 제1 및 제2빔을 수신하여, 렌즈의 빔을 탐침 쪽으로 향하게 하는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제22항에 있어서,
제1빔 및 제2빔이 서로 다른 구역에 탐침 쪽으로 렌즈에 의해 집속되도록, 상기 제1빔 및 제2빔이 광축에 대한 각도로 서로 다른 입사각으로 렌즈에 입사하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
탐침을 이동하고, 상기 탐침의 이동을 추적하게 조명을 이동하여, 탐침이 조명되는 구역을 유지하는 단계도 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
탐침은 시료를 스캐닝하며, 상기 구역 중 1개의 구역에 조명의 세기는 시료의 표면 프로파일에 따라 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구역 중 1개 이상의 구역에 조명의 세기는 대체로 일정한 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조명의 세기는 제1구동 신호에 따라 상기 구역 중 1개의 제1구역에서 변조되며, 상기 조명의 세기는 제2구동 신호에 따라 상기 구역 중 1개의 제2구역에서 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구역 중 1개의 제1구역에 조명의 세기를 변조하여 탐침을 진동하는 단계와, 상기 구역 중 1개의 제2구역에 조명의 세기를 변조하여 탐침 어레이의 평면으로부터 하향하여서 탐침을 선택하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제28항에 있어서,
진동에 의해 일어나는 탐침 팁의 편향의 최대 진폭은 탐침 어레이의 평면으로부터 하향하여 일어나는 탐침 편향의 진폭보다 적어도 10배 작은 것을 특징으로 하는 방법.
스캐닝 탐침 현미경의 탐침의 구동 방법에 있어서, 상기 방법은:
탐침의 변형이 일어나도록 탐침 상의 2개 이상의 구역에 빔으로 탐침을 순차적으로 조명하도록 빔을 이동하는 단계와; 탐침을 순차적으로 조명할 때 빔의 세기를 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하기 위한 작동 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
제1 및 제2방사 빔의 세기를 변조하게 배치된 변조 시스템과;
빔이 탐침 쪽으로 동시적으로 향하게 배치된 광학 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
제31항에 있어서,
변조 시스템은 서로 다르게 제1빔 및 제2빔의 세기를 변조하게 배치된 것을 특징으로 하는 작동 시스템.
스캐닝 탐침 현미경의 탐침을 구동하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
제1 및 제2방사 빔을 생성하는 단계와; 제1 및 제2방사 빔의 세기를 변조하는 단계; 및 탐침의 변형이 일어나도록 빔을 탐침 쪽으로 동시적으로 향하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제33항에 있어서,
각각의 빔은 탐침을 가열하여, 광열효과에 의해 탐침의 변형이 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제33항 또는 제34항에 있어서,
제1 및 제2빔의 세기는 서로 다르게 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.