(57)【要約】      （修正有）【課題】単純で、迅速で、対欠陥堅牢性がある、走査型プローブ顕微鏡の操作を可能にする。【解決手段】プローブ１１と試料６とを互いに対して動かすことにより試料６を分析するための走査型プローブ顕微鏡１、特に、原子間力顕微鏡であって、試料６の画像を実質的に水平な側面視で検出するように配置および構成されるサイドビューカメラ９０を有する検出ユニット６０と、検出された画像に基づいて、試料６の表面の少なくとも一部のプロファイルを示す情報を決定するための決定ユニット８０とを備える走査型プローブ顕微鏡１。【選択図】図１
2019035741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブと試料とを互いに対して動かすことにより前記試料を分析するための走査型プローブ顕微鏡、特に、原子間力顕微鏡であって、
前記試料の画像を実質的に水平な側面視で検出するように配置および構成されるサイドビューカメラを有する検出ユニットと、
検出された前記画像に基づいて、前記試料の表面の少なくとも一部のプロファイルを示す情報を決定するための決定ユニットと
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記決定ユニットは、前記試料の影画像から１または複数の高さ値を決定することと、前記試料の少なくとも一部の３次元表面機能を決定することとを含む群のうちの少なくとも１つの情報を決定するように構成される、
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記決定ユニットは、前記検出ユニットにより前記試料に対して異なる位置または向きのうちの少なくとも一方から検出された、前記試料の複数の画像を組み合わせることにより、特に、相関させることにより、前記プロファイルを示す情報を決定するように構成される、
請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記検出ユニットは、
前記試料に対して異なる空間的位置または異なる空間的向きのうちの少なくとも一方に配置された前記検出ユニットの複数のカメラ、または
異なる位置または異なる空間的向きのうちの少なくとも一方へと互いに対して動かされるように前記検出ユニットの少なくとも１つのカメラと前記試料とを設定すること
のうちの少なくとも一方により前記試料の前記複数の画像を検出するように構成される、
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記決定ユニットは、予め定義された光パターンが投影された前記試料の検出された画像から前記プロファイルを示す情報を決定することと、パターン認識および物体認識のうちの少なくとも一方を実行することにより前記試料の検出された画像から前記プロファイルを示す情報を決定することと、前記試料の複数の検出された画像を前記試料の少なくとも一部の高さプロファイルの３次元再構成に関して分析することとを含む群のうちの少なくとも１つについての前記情報を決定するように構成される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
決定された前記情報を処理して、それにより、
前記試料の前記プロファイルを考慮すると前記プローブにより到達可能ではない、前記試料の少なくとも１つの到達不能領域と、
前記プローブおよび前記試料を互いに対して初期プロファイル関連位置へと動くように制御し、続いて前記試料を分析するための制御情報と、
前記試料の分析中に前記プローブおよび前記試料をプロファイル適合済み軌道に沿って互いに対して動くように制御するための制御情報と
のうちの少なくとも１つを決定するように構成される処理ユニットを備える、
請求項１から５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記サイドビューカメラは、前記試料と前記プローブとの間の間隙を実質的に水平な側面視で追加的にモニタリングするように配置および構成される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記実質的に水平な側面視の前記画像は、横軸に対して５°未満、特に、２°未満の角度で検出される、
請求項１から７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
特に、少なくとも部分的に前記試料と前記検出ユニットとの間に光学系を備える、
請求項１から８のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記光学系は、テレセントリック光学系、特に、前記試料の対象測定地点と前記サイドビューカメラとの間の距離に依存しない倍率を提供するテレセントリック光学系である、という特徴と、
前記光学系は、テレセントリック光学系、特に、一方としての前記試料および前記プローブの間の間隙と他方としての前記サイドビューカメラとの間の距離に依存しない倍率を提供するテレセントリック光学系である、という特徴と
のうちの少なくとも１つを有する、
請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記試料の側面投影像と、前記試料および前記プローブの間の間隙とのうちの少なくとも一方を、特に、実質的に水平な側方位置から、電磁放射線で特に均一に照射するように構成される照射ユニットを備える、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記検出ユニットは、前記試料の少なくとも一部の、特に全体の広視野画像を、特に上方位置から、または斜め位置から検出するように配置および構成される広視野カメラを有する、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記検出ユニットは、前記試料のサブ部分を、特に上方位置から、または斜め位置から検出するように配置および構成される顕微鏡を有する、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記決定ユニットは、前記サイドビューカメラにより撮像され、鉛直面上の前記試料の投影像に対応する少なくとも１つの画像を、少なくとも１つのさらなるカメラにより撮像され、別の平面上の、特に水平面上の前記試料の投影像に対応する少なくとも１つのさらなる画像と組み合わせることにより、前記試料の前記プロファイルを再構成するように構成される、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
走査型プローブ顕微鏡、特に、原子間力顕微鏡により試料を分析する方法であって、
前記試料の画像を実質的に水平な側面視で検出する段階と、
検出された前記画像に基づいて、前記試料の表面の少なくとも一部のプロファイルを示す情報を決定する段階と、
決定された前記情報を考慮に入れてプローブと前記試料とを互いに対して動かすことにより前記試料を分析する段階と
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関し、特に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に関する。本発明は、走査型プローブ顕微鏡により試料を分析する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭまたはＡＦＭにおいて、試料表面を走査する前に、通常、２つの係合段階が行われる。第１粗係合段階において、カンチレバー型プローブが、試料表面の数ミリメートル（またはさらにはセンチメートル）上から１ミリメートル未満（例えば、数１００μｍ）上の位置へと動かされる。この段階の後に、微係合が開始される。カンチレバーは、測定のためにその最終的な開始位置に到達するまで、連続的に、または数マイクロメートルずつ動かされる。
【０００３】
そのような係合段階中に、およびプローブが試料を走査する実際の試料分析中に、プローブまたは試料のいずれもプローブと試料との間の衝突により損傷していないことに注意が払われるべきである。この問題は、複雑な形状を有する試料を分析する場合に特に顕著である。
【０００４】
米国特許第９，４４８，３９３号明細書は、サイズがＳＰＭの典型的な動作中走査エリアの倍数である大きい試料を調査または測定するために用いられる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を開示している。ＳＰＭの焦点を合わせる場合に頻繁な再調節または他の時間がかかるヒューマンインタラクションおよび誤差を回避するために、大きい試料のＳＰＭによる走査のための複数段階での自動化された方法が開示されている。当該方法は、大きい試料を走査するように適合された、試料の統合マップを提供する、粗い、すなわち、低い解像度の非ＳＰＭ走査またはマッピングの段階を備える。好ましくは、当該段階の後には、試料の対象エリアを識別する数学的評価段階が続く。次に、当該エリアは、高解像度のＳＰＭによる、焦点を合わせた状態での微細ラスタ走査段階の対象となる。
【０００５】
米国特許７，４３０，８９８号明細書は、光学サブシステムおよび原子間力顕微鏡プローブを含むシステムを開示している。光学サブシステムは、標本の表面上の位置についての位置情報を生成するように構成される。システムは、位置情報に基づいて、プローブを当該位置に近接して配置するように構成される。ある方法が、標本の表面上の位置についての位置情報を光学サブシステムで生成する段階を含む。当該方法は、位置情報に基づいて原子間力顕微鏡検査プローブを当該位置に近接して配置する段階も含む。別のシステムが、光波散乱計測を用いてウェハのオーバーレイを測定するように構成される光学サブシステムを含む。システムは、ウェハ上の機構の特性を測定するように構成される原子間力顕微鏡も含む。追加の方法が、光波散乱計測を用いてウェハのオーバーレイを測定する段階を含む。当該方法は、原子間力顕微鏡検査を用いてウェハの機構の特性を測定する段階も含む。
【０００６】
しかしながら、特に、試料が複雑な形状を有する場合、その非常に感度が良い先端部を有するプローブが意図せずして試料と衝突し得、それによりプローブ、試料および／または分析物が破壊され得るということが、依然として起こり得る。そのような欠点を部分的に克服しようと意図する従来の接近は、精度を欠いており、煩雑である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、単純で、迅速で、対欠陥堅牢性がある、走査型プローブ顕微鏡の操作を可能にすることである。
【０００８】
上記で定義される目的を実現すべく、独立請求項に従った、走査型プローブ顕微鏡と、走査型プローブ顕微鏡により試料を分析する方法とが提供される。
【０００９】
本発明の例示的な実施形態に従って、プローブと試料とを互いに対して動かすことにより試料を分析するための走査型プローブ顕微鏡（特に、原子間力顕微鏡）が提供される。走査型プローブ顕微鏡は、試料の画像を実質的に水平な側面視で検出するように配置および構成されるサイドビューカメラを有する検出ユニットと、検出された画像に基づいて、試料の表面の少なくとも一部のプロファイルを示す情報を決定する（例えば、試料の１または複数の部分の１または複数の定量的な高さ値を決定する）ための決定ユニットとを備える。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態に従って、走査型プローブ顕微鏡（特に、原子間力顕微鏡）により試料を分析する方法が提供される。方法は、試料の画像を実質的に水平な側面視で検出する段階と、検出された画像に基づいて、試料の表面の少なくとも一部のプロファイルを示す情報を決定する段階と、決定された情報を考慮して、プローブと試料とを互いに対して動かすことにより試料を分析する段階とを備える。
【００１１】
本願との関連で、「実質的に水平な側面視」という用語は、特に、試料とプローブとが鉛直方向において離間している場合、純粋に水平方向から著しくずれていない有効な視野方向に沿って試料の画像を検出し得るように検出ユニットが構成されることを意味し得る。これは、完全に水平方向のゼロ視野角、またはこの視野方向から試料の投影像の実質的に真の検出が可能であるような小さい視野角を伴い得る。当業者であれば、当然ながら、位置合わせの許容差または同様のものに起因して、純粋に水平方向の配置または視野方向からのわずかなずれが存在し得ることを理解しよう。
【００１２】
本願との関連で、「試料の少なくとも一部のプロファイル」という用語は、特に、走査型プローブ顕微鏡による分析中にプローブにより走査され得る試料の外表面のトポグラフィを特性評価する情報を意味し得る。そのようなプロファイル情報は、試料またはその一部の高さプロファイルに関する情報を含み得る。例えば、そのようなプロファイル情報は、試料表面（またはその一部）の各位置についての、このそれぞれの位置における試料の高さを示す３次元高さマップであり得る。しかしながら、そのようなプロファイル情報は、顕著な高さを有する試料の１または複数の領域を示すサイドビューからの投影像または影画像からも導出され得る。係合段階中および／または実際の分析中の衝突を回避することに注意が払われるべきである。１または複数の定量的なパラメータが、例えば、試料の局所的または全体的な高さの最大値に関する、１または複数の領域における試料の高さを示す、投影像または影画像からの情報として決定され得る。
【００１３】
本発明の例示的な実施形態に従って、走査型プローブ顕微鏡が提供される。走査型プローブ顕微鏡により分析される試料のプロファイルまたは高さマップが、少なくとも部分的にサイドビューカメラにより導出される。サイドビューカメラによる試料プロファイル情報の決定により、サイドビューから適切に、すなわち、鉛直投影像または影画像として検出され得る、１または複数の局所的に最大である試料の高さ領域に関する意味のある情報が提供される。試料のそのような局所的に最大の高さの領域は、側面視から適切に撮像され得、そのような最大高さの試料領域から離れてプローブ先端部を適切にナビゲートすることについて非常に関連性がある情報を提供する。同時に、高さマップの決定に関する、サイドビューカメラによる試料の検出により、試料の上方の領域が未使用のままに維持され、これにより、走査型プローブ顕微鏡の操作が乱されることがなくなる。
【００１４】
試料の実際の分析に関して試料表面を走査する前に、プローブは、試料の上方から短い距離に位置しているべきである。この目的で、特に、水平方向寸法が大きく、高さおよび／または厚さに著しいばらつきがある試料については、試料表面の高さマップ（特に、３次元プロファイル）を生成することが望ましい。そうでなければ、オペレータは、試料および／またはプローブの衝突および損傷を回避すべく、プローブをｘ方向およびｙ方向に（すなわち、水平面内で）非常に注意深く動かすことが必要になるであろう。例示的な実施形態に従って、ｘ方向およびｙ方向におけるプローブのナビゲーションと、（鉛直方向であり得る）ｚ方向におけるプローブおよび試料の接近とを支援する情報をオペレータに（または完全に自動化された実施形態の場合には機器に）与えるべく、高さマップとも示され得る、側面視撮像による試料の（例えば、３次元）プロファイルを提供することが可能である。そのようなマップが存在することにより、ナビゲーションが高速化し、プローブとｚ方向に非常に拡張した試料の区域との間の衝突が回避される。これは、特に、横方向（ｘ方向およびｙ方向）の寸法において拡張した大きい試料および／または平坦ではない試料に当てはまる。
【００１５】
より具体的には、本発明の例示的な実施形態が、実際のサイドビューセンサ、すなわち、シーンの側面視、すなわち、試料の３次元湾曲表面の形態の対象エリア、またはより厳密にはその投影像を撮像することが可能である（カメラ、センサ等を備え得る）観察システムの形態の検出ユニットを提供し得る。これに関連して、「水平方向」は、光学検出経路が測定システムのｘ‐ｙ平面に平行または少なくとも実質的に平行であることを意味し得る（ｚ方向は、プローブおよび／または試料ステージの鉛直方向の移動の方向である）。故に、水平方向は、わずかに傾斜しているか、または傾いている方向または平面も含む。水平面からのずれは、好ましくは５°未満、特に、２°未満またはさらには１°未満、特に好ましくは０．５°未満であるべきである。観察デバイスまたは検出ユニット（例えば、１または複数のカメラ）自体がそれぞれの水平面に配置されることを側面視は必ずしも必要としないと考えられるべきである。なぜなら、折り返し光路も実装され得るからである。
【００１６】
以下において、走査型プローブ顕微鏡および方法のさらなる例示的な実施形態が説明される。
【００１７】
実施形態において、決定ユニットは、試料の影画像から１または複数の高さ値を決定することと、試料の少なくとも一部の３次元表面機能を決定することとから成る群のうちの少なくとも１つの情報を決定するように構成される。一定の位置に配置された１つのサイドビューカメラ、鉛直投影像または影画像が得られ得る。そのような実施形態において、プロファイルのある種の影画像をもたらすに過ぎない水平方向カメラのみが存在する。言い換えると、サイドビューセンサは単独で、２次元影画像をもたらし得る。２つまたはそれより多くのサイドビューカメラを設けることにより、および／またはサイドビューカメラを試料ステージに対して回転させることにより、試料プロファイルに関してより多くの情報が与えられる。故に、２つまたはそれより多くのサイドビューセンサを設けること、および／またはセンサおよび／または試料を回転させることにより、（山部の後方に隠れた谷部などの）さらにより微細な構造の検出が可能になる。少なくとも１つのさらなるカメラ（特に、上面視情報または斜視情報を提供するさらなるカメラ）をサイドビューカメラに加えることにより、試料表面またはその一部の３次元マップが決定され得る。
【００１８】
実施形態において、決定ユニットは、異なる位置および／または向きから検出ユニットにより検出される試料の複数の画像を組み合わせることにより、特に、相関させることにより、プロファイルを示す情報を決定するように構成される。例えば、サイドビューシステムにより得られる情報は、非水平方向の視点からの、例えば、上面視の視点からの、および／または斜めの視点からの試料の異なるビューを提供する他の検出システムおよび／または観察システムにより得られる他の情報と組み合わされ得る。そのような方式において、試料の高さマップまたは３次元表現など、試料のさらなる情報が生成され得る。
【００１９】
実施形態において、検出ユニットは、異なる空間的位置に、および／または異なる空間的向きで配置された複数のカメラにより試料の複数の画像を検出するように構成される。これにより、それから試料プロファイル情報が導出され得る、情報の基礎を拡張するか、または広げることが可能になる。
【００２０】
実施形態において、検出ユニットは、少なくとも１つのカメラおよび試料を異なる位置および／または異なる空間的向きへと互いに対して動かされるように設定することにより、試料の複数の画像を検出するように構成される。例えば、１つのサイドビューカメラが、第１画像を撮像するために、試料に対して第１位置へと動かされ得る。続いて、このサイドビューカメラは、そこで第２画像を撮像するために、例えば、鉛直方向またはｚ軸の周りを、例えば、試料に対して９０°回転され得る。これら２つの（またはそれより多くの）画像を組み合わせることにより、試料プロファイルに関する情報を改良することが可能になる。
【００２１】
実施形態において、決定ユニットは、予め定義された光パターンが投影された試料の検出された画像を分析することにより、情報を決定するように構成される。決定ユニットは、プロファイリングされた試料表面上で検出された構造化光の形状（例えば、曲線）と、試料表面上に最初に投影された予め定義された光パターンの形状（例えば、直線）との間のずれを評価し得る。このずれは、試料の表面プロファイルに起因し、従って、特性評価され得る。故に、構造化光（例えば、１または複数の直線光）は、試料の表面プロファイルの完全な３次元画像を導出するための追加の情報を得るために用いられ得る。これに関連して、予め定義されたパターンが試料の表面上に投影されることが可能である。表面の不規則性により、光パターンが変化する。画像認識機能を有するカメラが、対応する光画像を検出し得る。当該画像は、光パターンの変化を検出するために処理され得、これにより、試料の表面の実際の輪郭を計算することが可能になり得る。
【００２２】
実施形態において、決定ユニットは、パターン認識および物体認識のうちの少なくとも１つを実行することにより検出された試料の画像を分析することにより情報を決定するように構成される。物体認識に関して、カメラは、異なる被写体を認識し、例えば、試料と試料ホルダとを区別し得る。これは、高い構造の後方に隠れており、そうでなければ検出され得ない区域を識別するための一助になる。パターン認識に関して、１または複数の予め定められたパターンがそれぞれの画像上で検出され得、それにより、試料表面、特に、試料と試料ホルダとの間の境界に関する情報の基礎が改良される。
【００２３】
実施形態において、決定ユニットは、試料の複数の検出された画像を３次元再構成に関して分析することにより、情報を決定するように構成される。特に、異なる空間的方向または向きから検出された異なる画像の組み合わせは、非常に正確な方法での試料表面の特性評価を可能にする相補的な情報を提供し得る。
【００２４】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、例えばサイドビューカメラ、広視野カメラまたは顕微鏡を形成し得る少なくとも１つのＨＤＲ（高ダイナミックレンジ）カメラを備え得る。ＨＤＲ撮像により、反射表面の測定が容易になり、不均一照射が補償される。それにより、試料の表面プロファイルに関する信頼できる情報が、厳しい条件下または困難な照射条件の存在下でも決定され得る。
【００２５】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、（１または複数のプロセッサ、または例えば、マイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）といったプロセッサの一部などの）処理ユニットを備える。処理ユニットは、決定された情報を、例えば、以下の方法のうちの１または複数で処理するように構成される。
【００２６】
一実施形態において、処理ユニットは、試料のプロファイルを考慮するとプローブにより到達可能ではない少なくとも１つの到達不能領域を決定するためのデータおよび／または情報を処理し得る。この目的で、処理ユニットは、プローブおよび／またはプローブを支持する構造の幾何学形状を示す幾何学形状情報と、試料に関するプロファイル情報とを考慮に入れ得る。この手段を取ることにより、処理ユニットは、幾何学条件の結果として、プローブおよび／または一方がプローブを、他方が試料を支持する構造の間の衝突のリスクなしにプローブにより分析され得ない、試料の１または複数の領域を計算し得る。
【００２７】
一実施形態において、処理ユニットは、試料の分析のために初期プロファイル関連位置へと動くようにプローブを制御するための制御情報を決定するためのデータおよび／または情報を処理し得る。分析を開始するための初期位置に関する決定は、試料の表面プロファイル、すなわち、衝突の回避を考慮に入れて、プローブが適切な開始位置に到達するように試料に対して動かされる最短または最速の軌道を決定するという目標により管理され得る。
【００２８】
一実施形態において、処理ユニットは、試料の分析中にプロファイル適合済み軌道に沿ってプローブと試料とを互いに対して動くように制御するための制御情報を決定するためのデータおよび／または情報を処理し得る。試料の分析中のプローブと試料との間の相対的な移動を示す軌道が、プローブの幾何学形状および試料の表面プロファイルに起因して試料とプローブとが衝突し得る禁止領域または到達不能領域を省略することにより、決定され得る。
【００２９】
実施形態において、サイドビューカメラは、（好ましくは、試料の表面プロファイルを示す画像データの撮像と同時に）試料とプローブとの間の間隙を実質的に水平な側面視でモニタリングするように配置および構成される。これに対応して、決定ユニットは、間隙のモニタリングに関して検出ユニットにより検出された画像データに基づいて、間隙を特性評価する、特に、間隙サイズ（例えば、鉛直方向での拡張）を決定する情報を決定するように構成され得る。そのような本発明の例示的な実施形態に従って、走査型プローブ顕微鏡が提供される。走査型プローブ顕微鏡において、プローブと試料との間の間隙が、信頼できる方法で真に検出され得る。これにより少なくとも、プローブと試料との互いに対しての粗調節が短い時間で確立され得る。これは、プローブと試料との、特に、間隙が誤って、または不正確に決定された結果としてのこれら２つの本体の間の過度な接近に起因する意図しない衝突によるプローブおよび／または試料の損傷のいかなるリスクもなしに実現され得る。大きい斜視野角からではなく、厳密な、またはおよそ側面視で間隙の画像を撮影することにより、プローブと試料との間の間隙の真の寸法は、容易に、迅速に、かつ、確実に決定され得る。この決定された情報は、繰り返し検出されもし得、試料とプローブとを接近させる手順を制御するために用いられ得る。
【００３０】
実施形態において、実質的に水平な側面視の画像は、横軸に対して５°未満、特に２°未満の角度で検出される。純粋に水平な側面視からの非常に小さな角度の相違があっても、試料の高さプロファイルに関して、また、試料とプローブとの間の間隙の寸法に関して、意味のある信頼できる情報を得ることが依然として可能であることが分かった。検出ユニットの純粋に水平方向の配置からの比較的小さいずれを許容することにより、小さい誤差に対して耐性がある走査型プローブ顕微鏡が提供される。特に、約５°未満のずれがあっても、試料の表面プロファイルの特性評価ならびに間隙検出の精度および欠陥のない粗調節を過度に損なうことなく、システムの迅速な位置合わせが可能であることが分かった。
【００３１】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、特に、少なくとも部分的に試料と検出ユニットとの間に光学系を備える。そのような光学系は、例えばレンズ、ミラー、開口、ビームスプリッタ等の１または複数の光学素子を備え得る。そのような光学系は、放射ビームを、（ＣＭＯＳ検出器もしくはＣＣＤ検出器またはフォトダイオードアレイなどの）検出ユニットへの到達の前に、操作し得る。
【００３２】
実施形態において、当該光学系は、テレセントリック光学系、特に、試料の（特に、現在分析されている）対象測定地点とサイドビューカメラとの間の距離に依存しない倍率を提供するテレセントリック光学系である。サイドビューカメラ（特に、広視野カメラおよび／または顕微鏡などの少なくとも１つのさらなるカメラとの組み合わせ）は、試料表面におけるそれぞれの対象測定地点に関する画像情報を取り込むために、調節され得る。その後、サイドビューカメラ（特に、少なくとも１つのさらなるカメラとの組み合わせ）は、試料の別の対象測定地点に関する画像情報を取り込み得、それにより、情報の個別に導出された項目を組み合わせることにより、試料の高さ分布を示す情報を得る。テレセントリック光学系が実装される場合、画像の倍率は、試料の異なる対象測定地点について同じである。これにより、情報の個別の項目をより良く比較可能かつ組み合わせ可能になる。
【００３３】
実施形態において、光学系は、テレセントリック光学系、特に、一方としての試料およびプローブの間の間隙と他方としてのサイドビューカメラとの間の距離に実質的に依存しない（特に、１０％以下のずれしかない）倍率を提供するテレセントリック光学系である。テレセントリック光学系が実装される場合、テレセントリック光学系は、試料から遠く離れて位置し得る。これにより、真の側面視の実装が著しく簡略化される。なぜなら、多くの幾何学的な実施形態において光学系を試料およびプローブの非常に近くに配置することを可能にしない当該装置のサイズの制約を満たすことが、これにより可能になるからである。しかしながら、テレセントリック光学系が用いられる場合、試料の高さプロファイルの解像度またはテレセントリック光学系により取り込まれた画像上の間隙サイズを低減することなく、光学系と試料およびプローブの配置との間の距離が長くなり得る。試料の高さプロファイルの解像度と間隙サイズとが、検出ユニットにより撮像された画像上に現れたときに、検出ユニットの表面を検出した画像と試料およびプローブの位置との間の距離に実質的に依存しないということが、テレセントリック光学系の特性である。テレセントリック光学系を実装するそのような非常に好ましい実施形態で、位置ずれおよび同様のものに対して非常に堅牢であり、高い許容差を提供する試料プロファイル決定（および任意で追加的に、間隙検出）アーキテクチャを得ることが可能である。テレセントリック光学系は、試料表面の高さプロファイルの解像度（および任意で間隙サイズ）が言及された距離条件に依存しないように、試料表面の（および任意で間隙の）画像を検出ユニットの光感応性検出器上に投影するという特性を有する。また、テレセントリック光学系を提供することにより、光学系または走査型プローブ顕微鏡全体の素子を頻繁に再調節することが不要になる。
【００３４】
例示的な実施形態に従ったテレセントリック光学系において実装され得るテレセントリックレンズは、その入射瞳または出射瞳を無限遠に有する複合レンズである。前述の場合、これは、試料表面および間隙の投影像の正射影ビューを生成する。これは、当該光学系が主光線、すなわち、それぞれ当該光学系の前または後ろで光軸に平行である光線を選択することを意味する。レンズをテレセントリックにするための単純な方法が、開口絞りをレンズの焦点のうちの１つに置くことである。無限遠における入射瞳により、レンズの物空間側がテレセントリックになる。これにより、画像の倍率は、試料‐プローブ配置の距離または検出ユニットの視野内での間隙の距離もしくは位置に依存しないようになる。
【００３５】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、照射ユニットを備える。照射ユニットは、特に、試料の側面投影像および／または試料とプローブとの間の間隙を、特に実質的に水平な側方位置から電磁放射で均一に照射するように構成される。照射ユニットにより生成される電磁放射ビームが、実質的に水平な伝搬方向において試料および／または間隙に沿って、またはそれらの周りを伝搬する限り、検出ユニットのように、照射ユニットも、水平方向に位置合わせされ得るか、またはされ得ない。これは、特に、一方としての照射ユニットと他方としての間隙または試料との間に、折り返しがあるビーム経路を伴い得るか、または伴い得ない。そのような照射ユニットは、電磁放射線（特に、可視光、代替的に、紫外線放射または赤外線放射）を発し得、これにより、間隙を照射し、それにより、検出された画像上の、一方としての間隙と他方としてのプローブおよび試料との間のコントラストを改善する。また、横方向位置からの試料の均一照射が、有利に実現され得る。この手段を取ることにより、試料の高さプロファイルの特性評価の（および任意で、画像上の間隙の識別の）精度が改善され得、それにより、プローブと試料との相互作用の調節の精度が改善され得る。（検出ユニットについて上述のように）照射ユニットが実質的に水平な側方位置に配置される場合も、電磁放射ビームは、照射ユニットと検出ユニットとの間の直線方向に実質的に沿って伝搬し得る。これは、追加的に、検出の高精度に寄与する。しかしながら、周囲からの十分な光が存在する別の実施形態において、照射ユニットを省略することも可能であると言われるべきである。
【００３６】
本願との関連で、「均一に照射する」という用語は、特に、電磁放射ビームの強度が間隙の拡張範囲の全体にわたって実質的に、または完全に同じであること、例えば、間隙の拡張範囲にわたって１０％未満ずれていることを意味し得る。この手段を取ることにより、間隙の不均一照射から生じ、画像から試料プロファイルおよび／または間隙およびそのサイズを誤って決定することにつながり得る光学アーティファクトのいずれも防止され得る。（試料またはカンチレバー型プローブが可視ではない）空のシーンにおいて、均一性からのずれはいずれも、（特に、間隙の拡張範囲にわたって）異なる強度レベルとして、センサまたは検出ユニットにより知覚される。この空の画像のコントラストにより、シーン上で認識可能な被写体の光学濃度の限界が設定される。つまり、例えば、透明または半透明の試料が装置に配置される場合、結果として生じる画像のコントラストは、人間のオペレータまたはコンピュータアルゴリズムのいずれかによる試料の境界の検出が高い信頼性および精度を有することを確実にするために、照射の不均一度よりも著しく高くあるべきである。
【００３７】
異なる実施形態に従ってどのように均一照射が実現され得るかに関して、様々な可能性がある。一実施形態において、これを実現する光学素子は、電磁放射の伝搬経路に配置された研磨面を有するプリズムである。別の実施形態において、均一照射は、拡散表面のスタックとして具現化され得る拡散器により実現され得る。拡散器は、（光ビームが拡散器を伝搬し、それにより、均一に、またはより均一にされるように）透過的幾何学形状で、または（光ビームが拡散器において反射され、それにより、均一にされるように）反射的幾何学形状で実現され得る。さらに別の例示的な実施形態において、均一照射は、光ガイドとして作用するファイババンドルを実装することにより、得られ得る。言及される実施形態の各々において、発光ダイオードが、例えば、電磁的放射源として用いられ得る。
【００３８】
実施形態において、検出ユニットは、上述の少なくとも１つのサイドビューカメラに加えて、広視野カメラを備える。広視野カメラは、特に、上方位置または斜め位置から、試料の少なくとも一部の（特に、全体の）広角画像を検出するように配置および構成される。例えば、広視野カメラは、試料の少なくとも１ｃｍ２のエリアを見得る。例えば、そのような広視野カメラは、試料の４ｃｍ×４ｃｍのエリアを撮像し得る。広視野カメラの視野方向は、サイドビューカメラの視野方向に対して、例えば、少なくとも３０°、特に、少なくとも６０°、より具体的には、少なくとも８０°の角度と仮定し得る。そのような広視野カメラにより、試料に関する傾斜視情報または平面視情報、すなわち、特に、水平面での試料プロファイルに関する情報が取り込まれ得る。故に、上述のサイドビューカメラを説明される広視野カメラと組み合わせて用いることにより、著しいさらなる改良が実現され得る。そのような広視野カメラは、上方位置または斜め上方位置からの試料またはその一部分の広角ビューを提供し得る。上述のサイドビューセンサと追加の広視野センサとの相乗的な組み合わせにより、（比較的低解像度の）ｘ‐ｙ位置およびそれぞれの地点の対応するｚ位置（すなわち、このｘ‐ｙ地点における試料の高さ）がもたらされ得る。
【００３９】
実施形態において、検出ユニットは、上述の少なくとも１つのサイドビューカメラに加えて（および任意で、上述の少なくとも１つの広視野カメラに加えて）、特に、上方位置または斜め位置から、試料のサブ部分のみを検出するように配置および構成される少なくとも１つの顕微鏡（狭視野カメラとも示され得る）を備える。例えば、顕微鏡または狭視野カメラは、１０ｍｍ２以下の試料のエリアを見得る。例えば、そのような顕微鏡は、２ｍｍ×２ｍｍの試料のエリアを撮像し得る。顕微鏡の視野方向は、サイドビューカメラの視野方向に対して、例えば、少なくとも３０°、特に、少なくとも６０°、より具体的には、少なくとも８０°の角度と仮定し得る。好ましくは、顕微鏡の視野方向は、サイドビューカメラの視野方向に対して９０°の角度であると仮定する。そのような顕微鏡により、非常に解像度が高いが空間的に限定された、試料のサブ部分のみに関する平面視情報、すなわち、水平面における微細な試料プロファイルに関する情報が取り込まれ得る。実施形態において、顕微鏡は、広視野カメラより小さい試料のエリアを見得、および／または広視野カメラより高い解像度を有し得る。（好ましくは上面視位置に配置された）顕微鏡の形態である第３センサがサイドビューカメラおよび広視野カメラに加えて実装され得ることが特に好ましいことがある。サイドビューカメラと、広視野カメラと、顕微鏡との組み合わせにより、非常に高解像度の試料の３次元プロファイル情報が提供され得る。
【００４０】
実施形態において、決定ユニットは、サイドビューカメラにより撮像され、（サイドビューカメラにより実質的に水平な側面視で見られるときに）鉛直面上の試料の投影像に対応する少なくとも１つの画像を、少なくとも１つのさらなるカメラにより撮像され、別の平面（すなわち、鉛直面、例えば、水平面に対して角度が付いた平面）上の試料の投影像に対応する少なくとも１つのさらなる画像と組み合わせることにより、試料のプロファイルを再構成するように構成される。後者の投影像は、上面視または斜視もしくは傾斜視で見られ得る。言い換えると、サイドビューカメラにより検出される表面プロファイル情報は、（広視野カメラおよび／または顕微鏡などの）少なくとも１つのさらなるカメラにより検出される相補的な表面プロファイル情報に関して解釈され得る。この手段を取ることにより、言及される情報要素の相乗的な組み合わせにより、試料の高さプロファイルの完全な画像が得られ得る。
【００４１】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡法に関する試料の分析は、決定された情報に基づいて実行される。故に、走査型プローブ顕微鏡による試料の実際の分析は、試料の高さプロファイルに関する情報を用いて、損傷を防止し得、分析中の試料を非常に正確に特性評価し得る。
【００４２】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、間隙の検出された画像に基づいて、プローブと試料とを例えば少なくとも３ｍｍ（特に、少なくとも５ｍｍ）の初期距離から例えば１ｍｍ未満の最終距離へと相互に接近させるようプローブおよび／または試料を動かすように構成される駆動ユニットを備える。従って、駆動ユニットは、プローブと試料との間の所望の距離の（特に粗い）調節を迅速かつ信頼できる方法で確立することができ得る。検出された画像から導出可能な決定された間隙サイズを考慮して既に短い距離までこれら２つの素子を接近させることの制御には、プローブと試料との間の望ましくない衝突のリスクがない。水平方向に検出される間隙サイズを考慮して、それは非常に厳密に決定され得、（例えば粗い）調節は非常に正確にかつ確実にもなされ得る。従って、走査型プローブ顕微鏡による実際の調査の開始は、非常に迅速に実行され得る。
【００４３】
実施形態において、駆動ユニットは、初期距離から中間距離へと第１速度で、続いて、中間距離から最終距離へと第１速度より小さい第２速度でプローブと試料とを相互に接近させるようプローブおよび／または試料を動かすように構成される。このより遅い接近移動は、プローブ（特に、カンチレバー）のたわみを測定することにより、すなわち、プローブ先端部と試料表面との間の原子間力または分子間力を検出し、距離を計算することにより、制御され得る。追加的に、または代替的に、第２速度での移動も、間隙の検出された画像に基づき得るか、または当該画像から決定され得る。
【００４４】
実施形態において、駆動ユニットのうち、初期距離から中間距離への接近を実現する部分は、１つの駆動ステージ（例えば、モータ駆動式駆動ステージ）として具現化され得る。駆動ユニットのうち、中間距離から最終距離への接近を実現する当該部分は、２つの駆動ステージの組み合わせ、例えば、初期距離から中間距離への接近のために用いられる駆動ステージと追加のステージ（例えば圧電ステージ）との組み合わせとして具現化され得る。この実施形態に従って、上述の粗調節の後には、微調節が続き得る。微調節は、より低速度で行われる。これにより、不可避な誤差が残っていることの結果としてのプローブと試料との望ましくない衝突が防止される。接近手順をプローブと試料とが迅速に接近させられ得る第１手順に分割した後には、接近がより低速の速度で継続される第２手順が続き得る。検出ユニットの実質的に水平な側面視を考慮して間隙サイズの決定の精度が改善されることに起因して、第１速度が上げられ得るか、または第２微調節の開始が遅らされ得る。これにより、実験開始前の走査型プローブ顕微鏡の準備手順全体の速度が上がる。
【００４５】
実施形態において、駆動ユニットは、オペレータにより手動で操作可能であるように、または制御ユニットの制御下で自動で操作可能であるように構成される。検出された画像が人間のオペレータに対して表示される場合、人間のオペレータは、実際の実験を開始する前に、プローブと試料との間の距離を確実に調節することが可能である。この接近手順中に間隙の画像の検出を継続している間、オペレータは、接近手順の進捗を再追跡し得、従って、プローブと試料との間の距離を確実に調節し得る。代替的に、（画像認識などの）画像処理または同様のものによっても自動的に検出され得る決定された間隙サイズが、走査型プローブ顕微鏡による分析の開始前に、プローブと試料との間の開始位置の機械制御された調節のための基礎として取得されることも可能である。両方の接近は、真の側面視から検出された間隙の画像を考慮して、高い信頼性で行われ得る。
【００４６】
実施形態において、検出ユニットは、異なるサイズの試料について、光学系を再調節することなく、間隙サイズまたは次元（すなわち、プローブと試料との間の距離）を検出できるように構成される。そのような実施形態において、検出ユニットは、広範囲にわたって画像および間隙サイズを検出できるように構成される。例えば、走査型プローブ顕微鏡は、３０ｍｍまでの厚さ（または高さ）を有する試料と共に動作するように構成され得る。これにより、試料のサイズおよび／または形状またはプローブと試料との間の開始距離が変わった場合でも、検出ユニットの光学系を一度に取り付けることと、頻繁な修正なしにその位置合わせを維持することとが可能になる。この光学系の再調節を不要にすることにより、ユーザは、欠陥または誤差の傾向なしに走査型プローブ顕微鏡を操作することが可能になる。特に、テレセントリック光学系の非常に好ましい実装により、そのような試料の測定が容易になる。
【００４７】
実施形態において、照射ユニットと検出ユニットとの間の光路は、折り返し無し直線光路である（そのような経路の一部については図４を参照のこと）。そのような構成は、非常に低いハードウェア関連の労力で実装され得、光学アーティファクトの傾向がない。
【００４８】
別の実施形態において、照射ユニットと検出ユニットとの間の光路は、特に、１つの折り返し位置（図２を参照のこと）または２つの折り返し位置（図１を参照のこと）を含む折り返し光路である。そのような実施形態は、直線部分を不可能または不適切にする装置のコンポーネントに関する制約がある場合に特に、有利である。そのようなシナリオにおいて、あらゆる未使用の（走査型プローブ顕微鏡のコンポーネントにより占有されていない）空間領域が、照射ユニットおよび／または検出ユニットを収容するために用いられ得る。１つの折り返し位置は、照射ユニットとプローブおよび試料の間の間隙との間の光路を折り返させ得る。追加的に、または代替的に、別の折り返し位置が、一方としてのプローブおよび試料の間の間隙と他方としての検出ユニットとの間の光路を折り返させ得る。
【００４９】
実施形態において、検出ユニットおよび照射ユニットは、電磁放射線が照射ユニットから間隙を介して検出ユニットに伝搬するように、試料およびプローブの反対側に配置される。照射ユニットおよび検出ユニットはいずれも、間隙を伝搬している間、電磁放射線の伝搬方向に沿って配置され得ると言われるべきである。しかしながら、代替的に、間隙を通過中に検出ユニットおよび／または照射ユニットの実際の配置が電磁放射ビームの伝搬方向からずれ得るように、電磁放射線の伝搬方向を修正する１または複数の偏向ミラーまたは他の光学素子（例えば、レンズ、プレート、ウェッジおよび／またはプリズム）を実装することが可能である。前者の実施形態が、欠陥の傾向または照射ユニットから検出ユニットへのその進路からの電磁放射ビームの強度を過度に限定する傾向のいずれもない非常に短い光路を可能にする一方、後者の実施形態は、検出ユニットおよび／または照射ユニットをどこに配置するかについての高い自由度を提供する。
【００５０】
実施形態において、光学系は、少なくとも１つのレンズ、特に、２つのレンズを備える。光学系が１つのレンズのみを備える場合、光学系を伝搬する時の電磁放射ビームの強度損失は、非常に小さく維持され得る。従って、間隙の高い質の検出された画像が得られ得、これにより、そのサイズ、形状等の決定が非常に厳密に行われ得る。しかしながら、２つのレンズを実装する場合、光学アーティファクトが強く抑制され得、間隙の非常に真の画像が検出ユニット上へ投影され得る。
【００５１】
好ましい実施形態において、少なくとも１つのレンズのうちの１つは、このレンズの焦点距離に少なくとも実質的に対応する、検出ユニットからある距離に位置する。この手段を取ることにより、検出された画像上の間隙サイズが、間隙と検出ユニットとの間の距離に真に依存しないようになる。
【００５２】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、決定ユニットを備える。決定ユニットは、検出された画像に基づいて、試料とプローブとの間の距離の定量値を決定するように構成される。プローブと試料との間のそのような定量的な距離を決定することにより、プローブと試料との間の相互の空間的関係の調節を非常に迅速なものにすることが可能になる。そのような決定は、画像処理により、またはオペレータにより手動で、間隙の検出された画像の表示結果にスケールも表示することにより、実行され得る。距離を決定することにより、調節手順用の高い値であり得る単純かつ自動的に処理可能なパラメータが決定され得る。
【００５３】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、プローブおよび試料から成るアレイの周りに配置された少なくとも２つの検出ユニットを備え得る。各検出ユニットは、試料表面の実質的に水平な側面視を、また任意で、別の方向から間隙の実質的に水平な側面視を検出するように、配置される。故に、少なくとも２つの検出ユニットは、試料‐プローブアレイの周りに配置され得る。各検出ユニットは、別の方向からの実質的に水平な側面視を検出する。これにより、プローブと試料との間の位置調節が非常に簡便かつ厳密になる。
【００５４】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、光学操作ユニット、特に、電磁放射平行光線のセットを均一な強度で生成するための研磨プリズムを備える。光学操作ユニットは、（例えば、試料から、および／または間隙から）検出ユニットに向かって伝搬する電磁放射線を操作するように構成される。平行光ビームのセットを生成することにより、照射および検出手順が非常に正確に行われ得る。光学アーティファクトが強く抑制され得る。
【００５５】
実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡として構成される。しかしながら、他の種類の走査型プローブ顕微鏡には、プローブと試料との間の間隙を検出するための検出ユニットも備えられ得る。本発明の例示的な実施形態に従って実装され得るそのような代替的な走査型プローブ顕微鏡の例が、走査型トンネル顕微鏡である。走査型トンネル顕微鏡では、刺激電流が先端部に印加され、これにより、トンネル効果に起因して、測定される応答電流は、先端部と試料との間に存在する実際の力に依存する。
【００５６】
本発明の例示的な実施形態に従って実装され得る走査型プローブ顕微鏡の他の例が、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、先端部増強ラマン分光（ＴＥＲＳ）顕微鏡または磁力顕微鏡（ＭＦＭ）である。
【００５７】
上記で定義される態様および本発明のさらなる態様は、以下に説明される実施形態の例から明らかであり、実施形態のこれらの例を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】分析される試料の高さマップを提供する、本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡を示す。
【図２】本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡の光学系の異なる断面図を示す。
【図３】本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡の光学系の異なる断面図を示す。
【図４】本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡の光学系の異なる断面図を示す。
【図５】サイドビューカメラおよび広視野カメラを用いて、分析される試料の高さマップを提供する、本発明の別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡の一部を示す。
【図６】本発明の別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡により分析される試料と、試料の表面プロファイルに起因して、プローブが入り得ない領域とを示す。
【図７】サイドビューカメラ、広視野カメラおよび狭視野カメラを用いて、分析される試料の高さマップを提供する、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡の一部を示す。
【図８Ａ】試料ホルダ上の試料の実際の画像を示す。
【図８Ｂ】本発明の例示的な実施形態に従った広視野カメラにより撮像された、試料ホルダ上の試料の画像を示す。
【図８Ｃ】本発明の例示的な実施形態に従ったサイドビューセンサにより撮像された、試料ホルダ上の試料の画像を示す。
【図８Ｄ】本発明の例示的な実施形態に従った、図８Ｂおよび図８Ｃの画像から導出された、決定された高さマップを示す。図面における図は概略的なものである。異なる図面において、類似または同一の素子が、同じ参照符号で提供される。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図面を参照する前に、本発明の例示的な実施形態のいずれが展開されているかに基づいて、いくつかの基本的な考慮事項が要約される。
【００６０】
本発明の例示的な実施形態に従って、サイドビューカメラに基づく試料プロファイル決定アーキテクチャが提供される。特に、複数のカメラに基づく試料の高さマップの決定は、特に、プローブ制御、より具体的には、カンチレバーの係合を支援するために実行され得る。
【００６１】
走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、最終的な係合手順の前にプローブおよび試料をすぐ近くに位置付けることが所望されている。この係合は典型的には、覆われる必要がある間隙に持続時間が線形的に比例する緩慢なプロセスである。故に、当該機器のスループットを改善するために、この初期の間隙を低減するか、またはさらには最小化することが望ましい。プローブ（例えば、カンチレバー）を試料に向かって、またはその逆で動かしている間、注意が払われるべきである。なぜなら、カンチレバーのプローブが試料と偶発的に接触すると、プローブ先端部および／または試料および／または機器が損傷し得るからである。
【００６２】
機器が受け入れた試料が水平方向寸法も大きく、高さに著しい変化がある場合、オペレータは、試料およびプローブのうちの一方を横方向に移動させるときに、突出している機構または高い機構に対して衝突しないようも注意すべきである。
【００６３】
試料の高さマップが利用可能ではない場合、ユーザは、以下のいずれかをしなければならない。つまり、ユーザは、大まかな接近をインサイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）で目視によりモニタリングしなければならない。これには、試料／測定ヘッドが良く見えることが必要であり、通常、システムの周りの任意の筐体の開放を伴う。システムは、この操作により（温度が）不安定になり得る。さらに、そのような接近によっては、試料とプローブとの間の非常に望ましくない衝突を確実に防止するものではない。ユーザは、試料およびプローブの上面視の焦点を比較することにより、接近およびナビゲーションをモニタリングしなければならない。これは、上面が焦点を合わせ易くない場合、例えば、当該材料が透明であるか、または非常に研磨されており、上面が汚染されていない場合、衝突につながり得る。これらの種類の表面（非常にきれいで、光学的に平坦な表面）は、走査型プローブ顕微鏡および摩擦学的な調査において一般的である。これは、試料のいくつかのエリアが顕微鏡の光学部品の被写界深度を超えることで視野の全てに一度に焦点を合わせ得ない程度の傾きを試料が有する場合、問題ともなり得る。
【００６４】
故に、従来、試料上の１つの位置から別の位置への移動中に測定センサ／ヘッドの部分と衝突するリスクが残っている。
【００６５】
さらに、顕微鏡法での操作において、大きい試料上のナビゲーションは通常、煩雑である。なぜなら、このターゲット測定位置は、ナビゲーション空間と比較してとても小さいからである。加えて、顕微鏡は通常、非常に限定的な被写界深度（ＤｏＦ）を有する。これにより、より長い距離にわたる移動中に試料に焦点を合わせておくことが非常に困難になる。また、この限定的なＤｏＦにより、試料表面に焦点を合わせるために必要な時間が増える。
【００６６】
前述のことを考慮して、また、言及される他の欠点を克服するために、本発明の例示的な実施形態は、試料の表面プロファイル情報を導出するために用いられる１または複数の画像を撮像するためのサイドビューカメラを提供する。これにより、走査型プローブ顕微鏡の下方の試料の正確な高さ推定値を得ることが可能になり、ナビゲーション性能およびそのユーザエクスペリエンスが著しく改善され得る。
【００６７】
本発明の実施形態に従って、光学サイドビューセンサが提供される。光学サイドビューセンサは、試料の表面プロファイルの投影像、および、好ましくは同時に、試料と測定プローブとの間の間隙を撮像できる。検出された画像は、試料の高さプロファイル情報を決定するために処理され得る。このセンサは、通常は画像に基づく方法にとっての課題である透明な試料または反射性の試料についても機能し得る。なぜなら、サイドビューカメラは、１つの軸または複数の軸にわたって１または複数の最大高さ領域を主に撮像するからである。より大きいエリアにわたって速くて安全なナビゲーションを行うために、サイドビューセンサの視野（ＦｏＶ）よりはるかに大きいことがある試料エリア全体のより一層良好な概観を得ることが好ましい。その後、センサ画像外の実際の試料の高さ、特に、高さプロファイルの定量値を得ることが可能となり得る。画像情報の基礎をさらに広げるために、サイドビューカメラは、従って、広視野カメラおよび／または狭視野カメラまたは顕微鏡など、少なくとも１つのさらなるセンサまたはカメラと組み合わされ得る。
【００６８】
本発明の好ましい実施形態に従って、２つの、３つの、またはさらに多くのカメラが実装され得る。特に、異なる空間的向きにおいて異なる撮像特性を有する複数のカメラを伴う可能性があり得る。実施形態において、これらのカメラは、（ナビゲーション座標系などの）１つのターゲットを介して参照され（例えば、較正され、および／または調節され）得る。
【００６９】
本発明の実施形態において、安全な係合が実現され得る。例えば、これは、試料を回転させることにより実現され得る。追加的に、または代替的に、これは、マイクロ画像およびマクロ画像の両方を撮像することにより実現され得る。走査型プローブ顕微鏡のコンポーネントの（ＣＡＤデータなどの）幾何学的データを考慮に入れて、試料との衝突を防止することも可能である。
【００７０】
本発明の例示的な実施形態は、自動化に関する利点も有し得る。一実施形態において、ユーザインタラクションが、走査領域の選択のみについて必要となるが、係合のために伴う必要はない。
【００７１】
異なる高さおよび係合の試料間のナビゲーションを速めることも、例示的な実施形態で可能であり得る。
【００７２】
安全な粗係合の適用に基づく実施形態は、試料プロファイルを見るためにカメラを用い得る。試料またはカメラを互いに対して動かすことにより試料全体の影画像を撮像するために、較正されたサイドビューセンサを用いることも可能であり得る。
【００７３】
別の実施形態において、高さプロファイル決定アーキテクチャは、さらに改良された試料概観を得るために広視界カメラ（広視野カメラとも示され得る）をサイドビューカメラに加えることにより、さらに容易にされ得る。そのような実施形態において、例えば、試料とカメラとを互いに対して動かすことが可能である（試料エリアは視野より大きいことがある）。これにより、構造化光、立体視のような３次元再構成手法に基づいて、および／または物体認識に基づいて、高さマップの改良結果を得ることが可能になる。
【００７４】
試料プロファイル決定のためのサイドビューカメラおよび広視野カメラの組み合わせも、測定中のユーザインタラクションなしの自動の安全な接近である。そのような組み合わせは、異なる高さの試料間での速いナビゲーションおよび任意の測定ユニットでの自動化された接近というさらなる利点を有する。言及された組み合わせは、マイクロナビゲーションと対象領域の選択とのために原子間力顕微鏡に対して較正された別の高倍率カメラ（狭視野カメラまたは狭視野顕微鏡とも示される）でさらに容易にされ得る。
【００７５】
サイドビューカメラ（特に、テレセントリック光学部品）と、広視野カメラと、（顕微鏡などの）狭視野センサとの組み合わせにより、ユーザインタラクションなしの安全で速く自動の、原子間力顕微鏡のカンチレバーの係合を得ることが可能になる。
【００７６】
実施形態において、試料および／またはサイドビューカメラの回転を実行することが可能である。当該回転により、（追加のカメラがあるか、またはない異なる実施形態において）試料表面の完全な３次元高さ機能を得ることが可能になる。
【００７７】
完全な３次元画像を得るために試料表面上に投影される構造化光を実装することも可能である。導出された高さプロファイルのさらなる改良のために、試料領域と非試料領域とを判別するための認識が実装され得る。マクロビューおよびマイクロビューの両方において可視である光源（例えば、レーザスポット）または機構を、カメラ座標系の較正および／または調節のために用いることも可能である。高さ景観の決定については、サイドビューカメラおよび動く試料のみを用いれば十分であり得る。しかしながら、大規模な試料ナビゲーションを支援するために、オーバービューカメラが提供され得る。マイクロカメラにより支援される領域選択が、原子間力顕微鏡による測定のためになされ得る。サイドビューセンサの情報がオーバーレイされて、例えば、輪郭プロットを確立することも可能である。好ましくは、実装されるマクロ／マイクロカメラは、高反射性などの困難な特性を有する試料についての撮像機能を改善するために、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）カメラであり得る。
【００７８】
本発明の例示的な実施形態に従って、既に言及された、試料の高さプロファイルの特性評価のために用いられるサイドビューカメラは、任意で追加的に、試料と走査型プローブ顕微鏡のプローブとの間の速くて大まかな接近を支援するために用いられ得る。そのような実施形態は、大まかな接近の操作に役立つ、試料‐プローブ間隔の信頼できるビューを追加的に提供し得る。本発明の好ましい実施形態が、試料とプローブとの間のシーンのテレセントリックビューを提供する。このビューは、試料が透明な層を含む場合でも良好なコントラストを提供し、試料とカンチレバーとの間の距離の正確な測定を可能にする。本発明の実施形態が、従来のシステムと比較して大きい視野を提供する。これにより、より大きい試料をシステムにおいて調査することが可能になる。本発明の実施形態により得られるビューは、機器の自動化された処理および自動化された誘導または遠隔誘導と適切に対応可能である。走査型プローブ顕微鏡機器において真の側面視（すなわち、斜視ではなく、上面視の軸から正確にまたはおよそ９０°）を用いることにより、オペレータがプローブと試料との間の距離をモニタリングすることが可能になる。システムの光学コンポーネントは、側面視の軸に配置され得るか、または配置され得ない。これは、このビューが当該軸に沿って見られるように撮像される限り、当てはまる。適切な真のサイドビュー光学部品はテレセントリックである。これにより、サイドビューシステムの光軸に対する複数の試料‐プローブ位置について、距離が正確に判断され得る。
【００７９】
実施形態において、サイドビューシステムの出力は、オペレータのための入力として、および／または自動化された手順（例えば、試料への大まかな接近、衝突回避メカニズム等）のための入力としても用いられ得る。別の実施形態において、サイドビューシステムの出力は、機器の遠隔操作のために用いられ得、（試料チャンバの開放に起因する）温度、圧力および／または湿度および追加の待ち時間などの条件の不安定化が回避される。プローブと試料との間の距離についての、また、試料の幾何学形状についての定量的な情報を提供するために、側面視の出力が較正され得ることも可能である。試料のナビゲーションの安全性および速度を上げるために、直交方向を見る２つのサイドビューシステムが組み合わされ得ることも可能である。
【００８０】
本発明の実施形態のサイドビューシステムが、試料の高さの予測範囲をカバーする均一照射源（例えば、ＬＥＤアレイ、拡散体、光ガイド）を実装し得る。実施形態において、視野全体にわたって均一な強度を有する平行光線のセットを生成するために、サイドビューテレセントリック光学部品が研磨ガラスプリズムと組み合わされ得る。本発明の好ましい実施形態が、物空間側がテレセントリックな光学系を用いる。当該光学系は、センサ／レンズからの被写体の距離と光学系の視野内の被写体の位置とに依存しない倍率を提供し得る。
【００８１】
テレセントリック光学系のコンポーネントは、ピンホールと、１または複数のレンズと、平行光線を確実にする光学部材と、均一照射を生成する電磁的放射源と、検出ユニットとしての光‐カメラ配置とであり得る。好ましい実施形態において、電磁放射ビームの伝搬経路は、光源から始まり、拡散体を通過し、または拡散体に到達し、試料表面の一部上に、およびプローブと試料との間の間隙に到達し、そこからセンサに至るものである。これにより、光は試料とカンチレバーとの間隙を通過し、センサに到達する。この配置において、中実部品とそれらの間の間隙との間のコントラストは非常に高い。
【００８２】
本発明の他の実施形態は、試料の同じ側に、またはある角度で位置する光源およびセンサを有し得る。そのような配置において、センサが受光する光は、試料から跳ね返り得る。これにより、試料についてのさらにより詳細が提供され得る。
【００８３】
他の例示的な実施形態が、２つまたは複数の光源を実装し得る。光が試料とカンチレバーとの間隙を通過してセンサに到達するように、第１光源が位置し得る。第２光源は、試料の同じ側に、またはある角度で位置し得る。そのような配置において、センサが受光する光は、試料から跳ね返り得る。また、そのような実施形態は、試料についてのより詳細を提供し得る。
【００８４】
中実部品と空気との間に高いコントラストを有することは、中実部品がどこで終わっているかをオペレータが決めるための一助となる。さらに、サイドビューセンサにより取得されるシーンがマシンビジョンおよび／または機器の自動制御のための入力として用いられる場合、画像のどの領域が試料またはカンチレバーに対応するのかを自動的に検出するために用いられる閾値は、画像のコントラストに直接関連する。
【００８５】
好ましい実施形態において、光源は、センサまたは検出ユニットにより見られるシーンの全体をカバーするエリアにわたって均一である。空のシーン（すなわち、試料またはカンチレバーが可視ではない）においては、均一性からのあらゆるずれが、センサにより、異なるレベルの強度として知覚され得る。この空の画像のコントラストにより、シーン上で認識可能な被写体の光学濃度の限界が設定される。
【００８６】
実施形態において、カンチレバーと試料との間の間隙をモニタリングするための方法が提供される。さらに、５ｍｍより大きい（またはさらに１０ｍｍまたは２０ｍｍより大きい）距離から１ｍｍより小さい（またはさらに０．５ｍｍまたは０．１ｍｍより小さい）距離に先端部と試料との間の相対的距離を動かすための方法が提供される。別の実施形態において、微係合が非実用的であるほど長い距離から、微係合に１分またはそれ未満しかかからない距離へと、カンチレバーを試料へと、または試料をカンチレバーへと迅速に接近させるための方法が提供される。さらに、セットアップが試料に対して大きい鉛直方向視野で固定される装置が提供される。当該視野により、この構成を異なる試料の高さへと調節または再設定する必要が無くなる。レンズ歪み補正、シーンスティッチング等を実行することも可能である。
【００８７】
図１は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として具現化される、本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１を示す。
【００８８】
走査型プローブ顕微鏡１において、プローブ１１の伸長、すなわち、試料６の表面に沿って動く場合の（突出した先端部５を有するカンチレバー７として具現化され得る）プローブ１１の位置または形状の変化は、光学センサシステムにより検出され得る。これに関連して、電磁的放射源２（例えば、レーザ源）が、（１または複数の光学レンズのアレイとして具現化され得る）合焦ユニット１２を介してプローブ１１上へと伝搬する一次電磁放射ビーム１３（特に、光ビーム）を発する。第２電磁放射ビーム３が、プローブ１１の上面での一次電磁放射ビーム１３の反射により生成される。第２電磁放射ビーム３は、感光性位置感応型検出器１０へと伝搬する（特に、第２電磁放射ビーム３は、偏向ミラー１４または別の光学偏向素子により検出器１０上へと偏向され得る）。測定プローブ１１がアクチュエータ４により動かされた場合（これは、図１による鉛直方向における位置の変化を引き起こし得る）、および／または測定プローブ１１がその形状を変化させた場合、位置感応型検出器１０においてレーザ光の修正が検出され得る。分析中であるか、または特性評価されるべき、試料ホルダ５４上に、または試料支持体１７上に直接配置されている試料６とプローブ１１の（カンチレバー先端部としても示され得る）測定先端部５との相互作用に応じて、プローブ１１の応答は異なり、検出器１０の対応する領域に第２電磁放射ビーム３が当たる。検出器の信号は、評価ユニット８において処理され得る。生成された、試料６の表面の高解像度の画像は、ディスプレイユニット９により表示され得る。試料６の表面が、測定先端部５（すなわち、プローブ１１の感度が良い先端部５）により走査され得る。試料支持体１７は、水平面において（すなわち、示されるｚ方向に垂直なｘ方向およびｙ方向に）動かされ得る。故に、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ１１により試料６の表面を走査することにより、試料６に関する表面情報を決定する役割を果たす。故に、走査型プローブ顕微鏡１において、試料６は、プローブ１１と試料６とを互いに対して動かすことにより分析され得る。
【００８９】
図１から分かるように、走査型プローブ顕微鏡１は、検出ユニット６０を備える。検出ユニット６０は、試料６の水平な側面視の画像を検出するように構成される（ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラなどの）サイドビューカメラ９０を備える。試料６のこの実質的に水平な側面視、説明的に言うと、試料６の高さプロファイル（参照番号７７を参照のこと）の鉛直投影像または影画像は、（示されるｚ方向に垂直に配置される）横軸に対して２°未満の角度で伝搬する光ビーム（電磁放射ビーム６６を参照のこと）を介して検出される。より厳密には、検出ユニット６０は、試料６の高さプロファイルを、実質的に水平方向に沿って試料６を見た場合に見えるであろうとおりに検出するように構成される。特に、試料６との衝突（そのような衝突は、試料６の最高位置または局所的最高地点で起こる可能性が最も高い）から保護されるべきであるプローブ１１を接近させることについての最悪の場合のシナリオに対応する、試料６の１または複数の最高位置もしくは最も高い位置または局所的最高地点を見ることが可能である。試料６およびプローブ１１に近い、走査型プローブ顕微鏡１の様々な素子の配置の制約を満たすために、検出ユニット６０により撮像された試料６の画像が、間隙６２の上方かつミラー３１、３３の間の試料６の領域において実質的に水平方向に伝搬する電磁放射ビーム６６により画定される完全に水平方向の折り返し無し光路の端部に検出ユニット６０が位置している場合に得られるであろう画像と等しいにもかかわらず、検出ユニット６０は、本明細書の二重折り返し光路（ミラー３１、３３を参照のこと）の端部に位置する。図１において示される真の側面視検出アーキテクチャに起因して、検出ユニット６０は、走査型プローブ顕微鏡１の光学部品の再調節なしに、異なるサイズの試料６について、試料６の鉛直方向の突出部の鉛直方向のサイズを検出できるように構成される。例えば、３０ｍｍまでの寸法またはより大きな寸法を有する試料６が、厳密に検出され得る。
【００９０】
さらに、走査型プローブ顕微鏡１は、（プロセッサ、プロセッサの一部または複数のプロセッサであり得る）決定ユニット８０を備える。決定ユニット８０は、検出ユニット６０により提供される、検出された１または複数の画像に基づいて、試料６の表面の高さプロファイルを示す情報を決定するように構成される。より厳密には、決定ユニット８０は、検出ユニット６０の側面視配置の結果として検出された画像に基づいて、試料６の影画像を示す情報を決定するように構成される。
【００９１】
一実施形態において、決定ユニット８０は、示される鉛直方向またはｚ方向における試料６の高さマップについての情報を導出するために、画像データを単に処理し得る。しかしながら、高さプロファイル情報をさらに改良すべく、１または複数の追加の手段が取られ得る。例えば、予め定義された光パターン（例えば、１または複数の直線光線）が、試料６上に投影され得、検出ユニット６０は、そのフィンガープリントを光学的に測定し得る。これに対応して、決定ユニット８０は、予め定義された光パターンが投影された試料６の検出された画像を分析し得る。説明的に言うと、試料６の高さプロファイルの結果としての表面曲率が、予め定義された光パターンの（特に、以前に直線であった）線の湾曲部に変換される。これにより、いずれのカメラも、例えば、広視野カメラ９２および／またはサイドビューカメラ９０も、そのような操作された線を検出し得る。追加的に、または代替的に、決定ユニット８０はまた、試料６の検出された画像をパターン認識および物体認識に関して分析して、試料のトポグラフィの特性評価をさらに改良し得る。また、検出ユニット６０は、試料６の異なる向きの複数の側面視画像を撮るために、試料６に対して（例えば、水平面上で９０°）動かされ得る。
【００９２】
図１から分かるように、走査型プローブ顕微鏡１は、処理ユニット７２をさらに備える。処理ユニット７２は、決定された情報を処理し、それにより、試料６を分析するための初期プロファイル関連開始位置へと互いに対して動くように試料６およびプローブ１１を制御するための制御情報を決定するように構成される。試料６の分析中にプロファイル適合済み軌道に沿って互いに対して動くように試料６およびプローブ１１を制御するための制御情報を処理ユニット７２が決定することも可能である。言い換えると、処理ユニット７２は、プローブ１１による試料６の分析のための適切な開始位置を決定するために、および／またはそれに沿ってプローブ１１または試料６が試料６の分析の開始時および／またはその最中に動く軌道を決定するために、試料６の鉛直方向の高さマップを示す情報を用い得る。この決定は、例えば、プローブ１１および／またはプローブ１１を支持する構造と、試料６の突出部分との間の衝突が回避される境界条件を考慮してなされ得る。言い換えると、プローブ１１を試料６に沿って走査することによる試料６の分析は、決定された試料の高さの分布情報に基づいて実行され得る。
【００９３】
好ましくは、試料エリア全体にわたる高さマップを作成することを可能にするために試料６をサイドビューカメラ９０に対して動かす、走査型プローブ顕微鏡１のモータ駆動式ステージに対してサイドビューカメラ９０またはセンサを較正することが可能である。これにより、１または複数の試料６に衝突すべきではない測定センサ／ヘッドの形状およびサイズを考慮に入れて試料６上の１つの位置から別の位置への安全な移動を行うことが可能になる。
【００９４】
さらに図１を参照すると、側面視検知用に構成される検出ユニット６０は、試料６とプローブ１１との間の間隙６２の画像を実質的に水平な側面視で検出するようにさらに構成される。間隙６２のこの実質的に水平な側面視は、光ビーム（電磁放射ビーム６６を参照のこと）を介しても検出される。より厳密には、検出ユニット６０は、高さプロファイルの決定に関する試料６の撮像に加えて、鉛直方向に離間した（ｚ方向を参照のこと）試料６とプローブ１１との間の間隙６２の画像を、実質的に水平方向に沿って間隙６２を見た場合に見えるであろうとおりに検出するように構成される。図１に示される真の側面視検出アーキテクチャに起因して、検出ユニット６０は、走査型プローブ顕微鏡１の光学部品の再調節なしに、異なるサイズの試料６について間隙６２の鉛直方向のサイズを検出できるように構成される。
【００９５】
走査型プローブ顕微鏡１は、駆動ユニット６３をさらに備える。駆動ユニット６３は、検出された試料プロファイル情報と間隙６２の画像とに基づいて、また、任意で追加的に、検出器１０から得られた情報に基づいて、例えば１０ｍｍという初期距離から例えば０．２ｍｍという最終距離へとプローブ１１と試料６とを相互に接近させるために、プローブ‐試料間の空間関係の粗調節および／または後続の微調節に関して、プローブ１１に対して試料６を駆動するか、または動かすように構成される。より具体的には、駆動ユニット６３は、プローブ１１と試料６とを第１速度で初期距離から中間距離へと相互に接近させるために、決定された試料の高さプロファイルおよび／または間隙６２の検出された画像が用いられ得る粗調節に関して、プローブ１１に対して試料６を動かすように構成される。
【００９６】
代替的に、駆動ユニット６３は、プローブ１１と試料６とを第１速度で初期距離から中間距離へと相互に接近させるために、決定された試料の高さプロファイルおよび／または間隙６２の検出された画像が用いられ得る粗調節に関して、試料６に対してプローブ１１を動かすようにも構成され得る。
【００９７】
続いて、プローブ１１と試料６とは、例えば、検出器１０からの決定された試料の高さプロファイルおよび／またはデータに基づいて、第１速度より低速の第２速度で中間距離から最終距離へとさらに接近させられ得る。検出ユニット６０により検出された試料６および間隙６２の真の側面視画像に基づいて正確に決定される試料の高さプロファイルおよび／または間隙６２の厳密なサイズに関する検出された情報を用いて、粗調節は、プローブ１１と試料６との望ましくない衝突のリスクなしに、高速の第１速度で実行され得る。駆動ユニット６３は、ユーザにより手動で、または（プロセッサなどの）制御ユニット８４の制御下で自動で、操作され得る。制御ユニット８４は、走査型プローブ顕微鏡１の操作を制御し得、この目的で、参照番号４、８、６０、６３、７２、８０および９０に従った素子のうちの少なくともいくつかに連結され得る。
【００９８】
さらに、走査型プローブ顕微鏡１は、照射ユニット６４を備える。照射ユニット６４は、試料６を横方向に均一に照射するように構成され、図１による二重折り返し光路を介して実質的に水平な側方位置から、電磁放射線６６、例えば、可視光ビームで間隙６２を照射するように構成される。故に、照射ユニット６４と検出ユニット６０との間の光路は、２つの反射ミラー３１、３３により画定される２つの折り返し位置を有する折り返し光路である。検出ユニット６０および照射ユニット６４は、試料６とプローブ１１とが中間位置において間隙６２により離間した状態で、二重折り返し光路の反対側の端部上に配置される。故に、電磁放射線６６は、ミラー３１、間隙６２およびミラー３５を介して、照射ユニット６４から検出ユニット６０に伝搬する。照射ユニット６４は、試料６および間隙６２をそれぞれの幅の全体にわたって実質的に同一の強度で均一に照射するように構成されるのが有利である。
【００９９】
光学系６８が、間隙６２と検出ユニット６０との間に配置され、好ましくは、間隙６２と検出ユニット６０との間の距離に依存しない倍率を提供するテレセントリック光学系として構成される。テレセントリック光学系６８は、レンズ７０の焦点距離に対応する、検出ユニット６０に対してある距離に配置されたレンズ７０を備える。
【０１００】
上述の決定ユニット８０には、検出ユニット６０により検出されたとおりの試料６および間隙６２の両方の画像を示す画像データが提供され、検出された画像に基づいて試料６とプローブ１１との間の距離または間隙サイズの定量値を決定するようにも構成される。この値は、制御ユニット８４に供給され得、制御ユニット８４による駆動ユニット６３の制御のための基準としての役割を果たし得る。決定された試料の高さプロファイルも、試料６の表面プロファイル７７を考慮に入れて走査型プローブ顕微鏡１の操作を制御するために、制御ユニット８４に供給され得る。任意の処理ユニット７２も、検出ユニット６０により生成された複数の水平方向に検出された画像を処理するように構成される。代替的に、または追加的に、検出された画像は、スクリーン上に表示され得、故に、オペレータにより観察され得る。
【０１０１】
光学操作ユニット７４は、試料６および間隙６２から検出ユニット６０に向かって伝搬する電磁放射線６６を操作して、均一な強度を有する電磁放射線６６の平行光線のセットを生成するように設けられ、構成され得る。
【０１０２】
検出ユニット６０は、鉛直方向またはｚ方向での位置合わせのために用いられる情報を提供するカメラを備え得る。実施形態において、このカメラは、試料表面の画像の両方を生成し、プローブ１１と試料６との間の鉛直方向の距離を観察または測定する。情報の両方の項目は、カンチレバー型プローブ１１を試料６に向かって安全に接近させるために用いられ得る。
【０１０３】
以下に、走査型プローブ顕微鏡１の操作が説明される。実際の走査型プローブ顕微鏡による測定の開始を始める前に、試料６とカンチレバー７との間の相互の配置が調節される必要がある。当該目的で、試料６およびカンチレバー７はまず、試料６とカンチレバー７との間の望ましくない衝突または衝撃によるあらゆる損傷が回避され得るように、例えば１０ｍｍといった十分に大きな距離をおいて配置される。続いて、駆動ユニット６３はまず、試料６およびカンチレバー７が例えば１ｍｍという相互の距離に到達するまで、粗調節により、比較的高速の第１速度で試料６とカンチレバー７とを接近させる。試料６とカンチレバー７とがどれだけの距離まで互いに向かって接近させられ得るかについての情報を得るべく、試料６の高さプロファイルが決定され、試料６とカンチレバー７との間の間隙６２の画像が検出される。この目的で、照射ユニット６４は、電磁放射ビーム６６としての光学的な光ビームを発する。ミラー３１による偏向の後に、電磁放射ビーム６６は、試料６上へと伝搬し、試料６とカンチレバー７との間の間隙６２を通過し、次に、さらなるミラー３３と衝突する。ビームの調節は、ビーム操作ユニット７４において前もって実現され得る。レンズ７０を通過した後に、電磁放射ビーム６６は、検出ユニット６０に到達する。ここで、電磁放射ビーム６６は画像の形態で検出される。この検出された画像に基づいて、間隙６２の高さマップおよびサイズに関する情報が、決定ユニット８０により決定され得る。この決定の結果は、例えば制御ユニット８４を介して、駆動ユニット６３に供給され得る。駆動ユニット６３は、間隙６２の決定されたサイズに基づいて粗調節を実行し得る。ミラー３１および３３の間での電磁放射ビーム６６の水平方向の伝搬に起因して、試料６の影画像および間隙６２の水平方向の画像が、検出ユニット６０により検出され得る。しかしながら、検出ミラー３１および３３が存在するおかげで、検出ユニット６０および照射ユニット６４を試料‐プローブ領域に対して離間させて配置することが可能である。試料‐プローブ領域には、小さい空間のみが、そのようなユニットを収容するために存在し得る。照射ユニット６４は、発光ダイオードまたは発光ダイオードアレイであり得る。試料６および間隙６２の照射の均一性を改善すべく、拡散器３７または同様のものが、照射ユニット６４と間隙６２との間に配置され得る。説明される走査型プローブ顕微鏡１により撮像される間隙６２の真の水平な側面視に起因して、試料６の高さプロファイルおよび間隙６２のサイズは高精度で決定され得、試料‐プローブ間の調節も非常に正確になされ得る。
【０１０４】
図２から図４は、本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡１の光学系６８の異なる断面図を示す。
【０１０５】
図２を参照すると、被写体側のテレセントリックサイドビューセンサまたは光学系６８が示される。図２において、照射ユニット６４と検出ユニット６０の感光性表面との間の光路が、走査型プローブ顕微鏡１の幾何学形状の制約を満たすためにミラー３３を実装した結果として、折り返されている。しかしながら、代替的に、図１におけるような二重に折り返された幾何学形状を有する（例えば、２つのミラー３１、３３を実装する）こと、または（例えば、ミラーを実装する必要がない）完全に長手方向の光路を有することも可能である。故に、図２によると、（均一照射を提供する）照射ユニット６４と検出ユニット６０との間の光路は、１つの折り返し位置のみを有する折り返し光路である。
【０１０６】
図２に示されるように、照射ユニット６４から水平方向に到達して間隙６２を通過する光は、ミラー３３、プリズムまたは任意の他の適した光学素子により向け直され得る。オペレータは、例えば（スケールも備え得る）スクリーン上に画像を見得、試料６の表面に対してのプローブ１１の接近を手動で制御し得る。当該処理は、制御ユニット８４または同様のものを含むことにより、半自動化または完全自動化もされ得る。検出ユニット６０は、試料の表面プロファイル情報と間隙６２のサイズとを測定する。この情報を処理することにより、プローブ１１および／または試料６の動きが制御され得る。
【０１０７】
（光源などの）照射ユニット６４は、シーンに水平方向に到達する、すなわち、間隙６２に沿ってその表面が粗い試料６上を伝搬する均一照射ビームまたは電磁放射ビーム６６を生成する。照射ユニット６４は、間隙６２および試料６の両方を好ましくは横方向から均一に照射する。図１とは反対に、照射ユニット６４は、ここで、間隙６２の位置において、電磁放射ビーム６６の伝搬方向に垂直にではなく、伝搬方向と一直線上に配置される。光源自体は（図２におけるように）必ずしもｘ‐ｙ平面に位置しないが、上方または下方の任意の方向から到達する光は当該平面に向け直され得る。電磁放射ビーム６６は、試料６とプローブ１１との間の間隙６２の実質的に均一な照射を確実にすべきである。光の強度の変動またはばらつきが十分に小さいままである場合（入射光が過度に不均一にならないことを意味する）、透明な被写体でさえ、高精度で検出され得る。
【０１０８】
入射電磁放射ビーム６６は、ｘ‐ｙ平面における任意の方向または任意の角度から到達し得る。本発明の例示的な実施形態において、光源もしくは電磁的放射源６４（または関連するミラー３１、プリズム等）の適切な位置は、カメラもしくは検出ユニット６０（または関連するミラー３３、プリズム等）と正反対の方向にあり得る。
【０１０９】
本発明の好ましい実施形態において、テレセントリック光学系６８が実装され得る。そのようなテレセントリック光学系６８は、物空間においてテレセントリックであり得る。そのような光学構成の利点は、像面上で被写体の画像がその距離に依存しないで同じサイズを有することである（図４を参照のこと）。言い換えると、そのようなテレセントリック構成においては透視歪みが存在しない。例示的な実施形態に従ったテレセントリック光学系６８は基本的に、１つのレンズ７０と共に動作する（図１または図４を参照のこと）。図２に示される構成は、２つのレンズ７０を備える。しかしながら、レンズ７０の数は、１つまたは２つとは異なる可能性もある。レンズ７０の下流に開口９１が設けられ得る。開口９１を通じて、電磁放射ビーム６６が、検出ユニット６０に到達する前に伝搬する。
【０１１０】
図３は、本発明の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡１の可能な光学系６８を示す。ピンホールカメラ４３から異なる距離にある３つの被写体（ｙ１、ｙ２、ｙ３を参照のこと）が示される。これらの被写体（ｙ１、ｙ２、ｙ３を参照のこと）は、カンチレバー７と試料６との間の間隙６２を表す。図３から分かるように、等しい寸法ｙ１＝ｙ２＝ｙ３を有するが、ピンホールカメラ４３から異なる距離に位置する被写体が、検出スクリーンまたは検出表面上に異なるサイズで結像される。図３の光学系６８が実装される場合、光学アーティファクトが含まれるのを防止するために、予め定義された位置に試料‐プローブ配置が位置していることに注意が払われるべきである。参照番号９３は投影中心を示し、被写体（ｙ１、ｙ２、ｙ３を参照のこと）の画像９５も示される。ピンホールと検出表面との間の距離は、参照番号ｇにより示される。
【０１１１】
図４に示される光学系６８は、テレセントリック光学系６８の実装に起因して、本発明の好ましい実施形態に関する。図３の実施形態のように、図４の実施形態は、（不図示であるが、間隙６２および試料６の両方を均一に照射する）照射ユニット６４と、折り返し無し直線光路である検出ユニット６０との間の光路を実装する。
【０１１２】
等しい寸法ｙ１＝ｙ２を有するが、ピンホールカメラ４３から異なる距離に位置する２つ被写体（ｙ１、ｙ２を参照のこと）が示される。これらの被写体（ｙ１、ｙ２を参照のこと）は、カンチレバー７（またはプローブ１１）と試料６との間の間隙６２を表す。ピンホールカメラ４３およびレンズ７０のこの構成だと、検出スクリーン上に結像される間隙６２の寸法は、間隙６２が第１位置（ｙ１を参照のこと）または第２位置（ｙ２を参照のこと）のいずれに位置しているかに依存しない。従って、試料６のプロファイル、および追加的に間隙６２のサイズは、プローブ‐試料の配置の厳密な位置にかかわらず、厳密に決定され得る。レンズ７０とピンホールカメラ４３の開口４１との間の距離ｆは、レンズ７０の焦点距離と等しい。被写体（ｙ１、ｙ２を参照のこと）の画像９５は全て、同じ（または実質的に同じ）サイズを有するのが非常に有利である。
【０１１３】
図４によるテレセントリック光学系６８は、間隙６２と検出ユニット６０のサイドビューカメラ９０との間の距離に依存しない倍率を提供する。しかしながら、テレセントリック光学系６８は、試料６の（図４において例示的に示される）それぞれの対象測定地点８３とサイドビューカメラ９０との間の距離に依存しない倍率も提供し得る。
【０１１４】
図５は、分析される試料６の高さマップを提供する、本発明の別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡１の一部を示す。
【０１１５】
図１におけるように、図５の実施形態も、試料６の側面視画像８９を撮像するサイドビューカメラ９０を備える。しかしながら、図５の実施形態において、検出ユニット６０は、試料６の表面部分の主要箇所またはさらには全体の広角画像９６を検出するように配置および構成される広視野カメラ９２を追加的に備え、対応する画像を斜め上方位置から検出する。広視野カメラ９２の光軸７９と縦軸８１との間の傾動角度αは、４５°未満であり得、特に、２０°から３０°の範囲内にあり得る。傾動角度αは、広視野カメラ９２の上面視の向きに対応する０°でもあり得る。傾動角度αは、走査型プローブ顕微鏡１の枠組みにおける空間についての要件および制約に従って選択され得、広視野カメラ９２がその視野範囲内で試料６を十分に見得るように選択されるべきである。故に、図５によると、サイドビューカメラ９０および広視野カメラ９２から成る検出ユニット６０は、異なる空間的位置に、かつ、異なる空間的向きで配置された複数のカメラ９０、９２により試料６の複数の画像を検出するように構成される。
【０１１６】
このターゲット部材は、測定地点８３の情報、特に、そのｘ座標８５およびその局所的な試料の高さ９９（すなわち、測定地点８３とｘ軸上の測定地点８３の鉛直投影像のｘ座標８５との間の距離）を決定する。広視野カメラ９２の傾斜視に起因してこのｘ座標８５における試料の高さ９９が未知だと、実際のｘ座標８５および実際の試料の高さ９９は決定され得ない。試料の高さ９９は、０と測定地点８３およびｘ座標８５の間の距離との間であり得、ｘ座標８５は、より遠い点８７に、または実際のｘ座標８５またはそれらの間のどこかの点に対応する点にあり得る。例えば、完全な３次元表面プロファイルマップが所望される場合（影プロファイルが十分であるとみなされない特定の実施形態における場合であり得る）、広視野カメラ９２およびサイドビューカメラ９０の両方の情報の組み合わせによってのみ、補正データがもたらされる。試料の高さ９９およびｘ座標８５は、正確に決定され得る。試料６の表面を地点毎に走査し（すなわち、異なる測定地点８３で測定し）、説明される方法を適用することにより、表面プロファイル７７が決定され得る。
【０１１７】
前の段落において説明されるアルゴリズムは、ｙ座標にも準用され得る。
【０１１８】
例えば、測定地点８３を側面視で上方または傾斜視位置から検出することにより、局所的な高さ９９を試料６の測定地点８３において測定することが可能である。試料６の異なる測定地点８３についてこの手順を繰り返して、高さプロファイル７７を組み合わせて得ることが可能である。サイドビューカメラ９０および広視野カメラ９２と連結された決定ユニット８０は、検出された画像に基づいて試料６の表面の３次元プロファイルを示す情報を決定するように構成される。故に、ここで、決定ユニット８０は、試料６の複数の検出された画像を３次元再構成に関して分析する。結果として、決定ユニット８０は、鉛直面上の試料６の投影像を示すサイドビューカメラ９０の画像を、広視野カメラ９２により提供される、傾斜面（特に、０°より大きく９０°より小さい角度で、例えば、５°と８５°との間の角度で前述の鉛直面と交差する平面）上または水平面上の試料６の投影像を示すさらなる画像と組み合わせることにより、試料６の表面プロファイル７７を再構成するように構成される。
【０１１９】
走査型プローブ顕微鏡１に広視野カメラ９２またはセンサを加えることにより、ナビゲーションをさらに簡略化するためにユーザに上面視または傾斜視を提供することが可能になる。しかしながら、標準的なカメラは、観察したシーンの２次元表現を提供するに過ぎず、これは、カメラ画像のある点と実際の３次元シーンとの間の関係が一意的なものではないことにつながる。
【０１２０】
広視野カメラ９２の画像をサイドビューカメラ９０から観察された高さと相関させることにより、この曖昧さを解決することが可能である。これにより、ユーザは、３次元測定シーンにおける別個の測定地点の選択を実行することが可能になる。サイドビューカメラ９０から来る追加の情報がないと、（広視野カメラ９２などの）傾斜視カメラでのナビゲーションは、試料の高さと広視野カメラ９２の視野角とに依存するオフセットに影響され得る。空間的な制約に起因して困難であり得るが、広視野カメラ９２が正確に鉛直方向に取り付けられている場合でも、中心から外れた測定地点は、このオフセットに影響され得る。故に、サイドビューカメラ９０および広視野カメラ９２の組み合わせは、特に有利である。
【０１２１】
図６は、本発明の別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡１により分析される試料６と、試料６の表面プロファイルに起因してプローブ７が入り得ない領域８８とを示す。
【０１２２】
例えば、上述の処理ユニット７２は、決定された情報を処理し、それにより、試料６のプロファイル７７を考慮するとプローブ１１により幾何学的に到達可能ではない、図示される到達不能領域８８を決定するように構成され得る。プローブ１１がそのような到達不能領域８８に入った場合、プローブ１１と試料６との間の衝突が発生し得る。そのような非常に望ましくない衝突は、試料６の事前に決定された高さプロファイル７７の情報に基づいて推定され得るそのような１または複数の到達不能領域８８を決定することにより、防止され得る。参照番号６７は、説明される幾何学的な制約に起因して到達し得ない例示的な測定位置を示す。（参照番号１１'により概略的に示されるように）参照番号６７による位置へとプローブ１１が仮に動かされた場合、衝突が発生し得る。故に、試料６の決定されたプロファイル情報により示される３次元シーンレイアウトが利用可能であることの別の利点は、プローブ１１と試料６の表面とのトポグラフィに起因して測定プローブ１１で到達し得ないシーン内の領域８８について、ユーザが直接知らされ得ることである。
【０１２３】
加えて、追加のセンサが利用可能であると、高さマップは、サイドビューセンサ９０からの情報を広視野センサ９２からの情報と融合することにより、改善され得る。光学イメージセンサを考慮すると、この追加の情報は、パターン認識方法および／または物体認識方法ならびに試料６の異なるビュー、レンズ焦点法および／または構造化光を例えば用いる３次元再構成方法により取得され得る。
【０１２４】
（図１と比較して）単純な、または（図５と比較して）改良された高さマップを用いることにより、ナビゲーションはここで、測定センサ／ヘッドでの試料表面への到達が可能ではない禁止領域８８へとユーザが動かすことを阻止し、広視野画像センサの透視歪みを補正し、測定センサ／ヘッドを試料表面のすぐ近くへと動かすことで測定時間を減らし、１つの位置／試料６から別の位置／異なる高さを有する試料６への動きの軌道を改善またはさらには最適化し、それにより、移行中に必要となる安全な高さを改善することにより、改善され得る。
【０１２５】
図７は、分析される試料６の高さマップを提供する、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った走査型プローブ顕微鏡１の一部を示す。
【０１２６】
図７によると、検出ユニット６０は、異なる空間的位置に、かつ、異なる空間的向きで配置された３つの異なる種類のカメラ９０、９２、９４により試料６の複数の画像を検出するように構成される。より具体的には、サイドビューカメラ９０および広視野カメラ９２を設けることに加えて、図７による検出ユニット６０は、カメラ９０、９２と比較してより高い解像度の上面視の試料６のサブ部分を検出するように配置および構成される狭視野カメラまたは狭視野顕微鏡９４を追加的に備える。参照番号６９により示されるように、任意で、異なる位置へと互いに対して動かされるようにカメラ９０、９２、９４のうちの少なくとも１つおよび／または試料６を設定することも可能である。
【０１２７】
図５におけるような実施形態において、広視野カメラ９２は、例えば高性能または高精度の用途で、微小な細部がサイドビューカメラ９０単体および広視野カメラ９２単体の組み合わせにより分解され得ないように、不十分な解像度の試料６を撮像し得る。顕微鏡９４を加える場合、図７に示されるように、ナビゲーションは、顕微鏡９４により取り込まれた追加の情報に起因して、高い局所的解像度を有する小さい空間的範囲においても有効化される。
【０１２８】
図７に示されるように広視野カメラ９２と顕微鏡９４とを別個に設けることのさらなる代替形態として、例えば広視野（またはマクロ）モードと狭視野（またはマイクロ）モードとの間で切り替えられ得る１つの一般的なカメラ９２＋９４においてそれらの機能の両方を組み合わせることも代替的に可能である。
【０１２９】
図８Ａは、試料ホルダ５４上の（被写体ＡおよびＢを含む）試料６の実際の画像５１を示す。図８Ｂおよび図８Ｃは、本発明の例示的な実施形態に従った広視野カメラ９２またはマクロイメージセンサ（図８Ｂ）およびサイドビューセンサ９０（図８Ｃ）により撮像された、試料ホルダ５４上の試料６の画像５３、５５を示す。図８Ｄは、本発明の例示的な実施形態に従った、図８Ｂおよび図８Ｃの画像５３、５５から導出された、決定された高さマップ５７を示す。
【０１３０】
故に、図８Ａから図８Ｃは、例えば図５に示されるような機器のセットアップで基本的な高さマップ５７を決定するためのワークフローを示す。
【０１３１】
図８Ｂに示される広視野画像５３は、試料６ならびにその被写体ＡおよびＢについての平面視情報を提供する。図８Ｃに示される側面視画像５５は、試料６ならびにその被写体ＡおよびＢについての投影情報（または影画像）を提供し、それにより、定量的な高さ値を提供する。図８Ｄによる再構成は、図８Ｃにおける図８Ｂに従った情報の相補的な項目を組み合わせ、これにより、３次元高さマップ５７が決定され得る。
【０１３２】
顕微鏡９４が追加的に実装される、図７による実施形態において、被写体ＡおよびＢのサブストラクチャの詳細な情報が追加され得、これにより、図８Ｄに従った高さマップ５７は、さらに改良され得る。
【０１３３】
「備え」という用語は他の要素または段階を排除せず、「ある」または「１つ」という用語は複数を排除しないことが留意されるべきである。異なる実施形態に関連して説明される素子も組み合わされ得る。
【０１３４】
特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきでないことも留意されるべきである。
【０１３５】
本発明の実装は、図示される上述の好ましい実施形態に限定されない。代わりに、根本的に異なる実施形態の場合においてさえ、示される解決手段と本発明に従った原理とを用いる多数の変形例が可能である。
【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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【外国語明細書】
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