(57)【要約】  本発明は、走査プローブ顕微鏡装置などの面走査型測定装置の走査ヘッドの面に対する位置決めのための位置決めアームに関する。位置決めアームは、その第１の端部に基部を備え、アームを基部により静的基準構造に取り付ける。位置決めアームは、基部から延びる第１及び第２のアーム部材を更に備え、第２のアーム部材は第１のアーム部材と平行に延びる。アームは、その第２の端部にブリッジ部材を備え、第１及び第２のアーム部材を接続する。第１及び第２のアーム部材はそれぞれヒンジ可能結合によって前記基部及び前記ブリッジ部材の各々に接続される。位置決めアームは、前記第１及び第２のアーム部材の長手方向に第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対変位を誘起し、横変位を横切る方向に位置決めアームの第２の端部を揺動させるためのアクチュエータを更に備える。ブリッジ部材は、走査ヘッドを支持するための支持部を含む。
2018520359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面走査測定装置の走査ヘッドの面に対する位置決めのための位置決めアームであって、前記位置決めアームは、その第１の端部における基部であって、前記アームを前記基部によって静的基準構造に対して取り付けるための基部を備え、前記位置決めアームは、前記基部から延びる第１のアーム部材及び第２のアーム部材を更に備え、前記第２のアーム部材は前記第１のアーム部材と平行に延び、前記位置決めアームはその第２の端部においてブリッジ部材を備え、前記ブリッジ部材は、前記位置決めアームの前記第２の端部において前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材を接続し、前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材の各々はそれぞれ、ヒンジ可能結合によって、前記基部及び前記ブリッジ部材の各々に対して接続され、前記位置決めアームは、横変位に対して横切る方向へ前記位置決めアームの前記第２の端部を揺動するために、前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材の長手方向への前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の相対変位を誘起するためのアクチュエータを更に備え、前記ブリッジ部材は前記走査ヘッドを支持するための支持部を備える、位置決めアーム。
【請求項２】
前記アクチュエータと協働して、その動作を制御して、前記第１のアームと前記第２のアームとの間の前記相対変位を制御するためのコントローラを更に備える請求項１に記載の位置決めアーム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位の量を取得するように構成され、前記コントローラは、前記相対変位の量に基づいて前記位置決めアームを横切る方向への前記ブリッジの横方向変位を計算するように構成される請求項２に記載の位置決めアーム。
【請求項４】
前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位を測定し、前記相対変位を示すセンサ信号を前記コントローラに与えるためのセンサユニットを更に備える請求項２又は３に記載の位置決めアーム。
【請求項５】
前記アクチュエータは、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間に配置され、前記アクチュエータは、前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材のいずれか一方に対して固定して取り付けられる第１のアクチュエータ部を備え、前記アクチュエータは、使用において前記アクチュエータの動作によって前記第１のアクチュエータ部に対して移動可能な少なくとも１つの第２のアクチュエータ部を備え、前記第２のアクチュエータ部は、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位を誘起するために前記第２のアーム部材に作用する請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置決めアーム。
【請求項６】
前記アクチュエータは、
前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間における大きなストロークの長手方向変位を可能にするスピンドル型アクチュエータなどの大ストロークアクチュエータ要素と、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間における小さなストロークの長手方向変位を可能にするピエゾ型アクチュエータなどの小ストロークアクチュエータ要素と、
のうちの１以上を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の位置決めアーム。
【請求項７】
前記大ストロークアクチュエータ要素はスピンドルを備え、前記スピンドルは、前記第２のアクチュエータ部に含まれるとともに、前記第１のアクチュエータ部と協働してそれに対して移動可能であり、前記第２のアクチュエータ部は、前記スピンドルの先端に取り付けられるとともに前記小ストロークアクチュエータを形成するピエゾ型アクチュエータを更に備える請求項５又は６に記載の位置決めアーム。
【請求項８】
前記第１のアーム部材に対する前記第２のアーム部材のオフセット位置に向けて方向づけられる前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間における戻り力を与えるために、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間にばね部材が取り付けられる請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置決めアーム。
【請求項９】
前記アクチュエータの少なくとも一部を囲むカバーを更に備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の位置決めアーム。
【請求項１０】
前記カバーは、ベローズ、柔軟なカバー要素、スリーブ、布及び容器要素を含むグループのうちの少なくとも１つの要素を含む請求項９に記載の位置決めアーム。
【請求項１１】
前記センサユニットは、干渉計などの光学距離センサ、及び誘導センサや容量センサなどの電気的近接センサを含むグループのうちの少なくとも１つの要素を含む少なくとも請求項４に従属する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の位置決めアーム。
【請求項１２】
面走査測定装置の走査ヘッドを支持面に対して位置決めする方法であって、
前記走査ヘッドの前記設置を行うためにその第１の端部において基部を備える位置決めアームが使用され、前記基部は静的基準構造に取り付けられ、前記位置決めアームは前記基部から延びる第１のアーム部材及び第２のアーム部材を更に備え、前記第２のアーム部材は前記第１のアーム部材に対して平行に延び、前記位置決めアームはその第２の端部においてブリッジ部材を備え、前記ブリッジ部材は、位置決めアームの前記第２の端部において前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材を接続し、前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材の各々はそれぞれ、ヒンジ可能結合によって、前記基部及び前記ブリッジ部材の各々に接続され、
前記方法は、
前記位置決めアームの前記ブリッジに接続された支持構造から走査ヘッドを支持するステップと、
前記位置決めアームが有するアクチュエータにより、前記第１のアーム部材及び前記第２のアーム部材の長手方向への前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の相対変位を誘起することによって、前記支持構造を移動させて、前記相対変位を横切る方向へ前記位置決めアームの前記第２の端部を揺動させるステップと、
を更に含む方法。
【請求項１３】
前記アクチュエータと協働するコントローラによって、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位を制御するための前記アクチュエータの動作を制御するステップを更に備え、
前記制御するステップは、
前記コントローラによって、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位の量を取得することと、前記コントローラによって、前記相対変位の量に基づいて前記位置決めアームを横切る方向への前記ブリッジの横方向変位を計算することとを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
センサユニットを用いて、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位を測定することと、
前記相対変位を示すセンサ信号を、前記センサユニットによって前記コントローラに与えることと、を更に含む請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間に、前記第１のアーム部材に対する前記第２のアーム部材のオフセット位置に向けて方向づけられる戻り力を与えることを更に含み、前記戻り力は、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間に取り付けられたバネ部材によって与えられる請求項１２〜１４のうちのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面走査測定装置の走査ヘッドを面に対して位置決めするための位置決めアームに関し、位置決めアームは、その第１の端部において基部を備え、静止した基準構造体に対して基部によりアームが取り付けられる。本発明はさらに、走査プローブ顕微鏡装置の走査ヘッドの面に対する位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置のような走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）装置は、例えば、面上の半導体トポロジーの走査のために半導体産業に適用されている。この技術の他の用途は、生物医学産業、ナノテクノロジー、及び科学的用途に見られる。特に、ＡＦＭは、重大な欠陥計測（ＣＤ計測）、粒子走査、応力及び粗さ測定に使用することができる。ＡＦＭ顕微鏡法は、非常に高い精度で面の可視化を可能にし、サブナノメートルの分解能で面要素の可視化を可能にする。他の面走査測定装置は、例えば光学式近接場走査装置を含む。
【０００３】
多くのＳＰＭ装置は、基準面や基準フレームなどの面に対する走査ヘッドの正確な位置決めのために位置決めアームを適用する。理解されるように、ＳＰＭの測定の精度は、走査ヘッドが位置決めされる精度によって直接的に影響される。例えば、位置決めアームは、面上（又は面下）の或る距離にわたって走査ヘッドまで延在し、そして走査ヘッドを所望の位置に揺動させる。
【０００４】
正確な位置決めは、ＳＰＭシステムのセンサ、フィードバック及び制御ユニットによって確実にされる。このようにして多くの用途のために許容可能なレベルの精度を達成することができるが、走査型プローブ顕微鏡法がしばしば実施される寸法の典型的なスケールに対して、更なる精度が多くの場合歓迎される。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、走査プローブ顕微鏡検査システムにおける走査ヘッドの位置決めの精度を向上させることである。
【０００６】
このために、面走査測定装置の走査ヘッドを面に対して位置決めするための位置決めアームがここに設けられ、位置決めアームは、静的な基準構造に対して基部によりアームを取り付けるために、その第１の端部において基部を有し、位置決めアームは、基部から延在する第１及び第２のアーム部材を更に有し、第２のアーム部材は第１のアーム部材と平行に延在し、位置決めアームは、その第２の端部においてブリッジ部材を有し、ブリッジ部材は位置決めアームの前記第２の端部において第１のアーム部材及び第２のアーム部材を接続し、第１の及び第２のアーム部材の各々は、ヒンジ可能結合によって、それぞれ前記基部及び前記ブリッジ部材の各々に接続され、位置決めアームは、横方向変位に対して横断する方向に位置決めアームの第２の端部を揺動させるために、前記第１及び第２のアーム部材の長手方向における第１及び第２のアーム部材間の相対的な変位を引き起こすためのアクチュエータを更に備え、ブリッジ部材は、走査ヘッドを支持するための支持部を備える。
【０００７】
本開示全体を通して、面走査測定装置という用語は、特に走査プローブ顕微鏡装置（scanning probe microscopy devices）を含むものとして解釈されるべきである。さらに、本発明は、本開示において意味する面走査測定装置でもある光学式近接場走査装置（optical near field scanning devices）にも適用することができる。光近接場走査装置は、とりわけ、顕微鏡検査を実施するために適用され得る。本文書は多くの場合走査プローブ顕微鏡装置、システム及び方法に言及するが、本文書の教示は光学式近接場走査装置にも同様に適用できることが理解される。したがって、テキストが「走査プローブ顕微鏡装置」（またはシステム）を具体的に言及する多くの場合において、この用語は、本発明から逸脱することなく、用語「光学式近接場走査装置」（またはシステム）としばしば入れ替えることができる。
【０００８】
上記の「ヒンジ可能結合」という用語は、面に対して横断する回転軸周りにおいて少なくともヒンジで動作可能である結合を指す。好ましくは、任意の他の方向の回転が望ましくない場合、ヒンジ可能結合のうちの少なくとも１つは、面に対して横断する回転軸の周りでのみヒンジで動作可能である。さらに好ましくは、位置決めアームを、面を横切る軸の周りでの回転以外の任意の回転方向へ十分に静止させるために、基部、第１のアーム部材、ブリッジ、及び第２のアーム部材の間のすべてのヒンジ可能結合は、面を横断する回転軸のまわりにのみ回転について制限される。
【０００９】
本発明において、アクチュエータは、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対変位を引き起こすことを可能にする。この相対変位は、第１及び第２のアーム部材の長手方向に向けられ、したがって第１のアーム部材及び第２のアーム部材を互いに平行に移動させる。例えば基部が第１のアーム部材とのヒンジ可能結合を有すること、及び第２のアーム部材との更なるヒンジ可能結合を有することを考慮する。第１のアーム部材を第２のアーム部材に対してその長手方向に変位させることにより、第１及び第２のアーム部材に対する基部の角度のある姿勢が変化する。基部を静的基準構造に固定することにより、長手方向への第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対的な変位を誘発することにより、基部が静的基準構造に固定されるので、第１の及び第２のアーム部材は、両方のアーム部材に対する基部の傾斜した姿勢の変化のために、同じ方向に移動する。さらに、第１のアーム部材とのヒンジ可能結合及び第２のアーム部材とのさらなるヒンジ可能結合を有するブリッジ部材は、常に第１及び第２のアーム部材に対して基部の傾斜した向きと同じ角度の向きにとどまる。この原理は長方形を描くことによって容易に理解することができ、その長方形の長辺が第１のアーム部材及び第２のアーム部材を概略的に表し、その長方形の短辺がそれぞれ基部及びブリッジ部材を表す（例えば以下に説明する図２Ａ及び２Ｂ参照）。ヒンジ可能結合がその長方形の四隅に位置することを考慮すると、その長方形の長辺の一方を他方の長辺に対して長手方向に変位させることにより、その長方形は平行四辺形に変化する。短辺の一方（基部）を例えば壁に対して固定することにより、長方形の長辺間の同じ変位は、アーム部材を同じ方向に揺動させる。しかし、ブリッジ部材、すなわち長方形／平行四辺形の他の短辺は、第１及び第２のアーム部材に対して常に基部と同じ角度の向きを維持する。言い換えれば、ブリッジ部材は常に基部と平行である（ただし、これらは最初から平行であるという条件である）。
【００１０】
このように、位置決めアームのアクチュエータが長手方向への第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対的な変位を誘発することにより、ブリッジ部材が常に同じ姿勢を維持しつつ、本発明の位置決めアームは、面に垂直な回転軸の回りを揺動する。この原理は、面に対する走査プローブ顕微鏡装置の走査ヘッドの高精度な位置決めを可能にするために、本発明の位置決めアームにおいて用いられている。走査ヘッドがブリッジ部材によって支持されるか、またはブリッジ部材に取り付けられる場合、このような位置決めアームの揺動を正確に制御することができ、揺動中の走査ヘッドの向きを変化させない。例えば、基準面、例えば原子間力顕微鏡法を行うための非常に正確な基準グリッドを提供する面、に対して走査ヘッドが位置決めされる場合、位置決めアームの揺動は、基準フレーム上の基準に対する走査ヘッドの向きを変えることなく、走査ヘッドをアームに垂直な方向へ移動させることを可能にする。位置決めの間に固定された走査ヘッドの向きを維持することにより、従来の位置決めアームにおけるように、揺動中の走査ヘッドと基準フレームとの間の向きの変化に起因する誤差源が排除される。したがって、本発明の位置決めアームを用いて、より正確に、走査ヘッドの位置決めが行われ、検査されてもよい。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、位置決めアームは、アクチュエータと協働するコントローラであって、その動作を制御して第１のアームと第２のアームとの間の相対変位を制御するためのコントローラを更に備える。このコントローラは、位置決めアーム自体に配置されてもよく、またはアクチュエータを正確に制御するためにアームに通信可能（無線接続または有線接続のいずれか）に接続された外部コントローラまたは制御手段であってもよい。
【００１２】
それの一実施形態によれば、コントローラは、第１及び第２のアーム部材間の相対変位量を取得するように構成されてもよく、そのコントローラは、その相対変位、すなわち第１及び第２のアーム部材間の相対変位、の量に基づいて、位置決めアームを横切る方向へのブリッジの横方向変位を計算するように構成される。理解されるように、本発明の位置決めアームでは、第１及び第２のアーム部材に対する基部の傾斜姿勢の変化（及び同様にブリッジ部材のそれ）は、第１及び第２のアーム部材間の相対変位に直接的に依存する。第１及び第２のアーム部材間の相対変位と基部またはブリッジ部材の傾斜した向きとの間の関係に関する利用可能なデータをコントローラに対して格納またはそうでなければ作成することにより、コントローラは、第１及び第２のアーム部材間の相対変位を直接的に制御する（及び知る）ことによって、位置決めアームの横断方向へのブリッジの横方向変位を正確に制御することができる。当業者にとっては、第１及び第２のアーム部材間の相対変位の量を利用可能または知るようにするための様々な可能性が利用可能である。例えば、この情報は、アクチュエータの一部であり得るステッピングモータによって行われる回転ステップをカウントすることによって、コントローラに対して既に利用可能であり得る。いずれの方向のステップ数を追跡しても、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対変位は、原則としてコントローラに知られる。理解されるように、これは、いくつかのケースでは、ステップをカウントしないか、またはカウントの追跡を失うリスクのため、十分に正確ではない可能性がある。
【００１３】
したがって、本発明のさらなる実施形態によれば、位置決めアームは、第１及び第２のアーム部材間の相対変位を測定するための、及び前記相対変位を示すセンサ信号をコントローラに対して提供するためのセンサユニットを更に備える。センサにより相対変位を単純に検知することによって、相対変位が直接的に測定され、コントローラにとって利用可能となる。或いは、コントローラが（例えばステッピングモータのステップをカウントすることによって）相対変位自体を追跡しつつ、同時にこの情報が、相対変位を直接的に測定するセンサユニットを介して提示されてもよい。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、位置決めアームのアクチュエータは、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間に配置され、アクチュエータは、第１または第２のアーム部材のいずれか一方に固定的に取り付けられる第１のアクチュエータ部を備え、前記アクチュエータは、使用の際にアクチュエータの動作によって第１のアクチュエータ部に対して移動可能な少なくとも１つの第２のアクチュエータ部を備え、前記第２のアクチュエータ部は、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位を誘発するために、前記第２のアーム部材に対して作用する。これらの実施形態による位置決めアームは、アクチュエータが第２のアーム部材に作用しつつ第１のアーム部材に固定されるコンパクトな設計を含む。アクチュエータは、例えば、スピンドル型アクチュエータのような第１及び第２のアーム部材間の大きなストロークの長手方向の変位を可能にするための大ストロークアクチュエータ要素、またはピエゾ型アクチュエータのような第１及び第２のアーム部材間の小さなストロークの長手方向の変位を可能にするための小ストロークアクチュエータ要素のうちの１以上を備えていてもよい。特に、大ストロークアクチュエータ要素及び小ストロークアクチュエータ要素の両方を含むことにより、アームに対して横切る方向の位置決めアームの揺動を正確に制御することができる。走査ヘッドの厳密な位置決めは、それらが通過する基準面上の基準を監視するフィードバックシステムを使用して、監視されてもよい。
【００１５】
更に別の実施形態によれば、大ストロークアクチュエータ要素はスピンドルを備え、スピンドルは、第２のアクチュエータ部に含まれ、第１のアクチュエータ部と協働してそれに対して移動可能であり、第２のアクチュエータ部は、前記スピンドルの先端に取り付けられるピエゾタイプのアクチュエータであって、小ストロークアクチュエータを形成するピエゾタイプのアクチュエータを更に備える。この実施形態では、スピンドル型アクチュエータとピエゾ型アクチュエータとが重ね合わされ（すなわち互いに延在し）、それにより、（例えばステッピングモータを使う）スピンドルを作動させることによって大きなストロークが達成可能である一方で、ピエゾタイプのアクチュエータを作動させることにより小さなストロークが達成可能であるように、協働する。例えば上述したようなものである、センサユニットを使って、相対変位を正確に検出することができる。理解されるように、いくつかの実施形態では、アクチュエータの第１の端部が第１のアーム部材に固定されつつ、第２の端部が第２のアーム部材に固定され、アクチュエータの動作が第２のアーム部材を第１のアーム部材に対して変位させてもよい。しかしながら、代替的に、例えば第２のアクチュエータ部の、端部が第２のアーム部材上の構造要素に単に当接する（すなわち固定がない）一方で、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の戻りばねは、第２のアーム部材上の構造要素が第２のアクチュエータ部の端部に隣接してとどまることを確保してもよい。
【００１６】
基部と第１のアーム部材との間、第１のアーム部材とブリッジとの間、ブリッジと第２のアーム部材との間、及び第２のアーム部材と基部との間のヒンジ可能結合は、当業者に知られている任意の適切なタイプのものでよい。本発明の位置決めアームに適用することができるヒンジ可能結合の有利なタイプは、ハーバーランドタイプ（Ｈａｂｅｒｌａｎｄ  ｔｙｐｅ）のヒンジであってもよい。ハーバーランドヒンジは、相対角度変位のために２つの部材を接続する柔軟な接合部である。したがって、このタイプのヒンジはいかなるベアリングも必要としない。更に、ハーバーランドヒンジは、必要な力に対するたわみに関して高度な再現性を有する。ベアリングの不在は、ヒンジの動作中にそこから生じる汚染を排除する。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、位置決めアームは、アクチュエータの少なくとも一部を取り囲むカバーを更に備える。アーム上のアクチュエータの一部または全部を囲むカバーは、使用中のアクチュエータによって気づかないうちに生じた汚染を捕捉する。理解されるように、位置決めアームのいずれかの部分からの汚染は、測定システムの精度を破壊しうる。これらの実施形態のいくつかによれば、カバーは、ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）、柔軟なカバー要素、スリーブ、布又は容器要素を含むグループの少なくとも１つの要素を含むことができる。
【００１８】
第１のアーム部材と第２のアーム部材との間の相対変位を測定するセンサユニットは、干渉計などの光学距離センサ、誘導センサ又は静電容量センサなどの電気近接センサを含むグループのうちのいずれかを含むことができる。
【００１９】
本発明のさらなる態様によれば、走査プローブ顕微鏡装置又は光学式近接場走査装置のような面走査測定装置が提供され、この装置は、走査プローブ顕微鏡装置の走査ヘッドの面に対する位置決めのための上記の実施形態のいずれかによる位置決めアームを備える。
【００２０】
本発明の第３の態様によれば、面走査測定装置の走査ヘッドを支持面に対して位置決めする方法が提供され、前記配置を行うために走査ヘッドにおいて、その第１の端部において基部を備える位置決めアームの使用がなされ、基部は静的な基準構造に対して取り付けられ、位置決めアームは基部から延びる第１の及び第２のアーム部材を更に備え、第２のアーム部材は第１のアーム部材と平行に延び、位置決めアームは、その第２の端部においてブリッジ部材を備え、ブリッジ部材は位置決めアームの前記第２の端部において第１の及び第２のアーム部材を接続し、第１の及び第２のアーム部材の各々はそれぞれヒンジ可能結合によって前記基部及び前記ブリッジ部材の各々に接続され、その方法は、位置決めアームのブリッジに接続される支持構造から走査ヘッドを支持するステップと、位置決めアームが有するアクチュエータによって前記第１及び第２のアーム部材の長手方向への第１及び第２のアーム部材間の相対変位を誘発することにより支持構造を動かして、その相対変位を横切る方向に位置決めアームの第２の端部を揺動させるためのステップと、を更に含む。
【００２１】
その方法は、アクチュエータと協働するコントローラによって、第１及び第２のアーム部材間の相対変位を制御するためのアクチュエータの動作を制御するステップを備え、その制御するステップは、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間の前記相対変位の量をコントローラによって取得し、相対変位の量に基づいて位置決めアームを横断する方向のブリッジの横方向変位を前記コントローラによって計算することを含む。
【００２２】
更に別の実施形態によれば、その方法は、センサユニットを用いて、第１及び第２のアーム部材間の相対変位を測定すること、及び前記相対変位を示すセンサ信号をセンサユニットによってコントローラに提供することを含んでいてもよい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、その方法は、第１のアーム部材に対する第２のアーム部材のオフセット位置に向けて方向づけられた第１及び第２のアーム部材間の戻り力を提供することを含み、前記戻り力は、第１及び第２のアーム部材間に取り付けられるばね部材によって与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明は、添付の図面を参照して、そのいくつかの具体的な実施形態の説明によって更に明らかにされる。詳細な説明は、本発明の可能な実施形態の例を提供するが、その範囲内にある唯一の実施形態を説明するものと見なすべきではない。本発明の範囲は特許請求の範囲に規定されており、その説明は本発明を限定するものではなく例示的なものとみなされるべきである。図面は以下の通りである。
【図１】図１は、走査型プローブ顕微鏡の走査ヘッドを位置決めするための従来の位置決めアームを概略的に示す。
【図２Ａ】本発明による位置決めアームを概略的に示す図である。
【図２Ｂ】本発明による位置決めアームを概略的に示す図である。
【図２Ｃ】本発明による位置決めアームを概略的に示す図である。
【図２Ｄ】本発明による位置決めアームを概略的に示す図である。
【図３】図３は、本発明による走査プローブ顕微鏡装置における位置決めアームの側面図である。
【図４Ａ】図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本発明の位置決めアームの上面図及びそのアクチュエータの拡大図である。
【図４Ｂ】図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本発明の位置決めアームの上面図及びそのアクチュエータの拡大図である。
【図５】図５は、アクチュエータの図４Ｂの概略図の拡大図である。
【図６】図６は、本発明による位置決めアームの動作を概略的に示す。
【図７】図７は、本発明による位置決めアームのアクチュエータのＣＡＤ図である。
【図８】図８は、本発明の方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
走査プローブ顕微鏡装置の従来の位置決めアーム１が図１に概略的に示されている。位置決めアーム１の関連部分のみが図１に示されている。アーム１は通常、アームの端部でＸ及びＹ方向への走査ヘッド４の移動を可能にし、Ｘ方向をアーム３の長手方向として定め、Ｙ方向を、面を横切ってアームの長手方向と直交する方向（横方向）として定めてもよい。また図１は基準グリッド６を概略的に示し、基準グリッド６は、基準グリッド６を含む面に対する走査ヘッド４の正確な位置を追跡するために光学フィードバックシステムにおいて使用され得る。
【００２６】
従来のアーム１は、アーム部材３を含むことができ、アーム部材３の端部において走査ヘッド４が存在することができる。走査ヘッド４は、任意の種類の支持構造体又はキャリアによって支持されてもよい。アーム部材３は、その他端がヒンジ５を介して固定基部２に接続されていてもよい。基部２は、フォースフレーム（ｆｏｒｃｅ  ｆｒａｍｅ）又はメトロロジーフレーム（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｆｒａｍｅ）（図示せず）などの走査プローブ顕微鏡装置の静止基準構造に対して固定されていてもよい。ヒンジ５は、基準グリッド６が存在する面を横断する回転軸の周りにおけるアーム部材３の回転を可能にする。走査ヘッド４をアーム部材３に対して横方向であるＹ方向に移動させるために、アーム部材３をヒンジ５によって回転軸周りに回転させる。例えば、アーム部材３は、図１に点線で示した位置３’に来ることができる。この位置では、走査ヘッド４は、図１に示す位置４’にある。図１から以下のように、走査ヘッド４はオフセット位置に対して横方向に変位されるだけではなく、その配向角度が、走査ヘッドの位置４に対して位置４’において異なる。静的基準グリッド６に対する異なる配向角度のために、位置４’における走査ヘッド４の検出可能な位置に不正確さが取り入れられる。理解されるように、走査プローブ顕微鏡システムは高度な精度で顕微鏡検査を行うことができるので、走査ヘッド４のＹ方向への変位によって引き起こされる不正確さは望ましくない。
【００２７】
本発明による位置決めアームの原理が図２Ａ〜図２Ｄに概略的に示されている。図２Ａは、本発明による位置決めアーム８を概略的に示す。この非常に概略的な図は、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１を含む長方形を示し、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１はその長方形の長辺を形成する。アーム８は更に、その最終端において基部１２及びブリッジ部材１３を含む。基部１２、第１のアーム部材１０、ブリッジ１３及び第２のアーム部材１１は、ヒンジ１７、１８、１９及び２０によって形成されたヒンジ可能結合によって相互に接続されている。ヒンジ１７〜２０の回転軸は、図２Ａの図の紙に垂直である。位置決めアーム８の用途に応じて、ヒンジ１７、１８、１９及び２０はそれらの用途に応じた追加の回転軸又は追加の自由度を任意に具備しうることを当業者は理解することができる。本発明に関し、少なくとも図２Ａの紙に対して垂直な回転軸は、ヒンジ１７〜２０によって可能である。多くの用途において、位置決めアーム８は一方向への回転を可能にすることが要求されるが、他の方向の回転はしばしば望ましくない。その場合、図２Ａのヒンジ１７、１８、１９及び２０及び位置決めアーム８は、紙に垂直な回転軸の周りでのみ回転を可能にすることができる。
【００２８】
図２Ａはスタート位置を示し、そのスタート位置では、基部１２と第１のアーム部材１０との間、第１のアーム部材１０とブリッジ部材１３との間、ブリッジ部材１３と第２のアーム部材１１との間、及び第２のアーム部材１１と基部１２との間の角度の各々は、１８０度である。図２Ｂに示すように、第２のアーム部材１１が第１のアーム部材１０に対して長手方向に変位すると、その矩形は図示のように平行四辺形に変換される。この状況において、基部１２と第１のアーム部材１０との間の角度及びブリッジ部材１３と第２のアーム部材１１との間の角度は９０度より小さくなり、第１のアーム部材１０とブリッジ部材１３との間の角度及び第２のアーム部材１１と基部１２との間の角度は９０度よりも大きくなる。図２Ｂの例では、第２のアーム部材１１は、第１のアーム部材１０に対して長手方向に距離ｄにわたって相対的に変位される。
【００２９】
図２Ｃは、基部１２が静的基準構造２２に対して固定された状況を示す。壁の形態の静的基準構造２２は、第１のアーム部材１０、第２のアーム部材１１、基部１２及びブリッジ部材１３の間の角度にかかわらず、基部１２を所定位置に維持する。第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間に同じ相対変位ｄが適用された場合、基部１２の静的基準構造２２に対する固定のために、位置決めアーム８は、図２Ｃに示すおおよそ角度α回転される。おおよそ角度αのその回転は、ブリッジ部材１３を距離又はストロークＳにわたって変位させる。ストローク又は偏位Ｓの大きさは、ピタゴラス定理を使用して検出することができる。図２Ｃから以下のように、回転角αがどのようになるかにかかわらず、基部１２とブリッジ部材１３とは常に互いに平行である。したがって、走査ヘッドがブリッジ部材１３によって取り付け又は支持される場合には、本発明の位置決めアーム８は、Ｙ方向（すなわち、位置決めアーム８に対して横方向）への走査ヘッドの変位を許容しつつ、すべての状況下で配向角を同じに維持する。これは、従来の位置決めアームの使用に起因する角度の変化した向きによって引き起こされる不正確さを排除する。アーム８の回転を可能にするために必要なのは、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間で長手方向の相対変位を引き起こすことができる機構である。
【００３０】
そのような相対変位を適用して制御するための可能な機構を含む本発明の位置決めアーム８の概略図が、図２Ｄに概略的に示されている。この図では、アクチュエータ要素２５が、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１にそれぞれ接続された構造部材２９及び３０に作用する。好ましい実施形態では、アクチュエータ２５は、例えば第１のアーム部材１０に対し、固定される一方で、その最終端部は第２のアーム部材１１の構造要素３０に当接することができる。第２のアーム部材１１及び第１のアーム部材１０のそれぞれに接続される更なる構造要素３８及び３７の間における戻りばね４０は、構造要素３０がアクチュエータ２５の最終端部に当接したままであることを確実にすることができる。図２Ｄによって二つの矢印によって示されるようにアクチュエータ２５を拡大又は引っ込ませることによって、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の相対変位を制御することができる。これにより、本発明のアーム８の回転が可能になる。
【００３１】
理解され得るように、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の相対変位を制御及び監視して、走査ヘッド４２のＹ方向の変位を制御できるようにすることが好ましい。したがって、位置決めアーム８はコントローラ３３を備えることができ、そのコントローラ３３は、その作動をコントロールするためにアクチュエータ２５に通信可能に接続されている。位置決めアーム８は、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の正確な相対変位を検出することを可能にするセンサユニット２６を更に備えることができる。センサユニット２６は、レーザビーム２７を要素３０上に存在する鏡面反射面（ｓｐｅｃｕｌａｒ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）に送る光学センサユニットとしうる。戻りビームは、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の相対変位を正確に測定する干渉計によって捕捉されてもよい。或いは、センサユニット２６は、電気式センサユニット（例えば容量センサ又は誘導センサ）などの異なるタイプであってもよい。センサユニット２６は、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の検出された相対変位を入力として使用してアーム８の回転角度を計算するコントローラ３３にセンサ信号を与える。例えば、メモリ３４は、検出された相対変位とアーム８の回転角との間の関係に関するデータを提供してもよい。
【００３２】
位置決めアーム８の側面図は、図３に概略的に示されている。位置決めアーム８は、その基部１２によって更なるアクチュエータ５２に対して取り付けられてもよく、その更なるアクチュエータ５２は、静的基準構造５０上のレール５１と協働することによって、Ｘ方向（矢印５３によって示される方向）へのアーム８の延長を可能にする。ブリッジ部材１３から延長するキャリア４４は、走査ヘッド４２を支持する。走査ヘッド４２が基準面５５に対して正確に位置決めされている場合（これは、面５５上の基準グリッドを監視することによって検出されうる）、走査ヘッド４２を、そのフィード４６とともに基準４５上に注意深く位置決めすることができる。そして、走査ヘッド４２は位置決めアーム８から機械的に自由である。次に、走査されるべきウェハは、上方（図示せず）から、プローブ５５が走査顕微鏡検査を実施することによってウェハ面の検知を可能にするまで、下方へ移動されることができる。
【００３３】
図４Ａは、本発明の位置決めアーム８の概略上面図を示す。図４Ａは、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１と、基部１２及びブリッジ部材１３とを示す。基部１２は静止した基準構造２２に取り付けられている。ヒンジ１７、１８、１９及び２０は、ハーバーランドヒンジとしても知られている固定可能ヒンジである。ハーバーランドヒンジは、加えられた力に対する偏向角の高度な再現性を提供する。そのような力は、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１のそれぞれの構造要素２９、３０間に変位を引き起こすアクチュエータ２５によって、加えられてもよい。図４Ａの円で囲まれた部分の拡大図が図４Ｂに示されており、アクチュエータ２５をより詳細に示す。図４Ｂは、図５において更に拡大されている。
【００３４】
図５に示すように、アクチュエータ２５は、大きなストローク及び小さなストロークを誘起するためのいくつかのアクチュエータ部を含む。第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の大きなストロークの相対変位を誘発するために、要素６１において回転するスピンドル６０によって大ストロークアクチュエータ部が与えられる。スピンドル６０の端部において、ピエゾタイプのアクチュエータ６５が、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の小さなストローク変位を誘発すること可能にする。理解されるように、第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の小さなストローク又は大きなストロークの変位を使用するために、異なるタイプのアクチュエータを適用することができる。スピンドル６０の作動は、それを構造要素３０の方向に伸長させることによって、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１のそれぞれにおいて力６７及び６８を誘起する。この結果、第１及び第２のアーム部材１０，１１間の相対変位、ひいては本発明の位置決めアーム８の回転が生じる。図５は、相対変位の正確な検出を可能にするように鏡面反射面にレーザビーム２７を提供する光学センサユニット２６を更に示す。
【００３５】
要素６１を含むピエゾアクチュエータ６５及びスピンドル６０は、アクチュエータ２５の動作に起因するどんな汚染も位置決めアームの下方の面上に落ちることを防ぐカバー５８（ここではベローズ）の内側に配置される。理解されるように、走査プローブ顕微鏡装置が操作される状況下では、わずかな汚染さえも面の不正確な測定を引き起こすことがある。これは、カバー５８によって可動部分のいずれをも覆うことによって防止される。図５は、構造要素３０が常にアクチュエータ２５の端部に当接することを確実にするように、第２のアーム部材１１を第１のアーム部材１０に対して付勢する戻りばね４０を更に示す。
【００３６】
図６は、本発明の位置決めアーム８の動作を概略的に示す。図６において、構造要素２９及び３０に作用するアクチュエータ２５によって誘起される第１のアーム部材１０と第２のアーム部材１１との間の相対変位は、走査ヘッド４２を横方向に変位させるために位置決めアーム８において回転をもたらす。図６から以下のように、ブリッジ部材１３は、アーム８の回転角度に関係なく、基部１２に対して平行のままである。これは、走査ヘッド４２の配置と、走査ヘッド４２が配置される面５５上に位置する基準グリッド上のその位置の正確な検証と、を可能にする。また図６は、バーランドヒンジ１７、１８、１９及び２０の動作を示す。
【００３７】
図７は、本発明の位置決めアームにおいて適用されたアクチュエータの拡大されたＣＡＤ画像を提供する。アーム８は、２つの戻りばね４０−１及び４０−２を備えている。アクチュエータは、ベローズの形態のカバー５８によって囲まれたピエゾ型アクチュエータ６５と、スピンドル６０と、を含む。要素２６’は、電気式のセンサユニットである。本ケースにおいて、センサユニット２６’は、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１のそれぞれの間の相対変位を正確に検出することができるインダクタ型（ｉｎｄｕｃｔｏｒ  ｔｙｐｅ）のセンサユニットである。
【００３８】
図８は、走査プローブ顕微鏡装置における面に対する走査ヘッドの位置決めを制御するための本発明の方法を概略的に示す。８０においてスタートし、コントローラは、ステップ８２における面に対する新たな望ましいＸＹ位置を受信することができる。新たな位置を受け取ったら、コントローラ３３はステップ８４においてセンサユニット２６を作動させて走査ヘッドの現在のＹ位置を検出することができる。理解されるように、ステップ８４の前、途中又は後、或いは図８の方法の終わりに向かってさえも、コントローラ３３は、Ｘ位置を調整することもできる。図３を参照すると、Ｘ位置の調整は、必要な変位に応じて、位置決めアーム８を延長することによって又はそれを後退させることによって、従来的に達成されてもよい。走査ヘッド４２の現在のＸ位置の調整は、本発明に関して関連性がないと考えられるので、図８の方法には示されていない。
【００３９】
Ｙ位置を調整するために、ステップ８４において、センサユニット２６はコントローラ３３によって作動させられ、現在のＹ位置を検出する。ステップ８６において、コントローラ８３は、センサユニット２６から現在のＹ位置を受信する。次のステップ８８では、コントローラは、現在のＹ位置が正しいＹ位置かを、それを受信した新しいＸＹ位置と比較することによって検出する。面に対する走査ヘッド８２の現在のＹ位置が正しくない場合、その方法は、コントローラ３３によってアクチュエータ９０を動作させることによって継続する。アクチュエータ９０を動作させるために、コントローラ３３は、小さなストロークのアクチュエータ部及び大きなストロークのアクチュエータ部のどちらかを操作してもよく、第１のアーム部材１０及び第２のアーム部材１１の間の相対変位と、位置決めアームの回転角度αとの間の関係を定めるメモリ３４からのデータを読み出すことによってそうしてもよい。所望の量の変位を誘発するためのアクチュエータを操作した後、オペレータはステップ８４に戻り、センサユニット２６が現在のＹ位置を検出するために操作されることができる。ステップ８６において現在のＹ位置を受信した後、コントローラ３３は受信したＹ位置が正しいかどうか再度チェックする。
【００４０】
ステップ８８において、ステップ８６で検出されたＹ位置が実際にステップ８２の受信された新しいＸＹ位置の所望のＹ位置であると検出された場合、その方法はステップ９２に進み、現在のＹ位置をメモリ３４に記憶することができる（このステップは随意的である）。そして、９４において示されるように、例えば新たなＸＹ位置がコントローラによって受信されることになって、その方法は終了する。
【００４１】
本発明は、そのいくつかの特定の実施形態に関して記載されてきた。図面に示され、本明細書に記載された実施形態は、例示目的でのみ意図されており、いかなるやり方又は手段によっても本発明を限定することが意図されていないことが理解される。本明細書で論じられる本発明の文脈は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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