(57)【要約】光学ドリフト補正システム及び方法は、鏡の曲面から反射されてから感光検出器で検出されて光源に対する鏡の運動を検出することができるようにする光源からの光を用いる。
2019515313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面を有する鏡と、
前記鏡の曲面に光を伝達するように位置する光源と、
前記鏡の曲面から反射された光を受信するように位置する複数の感光検出器と、
前記感光検出器に電気的に連結され、感光検出器からの信号を処理して光源に対する前記鏡の運動を検出する検出回路と、
を含む、光学ドリフト補正システム。
【請求項２】
前記鏡の曲面が凸面又は凹面である、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項３】
前記鏡が２次元ドリフトを検出する球面反射鏡、非球面反射鏡、又は凸形放物面反射鏡である、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項４】
前記鏡が凸形放物面反射鏡である、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項５】
前記鏡の曲面に光を焦点調整するように位置する集束レンズをさらに含む、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項６】
前記集束レンズが前記鏡の曲面からの距離に対して調整可能である、請求項５に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項７】
前記鏡が第１軸に沿う１次元ドリフトを検出する円筒面鏡である、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項８】
ドリフトを検出するための第２円筒面鏡及び複数の第２感光検出器をさらに含み、前記鏡が前記第１軸に直交する第２軸に沿って１次元ドリフトを検出するための円筒面鏡である、請求項７に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項９】
前記光源からの光を前記鏡の曲面に分割して、垂直反射を引き起こすとともに反射された光を前記複数の感光検出器に伝達するビームスプリッターをさらに含む、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項１０】
前記光源と前記ビームスプリッターの間に位置する偏光フィルム及び半波長板と、前記ビームスプリッターと前記鏡の曲面の間に位置する４分の１波長板とをさらに含む、請求項９に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項１１】
前記光源が高周波変調されたレーザーダイオード、超発光ダイオード又はファイバー結合光源である、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項１２】
前記鏡及び前記複数の感光検出器が第１光学ドリフト補正センサーの一部であり、前記システムは曲面を有する第２鏡及び複数の第２感光検出器を含む第２ドリフト補正センサーを含み、前記検出回路は前記第１及び第２ドリフト補正センサーからの出力の数学的組合せを用いてドリフトを計算するように構成される、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項１３】
前記鏡が原子間力顕微鏡の走査ステージに付着される、請求項１に記載の光学ドリフト補正システム。
【請求項１４】
サンプルに接触するチップを有するカンチレバーと、
前記サンプルを位置させるためのスキャナープラットフォームと、
前記スキャナープラットフォームに結合された光学ドリフト補正システムとを含み、前記光学ドリフト補正システムは、
曲面を有する鏡と、
前記鏡の曲面から反射された光を受信するように位置する複数の感光検出器と、
前記感光検出器に電気的に連結され、前記感光検出器からの信号を処理して前記鏡の運動を検出する検出回路と、
を含む、原子間力顕微鏡。
【請求項１５】
ＡＦＭヘッドに装着された光学ドリフト補正システムのフレームに固定された複数の押し棒と、前記曲面鏡が固定されるパックとをさらに含み、前記パックは前記サンプルスキャナーにスライド可能に結合され、前記押し棒は前記パック上のバンパーの間に位置することで、前記サンプルが前記バンパーとの接触なしに制限された範囲で照射されるとともに前記パックが前記バンパーによってスライドして前記鏡を前記ドリフト補正システムの光ビームの下に適切に位置させることができるようにする、請求項１４に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１６】
光源からの光を鏡の曲面に伝達する段階と、
前記鏡の曲面から反射された光を複数の感光検出器で受信する段階と、
前記受信された光に応じて前記感光検出器によって信号を生成させる段階と、
前記感光検出器からの信号を検出回路で処理して前記光源に対する前記鏡の運動を検出する段階と、
を含む、光学ドリフト補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、参照することによりこの明細書に組み込まれる、２０１６年４月２１日付で出願されたアメリカ仮特許出願第６２／３２５，８３２号の利益を受ける権限がある。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＡＦＭ）は極めて高い計測精度（ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ  ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）のナノスケール（ｎａｎｏｓｃａｌｅ）実験を遂行する機会を提供する。その測定は本質的に顕微鏡に使われる機械的部品の複雑で予測不可能な熱ドリフト（ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｒｉｆｔ）によって苦しみ、結果的に撮像チップ（ｉｍａｇｉｎｇ  ｔｉｐ）とサンプル（ｓａｍｐｌｅ）の間に相対運動（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｍｏｔｉｏｎ）が発生する。これは、簡単な画像分析から、ドリフトとサンプル上に位置する実際の特徴（ｒｅａｌ  ｆｅａｔｕｒｅ）を識別しにくいことがあり得る。よって、測定器具の精度が深刻に損なわれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
光学ドリフト補正システム及び方法は、鏡の曲面から反射されてから感光検出器で検出されて光源に対する鏡の運動を検出することができるようにする光源からの光を用いる。
【０００４】
本発明の一実施例による光学ドリフト補正システムは、曲面を有する鏡と、前記鏡の曲面に光を伝達するように位置する光源と、前記鏡の曲面から反射された光を受信するように位置する複数の感光検出器と、前記感光検出器に電気的に連結され、感光検出器からの信号を処理して光源に対する前記鏡の運動を検出する検出回路とを含む。
【０００５】
本発明の一実施例による原子間力顕微鏡は、サンプルに接触するチップを有するカンチレバーと、前記サンプルを位置させるためのスキャナープラットフォームと、前記スキャナープラットフォームに結合された光学ドリフト補正システムとを含む。前記光学ドリフト補正システムは、曲面を有する鏡と、前記鏡の曲面から反射された光を受信するように位置する複数の感光検出器と、前記感光検出器に電気的に連結され、前記感光検出器からの信号を処理して前記鏡の運動を検出する検出回路とを含む。
【０００６】
本発明の一実施例による光学ドリフト補正方法は、光源からの光を鏡の曲面に伝達する段階と、前記鏡の曲面から反射された光を複数の感光検出器で受信する段階と、前記受信された光に応じて前記感光検出器によって信号を生成させる段階と、前記感光検出器からの信号を検出回路で処理して前記光源に対する前記鏡の運動を検出する段階とを含む。
【０００７】
本発明の実施例の他の特徴及び利点は本発明の原理の例として示す添付図面を参照する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例によるドリフト補正センサーの基盤である曲面標的鏡からの光線（ｏｐｔｉｃａｌ  ｒａｙ）の特徴的な反射（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を示す図である。
【図２】本発明の実施例によるドリフト補正センサーに使用できる平行化（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）、発散又は収束される光の光線追跡（ｒａｙ−ｔｒａｃｅ）を示す図である。
【図３】本発明の実施例によるドリフト補正センサーの光学的配置を示す図である。
【図４】本発明の実施例による、Ｚ方向カップリング（Ｚ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）のないドリフト補正センサーの光学的配置を示す図である。
【図５】本発明の実施例による、向上した効率及び後方反射（ｂａｃｋ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の減少のための、Ｚ方向カップリングのない改正されたドリフト補正センサーの光学的配置を示す図である。
【図６】本発明の実施例によるドリフト補正センサーの検出回路を示す図である。
【図７】本発明の実施例によるドリフト補正センサーの検出回路に使用できる正規化回路（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）を示す図である。
【図８Ａ】本発明の実施例による原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャナーステージ（ｓｃａｎｎｅｒ  ｓｔａｇｅ）のサンプルホルダーに磁力で付着されたドリフト補正センサーの配置を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施例による原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャナーステージのサンプルホルダーに磁力で付着されたドリフト補正センサーの配置を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の実施例による原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャナーステージのサンプルホルダーに磁力で付着されたドリフト補正センサーの配置を示す図である。
【図８Ｄ】本発明の実施例による原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャナーステージのサンプルホルダーに磁力で付着されたドリフト補正センサーの配置を示す図である。
【図８Ｅ】本発明の実施例による原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャナーステージのサンプルホルダーに磁力で付着されたドリフト補正センサーの配置を示す図である。
【図９】本発明の実施例によって光学ドリフト補正センサーがどのようにＡＦＭヘッドに組み込まれるかとＡＦＭヘッドがどのように完成されたＡＦＭに組み込まれるかを示す図である。
【図１０】本発明の実施例によって光学ドリフト補正センサーがどのようにＡＦＭヘッドに組み込まれるかとＡＦＭヘッドがどのように完成されたＡＦＭに組み込まれるかを示す図である。
【図１１】本発明の実施例によって光学ドリフト補正センサーがどのようにＡＦＭヘッドに組み込まれるかとＡＦＭヘッドがどのように完成されたＡＦＭに組み込まれるかを示す図である。
【図１２】本発明の実施例によって光学ドリフト補正センサーがどのようにＡＦＭヘッドに組み込まれるかとＡＦＭヘッドがどのように完成されたＡＦＭに組み込まれるかを示す図である。
【図１３】本発明の実施例によるサンプル位置の両側の二つの光学ドリフトセンサーを示す図である。
【図１４】本発明の実施例による光学ドリフト補正方法のフローチャートである。
【０００９】
詳細な説明全般にわたって類似の参照符号は類似の要素を特定するのに使われることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで一般的に説明し添付図面に示した実施例の構成要素は多様な相異なる構成に配置及び設計されることができるのは易しく理解可能であろう。よって、図面に表現したような多様な実施例の以下のより詳細な説明は本発明の開示を限定しようとするものではなく、単に多様な実施例を代表するだけである。実施例の多様な様相が図面に現れているが、特に指示しない限り、図面は必ずしも一定の縮尺で示したものではない。
【００１１】
本発明はその精神又は必須の特徴を逸脱しない範疇内で他の特定の形態に具現されることができる。単に一例として、仮想コンピュータネットワーク（ｖｉｒｔｕａｌ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｎｅｔｗｏｒｋ）に適用されるものとして説明される様相は物理的コンピュータ／装置に関する情報の表示にも同様に適用可能である。説明した実施例は全ての点でただ例示的なものとかつ制限的ではないものと見なさなければならない。したがって、本発明の範囲はこの詳細な説明によってよりは添付の請求範囲によって指示される。請求範囲の等価物の意味及び範囲内にある全ての変更は請求範囲内に属するものである。
【００１２】
この明細書全般にわたって特徴、利点、又は類似の用語についての言及は本発明によって具現可能な全ての特徴及び利点が本発明の任意の単一実施例であるとか又はその単一実施例内にあることを暗示しない。これと違い、特徴及び利点に関する用語は一実施例に関連して説明した特定の特徴、利点又は特性が本発明の少なくとも一実施例に含まれることを意味すると理解される。よって、この明細書全般にわたって特徴及び利点、及び類似の用語の論議は、必ずではないが、同じ実施例を参照することができる。
【００１３】
また、説明した本発明の特徴、利点、及び特性は一つ以上の実施例に適切な方式で組み合せられることができる。この詳細な説明によって、当業者であれば、本発明が特定実施例の一つ以上の特定の特徴又は利点なしにも具現されることができることを認識することができるであろう。他の例では、付加の特徴及び利点が本発明の全ての実施例に存在しない特定の実施例で認識されることができる。
【００１４】
この明細書全般にわたって“一つの実施例（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”、“一実施例（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”の言及又は類似の用語は指示した実施例に関連して説明した特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも一実施例に含まれることを意味する。よって、この明細書全般にわたって“一つの実施例で（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”、“一実施例で（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”という語句及び類似の用語は、必ずではないが、全て同じ実施例を参照することができる。
【００１５】
ここで開示するものは相異なる構成要素の熱ドリフト（ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｒｉｆｔ）を効率的に測定するセンサー設計である。原子間力顕微鏡に使用される開示のセンサー設計は顕微鏡のチップと顕微鏡によって撮像されるサンプル（ｓａｍｐｌｅ）間の熱ドリフトを効率的に測定し、ナノメートル以下（ｓｕｂ−ｎａｎｏｍｅｔｅｒ）の解像度でこれを積極的に補正することができる。
【００１６】
熱ドリフトに対する従来の解法は容量センサー（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｏｒ）と干渉計（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）基盤のドリフト補正の使用を含む。容量センサー又は干渉計基盤ドリフト補正は要求解像度を確かに得ることができるが、チップとサンプル間の相互作用部から数ミリメートル内で容量センサーを配置することが難しい。包括的なドリフト補正のためにはチップにセンサーを近接させることが絶対条件である。ここで説明する実施例はほとんど任意の小さなレーザービーム及び鏡を使うことができ、よってこれを器機の機能性を損なわずにチップに非常に近接して配置することができる。また、本発明の実施例によるセンサーの個別的構成部の小さな大きさはドリフトそのものにあまり寄与しないようにする。また、ここで説明する技法は調整可能な感度を達成して、大きな動的範囲（ｈｉｇｈ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）でドリフト追跡（ｄｒｉｆｔ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）ができるようにする。また、このような特性は他のセンサー設計には存在しない。
【００１７】
一連の画像に対する特徴追跡（ｆｅａｔｕｒｅ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）によって得られるドリフト補正などの他の技法と比較するとき、本発明の実施例によるセンサーは幾つかの利点を保有する。一つ目、ノイズ（ｎｏｉｓｅ）が充分に低くて使用者はいくつかの画像を完成するのにかかる時間など、測定間に長く待つ必要なしに実時間（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）ドリフト補正のための高帯域幅（ｈｉｇｈ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を使うことができる。これはできるだけ残余誤差なしにセンサーを使って測定することができるようにする。また、ここで説明する技法はドリフトをナノメートル以下の解像度まで正確に測定することを難しくすることができる追跡誤差（ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｅｒｒｏｒ）及びチップコンボリューション（ｔｉｐ  ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）の不便（ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ）を受けない。最後に、ここで開示する技法は多くの走査プローブ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ）サンプル環境でよく作動する。これは画像間に比較するための区別可能な特徴なしに滑らかな表面に対する非常に小さな走査（ｓｃａｎｎｉｎｇ）を伴うことを含む。また、幾つかの実験は走査動作なしに長期間の測定のためにチップをサンプルの特定地点の上端に維持することを要求する。
【００１８】
本発明の実施例によるドリフト補正は、屈曲標的鏡からの光線の特徴的反射（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）に基づく。鏡は、反射光内での軌道動揺（ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉａｌ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）のように漂流するとか水平運動することができる。この原理は、有効局所半径（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｌｏｃａｌ  ｒａｄｉｕｓ）ｒを有する球面、円筒面又は放物面などのの凸面（ｃｏｎｖｅｘ  ｓｕｒｆａｃｅ）Ｓに入射して反射角（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ａｎｇｌｅ）Θとなる光線ｉを示す図１に示されている。動揺は球の半径と球の中心からの水平変位（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）ｘの関数である。センサーは、反射原理は同一であるので、凸面鏡（図示）又は凹面鏡で設計されることができる。
【００１９】
位置センサーの形成のために、反射されたレーザービームは位置感度光検出器（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）に入射する。この応用の一実施例は鏡の動作に比例する電気信号を生成することができる四分円光ダイオード（ｑｕａｄｒａｎｔ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）である。変位ｘに対してグラフを作るとき、変位が球の半径（ｒ）に対してかなり小さな比率であれば、線形信号応答（ｌｉｎｅａｒ  ｓｉｇｎａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を提供するように示されている。
【００２０】
【数１】
2019515313.tif 000003
【００２１】
ここで：
●Ｓｉｇｎａｌ（ｘ）：センサー出力信号（任意単位）
●Ｌｐ：レーザー出力（任意単位）
●Ｄｄ：検出器出力までの距離（ｍｍ）
●ｒ：球面鏡の半径（ｍｍ）
●ｘ：球の中心からの水平変位
●Ｓｓ：検出器上の反射ビームスポットの大きさ（Ｓｐｏｔ  Ｓｉｚｅ）（任意単位）
【００２２】
実在のセンサー設計において、理論的検討に用いられる光線に接近するのには光源とレンズの組合せが要求されるであろう。三つの変形が可能であり、光は平行化（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）、発散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ）又は収束（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ）されることができる。各変形は、検出器上の最大スポットの大きさＳｓが固定されたＤｄに対して変化するに従ってセンサーの感度を変化させる。調整可能な焦点は感度を調整することができるようにし、検出器上の小さなスポットは最高解像度を達成し、大きなスポットは最大の鏡変位動的範囲を達成する。図２は三つの場合の光線追跡（ｒａｙ−ｔｒａｃｅ）説明を提供する。いずれの場合にも、入射ビームが小さな量で並進（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）し、よって検出器（図示せず）上の結果的なビーム並進が測定されることができる。
【００２３】
前述した光学的配置が図３に示されている。これは、高周波（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＲＦ）レーザーダイオードであり得るダイオードレーザー３０２と、直径が４〜１０ｍｍであり得るＸ−Ｙ並進ステージ（ｓｔａｇｅ）３１０上の鏡３０８の球面３０６から斜めに反射される光線に近似するコリメーティングレンズ（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ  ｌｅｎｓ）３０４とを備えている。平行化された幅（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ  ｗｉｄｔｈ）が０ではないので、平行化されたレーザービームは球３０８と相互作用するときに発散される。平行化ビームは集束（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）レンズ３０４の再位置調整によって調整され、複数の感光要素又は検出器を有する検出器３１２で収束又は発散する入射ビームと変更された感度を生成することができる。図示の実施例で、検出器３１０はＴ−Ｂ（上側四分円から下側四分円を差し引く）及びＬ−Ｒ（左側四分円から右側四分円を差し引く）差動作動（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）のための検出回路３１４に連結された四分円光ダイオード（四つの感光要素を有する）であり、（図面の）面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）方向及び面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）方向への球の動作を検出することができるセンサーとなる。検出回路３１４は、レーザー３０２の安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）をモニターするのに有用なＳＵＭ（上側四分円に下側四分円を加える）信号を検出することができる。
【００２４】
あるいは、センサー鏡は必ずしも球面である必要はない。類似のセンサーとしては、短軸（ｕｎｉａｘｉａｌ）運動を検出することができる円筒面鏡を考えることができる。円筒面鏡は一軸にだけ非点発散（ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）を導入する。ビームを再対称化するのに、鏡の前又は後に配置される円筒面レンズを使うことができる。各円筒面鏡の軸が９０度離隔して同時に一緒に使われる一対のこのような短軸センサーが球面鏡のようにＸ及びＹ軸方向の両軸方向に感知する。
【００２５】
このセンサーの基本的な反射鏡（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の構成を説明するためにこの明細書全般にわたって“球面（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ）”及び”円筒面（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）”という用語が使われるが、純粋な球面及び円筒面反射鏡は必ず反射されたビームに収差（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を生成することを注目しなければならない。さらに、球面反射鏡を使うとき、この収差は感知するための該当の両軸に沿って違う影響を有することができる。例えば、円形ビームが球面上に入射すれば、反射されたビームは二つの感知軸（ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｘｉｓ）に沿って同等でない発散又は収束を現すことができる。その結果、両軸に沿って検出感度が違い、これは問題となり得る。また、入射ビーム内で集束レンズを調整すれば該当の両軸に対して二つの別個の焦点が発生する。これは、両軸に対して検出器上の最小のスポットサイズとなる単一焦点がないことを意味する。この焦点は一軸に沿って最小のスポットサイズ及び最大感度となるように調整することができるが、この焦点調整は他の軸に沿ってスポットサイズを最小にするように変更されなければならない。一般に、円形ビームは楕円形になって、両軸に沿って同等でない感度となる。
【００２６】
球面反射鏡によって発生する収差問題に対する一解法は、球面反射鏡を凸形放物面反射鏡などの非球面（ａｓｐｈｅｒｉｃ）反射鏡に取り替えることである。非球面反射鏡を使えば、球面収差を除去することができ、両軸に沿ってスポットサイズ及び感度を同時に最適化することができる。この明細書で、“球面（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ）”又は“円筒面（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）”反射鏡を言及する場合、これは（球面の代わりに）公転体又は（円筒面の代わりに）放物体の放物面又は突出放物面などの非球面又は非円筒面に取り替えることができると仮定しなければならない。
【００２７】
斜めに反射する球面反射鏡及び円筒面反射鏡の場合、二つの検出軸の一つは特に反射鏡のＺ方向動作に連結される。センサーは相当に意図的なＺ方向動作をする走査プローブ顕微鏡に使われるように設計されるため、この連結は非常に好ましくない。
【００２８】
幸いにも、本発明の実施例によるシステムでは、センサーはＺ方向への運動を注意深くモニターすることができるようにする閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ）型走査ステージ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｓｔａｇｅ）上に装着される。Ｚ方向動作がセンサーによって直接測定されないとしても、これはＺ方向圧電素子（Ｚ−ｐｉｅｚｏ）に伝送された駆動信号から推定することができる。センサーへの連結を除去するために、まず脆弱なセンサー軸方向に発生する電圧をモニターしながらステージを上下に動かすことによって連結程度（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｘｔｅｎｔ）を計算することができる。連結程度が決定されれば、全ての後続のＺ方向ステージの運動に対し、センサー出力から補正電圧（ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）を差し引いて前記影響を無くす。
【００２９】
あるいは、二つの別個の反射鏡に対して二つの別個のセンサーが使われ、それぞれが二つの面内軸の一つをＺ方向動作との連結なしに測定することができるように構成されれば、Ｚ方向動作からの寄生効果（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ）なしに完全なＸ及びＹ方向への感知をなすことができる。与えられたセンサーにおいて、検出器上のビームの水平運動を引き起こす軸方向への運動はＺ方向動作に敏感でない。一検出器が水平ビーム偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）としてのＸ方向動作を検出し、他の検出器が水平ビーム偏向としてのＹ方向動作を検出するように二つの検出器を構成すればこの目的を達成することができる。基本的に、結局これは互いに直角で構成された二つの同じセンサーとなる。
【００３０】
Ｚ方向動作感度の除去のための他の選択（ｏｐｔｉｏｎ）は、垂直入射（ｎｏｒｍａｌ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）、すなわち凸形反射鏡のすぐ上からの入射から光を照射又は集光することである。これはＺ方向への連結がないコンパクトな設計を可能にするが、光源を不安定にすることがある力強い後方反射（ｂａｃｋ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を被る。予備形態（ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  ｖｅｒｓｉｏｎ）が図４に示されている。図４に示すように、光源４０２及びコリメーティングレンズ４０４によって平行化されたレーザービームは右側から光学系に入る。５０／５０ビームスプリッター（ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ）４０６はビームの半分を球面標的鏡４０８に向かわせる。反射されたビームの半分はビームスプリッター上に位置する四分円形光ダイオードであり得る検出器４１０に移動するようになる。この配置は照射光及び反射光の一部を消費するが、垂直入射に効果的である。
【００３１】
改定されたセンサー設計が図５に示されている。このセンサー設計において、光源４０２及びコリメーティングレンズ４０４によって平行化されたレーザーは右側から光学系に入る。偏光フィルム（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｆｉｌｍ）５１２と半波長板（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ）５１４は出力減衰（ｐｏｗｅｒ  ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）及びレーザービームの偏光整列（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）ができるようにする。この整列はレーザービームが偏光ビームスプリッター５１６と相互作用するときに下方に反射されるように設定される。ここで、４分の１波長板（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ）５１８はレーザービームの偏光を円形化する。ビームは標的鏡４０８で反射され、波長板５１８をもう一度通過するとき、偏光が９０度回転する。したがって、ビームスプリッター５１６を邪魔なしに通過し、その上に位置する検出器４１に移動する。この設計はより効果的であり、後方反射を減少させる。
【００３２】
これらの例で、光源は単純な持続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ；ＣＷ）ダイオードレーザーであった。ここに幾つかの変形が存在する。レーザーダイオードはポインティングノイズ（ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｎｏｉｓｅ）を低減させるために高周波変調（ＲＦ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）されることができる。レーザー強度は変調され、四分円光ダイオードでの信号はロックイン増幅器（ｌｏｃｋ−ｉｎ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）によって復調されて１／ｆノイズを消去することができる。レーザーダイオードは超発光ダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｔ  ｄｉｏｄｅ）に取り替えることができる。このレーザーダイオードはセンサーではないファイバー結合レーザー源に取り替えることができる。これらの全てはセンサーの根本的な再設計なしにも可能である。
【００３３】
本発明の一実施例によるセンサーの検出回路が図６に概略的に示されている。四分円光ダイオードからの四つの信号と＋５Ｖバイアス（電圧）が回路に左側に入る。各四分円信号は専用のトランスインピーダンス増幅器（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に入り、ついで一連の差動（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）増幅器又は加算増幅器に入ってＴ−Ｂ、Ｌ−Ｒ及びＳＵＭに対応する信号を生成する。
【００３４】
センサー位置出力は、どれが選択されるかにかかわらず、光源内の強度変動（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって発生するノイズに直接露出される。センサー位置出力（Ｔ−Ｂ、Ｌ−Ｒ）をＳＵＭ信号で分割するのに正規化回路（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を使うことができる。この回路は、センサー安全性及びノイズを向上させて実時間ドリフト追跡のための高帯域幅を維持することができるようにすることが良い。本発明の一実施例による正規化回路が図７に示されている。
【００３５】
前述したセンサーは走査プローブ顕微鏡に収納されることができる。ＡＦＭ構成では、ノイズ及びドリフトのない高安全性の光源に対する共通の要求がある。ドリフト補正センサー及びＡＦＭカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）からのビーム偏向（ｂｅａｍ  ｄｅ  ｆｌｅｃｔｉｏｎ）の両者に対して同じ光源を使うことができる。この構成で、光源は平行化された後にビームスプリッター内に向かう。この際、ドリフト補正及びビーム偏向センサーシステムの両者に対して別個の集束レンズ及び検出器が使われる。
【００３６】
本発明の目的はプローブとサンプルを動かすステージ間のドリフトを追跡することであるため、センサーをできるだけチップ−サンプル界面に近接させて装着することが重要である。チップを収容する“ヘッド”とチップに対するサンプルの閉ループ運動の生成を担当する“スキャナー”からなる顕微鏡において、幾つかの装着構造が可能である。一つ目は球面鏡又は円筒面鏡をスキャナーに装着するとともに光源、検出器及び調整用光学部品（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ）をヘッド内に装着することである。あるいは、センサーを反転させることで、鏡をヘッドに装着し、残りの構成要素をスキャナーに又はその内部に装着することができる。センサーそのものの構成要素はその周辺要素と熱的に密接に適合した素材から構成されてセンサーそのものが相当なドリフトに寄与しないようにすることができる。
【００３７】
センサーは制限された動的範囲を有するため、球面鏡を光源及び検出器の下の正確な位置のサンプルホルダー上に位置させる手段を提供する必要がある。一般に、サンプルホルダーはＡＦＭ内で数ミリメートル以上並進することができるため、このような運動が行われる度に鏡を再位置させる必要がある。理想的に、鏡はセンサーがその動的範囲内の中心に位置するように（零点化）位置する。サンプル−チップ位置が設定された後に球面鏡を整列位置に移動させるために小さな２次元並進ステージを使うことができる。しかし、このような並進ステージは機械的に複雑であり、そのものが熱ドリフトに寄与することができる。一代案は、サンプルステージに付着されるが、サンプルホルダーの磁性平面に沿ってスライドさせることによって易しくて簡単に再位置することができる磁力ホルダー上に球面鏡を装着することである。これはサンプルに対して鏡を任意のＸ−Ｙ方向に位置させることができるようにして、鏡ホルダーをスライドさせることによってサンプルが動く度にセンサーが再び零点化（ｒｅ−ｚｅｒｏｅｄ）するようにする。一応適切な位置に位置すれば、サンプルステージに鏡ホルダーを保持する磁力は走査中にサンプルと鏡の相対位置を固定状態で維持するのに十分である。
【００３８】
鏡ホルダーをサンプルステージに対してスライドさせる特に有利な手法は、サンプル位置が動いているうちに固定状態で維持される顕微鏡ヘッド上に棒状又は他の適切な形状に形成される押し棒を提供することである。これらの棒は鏡ホルダー上のバンパーと接触するので、サンプルが動く度に鏡ホルダーをサンプルホルダーの表面に沿ってスライドさせる。このような構造が図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、及び図８Ｅに示されている。
【００３９】
図８Ａは二つのボディー、つまりＡＦＭヘッド（図示せず）に堅固に付着される光学ドリフト補正センサー（ＯＤＣ）のフレーム８０２と、顕微鏡のスキャナーステージ上のサンプルホルダーに磁力で付着される鏡ホルダー８０４（ＯＤＣ“パック（ｐｕｃｋ）”という）を示す。フレーム８０２はＡＦＭヘッドのカンチレバー偏向感知システム（図示せず）と光学ドリフト補正システム間の単一光源からの光を分割するビームスプリッター８０６を有する。ドリフト補正システムのためのビームスプリッター８０６からの光ビームは平面操舵鏡（ｐｌａｎａｒ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）８０８から下方に、かつ集束レンズ８１０を通じてパック８０４上の球面鏡８１２（図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄに図示）に反射される。その後、球面鏡８１２から反射されたビームは四分円光ダイオードによって集光される。
【００４０】
図８Ｂはフレーム８０２の内部部品、特に平面操舵鏡８０８と球面鏡８１２間の集束レンズ８１６の垂直位置を調整することができる焦点調整機構８１６を強調している。焦点調整機構８１６はフレーム８０２に固定された二つの鋼材ピンに対して磁力で保持される。焦点調整機構８１６上で上方に向かう磁石はヘッドに螺合されるボール端部（ｂａｌｌ−ｅｎｄ）型微細調整ネジ（図示せず）の先端に付着される。調整ネジが回転すれば、焦点調整機構８１６はその鋼材ピンに沿って上下にスライドして集束レンズ８１６を昇降させ、結局全体センサーの感度及び動的範囲を調整する。
【００４１】
図８Ｃ及び図８Ｄはフレーム８０２に固定された押し棒８１８がパック８０４上のバンパー８１２とどのように相互作用するかを示す。押し棒はバンパー間のギャップ内に突出する。それぞれＸ及びＹ方向に二つの押し棒と二つのバンパーがある。図８Ｄに最良に示したように、バンパー間のギャップは、サンプルがバンパーと接触することなしに制限された範囲で走査されることができるように、押し棒の直径より大きい。よって、パックは顕微鏡のスキャナーステージ上のサンプルホルダーにスライド可能に結合される。パック上の磁石（図８Ｅに図示）は、押し棒がバンパーと接触しないとき、（すべり摩擦によって）パックをスキャナーステージ上の固定位置に保持する。しかし、押し棒がバンパーを押せば、スキャナーステージに対して固定されたパックの位置を保持する摩擦力が克服され、これによって押し棒はパックをスキャナーステージ上の新しい位置にスライドさせる。この構造によって、ヘッドに固定された押し棒を用いてサンプルに対してパックの位置を押すとき、特定量のバックラッシュ（ｂａｃｋｌａｓｈ）が発生する。このバックラッシュは、パックをサンプルに対して移動させる必要があるとき、パックが押し棒に接触した後、開放ギャップ内に後退して無接触走査ができるようにする。これはスキャナーの微細運動の邪魔を避けるのに絶対必要である。
【００４２】
図８Ｅはパックをスキャナー上のサンプルプラットフォームに保持する磁石８２２を含めたパック８０４の内部部材を示す。
【００４３】
図８Ｂに示した“ピックアップ（ｐｉｃｋ−ｕｐ）”ネジも注目しろ。走査中には、パック８０４に堅固に付着されたピックアップネジと、押し棒８１８がバンパー８２０のギャップ内に位置するときに接触を避けるほど充分に大きなばか穴（ｃｌｅａｒａｎｃｅ  ｈｏｌｅ）を有するフレーム８０２の間に接触がない。全体ヘッドがＡＦＭのスキャナーから除去されれば、ピックアップネジはパックをスキャナープラットフォームから“持ち上げる（ｐｉｃｋ−ｕｐ）”ことで、パックをヘッドに対して維持させる。ヘッドが使用のためにスキャナーに復帰すれば、パックは自動でおよそセンサーの下に位置し、サンプルプラットフォームに付着される。
【００４４】
図９〜図１２はこのＯＤＣ組立体がＡＦＭヘッドにどのように組み込まれるかとＡＦＭヘッドがどのように本発明の実施例によって完成されたＡＦＭに組み込まれるかを示す。図９は上部カバーが除去され、内部構成要素が見えるようにヘッドボディーが透明に作られたＡＦＭヘッドの平面図である。図９で、ＡＦＭヘッド内のいくつかのサブシステム（ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）が見える。このヘッドは光誘導（ｐｈｔｏ−ｉｎｄｕｃｅｄ）力顕微鏡のために設計されたので、通常のＡＦＭヘッドに要求されるもの以上の多様な特徴を有する。図９は（下部の）放物面鏡への光経路のための前方回転支持（ｇｉｍｂａｌｅｄ）操舵鏡（ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）９０２と、（下部の）カンチレバー及びチップ位置９０４と、カンチレバークランピング機構９０６と、カンチレバー偏向感知のための感光検出器９０８と、カンチレバー偏向感知のためのビーム操舵鏡及び機構９１０と、放物面鏡のための並進ステージ９１２と、ＯＤＣ焦点調整ノブ（ｋｎｏｂ）９１６、ＯＤＣ光検出器８１４、ＯＤＣビームスプリッター８０６及び図８Ａ−８Ｅに関して前述した他の構成要素を含む光学ドリフト補正（ＯＤＣ）センサー組立体と、ファイバー結合（ｆｉｂｅｒ  ｃｏｕｐｌｅｄ）レーザー連結ポイント９１８と、カンチレバー偏向感知のための集束レンズ及び調整機構９２０とを示す。
【００４５】
動作で、レーザー光（ｌａｓｅｒ  ｌｉｇｈｔ）は光ファイバー連結を介して右側に入る。レーザービームはビームスプリッター８０６（図８Ａに示したようなＯＤＣの部品）に向かう。ここで、光の５０％はＯＤＣシステムに向かい、５０％はカンチレバー偏向感知システムに向かう。
【００４６】
図１０はＯＤＣパック８０４がどのようにヘッドの下部で露出されるかを示すＡＦＭヘッドの下部斜視図である。図１０は三つのＡＦＭヘッド支持フット（ｓｕｐｐｏｒｔ  ｆｏｏｔ）１００２と、ファイバー結合レーザー連結ポイント９１８と、ＯＤＣパック８０４と、放物面鏡１００４と、前方回転支持操舵鏡９０２と、カンチレバー及びチップ位置９０４とを示す。ＡＦＭヘッドがシステムから除去されたとき、ＯＤＣパック８０４はヘッドに残る。
【００４７】
図１１は完成されたＡＦＭ（この場合もやはり、鉱誘導力顕微鏡用に設計されたシステム）の概略図を示す。図１１は下部フレーム及び光学部（ｏｐｔｉｃｓ）１１０２と、Ｘ−Ｙ並進ステージ１１０４と、スキャナー１１０６と、ＯＤＣシステムが組み込まれたＡＦＭヘッド１１０８とを示す。顕微鏡を支持するフレーム１１０２もスキャナー及びヘッドの下の多様な光学構成要素を収納している。並進ステージはＡＦＭヘッドに対するサンプルの位置を調整するために数ミリメートルの概略の（ｃｏａｒｓｅ）Ｘ及びＹ方向位置を提供する。スキャナーは画像を走査するとともにＡＦＭヘッドに対するサンプルの位置をナノメートル程度の精度で正確に位置決めするために圧電制御Ｘ、Ｙ及びＺ運動を提供する。
【００４８】
図１２はＡＦＭヘッド１１０８が除去されたスキャナー１１０６の上部の拡大図を示す。三つのジャックネジ（ｊａｃｋ  ｓｃｒｅｗ）１２がヘッドを支持し、サンプルに対するヘッドの概略のＺ方向位置決めを提供する。これらはＡＦＭチップのサンプルに対する概略の接近のために使われ、最終接近は圧電制御の下で行われる。円形スキャナープラットフォーム１２０４はサンプルが装着される所にある。ヘッドがサンプル上に下降するとき、ＯＤＣパック８０４もサンプルプラットフォームに磁力で付着される。
【００４９】
ＯＤＣパック８０４が初めてサンプルプラットフォーム１２０４に付着されるとき、その位置はセンサーの下の適切な位置から数分の１ミリメートル内にある。その位置は走査前にセンサーをＸ及びＹ方向に零点調整するように微細に調整する必要があるだけである。センサーの下の球面鏡の位置の微細調整はヘッドに対するサンプルプラットフォームの一連の動作によってなされる。ここで、バンパーは、パックを所望の位置に押した後、走査のための非接触位置に後退させるのに使われる。鏡位置を零点調整しているうちにセンサーのＴ−Ｂ及びＬ−Ｒ信号がフィードバックとして使われる。
【００５０】
押し棒システムに意図的に設計されたバックラッシュ（ｂａｃｋｌａｓｈ）はセンサーをＸ及びＹ方向に零点調整するのに特別なアルゴリズムを使うことを要求する。アルゴリズムの多くの変形を考えることができるが、一つの手法をここでまとめる：
【００５１】
１回だけ：押し棒とバンパー間のＸ及びＹの両方向へのバックラッシュ（隙間）を測定。
−球面鏡の位置の“バンピング（ｂｕｍｐｉｎｇ）及び点検の繰り返し工程。
【００５２】
ＡＦＭチップがサンプル上の新しい位置に移動する度に：
１．サンプルをチップの下の目標位置に移動させ；サンプル位置を記録。
２．知られているバックラッシュ（隙間）を考慮して、ステージをＸ及びＹの両方向にさらに移動させてパックを目標位置に移動。
３．サンプルをチップの下の目標位置に復帰。
４．ＯＤＣ範囲の中心設定（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）を点検。
５．ＯＤＣが充分によく中心設定されていなければ、Ｘ及びＹ方向に中心設定されるまで前記過程を繰り返す。
６．サンプルを走査して画像を取得、など。
【００５３】
前記アルゴリズムはサンプル位置決め部（ｓａｍｐｌｅ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）が自らの正確な位置制御システムを有すると仮定する。例えば、サンプル位置を指示するステージのＸ及びＹ方向動作に対する非常に精密な線形エンコーダ（ｌｉｎｅａｒ  ｅｎｃｏｄｅｒ）を有する閉ループサンプル位置設定システムを使用することによってなされる。サンプルスキャナーは概略のサンプル位置決めに使われるこれらのサンプル位置決めステージ上に装着される。
【００５４】
同じパックを使う限りバックラッシュ値は固定されているため、バックラッシュの測定はただ一度のみ行えばよいことに注目しなければならない。パックが取り替えられれば、バックラッシュ測定過程を繰り返して新たに測定されたバックラッシュ値で制御システムを更新（ｕｐｄａｔｅ）する必要がある。
【００５５】
小さな走査においては、センサーの焦点を最大感度で、つまり最小動的範囲で調整することが好ましい。大きな走査においては、走査動作がセンサーの動的範囲を超えてセンサー出力のクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）が生じる。クリッピングが発生すれば、センサー内の集束レンズを減少した感度及びより大きな動的範囲で調整することが好ましい。あるいは、センサーは最大感度で維持されるが、センサー出力のクリッピングを受けない走査範囲部分内でだけその出力が使われることができる。
【００５６】
以上の詳細な説明に基づき、次は本発明の実施例によってドリフト補正のためにセンサーを正規化して使うのに必要な段階の要約である：
１．ＡＦＭヘッドをＡＦＭベース（ｂａｓｅ）上に載せる（パックがパックに組み込まれた磁石によって自動で下方にサンプルプラットフォームに付着される）。
２．ＡＦＭチップをサンプル上の所望の目標スポット（ｔａｒｇｅｔ  ｓｐｏｔ）に移動させ；ステージの位置を記録する。
３．磁力鏡ホルダー（パック）を一連のステージ動作によって移動させてＯＤＣセンサーが目標位置で動的範囲の中心にあるようにする。ヘッドはパック上のバンパーと接触するヘッド内の押し棒によってパックを押す。
４．（サンプル厚さが以前と違えば）ＯＤＣ焦点を手動で調整する。
５．チップ位置をサンプル上の目標位置に復帰させる（ＯＤＣの押し棒がそれ以上パックバンパーと接触しない）。
６．画像を走査する。
７．Ｘ及びＹ方向位置信号を用いてドリフトを追跡及び補正する。
【００５７】
前記説明から分かるように、ヘッドがサンプル厚さの変化を収容するように昇降するため、他の厚さのサンプルを使う度にセンサー焦点を調整する必要がある。前述した手動調整スキームはこの可能性を提供する。サンプル厚さの変化が調整器（ａｄｊｕｓｔｅｒ）の調整範囲を超えれば、パックとサンプルプラットフォームの間にスペーサーを付け加えるとか除去するとかすることができる。理想的に、これらのスペーサーはプラットフォーム及びパックに磁力で付着され、センサーの下の鏡のＸ−Ｙ方向位置の調整に必要な分のだけパックがサンプルプラットフォームに対してスライド動作するようにする。
【００５８】
この明細書の説明はサンプルプラットフォームに付着される単一球面鏡を指示しているが、その代案は鏡のアレイ（ａｒｒａｙ）を使うことである。そうすることにより、零点調整のために鏡の一つをセンサーの下の正確な位置に移動させるのに必要な移動距離量を制限する。アレイが所望の全体サンプル位置決め範囲を覆うほどに充分に大きければ、必要な最大調整距離は鏡のピッチ（ｍｉｒｒｏｒ  ｐｉｔｃｈ）と同一である。
【００５９】
ＡＦＭ内でドリフトを補正するためにセンサーを使う方法は次のようである。レーザーが初めて四分円光ダイオードの中心に位置すると仮定すれば、Ｔ−Ｂ及びＬ−Ｒは零点調整されている。システムがドリフトを受けるに従い、これらの信号は各検出方向へのチップ−サンプルのドリフトの大きさによって時間が経つにつれて変化する。よって、Ｔ−Ｂ及びＬ−Ｒはドリフト補正アルゴリズムでのエラー信号となる。サンプル走査がない場合、ドリフト補正が特に簡単である−時間が経ってドリフトが発生するとき、センサー出力を目標値に固定して維持するようにサンプルスキャナー（そして、大きな補正が必要な場合、場合によってはステージも）を移動させるのに閉ループサーボシステム（ｓｅｒｖｏ  ｓｙｓｔｅｍ）が使われる。そうすることにより、ＡＦＭチップ位置がサンプル上の目標位置上に固定して維持される（センサーの構成要素とヘッド内のスキャナー及びチップの間で発生し得る少量のドリフトは除外）。
【００６０】
ＡＦＭで画像を走査しながらドリフトを補正することはより複雑なアルゴリズムを要求する。一番簡単な手法は、画像間にドリフト補正を行い、実際の走査中に補正値を固定して維持することである。これにより、（画像開始点からドリフトが除去された場合）各走査の開始点が同一であるようにしながら長時間にわたって一連の画像を撮像することができる。この手法は、走査速度が遅い場合に多くの利点を提供するが、単一画像を走査するのに１分以上がかかることがあり、画像を撮像しながらドリフトを補正することが好ましい。
【００６１】
走査中のドリフト補正のためには、ドリフトの補正に使われる閉ループサーボに対して適切なエラー信号が発生するように画像内の多様な地点でのセンサー目標出力を知っていなければならない。（Ｘ）方向高速走査では、スキャナーが走査線（ｓｃａｎ  ｌｉｎｅ）ごとに同じＸ方向位置に復帰するため、これは簡単である。例えば、走査線の開始点又は走査線の中心などの特定の地点を各走査線に対する比較点として使うことができる。センサー出力が画像の始め前（又は第１走査線又は幾つかの第１走査線中）に適切なＸ方向位置で記録される場合、この値は画像内の残りの走査線に対するＸ方向エラーを計算するのに使うことができる。
【００６２】
（Ｙ）方向低速走査では、目標値が走査線ごとに違う。一手法は、画像を撮像する前にスキャナーをＹ方向に移動させ、走査前に各走査線に対するＹセンサー値（又は幾つかの別の（ｄｉｓｔｉｎｃｔ）センサー値）を記録することであろう。そして、走査中の各走査線に対する目標Ｙ値は全ての値が予め記憶された完成されたもの、又は走査前に記憶された限られた数のＹ値に基づく補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）によるルックアップテーブルから生成されることができる。
【００６３】
一般的なＡＦＭはスキャナー及びセンサーの固定軸に対して走査方向を回転させることができる。走査が回転するとき、センサーの両軸は迅速な運動を見るであろう。走査が回転する場合のドリフト補正のための一戦略は、開始点、中間点、又は終了点などの各走査線の特定の地点（地点の選択は任意的）で両軸上のセンサー出力をサンプリングすることである。走査に先立ちスキャナーをこれらの地点の軌道に沿って移動させることにより、走査中に固定されるようにドリフト補正システムの目標センサー値が設定されることができる。例えば、この戦略が各走査線の中間でセンサーをサンプリングすることである場合、撮像前に走査線の中間となるものを従う走査線に沿ってスキャナーを運動させれば、後の撮像中にこれらの地点に対する目標値を記録することができる。両センサー軸に対する各走査線の中心の値と記憶された目標値を比較することにより、熱ドリフトに相当するエラー値が導出され、サーボ制御閉ループが走査中にドリフトを相殺（ｃｏｕｎｔｅｒ）するように走査位置に補正を適用することができる。非回転走査のように、長時間にわたってかつ多くの後続の画像を通じてドリフトを補正するのに、時間に合って特定の地点で取得した目標値の単一記録リストを使うことができる。
【００６４】
センサーのノイズレベル（及び閉ループドリフト補正システムの全体位置決め精度）はセンサーの帯域幅に影響される。ノイズレベルを最小化させるとともに一番正確に制御するために、帯域幅はセンサー出力のアナログフィルタリング又は（一定の時間にわたる多くの後続測定値のデジタルフィルタリング又は平均などの）デジタル手段によって縮小されることができる。このようなフィルタリングの時間定数が動的走査中のセンサー信号（ｓｅｎｓｏｒ  ｒｅａｄｉｎｇ）に影響するほど充分に長ければ、センサー測定値を取る前のスキャナー動作の履歴（ｈｉｓｔｏｒｙ）が同一であるか又はそうでなければスキャナー履歴が閉ループシステムの挙動に影響しないように補正されることが重要である。例えば、Ｘ方向補正で、（目標値の初期測定を含めた）測定が各走査線の始めでいつも行われれば、Ｘ方向動作の履歴はいずれの場合にも同一である。Ｙ方向補正で、類似の予防措置が適切である−測定前のＹ方向動作の履歴が少なくとも小数の時間定数の期間中の各測定で同一であることを確認しなければならない。
【００６５】
この明細書の全ての説明がＸ方向動作及びＹ方向動作を感知する単一光学ドリフトセンサー、又はＸ方向動作及びＹ方向動作を別個に検出する二つの単軸センサーを有するシステムを言及しているが、このようなシステムの欠点は、センサーとサンプル位置（すなわち、対象地点）間に発生するドリフトは補正することができないことである。前述した閉ループシステムはセンサーの位置でドリフトを相殺する。もっと精巧なシステムはこの状況を改善することができる。例えば、図１３に示したように、二つの光学ドリフトセンサー１３０２、１３０４（それぞれは少なくとも光源１３０６、レンズ１３０８、鏡１３１０（例えば、凸面反射鏡）、及び検出器１３１２を含む）を走査ステージ１３１６上のサンプル位置（サンプル及びプローブチップ位置又は対象地点）１３１４の両側に近接させて配置することにより、二つのセンサーの共通モード（ｃｏｍｍｏｎ  ｍｏｄｅ）及び差動モード（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｏｄｅ）のドリフトを測定することができる。（両センサーの平均信号を取って測定した）共通モードドリフトは二つのセンサー間の中心に位置する地点（すなわち、サンプル位置）での実際のドリフトを良好に示す反面、差動モードドリフトは二つのセンサー間に発生する膨脹又は収縮を指示する。より一般的に、複数のセンサーが対象地点に対して多様な位置に位置すれば、対象地点でのドリフトを第１等級まで評価するのにはセンサー出力の線形組合せを使うことができる。ドリフトが（例えば、センサー及び対象地点付近の不均一な温度による）非線形である限りでは、より高い等級のエラーが存在するはずであるが、これは易しく補正することができない。それにもかかわらず、線形ドリフトエラーの除去は非常に効果的であって、対象地点で熱ドリフトを補正するシステムの能力を１０倍以上向上させることができる。
【００６６】
このドリフト補正センサーは特に走査プローブ顕微鏡で発生するドリフトを補正するために開発されたが、本発明の実施例は制限された範囲で高い感度で正確に運動を感知する能力が望ましいいずれの長さスケール（ｌｅｎｇｔｈ  ｓｃａｌｅ）でもいずれのシステムにも適用することができることを注目しなければならない。例えば、ｎｍスケールのドリフトはリソグラフィー特徴（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ  ｆｅａｔｕｒｅｓ）の整列の崩れを引き起こし得る光学用ドリフト補正システム又は電子ビームリソグラフィーシステムの一部として使うことができる。また、臨界寸法走査電子顕微鏡（ｃｒｉｔｉｃａｌ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＣＤ−ＳＥＭ）などの計測（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）に使われる微小位置決めシステム（ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）、又はリソグラフィー産業で光マスク（ｐｈｏｔｏｍａｓｋ）に使われるマスク欠陥検査システムでドリフトを補正することにも使うことができる。これらは幾つかの制限された例であるが、動作感知を用いる応用範囲は実質的には無限である。
【００６７】
これから本発明の実施例による光学ドリフト補正方法を図１４の工程フローチャートを参照して説明する。段階１４０２で、光源からの光が鏡の曲面上に伝達される。段階１４０４で、鏡の曲面で反射された光が複数の感光検出器に受信される。段階１４０６で、受信された光に応じて感光検出器によって信号が生成される。段階１４０８で、感光検出器からの信号が検出回路で処理され、光源に対する鏡の運動を検出する。段階１４０８で、Ｘ−Ｙ方向走査機構などの機構を用いて鏡を適切に移動させることによって鏡の運動が補正される。
【００６８】
ここで、本方法の段階を特定の順に示して説明したが、各方法の段階の順は、特定の段階を逆順に実施するとかあるいは特定の段階を少なくとも部分的に他の段階と同時に実施するように変更することができる。他の実施例で、別個の段階の命令（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）又は下位段階（ｓｕｂ−ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）が間欠的及び／又は交互的方式で実施されることができる。
【００６９】
また、本方法の段階の少なくとも幾つかはコンピュータによって実行するためのコンピュータ使用可能（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｕｓａｂｌｅ）記憶媒体に記憶されたソフトウェア命令を用いて実施することができる。一例として、コンピュータプログラム製品の実施例は、コンピュータ上で実行されるとき、コンピュータが前述した段階を遂行するようにするコンピュータ可読の（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｒｅａｄａｂｌｅ）プログラムを記憶するためのコンピュータ使用可能記録媒体を含む。
【００７０】
さらに、開示した実施例の少なくとも幾つかはコンピュータ又は任意の命令実行システムによって又はそれと接続して使われるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読の媒体から近接可能なコンピュータプログラム製品の形態を取ることができる。この説明の目的で、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読の媒体は命令実行システム、装置又は機器によって又はそれと接続して使われるプログラムを含むとか、記憶するとか、通信するとか、伝播するとか、あるいは運搬するとかする装置となることができる。
【００７１】
コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読の媒体は、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、又は半導体システム（又は装置又は器機）、又は伝播媒体となることができる。コンピュータ可読の媒体の例は、半導体又は固体メモリ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｍｅｍｏｒｙ）、磁気テープ、分離型コンピュータディスケット（ｄｉｓｋｅｔｔｅ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専有メモリ（ＲＯＭ）、硬質磁気ディスク、及び光ディスクを含む。光ディスクの現在例は、コンパクトディスクを使った読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、読み書き可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、及びブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標））ディスクを含む。
【００７２】
以上の説明で、多様な実施例の具体的詳細を提供した。しかし、幾つかの実施例はこの特定の詳細より少ない詳細によって実施されることができる。他の例では、特定の方法、過程、構成要素、構造及び／又は機能を簡潔性及び明確性のために、本発明の多様な実施例を可能にする程度より詳細に説明しなかった。
【００７３】
以上で本発明の特定の実施例を説明及び図示したが、本発明はこのように説明及び図示した部品の特定の形態又は配置に限られない。本発明の範囲はこの明細書に添付する請求葉に及びその等価物によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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