自动扫描探针显微镜系统中的精密探针部署相关申请信息
本申请要求美国临时申请号为61/943,802，申请日为2014年2月24日的美国申请
的权益，该美国申请通过引用在此并入。
技术领域
本发明总体上涉及扫描探针显微镜(SPM)并且，更具体地，涉及控制自动扫描探针
显微镜的探针定位致动器以迅速将SPM探针重新定位到关注特征上。
背景技术
扫描探针显微镜(SPM)(比如原子力显微镜(AFM))是通常使用尖锐尖端来以直至
纳米级尺寸表征样本的表面的仪器。用于本发明目的的术语纳米级指的是小于1微米的尺
寸。SPM监测样本和探针尖端之间的交互。通过提供在尖端和样本之间的相对扫描运动，表
面特征数据可以在样本上的特定位置上获取，并且相应的位置地图可以生成。由于它们的
分辨率和多功能性，SPM在从半导体制造到生物研究的许多不同领域中是重要测量装置。在
其他应用中，SPM系统可以用于测量样本的纳米机械性质。
典型的SPM的探针包括非常小的悬臂，该悬臂在其底部固定到支撑件并且具有从
相对自由端延伸的尖锐探针尖端。探针尖端被使得非常靠近或接触待检查的样本的表面，
并且响应于探针尖端与样本的交互的悬臂的偏转使用非常灵敏的偏转检测器(例如在汉斯
马等人美国专利号为RE 34,489的美国专利中所描述的光学杠杆系统)或一些其它偏转检
测器(比如应变计、电容传感器等)来测量。使用作用在样本支撑件、探针或两者的组合上的
高分辨率三轴扫描仪在表面上扫描探针。因此，仪器能够产生探针和样本之间的相对运动，
同时测量样本的形貌或其他表面性质或纳米机械性质。
不同的SPM探针尖端形状用于各种应用。通常用于测量某些纳米级特征的高度、用
于测试材料性质(例如弹性模量)或用于操纵非常小的对象的一种类型的尖端形状是具有
相对简单轮廓的尖形状(例如抛物线的)。为了成像或测量表面特征(比如竖直侧壁和底切
区域)并且进行临界尺寸(CD)测量，SPM利用更复杂的探针尖端形状，比如靴形或倒置蘑菇
形探针尖端，其中一些可以具有沿着扫描方向的一个或多个突起。
SPM可以被配置为以多种模式操作，包括用于测量、成像或以其他方式检查表面的
模式和用于测量样本的纳米机械性质的模式。在接触模式操作中，显微镜通常使尖端扫描
通过整个样本表面同时保持恒定的探针-样本交互力。在振荡操作模式(有时被称为轻敲模
式)中，SPM的尖端被振荡，同时在探针的悬臂的谐振频率或靠近探针的悬臂的谐振频率下
与样本交互。该振荡的振幅或相位角受探针-样本交互的影响，并且振荡的变化被感测。
当探针在样本的表面上扫描时，探针定位控制系统监测探针与样本表面的交互，
例如悬臂的偏转(在接触模式的情况下)或者振荡振幅或相位角的变化(在振荡模式的情况
下)。控制系统调整相对于样本的探针的位置(或在振荡模式的情况下的平均位置)，以保持
恒定的探针-样本交互。位置调整因此追踪样本的形貌。以这种方式，与位置调整相关联的
数据可以被存储，并且被处理为表征样本的数据。该数据可以用来构建检查样本的表面的
图像，或者对选择的表面特征(例如，特征的高度)进行某些测量。
探针位置调整受通过驱动电路驱动的悬臂定位致动器的影响。用于悬臂致动器的
各种技术是已知的，包括压电和磁换能器。驱动电路产生探针定位信号，并且放大探针定位
信号以产生施加于致动器的驱动信号。驱动信号连续地重新定位探针与样本的间隔距离以
追踪样本表面的任意形貌。因此，驱动信号具有从零赫兹到与SPM的最大操作频带宽度相关
联的频率的频带宽度，该频带宽度对应于最大速度，在最大速度下探针可以追踪样本表面
的形貌。
样本的检查，具体地，晶片样本的检查需要将探针定位在样本上的精确位置，以使
晶片的某些部分可以被扫描并且晶片上的关注特征的形貌图像可以获取。为此，晶片配准
点(registration point)被识别并且x-y坐标系或导航坐标系被内置到将探针相对于这些
配准点定位的SPM。
用于当今的先进集成电路的半导体制造工业中的石英厚度的缺陷监测和检查被
进行，以确保晶片印刷的保真度。重要的是，石英厚度差在掩模生产中被严格控制。因此，
SPM具有从埃到微米的范围内的亚纳米厚度计量精度，并且用于在竖直或厚度/高度方向上
的计量，用于线或沟槽宽度、侧壁角度、线边缘粗糙度(LER)、线宽度变化(LWV)和侧壁粗糙
度(SWR)的计量。此外，SPM提供用于缺陷检查的关键的三维形貌信息。因此，SPM允许缺陷的
更精确的分类并且因此允许用于消除缺陷的更快的解决方案的时间。
对于计量和缺陷检查，图像部署精度是总测量不确定性的关键因素。传统的自动
SPM系统采用光学显微镜和视频成像系统来扫描且捕获相对于晶片上的独特位置的晶片特
征信息。该特征信息用来限定基于晶片的坐标系，该坐标系然后与SPM系统坐标系相关，用
于导航到使用SPM探针尖端后续成像和检查的关注特征。
使用各种配准校准方案；其中晶片上的单个点或多个点被扫描且被捕获以限定晶
片坐标系的原点和纵轴，以及晶片从载入到台上的旋转和剩余的正交性以及存在的尺度误
差。造成导航不准确性是由扫描用作晶片配准位置中的原点和偏斜消除点(deskew point)
的限定中的基线标记的特征而造成的不确定性。例如，与原点位置的限定相关联导致的误
差可以导致定位晶片上其它特征的系统偏差至少等于原点限定中的误差项。
两个主要的位置不确定性的来源存在于采用用于导航的光学显微镜的所有SPM系
统的晶片配准中。第一来源是视频捕获系统的最小像素分辨率。即使当使用像素间插值时，
由于晶片特征位置的视频捕获系统限定的不准确性，不可忽略的位置精度误差也可以导致
关注特征的将来不可接受的导航不准确性。第二来源是探针尖端和视频视场的中心之间的
物理偏移的结果。这种物理偏移必须在使探针尖端与先前在视频捕获系统中限定/成像的
样本表面的关注区域接触的任何导航移动中被校准和校正。尽管存在用来校准和校正这些
偏移的众所周知的方法，但是仍然存在来自这种偏移校准的不可忽略的误差，偏移校准可
以容易地超过许多应用的所需导航精度要求。此外，由于获取可接受的导航精度和探针尖
端的机械退化的增加的复杂性，常规的基于视频的晶片配准系统具有过多扫描时间的额外
问题。
在工业中需要的是一种否定关注特征的导航不准确性同时改进扫描探针显微镜
中扫描时间和限制探针退化的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例满足用于改进的SPM探针尖端部署精度和测量自动化通量的产业
需要，同时有利地降低定义坐标配准位置中的不确定性的影响。本发明的一个实施例提供
用于表征样本的目标区域的扫描探针显微镜(SPM)系统和方法。在一个实施例中，SPM系统
具有包括尖端的探针，该尖端具有适于与样本的纳米级特征交互的顶部，其中样本的顶部
和特定纳米级特征的相对位置在视觉上不可见。SPM系统进一步包括样本数据模块、探针定
位系统、SPM坐标配准模块(coordinate registration module)和SPM坐标配准模块。
样本数据模块根据样本特定坐标系来保持样本的远距离区域中的多个关注特征
中的每个的位置信息并且也保持多个关注特征中的每个的特征识别信息。在一个实施例
中，特征识别信息包括相应的关注特征的结构特性。
探针定位系统包括致动器和致动器控制电路，该致动器控制电路被配置为根据
SPM坐标系来用亚微米分辨率调整探针和样本之间的相对定位。在一些实施例中，相对定位
的调整包括探针和样本之间的相对定位的往返运动(shuttling)以将探针全局地重新定位
到样本的远距离区域中的特定位置，以及在目标区域内扫描以使探针尖端和样本的纳米级
特征交互以产生该目标区域的三维图像。
SPM坐标配准模块管理样本特定坐标系和SPM坐标系之间的动态关系。在一些实施
例中，SPM坐标配准模块基于多个关注特征中的至少一个的扫描和特征识别信息来确定样
本特定坐标系和SPM坐标系之间的一组对准误差，以及将校正应用于SPM坐标系以偏移所确
定的对准误差。
扫描区域选择控制模块可操作地连接到探针定位系统和SPM坐标配准模块。在一
个实施例中，扫描区域选择控制模块使探针定位系统将探针和样本之间的相对定位从样本
上的初始位置往返运动到对应于样本的亚微米远距离区域的样本上的后续位置，在该区域
中多个特征中的后续的一个被定位。在一个实施例中，扫描区域选择控制模块执行对多个
特征中的后续的一个的扫描，并且使SPM坐标配准模块更新该组对准误差并将更新的校正
应用于SPM坐标系。
在一个实施例中，关注特征中的至少一个包括基准标记(fiducial marker)。例
如，在一些实施例中，初始位置可以是基准标记。在一个实施例中，关注特征中的至少一个
可以位于远离另一个关注特征所在的区域的区域中。例如，后续的关注特征的位置可以远
离初始的关注特征的位置。在一个实施例中，样本上各个关注特征所在的初始和后续区域
相距至少1厘米。在另一个实施例中，初始和后续区域相距至少1000微米。在另一个实施例
中，初始和后续区域相距至少100微米。在一个实施例中，扫描检查被暂停，同时使探针和样
本之间的相对定位从初始位置往返运动到后续位置。
在一个实施例中，探针是能够在线宽范围和底切(undercut)特征的范围内进行高
度线性测量的临界尺寸(CD)探针(critical dimension probe)。在一个实施例中，探针形
成为靴形CD原子力显微镜(AFM)探针。
在一个实施例中，扫描探针显微镜系统进一步包括被配置为建立探针相对于样本
的至少初步定位的路线定位系统(course positioning system)。在一个实施例中，当使探
针和样本之间的相对定位从样本上的初始位置往返运动到样本上的后续位置时，使用路线
定位系统。在一个实施例中，路线定位系统缺乏对应于在扫描检查期间探针相对于样本的
标准运动范围或振幅的亚微米分辨率。例如，在一个实施例中，路线定位系统的分辨率大于
1微米。在一个实施例中，路线定位系统也可以需要更大的视场以确定所需位置。例如，在一
个实施例中，视场大于100微米。
在一个实施例中，路线定位系统有时可以结合基于光学的定位系统来操作。在一
个实施例中，初步或初始位置根据基于光学的定位系统来确定。在一个实施例中，基于光学
的定位系统扫描样本上直径大于1微米的区域。在一个实施例中，基于光学的定位系统受其
固有成像分辨率的限制，因为探针顶部和样本的特定纳米尺度特征的相对位置在视觉上不
可见。
在一些实施例中，为了提供在调整探针和样本之间的相对定位的更高的精确度，
路线定位系统和亚微米分辨率能力的探针定位系统一起操作以能够更精确定位。在一个实
施例中，SPM系统可以利用基于光学的定位系统和用于探针和样本之间的更精确定位或调
整的SPM坐标系以优化探针-样本交互。在一个实施例中，SPM系统变得更精确，因为它越来
越依赖于SPM坐标系。具体地，与纯基于光学的定位系统的成像分辨率限制相反，与SPM坐标
系的交互允许亚纳米分辨率。在一个实施例中，SPM坐标系数据的至少一部分被存储为计算
机辅助设计(CAD)数据。在一个实施例中，多个更新的校正应用于SPM坐标系以偏移所确定
的对准误差，从而进一步增加在操作期间探针相对于样本的定位的精确度。因此，本发明的
实施例提供一种SPM系统和方法，由此显着降低寻找要扫描的特定关注特征所花费的时间
量。
以上概述不旨在描述本发明的每个所示的实施例或每个实施方式。下面的附图和
具体实施方式更具体地例示了这些实施例。
附图说明
结合附图，考虑以下本发明各种实施例的具体实施方式，本发明可以更完整地被
理解，其中：
图1是描述了根据本发明的实施例的SPM系统的顶层功能图；
图2是描述了根据本发明的实施例的表征样本的坐标系、探针的相对运动和基于
光学的定位系统的部分的相对运动之间的关系的图；
图3是描述了根据本发明的实施例的具有由样本特定坐标系表征的特定位置的样
本的俯视图；
图4描述了根据本发明的实施例的SPM坐标配准模块的架构；
图5描述了根据本发明的实施例的程序模块的架构；
图6A是描述了根据本发明的实施例的样本的扫描的过程流程图；
图6B是描述了根据本发明的实施例的运用同时使用SPM坐标系的样本的扫描的过
程流程图；
图7描述了SPM系统的操作工况，其中沿着时间线绘制了各种操作。
尽管本发明的实施例适于各种修改和替代形式，但是其细节通过附图中的示例示
出并且将被详细描述。然而，应当理解的是，意图不是将本公开限制为所描述的具体实施
例。相反地，意图是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等
同物和替代物。
具体实施方式
参照图1，描述了示出了根据本发明的实施例的扫描探针显微镜(SPM)系统100的
一部分的顶层图。系统100包括保持探针104的悬臂102。探针104用来检查样本106。例如，各
种类型的样本106可以包括冶金样本、半导体装置、存储装置(比如磁盘驱动器盘)、聚合物
样本、生物结构、微机电系统(MEMS)结构、纳米结构等等。样本106通常包括具有待检查的一
个或多个关注特征的有限连续表面108。表面108可以是适于通过扫描探针显微镜检查的任
何合适的表面。
目标区域(即，指定用于扫描的区域)的尺寸通常由所需测量分辨率、扫描或测量
速度和SPM仪器的可用范围以及时间限制来控制。然而样本106可以具有数百平方厘米量级
的目标区域，目标区域通常在微米或甚至亚微米的量级。给定样本106通常在一个或多个关
注特征所在的多个特定位置检查。例如，在半导体晶片中，十个或更多个不同的关注特征可
以在晶片上的特定位置被选择，作为表示整个晶片的统计样本集。在每个特定位置，SPM通
常根据已知技术以光栅线(raster line)方式进行某些测量或扫描样本106的表面108(从
而进行一系列测量)。在一些实施例中，多个临界尺寸(CD)测量被获取用于关注特征，比如
在多个位置的线或沟槽的宽度。
在一个实施例中，探针104包括尖端110，尖端110具有设计为适于与表面108的形
貌交互的顶部。在一些实施例中，探针104可以使用国家标准和技术研究所(NIST)可追溯标
准(traceable standards)来校准以确保测量精度。在一个实施例中，探针是通过使用靴形
CD原子力显微镜(AFM)探针实现精确测量三维(3D)特征的临界尺寸(CD)探针。术语形貌在
本文中被限定为样本106的区域或样本106的一部分的天然和人造物理特征的设置的三维
轮廓的表示，包括但不限于在样本106的亚微米远距离目标区域内的表面108的纳米级特
征。样本106的自然和人工物理形貌特征可以例如包括线、槽、壁、角、腔、突起等等。在一个
实施例中，探针104的使用精确地提供在线宽范围内的高度线性测量，并且不受特征类型、
密度或材料类型的影响。在一些实施例中，使用探针104的扫描能够测量底切特征。
样本106的扫描检查通过经由移动悬臂102、样本106或悬臂102和样本106两者来
相对于表面108安置或定位探针104而实现，以便在样本106和探针104之间建立可检测的交
互。探针104在样本106上或跨越样本106扫描，而探针尖端110的顶部112与样本的纳米级特
征交互。在一个实施例中，顶部112和样本的纳米级特征的相对位置在视觉上不可见。
在一个实施例中，SPM系统100可以包括探针定位系统，其中致动器114相对于表面
108通过由悬臂102移动探针104来调整探针-样本交互。在相关的实施例中，致动器114可以
相对于悬臂102移动样本106，或者致动器114可以移动样本106和悬臂102。在一个实施例
中，致动器114可以是压电叠堆。在其它实施例中，致动器114可以采用任何数量的替代致动
技术，包括但不限于其它压电装置，由电致伸缩、磁致伸缩、静电、感应和/或音圈驱动机构
形成的致动器和响应于输入信号而产生运动的其它致动器。此外，相关领域的技术人员将
认识到的是，SPM系统100可以被构造以使包括探针104和样本106之间的连接的机械结构减
少或避免阻尼、共振或以其他方式与探针104和样本106之间的相对运动交互。例如，在一个
实施例中，致动器114可以固定地连接到底盘，其中样本106也固定地连接到底盘。
在一个实施例中，悬臂102可以大体上正交于表面108或与表面108成斜角地延伸。
悬臂102也可以包括沿着一个或多个运动的平面的平移或旋转运动分量。在样本106的扫描
检查期间，悬臂102可以进行频繁调整以保持适当的探针-样本交互。为了简单起见，主
轴——沿着主轴悬臂102调整探针104以保持与样本106的形貌的交互——将被称为z轴。
可以提供附加机械系统116以使探针104和样本106相对于彼此沿着其它轴线移
动，以使探针104可以大体上平行于表面108移动，沿着样本106的表面108追踪，或者从样本
106上的初始位置重新定位到对应于与样本106上初始位置所处的目标区域远离的目标区
域的后续位置。为了简单起见，该运动将被称为在x-y方向上或沿着x或y轴的运动。在一个
实施例中，机械系统116可以促进这种运动。机械系统116可以包括用于移动悬臂102、样本
106或两者的致动器。在一个实施例中，用于沿x轴和y轴定位探针104的致动器是压电叠堆
或上述其它技术之一。
当探针104在样本108上扫描时，致动器114调整悬臂102或样本106的相对定位以
产生保持探针-样本交互，这导致探针104追踪表面108的形貌。在一个实施例中，除了沿着
x-y平面的运动之外，机械系统116可以促进悬臂102的振荡运动。在振荡模式系统中，探针-
样本交互可以在振荡周期内进行平均，以产生表示当探针104在表面108上扫描时要保持的
探针-样本交互的水平的相应标量。
机械系统116可以进一步包括用于沿着z轴粗调的路线定位系统，该粗调用于接合
和分离探针104和表面108之间的交互。在一些实施例中，粗调可以提供比在扫描检查期间
对应于悬臂102、探针104或样本106的运动或振幅的标准范围的微动或调整更大的振幅或
位移率。在一些应用中，比如表面108的形貌在致动器114或机械系统116的标准范围之外产
生巨大变化的情况下，可以使用路线定位系统来重新定位悬臂102或样本106，用于优化探
针-样本交互。在一些实施例中，粗调可以在其沿着z轴的分辨率上受限制，并且因此对于扫
描来说可能不如微调一样有用。
在一个实施例中，路线定位系统可以进一步包括沿着x和y轴的粗调，该粗调用于
相对于样本106更快速地定位探针104。在一些实施例中，沿着x轴和y轴的粗调可以提供比
对应于x轴和y轴扫描期间的标准运动范围的微调更大的位移率。当建立探针104相对于样
本106的初始位置时，可以使用沿着任何轴的路线调整。当在探针104和样本106之间的相对
位置往返运动以将探针104全局地重新定位到样本106的远距离区域中的特定位置时，也可
以使用路线调整。与微调相比，使用路线调整相对于样本106的探针104的定位更快，但是更
不精确。例如，在一个实施例中，当使用路线调整时，与探针104相对于样本106的预期定位
相比，探针104相对于样本106的实际定位可以变化超过1微米。除了路线调整分辨率大于1
微米之外，路线调整也可以需要更大的视场以确定所需位置。在一个实施例中，视场可以大
于100微米。
在一个实施例中，探针定位系统被配置为调整探针104和样本106之间的相对定位
以优化探针-样本交互。探针定位系统可以包括致动器114，并且也可以包括机械系统116的
致动器。探针定位系统也可以包括致动器控制电路，比如控制器118、放大器120、反馈网络
122和负载隔离器124的部分。在一个实施例中，控制器118包括多个模块以辅助探针定位。
在一个实施例中，SPM系统100包括适于监测探针-样本交互的监测器130。在一个
实施例中，SPM系统100可以包括基于光学的定位系统，其中监测器130产生表示探针-样本
交互的信号132，并且将信号132馈送到控制器118，控制器118将信号132与表示要保持的探
针-样本交互的量的设定点信号进行比较。在一个实施例中，控制器118产生探针定位信号
126，该探针定位信号126通过放大器120放大以产生悬臂驱动信号128。在一个实施例中，放
大器120用单个电路板上的分立和集成电气或电子部件来实施。在其他实施例中，放大器
120的电路跨越多个相互连接的电路板或多个单独的相互连接的附件。放大器120可以与内
部反馈网络122和负载隔离器124合作以进一步改进或改善探针定位。
在一个实施例中，基于光学的定位系统与探针定位系统一起工作。在一个实施例
中，基于光学的定位系统扫描样本106上直径大于1微米的区域或者当从扫描区域的一个边
缘到扫描区域的另一个边缘测量时扫描样本106。根据来自基于光学的定位系统的信号，探
针104相对于样本106的实际位置的精度可以由监测器130的成像分辨率来限定。
在其他实施例中，其他类型的控制拓扑是可能的。例如，前馈控制系统或基于模型
的控制系统可以用来提供探针104和样本106之间的相对定位的调整，以优化探针-样本交
互。换句话说，该系统可以采用其它数据，比如用于探针104和样本106之间的更精确的定位
或调整的已知坐标系，以优化探针-样本交互。在一个实施例中，粗运动系统和微运动系统
一起操作以使精确的x-y-z定位成为可能。在相关的实施例中，定位精度精确到成像分辨率
的数量级内(例如，5-10纳米内)。更通常地，定位系统精确到提供足够精确的以用亚微米分
辨率调整探针104和样本106之间的相对位置的探针-样本定位的点。
在一个实施例中，SPM系统100包括监测系统，其中监测器130利用激光器和干涉仪
来测量悬臂102的偏转。在一个实施例中，监测器130产生表示探针-样本交互的信号132，并
且将信号132馈送到控制器118。控制器118产生探针定位信号126，该探针定位信号126作为
表面108的拓扑的表示输入到分析器134，以产生扫描区域或目标区域中的纳米级特征的三
维图像。在振荡模式实施例中，可以通过观察悬臂102的振荡特性的变化来监测探针-样本
交互，比如由于来自探针-样本交互的谐振特性的变化而引起的振荡的相位偏移的移动中。
在一个实施例中，监测器130可旋转地移动，可以沿着x-y平面平移或其组合。监测器130的
运动也可以通过路线和调整或运动的微水平来表征。
参照图2，描述了通过样本特定坐标系136表征的样本106。也描述了样本特定坐标
系136与SPM坐标系138和监测系统坐标系140的关系。
在一个实施例中，样本特定坐标系136沿着x-y-z轴提供样本106的坐标系。在另一
个实施例中，样本特定坐标系136限于x-y轴。样本特定坐标系136可以用来限定样本106上
的特定位置。参见图3和附加讨论的附文。
在一个实施例中，SPM坐标系138提供坐标系以帮助沿着x-y-z轴在探针104和样本
106之间的相对定位。在另一个实施例中，SPM坐标系138限于x-y轴。SPM坐标系138可以通过
探针定位系统采用以在操作期间提供亚微米分辨率。
在一个实施例中，监测器坐标系140沿着x-y轴提供用于监测器130的坐标系。监测
器坐标系140可以用来限定在操作期间将被监测的位置。
参照图3，示出了包括多个关注特征142的示例性样本106。如上所述，样本106上的
多个关注特征142的具体位置可以根据样本特定坐标系136来限定。在一个实施例中，关注
特征142可以包括配准点，或者称为基准标记144。关注特征142可以包括特征识别信息。这
样的特征识别信息可以包括用于一个或多个相关联的关注特征142的结构特性，包括例如
参照点、关注特征142内或接近关注特征142的已知位置、关注特征142的度量、关注特征142
的界限或边界的一部分。一个或多个关注特征142也可以用来定向样本106的视场或使其消
除偏斜。
在一个实施例中，样本特定坐标系136内的各种已知点或关注特征142的特定位置
的表示可以被存储为位置信息。这样的位置信息可以例如存储在样本数据模块中。在一个
实施例中，位置信息可以包括样本106上的多个关注特征142中的每个的位置，或包括特征
识别信息的其他特定位置的表示。在一些实施例中，位置信息可以通过SPM系统100使用来
调整探针104和样本106之间的相对定位，从而减少寻找要扫描的特定关注特征142所花费
的时间量。具体地，与纯基于光学的定位系统相反，与位置信息的交互允许亚纳米分辨率。
在一个实施例中，通过外推例如关注特征142坐标数据，探针定位系统可以用来快
速且精确地跟随行进线148到关注特征142的坐标。一旦探针104被定位成接近关注特征
142，则目标区域146被扫描以获取形貌数据。在一些实施例中，一个或多个关注特征142可
以全局定位为彼此处于局部，以使目标区域146彼此接触或重叠。供选择地，一个或多个关
注特征146可以全局定位为彼此远离，以使当调整探针104和样本106之间的相对位置时，通
常可以使用路线定位系统。
使用位置信息的一个益处是取消任意偏斜消除和开始点的常规使用，从而允许导
航到仅基于关注特征的设计数据位置限定的关注特征142，其通过移除手动站点导航过程
来降低自动测量设置的负担。因此，使用如位置信息中提供的已知坐标和特征限定，探针
104和样本106的相对位置可以以更高的精度快速重新定位，从而提高扫描操作的效率。
通常，当样本106相对于探针104定位用于扫描时，确定位置偏移、旋转偏移或偏
斜。在一些实施例中，这包括管理样本特定坐标系和存储的位置信息数据之间的关系，以解
决这种偏移或偏斜。在具有监测器130的SPM系统100中，探针104的相对位置可以使用基于
光学的定位系统导航到初始位置附近。可以执行通过探针104的初始扫描以确定特征识别
信息的精确位置。在一些实施例中，可能需要扫描一个或多个特定位置以建立样本特定坐
标系和存储的位置信息数据之间的关系。
在一个实施例中，基于光学的定位系统用于一般(粗略)探针导航。在该实施例中，
探针104的位置相对于样本106的目标区域146移动，已知的关注特征142位于目标区域146
中。基于光学的定位系统用来定位已知的关注特征142或其附近。基于光学的定位系统的固
有数字分辨率可以排除精确定位探针104，因为顶部112和样本106的特定特征如此小以使
它们在视觉上不可见。为此，可能需要目标区域146的扫描以定位特征识别信息。一旦已定
位特征识别信息，就可以调整对准误差。然后关注特征142的扫描被记录并且与对准误差一
起集成到自动化软件中，从而扩展SPM系统100的能力。在一个实施例中，即使当不再使用基
于光学的定位系统，并且探针104相对于样本106的导航主要直接通过位置信息数据时，可
以在找到每个后续的关注特征142之后确定对准误差。在对准误差可以解决偏斜、位置偏
移、旋转偏移和刻度校正的情况下，偏移这些误差的动态计算可以提高探针104相对于样本
106的定位精度。
一旦探针104被定位在关注特征142处，SPM系统100可以开始目标区域146的配准
扫描。如果关注特征142具有由位置信息提供的已知基线坐标，则可以确定对准误差。对准
误差可以是相对于样本106的初始探针104部署和样本106上的实际位置基准301之间的差。
对准误差可以应用于相对于样本106的后续探针104部署中的存储的位置信息数据或可加
载的CAD位置信息数据。SPM系统100可以再次开始目标区域146的配准扫描以定位关注特征
142。对准误差可以被再次确定并且再次应用在关注特征142位置的后续迭代中。在一些实
施例中，可以减小目标区域146的尺寸以解决对准误差的减少。
在实施例中，当跨越整个表面108或样本106的整个表面的大部分全局执行时，利
用位置信息提高操作的效率，照此实施例较少依赖于基于光学的定位系统数据，该基于光
学的定位系统数据局部地限制在基于视频或基于光学显微镜的定位系统的视场内。在一个
实施例中，单个关注特征142用作整个样本106的基线。因此，仅需要移动基于光学的定位系
统一次，以使光学视场与要扫描的第一特定位置对准，从而节省宝贵的处理时间。具有与存
储的位置信息数据或可加载的CAD位置信息数据相关的位置的关注特征142可以位于远离
先前初始或初步扫描的目标区域的目标区域或扫描区域中。
该系统包括各种模块，每个模块被构造、编程、配置或以其它方式调整以执行一功
能或一组功能。这里使用的术语模块是指实际装置、部件或使用硬件(例如通过专用集成电
路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA))实施的部件的设置，或者作为硬件和软件的组合，比
如通过微处理器系统和使模块适于实施特定功能的一组程序指令，该特定功能(在被执行
时)将微处理器系统变换成专用装置。
模块也可以实施为硬件和软件的组合，其中某些功能仅由硬件促进，并且其他功
能通过硬件和软件的组合促进。在某些实施方式中，模块的至少一部分，并且在某些情况
下，所有模块可以包括执行操作系统、系统程序和应用程序的一个或多个计算机的处理器，
同时也使用适当情况下多任务、多线程、分布式(例如，集群、对等、云等)处理或其他这样的
技术来实施模块。因此，每个模块可以以各种合适的配置实现，并且通常不应限于本文中例
示的任何具体实施方式，除非这样的限制明确地被指出。
此外，模块可以本身由多于一个子模块组成，每个子模块可以自身被认为是模块。
此外，在本文所述的实施例中，各个模块对应于限定功能；然而，应当理解的是，在其他预期
的实施例中，每个功能可以分布到多于一个模块。同样地，在其他预期的实施例中，多个限
定的功能可以通过执行那些多个功能的单个模块来实施、可能与其它功能一起实施或者在
一组模块之间不同地分布，而不是本文示例中具体示出的。
以下讨论旨在提供其中可以实现SPM坐标系的合适的计算环境的简要、一般的描
述。尽管不是必需的，但是将在由计算机(例如手持式计算机、个人计算系统或控制器)执行
的计算机可执行指令的一般上下文中描述SPM坐标系的至少部分。
参照图4，描述了SPM坐标配准模块200的实施例。在一个实施例中，SPM坐标配准模
块200包括计算系统202和通过通信链路206通信连接的至少一个样本数据模块204。样本数
据模块204被配置为存储样本106的位置信息。如上所述，位置信息是样本特定坐标系136内
的特定位置的表示。可以对单个样本、一组相关样本、给定工厂或客户使用的所有样本、或
给定制造商提供的一些或所有样本编程位置信息。在一个实施例中，样本数据模块204可以
包含表示样本106的结构的计算机辅助设计(CAD)数据。
SPM坐标配准模块200被配置为通过确定样本特定坐标系和SPM坐标系之间的一组
对准误差并且将校正应用于SPM坐标系以偏移对准误差来管理样本特定坐标系和SPM坐标
系之间的动态关系。
计算系统202被配置为执行计算机可读指令，比如计算机软件。在一个实施例中，
计算系统202是控制器118。在实施例中，计算系统202被编程为生成且存储指令以作为探针
104、样本106和基于光学的定位和扫描操作的一部分来执行。
通信链路206连接样本数据模块204和计算系统202。在各种实施例中，通信链路
206可以包括串行或并行连接、有线或无线连接和到计算机的直接或网络连接。另外，SPM系
统204和计算系统202可以使用适于数据通信的任何协议进行通信。到计算机的网络连接的
示例包括内联网、因特网和局域网(LAN)(例如，以太网)。到计算机的有线连接的示例包括
通用串行总线(USB)、RS-232、火线和电力线调制解调器连接。无线连接的示例包括蓝牙、
802.11a/b/g、红外(IR)和射频(RF)。
计算系统202包括通用计算装置并且可以执行如下所公开的程序模块。计算系统
202包括至少一个中央处理系统(CPU)208。各种处理单元可从各种制造商购买，例如，美国
英特尔公司或美国先进微电子器件公司。计算系统202还包括系统存储器210和将包括系统
存储器210的各种系统部件连接到处理单元208的系统总线。
系统存储器210可以包括只读存储器(ROM)214和随机存取存储器(RAM)216。基本
输入/输出系统(BIOS)218——包含比如在启动期间帮助在计算系统202内的元件之间传输
信息的基本例程——通常存储在ROM 214中。
在实施例中，计算系统202还可以包括用于存储非易失性形式的程序指令的数据、
数据结构、暂存器数据和计算系统202的其他数据的辅助存储装置(未示出)，比如硬盘驱动
器、闪存存储器装置等。在其他实施例中，能够存储数据的其他类型的计算机可读介质可以
在系统202中使用。
在各种实施例中，多个程序模块可以存储在存储器202中，包括操作系统220、一个
或多个应用程序222、其他程序模块224和程序数据226。用户可以通过输入装置(未示出)将
命令和信息输入到计算系统202中。输入装置的示例包括键盘、鼠标、麦克风、操纵杆、数字
相机、触摸屏等等。这些和其他输入装置通常通信地连接到处理单元208。显示装置(未示
出)——比如监测器或触摸屏LCD面板——也可以连接到系统202。
在一个实施例中，计算系统200可以包括用于表示样本106的结构的CAD数据的存
储的CAD数据库228。CAD数据库228可以通过存储器210(集成在其中或在其外部)访问，并且
可以形成为多种类型的数据库中的任何一种，比如分层或关系数据库。因此，CAD数据库228
可以通过计算系统202保持，计算系统202包括与包含由处理器可执行的指令和要存储的数
据的存储介质相连接的处理器。CAD数据库228可以被编程用于单个样本、一组相关样本、给
定工厂或客户使用的所有样本、或给定制造商提供的一些或所有样本。
计算装置(比如计算系统202)通常包括至少一些形式的计算机可读介质。计算机
可读介质可以是可以通过计算系统202访问的任何可用介质。通过示例的方式，且非限制，
计算机可读介质可以包含计算机存储介质和通信介质。
计算机存储介质包括以任何方法或技术实施的用于存储信息(比如计算机可读指
令、数据结构、程序模块或其他数据)的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机
存储介质包括，但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程存储器
(EEPROM)、闪存存储器或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光学存储器、
磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置或可以用于存储期望的信息并且可以通过计
算系统202访问的任何其他介质。
通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或在已调制数据信号(比
如载波或其他传输机制)中的其他数据并且包括任何信息传递介质。术语“已调制数据信
号”指的是具有以关于信号中编码信息的方式设置或改变的其特征中一个或多个的信号。
通过示例的方式，非限制，通信介质包括有线介质(比如有线网络或直接有线连接)和无线
介质(比如声学、RF、红外和其它无线介质)。任何上述的组合也应包括在计算机可读介质的
范围内。计算机可读介质也可以被称为计算机程序产品。
参照图5，在一个实施例中，计算系统202——其在一些实施例中是控制器118——
可以设置有系统存储器210内的一个或多个操作程序模块224。各种程序模块224可以包括，
但不限于，视频到样本坐标系映射模块230、扫描区域选择控制模块232、视频系统-SPM坐标
系映射模块234、x-y定位控制模块236和基准特征/参照点存储/校准模块238。
在一个实施例中，视频到样本坐标系映射模块230形成基于光学的定位系统的一
部分。在该实施例中，视频到晶片坐标系映射模块230接收来自监测器130的输入以提供用
于调整探针104和样本106之间的相对定位的信息。在一个实施例中，基于光学的定位系统
用于确定样本106上被扫描的至少第一位置。来自视频到样本坐标系映射模块230的信息可
以被提供给x-y轴定位控制模块236，x-y轴定位控制模块236可以被包括作为用于调整探针
104和样本106之间的相对位置的探针定位系统的一部分。在一个实施例中，可以在视频系
统-SPM坐标系映射模块234或基准特征/参照点存储/校准模块234中的至少一个提供来自
扫描的数据、来自基于光学的定位系统的信息或两者的组合，用于确定基于光学的定位系
统和样本特定坐标系之间的一组初步对准误差。
在一些实施例中，探针104相对于样本106的初步定位大部分基于来自基于光学的
定位系统的信息。然而，因为顶部112和样本106的特定纳米尺度特征的相对位置在视觉上
不可见，所以可能需要限定目标区域的扫描以积极地定位特征识别信息。在一个实施例中，
使用SPM坐标系可以提供探针104相对于样本106的更精确的定位。然而，一些固有误差仍然
存在于SPM坐标系和样本特定坐标系之间。在一个实施例中，为了提高后续部署的精度并且
潜在地减少待扫描的后续目标区域，样本特定坐标系和SPM坐标系之间的一组对准误差可
以被确定并且应用以偏移对准误差。
在一个实施例中，扫描区域选择控制模块232与探针定位系统和SPM坐标配准模块
通信，以确定对准误差并应用偏移。在一个实施例中，扫描区域选择控制模块232使探针定
位系统将探针和样本之间的相对位置从样本上的初始位置往返运动到样本上的后续位置。
在一些实施例中，后续位置远离初始位置定位，以使在往返运动过程中采用路线调整。在后
续目标区域的扫描期间遵循后续特征的确切位置，确定一组对准误差。扫描区域选择控制
模块232然后计算并且促进实现对偏移对准误差所必需的SPM坐标系的校正。在一个实施例
中，对样本上的每个后续位置重复该过程，从而提高探针104相对于样本106的定位的精确
度。
参照图6A，描述了示出了SPM扫描过程300的示例实施例的过程流程图。扫描过程
在步骤302通过基于光学的定位系统定位样本106上的初步位置开始。初步位置可以接近样
本106上的一个或多个特定位置，例如该特定位置可以是关注特征142，比如基准标记146。
在304，确定是否已找到特定位置的特征识别信息。在一个实施例中，可以通过由单独基于
光学的定位系统的模式识别来找到样本106的特征识别信息。如果通过基于光学的模式识
别找到特定位置，则在步骤306，探针定位系统调整探针104和样本106之间的相对位置，并
且目标区域的扫描开始。在步骤310，扫描过程完成。
在基于光学的定位系统单独缺乏相对于样本106定位探针104所需的精度以使探
针-样本交互发生在顶部112和在特定位置处纳米级关注特征之间的情况下，SPM坐标系可
以在步骤308使用。参照图6B，步骤308进一步分解成若干步骤或操作。在步骤312，用于使用
SPM坐标系的过程开始。在步骤314，提供用于特定位置的位置信息。
对于每个特定位置，执行框316内的步骤以确定更新的一组对准误差，以使可以进
行校正以偏移对准误差。在步骤318，探针定位系统调整探针104和样本106之间的相对定
位，以使探针104与接近特定位置的目标区域的样本表面108交互。
在步骤320，扫描目标区域并且收集包含含有特定位置的结构性质的特征识别信
息的数据。在步骤322中收集的数据可以基于整个扫描上的模式识别或基于两次扫描，其中
一次扫描沿x轴收集特征位置数据且另一次扫描沿y轴收集特征位置数据。在步骤322，扫描
且捕获特定位置。
在步骤324，扫描区域选择控制模块232通过计算创建顶部112和特定位置处的位
置之间的探针-样本交互所需的位移矢量来确定SPM坐标系和样本特定坐标系之间的一组
对准误差。在一些实施例中，所确定的一组对准误差可以替代先前确定的一组对准误差。在
步骤326，扫描区域选择控制模块232与SPM配准模块200通信，以将校正应用于SPM坐标系以
偏移对准误差。在一个实施例中，校正是确定的矢量、确定的矢量的幅度和角度或确定的矢
量的倒数。在步骤328，可以对样本106上的后续特定位置重复步骤316，每次通过递增调整
对准误差来精细化探针104和样本106之间的相对位置。在一些实施例中，当对准误差减小
时，还可以减少用于特征识别信息的定位的目标区域。在步骤310，扫描过程完成。
本文所描述的本发明的各种实施例的逻辑操作被实施为：(1)在计算系统上运行
的计算机实施的操作的计算机的序列；和/或(2)计算系统内的互连机器模块。模块表示通
过程序代码(比如通用可用编程语言)或作为存在于动态链接库(DLL)中的代码执行的功
能。所使用的实施方式是取决于SPM坐标系和与其连接的计算系统的性能要求的选择主题。
因此，构成本发明的实施例的逻辑操作可以供选择地被称为操作、模块等等。
参照图7，描述了用于SPM系统100的典型操作区域400的示例，其中探针表征的周
期和扫描活动的周期沿着时间线t绘制。在402，SPM设置为通过相对于尖端表征器结构定位
探针104来进行初始探针表征404。在404，执行探针表征，并且存储从探针表征产生的数据。
探针表征操作导致探针的一个或多个尖端形状属性的测量。尖端形状属性包含可能对样本
的测量数据具有潜在影响的探针几何形状的任何测量。
在406，相对于样本106定位探针104以扫描给定样本106上的一个或多个特定位
置。如上所述，在一些实施例中，SPM坐标配准模块通过对SPM坐标系施加校正以校正样本特
定坐标系和使用的SPM坐标系之间的对准误差，来提高探针104相对于样本106的定位的精
度，从而管理样本特定坐标系和SPM坐标系之间的动态关系。因此，随着SPM系统越来越依赖
于SPM坐标系，与基于光学的定位系统相反，减少了搜索要扫描的特定关注特征142所花费
的时间。
在408，扫描样本并获取数据。最常见的数据形式包含表示样本表面上的结构的形
貌图像，例如扫描区域的三维图像。供选择地，数据可以是以扫描轮廓的形式。另外，数据还
可以包括样本的电或磁力分布，悬臂振幅的测量、偏转、频率、相位、隧道电流、电导率、光学
性质、组成图或通过SPM技术实现的任何其它测量。计量测量(比如临界尺寸(CD)测量)、纳
米机械测量(比如获取关于样本的表面弹性信息的测量)和包含扫描探针和一些材料(样本
或一些其他结构的)之间的交互的任何其他类型的扫描探针活动也可以被执行。例如，扫描
活动408可以在样本上的单个关注特征142处发生，或者可以包括在多个关注特征142(包括
相对于样本从一个特征到下一个特征重新定位探针)获取的数据。在每个关注特征142处，
扫描可以包括在单个点或单个CD测量的单个或多个读数，或者可以包括获取多个读数，比
如在多线表面轮廓扫描中，或者多个CD测量值。
在可选择的410，探针-样本交互被分离并且探针104再次与尖端表征器结构对准。
在412，探针尖端被表征为评估由208的先前扫描活动引起的变化程度。
在414，探针104和样本106之间的相对位置被往返运动到后续位置。由于样本特定
坐标系和SPM坐标系之间的一组更新对准误差被确定并作为偏移应用于SPM坐标系，相对定
位变得越来越精确。因此，随着相对位置的每个后续移动，用于搜索后续关注特征花费的时
间减少，从而减少每个样本的总操作时间并且减少探针尖端上的磨损量。然后执行进一步
的扫描活动416。
在系统或方法的任何特征被公开为“被配置为”实现或执行所陈述的结果或功能
的情况下，该系统或方法被构造为、编程为、或以其它方式调谐、校准或调整以具有必要的
机械或电结构和算法，以执行所述结果或功能。
相关领域的普通技术人员将认识到的是，实施例可以包含比上述任何单独实施例
中所示的更少的特征。本文所描述的实施例并不意味着可以组合各种特征的方式的详尽描
述。因此，实施例不是特征的相互排斥的组合；相反，如本领域普通技术人员所理解的，实施
例可以包括从不同的单独实施例中选择的不同单独特征的组合。此外，关于一个实施例描
述的元件可以在其他实施例中实施，即使当没有在这样的实施例中描述时，除非另有说明。
尽管从属权利要求在权利要求中可以引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其
他实施例还可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合或一个或多个
特征与其他从属或独立权利要求的组合。在此提出了这样的组合，除非声明不想要特定的
组合。此外，还旨在将权利要求的特征包括在任何其他独立权利要求中，即使该权利要求不
直接从属于该独立权利要求。
通过引用上述文献的任何合并受如下限制，以使没有并入与本文明确公开相矛盾
的主题。通过引用上述文献的任何合并受如下进一步限制，以使没有包括在文献中的权利
要求通过引用在此并入。通过引用上述文件的任何合并还受如下进一步限制，以使文件中
提供的任何限定不通过引用在此并入，除非明确地包括在本文中。
为了解释权利要求的目的，明确表示不予援引35U.S.C.的第112节第六款的规定，
除非在权利要求中记载特定术语“用于...的装置”或“用于...的步骤”。