(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ作動システムであって、
プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、
前記プローブを照射するように構成される照射システムであって、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、照射システムと、
表面位置を抽出する表面検出器およびプローブ高さ制御データを記憶するメモリを有し、目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備え、
前記プローブの位置または角度を測定して前記検出信号を生成し、前記目標値は前記プローブの目標位置または目標角度であり、
前記目標値は、前記プローブが、試料に対して所定の軌道に沿って動くように時間と共に変化し、
前記目標値は、前記表面検出器の出力および前記プローブ高さ制御データに基づいて生成される、
プローブ作動システム。
【請求項２】
プローブ作動システムであって、
プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、
前記プローブを照射するように構成される照射システムであって、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させる、照射システムと、
表面位置を抽出する表面検出器およびプローブ高さ制御データを記憶するメモリを有し、時間と共に変動する目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備え、
前記目標値は、前記プローブが、試料に対して所定の軌道に沿って動くように時間と共
に変化し、
前記目標値は、前記表面検出器の出力および前記プローブ高さ制御データに基づいて生成される、
プローブ作動システム。
【請求項３】
前記フィードバック制御装置は、前記検出信号と前記目標値との間の差に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成される、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブが変形され、試料に向かってまたは試料から離れるように動かされ、
前記プローブ制御装置は、前記プローブが一連の周期において前記試料に向かうことと試料表面から離れることとを繰り返して動くように、時間と共に前記目標値を変動させるように構成され、
前記システムは、前記プローブが前記試料と相互作用する各周期で表面位置を検出し、前記表面位置の検出に応じて、前記プローブ制御装置に、前記プローブが前記試料から離れるように動くよう前記目標値の変更を促すように構成される表面検出器を更に備える、
請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記フィードバック制御装置は、前記検出信号と前記目標値との間の差に従って誤差信号を生成し、前記誤差信号に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成され、
前記表面検出器は、前記誤差信号を、前記フィードバック制御装置からの入力として受信し、前記誤差信号を用いて前記表面位置を検出するように構成される、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記検出システムは、前記プローブの位置または角度を測定して前記検出信号を生成するように構成される、
請求項２から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記目標値は、前記プローブの目標位置または目標角度である、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記検出システムは、検出放射を用いて前記プローブを照射するように構成される照射システムであって、前記検出放射は前記プローブから反射して反射ビームを生成する、照射システムと、前記反射ビームと基準ビームとの間の経路差に従って前記検出信号を生成するように構成される干渉計とを備える、
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記フィードバック制御装置は、入力として前記検出信号および前記目標値を受信するように構成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
プローブと、
前記プローブを作動させるための請求項１から９のいずれか一項に記載の作動システムと、
前記プローブを試料に対して（または逆も同様に）動かして、相対的な走査運動を生成するためのスキャナと、を備える、
走査型プローブ装置。
【請求項１１】
前記プローブ制御装置は、前記目標値が、前記相対的な走査運動中に時間と共に変動するように構成される、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
プローブを作動させ、測定する方法であって、
前記プローブを測定して検出信号を生成し、
前記プローブを照射し、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、
表面位置を検出し、
事前に定義されたプローブ高さ制御データを提供し、
前記プローブ高さ制御データおよび前記表面位置に従って目標値を生成し、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるようにする、ことを含み、
前記プローブの位置または角度を測定して前記検出信号を生成し、前記目標値は前記プローブの目標位置または目標角度であり、
前記目標値は、前記プローブが、試料に対して所定の軌道に沿って動くように時間と共に変化する方法。
【請求項１３】
プローブを作動させ、測定する方法であって、
前記プローブを測定して検出信号を生成し、
前記プローブを照射して、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、
表面位置を検出し、
事前に定義されたプローブ高さ制御データを提供し、
前記プローブ高さ制御データおよび前記表面位置に従って、時間と共に変動する目標値を生成し、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させて、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるようにする、ことを含み、
前記目標値は、前記プローブが、試料に対して所定の軌道に沿って動くように時間と共に変化する方法。
【請求項１４】
前記プローブの位置または角度は、前記検出信号を生成するように測定される、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記目標値は、前記プローブの目標位置または目標角度である、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記プローブ高さ制御データはメモリ内に含まれる、
請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記プローブ高さ制御データは、前記方法の実行前に前記メモリに記憶されているという意味で、事前に定義されている、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記目標値は、前記プローブ高さ制御データによって少なくとも部分的に決まるレートで時間と共に変化する、
請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記目標値は、前記プローブが、一定であってもよく、時間と共に変動してもよい所定
の速度で動くような所定の方式で時間と共に変化する、
請求項１２から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記プローブの前記照射は、フィードバック制御装置によって変動し、前記フィードバック制御装置は、入力として前記検出信号および前記目標値を受信する、
請求項１２から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、試料に向かってまたは試料から離れるように動かし、
前記目標値は、前記プローブが一連の周期において前記試料に向かうことと前記試料から離れることとを繰り返して動くように、時間と共に変動し、
前記方法は、前記プローブが前記試料と相互作用する各周期で表面位置を検出し、前記表面位置の検出に応じて、前記プローブが前記試料から離れるように動くよう前記目標値を変更する、ことを更に含む、
請求項１２から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記プローブを前記試料に対して（または逆も同様に）動かして、相対的な走査運動を生成し、前記相対的な走査運動中に前記試料と相互作用するように前記プローブを操作する、ことを更に含む、
請求項１２から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記目標値は、前記相対的な走査運動中に時間と共に変動する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
プローブ作動システムであって、
プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、
前記プローブを照射するように構成される照射システムであって、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、照射システムと、
目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備え、
前記プローブの位置または角度を測定して前記検出信号を生成し、前記目標値は前記プローブの目標位置または目標角度であり、
前記目標値は、前記プローブが所定の一定の速度で動くような所定の方式で時間と共に変化する、
プローブ作動システム。
【請求項２５】
プローブ作動システムであって、
プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、
前記プローブを照射するように構成される照射システムであって、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させる、照射システムと、
時間と共に変動する目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備え、
前記目標値は、前記プローブが所定の一定の速度で動くような所定の方式で時間と共に変化する、
プローブ作動システム。
【請求項２６】
プローブを作動させ、測定する方法であって、
前記プローブを測定して検出信号を生成し、
前記プローブを照射し、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、
目標値を生成し、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させ、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるようにする、ことを含み、
前記プローブの位置または角度を測定して前記検出信号を生成し、前記目標値は前記プローブの目標位置または目標角度であり、
前記目標値は、前記プローブが所定の一定の速度で動くような所定の方式で時間と共に変化する、方法。
【請求項２７】
プローブを作動させ、測定する方法であって、
前記プローブを測定して検出信号を生成し、
前記プローブを照射して、前記プローブの前記照射を変動させることによって、前記プローブを変形させ、これによって今度は前記検出信号を変動させ、
時間と共に変動する目標値を生成し、
前記検出信号および前記目標値に従って前記プローブの前記照射を変動させて、前記検出信号が前記目標値に向けて制御されるようにする、ことを含み、
前記目標値は、前記プローブが所定の一定の速度で動くような所定の方式で時間と共に変化する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ作動システムおよび関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡においてプローブの高さを制御するためにフィードバックおよびフィードフォワード制御システムを用いることが知られている。例えば、Ｐａｏ，  Ｌ．
Ｙ．、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ，  Ｊ．  Ａ．およびＡｂｒａｍｏｖｉｔｃｈ，  Ｄ．
Ｙ．、２００７「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ／Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００７  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  ＮＹ，  Ｊｕｌ．  １１−１３，  ｐｐ．  ３５０９−３５１５において、また、Ｃｌａｙｔｏｎ他、２００９「Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ
Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｎａｎｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  ＳＰＭ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ
Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，  １３１：６，０６１１０１を参照されたい。
【０００３】
そのような従来の制御システムでは、プローブの高さは圧電アクチュエータによって制御され、プローブの角度は、検出信号を生成する光学センサによって測定される。フィードバック・システムは、入力として、検出信号と、設定点として知られる目標値を受信する。次に、フィードバック・システムは、試料が走査されるときに検出信号が設定点に留まるように圧電アクチュエータを制御する。
【０００４】
欧州特許出願公開第１８９８２０４号は、カンチレバーの変位を制御するレーザを有する走査型プローブ顕微鏡を記載している。振幅検出回路は、カンチレバーの振幅を決定し、検出される振幅信号を生成する。フィードバック回路は、基準振幅信号から検出される振幅信号を減算して、偏差信号およびフィードバック信号を生成する。カンチレバーの振幅は、フィードバック回路によって一定に保たれる。このように、欧州特許出願第１８９８２０４号は、請求項１のプリアンブルによりプローブ作動システムを開示している。
【０００５】
国際特許出願第２０１２／１０４６２５号は、プローブが、試料表面に向かうことと試料表面から離れることとを繰り返して動かされ、試料表面に断続的にのみ接触する、適応モード走査型プローブ顕微鏡について記載している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、プローブ作動システムであって、プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、プローブを照射するように構成される照射システムであって、プローブの照射を変動させることによって、プローブを変形させ、これによって今度は検出信号を変動させる、照射システムと、目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、検出信号および目標値に従ってプローブの照射を変動させ、検出信号が目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備え、プローブの位置または角度を測定して検出信号を生成し、目標値はプローブの目標位置または目標角度を表すことを特徴とする、プローブ作動システムを提供する。
【０００７】
また、本発明の第１の態様は、プローブを作動させ、測定する方法であって、プローブを測定して検出信号を生成することと、プローブを照射することであって、プローブの照
射を変動させることによって、プローブを変形させ、これによって今度は検出信号を変動させることと、目標値を生成することと、検出信号および目標値に従ってプローブの照射を変動させることであって、検出信号が目標値に向けて制御されるようにすることとを含み、プローブの位置または角度を測定して検出信号を生成し、目標値はプローブの目標位置または目標角度を表すことを特徴とする、方法も提供する。
【０００８】
欧州特許出願第１８９８２０４号では、検出信号が解析されてカンチレバーの振幅が求められ、目標値は、目標振幅を表す。対照的に、本発明の第１の態様の一実施形態では、プローブの位置または角度が測定されて検出信号が生成され、検出信号はプローブの位置または角度を示し、目標値は検出信号によって測定されるようなプローブの目標位置または目標角度を表す。
【０００９】
例えば、目標値は、試料の表面に直交する方向におけるプローブの目標位置、試料の表面に平行な方向におけるプローブの目標位置、カンチレバーがその長手方向に沿ってねじれるときに変動するプローブのカンチレバーの目標傾斜角、またはカンチレバーがその長手方向に沿って曲がるときに変動するプローブのカンチレバーの目標曲げ角度を表すことができる。
【００１０】
目標値は、プローブの特定の位置または角度を表してもよく、またはプローブの何らかの他の位置または角度、例えば、その平均的な位置もしくは平均的角度、またはプローブのサイクリックな運動における極限位置または極限角を表してもよい。
【００１１】
目標値は、一定であってもよく、時間と共に変動してもよい。
【００１２】
本発明の第２の態様は、プローブ作動システムであって、プローブを測定して検出信号を生成するように構成される検出システムと、プローブを照射するように構成される照射システムであって、プローブの照射を変動させることによって、プローブを変形させ、これによって今度は検出信号を変動させる、照射システムと、時間と共に変動する目標値を生成するように構成されるプローブ制御装置と、検出信号および目標値に従ってプローブの照射を変動させ、検出信号が目標値に向けて制御されるように構成されるフィードバック制御装置と、を備える、プローブ作動システムを提供する。
【００１３】
また、本発明の第２の態様は、プローブを作動させ、測定する方法であって、プローブを測定して検出信号を生成することと、プローブを照射することであって、プローブの照射を変動させることによって、プローブを変形させ、これによって今度は検出信号を変動させることと、時間と共に変動する目標値を生成することと、検出信号および目標値に従ってプローブの照射を変動させることであって、検出信号が目標値に向けて制御されるようにすることとを含む、方法も提供する。
【００１４】
フィードバック制御装置は、入力として検出信号および目標値を受信するが、従来のフィードバック・システムと異なり、この目標値は時間と共に変動する。そのように時間と共に変動する目標値により、プローブが、所定の速度（一定であってもよく、例えば、ラスター走査経路もしくはリサジュー曲線等の二次元経路、または鋸歯、周期的ランプまたは正弦波等の一次元経路を辿るように何らかの所定の形で変動してもよい）で軌道を辿るように駆動されることが可能になる。
【００１５】
通常、プローブ制御装置は、目標値をフィードバック制御装置に入力するように構成され、検出システムは、検出信号をフィードバック制御装置に入力するように構成される。
【００１６】
フィードバック制御装置は、検出信号と目標値との間の差に従ってプローブの照射を変
動させ、検出信号が目標値に向けて制御されるように構成され得る。代替的に、フィードバック制御装置は、モデルベースのフィードバック制御プロセスを用いてもよい。
【００１７】
１つの実施形態では、プローブの照射を変動させることによって、プローブを変形させ、試料に向かってまたは試料から離れるように動かし、プローブ制御装置は、プローブが一連の周期において試料に向かうことと試料表面から離れることとを繰り返して動くように時間と共に目標値を変動させるように構成され、システムは、プローブが試料と相互作用する各周期で表面位置を検出し、表面位置の検出に応じて、プローブ制御装置に、プローブが試料から離れるように動くように目標値の変更を促すように構成される表面検出器を更に備える。フィードバック制御システムは、プローブが試料に向かって所定の軌道に沿って、例えば一定の速度で動くことを可能にし、これによって本方法の速度および精度を改善することができる。代替的に、プローブの照射によって、プローブを変形させ、試料上にわたって横方向に動いてもよい。
【００１８】
好ましくは、フィードバック制御装置は、検出信号と目標値との間の差に従って誤差信号を生成し、誤差信号に従ってプローブの照射を変動させ、検出信号が目標値に向けて制御されるように構成され、表面検出器は、フィードバック制御装置から入力として誤差信号を受信し、この誤差信号を用いて表面位置を検出するように構成される。代替的に、モデルベースのフィードバック制御プロセスが用いられる場合、モデルベースのフィードバック制御装置が、検出信号と予測検出信号（プローブの動的挙動のモデルに基づく）との間の差に従ってプローブの照射を変動させるように構成される。
【００１９】
通常、目標値は、所定の方式で時間と共に変動する。任意選択で、プローブ制御装置は、プローブ制御データを含むメモリを備え、プローブ制御装置は、メモリ内に含まれる制御データに従って目標値を変動させるように構成される。プローブ制御データは、通常、プローブの目標軌道、例えば、一定の（またはそうでない場合、所定の）速度またはラスター走査軌道を規定する。
【００２０】
検出システムは、通常、プローブの位置または角度を測定し、検出信号を生成するように構成される。例えば、検出システムは、プローブの角度、例えば、カンチレバーがその長手方向に沿ってねじれるときに変動するプローブのカンチレバーの傾斜角、またはカンチレバーがその長手方向に沿って曲がるときに変動するプローブのカンチレバーの曲げ角度を測定する光レバーを備えることができる。より好ましくは、検出システムは、検出放射を用いてプローブを照射するように構成される照射システムであって、検出放射はプローブから反射して反射ビームを生成する、照射システムと、反射ビームと基準ビームとの間の経路差に従って検出信号を生成するように構成される干渉計とを備える。
【００２１】
通常、検出信号は、プローブの位置または角度を直接示し、目標値は、検出信号によって測定されるようなプローブの目標位置または目標角度を表す。これは、プローブの運動の目標振幅を直接示す基準振幅信号を用いる欧州特許出願第１８９８２０４号と対照的であり得る。例として、目標値は、試料の表面に直交する方向におけるプローブの目標位置、試料の表面に平行な方向におけるプローブの目標位置、カンチレバーがその長手方向に沿ってねじれるときに変動するプローブのカンチレバーの目標傾斜角、またはカンチレバーがその長手方向に沿って曲がるときに変動するプローブのカンチレバーの目標曲げ角度を表すことができる。目標値は、プローブの特定の位置または角度を表してもよく、またはプローブの何らかの他の位置または角度、例えば、その平均的な位置もしくは平均的角度、またはプローブのサイクリックな運動における極限位置または極限角を表してもよい。
【００２２】
通常、目標値は時間と共に変化し、それによって、プローブは所定の軌道に沿って、試
料の方におよび／または試料上にわたって動く。
【００２３】
通常、目標値は一連の周期で変動し、周期のうちの少なくともいくつかは実質的に同一である。
【００２４】
通常、プローブはカンチレバーを備え、カンチレバーの照射を変動させることによってカンチレバーを曲げる。
【００２５】
通常、プローブは、プローブ・チップを支持するチップ支持構造を備える。チップ支持構造は、カンチレバー・マウントから延びる単一のカンチレバー・アームを備えることができ、このカンチレバー・アームの近位端はマウントによって支持され、マウントから離れた支持されない遠位端は、プローブ・チップを支持する。この例では、検出システムは、（検出システムがプローブを照射することによって動作する場合、）単一のカンチレバー・アームを検出放射で照射するように構成される単一の検出放射ビームのみを有することができ、照射システムは、単一のカンチレバー・アームを照射するように構成される単一の照射ビームのみを有することができる。代替的に、チップ支持構造はカンチレバー・マウントから延在する一対のカンチレバー・アームを備えてもよく、各アームは、マウントによって支持される近位端と、マウント・アームから離れた支持されない遠位端とを有し、カンチレバー・アームの遠位端は、プローブ・チップを支持するブリッジによってつながる。この場合、検出システムは、カンチレバー・アームの各々を検出放射で照射するように各々が構成される一対の検出放射ビームを有することができ、照射システムは、カンチレバー・アームの各々を照射するように各々が構成される一対の照射ビームを同様に有することができる。
【００２６】
通常、フィードバック制御装置は、検出信号および目標値に従ってプローブの照射の出力を変動させ、それによって検出信号が目標値に向けて制御されるように構成される。このため、例えば、照射ビームの出力を変動させることができるか、または、照射ビームを、一連のパルスにおいてオンおよびオフにし、プローブに送達される平均照射出力、すなわち、平均出力を決定するパルスのマーク／スペース比を変動させることができる。同等に、単一のフライング・スポットが用いられる場合、プローブにおけるフライング・スポットにおいて費やされる時間量は、プローブに送達される平均照射出力を変動させるために変更され得る。
【００２７】
プローブ作動システムは、プローブがスキャナによって試料に対して（または逆も同様に）動かされ、相対的な走査運動を生成する、走査型プローブ装置の一部とすることができる。プローブは、例えば試料を測定するか、または試料上に材料を蒸着させるために、相対走査運動中に試料と相互作用するように操作される。通常、目標値は、プローブと試料との間の相対走査運動中に時間と共に変動する。
【００２８】
プローブ作動システムは、プローブが試料と相互作用して試料の何らかの特性（例えば、その表面トポロジー、もしくは弾性または組成等の材料特性）を測定する顕微鏡または他の装置の一部であってもよい。代替的に、プローブは、試料上の材料を除去するかもしくは蒸着させ、または何らかの他の方法で試料を変更するのに用いられてもよい。
【００２９】
ここで、添付の図面を参照して、本発明の実施形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】走査型プローブ顕微鏡を示す。
【図２】図１の顕微鏡において用いられるプローブの平面図である。
【図３】図２のプローブの端面図である。
【図４】干渉計検出システムを示す。
【図５ａ】図１の顕微鏡における制御システムの更なる詳細を示す。
【図５ｂ】代替的なフィードバック制御システムを示す。
【図５ｃ】フィードフォワード制御と組み合わされたフィードバック制御システムを示す。
【図６ａ】好ましい動作モードを概略形態で示す。
【図６ｂ】好ましい動作モードを概略形態で示す。
【図６ｃ】好ましい動作モードを概略形態で示す。
【図６ｄ】好ましい動作モードを概略形態で示す。
【図６ｅ】好ましい動作モードを概略形態で示す。
【図６ｆ】フィードバック制御に起因するプローブ振動、試料のくぼみ、および輝度変動を含む好ましい動作モードを示す。
【図６ｇ】フィードバック制御に起因するプローブ振動、試料のくぼみ、および輝度変動を含む好ましい動作モードを示す。
【図６ｈ】フィードバック制御に起因するプローブ振動、試料のくぼみ、および輝度変動を含む好ましい動作モードを示す。
【図６ｉ】フィードバック制御に起因するプローブ振動、試料のくぼみ、および輝度変動を含む好ましい動作モードを示す。
【図６ｊ】フィードバック制御に起因するプローブ振動、試料のくぼみ、および輝度変動を含む好ましい動作モードを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、ステージ２にある試料１を測定するための走査型プローブ顕微鏡を示す。ステージ２は、ＸＹ位置フィードバック制御装置５から制御ライン４の制御でＹ方向（図１の平面の内外）およびＸ方向（図１における左右）にステージを動かすことができる圧電素子３を組み込む。ステージ２は、ステージのＸ方向およびＹ方向の位置を検知する干渉計、静電容量センサまたは歪みゲージセンサ等のセンサ６も組み込む。センサ６は、検知ライン７において、Ｘ位置およびＹ位置をＸＹ位置フィードバック制御装置５に出力する。
【００３２】
図２および図３に示すプローブ・チップ１０を有するプローブがステージの上に搭載される。プローブ・チップ１０は円錐構造またはピラミッド構造を含み、この構造は、基部から、試料１と相互作用する最も近い点である遠位端までテーパ状に細くなる。プローブ・チップ１０は、軸が垂直方向（すなわち、図１に示す基準系に基づく−Ｚ方向）に延びた状態で示される。プローブ・チップ１０は、図２に示す第１のカンチレバー・アームおよび第２のカンチレバー・アーム１１ａ、１１ｂを含むチップ支持構造によって支持される。各カンチレバー・アームはカンチレバー・マウント１３から延び、近位端はマウントによって支持され、支持されない遠位端はマウントから離れている。各カンチレバー・アームの遠位端は、下側にプローブ・チップ１０を支持するブリッジ１４によってつながれる。
【００３３】
アーム１１ａ、１１ｂは、熱による膨張が異なる２つ（以上）の材料、通常、金またはアルミニウムのコーティングを有するシリコンまたは窒化シリコン基部から構成される熱バイモルフ構造である。コーティングは、アームの長さにわたって延び、チップ１０の逆側を覆う。作動制御装置２４の制御下で（１対のレーザ２２ａ、２２ｂの形態による）照射システムは、アームのコーティングされた側を、それぞれの第１の作動場所および第２の作動場所において、それぞれの輝度が変調された第１の照射スポットおよび第２の照射スポット１５ａ、１５ｂで照射するように構成される。
【００３４】
アーム１１ａ、１１ｂおよびブリッジ１４は、均一の厚みを有するモノリシック構造から形成される。例えば、モノリシック構造は、Ａｌｂｒｅｃｈｔ  Ｔ．、Ａｋａｍｉｎｅ
，  Ｓ．、Ｃａｒｖｅｒ，  Ｔ．Ｅ．、Ｑｕａｔｅ、Ｃ．Ｆ．  Ｊ．「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ｓｔｙｌｉ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ａ  １９９０，  ８，  ３３８６（以後、「Ａｌｂｒｅｃｈｔ他」と呼ばれる）に記載されているようなＳｉＯ２またはＳｉＮ４の薄膜を選択的にエッチングすることによって形成することができる。チップ１０は、Ａｌｂｒｅｃｈｔ他に記載されているように、アーム１１ａ、１１ｂおよびブリッジ１４と一体に形成されてもよく、電子ビーム蒸着等のアディティブ工法によって形成されてもよく、または別個に形成され、接着剤もしくは何らかの他の取付け方法によって取り付けられてもよい。
【００３５】
図１に戻ると、放射スポット１５ａ、１５ｂは、レーザ２２ａ、２２ｂから出力されるそれぞれの作動ビーム２０ａ、２０ｂによって生成される。作動制御装置２４は、第１の制御信号Ａ１をレーザ２２ａに出力し、レーザ２２ａは、これに従って自身のレーザ・ビーム２０ａの照射出力を制御し、同様に、作動制御装置２４は、第２の制御信号Ａ２をレーザ２２ｂに出力し、レーザ２２ｂは、これに従って自身のレーザ・ビーム２０ｂの照射出力を制御する。以下に更に詳細に説明するように、プローブ・チップ１０の高さおよび傾斜角を制御するために、２つの異なる制御信号Ａ１およびＡ２が独立して２つの作動場所における照射出力を制御する。
【００３６】
チップ支持構造は、プローブ・チップ１０を通る対称面１６を有し、第１の作動場所および第２の作動場所にあるスポット１５ａ、１５ｂは、対称面１６の両側に対称的に位置決めされる。
【００３７】
作動ビームの波長は、コーティングによって良好に吸収されるように選択され、それによって、各放射スポットは自身のそれぞれのアームのコーティングを加熱し、アームはその長手方向に沿って曲がり、プローブ・チップ１０を動かす。この例では、コーティングは試料と逆側にあり、このため、各アームは加熱されると試料の方に曲がるが、代替的に、コーティングは試料と同じ側にあってもよく、この場合、各アームが加熱されると試料から離れるように曲がる。更なる代替的な実施形態では、２つのアームのためのコーティングは、反対側にあってもよい。すなわち、アーム１１ａにおけるコーティングは上側（試料と逆側）にあって、アーム１１ａは加熱されると試料の方に曲がり、アーム１１ｂにおけるコーティングは下側（試料と同じ側）にあって、アーム１１ｂは加熱されると試料から離れる反対方向に曲がる。
【００３８】
一対の干渉計高さ検出器３０ａ、３０ｂが、対称面１６の両側に対称的に位置決めされた第１の検出場所および第２の検出場所における検出スポット３４ａ、３４ｂを介して２つの離間された検出場所においてプローブの高さを測定するように構成される。検出器３０ａ、３０ｂは図１に概略的に示され、図４は、干渉計３０ａのうちの１つをより詳細に示す（他方の干渉計３０ｂは同一である）。
【００３９】
図４を参照すると、光源５０からの光は、ビーム・スプリッタ５１によって、検出ビーム３２および基準ビーム３３に分岐される。検出ビーム３２は、対物レンズ５４によってプローブの背面上に合焦される。プローブから反射した後、反射した検出ビームは、ビーム・スプリッタ５５に向けられる。基準ビーム３３は、レトロリフレクタ５２を介して、ビーム・スプリッタ５５に向けられる。
【００４０】
ビーム・スプリッタ５５は、エネルギー吸収コーティングを有し、検出ビームおよび基準ビームの双方を分岐して、９０度の相対位相シフトを有する第１のインターフェログラムおよび第２のインターフェログラムを生成する。２つのインターフェログラムは、光検出器５３、５４においてそれぞれ検出される。
【００４１】
理想的には、光検出器信号は、９０度の位相差を有する相補的なサイン信号およびコサイン信号である。更に、これらの信号はＤＣオフセットがなく、等しい振幅を有し、カンチレバーの位置およびレーザ１０の波長のみに依拠する。光路差を変えながら既知の方法を用いて光検出器５３、５４の出力を監視し、それによって、等しい振幅および同相直角位相を有する２つの光検出器信号が完全に調和していないことの結果として生じる誤差を求め、補正を適用する。同様に、当該技術分野において知られている方法に従って、ＤＣオフセットレベルも補正される。
【００４２】
これらの光検出器信号は、専用ハードウェアまたはプログラムされたコンピューターとして提供することができる従来の干渉計可逆フリンジ・カウント装置およびフリンジ分割装置と共に用いるのに適している。直角位相フリンジ・カウント装置は、カンチレバーの位置における変位をλ／８の精度まで測定することが可能である。すなわち、５３２ｎｍの光の場合、６６ｎｍまでの精度である。信号のアーク・タンジェントに基づく既知のフリンジ分割技法は、ナノメートル・スケール以下までの精度への改善を可能にする。
【００４３】
２つのコヒーレント・ビーム間の経路差を抽出する干渉計測法は当該技術分野においてよく知られており、そのため更に詳細に説明することはしない。
【００４４】
本明細書において説明される干渉計は、ホモダイン・システムの１つの例である。説明される特定のシステムは、この用途に対しいくつかの利点を提供する。２つの直角位相インターフェログラムを用いることによって、複数のフリンジにわたって、このため大きな変位範囲にわたってカンチレバー変位の測定が可能になる。ビーム・スプリッタ５５における位相シフト・コーティングを用いることによって、例えば、検出ビームがカンチレバーから反射されるときの偏光の変化から生じる偏光効果に対する干渉計の感度が低減する。これらの原理に基づく干渉計の例が、米国特許第６６７８０５６号および国際特許出願第２０１０／０６７１２９号に記載されている。光学経路長の変化を測定することが可能な代替的な干渉計システムも本発明と共に用いることができ、例えば、２つの直角位相インターフェログラムを生成する偏光方法または二重周波数レーザを用いることにより実装されるヘテロダイン式干渉計を用いてホモダイン干渉計を実装することができる。適切なホモダイン偏光干渉計は、欧州特許第１８９２７２７号に記載されており、適切なヘテロダイン式干渉計は、本発明と共に用いるように適合され得る米国特許第５１４４１５０号に記載されている。
【００４５】
このため、検出場所ごとに測定される高さ信号Ｈａ、Ｈｂが、検出場所から反射された検出ビーム３２と基準ビーム３３との間の経路差に従って高さ検出器３０ａ、３０ｂによって生成される。２つの検出場所において検出ビーム３２によって生成される放射スポットは、図２において３４ａ、３４ｂをラベル付けされる。
【００４６】
図１に戻ると、測定される高さ信号Ｈａ、Ｈｂは、プローブ位置信号プロセッサ４０に入力される。プローブ位置信号プロセッサ４０は、プローブのチップの高さを示すプローブ・チップ高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺ＝（Ｈａ＋Ｈｂ）／２と、プローブの傾斜角を示す傾斜信号Ｔｉｐα＝ａｔａｎ（（Ｈｂ−Ｈａ）／Ｌ）（ここで、Ｌは検出スポット３４ａ、３４ｂ間の距離である）と、プローブ・チップ横方向位置信号ＴｉｐＰｏｓＸ＝Ｄ＊（（Ｈｂ−Ｈａ）／Ｌ）（ここで、Ｄはプローブ・チップ１０の長さである）とを生成する。ＴｉｐＰｏｓＸのこの計算は、チップが２つの検出スポット３４ａ、３４ｂの中間にあると仮定する。他の形状も可能であるが、ＴｉｐＰｏｓＸの計算に影響を及ぼす。
【００４７】
ＴｉｐＰｏｓＺは、試料の表面に直交する方向（Ｚ）におけるプローブの測定された位置を示し、ＴｉｐＰｏｓＸは、試料の表面に平行な横方向（Ｘ）におけるプローブの測定
された位置を示す。
【００４８】
これらの信号ＴｉｐＰｏｓＺ、ＴｉｐＰｏｓＸおよびＴｉｐαは、プローブの高さ、Ｘ位置および傾斜角を近似的に示すのみであるが、これは、高さ、Ｘ位置および傾斜角におけるわずかな変化についてかなり正確な近似であることに留意されたい。プローブが作動スポット１５ａ、１５ｂの双方によって同じ照射出力で同時に照射されるとき、アーム１１ａ、１１ｂは同じ量だけ下方に曲がり、それによってプローブは試料の方に（ＺＹ面において、本質的に、小さな角度の場合はＺ方向において）動き、高さ信号Ｈａ、ＨｂおよびＴｉｐＰｏｓＺに変化を引き起こすが、本質的に、ＴｉｐαまたはＴｉｐＰｏｓＸには変化を引き起こさない。
【００４９】
プローブが他のスポット１５ｂよりも大きな照射出力でスポット１５ａによって照射されるとき、プローブは（図３の視点から）時計回りに傾斜し、傾斜信号に負の変化を引き起こす。同様に、プローブが他のスポット１５ａよりも大きな出力でスポット１５ｂによって照射されるとき、プローブは（図３の視点から）反時計回りに傾斜し、傾斜信号に正の変化を引き起こす。プローブの動きは純粋な回転ではなく、プローブ高さ、従ってＴｉｐＰｏｓＺの変化もある程度引き起こすが、この高さの変化は、小さな傾斜角の場合、無視できると想定することができ、追加の高さ調整を導入することによって補正可能であることに留意されたい。
【００５０】
図１に戻ると、高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺはＺ位置フィードバック制御装置４２に出力され、Ｚ位置フィードバック制御装置４２は、カンチレバー・ビームＺ制御信号を作動制御装置２４に提供する。同様に、横方向位置信号ＴｉｐＰｏｓＸはＸ位置フィードバック制御装置４３に出力され、Ｘ位置フィードバック制御装置４３はカンチレバー・ビームＸ制御信号を作動制御装置２４に提供する。
【００５１】
画像は２つの方法のうちの１つにおいて生成することができる。（干渉計検出を用いる）１つの例では、高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺは画像収集および走査制御装置４１に出力され、画像収集および走査制御装置４１は走査の進路にわたるＴｉｐＰｏｓＺの変動に基づいて画像を編集する。（従来の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に類似した）別の例では、代わりに、カンチレバー・ビームＺ制御信号が画像編集のために制御装置４１に出力される。
【００５２】
プロセスの全体制御は、上記で説明した制御装置４１〜４３によって調整される。制御装置４１は、高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺのための目標値（ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ）および横方向位置信号ＴｉｐＰｏｓＸのための目標値（ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ）を生成するように構成される。目標値（ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ、ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ）は、試料の表面に直交する方向（Ｚ）におけるプローブの目標位置を表すプローブの目標位置ＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ、および試料の表面に平行な方向（Ｘ）におけるプローブの目標位置を表すＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄを効果的に表す。これらの目標値（ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ、ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ）の各々は時間と共に変動する。プローブが目標高さ値ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄまで動かされるか、または同等に試料との目標相互作用レベルおよび／または目標横方向の位置ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄまで動かされる場合、制御装置４１はＴｉｐＰｏｓＸ＿ＤｅｓｉｒｅｄおよびＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄをフィードバック制御装置４２、４３に入力する。Ｚフィードバック制御装置４２は、ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較した高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺを監視し、カンチレバー・ビームＺ制御信号を決定し、これを作動制御装置２４に出力する。カンチレバー・ビームＺ制御信号がΔＺだけ変化するとき、作動制御装置２４はΔＺに従って双方の作動場所における照射出力を変更し、測定される高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺが目標高さ値ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅ
ｄに向けて制御されるようにする。同様に、Ｘフィードバック制御装置４３は、ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較した傾斜信号ＴｉｐＰｏｓＸを監視し、カンチレバー・ビームＸ制御信号を決定し、これを作動制御装置２４に出力する。カンチレバー・ビームＸ制御信号がΔＸだけ変化するとき、作動制御装置２４はΔＸに従って作動場所における照射出力間の差を変更し、測定される横方向位置信号ＴｉｐＰｏｓＸが目標横方向位置ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄに向けて制御されるようにする。
【００５３】
プローブがＺおよびＸの双方に動かされるとき、作動制御装置２４は、レーザ２２ａにレーザ２２ａの輝度Ａ１を量（ΔＺ＋ΔＸ／２）だけ変化させ、レーザ２２ｂに、レーザ２２ｂの輝度Ａ２を（ΔＺ−ΔＸ／２）だけ変化させる。
【００５４】
２つの独立したＸおよびＺフィードバック制御装置４２、４３を有するのではなく、２つのフィードバック制御装置４２、４３を、Ｘ位置およびＺ位置の双方を制御する単一のフィードバック制御ユニットに統合することができることに留意されたい。ＸとＺとの間の結合による補正が必要な場合、単一のフィードバック制御装置への統合が好ましい場合がある。
【００５５】
ここで、好ましい動作モードを図５および図６ａ〜図６ｊを参照して説明する。図６ａは、ステップ１ａを有する試料１の走査結果を示す。制御装置４１は、図６ｃに示す波形を生成する、図５ａに示す波形生成器４１ｂを組み込む。上に記したように、図６ｃに示す目標値ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄは、時間とともに変動する。波形によって、プローブは、プローブの共振周波数よりも低い周波数に設定された周期的な往復運動を辿ることになる。波形は、図６ｂに示すように試料表面に対しチップを近付けることと離すこととを繰り返すと、図６ｃにおけるように周期的である場合もあるし、非周期的である場合もある。換言すれば、チップの往復運動の周期は、一定の時間間隔で分けられてもよく、例えば、規則的に間隔を空けられた画素格子をサンプリングするのではなく、試料の表面にわたって不規則な間隔で離れた様々な点をサンプリングするために、一定でない時間間隔で分けられてもよい。
【００５６】
測定の経過中、プローブは、表面検出器４１ａ（以下で更に詳細に説明される）によって表面が検出されるまで、一定の速度で試料表面に向かって動かされる。表面が検出された時点で、プローブは引き上げられ、表面検出地点における高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺが記録される。次に、表面高さの画像（すなわち、測定のマップ）が、圧電素子３の制御下で試料を横方向に動かしながらこのプロセスを繰り返すことによって作成される。これは通常、ラスター・パターンを辿るが、任意のｘ、ｙ配列を辿り得る。
【００５７】
次に、図６ａ〜図６ｊに示す動作モードを参照して、フィードバック制御装置４２、４３の動作が説明される。プローブが目標高さ値ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄおよび／または目標横方向位置ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄに動かされる場合、制御装置４１は、ＴｉｐＰｏｓＸ＿ＤｅｓｉｒｅｄおよびＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄをフィードバック制御装置４２、４３に入力する。
【００５８】
この例では、ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄは、図６ｃに示すように時間と共に往復して変動し、プローブが一定の速度で試料に向かって動くと、一定の率で減少する。走査制御装置４１は、プローブ高さ制御データを含むメモリ４１ｃを含み、このプローブ高さ制御データおよび表面検出器４１ａの出力に従って、ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄを生成するように構成される。プローブ高さ制御データは、Ｚ方向におけるプローブの必要な往復運動を定義し、例えば、試料に向かう接近速度、運動の最大振幅、および運動の繰返し間隔を定義する。代替的に、プローブ高さ制御データは、ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄが、試料の走査中にオン・ザ・フライで計算されることを可能にするアルゴリズム
を定義することができる。いずれの場合も、プローブ高さ制御データは、試料の走査中にオン・ザ・フライで生成されるのではなく、方法の実行の前にメモリ４１ｃに記憶されているという意味で、事前に定義されている。
【００５９】
試料に向かうそのような一定の接近速度を確保するために、Ｚフィードバック制御装置４２は、時変信号ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較した高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺを監視し、差を求め、この差を誤差信号（図６ｅに示す）として比例・積分・微分（ＰＩＤ）フィードバック制御装置４２ａに出力する。ＰＩＤフィードバック制御装置は、誤差信号に従ってカンチレバー・ビームＺ制御信号を生成し、このカンチレバー・ビームＺ制御信号を作動制御装置２４に出力する。次に、作動制御装置２４は、カンチレバー・ビームＺ制御信号における任意の変化ΔＺに従って双方の作動場所における照射出力を変更し、測定された高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺが目標高さ値ＴｉｐＰｏｓＺ＿ｄｅｓｉｒｅｄに向けて制御されるようにする。照射出力の変動が図６ｄに示される。
【００６０】
任意選択で、ｚ位置決めシステム（図示せず）は、カンチレバー・マウント１３または試料１の高さを制御することができ、設定された平均レベルのプローブ周期振幅を維持するように操作され得る。ここで、「プローブ周期振幅」とは、完全に引き上げた位置と、表面検出の地点との間の、周期ごとの高さの差である。この任意選択の構成の一例が図５ｂに示されている。図５ｂは、光熱作動システム２２ａ、２２ｂ、２４よりも大きな量だけカンチレバー・マウント１３を垂直（Ｚ）方向に上下に動かすことができる圧電ベース位置決めシステム６０も備える点を除いて、図５ａと同様である代替的な実施形態を示す。通常、位置決めシステム６０は、光熱作動システム２２ａ、２２ｂ、２４によって提供される運動の最大範囲よりも約１０倍の５μｍ（５＊１０−６ｍ）のオーダーの最大距離だけカンチレバー・マウント１３を動かすことができる。更なるＰＩＤフィードバック制御装置６１は、カンチレバー・マウント１３のＺ位置を制御し、プローブを光熱作動システム２２ａ、２２ｂ、２４の範囲内に維持する。図５ｃは、フィードバック制御装置に加えてフィードフォワード制御装置６２も含む点を除いて、図５ａと同様である更なる代替的な実施形態を示す。図５ｃは概略図にすぎず、ループ接続はより複雑であり得ることに留意されたい。フィードフォワード制御装置６２は、フィードフォワードが、全体的な周波数応答を拡張するためにプローブ／チップ動的転送機能の逆を用いるという点で、モデルベースのフィードバックの一形態を提供する。これは、熱力学、光力学および機械力学に対処することができる。フィードフォワード手法は、例えば、Ｐａｏ，  Ｌ．  Ｙ．、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ，  Ｊ．  Ａ．およびＡｂｒａｍｏｖｉｔｃｈ，  Ｄ．  Ｙ．、２００７「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ／Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００７  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  ＮＹ，  Ｊｕｌ．  １１−１３，  ｐｐ．  ３５０９−３５１５において、また、Ｃｌａｙｔｏｎ他、２００９「Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｎａｎｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  ＳＰＭ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，  １３１：６，０６１１０１において知られている。
【００６１】
表面検出器４１ａは、プローブ・チップが試料表面と相互作用する周期における地点を示す。図５ａ〜図５ｃの実施形態では、表面検出器４１ａへの入力は、Ｚフィードバック制御装置からの誤差信号（図６ｅ）であり、表面位置は、誤差信号が一定期間での閾値を超える各周期内の地点から表面検出器４１ａによって抽出される。
【００６２】
別の例（図示せず）では、表面検出器４１ａへの入力は、位置プロセッサ４０からの信号ＴｉｐＰｏｓＺであり得る。プローブ速度、または同等に高さ信号の変化率は、チップ
が表面に当たり、相互作用し始めると降下する。したがって、ＴｉｐＰｏｓＺの変化率が一定期間での閾値未満に降下する各周期内の地点から、表面位置が抽出される。
【００６３】
代替的に、プローブを、小さな振幅および高い周波数での共振で振動させ、「ディザリング」運動をもたらすことができる。この「ディザリング」運動は、図６ｃに示すより大きな振幅およびより低い周波数の波形に重ね合わされる。表面検出器は、信号ＴｉｐＰｏｓＺ内のこのディザリング運動の位相、振幅または周波数を監視し、位相、振幅または周波数が大幅に変化するとき、プローブが表面位置にあることを検出する。この場合、高周波数のディザリング運動は、信号ＴｉｐＰｏｓＺからフィルタリングされ、平均ＴｉｐＰｏｓＺ信号が生成され、この平均ＴｉｐＰｏｓＺ信号は、フィードバック制御装置に入力され、時変信号ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較され、誤差信号が生成される。代替的に、平均ＴｉｐＰｏｓＺ信号を用いるのではなく、ディザリング運動の最大点または最小点をフィードバック制御装置に入力し、時変信号ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較し、誤差信号を生成する。代替的に、平均ＴｉｐＰｏｓＺ信号を用いるのではなく、ディザリング運動の最大点または最小点をフィードバック制御装置に入力し、時変信号ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄと比較し、誤差信号を生成することができる。
【００６４】
表面検出地点が決定されると、表面検出ユニット４１ａは、トリガー信号を波形発生器４１ｂに送信する。これに応答して、波形発生器４１ｂは試料から離れるようにチップを引き上げるために、自身の出力（ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ）を変更する。
【００６５】
表面検出時のＴｉｐＰｏｓＺの値は、プローブ周期の各期間内でプローブが表面と相互作用するときのプローブの高さを与える。すなわち、この値は、画像を構築するために用いることができるプローブのｘ、ｙ位置における表面高さの尺度を提供する。測定される表面高さを表す各データ点は、走査ｘ、ｙ位置にマッピングされ、このため、画像における地点または画素を形成する。任意選択で、表面高さの複数の測定値を用いて、各画素を形成することができる。
【００６６】
画像は、プローブ周期の各期間内にプローブが表面を検出するかまたは表面と相互作用するときのプローブの高さｈ２（図６ｂに示す）に基づくことができる。代替的に、画像は、プローブが完全に引き上げられた位置から表面位置に到達するのにかかる時間ｔ２−ｔ１（これも図６ｂに示す）に基づき得る。完全に引き上げられた位置の高さｈ１および試料に向けたプローブ・チップの接近率ｖがわかっているので、高さｈ２はｈ２＝ｈ１−ｖ１＊（ｔ２−ｔ１）として計算することができる。
【００６７】
また、プローブが試料と相互作用する期間にわたって、高さ信号ＴｉｐＰｏｓＺを監視して、弾性データまたは試料の材料特性を示す他の材料データ、および画像を形成するのに用いられる材料データを生成することができる。これは、ステップ１ａの横断中のプローブ高さをより現実的に表す図６ｇに示されている。図６ｇでは、引き上げるフェーズ７０中のプローブの振動およびリング・ダウン、ならびに、プローブが７２において引き下げられる前に７１において試料に貫入するときのチップの高さの漸進的低減を含む。図６ｉは図６ｄと同様であるが、Ｚフィードバック制御装置４２がプローブの振動に応じて生じる輝度変動を含む。特に、接近フェーズ中の輝度変動７５は、（図６ｄと異なり）線形でなく、輝度は、プローブを迅速に引き込むために７６においてゼロの近くまで降下する。図６ｊは、誤差信号における振動、および表面検出器４１ａによって用いられるトリガー閾値７７の値も示す。
【００６８】
試料の画像は、通常、チップを試料に対しラスター・パターンで動かすことによって作成される。試料に対するプローブの必要な横方向（Ｘ）位置は、走査エリアの対向するエッジにおいて一定の速度および瞬時の方向反転を用いた高速ラスター走査を達成するため
の「三角波」往復運動である。この走査運動の基本周波数は、Ｘ方向において必要な周波数でステージの正弦波運動を生成する圧電素子３によって達成される。より高い周波数のＸ運動は、プローブを前後に傾斜させるレーザ２２ａ、２２ｂによって駆動される。したがって、ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄは、プローブ・ラスターが試料にわたって走査するにつれ経時的に周期的に変動する。走査制御装置４１は、プローブ横方向位置制御データを含むメモリ（図示せず）を備え、このプローブ横方向位置制御データに従ってＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄを変動させるように構成される。このため、目標値ＴｉｐＰｏｓＺ＿Ｄｅｓｉｒｅｄが図６ｃに示すように時間と共に変動するのとちょうど同様に、目標値ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄも時間と共に（三角波として）変動する。
【００６９】
Ｘフィードバック制御装置４３は、図５に示すＺフィードバック制御装置と同様の動作モードを有し、作動制御装置２４に出力されるカンチレバー・ビームＸ−制御信号を生成する。次に、作動制御装置２４は、作動場所における照射出力間の差を変更し、測定される横方向位置信号ＴｉｐＰｏｓＸが目標横方向位置ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄに向けて駆動されるようにする。
【００７０】
上記で記載した本発明の実施形態では、照射出力Ａ１、Ａ２は、作動レーザ２２ａ、２２ｂの輝度を変調することによって変更される。このため、この場合、作動スポットの瞬時加熱力が変化してプローブを動かす。代替的な実施形態では、レーザ２２ａ、２２ｂの輝度は一定に保たれるが、連続パルスにおいてオンおよびオフにされ、プローブに送達される平均照射出力、すなわち、平均出力を決定するパルスのマーク／スペース比を変動させることができる。同等に、単一のフライング・スポットが用いられる場合、各作動場所においてフライング・スポットによって費やされる時間量を変更し、それによって、各作動場所に送達される平均照射出力を独立して制御することができる。
【００７１】
図１〜図５の顕微鏡は、限定ではないが、図６に示す撮像モードを含むいくつかの異なる撮像モードで動作することができる。全ての場合に、横方向（ＸＹ）ラスター走査運動が、ＸＹ位置フィードバック制御装置５の動作によって試料１を動かすことによって、プローブ・チップ１０と試料１との間で生成される。接触撮像モードでは、プローブ・チップ１０は、全ての時点において試料と接触を保ち、その測定された高さＴｉｐＰｏｓＺは、画像収集および走査制御装置４１によって、試料表面のトポグラフィー形状の画像を編集するのに用いられる。図６を参照して上記で説明した断続的接触撮像モード（例えば、国際特許出願第２０１２／１０４６２５号に更なる詳細が記載されているように、その内容は参照により本明細書に援用される）では、プローブは、試料表面に向かうことと試料表面から離れることとを繰り返して動き、試料表面に断続的にのみ接触する。
【００７２】
上記の例では、制御装置４１は、ＴｉｐＰｏｓＸ＿Ｄｅｓｉｒｅｄをフィードバック制御装置４３に入力し、このため、目標値は、ＴｉｐＰｏｓＸによって測定されるようなプローブの目標横方向位置を表す。代替的に、制御装置４１は、目標値Ｔｉｐα＿Ｄｅｓｉｒｅｄをフィードバック制御装置４３に入力することができ、このため、目標値は、Ｔｉｐαによって測定されるようなプローブの目標傾斜角を表す。
【００７３】
本発明は、１つまたは複数の好ましい実施形態を参照して説明されたが、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができることが理解されよう。
【図１】
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【図２】
0006802065.tif 000003
【図３】
0006802065.tif 000004
【図４】
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【図５ａ】
0006802065.tif 000006
【図５ｂ】
0006802065.tif 000007
【図５ｃ】
0006802065.tif 000008
【図６ａ】
0006802065.tif 000009
【図６ｂ】
0006802065.tif 000010
【図６ｃ】
0006802065.tif 000011
【図６ｄ】
0006802065.tif 000012
【図６ｅ】
0006802065.tif 000013
【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図６ｈ】
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【図６ｉ】
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【図６ｊ】
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