TWI676030B

TWI676030B - 在基板表面操作掃描探測顯微鏡之系統及方法

Info

Publication number: TWI676030B
Application number: TW104120899A
Authority: TW
Inventors: 馬納尼哈米德賽德克海; Hamed Sadeghian Marnani; 賈斯伯溫特斯; Jasper WINTERS; 威廉愛德華克羅科姆; William Edward CROWCOMBE; 突尼斯康尼里斯范登杜; Teunis Cornelis Van Den Dool; 吉爾登法蘭斯伊斯布蘭德克拉默; Geerten Frans Ijsbrand Kramer
Original assignee: 荷蘭商荷蘭Ｔｎｏ自然科學組織公司; Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek Tno
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2019-11-01
Also published as: US10067158B2; EP3164720A1; TW201606309A; WO2016003281A1; US20170131323A1; EP3164720B1

Abstract

本發明係指一種使用掃描探測顯微鏡系統在基板表面操作掃描探測顯微鏡之方法，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，該方法包括：相對於該基板表面定位該至少一探測頭；使該探測尖端與該基板表面在平行於該像平面之一個或更多方向上互相相對移動，以藉該探測尖端掃描該基板表面；及在該掃描期間判定該探測尖端與該尖端位置偵測器之位置，以映射該基板表面上之奈米結構；其中該定位步驟係藉置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上而實施。

Description

在基板表面操作掃描探測顯微鏡之系統及方法

本發明係指一種使用掃描探測顯微鏡系統在基板表面操作掃描探測顯微鏡之方法，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，該方法包括相對於該基板表面定位該至少一探測頭。

本發明尚指一種在基板表面操作顯微鏡之掃描探測顯微鏡系統，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，其中該系統包括一定位結構，用於相對於該基板表面定位該至少一探測頭。

例如原子力顯微鏡(AFM)裝置等掃描探測顯微鏡(SPM)裝置係可譬如應用於半導體工業中，用於掃描表面上之半導體拓樸。可在生物醫學工業、奈米技術、及科學應用中發現此技術之其他使用。明確地，AFM可用於臨界尺寸度量(CD度量)、微粒掃描、應力與粗糙度量測。AFM顯微鏡容許非常高準確度之表面顯影、以達成次奈米解析度之表面元件顯影。

基於高準確度，習知及可取得之SPM裝置係經精密地控制，且包含有準確且敏感之量測設備、以及經配置成支援非常高(譬如次奈米)解析度之定位與掃描設備。正確校正裝置部件、及使用高解析度定位回授系統，將允許SPM裝置提供所需之準確度，然所有這些措施皆需付出代價。

譬如一缺點在於，SPM裝置通常限於檢查相對較小之基板表面。這係因以具有一小衝程(例如允許移動探測頭橫越一譬如10公分之距離)之定位結構取得所需準確度，遠較以具有一大衝程(允許移動探測頭橫越一譬如100公分之距離)之定位結構取得相同準確度更為容易。這係因具有大衝程之系統的定位與度量迴圈典型地遠較大。一較大定位迴圈意謂更順從經致動之部件且損失準確度。一較大度量迴圈意謂一般將更順從擾動、因此共容易為擾動所損害。

本發明之一目的係提供一種操作掃描探測顯微鏡之方法，其可克服前述缺點，且允許應用至大基板表面而無需在準確度方面作妥協。

為此，在此提供一種使用掃描探測顯微鏡系統在基板表面操作掃描探測顯微鏡之方法，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，該方法包括：相對於該基板表面定位該至少一探測頭；使該探測尖端與該基板表面在平行於該像平面之一個或更多方向上互相相對移動，以藉該探測尖端掃描該基板表面；及在該掃描期間判定該探測尖端與該尖端位置偵測器之位置，以映射該基板表面上之奈米結構；其中該定位步驟係藉置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上而實施。

依據本發明之方法，在掃瞄該基板表面以實施成像本身之前，將該探測頭相對於該基板表面定位在一成像所需位置點處。藉置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上以實施該定位步驟。可將「靜態托架表面」一詞理解為，不相關於該掃描探測顯微鏡系統移動之一托架表面。例如，該靜態托架表面可為該系統之度量框架的一靜態表面。藉置放至少一探測頭於該靜態托架表面上，該探測頭將相關於此表面機械地固定。由於該靜態托架表面係相關於該顯微鏡系統呈靜態(即，不移動)之一表面，因此藉置放該至少一探測頭於該靜態托架表面上來固定該至少一探測頭之位置點，將自動地固定該探測頭在該顯微鏡系統中之位置。如此將允許準確地判定該探測頭相關於該待判定基板表面之相對位置。此外，該置放至少一探測頭於靜態托架表面上，將提供該探測頭一較高之掃描期間穩定度。

依據本發明之一實施例，該定位步驟包含使用一定位結構，在平行於該像平面之一方向上，相對於該基板表面移動該探測頭朝向一著陸位置，其中當該置放探測頭於靜態托架表面上時，自該定位結構釋放該探測頭。

該定位結構可譬如為一定位臂或一伸縮臂，其允許相對於該基板表面移動該探測頭(或著同時或連續地移動多重探測頭)朝向期望之著陸位置。由於依據本發明，在以探針掃描該基板表面之前，首先置放該探測頭於該靜態托架表面上，因此該定位結構跨越該表面之長度將不再為一限制因素。因此，無論該伸縮臂僅五公分長、或80公分長，皆無關緊要；該臂之長度及材料有限剛性所造成之振動、或懸吊系統中之游隙、或著致動器準確度所造成之偏差(不論是否因該臂長度而倍增)，將不再影響顯微鏡方法之準確度。一旦置放該探測頭於該靜態托架表面上，將藉由固定(譬如藉重力及/或任何其他固定力)該探測頭至該表面而穩定該探測頭。此外，由於該探測頭係自該定位結構釋放，因此可造成該臂定位時振動之任何結構中振動或熱效應，皆不致傳遞至該探測頭。藉釋放該探測頭，該探測頭與該定位結構之間將不再有機械連結，且連同該置放探測頭於靜態托架表面上，將可獲致高度準確之顯微鏡系統。

更依據又一實施例，該靜態托架表面係一度量框架之一表面、靜態地連接至一度量框架之一表面、及/或一二維光學編碼器表面。依據本發明之一較佳實施例，該靜態托架表面係一二維光學編碼器表面，經固定至該顯微鏡系統之一度量框架。該二維光學編碼器表面經設計成，相對於該顯微鏡系統之度量框架呈絕對地靜態。此外，該二維光學編碼器表面係經準確地校正，使其提供可用於該基板表面掃描期間之一高度可靠參考框架。該二維光學編碼器表面可包括單一編碼器表面元件，或可由經連續地配置以橫跨較大表面之複數個表面元件形成。

一光學編碼器表面可包括一光柵，其與該(至少一)探針上之一編碼器裝置一同作動。該編碼器允許根據該光柵之正規結構，判定該探測頭之精確位置。此一光柵表面通常為一高度敏感表面，且譬如甚至最小刮痕或污染物等任何不平整，皆可造成該光柵表面無法再使用。例如，編碼器使用正規之光柵結構作為一參考件，計算編碼器自一特定參考點開始運動期間已通過之光柵結構數。任何不平整皆可打斷此計數，而因此破壞該參考件之準確度。

以上使用二維編碼器表面作為一靜態托架表面來置放該至少一探測頭之較佳實施例係根據洞察到，為提供所需準確度，必須將二維光學編碼器表面靜態地固定至該掃描探測顯微鏡系統，而該光學編碼器表面又直接提供一高度準確定位之參考。使用該二維光學編碼器表面作為一靜態托架表面，可有效地穩定該至少一探測頭，且同時確切地獲知該至少一探測頭在該編碼器表面上之位置。然而，考慮到一些二維編碼器表面(譬如以上所討論之光柵表面)的敏感性，需要可允許準確且和緩地置放該探測頭於該表面上之一置放方法，以防止在置放該探測頭於該二維光學編碼器表面上期間造成任何刮痕。

因此，依據又一實施例，藉一定位結構實施置放該至少一探測頭，其中該或每一探測頭包括一托架，與該定位結構一同作動，該托架或該等托架包括一上方部件及一基座，該二者係相互連接，以經配置成相互遠離，其中該定位結構包括一支持表面，經配置於該基座與該上方部件之間，該上方部件包括三個嚙合元件，朝該支持表面延伸，其中該基座包括三個著陸元件，每一著陸元件各與該三嚙合元件其中各別一個相關聯，及其中該三嚙合元件係在置放前靜置於，在該支持表面上形成一運動學架座之複數個承窩中，其中在置放該或每一探測頭期間，連貫地置放該等著陸元件於該靜態托架表面上，使得每一個該等嚙合元間皆在其相關聯著陸元件觸及下方時，自該運動學架座釋放。該等嚙合元件可為柱件、腳架、或容許嚙合該等動力學架座承窩之任何其他適當結構。較佳地，該等嚙合元件具有球型或半球型、圓錐型、或珠型腳。在說明之實施例中，大多將該等嚙合元件具體實施為柱件，然同樣可運用其他結構。

在以上實施例中，可非常小心且和緩地將該探測頭置放於該靜態托架表面(譬如二維編碼器表面)上，且可藉使用該運動學架座有效地防止在該托架面對該探測頭期間造成該表面任何刮傷。當著陸其間，在置放該至少一探測頭每一著陸元件期間之每一階段，恰好僅該等需作限制以防止刮傷之自由度降低將由該運動學架座限制。

倘置放該探測頭於該靜態托架表面而不考慮哪些自由度需作限制，則刮傷該表面之風險將提高。例如，為置放第一著陸元件於該靜態托架表面上，必須固定該第一著陸元件平行於該靜態托架表面位移之自由度，以防止該著陸元件刮傷該表面。針對該第二著陸元件，限制太多自由度可增加該第二著陸元件著陸期間，該第一著陸元件或該第二著陸元件因過度限制而造成該表面刮傷之風險。這同樣適用於置放該第三著陸元件。使用該運動學架座，可藉由三個嚙合元件、與形成該運動學架座之該等承窩及該支持表面一同作動，有效地限制每一需作限制之自由度。

當該靜態托架表面與每一個該三著陸元件接觸時，與特定著陸元件相關聯之嚙合元件將自該動力學架座釋放，以防止在著陸程序之次一階段中過度限制。為自該靜態托架表面移除該探測頭而不致刮傷，可依完全相反之順序實施該置放方法：首先舉升該第三著陸元件且同時使該第三嚙合元件再次嚙合該支持表面，接著舉升該第二著陸元件且同時使該第二嚙合元件再次嚙合該運動學架座之第二承窩，及最後舉升該第一著陸元件且同時使該第一嚙合元件再次嚙合該動力學架座之第一承窩。

似乎最適合有效限制著陸期間所需自由度之一動力學架座型式係一凱文(Kelvin)夾鉗式動力學架座，該動力學架座包括一第一承窩、及一第二承窩(通常為V型溝槽)，該第一承窩限制平行於該表面之二位移自由度，且該第二承窩係與已接觸該靜態托架表面之著陸元件一同限制旋轉自由度，該旋轉係環繞著通過該第一著陸元件之軸線。該第三嚙合元件直接著陸於該支持表面上：該動力學架座並未包含一第三承窩。

依據本發明之又一實施例，藉由該探測頭包括一致動器，用於使該懸臂相對於該探測頭在平行於像平面之一方向上移動，以實施該探測尖端與該基板表面互相相對移動之步驟，而實施該基板表面掃描。此型致動器僅需要一非常小衝程，以僅跨越待成像之表面。可取得依據本實施例之一方法中所使用的充分準確致動器系統。

然而，依據更一較佳實施例，藉由在平行於該像平面之方向上移動該基板表面、且同時將該至少一探測頭保持於該靜態托架表面上，以實施該使探測尖端與基板表面互相相對移動之步驟。後者之實施例僅需一顯微鏡系統之基板夾持座配備有一準確致動器，即可實施該探測尖端與該基板表面之間的掃描運動。如此將無需在該探測頭或探測頭托架上沿X與Y方向(即平行於該基板表面)提供縮小化之致動系統。

可將複數個探測頭置於相對於該基板表面之各個不同位置點處，且可相對於此等探測尖端移動該基板表面，以實施掃描運動。如此將允許在複數個不同位置點中同時實施成像。由於在本實施例中，並非必須將每一該複數個探測頭皆配備一準確之致動器系統來實施掃描運動，因此可將該探測頭設計成簡單緊湊，且可由相對較低之成本製造整個系統，而藉由允許同時間在該基板表面之多重位置點處成像來提供高產量。置放該至少一探測頭於該靜態托架表面上、與自該定位結構釋放該等探測頭相結合，將可能同時間在眾多位置點成像該基板表面，而不會發生不同探測頭之定位結構互相干涉。

依據本發明之更一實施例，為置放該至少一探測頭於該靜態托架表面上，該至少一探測頭包括一個或更多著陸元件，其中該等著陸元件包括一群中之至少一個，該群包括：著陸腳、吸力夾鉗、磁性夾鉗、或靜電夾鉗。著陸腳可簡單地僅藉由重力將該至少一探測頭允許定位於該靜態托架表面上。在本實施例中，該靜態托架表面可位於該基板表面下方，且該待成像基板表面面對該靜態托架表面，使該至少一探測頭介於該靜態托架表面與該基板表面之間。此外，僅藉由重力將該等著陸元件固定至該靜態托架表面，額外固定力可譬如藉使用吸力夾鉗、磁性夾鉗、或靜電夾鉗施加。此外，在本發明之其他實施例中，該靜態托架表面可位於該基板表面上方，使該基板表面面向上方朝該靜態托架表面。在此一實施例中，重力作用係與保持探測頭於靜態托架表面上者相反，且因此在此一實施例中需使用吸力夾鉗、磁性夾鉗、或靜電夾鉗，以容許將該等探測頭固定至該靜態托架表面。

依據本發明之一第二構想，提供一種在基板表面操作顯微鏡之掃描探測顯微鏡系統，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，其中該系統包括一定位結構，用於相對於該基板表面定位至少一探測頭，其中該系統又經配置成，使該探測尖端與該基板表面在平行於像平面之一個或更多方向上互相相對移動，以藉該探測尖端掃描該基板表面，且該系統包括一控制器，接收該尖端位置偵測器所提供之一信號，以判定該探測尖端與該尖端位置偵測器在該偵測期間之位置，來映射該基板表面之奈米結構，其中為定位該至少一探測頭，該定位結構係經配置成，置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上，此種掃描探測顯微鏡系統之特定實施例係在此中作描述，且將在所附申請專利範圍中參考此等實施例。

1‧‧‧掃描探測頭顯微鏡系統

3‧‧‧度量框架

5‧‧‧基板夾持座

6‧‧‧基板夾持座臂

7‧‧‧基板夾持座致動器

8‧‧‧基板夾持座臂

9‧‧‧基板夾持座致動器

10‧‧‧定位致動器

11‧‧‧伸縮臂

12‧‧‧編碼器表面

14‧‧‧懸臂致動器

15‧‧‧基板

16‧‧‧基板表面

17‧‧‧探測頭

18‧‧‧探測尖端

19‧‧‧懸臂

21‧‧‧尖端位置偵測器

24‧‧‧探測頭托架

25‧‧‧嚙合元件

27‧‧‧著陸腳

30‧‧‧掃描探測顯微鏡控制系統

32‧‧‧控制器

35‧‧‧記憶體

36‧‧‧通訊模組

40‧‧‧探測頭

41‧‧‧探測尖端相對位置

43‧‧‧探測頭

44‧‧‧探測尖端相對位置

46‧‧‧探測頭

47‧‧‧探測尖端相對位置

49‧‧‧探測頭

50‧‧‧探測尖端相對位置

52‧‧‧探測頭

53‧‧‧探測尖端相對位置

55‧‧‧掃描路徑

56‧‧‧起始位置

57‧‧‧終結位置

58‧‧‧路徑

59‧‧‧路徑

60‧‧‧路徑

61‧‧‧路徑

62‧‧‧路徑

70‧‧‧方法

100‧‧‧步驟

101‧‧‧總成

102‧‧‧數據儲存設備

103‧‧‧探測頭托架

104‧‧‧伸縮臂

105‧‧‧基板/上方部件

106‧‧‧基座

108‧‧‧延伸元件

109‧‧‧靜態托架表面

110‧‧‧支持表面

111‧‧‧第一承窩

112‧‧‧第二承窩

114‧‧‧柱件

115‧‧‧柱件

116‧‧‧柱件

117‧‧‧撓性連接件

118‧‧‧撓性連接件

119‧‧‧柱腳

120‧‧‧柱腳

121‧‧‧柱腳

123‧‧‧開口

125‧‧‧著陸元件

126‧‧‧著陸元件

127‧‧‧著陸元件

131‧‧‧座標系統

將參考隨附圖式，藉一些特定實施例來進一步闡述本發明。詳細說明提供可能實現發明之範例，但不可將該詳細說明視為描述落於範疇內之僅有實施例。本發明之範疇係於申請專利範圍中界定，且應將說明內容視為闡明用而非對發明作限制。圖式中：第1圖係概略地圖示依據本發明之一掃描探測顯微鏡系統，其中可實施本發明之方法。

第2a圖係概略地圖示出，置放複數個探測頭於本發明之一掃描探測顯微鏡系統中。

第2b圖係概略地圖示出，在第2a圖之情況下以本發明之一方法實施一掃描動作；第3圖係概略地圖示本發明之方法；第4圖係概略地圖示出，在依據本發明之一系統中，一探測頭、與一定位結構之伸縮臂之間的交互作用。

第1圖係概略圖示本發明之一掃描探測頭顯微鏡(SPM)系統1。SPM系統1適合於，與依據本發明之操作掃描探測顯微鏡的方法結合使用。SPM系統1包括一度量框架3。該度量框架提供系統一堅固之固定基座。為取得期望之準確度，較佳地防止該度量框架有任何振動，且理想上儘可能大程度地排除度量框架3環境內、或中之溫度變化。

用於承載譬如一晶圓等一基板15的一基板夾持座5係藉由一基板夾持座臂6而連接至一XY基板夾持座致動器7。基板夾持座致動器7可為一系統，其容許在X及Y方向、即平行於基板15之方向上移動基板夾持座5、及與該基板夾持座相連之基板15。在第1圖中，將基板夾持座致動器7圖示為單一致動器元件。儘管熟於本項技藝者可理解到，可依數種不同方式實現該基板夾持座致動器，而容許藉單一致動器實施X與Y運動；然實現該基板夾持座致動器功能之其他方式可包括二(或更多)個致動器。第2a圖中概略地圖示出包括二致動器之一範例，其中除基板夾持座致動器7與基板夾持座臂6以外，圖示出又一基板夾持座致動器9與又一基板夾持座臂8。基板夾持座致動器7與9二者容許在平行於基板15之垂直方向上移動基板夾持座5。

回到第1圖，基板15包括一基板表面16，其需要以掃描探測顯微鏡鏡系統1掃描。掃描探測顯微鏡系統1包括複數個探測頭17。可使用一定位結構，將探測頭17置於相對於基板表面16之各不同位置處。該定位結構包括一定位致動器10及一伸縮臂11。伸縮臂11包括一嚙合元件25，用於嚙合探測頭17，以相對於該基板表面置放該探測頭。

為此，探測頭17包括一探測頭托架24，其與嚙合元件25一同作動。探測頭托架24譬如包括柱件，其與存在於嚙合元件25上之一運動學架座一同作動；第4圖中將圖示出一範例。探測頭托架24包括一懸臂致動器14，包括懸臂19及探測尖端18之探針係連附至該懸臂致動器。懸臂致動器14較佳地藉由探測尖端18在Z方向上之振動而容許在Z方向、即垂直於基板表面16之方向上致動探針。在掃描期間，藉由振動該探測尖端及將該探測尖端帶至非常靠近基板表面16，可掃描基板表面16，且存在於基板表面16上之任何奈米結構皆將影響該探測尖端之偏斜。可使用一尖端位置偵測器21來量測該探測尖端之偏斜，該尖端位置偵測器包括一干涉儀。

依據本發明之一方法，在基板表面16掃描期間，探測頭17係經置放於一靜態托架表面上。在第1圖中，這可藉由置放探測頭托架24使其著陸腳27位在一編碼器表面12上而達成。編碼器表面12係高度敏感之光柵，其係經準確地校正以提供一參考結構，可用於準確地判定探測頭17在度量框架3上之精確位置與方位。藉由此資訊，亦可知探測尖端18相關於該度量框架之精確位置。為此，編碼器表面12係高度敏感，且易發生刮傷或污染。為判定在度量框架3上之精確位置，可在編碼器表面12具光柵週期性之正規結構上實施一計數。可替代計數光柵結構或除計數光柵結構以外，該編碼器表面可包括其他可經解譯來判定一精確位置之參考件。可理解到，該表面上之刮痕可打斷定位參考件之解譯，且因此將不準確度引入參考系統中。

通常考慮譬如以上所述者之編碼器表面無法用作為置放物件或結構於其上之一托架表面。這係由於，為此目的而使用編碼器表面時，將造成該編碼器表面損傷。然而，由於編碼器表面12係由度量框架3緊固地固定與支持，且由於其為此目的而經準確地校正，因此可達成編碼器表面12亦作為可用於本發明方法中之一適當靜態托架表面。因此，藉應用一高度準確且和緩之置放方法來置放探測頭17於該編碼器表面上，可使用編碼器表面12作為靜態托架表面，以實施本發明之方法。

這可譬如藉關於以下第4圖所圖示與說明之探測頭達成。該探測頭結構係在置放程序中使用一運動學架座，其中藉由防止在置放期間過度限制該探測頭來有效地防止刮傷(以下將關於第4圖進一步解說)。因此，在使用每一探測頭17之探測尖端18掃描基板表面16之前，藉由伸縮臂11及定位致動器10將該等探測頭置放於編碼器表面12上。當以探測頭托架24之著陸腳27置於編碼器表面12上來置放探測頭17時，可對每一探測頭17釋放嚙合元件25與該探測頭托架之嚙合，使該等探測頭17僅由該靜態托架表面支持。伸縮臂11與探測頭托架24之間無機械連接，可防止將伸縮臂11內之任何振動或熱機械效應帶至探測頭17上。以使用伸縮臂11置放每一探測頭17於編碼器表面12之方式，將可能置放複數個探測頭17於表面12上，及使用多重探測頭17同時實施複數個掃描動作。

一旦探測頭17置放於編碼器表面12上，即可開始以每一探測頭17之探測尖端18掃描基板表面16。在第1圖中，圖示出基板夾持座5位於降低位置：在可藉探測尖端18實施基板表面16掃描之位置。然而，在置放探測頭17於編碼器表面12期間，將移動基板夾持座5朝一向上位置，以容許使用伸縮臂11來置放頭17。

一旦已準確地實施基板夾持座5降低，即可相對於編碼器表面12(及因此探測頭17之探測尖端18)依一掃描運動移動基板夾持座5，以實施基板表面16之掃描。將藉由一掃描探測顯微鏡控制系統30之控制器32，控制基板夾持座致動器7、9(僅在第2a圖中圖示)、及10所實施之所有運動的準確控制。控制系統30尚包括一記憶體35及一通訊模組36，該二者皆依一可作用之方式連接至控制器32。使用每一探測頭17之尖端位置偵測器21所獲得之數據，將連通至控制系統30之通訊模組36。該量測數據係儲存於記憶體35中、或可經轉送至一通訊網路上以遠距地作進一步處理。通訊模組36與每一該等尖端位置偵測器之間的通訊可包括一有線連接(未顯示)或一無線數據通訊連接。請理解到，為無線傳送數據，探測頭17可尚包括一裝載於內部之無線數據通訊模組。

第2a圖概略圖示出，使用依據本發明之一掃描探測顯微鏡系統的一情況，其中相對於一基板15置放複數個探測頭40、43、46、49、及52，以容許掃描該基板表面。第2a圖係一概略示圖，其圖示出基板15下方每一探測頭之相對位置。基板表面16(第2a圖未以參考代碼指示)面對探測頭40、43、46、49、及52。以參考代碼41、44、47、50、及53指示之圓點分別指示每一探測頭40、43、46、49、及52之探測尖端的相對位置。基板15係由基板夾持座5緊固地固持。儘管第2a圖與第2b圖、及亦第1圖之概略示圖暗示，基板15與基板夾持座5之間可有些許游隙，然請理解到，為取得操作該掃描探測顯微鏡所需之準確度，實際上基板15與基板105之間將不存在任何游隙。可藉由分別作動基板夾持座臂6與8之基板夾持座致動器7與9，以在平行於基板表面16之二方向上移動基板105。

第2b圖中概略地圖示出，在第2a圖中所圖示掃描探測顯微鏡系統掃描期間實施之掃描運動。使用基板夾持座致動器7及9，基板夾持座5將可依循一掃描路徑55。掃描路徑55起始於位置56，且終結於位置57。是以，基板夾持座5係自位置56起，首先在第2b圖中向左運動，橫越該掃描路徑之第一路線。由於探測頭40、43、46、49、及52係穩定地置放於基板15下方之該度量框架的靜態托架表面上，因此藉移動該基板夾持座橫越掃描路徑55，該等探測頭之探測尖端41、44、47、50、與52將分別依循相對路徑58、59、60、61、與62。是以，每一該等探測尖端將在該第一掃描線中相對地向右移動。當基板夾持座5向上移動至第二路線時，探測尖端41、44、47、50、與53將相對地向下移動，如第2b圖中所圖示者。如在第2b圖中看出者，藉由對基板夾持座5實施掃描運動55，可在五個不同位置處同時掃描基板15之基板表面。

第3圖係概略圖示依據本發明之一方法。方法70在72開始。方法70係以步驟73中置放一個或更多探測頭於靜態托架表面上作開始。步驟73係由數個連貫步驟74、76、及78組成。在步驟74中，相對於該基板表面移動該探測頭朝向一期望著陸位置。在步驟76中，將該探測頭置放於該靜態托架表面上。較佳地，倘該靜態托架表面係如上述之一精細編碼器表面，則為置放該探測頭於該精細編碼器表面上，使用一特殊置放方法，應用該運動學架座，以防止刮傷該表面。這可在步驟76中實施。接著，在步驟78中，自該定位結構釋放該探測頭，以防止量測期間將任何振動或其他運動帶至該探測頭上。該方法接著移動至決策步驟80，在其中判定是否所有期望之探測頭皆相對於該基板表面置放。倘另一探測頭需相對於該基板表面定位，則該方法在支路81中繼續，返回步驟74。接著實施又一探測頭之定位，直到該方法回到步驟80中。倘無又一探測頭待相對於該基板表面定位，則該方法在支路82中繼續朝向步驟84。

在步驟84中，相對於基板表面16置放所有該等探測頭，然而因需要朝每一該等探測頭上之探測尖端位置點降低基板表面16，因此尚無法掃描該基板表面16。在步驟84中實施降低基板表面16朝向該探測尖端。請理解到，亦可能抬高該靜態托架表面，將該等探測頭帶向該基板表面，以取代降低該基板表面朝向該探測頭之探測尖端。又一選擇係使用由該探測頭包含之一延伸元件，其允許一旦設置於該靜態托架表面上時，即將該探測尖端帶向該基板表面。

在步驟84以後，在步驟85中實施該基板表面之掃描。步驟85係由數個子步驟組成，如以下解說者。在步驟87中，使用該SPM系統之尖端位置偵測器來量測該探測尖端之偏斜。接著，在步驟89中，將使用尖端位置偵測器21取得之數據傳向該SPM控制系統，如點線99圖示者，該SPM控制系統同時將在步驟100中接收到之數據儲存於一數據儲存設備102中。在掃描動作之步驟91中，相對於該基板表面移動該探測尖端橫越掃描路徑達次一位置點。接著，在步驟93中，判定是否已到達掃描路徑中之最後位置。請理解到，步驟91與93之順序可顛倒。倘已到達最後位置，則依循支路95且該方法在步驟98中結束。倘繼續掃描，則依循支路94，且再次在步驟87中使用尖端位置偵測器來量測探測尖端之偏斜。

在第4圖中，概略圖示一總成101，其包括一伸縮臂104(譬如相似於第1圖之伸縮臂11)及一探測頭托架103。可應用譬如一軌道導引框架或其他置放結構等其他定位結構，來替代該伸縮臂。探測頭托架103包括一上方部件105及一基座106。基座106係藉由一延伸元件108連接至上方部件105。配置托架103之上方部件105，以支持一掃描探測顯微鏡裝置之一探測頭的組件(即，具有懸臂19及探測尖端18之探針，包含尖端位置偵測器21)，其中該裝置需經準確地置放於一特定著陸位置。托架103置放其上之平坦靜態托架表面109可為一編碼器表面(相似於第1圖之編碼器表面12)，該編碼器表面包括一光柵，可與一位置編碼器(未顯示)一同作動，以非常準確地判定托架103相對於平坦靜態托架表面109之精確位置。此種編碼器表面高度地易有刮痕，且容許以微米準確度判定托架103之位置。靜態托架表面109係安裝至該SPM系統之一度量框架(未顯示)上。

伸縮臂104包括一支持表面110。支持表面110包括一第一承窩111及一第二承窩112。第一承窩111與第二承窩112、連同支持表面110本身，將形成一運動學架座，用於托架103之三個柱件114、115、及116。柱件114、115、及116係連接至托架103之上方部件105。柱件114、115、及116係沿重力方向朝伸縮臂104之支持表面110延伸。三個柱件114、115、及116之末端處，分別設置球型、或半球型柱腳119、120、與121。每一腳119、120、及121皆嚙合該運動學架座。如此，柱腳119嚙合於第一承窩111中、柱腳120嚙合於第二承窩112中、及柱腳121靜置於支持伸縮臂104之支持表面110上。第二柱件115與第三柱件116亦分別包括撓性連接件117與118，該等撓性連接件容許一期望之彎曲度，以補償著陸期間之任何摩擦力。

延伸元件108延伸通過伸縮臂104之開口123。基座106係位在伸縮臂104相關於上方部件105之一對立側上。基座106之下方側處設置三個著陸元件125、126、及127。請注意，儘管著陸元件125、126、及127實際上位於基座106下方且因此無法由觀視點見到，然在第4圖之概略圖式中已使該等元件可見。在第4圖中，藉由以點線繪製這些著陸元件125、126、及127，暗示已設想該等元件不可見。第一著陸元件125係與第一柱件114相關聯。第一著陸元件125係與第一柱件114在垂直於平坦靜態托架表面109之方向上相對正。此外，第二著陸元件126係與第二柱件115相關聯，且與第二柱件115亦在垂直於平坦靜態托架表面109之方向上相對正。最後，第三著陸元件127係與第三柱件116相關聯，且與第三柱件116在垂直於平坦靜態托架表面109之方向上相對正。在第4圖之示圖中，柱件114、115、及116係嚙合於該運動學架座(第一承窩111、第二承窩112、及支持表面110)中，且基座106係位於平坦表面109上方。方向x、y、及z係由座標系統131指示。

延伸臂104之支持表面110包括該運動學架座之承窩111及112。第一承窩111係臂104表面110中之一四面體型凹痕。柱腳119精巧地配合於第一承窩111中，以(當嚙合時)防止腳119沿任何方向滑移橫越表面110。

表面110尚包含第二承窩112，該第二承窩經設計以接收第二柱件115之柱腳120。第二承窩112係在支持表面110中之一V型溝槽。該溝槽之頂點係與通過第一承窩111中點與第二承窩112中點之一虛擬線相對正。藉由此第二承窩112之對正，可藉防止柱腳120在垂直於通過承窩111及112之虛擬線的一方向上移動，而有效地防止環繞著通過第一柱件114之一軸線旋轉。第一承窩111與第二承窩112一同限制腳119橫越表面110位移、及該托架環繞著通過第一柱件114之軸線旋轉的自由度。第三柱腳121靜置於支持表面110上，而無需藉一承窩限制。請理解到，依平坦表面110可防止腳119至121移動到表面110下方、然每一腳119至121當然可能沿朝上方向(相對於表面110)運動之意義，任何腳119、120、及121在z方向、即垂直於表面109之方向上的運動皆有半限制。

延伸元件108之延伸將移動著陸元件125、126、及127朝向基板表面109。當第一著陸元件125觸及該表面時，進一步延伸該延伸元件108將使第一柱件114之第一柱腳119自承窩111釋放。柱件120將仍限制於承窩112中，且柱腳121靜置於伸縮臂104之支持表面110上。當延伸元件108進一步延伸時，第二著陸元件126將觸及該表面，且柱腳120連貫地自承窩112釋放。接著，第三著陸元件127著陸於表面109上，連貫地自伸縮臂104之支持表面110釋放柱腳121。在置放探測頭托架103於平坦靜態托架表面109上之期間，決不過度限制探測頭托架103，藉此可防止刮傷精細編碼器表面109。已針對一些特定實施例來說明本發明。請理解到，圖式中顯示及此中說明之實施例僅意欲作闡明用，且絕非意欲藉任何方式或方法對發明作限制。在此討論之發明文字說明僅由隨附申請專利範圍之範疇限制。

Claims

一種使用掃描探測顯微鏡系統在基板表面操作掃描探測顯微鏡之方法，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，該方法包括：相對於該基板表面定位該至少一探測頭；使該探測尖端與該基板表面在平行於該像平面之一個或更多方向上互相相對移動，以藉該探測尖端掃描該基板表面；及在該掃描期間判定該探測尖端與該尖端位置偵測器之位置，以映射該基板表面上之奈米結構；其中該定位步驟係藉置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上而實施；其特徵在於：藉一定位結構實施置放該至少一探測頭，及其中該或每一探測頭包括一托架，與該定位結構一同作動，該托架或該等托架包括一上方部件及一基座，該二者係相互連接，以經配置成相互遠離，其中該定位結構包括一支持表面，經配置於該基座與該上方部件之間，該上方部件包括三個嚙合元件，朝該支持表面延伸，其中該基座包括三個著陸元件，每一著陸元件各與該三嚙合元件其中各別一個相關聯，及其中該三嚙合元件係在置放前靜置於，在該支持表面上形成一運動學架座之複數個承窩中，其中在置放該或每一探測頭期間，連貫地置放該等著陸元件於該靜態托架表面上，使得每一個該等嚙合元件皆在其相關聯著陸元件觸及下方時，自該運動學架座釋放。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該定位步驟包含使用一定位結構，在平行於該像平面之一方向上，相對於該基板表面移動該探測頭朝向一著陸位置，其中當該置放探測頭於靜態托架表面上時，自該定位結構釋放該探測頭。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該靜態托架表面係一度量框架之一表面、靜態地連接至一度量框架之一表面、及/或一二維光學編碼器表面。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由在平行於該像平面之一方向上移動該基板表面、且同時將該至少一探測頭保持於該靜態托架表面上，以實施該使探測尖端與基板表面互相相對移動之步驟。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由該探測頭包括一致動器，用於使該懸臂相對於該探測頭在平行於像平面之一方向上移動，以實施該探測尖端與該基板表面互相相對移動之步驟，而實施該基板表面掃描。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該定位該至少一探測頭之步驟包含置放複數個探測頭中之每一個於該靜態托架表面上之一各別著陸位置。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中為置放該至少一探測頭於該靜態托架表面上，該至少一探測頭包括一個或更多著陸元件，及其中該等著陸元件包括一群中之至少一個，該群包括：裸著陸腳、吸力夾鉗、磁性夾鉗、或靜電夾鉗。
一種在基板表面操作顯微鏡之掃描探測顯微鏡系統，該系統包含至少一探測頭，該探測頭包括經配置於一懸臂上之一探測尖端、及用於判定該探測尖端在沿橫截於一像平面之一z方向上位置的一尖端位置偵測器，其中該系統包括一定位結構，用於相對於該基板表面定位該至少一探測頭，其中該系統又經配置成，使該探測尖端與該基板表面在平行於像平面之一個或更多方向上互相相對移動，以藉該探測尖端掃描該基板表面，且該系統包括一控制器，接收該尖端位置偵測器所提供之一信號，以判定該探測尖端與該尖端位置偵測器在該偵測期間之位置，來映射該基板表面之奈米結構，其中為定位該至少一探測頭，該定位結構係經配置成，置放該至少一探測頭於一靜態托架表面上，其特徵在於：該或每一探測頭包括一托架，與該定位結構一同作動，該或每一托架包括一上方部件及一基座，該二者係相互連接，以經配置成相互遠離，其中該定位結構包括一支持表面，經配置於該基座與該上方部件之間，該上方部件包括三個嚙合元件，朝該支持表面延伸，其中該基座包括三個著陸元件，每一著陸元件各與該三嚙合元件其中各別一個相關聯，及其中該三嚙合元件係與在該支持表面上形成一運動學架座之複數個承窩一同作動，以在置放該或每一探測頭之前嚙合該運動學架座，其中該定位結構係經配置成，在置放期間依相對於該靜態托架表面呈一斜角方位地固持該或每一托架，以允許連貫地置放該等著陸元件於該靜態托架表面上，使每一個該等嚙合元件在其相關聯著陸元件觸及下方時，自該運動學架座釋放。
如申請專利範圍第8項所述之掃描探測顯微鏡系統，其尚包括一致動器，用於作動該定位結構，以在平行於該像平面之一方向上相對於該基板表面移動該至少一探測頭朝向一著陸位置。
如申請專利範圍第8項所述之掃描探測顯微鏡系統，其中該定位結構係經配置成，與該至少一探測頭一同作動，以當該置放探測頭於靜態托架表面上時，自該定位結構釋放該探測頭。
如申請專利範圍第8項所述之掃描探測顯微鏡系統，其中該靜態托架表面係該系統之一度量框架表面、靜態地連接至該系統度量框架之一表面、及/或一二維光學編碼器表面。
如申請專利範圍第8項所述之掃描探測顯微鏡系統，其尚包括一經致動之基板夾持座，經配置成固持該基板表面，且在平行於該像平面之一方向上移動該基板表面，以藉該探測尖端實施該基板表面掃描。
如申請專利範圍第8項所述之掃描探測顯微鏡系統，其中該靜態托架表面係一光學參考光柵。