KR20200019205A - 스캐닝 프로브 현미경 - Google Patents

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Abstract

팁(2) 형태의 특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 특징부를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터(3)를 갖는 스캐닝 프로브 현미경이 개시된다. 비전 시스템(10)은 시야로부터 광을 수집하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된다. 시야는 특징부를 포함하고, 시야로부터의 광은 스티어링 요소(13)를 통해 특징부로부터 비전 시스템으로 진행한다. 추적 제어 시스템(15)은 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 제2 액추에이터(14)는 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고, 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 시야가 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 특징부가 시야 내에 유지되도록 스티어링 요소를 이동시킨다. 이미지 분석 시스템(20)은 비전 시스템으로부터의 이미지 데이터를 분석하여 특징부를 식별하고 시야에 대한 특징부의 겉보기 모션을 측정하도록 구성된다. 캘리브레이션 시스템은 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 겉보기 모션에 기초하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된다.

Description

스캐닝 프로브 현미경
본 발명은 주사 프로브 현미경에 관한 것이다.
스캐닝 프로브 현미경은 US2015/0020244에 개시된다. 렌즈는 빔을 수신하고 그 빔을 프로브 상으로 집중시키도록 배열된다. 스캐닝 시스템은 빔이 렌즈의 광축을 기준으로 렌즈에 입사하는 입사각을 시간에 따라 변경한다. 스캐닝 시스템은 전형적으로 프로브의 움직임을 추적하도록 빔을 이동시켜, 빔이 포커싱되는 프로브 상의 위치를 유지하도록 배열된다. 스캐닝 시스템은 빔을 렌즈를 향해 반사시키는 빔 스티어링 미러; 및 빔 스티어링 미러를 회전시키기 위한 미러 액추에이터를 포함한다.
원자력 현미경은 US2007/0195333에 개시된다. 측정될 부재의 표면 형상은 프로브의 반사면에서 측정 광을 반사하고 프로브와 측정될 부재 사이에 작용하는 원자력을 이용함으로써 측정된다. 프로브를 구동하기 위한 제1 스캐너에 추가하여, 광학 시스템의 초점 위치를 이동시키기 위한 제2 스캐너가 제공된다. 제1 스캐너와 제2 스캐너의 제어량 간의 상관관계를 나타내는 위치 변환 데이터는 미리 획득된다. 제1 스캐너 및 제2 스캐너를 동기식으로 구동함으로써, 광학 시스템의 초점 위치는 측정 정확도를 향상시키기 위해 프로브를 팔로우 하게 된다.
본 발명의 제1 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 제공하며, 이 스캐닝 프로브 현미경은: 특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 특징부를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터; 스티어링 요소; 시야로부터 광을 수집하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된 비전 시스템으로서, 시야는 특징부를 포함하고, 시야로부터의 광은 스티어링 요소를 통해 특징부로부터 비전 시스템으로 진행하는 것인 상기 비전 시스템; 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템; 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 시야가 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 특징부가 시야 내에 유지되도록 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터; 비전 시스템으로부터의 이미지 데이터를 분석하여 특징부를 식별하고 시야에 대한 특징부의 겉보기 모션을 측정하도록 구성된 이미지 분석 시스템; 및 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 겉보기 모션에 기초하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함한다.
본 발명의 제1 양태는 제2 액추에이터에 의해 부과되는 추적 모션의 에러를 모니터링하고 보정하기 위해 비전 시스템의 시야에 대한 특징부의 겉보기 모션을 측정한다. 특징부는 전용 광원에 의해 조명될 수 있고 또는 시야로부터의 광은 주변 광에서 비롯될 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 제공하며, 이 스캐닝 프로브 현미경은: 특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 특징부를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터; 특징부가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 생성하도록 검출 빔을 특징부 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소; 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템; 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 검출 빔이 스티어링 요소에 의해 특징부 상으로 조향된 상태를 유지하도록 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터; 리턴 빔을 기준 빔과 결합하여 출력을 생성하도록 구성된 간섭계로서, 상기 간섭계는 리턴 빔이 스티어링 요소를 통해 특징부에서 간섭계로 진행하도록 위치 조절된 것인, 상기 간섭계; 및 간섭계의 출력에 기초하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함한다.
본 발명의 제3 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 제공하며, 이 스캐닝 프로브 현미경은: 특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 특징부를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터; 특징부가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 생성하도록 검출 빔을 특징부 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소; 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템; 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고, 검출 빔이 스티어링 요소에 의해 특징부 상으로 조향된 상태를 유지하도록 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터; 리턴 빔을 수신하고 위치 감지 검출기에 대한 리턴 빔의 오프셋에 따라 출력을 생성하도록 구성된 위치 감지 검출기로서, 상기 위치 감지 검출기는 리턴 빔이 스티어링 요소를 통해 특징부로부터 위치 감지 검출기로 진행하도록 위치 조절된 것인 상기 위치 감지 검출기; 및 위치 감지 검출기의 출력에 기초하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함한다.
본 발명의 제1, 제2 및 제3 양태는 특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 특징부를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터를 구비한 현미경을 제공한다. 특징 부는 프로브, 프로브 지지체 또는 제1 액추에이터에 의해 이동되는 임의의 다른 특징부일 수 있다. 제1 액추에이터는 압전 액추에이터 또는 임의의 다른 적절한 액추에이터일 수 있다. 캘리브레이션 시스템은 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 겉보기 모션, 간섭계의 출력 또는 위치 감지 검출기의 출력을 기초로 하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된다.
본 발명의 제4 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 제공하며, 이 스캐닝 프로브 현미경은: 위치 감지 검출기; 위치 감지 검출기가 스캐닝 모션을 따르도록 위치 감지 검출기를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터; 검출 빔을 위치 감지 검출기 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소로서, 상기 위치 감지 검출기는 위치 감지 검출기에 대한 검출 빔의 오프셋에 따라 출력을 생성하도록 구성된 것인, 상기 스티어링 요소; 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템; 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고, 검출 빔이 스티어링 요소에 의해 위치 감지 검출기로 조향된 상태를 유지하도록 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터; 및 위치 감지 검출기의 출력에 기초하여 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함한다.
본 발명의 제5 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 제공하며, 이 스캐닝 프로브 현미경은: 프로브가 스캐닝 모션을 따르도록 프로브를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터; 후방 초점면을 갖는 대물 렌즈; 대물 렌즈의 후방 초점면의 이미지를 생성하도록 구성된 렌즈 시스템; 후방 초점면의 이미지에 위치한 미러로서, 상기 미러는 프로브가 검출 빔을 반사시켜 리턴 빔을 생성하도록 검출 빔을 프로브 상으로 조향하도록 구성되고, 상기 미러는 검출 빔이 렌즈 시스템 및 대물 렌즈를 통해 미러로부터 프로브로 진행하도록 위치 조절된 것인, 상기 미러; 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 검출 빔이 미러에 의해 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록 미러를 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터; 및 리턴 빔을 수신하고 출력을 생성하도록 구성된 검출 시스템을 포함하고, 상기 검출 시스템은 리턴 빔이 대물 렌즈, 렌즈 시스템 및 미러를 통해 프로브로부터 검출 시스템으로 진행하도록 위치 조절된다.
본 발명의 다른 양태는 스캐닝 프로브 현미경을 작동시키는 방법을 제공하며, 이 방법은 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 제1 액추에이터를 통해 특징부를 이동시키고; 하나 이상의 추적 명령 신호에 기초하여 제2 액추에이터를 통해 스티어링 요소를 이동시키고; 스캐닝 명령 신호와 추적 명령 신호 사이의 상관관계를 나타내는 기준 데이터를 결정하고; 그리고 그 기준 데이터를 저장함으로써, 스캐닝 프로브 현미경을 캘리브레이션 모드로 작동시키는 단계를 포함한다. 특징부는 프로브, 프로브 지지체 또는 제1 액추에이터에 의해 이동되는 임의의 다른 특징부일 수 있다. 기준 데이터가 캘리브레이션 모드에서 저장된 후, 프로브가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 발생시키도록 스티어링 요소를 통해 검출 빔을 프로브 상으로 조향하고; 출력을 생성하는 검출 시스템에서 상기 리턴 빔을 수신하고; 상기 프로브가 샘플을 가로지르는 스캐닝 모션을 따르도록 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 제1 액추에이터를 통해 프로브를 이동시키고; 기준 데이터에 따라 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 변환함으로써 하나 이상의 추적 명령 신호를 생성하고; 그리고 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 검출 빔이 스티어링 요소에 의해 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록, 하나 이상의 추적 명령 신호에 기초하여 제2 액추에이터를 통해 스티어링 요소를 이동시킴으로써, 스캐닝 프로브 현미경은 스캐닝 모드 또는 이미징 모드로 작동된다.
바람직하게는, 캘리브레이션 모드에서 사용되는 하나 이상의 추적 명령 신호는 임시 기준 데이터에 따라 캘리브레이션 모드에서 사용된 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 변환함으로써 생성되며, 캘리브레이션 모드에서 결정된 기준 데이터는 추후 스캐닝 모드 또는 이미징 모드에서 사용되는 새로운 기준 데이터이다.
아래 설명은 본 발명의 모든 양태에 적용된다.
스티어링 요소는 전형적으로 미러 또는 렌즈이다. 다른 양태로서, 스티어링 요소는 임의의 다른 적합한 광학 장치일 수 있다. 선택적으로, 미러는 제2 액추에이터에 의해 회전될 뿐만 아니라 병진 이동된다. 선택적으로, 복수의 스티어링 요소, 예를 들어, 렌즈 및 미러가 존재할 수 있으며, 이 둘 모두 시야 및/또는 검출 빔을 조향하기 위해 이동된다.
추적 모션, 스캐닝 모션 및 겉보기 모션은 단일 단계, 일련의 단계, 또는 연속 모션일 수 있다.
추적 제어 시스템은 저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 선택적으로, 추적 제어 시스템은 저장된 기준 데이터 및 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 이 경우, 저장된 기준 데이터는 스캐닝 명령 신호를 추적 구동 신호로 변환하는 변환을 결정할 수 있다. 다른 양태로서, 추적 제어 시스템은 스캐닝 명령 신호 없이 저장된 기준 데이터로부터 직접 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다.
이 프로브 현미경은: 재료 과학 및 생물학적 연구, 산업적 검사, 반도체 웨이퍼 및 마스크 검사 및 검토; 복수의 바이오마커를 검출하기 위한 바이오 센싱; 스캐닝 프로브가 기판 상에 화학적 컴파운드를 증착시키는 딥 펜 나노리소그래피(dip pen nanolithography)와 같은 나노리소그래피; 이진 숫자를 나타내는 덴트(dent)를 생성하는 프로브에 의한 임프린팅 액션이 뒤따르는, 폴리머 기판을 용융시키기 위해 프로브가 그것의 온도를 독립적으로 상승시킬 수 있는 히터를 갖는 데이터 저장부를 포함하는(이것으로 제한되지는 않음), 다수의 응용분야에서 사용될 수 있다.
전형적으로, 스캐닝 프로브 현미경은 프로브를 통해 샘플로부터 정보를 획득하도록 작동 가능하다. 샘플에서 얻은 정보는 지형 정보 또는 임의의 다른 종류의 정보(예컨대, 샘플 또는 샘플 표면에 대한 화학적 및 기계적 정보)일 수 있다. 프로브 및 현미경은 또한 적절한 상호 작용력을 통해 자기장 또는 전기장과 같은 다른 샘플 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 다른 양태로서, 이 스캐닝 프로브 현미경은, 샘플 상에 화학적 컴파운드를 증착시키거나 샘플 상에 데이터를 저장하는 것과 같이, 예컨대, 물질을 제거 또는 첨가함으로써 프로브를 통해 샘플을 조작 또는 변형시키도록 작동 가능할 수 있다.
선택적으로, 제2 액추에이터는 검출 빔이 그것의 광축에 대해 대물 렌즈로 진입하는 입사각을 변경하기 위해 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 스티어링 요소를 회전시키도록 구성된다.
본 발명의 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 캘리브레이션 모드에서 사용되는 스캐닝 프로브 현미경의 다양한 부분을 도시한다.
도 2는 캘리브레이션 모드에서 작동되는 스캐닝 프로브 현미경의 상세를 도시한다.
도 3은 제2 액추에이터 및 스티어링 미러의 도면이다.
도 4는 비전 시스템의 시야를 도시한다.
도 5는 스티어링 미러 및 프로브 지지체가 이동된 후 비전 시스템의 시야를 도시한다.
도 6은 검출 시스템을 상세하게 도시한다.
도 7은 캘리브레이션 프로세스의 흐름도이다.
도 8은 이미징 모드에서 작동되는 스캐닝 프로브 현미경의 다양한 부분을 도시한다.
도 9는 비전 시스템 및 프로브 액추에이션을 위한 광원을 도시한다.
도 10은 이미징 모드에서 작동될 때 사용되는 현미경의 다양한 다른 요소를 도시한다.
도 11은 스캐닝 프로브를 추적하는 2 개의 위치에 있는 스티어링 미러를 도시한다.
도 12는 캔틸레버의 편향에 의해 야기되는 리턴 빔 오프셋을 도시한다.
도 13은 스티어링 미러가 대물 렌즈의 후방 초점면으로부터 오프셋된 경우 스티어링 미러의 순수한 회전에 의해 야기되는 리턴 빔 오프셋을 도시한다.
도 14는 대물 렌즈의 후방 초점면으로부터 오프셋되고, 리턴 빔 오프셋을 피하기 위해 병진 이동 및 회전되고 있는 스티어링 미러를 도시한다.
도 15는 검출 빔 및 시야를 조향하기 위해 회전되고 있는 대물 렌즈를 도시한다.
도 16은 검출 빔 및 시야를 조향하기 위해 병진 이동되고 있는 대물 렌즈를 도시한다.
도 17은 검출 빔 및 시야를 조향하기 위해 동시에 병진 이동되고 있는 대물 렌즈 및 스티어링 미러를 도시한다.
도 18은 스티어링 미러를 위한 대안적인 위치를 도시한다.
도 19는 검출 빔 및 시야를 조종하기 위해 병진 이동되고 있는 대안적인 위치에 있는 스티어링 미러를 도시한다.
도 20은 대물 렌즈의 후방 초점면의 이미지를 생성하는 한 쌍의 릴레이 렌즈를 갖는 대안적인 배열을 도시한다.
도 21은 검출 빔이 스캐닝 스플릿 포토다이오드로 지향되는 대안적인 주사 프로브 현미경의 다양한 요소들을 도시한다.
도 22a 및 22b는 대안적인 캘리브레이션 모드에서 스캐닝 프로브 현미경을 작동시키는 방법을 도시한다.
도 23a는 대안적인 캘리브레이션 모드의 스캐닝 단계 동안 광학 특징부의 위치 어레이를 도시한다.
도 23b는 대안적인 캘리브레이션 모드의 스캐닝 단계 동안 비전 시스템에 의해 관찰된 광학 특징부의 겉보기 위치의 어레이를 도시한다.
도 24는 대안적인 캘리브레이션 모드의 추적 단계 동안 비전 시스템에 의해 관찰된 광학 피처의 겉보기 위치의 어레이를 도시한다.
도 25a 및 25b는 더 대안적인 캘리브레이션 모드에서 스캐닝 프로브 현미경을 작동시키는 방법을 도시한다.
도 1은 스캐닝 프로브 현미경(1)을 도시한다. 이 현미경은 전형적으로 압전 액추에이터인 제1 액추에이터(3)에 의해 운반되는 프로브 지지체(2)를 포함한다. 제1 액추에이터(3)는 수평(X, Y) 평면에서 스캐닝 모션을 생성하도록 구성된다. 스캐닝 모션의 X 성분은 스캐너 구동 신호(Px)에 의해 구동되고, 스캐닝 모션의 Y 성분은 스캐너 구동 신호(Py)에 의해 구동된다. 제1 액추에이터(3)는 또한 수직(Z) 방향의 모션을 생성할 수 있다.
현미경(1)은 프로브 없이 도 1, 2 및 6에 도시된 캘리브레이션 모드로 작동될 수 있고, 또는 프로브와 함께 도 8 및 10에 도시된 이미징 모드로 작동될 수 있다. 먼저, 캘리브레이션 모드에 대해 설명한다.
간섭계, 커패시턴스 센서 또는 LVDT 센서와 같은 스캐너 센서(4)는 스캐너 위치 피드백 신호를 제공하기 위해 제1 액추에이터(3)의 위치를 검출하는데, 하나의 신호(Sx)는 감지된 X 위치를 나타내고 다른 신호(Sy)는 감지된 Y 위치를 나타낸다.
스캔 포지션 시스템(5)은 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 생성하며, 하나의 스캐닝 명령 신호(X)는 제1 액추에이터(3)의 원하는 X 위치를 나타내고, 다른 스캐닝 명령 신호(Y)는 제1 액추에이터(3)의 원하는 Y 위치를 나타낸다. 스캐너 제어기(6)는 스캐닝 명령 신호(X, Y) 및 스캐너 위치 피드백 신호(Sx, Sy)에 기초하여 스캐너 구동 신호(Px, Py)를 생성한다. 이 피드백 루프는 제1 액추에이터(3)가 프로브 지지체(2)를 원하는 위치로 구동하는 것을 보장한다.
비전 시스템(10)은 시야로부터 광(11)을 수집하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된다. 비전 시스템(10)은, 예를 들어, CCD 어레이를 포함할 수 있다. 도 1, 2 및 6에 도시된 캘리브레이션 모드에서 시야는 프로브 지지체(2)의 중앙에 있다. 시야로부터의 광(11)은 대물 렌즈(12) 및 스티어링 미러(13) 뿐만 아니라 도 2 및 도 9에 도시되어 있지만 도 1에서는 생략된 다양한 다른 광학 요소를 통해 프로브 지지체(2)로부터 비전 시스템(11)으로 진행한다.
스티어링 미러(13)는 제2 액추에이터(14)에 장착된다. 제2 액추에이터(14)는 비전 시스템(10)의 시야가 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르도록 추적 구동 신호(PA, PB, PC)에 기초하여 스티어링 미러(13)를 이동시키도록 구성되고, 프로브 지지체(2)는 시야 내에 중심을 유지한다.
제2 액추에이터(14)는 도 2에 도시된 3 개의 압전 액추에이터 스트럿(strut)(14a-c)을 포함한다. 스트럿(14a-c)은 도 3에 도시된 바와 같이 스티어링 미러(13)의 중심에서 120 °씩 분리되어 있다. 3 개의 스트럿(14a-c)의 길이는 스티어링 미러(13)를 병진 이동시키거나, 상이한 속도로 스티어링 미러(13)를 2 개의 직교 축을 중심으로 회전시키기 위해 함께 조절될 수 있다.
스트럿(14a-c) 각각은 각각의 추적 구동 신호를 기초로 하여 연장 및 수축한다. 따라서, 스트럿(14a)은 추적 구동 신호(PA)에 의해 구동되고, 스트럿(14b)은 추적 구동 신호(PB)에 의해 구동되고, 스트럿(14c)은 추적 구동 신호(PC)에 의해 구동된다.
이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 추적 제어 시스템(15, 16)은 저장된 기준 데이터(17) 및 스캐닝 명령 신호 명령 신호(X, Y)에 따라 추적 구동 신호(PA, PB, PC)를 생성하도록 구성된다. 추적 제어 시스템은 추적 제어기(15) 및 변환 시스템(16)을 포함한다.
스트럿(14a-c) 각각은 스트레인 게이지 피드백 신호(SA, SB, SC)를 생성하는 관련 스트레인 게이지를 갖는다. 추적 제어기(15)는 한 세트의 추적 명령 신호(A, B, C) 및 스트레인 게이지 피드백 신호(SA, SB, SC)에 기초하여 추적 구동 신호(PA, PB, PC)를 생성한다. 이 피드백 루프는 제2 액추에이터(14)가 추적 명령 신호(A, B, C)에 의해 결정된 원하는 위치로 스티어링 미러(13)를 구동하는 것을 보장한다.
대안으로서, 피드백 신호(SA, SB, SC)는 스트레인 게이지 대신에 간섭계, 커패시턴스 센서 또는 LVDT 센서에 의해 제공될 수도 있다.
추적 명령 신호(A, B, C)는 스캔 포지션 시스템(5)의 "X, Y" 좌표 내의 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 제2 액추에이터(14)를 구동하기 위해 필요한 "A, B, C" 좌표로 변환하는 변환 시스템(16)에 의해 생성된다. 변환 시스템(16)은 메모리에 저장된 기준 데이터(17)에 기초하여 이러한 변환을 수행한다. 이 기준 데이터(17)는 일반적으로 기준 값의 매트릭스 형태이다.
도 1에 도시된 현미경의 다양한 기능적 요소(즉, 요소(5, 6, 15, 16, 20 및 21))는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서 상에서 실행되는 컴퓨터 소프트웨어, 또는 전용 하드웨어에서 구현될 수 있다.
도 4는 비전 시스템(10)의 시야(17)를 도시하는 개략도이고, 이 경우에서 프로브 지지체(2)를 도시한다. 프로브 지지체(2)는 그 상부 표면에 도 4 및 5에서 십자(+)로 표시된 마커를 갖는다. 도 1에 도시된 이미지 분석 시스템(20)은 비전 시스템(10)으로부터의 이미지 데이터를 분석하여, 마커를 식별하고 시야(17)에 대한 마커의 겉보기 모션을 측정하도록 구성된다. 시야(17)에 대한 겉보기 모션의 예로서 마커의 위치가 도 4의 위치(x1, y1)에서 도 5의 위치(x2, y2)로 변화하는 것을 들 수 있다. 두 위치 간의 오프셋은 (18)로 표시된다. 다시 말하면, 마커의 이미지는 비전 시스템(10)의 CCD 어레이 내의 한 픽셀에서 다른 픽셀로 이동되었다.
도 1로 되돌아가면, 제1 및 제2 액추에이터가 구동될 때 이미지 분석 시스템(20)에 의해 측정된 겉보기 모션을 최소화하기 위해 저장된 기준 데이터(17)를 조정하도록 캘리브레이션 시스템(21)이 프로그래밍된다. 초기에 기준 데이터(17)는 다양한 부분의 기지의 기하학적 구조만을 기초로 하므로, 비전 시스템(10)의 시야의 추적 모션은 프로브 지지체(2)의 스캐닝 모션을 정확하게 따르지 않을 것이고, 이는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 큰 겉보기 모션을 초래할 것이다. 캘리브레이션 시스템(21)은 마커의 겉보기 모션이 허용 가능한 크기로 감소될 때까지 기준 데이터(17)를 조정하는 반복적인 최적화 프로세스를 구현한다. 이상적인 시나리오에서, 겉보기 모션은 0으로 감소하므로 프로브 지지체가 스캔될 때 마커 이미지는 시야 내에서 전혀 변하지 않는다. 이러한 반복적인 최적화 프로세스의 상세는 도 7을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 1에 개략적으로 도시되고 도 6에 더 상세하게 도시된 검출 시스템(26)은 스티어링 미러(13)에 의해 프로브 지지체(2) 상으로 조향되는 검출 빔(40c)을 생성하는 레이저 광원(27)을 포함한다. 프로브 지지체(2)는 검출 빔(40c)을 반사하여 도 6에 도시된 리턴 빔(28)을 생성한다.
검출 빔(40c)은 고정 미러(52)로부터 직각 블록(54)을 향해 반사된다. 직각 블록은 빔(40c)이 입사면에 수직으로 입사하도록 배향된다. 검출 빔(40c)은 스티어링 미러(13)로 전파되고 대물 렌즈(12)를 향해 반사된다. 스티어링 미러(13)가 기울어지면 반사된 검출 빔(40c)이 회전하고, 그 결과 검출 빔(40c)의 대물 렌즈(12) 내로의 입사각 및 입사점이 변경된다. 제1 액추에이터(3)에 의해 구동될 때 프로브 지지체(2)가 따르는 스캐닝 패턴과 스티어링 미러(13)의 각도의 동기화는 검출 빔(40c)이 프로브 지지체(2)상에 그것의 위치를 유지한다는 것을 의미한다.
레이저 광원(27)으로부터의 광은 빔 스플리터(102)에 의해 검출 빔(40c) 및 기준 빔(29)으로 분할된다. 리턴 빔(28)은 제2 빔 스플리터(103)에 의해 검출 시스템(26)으로 지향된다. 리턴 빔(28)은 제3 빔 스플리터(107)에 의해 스플릿 포토다이오드(104) 상에 떨어지는 제1 성분, 및 간섭계(105)로 향하는 제2 성분으로 분할된다.
스플릿 포토다이오드(104)는 스플릿 포토다이오드(104)에 대한 리턴 빔(28)의 제1 성분의 오프셋에 따라 출력(117)을 생성하는 위치 감지 검출기이다. 이 출력(117)은 후술될 이미징 모드에서 현미경이 작동될 때 캔틸레버의 편향 각도를 나타내기 때문에 이하 편향 신호(117)로 지칭된다. 전형적으로 스플릿 포토다이오드(104)는 4 개의 사분면으로 분할되며, 4 개의 사분면으로부터의 신호들 간의 비율은 스플릿 포토다이오드(104)에 대한 리턴 빔(28)의 제1 성분의 X 및 Y의 오프셋을 나타낸다.
간섭계(105) 내부에서, 리턴 빔(28)의 제2 구성요소는 빔 스플리터(106)에 의해 분할된다. 기준 빔(29)은 역 반사기(108)로 그리고 그 후 빔 스플리터(106)로 지향된다. 역 반사기(108)는 프로브 지지체(2)의 수직(z) 위치, 즉, 프로브 지지체(2)의 높이에 대해 고정된 광학 경로 길이를 제공하도록 정렬된다. 빔 스플리터(106)는 에너지 흡수 코팅을 가지며, 리턴 빔(28)과 기준 빔(29)을 모두 분할하여 ~ 90°의 상대 위상 시프트를 갖는 제1 및 제2 인터페로그램을 생성한다. 이 2개의 인터페로그램은 광 검출기(112, 114)에서 각각 검출된다.
이상적으로, 광 검출기 신호는 90°의 위상차를 갖는 상보적인 사인 및 코사인 신호이다. 또한, 이들은 dc 오프셋을 갖지 않아야 하고, 동일한 진폭을 가져야 하며, 캔틸레버의 위치 및 레이저의 파장(λ)에만 의존해야 한다. 공지된 방법은 두 개의 광 검출기 신호가 동일한 진폭 및 인페이즈 쿼드러처(in phase quadrature)로 완벽하게 조화되지 않는 결과로서 발생하는 에러에 대한 수정을 판정하고 보정을 적용하기 위해, 광 경로 차이를 변경하면서 광 검출기(112, 114)의 출력을 모니터링하는 데 사용된다. 이와 유사하게, DC 오프셋 레벨은 또한 당업계에 공지된 방법에 따라 보정된다.
이들 광 검출기 신호는 전용 하드웨어 또는 프로그램된 컴퓨터로서 제공될 수 있는, 종래의 간섭계 가역적 프린지 카운팅 장치 및 프린지 세분화 장치와 함께 사용하기에 적합하다. 위상 쿼드러처 프린지 카운팅 장치는 캔틸레버 위치의 변위를 λ/8의 정확도까지 측정할 수 있다. 즉, 532nm 광에 대해 66nm까지 측정할 수 있다. 신호의 아크 탄젠트에 기초한, 공지된 프린지 세분화 기술은 나노미터 스케일 이하의 정확도로의 향상을 허용한다. 2 개의 코히어런트 빔 사이의 경로 차이를 추출하는 간섭 방법은 당업계에 공지되어 있으므로 상세히 설명하지 않을 것이다. 도 6에서, 광 검출기(112, 114)로부터 신호를 수신하고 앞서 언급한 프린지 카운팅 및 세분화를 수행하여 출력(116)을 생성하는 프로세서(115)가 도시되어 있는데, 이 출력(116)은 현미경이 아래에 더 상세히 설명된 바와 같이 이미징 모드에서 작동될 때 그것이 프로브의 높이를 나타내기 때문에 이하 높이 신호(116)라 지칭될 것이다.
전술한 바와 같이, 캘리브레이션 시스템(21)은 이미지 분석 시스템(20)에 의해 측정되는 겉보기 모션의 변화를 최소화하기 위해 저장된 기준 데이터(17)를 조정하도록 프로그래밍되며, 이러한 겉보기 모션은 스티어링 미러(13)에 부여된 스캐닝 모션의 에러를 나타낸다. 스캐닝 모션의 에러는 또한 간섭계로부터의 높이 신호(116)의 변화 및 스플릿 포토다이오드(104)로부터의 편향 신호(117)의 변화를 초래할 것이라는 것을 알게 되었다. 따라서, 캘리브레이션 시스템(21)은 또한 높이 신호(116) 및/또는 편향 신호(117)에서의 이러한 변동을 최소화하기 위해 저장된 기준 데이터(17)를 조정하도록 구성된다.
도 7은 캘리브레이션 프로세스의 단계들을 상세히 도시한다. 단계(202)에서, 광학 특징부는 비전 시스템의 시야 내에 정렬된다. 따라서, 예를 들어, 도 2를 참조하면, 광학 특징부는 마커(+)일 수 있고, 스티어링 미러(13)는 마커가 시야(17) 내 중앙에 올 때까지 이동된다.
검출 시스템(26)은 간섭계(105)가 프로브 지지체(2)의 표면 상에 집중되도록 단계(204)에서 정렬된다. 이는 제1 액추에이터(3)를 이용하여 프로브 지지체(2)를 Z 방향으로 반복적으로 상하로 이동시키고, 대물 렌즈(12)가 일반적으로 모터인 렌즈 구동기(49)에 의해 Z-방향으로 점진적으로 이동함에 따라 광 검출기(112, 114)로부터의 신호의 강도 변화량을 모니터링함으로써 달성된다. 이 강도 변화량은 간섭계 콘트라스트 레벨을 나타내며, 간섭계 콘트라스트가 최대화 될 때, 대물 렌즈(12)는 정확한 Z-위치에 있고 간섭계(105)는 프로브 지지체(2)의 표면 상에 집중된다.
단계(208)에서, 스캔 포지션 시스템(5)은 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 각각 ΔX 및 ΔY만큼 변경한다. 이는 제1 액추에이터(3)가 프로브 지지체(2)의 위치에 있어서 단계적 변화(ΔX, ΔY)를 발생시키고, 제2 액추에이터(14)가 스티어링 미러(13)의 위치 또는 방향에 있어서 단계적 변화(ΔA, ΔB, ΔC)를 발생시키게 한다. 이러한 두 단계적 변화(ΔX, ΔY)와(ΔA, ΔB, ΔC)는 동시에 또는 차례로 생성될 수 있다.
캘리브레이션 모드의 단계(208)에서 사용된 추적 명령 신호(A, B, C)는 임시 기준 데이터(17)에 따라 단계(208)에서 사용된 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 캘리브레이션 모드로 변환함으로써 생성된다. 이상적인 시나리오에서, 임시 기준 데이터(17)는 프로브 지지체(2)의 겉보기 위치 및 제1 액추에이터(3)에 의해 이동되는 임의의 다른 특징부들이 비전 시스템(10)에 대해 변하지 않도록 완벽하게 정확하다. 단계(209)에서, 단계적 변화(ΔX, ΔY) 및(ΔA, ΔB, ΔC)에 의해 야기된 비전 시스템의 시야(17)에 대한 마커의 겉보기 모션은 이미지 분석 시스템(20)에 의해 결정된다. 시야(17)에 대한 이러한 겉보기 모션의 예는 도 4의 위치(x1, y1)에서 도 5의 위치(x2, y2)로 변화하는 마커의 위치를 들 수 있다. 오프셋(18)은 도 1, 5 및 7에서 x(error)로 표시되는 X 방향의 에러 및 도 1, 5 및 7에서 y(error)로 표시되는 Y 방향의 에러를 제공한다.
간섭계(105)로부터의 높이 신호(116) 또는 스플릿 포토다이오드(104)로부터의 편향 각도 신호(117)의 변화는 단계(210)에서 결정되며, 이러한 변화는 도 1 및 7에서 z(error)로 표시된다.
단계(212)에서 x(error), y(error) 및 z(error)가 모두 허용 가능한 임계 값 미만인 것으로 판정되면, 캘리브레이션 프로세스가 종료된다. 이들 에러 중 하나 이상이 너무 높으면, 단계(214)에서 새로운 기준 데이터가 결정되고, 단계(216)에서 기준 데이터(17)는 새로운 기준 데이터를 적용함으로써 조정된다.
X, Y 에러 값(x(error), y(error))은 도 1에서 화살표(75)로 표시된 스티어링 미러(13)의 회전 운동을 변경하는데 사용되고, Z 에러 값(z(error))는 도 1에서 화살표(76)로 표시된 스티어링 미러(13)의 병진 이동을 변경하는데 사용된다.
그 후, 단계(208)는 반복되는데, 이전 단계 변화(ΔX, ΔY)를 반복할 수도 있고, 또는 프로브 지지체(2)를 이전 위치로 복귀시키기 위해 그것을 반전(-ΔX, -ΔY)시킬 수도 있다.
도 7의 캘리브레이션 프로세스에서, 프로브 지지체(2)의 겉보기 모션은 동시에 수행될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 단계적 변화(ΔX, ΔY) 및(ΔA, ΔB, ΔC)에 의해 야기되고, 에러(x(error), y(error) 및 z(error))가 측정되고 감소된다. 대안적인 캘리브레이션 프로세스에서, 스캐닝 명령 신호(X, Y)는 단계적인 방식보다는 캘리브레이션 프로세스 동안 연속적으로 변화될 수 있다. 프로브 지지체(2)의 스냅샷은 비전 시스템(10)에 의해 취해지고 이미지 분석 시스템(20)에 의해 분석되어 (에러 값(x(error), y(error))의 스트림을 제공하는) X 및 Y에서의 겉보기 모션을 판정하며, z(error) 값의 관련 스트림은 검출 시스템(26)으로부터 취해진다.
스캐닝 프로브 현미경이 도 7에서와 같이 캘리브레이션된 경우, 그것은 도 8 및 10에 도시된 바와 같이 프로브 지지체(2)에 프로브(30, 31)가 장착된 이미징 모드로 사용될 수 있다. 도 7의 캘리브레이션 프로세스는 프로브 지지체(2)에 장착된 프로브(30, 31)의 유무에 관계없이 수행될 수 있다. 캘리브레이션 프로세스 동안 프로브가 존재하면, 전술한 캘리브레이션 프로세스는 캘리브레이션 프로세스 동안 관찰되는 스캐닝 특징부로서 프로브 지지체(2)보다는 프로브(30, 31)를 사용할 수 있다. 도 1, 2 및 6에 도시된 바와 같이 캘리브레이션 프로세스 중 프로브가 없는 경우, 일단 프로브는 도 8에 도시된 바와 같이 프로브 지지체에 장착된 후, 제1 액추에이터(3)가 프로브(30, 31)를 프로브 지지체(2)가 이전에 차지하던 위치로 이동하도록 설치되어, 프로브는 비전 시스템의 시야(17)의 중심에 있고 검출 빔(40c)은 이미징 모드 동안 프로브 지지체(2)가 아니라 프로브 상에 입사된다.
프로브는 캔틸레버(30) 및 팁(31)을 포함한다. 팁(31)은 작은 점으로 테이퍼링하고, 캔틸레버(30)의 원위 단부를 향하도록 위치된다. 캔틸레버의 다른(근위) 단부는 프로브 지지체(2)에 고정되어 있다. 캔틸레버(30)는 열 바이모르프(thermal bimorph)로 지칭되는 유형이다. 즉, 열 팽창률이 상이한 2개 이상의 재료로 구성된다. 전형적으로, 이것은 실리콘 또는 실리콘 질화물 베이스에 금 또는 알루미늄 코팅을 가질 것이다. 코팅은 캔틸레버의 길이를 연장하고 팁의 반대쪽을 덮는다.
도 9에 도시된 액추에이션 광원(22a, b)은 도 8에 도시된 바와 같이, 검출 빔(40c)과 함께, 스티어링 미러(13)를 통해 캔틸레버의 코팅면 상으로 지향되는 강도-변조된 방사선 빔(40a, b)을 생성한다. 광의 파장은 코팅 재료에 의해 잘 흡수되도록 선택된다. 대물 렌즈(12)는 빔(40a, b, c)을 캔틸레버(30)상의 상이한 위치로 지향시킨다.
캔틸레버(30)는 열 바이모르프 구조이며, 재료는 가열될 때 차등 팽창을 겪는다. 일 실시예에서, 캔틸레버(30)는 알루미늄 코팅된 실리콘 질화물로 제조된다. 액추에이션 광원(22a, b)은 특정 코팅에 대한 흡수 스펙트럼에서 최대 피크가 있는 하나 이상의 파장의 광을 방출한다. 예를 들어, 파장은 ~ 810 nm의 알루미늄 흡수 피크 주위에 있을 수 있다. 다른 코팅/파장 조합이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 금은 500 nm 미만의 광보다 높은 흡수율을 갖는다. 이 광이 캔틸레버(30)의 코팅면 상에 입사될 때, 알루미늄은 질화규소보다 큰 정도로 팽창하여, 팁(31)이 샘플(32)의 표면을 향해 아래쪽으로 이동하도록 캔틸레버를 구부리게 된다. 조명 강도가 증가하면, 팁(31)은 샘플(32)에 더 가까이 이동한다. 반대로, 강도가 감소하면, 굽힘이 감소되고 팁(31)이 샘플로부터 멀어지게 이동된다. 다른 코팅 및 베이스 재료의 다른 배열은 조명에 반응하여 동일 방향 또는 반대 방향으로 상이한 레벨의 굽힘을 초래할 수 있다는 것은 명백하다.
현미경은 또한 대물 렌즈(12)에 부착된, 전형적으로 모터인, 렌즈 구동기(49)를 갖고, 이는 X 및 Y 방향뿐만 아니라 Z 방향으로도 대물 렌즈(12)를 이동시킬 수 있다.
제1 레이저(22a)로부터의 광선(40a)은 수평으로 편광되고, 제2 레이저(22b)로부터의 광선(40b)은 수직으로 편광된다. 두 레이저(22a, b)에 의해 방출 된 출력 강도는 독립적으로 제어된다.
편광 빔 결합기(42)는 2 개의 레이저(22a, b)로부터의 편광된 광(40a, 40b)이 각각의 면에 입사하여 단일 출력면에서 빠져 나오도록 배열된다. 구체적으로, 빔 결합기(42)는 빔(40b)의 S 편광 성분을 반사하지만 빔(40a)의 P 편광 성분을 투과시키는, 빔(40a)에 대해 45 °로 배열된 내부 미러를 갖는다.
빔(40b)이 S 편광되고 빔(40a)이 P 편광된다는 사실은 제한 사항으로 간주되지 않아야 한다. 어느 하나의 편광은 어느 하나의 빔에 대하여 사용될 수도 있고, 원형 편광도 가능하다. 빔들이 빔 결합기(42)에서 결합될 수 있도록 빔들이 서로 다르게 편광되는 것만이 요구된다.
제1 전동 미러(44a)는 제2 레이저(22b)로부터의 광(40b)이 필요한 각도 및 위치에서 빔 결합기(42)로 진입하는 것을 보장하기 위해 2 개의 직교 회전축을 중심으로 미러 액추에이터(44c)에 의해 조향 가능하다. 따라서, 제1 전동 미러(44a)는 레이저 출력 빔(40a, 40b)이 실질적으로 평행하거나 작은 각도 차이로 결합기를 빠져나가도록 조정될 수 있다(이 각도 차이는 도 8에서 더 명백하다).
제2 전동 미러(44b)는 결합된 액추에이션 빔(40a, 40b)을 미러(52)를 향해 지향시키도록 배향된다. 제2 전동 미러(44b)의 각도는 레이저 출력 빔(40a, b)이 검출 빔(40c)에 대해 작은 각도 차이로 추적 시스템에 들어가, 3 개의 빔이 그 사이에 작은 각도 차이로 미러(52) 상에 떨어지도록, 미러 액추에이터(44d)에 의해 2 개의 직교 축에 대해 조정될 수 있다. 프로브(30, 31)가 제1 액추에이터(3)에 의해 샘플(32)의 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 스티어링 미러(13)는 3 개의 빔(40a, b, c)이 프로브 xy 위치를 따르면서 그들의 상대 변위를 유지함을 보장하도록 유사하게 스캐닝된다.
스티어링 미러(13)에 의해 반사된 후에, 빔(40a, b, c)은 대물 렌즈(12)에 의해 캔틸레버(30)의 후면으로 동시에 포커싱된다. 빔(40a, b, c)이 상이한 각도로 대물 렌즈(12)에 진입함에 따라, 이들은 캔틸레버(30)상의 각각의 측방향으로 변위된 위치에 포커싱 된다.
당업자는 시스템이 4 개, 5 개 이상의 광선이 움직이는 캔틸레버를 추적할 수 있게 하도록 적응될 수 있음을 이해할 것이다.
도 10은 이미징 모드에서 사용되는 현미경(1)의 다양한 추가 요소를 도시한다. 검출 시스템(26)의 출력(즉, 높이 신호(116) 및/또는 편향 각도 신호(117))은 프로브 발진의 진폭과 관련된 정보를 추출하기 위해 프로세서(28)에 의해 분석된다. 프로세서(28)는 대안으로서 프로브 위치를 나타내는 다른 파라미터, 예를 들어, 편향 또는 위상을 추출하도록 동작될 수 있다. 피드백 제어기(30)는 측정된 발진 진폭에 응답하여, 프로브의 조정(샘플 분리) 시 일정한 발진 진폭을 유지하기 위해 프로브 높이(Pz)의 조정을 지시하는데 사용되는 피드백 신호(31)를 출력한다. 이러한 프로브 위치 조정은 이하 z-위치 피드백이라 지칭된다. 이미지 수집 프로세서(32)는 현미경(1)에 의해 획득된 샘플의 표면에 관한 정보를 나타내는 피드백 제어기(30)로부터의 피드백 신호(31)를 수신하고, 이는 xy 스캔 패턴에 대한 지식과 함께 샘플(32)의 맵을 구성하는데 사용된다. 일반적으로, 피드백 신호 및 맵은 샘플 표면에 대한 높이 정보를 제공한다.
도 11 내지 도 13은 스티어링 미러(13)의 회전축을 대물 렌즈(12)의 초점 및 스티어링 미러(13)의 평면 내에 배치하는 것이 바람직하다는 것을 보여주는 개략도이다. 도 11 내지 도 20에는, 도면을 단순화하기 위해 검출 빔(40c)만이 도시되어 있음에 유의한다. 그러나, 프로브는 또한 도 8에 도시된 바와 같은 액추에이션 빔 및 도 9에 도시된 바와 같은 비전 광원(60)으로부터의 광으로 조명될 수 있다.
도 11 내지 도 13에서, 캔틸레버(30)는 대물 렌즈(12)의 전방 초점면(50)에 있다. 도 11 및 도 12에서, 스티어링 미러(13) 및 그 회전축은 모두 대물 렌즈(12)의 후방 초점(즉, 대물 렌즈(12)의 광축(51)이 후방 초점면(52)과 교차하는 지점)에 놓인다.
도 11에서, 검출 빔(40c)이 대물 렌즈(12)의 광축(51)과 동축이고 캔틸레버(30)의 반사 상부 표면에 직각으로 충돌하면, 반사된 리턴 빔은 스티어링 미러(13)에 의한 반사 전후의 동일한 광 경로(80)를 따라 돌아온다. 스티어링 미러(13)가 프로브를 추적하도록 회전되어 도 11에 점선으로 도시된 바와 같이 검출 빔(40c)이 더 이상 대물 렌즈(12)의 광축과 동축이 아니거나 또는 캔틸레버(30)의 반사 상부 표면에 대해 직각이 아니라면, 리턴 빔은 스티어링 미러(13)에 의한 반사 후에 검출 빔과 동축으로 유지된다. 따라서, 도 11의 경우에, 프로브(30, 31), 프로브 지지부(2) 또는 스캐닝 동작에 따른 임의의 다른 특징부를 추적하기 위해 스티어링 미러(13)는(병진 이동 없이) 순수한 회전으로 이동될 수 있다.
도 12는 도 11의 동일한 광학 배열을 도시하지만, 캔틸레버(30)가 측면에서 보여지도록 다른 방향에서 본 것이다. 프로브는 대물 렌즈(12)의 전방 초점면(50)에서 상승 위치에서 캔틸레버(30)와 함께 점선으로 도시되어 있고, 캔틸레버(30)가 액추에이션 빔(40a, 40b)에 의해 가열되어 아래로 편향된 후 실선으로 도시되어 있다. 캔틸레버(30)의 편향으로 인해, 검출 빔(40c)은 더 이상 캔틸레버(30)의 반사 상부 표면에 직각이 아니기 때문에, 리턴 빔(28)은 더 이상 검출 빔(40c)과 동축이 아니며, 리턴 빔(28)과 검출 빔(40c) 사이에 오프셋(55)이 존재한다. 스플릿 포토다이오드(104)로부터의 편향 신호(117)는 이 오프셋(55)을 측정한다.
전술한 바와 같이, 도 11 및 도 12에서, 스티어링 미러(13) 및 그 회전축은 대물 렌즈(12)의 후방 초점(즉, 대물 렌즈(12)의 광축(51)이 후방 초점면(52)과 교차하는 지점)에 놓인다. 도 13의 경우에, 스티어링 미러 및 그 회전축은 미러 오프셋 거리(53)만큼 후방 초점면(52)으로부터 오프셋된다.
도 13으로부터, 검출 빔이 대물 렌즈(12)의 광축과 동축이고 프로브에 직각으로 충돌하면, 반사된 빔은 스티어링 미러(13)에 의한 반사 전후에 동일한 경로(80)를 따라 복귀한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 스티어링 미러(13)가 프로브의 이동을 추적하기 위해 점선으로 도시된 위치로 회전되면, 리턴 빔(28)은 캔틸레버(30)의 편향 각도가 변경되지 않았음에도 불구하고 리턴 빔 오프셋(56)에 의해 경로(80)로부터 오프셋된다. 이 리턴 빔 오프셋(56)은 편향 신호(117) 내 에러를 야기하기 때문에 바람직하지 않다. 바꾸어 말하면, 리턴 빔 오프셋(56)은 캔틸레버(30)의 편향 각도가 변경되지 않았을 때, 캔틸레버(30)의 편향 각도가 변경되었다는 잘못된 표시를 제공한다.
일부 경우에, 대물 렌즈(12)의 구성 또는 다른 공간적 제한은 대물 렌즈(12)의 후방 초점면(52)에 스티어링 미러(13)를 배치하는 것을 불가능하게 할 수 있다. 이 경우, 스티어링 미러(13)는 리턴 빔이 도 14에 도시된 바와 같이 스티어링 미러(13)의 이동으로 인해 경로(80)로부터 시프트되지 않도록 제2 액추에이터(14)에 의해 회전될 뿐만 아니라 병진 이동될 수 있다.
전술한 실시예에서, 빔 스티어링은 스티어링 미러(13)의 이동에 의해 수행된다. 도 15 및 도 16은 스티어링 미러(13)가 정지 상태를 유지하는 고정 미러(302)로 대체되고 빔 스티어링이 대물 렌즈(12)의 이동에 의해 대신 유효화되는 대안적인 배열을 도시한다.
도 15는 대물 렌즈(12)의 회전에 의해 빔 스티어링이 유효화되는 배열을 도시한다. 검출 빔(40c)은 경로(80)를 따라 지향된다. 그것의 축(51)이 경로(80)와 일직선이고, 캔틸레버(30)의 반사 상부 표면에 직각인 실선으로 도시된 위치에 있을 때, 반사 빔은 고정 미러(302)에 의해 반사된 후에 동일한 경로(80)를 따른다. 프로브가 우측 위치로 이동하면, 대물 렌즈(12)는 점선으로 도시된 방향으로 회전되어 대물 렌즈(12)에 의해 검출 빔(40c)이 캔틸레버(30) 상으로 계속 조향된다. 이 배열은 리턴 빔 오프셋(56)이 존재한다는 점에서 도 13의 배열과 동일한 문제를 겪는다.
도 16은 대물 렌즈(12)의 병진 이동에 의해 빔 스티어링이 유효화되는 배열을 도시한다. 검출 빔(40c)은 경로(80)를 따라 지향된다. 대물 렌즈(12)가 경로(80)와 일직선인 광축(51)을 갖는 실선으로 도시된 위치에 있을 때, 리턴 빔은 스티어링 미러(13)에 의해 반사된 후 동일한 경로(80)를 따른다. 프로브가 우측 위치로 이동하면, 대물 렌즈(12)는 점선으로 도시된 위치로 병진 이동되어, 검출 빔(40c)은 대물 렌즈(12)에 의해 캔틸레버(30) 상으로 계속 조향된다. 이 배열은 또한 리턴 빔 오프셋(56)이 존재한다는 점에서 도 13의 배열과 동일한 문제를 겪는다.
도 17은 대물 렌즈(12)와 스티어링 미러(13)의 병진 이동에 의해 빔 스티어링이 유효화되는 배열을 도시한다. 검출 빔(40c)은 경로(80)를 따라 지향된다. 대물 렌즈(12)가 경로(80)와 일직선인 광축(51)을 갖는 실선으로 도시된 위치에 있을 때, 리턴 빔은 스티어링 미러(13)에 의해 반사된 후 동일한 경로(80)를 따른다. 프로브가 거리 ΔX만큼 오른쪽 위치로 이동할 때, 대물 렌즈(12) 및 스티어링 미러(13)는 모두 동일한 거리 ΔX만큼 점선으로 표시된 위치로 병진 이동되어 검출 빔(40c)은 대물 렌즈(12)에 의해 캔틸레버 상으로 계속 조향된다. 도 15 및 16과 달리, 리턴 빔 오프셋(56)이 없으므로, 리턴 빔이 스티어링 미러(13)에 의해 반사된 후 리턴 빔은 검출 빔과 동일한 경로(80)를 따른다. 검출 빔을 스티어링 미러(13)쪽으로 지향시키고, 또한 스티어링 미러(13)로부터 반사된 리턴 빔을 수신하는 제2 스티어링 미러(미도시)가 제공된다. 이 제2 스티어링 미러는 Y 방향으로 캔틸레버의 모션을 추적하기 위해 Y 방향(도 17의 평면 내외부 방향)으로 병진 이동될 수 있다.
도 18은 대물 렌즈(12)와 프로브(30, 31) 사이의 광 경로에 위치된 빔 스티어링 미러(13a)의 회전에 의해 빔 스티어링이 유효화되는 배열을 도시한다. 검출 빔(40c)은 경로(81)를 따라 대물 렌즈(12)에 의해 스티어링 미러(13a)로 지향된다. 스티어링 미러(13a)가 실선으로 도시된 위치에 있을 때, 리턴 빔은 스티어링 미러(13a)에 의한 반사 후 동일한 경로(81)를 따른다. 프로브가 우측 위치로 이동할 때, 스티어링 미러(13a)는 점선으로 도시된 방향으로 회전되어서 검출 빔(40c)은 스티어링 미러(13a)에 의해 캔틸레버(30) 상으로 계속 조향된다. 이 배열은 리턴 빔 오프셋이 존재한다는 점에서 도 13의 배열과 동일한 문제를 겪는다.
도 19는 대물 렌즈(12)와 프로브(30, 31) 사이의 빔 스티어링 미러(13a)의 병진 이동에 의해 빔 스티어링이 유효화되는 배열을 도시한다. 프로브가 우측 위치로 이동하면, 스티어링 미러(13a)는 점선으로 도시된 위치로 병진 이동되어 검출 빔(40c)은 스티어링 미러(13a)에 의해 캔틸레버(30) 상으로 계속 조향된다. 도 15 및 16과 달리, 리턴 빔 오프셋이 없으므로, 리턴 빔이 스티어링 미러(13a)에 의해 반사된 후 리턴 빔은 검출 빔과 동일한 경로(81)를 따른다. 검출 빔을 스티어링 미러(13a)쪽으로 지향시키고, 또한 스티어링 미러(13a)로부터 반사된 리턴 빔을 수신하는 제2 스티어링 미러(미도시)가 또한 제공된다. 이 제2 스티어링 미러는 Y 방향으로 캔틸레버의 모션을 추적하기 위해 Y 방향(도 19의 평면 내외부)으로 병진 이동될 수 있다.
도 20은 대물 렌즈의 후방 초점면(52)에 접근할 수 없는 경우 현미경(1)이 어떻게 변형될 수 있는지를 보여준다. 도 20의 현미경은 대물 렌즈(12)가 대물 렌즈(12a)의 공간 엔벨로프(envelope) 내부에 있는 후방 초점면(52a)을 갖는 대물 렌즈(12a)로 대체되어 빔 스티어링 미러(13)를 후방 초점면(52a) 상에 배치하는 것이 불가능하다는 것을 제외하고는 도 1의 현미경과 동일하다.
한 세트의 릴레이 렌즈(100)는 대물 렌즈(12a)와 스티어링 미러(13) 사이의 광 경로에 위치된다. 릴레이 렌즈(100)는 대물 렌즈의 후방 초점면(52a)의 이미지(52b)를 생성하도록 배열된다. 후방 초점면의 이미지(52b)는 대물 렌즈(12a)의 공간 엔벨로프 외부에 있기 때문에, 스티어링 미러(13)는 도 20에 도시된 바와 같이 후방 초점면(52a)의 이미지(52b)에 위치될 수 있다. 도 1의 실시예에서와 같이, 스티어링 미러(13)는 프로브가 검출 빔을 반사시켜 리턴 빔을 생성하도록 검출 빔을 프로브 상으로 조향하도록 배열된다. 스티어링 미러(13)는 검출 빔이 릴레이 렌즈(100) 및 대물 렌즈(12a)를 통해 스티어링 미러(13)로부터 프로브로 진행하도록 위치 조절된다.
도 1의 실시예에서와 같이, 제2 액추에이터는 검출 빔이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고, 검출 빔이 스티어링 미러(13)에 의해 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록 도 20에 도시된 바와 같이 스티어링 미러(13)를 회전시키도록 구성된다. 스티어링 미러(13)와 그 회전축은 릴레이 렌즈(100)의 광축(51a)이 후방 초점면(52a)의 이미지(52b)와 교차하는 지점에 놓인다. 도 11에서와 같이, 리턴 빔은 스티어링 미러(13)에 의해 반사된 후 광 경로(80)를 따라 검출 빔과 동축으로 유지되므로, 프로브를 추적하기 위해 스티어링 미러(13)는(병진 이동 없이) 순수한 회전으로 이동될 수 있다.
도 21은 현미경(1)과 유사한 스캐닝 프로브 현미경(1a)을 도시하고, 동일한 특징부에는 동일한 부재번호가 주어졌다. 동일한 특징부는 다시 설명하지 않고 상이한 특징부를 위주로 설명한다. 위치 감지 검출기(70)는 프로브 지지체(2)에 장착되며, 제1 액추에이터(3)는 스캐닝 모션을 따르는 프로브 지지체(2)와 함께 위치 감지 검출기(70)를 이동시킨다.
스티어링 미러(13)는 검출 빔(40c)을 위치 감지 검출기(70) 상으로 조향하도록 구성되고, 위치 감지 검출기(70)는 X 및 Y 방향으로 위치 감지 검출기(70)에 대한 검출 빔(40c)의 오프셋에 따라 출력(71)을 생성하도록 구성된다. 위치 감지 검출기(70)의 중심에 대한 오프셋은 도 21에서 x(error) 및 y(error)로 표시되고, 도 1의 실시예에서 이미지 분석 시스템(20)에 의해 측정된 겉보기 모션과 동일하다. 이 경우에 위치 감지 검출기(70)에 의해 반사되는 리턴 빔이 없기 때문에, 검출 시스템(26)은 도 21에서 생략됨에 유의한다.
전형적으로 위치 감지 검출기(70)는 4 개의 사분면으로 분할된 스플릿 포토 다이오드이며, 4 개의 사분면으로부터의 신호들 간의 비율은 스플릿 포토다이오드의 중심에 대한 검출 빔(40c)의 X 및 Y 방향의 오프셋을 나타낸다.
제2 액추에이터(14)는 추적 구동 신호(PA, PB, PC)를 수신하고 추적 구동 신호(PA, PB, PC)에 기초하여, 검출 빔(40c)이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 검출 빔(40c)이 위치 감지 검출기(70) 상으로 조향된 상태를 유지하도록 스티어링 미러를 이동시킨다. 캘리브레이션 시스템(21)은 단계(210)를 생략하지만 도 7과 유사한 캘리브레이션 프로세스를 사용하여 위치 감지 검출기(70)의 출력(71)에 기초하여 저장된 기준 데이터(17)를 조정하도록 구성된다.
도 22a 및 22b는 대안적인 캘리브레이션 프로세스를 도시한다. 도 7의 캘리브레이션 프로세스에서, 제1 및 제2 액추에이터는 모두 단계(208)에서 이동되지만, 도 22a 및 22b의 대안적인 캘리브레이션 프로세스에서 두 액추에이터는 서로 상이한 단계에서 이동된다.
도 22a 및 22b의 프로세스 중 일부 단계들은 도 7의 동등한 단계와 동일하므로, 이들 단계들은 다시 상세히 설명되지 않을 것이다. 단계(202)에서 광학 특징부는 비전 시스템의 시야 내에 정렬되고, 단계(204)에서 간섭계(105)는 프로브 지지체(2)의 표면 상에 초점이 맞춰진다.
단계(408)에서, 스캔 포지션 시스템(5)은 기지의 오프셋만큼 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변경한다. 이는 제1 액추에이터(3)가 광학 특징부의 위치의 단계적 변화를 발생시키게 만든다. 도 7의 방법과 달리, 제2 액추에이터(14)는 단계(408) 동안 이동하지 않는다.
도 23a는 단계(408 및 409)의 스캐닝 단계 동안 광학 특징부의 위치의 어레이를 도시한다. 초기 단계(202 및 204) 동안, 프로브 지지체는 도 23a에서 0,0으로 라벨링된 중앙 위치에 있다. 단계(408)의 제1 인스탠스에서, 광학 특징부는 어레이 내의 다른 위치들 중 하나(예를 들어, X, 0로 라벨링된 위치)로 이동한다. 이것은 광학 특징부를 기지의 오프셋(X)만큼 오른쪽으로 이동시킨다.
도 23b는 단계(408 및 409)의 스캐닝 단계 동안 비전 시스템(10)에 의해 관찰된 광학 특징부의 겉보기 위치를 도시한다. 단계(408)의 제1 인스탠스 후, 광학 특징부의 겉보기 위치는 0', 0'에서 X', 0'으로 이동하였다. 단계(409)에서, 비전 시스템에서 광학 특징부의 x 오프셋(X') 및 y 오프셋(0')이 측정되고 저장된다.
그 다음, 단계(408 및 409)는 도 23a의 전체 어레이에 대해 반복된다. 도 23a는 개략도이고, 어레이의 포인트 수는 실제로 훨씬 더 많을 것이다.
단계(410)에서, 스캐너의 기지의 오프셋 및 단계(409)에서 비전 시스템을 통해 관찰된 측정된 오프셋은 비전 시스템(x, y)에 대한 스캐너 좌표계(x', y')를 결정하기 위해 분석된다. 도 23b는 직교 축 세트(x, y)와 비-직교 축 세트(x', y')의 2 세트의 축을 보여준다. 이들은 x-회전(θx)과 y-회전(θy)을 정의한다. 도 23b에 도시된 스케일링 팩터(Cx 및 Cy)는 또한 비전 시스템을 통해 관찰된 측정된 오프셋의 분석에 의해 결정된다.
단계(411)에서, 스캔 포지션 시스템(5)은 제2 액추에이터(14)가 스티어링 미러(13)의 위치 또는 방향의 단계적 변화(ΔA, ΔB, ΔC)를 발생시키도록 하기 위해 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변경한다. 단계(411) 동안 제1 액추에이터(3) 및 광학 특징부는 이동하지 않는다. 단계(411)에서 사용된 추적 명령 신호(A, B, C)는 임시 기준 데이터(17)에 따라 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변환함으로써 생성된다.
도 24b는 단계(411 및 412)의 추적 단계 동안 비전 시스템(10)에 의해 관찰된 광학 특징부의 겉보기 위치를 도시한다. 단계(411)의 제1 인스탠스 후, 임시 기준 데이터(17)를 사용하여, 광학 특징부의 겉보기 위치가 0''에서 X'', 0''으로 이동되었다. 단계(412)에서, 비전 시스템에서 광학 특징부의 x 오프셋(X'') 및 y 오프셋(0'')이 측정되고 저장된다.
간섭계(105)로부터의 높이 신호(116) 또는 스플릿 포토다이오드(104)로부터의 편향 각도 신호(117)의 변화는 단계(210)에서 결정되며, 이 변화는 z(error)로 표시된다.
단계(413)에서, 비전 시스템을 통해 관찰된 측정된 오프셋은 도 24에 도시된 x-회전(θx''), y-회전(θy''), 및 스케일링 계수(Cx'', Cy'')을 갖는 추적 좌표계(x'', y'')를 결정하기 위해 분석된다.
기준 데이터(17)는 스캐닝 명령 신호(X, Y)와 추적 명령 신호(A, B, C) 사이의 상관관계를 나타낸다. 임시 기준 데이터(17)가 완벽하게 정확하다면, 도 24에 도시된 겉보기 위치는 도 23b에 도시된 겉보기 위치와 동일할 것이며, 파라미터(θx'', θy'', Cx'', Cy'')는 파라미터(θx, θy, Cx, Cy)와 동일할 것이다.
이들 파라미터 사이의 임의의 차이는 도 22b의 단계(414)에서 계산된 에러(θx(error), θy(error), Cx(error), Cy(error)로 표시됨)로 기록된다. 단계(415)에서, 기준 데이터(17)는 θx(error), θy(error), Cx(error), Cy(error) 및 z(error)를 기초로 하여 조정되어 새로운 개선된 기준 데이터(17)를 제공한다. 단계(415)의 조정은 추적 시스템에 의해 부과된 오프셋이 측정된 높이 변화를 초래하지 않아야 하고 스캐너를 동등하게 오프셋시킴으로써 관찰된 것과 동일한 오프셋을 생성하도록 기준 데이터(17)의 정확도를 향상시킨다.
단계(415) 후, 도 7의 프로세스의 단계(208-210)들은 크로스체크로서 수행된다. 에러가 수용 가능하지 않으면, 프로세스는 복귀 경로(416)를 통해 반복된다.
도 25a 및 25b는 더 대안적인 캘리브레이션 프로세스를 도시한다. 도 7 및 22a/b의 캘리브레이션 프로세스에서 비전 시스템이 사용된다. 도 25a 및 25b의 캘리브레이션 프로세스에서는 비전 시스템이 사용되지 않는다. 따라서, 도 25a 및 25b의 프로세스는 비전 시스템이 없는 현미경으로 구현될 수 있다.
도 25a 및 25b의 프로세스의 일부 단계는 도 22a 및 22b의 동등한 단계와 동일하므로, 이들 단계는 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
단계(501)에서, 검출 시스템(26)은 캔틸레버(30)와 나란하게 정렬되어, 검출 빔(40c)이 캔틸레버(30)상의 기지의 위치에 집중되고 배치된다. 검출 빔(40c)은 아래와 같이 캔틸레버(30)상의 기지의 위치에 배치된다. 먼저, 검출 빔(40c)은 캔틸레버(30)를 가로 질러(또는 그 반대로) 스캐닝되고, 검출 시스템(26)은 검출 빔(40c)이 캔틸레버의 에지를 가로지를 때 검출 신호의 2 단계 변화를 검출한다. 이러한 단계적 변화 사이의 중간점은 캔틸레버의 중간선을 제공한다. 그 다음, 검출 빔(40c)은 빔이 캔틸레버의 원위 단부를 가로 질러 단계적 변화가 검출될 때까지 캔틸레버(30)를 따라 길이 방향으로(또는 그 반대로) 스캐닝된다. 그 다음, 이러한 길이 방향의 스캐닝 모션은 기지의 양만큼 역전되어, 빔은 원위 단부로부터 기지의 거리에 있는 캔틸레버의 중간선 상에 위치된다.
단계(502)에서, 스캔 포지션 시스템(5)은 기지의 오프셋만큼 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변경한다. 이것은 제1 액추에이터(3)가 캔틸레버의 위치의 단계적 변화를 발생시키게 만든다.
단계(503)에서, 추적 제어 시스템(15, 16)을 사용하여 검출 빔을 오프셋 시킴으로써 검출 시스템이 캔틸레버(30)와 나란하게 재정렬된다. 보다 구체적으로, 기준 데이터(17)에 따라 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변환함으로써 추적 명령 신호(A, B, C)가 생성되고, 이들 추적 명령 신호(A, B, C)는 앞서 설명한 프로세스를 이용하여 검출 빔이 캔틸레버 상의 기지의 위치로(즉, 캔틸레버의 원위 단부로부터 기지의 거리에 있는 캔틸레버의 중간선 상으로) 다시 이동할 때까지 스티어링 미러(13)를 구동시키기 위해 사용된다.
단계(504)에서 스트레인 게이지 피드백 신호(SA, SB, SC)가 기록된다. 이들 신호(SA, SB, SC)는 제2 액추에이터(14)의 3 개의 스트럿의 위치를 나타낸다.
간섭계(105)로부터의 높이 신호(116) 또는 스플릿 포토다이오드(104)로부터의 편향 각도 신호(117)의 변화는 단계(210)에서 판정되며, 이 변화는 z(error)로 표시된다.
단계(505)에서, 새로 개선된 기준 데이터(17)는 단계(504)에서 측정된 추적 액추에이터 위치(SA, SB, SC) 및 단계(210)에서 측정된 높이 변화 z(error)에 기초하여 결정된다. 이 새로 개선된 기준 데이터(17)는 스캐닝 명령 신호(X, Y)와 추적 명령 신호(A, B, C) 사이의 상관관계를 나타내며, 그 후 스캐닝 또는 이미징 모드에서 사용된다.
그 다음, 단계(502-504 및 210)는 다양한 오프셋 범위로 반복된다.
그 다음, 프로세스는 종료될 수도 있고, 또는 선택사항으로서 도 23b의 크로스체크 프로세스와 유사한 도 25b의 크로스체크 프로세스를 계속할 수 있고, 이에 대하여 다시 설명하지는 않을 것이다.
요약하면, 도 7, 도 22a/b 및 도 25a/b에서, 스캐닝 프로브 현미경은 하나 이상의 스캐닝 명령 신호(X, Y)에 기초하여 제1 액추에이터를 통해 단계(208/408/502)에서 특징부(광학 특징부 또는 캔틸레버 중 하나)를 이동시키고; 추적 명령 신호(A, B, C)에 기초하여 제2 액추에이터를 통해 단계(208/401/503)에서 스티어링 요소(13)를 이동시키고; 단계(214/415/505)에서 스캐닝 명령 신호(X, Y)와 추적 명령 신호(A, B, C) 사이의 상관관계를 나타내는 기준 데이터(17)를 결정하고; 그리고 그 기준 데이터(17)를 저장함으로써, 캘리브레이션 모드로 작동된다.
기준 데이터(17)가 도 7, 도 22a/b 및 도 25a/b에서와 같이 캘리브레이션 모드에서 저장된 후, 스캐닝 프로브 현미경은 도 8-10에 도시된 바와 같이 스캐닝 모드로 작동된다. 현미경은 프로브가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔(28)을 생성하도록 스티어링 요소(13)를 통해 검출 빔(40c)을 프로브(30) 상으로 조향하고; 출력(116)을 생성하는 검출 시스템(26)에서 리턴 빔(28)을 수신하고; 프로브가 샘플(32)을 가로지르는 스캐닝 모션을 따르도록 스캐닝 명령 신호(X, Y)에 기초하여 제1 액추에이터를 통해 프로브를 이동시키고; 기준 데이터(17)에 따라 하나 이상의 스캐닝 명령 신호(X, Y)를 변환함으로써 추적 명령 신호(A, B, C)를 생성하고; 그리고 검출 빔(40c)이 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 검출 빔이 스티어링 요소(13)에 의해 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록 추적 명령 신호(A, B, C)에 기초하여 제2 액추에이터를 통해 스티어링 요소(13)를 이동시킴으로써, 스캐닝 모드로 작동된다.
본 발명이 하나 이상의 바람직한 실시예를 참조하여 앞서 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 다양한 변경 또는 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (24)

  1. 스캐닝 프로브 현미경으로서,
    특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 상기 특징부를 이동시키는 제1 액추에이터;
    스티어링 요소;
    시야로부터 광을 수집하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된 비전 시스템으로서, 상기 시야는 상기 특징부를 포함하고 상기 시야로부터의 상기 광은 상기 스티어링 요소를 통해 상기 특징부로부터 상기 비전 시스템으로 진행하는 것인, 상기 비전 시스템;
    저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템;
    상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고 상기 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 상기 시야가 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 특징부가 상기 시야 내에 유지되도록 상기 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터;
    상기 비전 시스템으로부터의 상기 이미지 데이터를 분석하여 상기 특징부를 식별하고 상기 시야에 대한 상기 특징부의 겉보기 모션을 측정하도록 구성된 이미지 분석 시스템; 및
    상기 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 상기 겉보기 모션에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 특징부는 프로브 또는 프로브 지지체인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 시스템은 상기 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 상기 겉보기 모션을 감소시키기 위해 상기 이미지 분석 시스템에 의해 측정된 상기 겉보기 모션을 기초로 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터는 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 수신하고 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 상기 특징부를 이동시키도록 구성되고;
    상기 추적 제어 시스템은 상기 저장된 기준 데이터 및 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 따라 상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스티어링 요소는 미러 또는 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스티어링 요소는 상기 특징부가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 생성하도록 상기 검출 빔을 상기 특징부 상으로 조향하도록 구성되고,
    상기 현미경은: 상기 리턴 빔을 수신하여 출력을 생성하도록 구성된 검출 시스템; 및 상기 검출 시스템의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 더 포함하며,
    상기 검출 시스템은 상기 리턴 빔이 상기 스티어링 요소를 통해 상기 특징부로부터 상기 검출 시스템으로 진행하도록 위치 조절되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 검출 시스템은 상기 출력을 생성하기 위해 상기 리턴 빔을 기준 빔과 결합하도록 구성된 간섭계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 검출 시스템은 상기 리턴 빔을 수신하는 위치 감지 검출기를 포함하고, 상기 위치 감지 검출기는 상기 위치 감지 검출기에 대한 상기 리턴 빔의 오프셋에 따라 상기 출력을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  9. 스캐닝 프로브 현미경으로서,
    특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 상기 특징부를 이동시키는 제1 액추에이터;
    상기 특징부가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 생성하도록 상기 검출 빔을 상기 특징부 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소;
    저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템;
    상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고, 상기 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 상기 검출 빔이 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 검출 빔이 상기 스티어링 요소에 의해 상기 특징부 상으로 조향된 상태를 유지하도록 상기 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터;
    상기 리턴 빔을 기준 빔과 결합하여 출력을 생성하도록 구성된 간섭계로서, 상기 간섭계는 상기 리턴 빔이 상기 스티어링 요소를 통해 상기 특징부로부터 상기 간섭계로 진행하도록 위치 조절되는, 간섭계; 및
    상기 간섭계의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 특징부는 프로브 또는 프로브 지지체인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터는 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 수신하고 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 상기 특징부를 이동시키도록 구성되고;
    상기 추적 제어 시스템은 상기 저장된 기준 데이터 및 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 따라 상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 스티어링 요소는 미러 또는 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 시스템은 상기 간섭계의 상기 출력의 변화를 감소시키기 위해 상기 간섭계의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  14. 스캐닝 프로브 현미경으로서,
    특징부가 스캐닝 모션을 따르도록 상기 특징부를 이동시키는 제1 액추에이터;
    상기 특징부가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 생성하도록 상기 검출 빔을 상기 특징부 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소;
    저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템;
    상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고, 상기 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 상기 검출 빔이 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 검출 빔이 상기 스티어링 요소에 의해 상기 특징부 상으로 조향된 상태를 유지하도록 상기 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터;
    상기 리턴 빔을 수신하고 위치 감지 검출기에 대한 상기 리턴 빔의 오프셋에 따라 출력을 생성하도록 구성된 상기 위치 감지 검출기로서, 상기 위치 감지 검출기는 상기 리턴 빔이 상기 스티어링 요소를 통해 상기 특징부로부터 상기 위치 감지 검출기로 진행하도록 위치 조절되는, 상기 위치 감지 검출기; 및
    상기 위치 감지 검출기의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 위치 감지 검출기는 스플릿 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 특징부는 프로브 또는 프로브 지지체인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터는 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 수신하고 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 상기 특징부를 이동시키도록 구성되고;
    상기 추적 제어 시스템은 상기 저장된 기준 데이터 및 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 따라 상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 스티어링 요소는 미러 또는 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 시스템은 상기 위치 감지 검출기의 상기 출력의 변화를 감소시키기 위해 상기 위치 감지 검출기의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  20. 스캐닝 프로브 현미경으로서,
    위치 감지 검출기;
    상기 위치 감지 검출기가 스캐닝 모션을 따르도록 상기 위치 감지 검출기를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터;
    검출 빔을 상기 위치 감지 검출기 상으로 조향하도록 구성된 스티어링 요소로서, 상기 위치 감지 검출기는 상기 위치 감지 검출기에 대한 상기 검출 빔의 오프셋에 따라 출력을 생성하도록 구성되는, 스티어링 요소;
    저장된 기준 데이터에 따라 하나 이상의 추적 구동 신호를 생성하도록 구성된 추적 제어 시스템;
    상기 하나 이상의 추적 구동 신호를 수신하고, 상기 하나 이상의 추적 구동 신호에 기초하여 상기 검출 빔이 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 검출 빔이 상기 스티어링 요소에 의해 상기 위치 감지 검출기 상으로 조향된 상태를 유지하도록 상기 스티어링 요소를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터; 및
    상기 위치 감지 검출기의 상기 출력에 기초하여 상기 저장된 기준 데이터를 조정하도록 구성된 캘리브레이션 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  21. 스캐닝 프로브 현미경으로서,
    프로브가 스캐닝 모션을 따르도록 상기 프로브를 이동시키도록 구성된 제1 액추에이터;
    후방 초점면을 갖는 대물 렌즈;
    상기 대물 렌즈의 상기 후방 초점면의 이미지를 생성하도록 구성된 렌즈 시스템;
    상기 후방 초점면의 상기 이미지에 위치한 미러로서, 상기 미러는 상기 프로브가 검출 빔을 반사시켜 리턴 빔을 생성하도록 상기 검출 빔을 상기 프로브 상으로 조향하도록 구성되고, 상기 미러는 상기 검출 빔이 상기 렌즈 시스템 및 상기 대물 렌즈를 통해 상기 미러로부터 상기 프로브로 진행하도록 위치 조절된 것인, 상기 미러;
    상기 검출 빔이 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 검출 빔이 상기 미러에 의해 상기 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록 상기 미러를 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터; 및
    상기 리턴 빔을 수신하여 출력을 생성하도록 구성된 검출 시스템으로서, 상기 검출 시스템은 상기 리턴 빔이 상기 대물 렌즈, 상기 렌즈 시스템 및 상기 미러를 통해 상기 프로브로부터 상기 검출 시스템으로 진행하도록 위치 조절된 것인, 상기 검출 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 후방 초점면은 상기 대물 렌즈 내부에 놓이고, 상기 후방 초점면의 상기 이미지는 상기 대물 렌즈 외부에 놓이는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  23. 제21 항에 있어서,
    상기 렌즈 시스템은 렌즈 또는 일련의 릴레이 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경.
  24. 스캐닝 프로브 현미경을 작동시키는 방법으로서,
    하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 제1 액추에이터를 통해 특징부를 이동시키고; 하나 이상의 추적 명령 신호에 기초하여 제2 액추에이터를 통해 스티어링 요소를 이동시키고; 상기 스캐닝 명령 신호와 상기 추적 명령 신호 간의 상관관계를 나타내는 기준 데이터를 결정하고; 그리고 상기 기준 데이터를 저장함으로써, 상기 스캐닝 프로브 현미경을 캘리브레이션 모드로 작동시키는 단계; 및
    상기 기준 데이터가 상기 캘리브레이션 모드에서 저장된 후, 프로브가 검출 빔을 반사하여 리턴 빔을 발생시키도록 상기 검출 빔을 상기 스티어링 요소를 통해 상기 프로브 상으로 조향하고; 출력을 생성하는 검출 시스템에서 상기 리턴 빔을 수신하고; 상기 프로브가 샘플을 가로지르는 스캐닝 모션을 따르도록 하나 이상의 스캐닝 명령 신호에 기초하여 상기 제1 액추에이터를 통해 상기 프로브를 이동시키고; 상기 기준 데이터에 따라 상기 하나 이상의 스캐닝 명령 신호를 변환함으로써 하나 이상의 추적 명령 신호를 생성하고; 그리고 상기 검출 빔이 상기 스캐닝 모션과 동기화된 추적 모션을 따르고 상기 검출 빔이 상기 스티어링 요소에 의해 상기 프로브 상으로 조향된 상태를 유지하도록 상기 하나 이상의 추적 명령 신호에 기초하여 상기 제2 액추에이터를 통해 상기 스티어링 요소를 이동시킴으로써, 상기 스캐닝 프로브 현미경을 스캐닝 모드로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 프로브 현미경을 작동시키는 방법.
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