(57)【要約】非常に近接した複数の走査プローブ顕微鏡を走査して、衝突を回避しながら重なっている走査範囲を同時に走査する方法及び装置は、第１の駆動信号と、一貫して離間している移動に関して第１のＡＦＭに対する追加のＡＦＭの相対的位置とに基づいて、駆動信号を第１の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）（１４８Ａ）へ且つ計算された駆動信号を追加のＡＦＭ（１４８ｂ及び１４８ｃ）へ与える制御システム（１３０）を用いる。複数のＡＦＭを用いて、関心の複数の様相を走査及び故障解析（ＦＡ）探査により、ＦＡの様相を探知して測定を設定する時間を低減することが可能になる。
2005532555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各走査プローブがカンチレバーにより原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）（１４８Ａ，１４８Ｂ，１４８Ｃ）へ支持されている少なくとも２つの走査プローブ（１１４）と、
各ＡＦＭに設けられ、移動制御信号を受け取るよう適合された制御手段（１５０）と、
第１の方向に移動するため前記ＡＦＭのうちの第１のＡＦＭのための第１移動制御信号（１６０，１６４，１６８，１７２）を発生する手段と、
第２の方向に移動するため前記ＡＦＭのうちの第２のＡＦＭのための第２移動制御信号（１６２，１６６，１７０，１７２）を発生する手段と、
前記ＡＦＭのうちの前記第１のＡＦＭに対して第１の方向において離間した関係で移動させるため前記ＡＦＭのうちの前記第２のＡＦＭのための第１の移動制御信号に応答して第１オフセット移動制御信号（１２２Ａ，１８９，１８６）を決定する手段と、
前記ＡＦＭのうちの前記第１のＡＦＭに対して第２の方向において離間した関係で移動させるため前記ＡＦＭのうちの前記第２のＡＦＭのための第２の移動制御信号に応答して第２オフセット移動制御信号（１２２Ｂ，１８９，１８６）を決定する手段と、
各走査プローブ（１３７）からの入力信号から画像走査データを発生する画像走査データ発生手段と
を備える走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項２】
前記の関連した移動制御信号の調整のため各走査プローブからそれぞれの制御手段までのフィードバック手段（１５２）を更に備える請求項１記載の走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項３】
第１オフセット移動制御信号を決定する前記手段と第２オフセット移動制御信号を決定する前記手段とが回転行列（１８９）を備える請求項１記載の走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項４】
各走査プローブ（１１４）及びそれぞれの前記カンチレバー（１５６）が、前記走査プローブの先端部を前記ＡＦＭから離して配置するよう適応されている請求項１記載の走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項５】
カンチレバーたわみ信号（１５４）がモニタリングされ、
前記カンチレバーたわみ信号が、各走査プローブから前記画像走査データ発生手段への入力信号を備える
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項６】
カンチレバーたわみ信号（１５４）がモニタリングされ、
前記カンチレバーたわみ信号が、定力走査のため前記ＡＦＣへのフィードバックを与える
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡システム。
【請求項７】
カンチレバーに支持された第１のプローブを第１のＡＦＭに装着するステップと、
カンチレバーに支持された第２のプローブを第２のＡＦＭに装着するステップと、
第１のプローブに関する第１の方向のパターンを決定するステップと、
第１のプローブに関する第２の方向のパターンを決定するステップと、
第１の方向のパターンに対応する第１の制御信号を計算するステップと、
第２の方向のパターンに対応する第２の制御信号を計算するステップと、
前記第１のプローブ及びＡＦＭに対する前記第２のプローブ及びＡＦＭの相対的位置を決定するステップと、
第１の制御信号と、第１の方向のパターンにおいて第１のプローブに対して離間した関係で第２のプローブの移動の相対的位置とに基づいて第１のオフセット制御信号を計算するステップと、
第２の制御信号と、第２の方向のパターンにおいて第１のプローブに対して離間した関係で第２のプローブの移動の相対的位置とに基づいて第２のオフセット制御信号を計算するステップと、
第１及び第２の制御信号を第１のＡＦＭへ且つ第１及び第２のオフセット制御信号を第２のＡＦＭへ同時に供給するステップと、
画像走査データを前記プローブからの入力から発生するステップと
を備える走査プローブ顕微鏡のための方法。
【請求項８】
第１のプローブの位置に関する第１のフィードバックを与えるステップと、
前記第１のフィードバックに応答して第１及び第２の制御信号を変更するステップと、
第２のプローブの位置に関する第２のフィードバックを与えるステップと、
前記第２のフィードバックに応答して第１及び第２のオフセット制御信号を変更するステップと
を更に備える請求項７記載の走査プローブ顕微鏡のための方法。
【請求項９】
カンチレバーに支持された第１のプローブを第１のＡＦＭに装着する前記ステップが更に、第１のプローブの先端部が第１のＡＦＭから最大に離間する角度で第１のプローブとカンチレバーとを装着する初期ステップを備え、
カンチレバーに支持された第２のプローブを第２のＡＦＭに装着する前記ステップが更に、第２のプローブの先端部が第２のＡＦＭから最大に離間する角度で第２のプローブとカンチレバーとを装着する初期ステップを備える
請求項７記載の走査プローブ顕微鏡のための方法。
【請求項１０】
各プローブに関してカンチレバーたわみ信号をモニタリングするステップと、
前記の画像データの発生のため前記カンチレバーたわみ信号を与えるステップと
を更に備える請求項７記載の走査プローブ顕微鏡のための方法。
【請求項１１】
各プローブに関してカンチレバーたわみ信号をモニタリングするステップと、
前記プローブが定力走査をするため、前記カンチレバーたわみ信号をフィードバックとして前記ＡＦＭに与えるステップと
を更に備える請求項７記載の走査プローブ顕微鏡のための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２００２年７月８日に出願され、発明の名称が「複数の走査プローブのソフトウエア同期化」である米国仮出願シリアルＮｏ．６０／３９４，４１４の優先権を主張するものであり、その米国仮出願の開示は、本明細書に完全に組み込まれている。
【０００２】
［著作権表示］
本出願で開示される或る一定のソフトウエア・プログラム又はルーチンは、著作権保護を受け、そしてそれらに対する全ての権利が特に確保されている。それらの著作権の公衆への提供は、本明細書におけるそのような開示により意図されているわけでなく、また行われているわけではない。
【０００３】
［背景−発明の分野］
本発明は、一般的に、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）及び故障解析（ＦＡ）に関し、詳細には、ＳＰＭを用いてＦＡのため様相（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の位置を特定する（ｌｏｃａｔｅ）ときに複数のプローブの走査を制御するシステムに関する。
【０００４】
［背景−関連技術の説明］
故障解析（ＦＡ）作業のための半導体超小型回路における様相の位置の特定は、多くの場合困難な作業であった。技術の進歩により、ＦＡのための関心の様相のサイズが低減した。ＦＡにおける関心の様相への電気的接触を行う伝統的な方法（これはまた「探査（ｐｒｏｂｉｎｇ）」と呼ばれる。）は、精細な探査針を備える機械的位置決め装置及び光学顕微鏡を用いることを伴った。位置決め装置は、手動式又は電動式であり得る正確な３軸ステージである。位置決め装置には、尖った探査針が装着されている。伝統的な光学顕微鏡及び位置決め装置を用いて、ユーザは、当該針でもって関心のＦＡデバイスを探査（ｐｒｏｂｅ）する。現在の半導体技術でサイズが小さくなることにより、光学顕微鏡の限界のため、ＦＡのための様相の位置特定及び探査が難しく、あるいは不可能にすらなってきている。
【０００５】
走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、これらの様相の位置特定をするため用いることができる技術の一つである。伝統的な光学顕微鏡を用いて位置特定をすることができるであろう様相のサイズより非常に小さい関心の様相を、ＳＰＭを用いて生成し、画像化し、そしてその位置を特定することができる。ＳＰＭが１つの走査プローブ顕微鏡当たり唯１つの関心のＦＡ様相を探査することができるので、複数の走査プローブが複数の様相に接触する必要がある。ＦＡ探査の目的のため、ＳＰＭを用いる分野はまた、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と呼ばれるが、この分野は、原子間力探査（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｐｒｏｂｉｎｇ（ＡＦＰ））と呼ばれる。頭字語ＡＦＰを用いて、当該分野、並びに当該分野で使用のため設計された計測器、即ち、原子間力プローブ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｐｒｏｂｅｓ）を記載する。
【０００６】
従来技術は、ＦＡ様相の位置を特定するためＳＰＭを用いる多くの例を含み、それには、ＦＡ様相の位置を特定するため単一のＳＰＭを用いることも含まれる。しかしながら、ＦＡのための多くの関心のデバイス、例えば、ダイオードの場合２つのプローブを、またトランジスタの場合３つのプローブを、あるいは更に多くのプローブを必要とするので、限られた数のＦＡ実験しか単一のプローブを用いて実行することができない。
【０００７】
ＦＡのための複数の走査プローブに関連する限られた従来技術は、衝突を避けるためそれら複数の走査プローブを一時に１つ走査することを示す。この方法は、少なくともプローブがそれらのそれぞれの関心の様相まで移動させるまで、衝突を避けるのに効果的である。しかしながら、この方法は、走査を実行するのにより長い時間を要する。これは、熱ドリフトのようなドリフトが生じる時間をより多くさせる。また、測定時間がより長いという単純な事実が、従来技術の深刻な弱点である。
【０００８】
２プローブに関する従来技術の一態様が、図１Ａから図１Ｄに絵画的に示されている。試料１１０は関心の様相１１２を含む。関心の様相１１２が小さ過ぎて伝統的な方法を用いて容易に探査することができない場合がある。図１Ａは、試料１１０上で且つ関心の様相１１２の近くに位置決めされた走査プローブの先端部１１４を示す。それぞれの走査プローブ先端部１１４は、走査範囲１１６を走査し画像化する。図１Ｂは、開始点１１８で開始し且つその関心の範囲１１６を走査する第１の走査プローブ先端部１１４を示す。図１Ｃは、第２の走査プローブ先端部１１４に関する同じプロセスを示す。走査中の任意の所与の点で、異なる走査プローブ先端部１１４に関する走査方向１２０は、同じ方向でもあってもなくてもよい。図１Ｂ及び図１Ｃは、従来技術で一般的であるように異なる走査方向を示す。図１Ｂは、関心の様相１１２上に位置決めされ且つＦＡ実験のため準備済みである走査プローブ先端部１１４を示す。このプロセスは、１回の走査のため必要とされた時間量の２倍を要する。同様に、より多くのプローブが実験で必要とされる場合、時間遅延は、用いるプローブ数と共に拡大する。
【０００９】
このプロセスはまた、難しい全体的初期位置決め設定を必要とする。走査プローブ先端部が最初に配置されるとき、それらは、１つの走査プローブ先端部が走査しているときそれが走査していないいずれの他の走査プローブ先端部と衝突しないように十分離れていなければならない。これは、衝突を避けるためそれらの走査プローブ先端部を互いに十分離して最初に配置することを必要とし、そして同じ範囲を走査し画像化するためそれらの走査プローブ先端部を互いに十分近接させて位置させることを難しくする。
【００１０】
従って、複数のプローブを用いてＳＰＭを実行し、且つ単一のプローブの走査を実行するのに要するであろう時間量と同じ時間量で複数のプローブの走査を行うことが望ましい。これは、ＳＰＭのドリフトの影響に関する時間がより少なくなる利点を、並びに測定時間がより少なくてすむという単純な利点を提供する。これはまた、走査していない走査プローブ先端部との衝突を避ける必要が無いので、より単純で効率的で全体的初期位置決め設定の利点を提供する。
【００１１】
［発明の概要］
最小の時間量でそれぞれの関心の様相の位置を特定するため重なった又は重なっていない複数の関心の範囲にわたり複数の走査プローブを同時に走査する装置及び方法は、それぞれの走査プローブがカンチレバーにより原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に支持された少なくとも２つの走査プローブを採用する。各ＡＦＭの制御器は、ＡＦＭのうちの第１のＡＦＭに関して第１の軸での移動に対して第１の移動制御信号を、また第１のＡＦＭに関して第２の軸での移動に対して第２の移動制御信号を発生するマスタ制御器から移動制御信号を受け取る。第２の軸は、第１の軸に対して実質的に垂直である。次いで、マスタ制御器は、ＡＦＭのうちの第２のＡＦＭがＡＦＭのうちの第１のＡＦＭに対して第１の軸において離間する関係の移動に関する第１の移動制御信号に応答して第１のオフセット移動制御信号を計算し、またＡＦＭのうちの第２のＡＦＭがＡＦＭのうちの第１のＡＦＭに対して第２の軸において離間する関係の移動に関する第２の移動制御信号に応答して第２のオフセット移動制御信号を計算する。
【００１２】
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、添付図面に関して考慮して、以下の詳細な説明を参照することにより一層良好に理解されるであろう。
［発明の詳細な説明］
図２Ａに示されるように、本発明の一実施形態は、試料１１０の近くに配置されている２又はそれより多くの走査プローブ先端部１１４Ａ及び１１４Ｂを用いる。試料１１０は、関心の様相１１２Ａ及び１１２Ｂを含む。図２Ｂは、走査プローブ先端部を、望ましい走査範囲１１６Ａ及び１１６Ｂのそれぞれと関連して示す。図示の実施形態においては、走査範囲１１６Ａ及び１１６Ｂが重なっていることに注目されたい。各走査範囲は、それぞれの走査プローブ先端部がその走査を始める開始点１１８Ａ及び１１８Ｂを有する。各走査プローブ先端部はまた、走査方向１２０Ａ及び１２０Ｂをそれぞれ有する。図示の実施形態においては、走査方向１２０Ａ及び１２０Ｂは、常に、全ての走査プローブ先端部に関して平行で且つずれている。これは、プローブ先端部が離間した関係で同時に移動することにより衝突を回避する。図２Ｃは、関心の様相上に位置決めされ、そして電気測定又は力測定のため準備済みである走査プローブ先端部を示す。
【００１３】
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、望ましい第３の走査範囲１１６Ｃを同時に走査するため第３のプローブ１１４Ｃを追加する本発明の一実施形態を示す。関心の第３の様相１１２Ｃも示されている。
【００１４】
図４は、試料１１０の上に位置決めされた３つの走査プローブ先端部１１４Ａ、１１４Ｂ及び１１４Ｃの幾何学的関係を示す。走査プローブ先端部は、互いに異なる角度にある。走査プローブ先端部１１４Ａ、１１４Ｂ及び１１４Ｃそれぞれのプラテン角度（ｐｌａｔｅｎ  ａｎｇｌｅ）１２２Ａ、１２２Ｂ及び１２２Ｃは、基準軸１２６から測定されるプローブ中心線１２４Ａ、１２４Ｂ及び１２４Ｃのそれぞれの角度である。各走査プローブ先端部は、一意のプラテン角度を有する。本発明は、以下でより詳細に説明されるように制御信号の発生のためプローブ先端部に関するプラテン角度を用いる。
【００１５】
図５Ａは、本発明を使用するＡＦＰシステムの構成要素の概略図を示す。ユーザは、ソフトウエアにコンピュータ１３０を介してアクセスする。コンピュータ１３０は標準構成のものであり、従って、それは、スクリーン１３２、マウス１３４及びキーボード１３６に接続されている。走査画像１３７が、コンピュータのスクリーン１３２上に表示される。コンピュータ１３０は、走査波形１３８Ａ、１３８Ｂ及び１３８Ｃを発生する。４以上のプローブの一般化されたケースは、波形Ｉにより表されている。走査波形の発生が、図６に関して以下で説明される。関心の各様相１１２に対するプローブ先端部の動きを制御するための完全で独立した１組の走査波形が存在する。走査波形は、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１４０Ａ、１４０Ｂ及び１４０Ｃのそれぞれに出力される。各プローブ先端部制御に対して１個のＤＡＣ１４０が存在する。ＤＡＣは、走査波形同士が同期されている状態のままであることを保証するクロック発生器１４３により与えられるクロック信号１４２を共用する。ＤＡＣはまた、走査が同時に開始することを保証する同期発生器１４５により与えられる同期化パルス１４４を共用する。ＤＡＣは、制御電子装置１４６Ａ、１４６Ｂ及び１４６Ｃを駆動する。ＳＰＭ動作のための制御電子装置は、当業者に周知である。各プローブに対して完全で且つ独立した１組の制御電子装置が存在する。制御電子装置はそれぞれ、ＡＦＭヘッド１４８Ａ、１４８Ｂ及び１４８Ｃのそれぞれに接続される。各ＡＦＭヘッドは、３軸アクチュエータ１５０、フィードバック位置センサ１５２及びたわみセンサ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒ）１５４を含む。３軸アクチュエータ１５０は、試料１１０に沿って走査することを提供する。フィードバック位置センサ１５２は、制御電子装置と関係して、較正された走査を提供する。たわみセンサ１５４は、３軸アクチュエータ１５０の１軸と関係して、定力ＡＦＭ走査を提供する。このシステムはまた、力フィードバック無しで動作し得て、その場合たわみセンサを用いて、走査画像を生成する。同時探査が望ましい関心の各様相に対して１つの完全で且つ独立したＡＦＭヘッドが存在する。ＡＦＭヘッドに、カンチレバー１５６及び走査プローブ先端部１１４が装着されている。図示の実施形態においては、ＡＦＭヘッドは、複数の走査プローブ先端部を相互に非常に密接して位置決めすることができる。制御電子装置は、画像データ１５７を発生する。画像データ１５７は、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）１５８に通される。ＡＤＣ１５８は、画像データを、画像をコンピュータへ通すディジタル・フォーマットに変換する。次いで、コンピュータは、ユーザに対して画像データをコンピュータのスクリーン上に表示することができる。
【００１６】
図５Ｂは、カンチレバーに装着された本発明で使用されるプローブ先端部の一実施形態の詳細な側面図を示す。この実施形態においては、たわみセンサは、カンチレバーの反射背部（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｂａｃｋ）を用いて、カンチレバーのたわみを決定する。図示されたプローブ先端部及びカンチレバーの機構は、非常に近接して動作する複数のプローブ間の最大間隙を可能にする。プローブ先端部をカンチレバーへ角度を付けて装着すること、又は代替実施形態においては、プローブ先端部の最先端をＡＦＭから出来るだけ離れて位置決めするためＡＦＭへのカンチレバー装着に関して角度を付けることは、この機能を実現するため用いられる。
【００１７】
図６は、ソフトウエアの数学的演算のフロー・チャートである。標準ＳＰＭ走査パラメータ入力１５９は、Ｘ走査サイズ１６０、Ｙ走査サイズ１６２、Ｘ解像度１６４、Ｙ解像度１６６、Ｘオフセット１６８及びＹオフセット１７０から成り、それらを後続のルーチンが用いて、各プローブ先端部を操作するＡＦＭのための走査波形を生成する。
【００１８】
駆動波形発生ルーチン１７２は、ＳＰＭ走査パラメータ入力を取り込み、そして、Ｘ値出力１７６及びＹ値出力１７８の両方を含み且つＷと特定される駆動波形１７４を出力する。図７Ｃ及び図７Ｄに示され且つ以下で説明される一実施形態においては、駆動波形は、最後の５つの点で丸められたピーク及び谷を有する三角形である。この実施形態に関しては、波形発生は以下の手順で達成される。駆動波形のＸ値は、値「Ｘオフセット」の周りに中心付け（ｃｅｎｔｅｒ）される。駆動波形のＸ値は、２で除算した「Ｘ走査サイズ」の振幅を有する。駆動波形のＸ値は、２に値「Ｘ解像度」を乗算したものに等しい１サイクル当たりの点の数を有する。駆動波形のＸ値は、２を値「Ｙ解像度」倍したものに等しいサイクル数を有する。駆動波形のＹ値は、値「Ｙオフセット」の周りに中心付けされる。駆動波形のＹ値は、２で除算した「Ｙ走査サイズ」の振幅を有する。駆動波形のＹ値は、２に値「Ｘ解像度」を乗算し、更に値「Ｙ解像度」を乗算したものに等しい１サイクル当たりの点の数を有する。駆動波形のＹ値は、１サイクルを有する。Ｘオフセット及びＹオフセットは、走査範囲の位置を定義する。
【００１９】
所望のＡＦＭ制御を達成するため本明細書で説明されるコードは、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（所在：１１５００Ｎ  Ｍｏｐａｃ  Ｅｘｐｗｙ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ７８５９−３５０４）から入手可能なＬａｂＶＩＥＷコンパイラを用いた存在する態様でプログラミングされた。
【００２０】
開始点回転ルーチン１８０は、駆動波形Ｗを取り込み、所望の開始点入力１８１に基づいて、駆動波形のＸ値及び駆動波形のＹ値を回転させ、それによりＸ開始点１８２及びＹ開始点１８４は、波形の第１の点である。この計算は、図２Ｂ及び図３Ｂに関して上記で説明されたように、プローブが走査を始める位置である開始点１１８Ａ、１１８Ｂ及び１１８Ｃに、プローブ先端部を置く。開始点回転ルーチンにおいて、回転は、ソフトウエア・プログラミングで定義され、それは、一次元アレイの数字を取り込み、数字の一部（ｓｅｃｔｉｏｎ）を後方から前方へ移動させ、そして前方に存在していた数字を後方に配置する。新しい波形Ｗ′１７４′である、開始点を回転したＸ値出力１７６′及びＹ値出力１７８′が、開始点回転ルーチンのその結果生じる出力である。
【００２１】
走査回転ルーチン１８６は、駆動波形Ｗ′を個々のＡＦＭヘッド１４８の基準フレームへ変換する。各ＡＦＭヘッド及び関連のプローブ先端部に対する入力パラメータ・プラテン角度Ｒ１８７は、図４に関して上記で説明されたように試料上の任意の基準軸１２６に対してそれぞれ測定されたプローブ先端部中心線１２４Ａ、１２４Ｂ又は１２４Ｃの角度１２２Ａ、１２２Ｂ又は１２２Ｃである。このルーチンの出力結果は、Ｘ値出力１７６″及びＹ値出力″を有する回転された駆動波形Ｗ″１７４″である。本明細書で説明される実施形態については、回転変換行列Ｍ１８９による乗算で、各ＡＦＭプローブ先端部に対するプラテン角度Ｒに等しい角度値に基づいて形成される当該乗算が実行される。走査回転ルーチンにおいて、回転は、線形代数の文脈で定義され、それは、走査回転ルーチンで与えられる形式の行列を乗算して、入力アレイを原点の周りに所与の角度だけ回転させる。
【００２２】
全てが回転した場合、尋問（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒｙ）１９０により決定される駆動波形Ｗ″が発生される。一部のＡＦＭ制御電子装置が発生しなかった場合、プロセスはそれ自体、波形発生ルーチン１７２で始めて、次のＳＰＭに関して繰り返す。本発明は２以上のＡＦＭを仮定しているので、上記ルーチンは、２又はそれより多くのＡＦＭに対応して、少なくとも２回実行するであろう。全てのＡＦＭがそれらのそれぞれの回転された駆動波形Ｗ″を発生した場合、各ＡＦＭのプローブ先端部をそのそれぞれの開始点に位置決めするため波形をルーチン１９１で再生する。次いで、位置決めする波形は、ＡＦＭ制御電子装置にルーチン１９２でロードされ、そして各ＡＦＭは、そのそれぞれのプローブ先端部をその開始点へ移動させる。全てのＡＦＭ制御電子装置は、共通同期化パルス１４４でスタートし、そこで、全てが、同時に始まる。また、全てのＡＦＭ制御電子装置は、共通クロック信号１４２を共用し、そこで、それらは全て、同じレート（速度）で進行する。
【００２３】
開始点に到達すると、回転された駆動波形Ｗ″は、ルーチン１９３で、ＡＦＭ制御電子装置１４６Ａ、１４６Ｂ又は１４６Ｃのそれぞれにローディングされる。次いで、走査ルーチン１９４が始まる。全てのＡＦＭ制御電子装置１４６は、共通同期化パルス１４４でスタートし、そこで、全てが、同時に始まる。また、全てのＡＦＭ制御電子装置は、共通クロック信号１４２を共用し、そこで、それらは全て、同じレート（速度）で進行する。
【００２４】
ＡＦＭ制御電子装置１４６からのデータが、ステップ１９５で収集され、そしてユーザに対してコンピュータ・スクリーン１３２上に画像として表示される。走査ルーチンの動作中に、モニタ機能１９６は、同時に、ユーザがコンピュータ・スクリーン１３２上のプローブ・ボタンを選択したかどうかを検査している。プローブ・ボタンが選択されなかった場合、走査ルーチンは、データを収集して、ディスプレイ画像を更新し続ける。図示の実施形態においては、プローブ・ボタンは、ソフトウエア・ボタンであり、物理的位置を持たないことに注目されたい。ユーザがプローブ・ボタンを選択した場合、動作１９７により示されるように、プローブ点ルーチンが、ユーザの探査位置入力を取り込み、走査プローブ先端部の現在位置からユーザの探査位置へ移動させるための波形を計算して（１９８）、そしてルーチン２００に示されるように、波形をＡＦＭ制御電子装置へ出力する。ブロック２０１に示されるように、走査プローブ先端部は、ＡＦＭ制御電子装置により、ユーザの探査位置が指定する位置へ移動される。このルーチンは、機能においては開始点位置決め発生ルーチンと同一であるが、開始点位置決め発生ルーチンに対する入力の点で異なる。この機能への入力は、開始点ではなく探査点である。
【００２５】
図７Ａから図７Ｆは、走査動作の実行中の幾らかの電気信号の例を示す。図７Ａは、全てのＡＦＭが同期されている状態にあることを確実にするため用いられる共用化された信号を示す。図７Ｂは、全てのＡＦＭが同時に始まることを信号で知らせる同期化パルス１４４を示す。図７Ｃは、波形発生ルーチン１７２により発生された駆動波形１７６のＸ値を示す。図７Ｄは、また波形発生ルーチン１７２により発生された駆動波形１７８のＹ値を示す。図７Ｅは、試料１１０に関して例示的な任意のプラテン角度へ回転されるＡＦＭヘッドに対する、回転された駆動波形Ｗ″１８８のＸ値の一例を示す。図７Ｆは、ＡＦＭヘッドに対する、回転された駆動波形Ｗ″のＹ値の一例を示す。これらの波形は、走査回転ルーチン１８６により発生される。走査回転ルーチン１８６の後で、回転された駆動波形１８８Ｗ″は、プラテン角度１２２に非常に依存することに注目されたい。
【００２６】
本明細書で開示される本発明の実施形態の動作は、次のように達成される。システムは、複数の走査プローブ顕微鏡を用いる。走査プローブ先端部は、例えば、数マイクロメートルから１マイクロメートル以下までのように互いに非常に近接している。その上、走査プローブ先端部は、それらの走行で中心付け（ｃｅｎｔｅｒ）され、試料に係合され、そして重なった走査範囲を走査することができる。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに関して前述したように、走査範囲１１６は、複数の関心の様相１１２を含む。
【００２７】
コンピュータ１３０を用いて、ユーザは、Ｘ走査サイズ１６０、Ｙ走査サイズ１６２、Ｘオフセット１６８、Ｙオフセット１７０、Ｘ解像度１６４、Ｙ解像度１６６、Ｘ開始点１８２、Ｙ開始点１８４、及びＡＦＭプローブ先端部に関するプラテン角度（本明細書で開示される３つのプローブを用いる例に関して１２２Ａ、１２２Ｂ及び１２２Ｃ）のような様々な走査パラメータを入力する。
【００２８】
ユーザは、コンピュータに走査を始めることを告げ、そしてコンピュータ１３０上でランするソフトウエア・ルーチンは、図６に示される手順を開始する。駆動波形発生ルーチン１７２は、駆動波形Ｗを発生し、それにより各走査プローブ先端部は、走査パラメータにより記述される範囲をラスタする（ｒａｓｔｅｒ）ことを行う。
【００２９】
駆動波形Ｗは、開始点回転ルーチン１８０により回転させられ、それにより全ての走査プローブ先端部は、それらのそれぞれの駆動波形における同じ点でスタートする。これは、ＡＦＭプローブ先端部１１４同士間の間隙が走査の開始に関して一定であることを保証する。
【００３０】
次に、駆動波形は、走査回転ルーチン１８６により回転させられて、その結果回転された駆動波形Ｗ″を生じる。この回転は、たとえ全てのＡＦＭヘッド及びそれらの関連の走査プローブ先端部が異なるプラテン角度を持っていても、それらが全て、同じ方向で同時に走査することを保証し、そして更に走査プローブ先端部同士間の間隙が走査の継続時間中に実質的に一定のままであることを保証する。
【００３１】
次に、回転された駆動波形Ｗ″は、ＤＡＣ１４０Ａ、１４０Ｂ及び１４０Ｃのそれぞれにロードされる。ＡＦＭは、プローブ先端部を開始点に配置するよう位置決めされる。ひとたび、回転された駆動波形がロードされると、ＡＦＭ制御電子装置は、共通クロック１４２を共用する。これは、走査プローブ先端部が同期化されたままでいることを保証する。次いで、同期化回路は同期化パルス１４４を送出し、当該同期化パルス１４４は、全てのＡＦＭ制御電子装置１４６に走査を始めるよう信号で知らせる。これは、ＡＦＭの全部が走査を同時に開始することを保証する。次いで、ＤＡＣは、それらのそれぞれの回転された駆動波形をそれらのＡＦＭ制御電子装置に出力する。走査中に、走査プローブ先端部は、それらが最初に走査を開始したときの一定の間隙を維持するため離間した関係で移動する。ＡＦＭ制御電子装置の各組は、較正された要領で走査するため、関連のＡＦＭヘッド１４８の中のフィードバック位置センサ１５２及び３軸アクチュエータ１５０を制御する。各たわみセンサ１５４は、走査プローブ先端部１１４が装着されているカンチレバー１５６のたわみをモニタリングする。このたわみ信号は、ＳＰＭ制御電子装置１４６に戻され、そしてユーザに対してコンピュータ・スクリーン１３２上に表示される。
【００３２】
走査中に、ＡＦＭプローブ先端部は、図２Ａから図２Ｃ及び図３Ａから図３Ｃに示されるように、同一の走査方向１２０に全ての時間に移動する。同様に、開始点１１８Ａ、１１８Ｂ及び１１８Ｃは、全ての走査プローブ先端部に関する走査範囲１１６Ａ、１１６Ｂ及び１１６Ｃに対して同じ相対的位置にある。その上、走査プローブ先端部同士間の間隙が全ての時間で一定である。
【００３３】
走査中に、コンピュータ１３０は、データをＡＦＭ制御電子装置１４６から収集し、そしてそれをコンピュータ・スクリーン１３２上に表示する。ユーザがコンピュータ・スクリーン１３２上で関心の様相１１２の位置を特定するとき、ユーザはそれらの様相を探査するため選択することができる。次いで、ユーザは、探査すべき関心の様相の位置を探査位置１９６として選択し、そしてプローブ・ボタン１９４を選択する。次いで、コンピュータ１３０は、波形を計算し、その波形をＤＡＣ１４０へ出力し、当該ＤＡＣ１４０は、ＡＦＭ制御電子装置１４６を駆動し、当該ＡＦＭ制御電子装置１４６は、走査プローブ先端部を、探査位置１９６に対応する試料１１０上のそれぞれの点へ駆動する。ＤＡＣ１４０同士は、前と同じように、それらの共通クロック信号１４２及び同期化パルス１４４を共用する。次いで、ＤＡＣ１４０は、ＡＦＭ制御電子装置１４６を駆動する。これは、走査プローブ先端部が探査位置１９６へ移動することをもたらす。走査が始まって以降の最初の時間の間、走査プローブ先端部１１４同士間の間隙は、ひとたび走査プローブ先端部１１４が探査位置１９６に向けて移動し始めるともはや一定でないことに注目されたい。
【００３４】
増強機能（ｅｎｈａｎｃｅ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を有する本発明の代替実施形態に関して、図８Ａは、試料１１０、関心の様相１１２Ａ及び１１２Ｂ、及び避けるべき範囲１９８を示す。図８Ａにおいては、走査プローブ先端部１１４Ａ及び１１４Ｂは、試料１１０上に位置決めされる。図８Ｂは、各走査プローブ先端部は、避けるべき範囲１９８を除外するそれ自体の走査範囲１１６Ａ及び１１６Ｂをそれぞれ有する。図示の実施形態においては、走査プローブ先端部１１４Ａと１１４Ｂとの間の間隙は、常に一定であるわけではない。この実施形態においては、プローブは、Ｚ、即ち、避けるべき範囲を回避するため、試料方向の平面の外側に後退する（ｒｅｔｒａｃｔ）。各走査範囲１１６は、走査プローブ先端部１１４が始める位置である開始点１１８を有する。各走査プローブ先端部１１４はまた、走査方向１２０を有する。図示の実施形態においては、走査方向１２０は、全ての走査プローブ先端部１１４に対して実質的に同じである。
【００３５】
図９は、回避すべき範囲と整合したＺ軸プローブ後退波形の発生であって、ＡＦＭ移動のＸ及びＹ成分に関する波形の発生に重ね合わせられる当該Ｚ軸プローブ後退波形の発生をフロー・チャート形式で示す。図１０Ａ及び図１０Ｂは、図７Ａ及び図７Ｃの波形を明瞭のため拡大し且つ上部を一部省いて（ｔｒｕｎｃａｔｅ）示す。図１０Ｃは、Ｘ及びＹ方向の移動と関連した回避範囲に対する対応のＺ軸作動を示す。図９を参照すると、回避すべき範囲のＸ及びＹ方向の程度は、その除外された範囲に対する制御行列２０６に関する発生ルーチン２０４に対するパラメータ入力２０２として与えられる。単純な矩形範囲は、この実施形態に対して図面に示されているが、しかし本発明に対する限定ではない。説明の目的のため、唯一つのプローブ先端部及びＡＦＭの動作が本明細書では記述されている。制御電子装置が、図１０Ｂ及び図１０Ｃのそれぞれにおいて拡大した形式で示されたＸ位置に対する適切な波形１７８及びＹ位置に対する適切な波形１７６により駆動されるプローブ先端部のＸ／Ｙ位置をモニタリングする（２０８）。プローブ先端部の位置が除外行列値に入った（２１０）場合、プローブは、ＡＦＭのＺ軸制御により持ち上げられる（ステップ２１２）。次いで、Ｘ／Ｙ位置をモニタリングして、プローブ先端部が除外行列値から離れているときを決定する（２１４）。なお、そのとき、プローブは、画像データの発生を再開するため下げられる（２１６）。
【００３６】
除外範囲は、図１０Ａにおいて、Ｙ除外ゾーン２１８として、そして図１０ＢにおいてＸ除外ゾーン２２０として図的に示されている。図１０Ｃに示されるその結果生じるＺ軸波形２２２は、除外範囲にあるとき、プローブ先端部を持ち上げるを示す。図８Ｃは、関心の様相１１２上に位置決めされ且つＦＡ実験のため準備済みである走査プローブ先端部１１４を示す。
【００３７】
本発明の一実施形態の商業的に入手可能なバージョンは、ＭｕｌｔｉＰｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．（所在：１０Ｅ．Ｉｓｌａｙ  Ｓｔｒｅｅｔ，Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ９３１０１）、即ち、本発明の譲受人から入手可能な原子間力プローブ（ＡＦＰ）である。このシステムは、図２Ｃ又は図３Ｃに示されるように、数マイクロメートル以下である非常に近接した状態で走査プローブ先端部を配置することが可能である。このシステムは、図５に示されるように、３軸アクチュエータ１５０のためのフィードバック位置センサ１５２、及び支援型ＳＰＭ制御電子装置１４６を有する。このシステムはまた、図６においてブロック図形式で示されるソフトウエア・ルーチンを実行する。３個の走査プローブ先端部１１４に対して、この顕微鏡は、図３に絵画的に示される動作を実行する。
【００３８】
更に商業的に入手可能な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、Ｖｅｅｃｏ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｇｒｏｕｐ（所在：１１２  Ｒｏｂｉｎ  Ｈｉｌｌ  Ｒｏａｄ，Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ９３１１７）から入手可能な支援型制御電子装置を備えるＶｅｅｃｏ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ＡＦＭヘッドである。この商業的に入手可能なシステムは、現在本発明を支持していないが、しかし、このシステムは、図５に示される構成要素を含む。これらの構成要素のうちの最も顕著なものは、３軸アクチュエータ１５０のためのフィードバック位置センサ１５２、及び支援型ＳＰＭ制御電子装置１４６である。このシステムは、複数の走査プローブ先端部を非常に近接して配置する能力を持たない。
【００３９】
これまで、本発明を特許法により要求されるように詳細に説明したが、当業者は、本明細書に開示された特定の実施形態に対する変更及び代替を認めるであろう。そのような変更は、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲及び意図内にある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】図１Ａは、関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを逐次に走査する従来技術を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを逐次に走査する従来技術を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを逐次に走査する従来技術を示す。
【図１Ｄ】図１Ｄは、関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを逐次に走査する従来技術を示す。
【図２】図２Ａから図２Ｃは、関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを同時に走査するため本発明の一実施形態の使用を示す。
【図３】図３Ａから図３Ｃは、３個のプローブに関する本発明の一実施形態を示す。
【図４】図４は、３つの走査プローブ先端部と試料とを上部から見た状態を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施形態のハードウエア構成のブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、プローブ先端部及びカンチレバーの一実施形態の詳細側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態に関する或る一定の制御態様のソフトウエア実行に関するフロー・チャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのフロー・チャートの続きである。
【図７】図７Ａから図７Ｆは、記載の実施形態における幾らかの電気波形の概略図である。
【図８】図８Ａから図８Ｃは、或る一定の範囲を避けながら関心の様相を走査し探査するため複数の走査プローブを同時に走査するため本発明の一実施形態の使用を示す。
【図９】図９は、或る範囲を回避するためのＺ軸制御のソフトウエア実行に関するフロー・チャートである。
【図１０】図１０Ａから図１０Ｃは、図９で定義された制御ルーチンに関する制御信号を表す波形を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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