專利名稱：圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品以及圖像處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高空間分辨率相位敏感技術(shù)。
背景技術(shù)：
公知的聲學(xué)顯微鏡被用來對(duì)諸如集成電路(Integrated Circuit, IC )結(jié)構(gòu)等 的結(jié)構(gòu)成像，其空間分辨率w由下式給出
/，
這里"9是耦合媒質(zhì)中的聲度，/是聲波/超聲波的頻率，^4是鏡頭的數(shù)值 孔徑。若頻率為lGHz，其空間分辨率理論上可達(dá)到約1.5pm。此外，在獲得
高分辨率方面，聲學(xué)顯微鏡還存在其它兩個(gè)主要障礙(1 )阻抗失配和與/2成 正比的耦合流體衰減。用于非破壞性力學(xué)成像的更高分辨率的可選方案包括原
子力顯《敖鏡(Atomic Force Microscope, AFM)或掃描探針顯微鏡(Scanning
Probe Microscope, SPM)平臺(tái)。這方面的例子包括由P. Maivald, H丄Butt，
S.A.C.Gould, C.B. Prater, B. Drake, J.A. Gurley, V.B. Elingshe和RK. Hansma
在Nanotechnology 2, 103 ( 1991 )里提出的力調(diào)制顯樣i術(shù)(Force Modulation
Microscopy, FMM);由U. Rabe和W. Arnold在Appl. Phys. Lett. 64， 1423( 1994 )
里提出的超聲AFM;由O.V. Kolosov, K. Yamanaka在Jpn. J. Appl. Phys. 32， 1095
(1993)中提出的超聲力顯微術(shù)(Ultrasonic Force Microscopy, UFM);以及
G.S. Shekhawat, O.V, Kolosov， GA.D. Briggs, E.O. Shaffer, S. Martin和R. Geer
發(fā)表在the Material Research Society, Symposium D, April 2000并出片反在Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 612 (2001 ) pp. l.的 Nanoscale Elastic Imaging of Aluminum/Low-k Dielectric Interconnect Structures; 由G.S. Shekhawat, G.A.D. Briggs, O.V. Kolosov和R.E. Geer發(fā)表在Proceedings of the International Conference on Characterization and Metrology for ULSI Technology, AIP Conference Proceedings. (2001) pp. 449的Nanoscale elastic imaging and mechanical modulus measurements of aluminum/low-k dielectric interconnect structures; 由G.S. Shekhawat, O.V. Kolosov, G.A.D. Briggs, E.O. Shaffer, SJ. Martin, R.E. Geer 在 Proceedings of the IEEE International Interconnect Technology Conference, 96-98， 2000里^是出的；由K. Yamanaka和 H. Ogiao在Applied Physics Letters 64 (2), 1994里提出的；由K. Yamanaka, Y. Maruyama, T. Tsuji在Applied Physics Letters 78 (13), 2001里提出的；由K.B. Crozier， G.G. Yaralioglu, F.L. Degertekin, J.D. Adams， S.C. Minne和C.F. Quate在 Applied Physics Letters 78 (14)， 2000里提出的。這些方法中的每一種方法都傳 統(tǒng)地對(duì)樣品表面的靜態(tài)彈性屬性敏感。
近來在原子力顯微鏡方面取得的進(jìn)展包括超聲頻率(MHz )振動(dòng)對(duì)所研究 樣品的應(yīng)用和在同樣高頻率下對(duì)探針的振幅偏差的非線性檢測。在此情況下， 原子力顯微鏡也常稱為超聲力顯微鏡，其所使用的超聲頻率要比顯微鏡懸臂的 諧振頻率高得多。超聲力顯微鏡充分利用了探針與樣品表面距離間原子力的強(qiáng) 非線性相關(guān)性。由于該非線性，當(dāng)樣品表面被一超聲波激勵(lì)，由于裝有探針的 懸臂對(duì)超聲振動(dòng)具有動(dòng)態(tài)剛性，探針與表面的接觸會(huì)對(duì)該超聲振動(dòng)作出調(diào)整。 由此，超聲力顯微鏡能夠?qū)δ切┰诩{米尺度分辨率下使用常規(guī)技術(shù)手段無法可 視的樣品的動(dòng)態(tài)表面翻彈性、彈性、粘附現(xiàn)象以及局部物質(zhì)構(gòu)成成像或測圖。
超聲顯微術(shù)的缺點(diǎn)是它僅測量由超聲感應(yīng)產(chǎn)生的懸臂振動(dòng)的幅度，并且， 在樣品很厚和具有非常不規(guī)則的表面或具有較高的超聲衰減性能時(shí)，只能產(chǎn)生 較低的表面振動(dòng)幅度。在此情況下，其振動(dòng)幅度可能低于顯微鏡的敏感閾值， 此時(shí)，測量將不能實(shí)現(xiàn)。而且，因測量時(shí)沒有對(duì)樣品作任何橫切，這使上述技 術(shù)中沒有一種技術(shù)對(duì)聲波相位測量具有高分辨率，而聲波相位對(duì)表面下彈性成 像和辨認(rèn)處于表面下的深度缺陷是非常敏感的。
由非線性探針與樣品間相互作用而引起的平面外(out-of-plane)振動(dòng)會(huì)使探針與樣品表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的彈性接觸。超聲力顯微術(shù)(Ultrasonic Force Microscopy, UFM)采用同樣的方式，它利用幅度分量而不是相襯。如果非線 性存在于該系統(tǒng)里，絕大部分相村將來自表面而不是表面/表面下相襯。此外， 非線性探針與樣品相互作用對(duì)軟體物質(zhì)或許不會(huì)有效果。另外，使用UFM, 可用少許表面下對(duì)比獲得高力學(xué)對(duì)比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種高空間分辨率相位敏感技術(shù)，其釆用掃描近場超聲全息術(shù) 方法對(duì)樣品隱埋的或其它表面下的結(jié)構(gòu)或變化成像。掃描近場超聲波全息術(shù) (Scanning Near Field Ultrasound Holography, SNFUH) <吏用近場方法來測量樣 品表面超聲振動(dòng)的時(shí)間分辨變化。因其去掉了傳統(tǒng)的相位分辨聲學(xué)顯微術(shù)(即， 全息)所需要的遠(yuǎn)場聲學(xué)鏡頭而克服了其空間分辨率限制。
本發(fā)明裝置基本的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)納米力學(xué)成像模式是基于利用雙頻超聲全 息術(shù)的納米尺度黏彈性表面和表面下(例如，隱埋式納米結(jié)構(gòu))成像。本發(fā)明 的掃描近場超聲技術(shù)是，在超聲/微波頻率下使懸臂式探針與樣品均振動(dòng)。探 針與樣品間相互作用的接觸、軟接觸和近接觸模式使兩個(gè)超聲振動(dòng)之間的表面
超聲波信號(hào)提取成為可能。
對(duì)表面聲波駐波的相位和振幅的擾動(dòng)可局部地被SPM的聲波天線通過鎖 定和SNFUH電子模塊而檢測到。當(dāng)樣本聲波受到隱埋特征的擾動(dòng)，表面聲波 駐波由此而產(chǎn)生的，尤其是相位方面的變化，將被SPM的懸臂有效地檢測到。 從而在近場體系(其享有極好的空間分辨率)內(nèi)，聲波(沿其傳播路徑，其是 非破壞性和對(duì)力學(xué)/彈性變化敏感的)的相位和振幅，被SPM的聲波天線逐點(diǎn) 地充分解析。由此，當(dāng)樣品:被掃過， 一幅樣本聲波的擾動(dòng)表示圖被記錄和顯示 出來，為樣品的內(nèi)部特征提供定量估計(jì)。
某些實(shí)施例提供接觸、軟(例如，間歇的)接觸、和/或近接觸工作模式 來區(qū)分樣品的表面和表面下(例如，隱埋的)特征。此外，SNFUH電子模塊 利用或者不利用非線性探針與樣品間相互作用來提取表面聲波相位和振幅。


為使本發(fā)明以上和其它的優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征能更明顯易懂，將由下文并結(jié) 合附圖，以及詳細(xì)描述的實(shí)施例，說明如下圖1是用來說明本發(fā)明應(yīng)用掃描近場超聲波全息術(shù)的掃描探針顯微鏡的
方框圖2是本發(fā)明具有一振動(dòng)懸臂探針和振動(dòng)樣品的原子力顯微術(shù)圖解； 圖3 (A)是一個(gè)要由SNFUH確認(rèn)的模型納米粒子系統(tǒng)示意圖； 圖3 (B)示出了一個(gè)不具明顯特征的聚合物上表面的AFM (形貌)圖； 圖3(C)示出了一個(gè)具有高清晰度的、顯示有隱埋的金納米粒子的SNFUH 相位圖4 (A)示出了一個(gè)樣品淺溝中具有需要檢測的嵌入式缺陷/空隙的模型
測試樣品示意圖4 (B)示出了一個(gè)具有均勻涂層的電介質(zhì)的AFM (形貌)圖4 (C)示出的SNFUH相位圖展示了表面彈性對(duì)比、覆蓋在氮化物上
的聚合物涂層中嵌入的空隙和溝墻上覆蓋涂層的硬化；
圖4 (D)示出了標(biāo)有X-Y圖標(biāo)的空隙的線路縱斷面(Line Profile );
圖5 (A)示出了染有瘧原蟲的紅細(xì)胞的AFM形貌圖5 (B)示出了染有疾原蟲的紅細(xì)胞的SNFUH相位圖5 ( C )示出了染有癡原蟲的紅細(xì)胞的寄生蟲早期孵育階段的AFM形貌
圖5 (D)示出了染有癥原蟲的紅細(xì)胞的寄生蟲早期孵育階段的SNFUH 相位圖6 (A)示出了銅—氐K電介質(zhì)互連系統(tǒng)的AFM形貌圖； 圖6 (B)示出了銅-低K電介質(zhì)互連系統(tǒng)的SNFUH相位圖； 圖6(C)示出了圖6(B)中所示空隙的線路縱斷面； 圖7示出了用于依照本發(fā)明實(shí)施例的反饋控制電路； 圖8就用于依照本發(fā)明實(shí)施例的電子讀出系統(tǒng)的實(shí)施例給出了其反饋電 路；和
圖9示出了依照本發(fā)明實(shí)施例所采用的掃描近場超聲成像方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
前述的發(fā)明內(nèi)容概要，以及后文對(duì)本發(fā)明某些實(shí)施例的詳細(xì)描述，結(jié)合附 圖來閱讀將能獲得更好的理解。為舉例說明本發(fā)明，某些實(shí)施例由附圖示出。
9然而應(yīng)該理解到，本發(fā)明并不受附圖所示的安排和手段的限制。
本發(fā)明某些實(shí)施例涉及非破壞、高分辨率、表面下納米力學(xué)成像系統(tǒng)。取 決于超聲頻率，該系統(tǒng)能直接和定量地對(duì)多種納米尺度的物質(zhì)和器械結(jié)構(gòu)的彈 性(靜態(tài)的)和教彈性(動(dòng)態(tài)的)響應(yīng)用幾個(gè)納米的空間分辨率成像。例如， 對(duì)于黏彈性高分辨率亞表面納米力學(xué)成像，其目標(biāo)最大探針頻率約為
5-10GHz。在一個(gè)實(shí)施例中，在此頻率下，其最大相關(guān)相位分辨率估計(jì)達(dá)到 了.001°，從而獲得了小于lps的黏彈性時(shí)間分辨率。本發(fā)明某些實(shí)施例所述的 裝置以與目前已商品化的掃描探針顯微鏡(SPMs )相似的方式運(yùn)作，獲得樣 品彈性系數(shù)和翻彈性響應(yīng)頻率的定量的、數(shù)字化的、柵格化的、納米尺度的圖 像。該裝置也提供傳統(tǒng)的SPM成像模式，包括形貌、摩擦和力調(diào)制成像。
總體上，本發(fā)明某些實(shí)施例在分子電子、納米系統(tǒng)(NEMS)和納米技術(shù) 領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并代表了其迫切需要的領(lǐng)域。通過聯(lián)合傳統(tǒng)SPMs的納米尺度空 間分辨率與聲學(xué)或者超聲顯微鏡的表面下缺陷檢測和成像能力，該裝置滿足了 納米尺度系統(tǒng)中納米結(jié)構(gòu)的特性分析和研究的迫切需要。SNFUH系統(tǒng)和方法 可以用于(l)生物學(xué)樣本、組織和細(xì)胞的體外成像；(2)隱埋結(jié)構(gòu)的納米力 學(xué)成像、納米復(fù)合的內(nèi)含物質(zhì)分析和集成電路結(jié)構(gòu)和器件的缺陷分析；(3)低 K材料的力學(xué)性能；(4)三維(3D)結(jié)構(gòu)與互連的應(yīng)力變化；(5)陶瓷裂紋 成像和力學(xué)性能定量分析，等。
本發(fā)明某些實(shí)施例是基于使用雙頻超聲全息術(shù)的納米尺度黏彈性表面和 表面下(例如，隱埋的納米結(jié)構(gòu))成像，本質(zhì)上是一種"掃描近場"超聲技術(shù)， 此處，懸臂探針I(yè)O和樣品12都以超聲/微波頻率振動(dòng)。接觸和軟接觸探針-樣 品間相互作用使高分辨率的表面聲波振幅和相位提取成為可能。
在SNFUH模式，由樣品聲波散射導(dǎo)致的對(duì)表面聲波駐波的擾動(dòng)將由SPM 的聲波天線探測到。作為結(jié)果而發(fā)生的懸臂偏轉(zhuǎn)僅僅跟隨對(duì)聲波駐波的擾動(dòng)， 其表征了關(guān)于探針參考頻率的表面反應(yīng)的損耗滯后/超前(即樣本聲波到達(dá)樣 品表面的時(shí)延)。提取這一狀態(tài)條件下的空間依賴性就可得到圖像對(duì)比，其表 示出了對(duì)樣本聲波相關(guān)的隱埋結(jié)構(gòu)、界面和嵌入式缺陷的彈性反應(yīng)和其所導(dǎo)致 的對(duì)表面聲波駐波的擾動(dòng)。
本發(fā)明某些實(shí)施例提出的系統(tǒng)在可測量表面下(例如，隱埋的)缺陷、分層、裂紋、應(yīng)力遷移等的同時(shí)可維持原子力顯微鏡的高分辨率。它利用(1) 原子力顯微鏡系統(tǒng)，其具有懸臂14,在懸臂的自由端有一探針10,其位于振
動(dòng)體16的上面，以比懸臂反應(yīng)頻率高的頻率為懸臂提供振動(dòng)；(2)樣品12, 在其下面具有振動(dòng)體18,為其提供高頻率激勵(lì)；(3)光學(xué)檢測器或其它檢測 器，用來檢測懸臂的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)的探針與振動(dòng)的樣品相互作用，它檢測在其 檢測范圍內(nèi)的拍頻、乘積頻率、附加頻率和它們的諧波和調(diào)制波形的拍和乘積。 用此實(shí)施例，就可能恢復(fù)探針-樣品表面間力學(xué)相互作用的表面聲波相位信息， 其允許黏彈性性質(zhì)的測量和使聲學(xué)全息術(shù)算法在納米尺度的表面下(例如，隱 埋的)缺陷成像的應(yīng)用成為可能。該顯微鏡裝置利用掃描近場超聲全息術(shù)(例 如，SNFUH)來對(duì)隱埋的缺陷和結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率納米力學(xué)成像。
通過實(shí)驗(yàn)，表面聲波的振幅和相位被從通過鎖定檢測得到的探針偏轉(zhuǎn)信號(hào) 提取出來。該測量的相位敏感性與材料的時(shí)間分辨力學(xué)性質(zhì)的提取有關(guān)，也與 表面下成像(例如，隱埋的納米結(jié)構(gòu))的潛在使能性有關(guān)。
本發(fā)明的某些實(shí)施例直接檢測在晶片/器件表面?zhèn)鞑サ穆暡ǖ南辔?。更進(jìn) 一步，本發(fā)明的某些實(shí)施例直接檢測晶片/器件表面的表面聲波的相位。此外， 本發(fā)明的某些實(shí)施例利用掃描納米探針相位檢測以致去除了對(duì)聲學(xué)鏡頭的需 要。本發(fā)明某些實(shí)施例的納米探針聲波天線(AFM探針)是有益的，因?yàn)椋?舉例來說，經(jīng)由高頻彎曲型激勵(lì)，它提供了 MHz-GHz的納米探針機(jī)械振動(dòng)感 應(yīng)，也就是機(jī)械波導(dǎo)，和，懸臂探測到了探針10和樣品12聲學(xué)/超聲振動(dòng)間 的相移。
如圖1和圖2所示，通過分別在探針10的硅基和樣品12的底部貼上兩個(gè) 匹配的壓電晶體16和18，將兩個(gè)振動(dòng)加到探針10和樣品12。隨著SNFUH 電子模塊36提供輸入頻率給作為表面聲波(SAW)振幅和相位提取的RF鎖 相放大器40，每個(gè)壓電體16、 18被一個(gè)單獨(dú)的波形驅(qū)動(dòng)。SNFUH電子模塊 36選擇例如拍頻、乘積頻率和/或附加頻率，以幫助構(gòu)成接觸、軟接觸和近接 觸模式的全息。此外，SNFUH電子模塊36允許SNFUH工作在探針-樣品間 相互作用的線性體系下，例如，在一實(shí)施例里，該SNFUH電子4莫塊36包括 一個(gè)混頻器電路、可變電阻器、運(yùn)算放大器、帶通濾波器，和/或其它濾波器 來合成頻率信號(hào)和選擇頻率乘積、頻率附加和頻拍。任何掃描探針顯微鏡(SPM)都可作為基礎(chǔ)平臺(tái)。信號(hào)存取模塊(SAM) 22被用作SNFUH的輸入站和模數(shù)校準(zhǔn)信號(hào)，而集成壓電體(用作高頻激勵(lì)) 則使懸臂探針10的具有高次彎曲諧振的超聲激勵(lì)能提供超聲振動(dòng)。
樣品的超聲振動(dòng)由函數(shù)發(fā)生器32驅(qū)動(dòng)。第二函數(shù)發(fā)生器34用于樣品超聲 振動(dòng)。來自探測器的作為結(jié)果的差分輸出信號(hào)由信號(hào)存取模塊(SAM) 22存
器的輸入。鎖定響應(yīng)信號(hào)組成了 SAW的振幅和相位，其作為經(jīng)由SAM22,并 用于圖像顯示和分析的信號(hào)釆集電子模塊46的輸入。例如，SNFUH電子模塊 電路36提取基波、諧波和/或調(diào)制波的頻拍、頻率乘積，作為RF鎖相放大器 40或其它鎖相放大器的參考。光學(xué)檢測器(A-B)的差分輸出通過SAM22輸 入給RF鎖相放大器40。作為結(jié)果的輸出組成了 SNFUH圖像信號(hào)。計(jì)算機(jī)44 或其它處理器運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取/分析軟件，例如Lab View或其它數(shù)據(jù)獲取和/或分 析軟件。從數(shù)字示波器或鎖相器均可獲得A-B信號(hào)。作為例子，在一實(shí)施例 里，可能包括一個(gè)開關(guān)，以用來選擇SNFUH或者UFM信號(hào)用于采集。
在一實(shí)施例里，樣品壓電體由絕緣體/電極/壓電體/電極/絕緣體毯狀多層 (例如，10cmxlOcm)堆疊組成。根據(jù)超聲波耦合效率，其中絕緣體由環(huán)氧可 加工陶瓷或者薄的旋轉(zhuǎn)涂曝(spin-cast)聚合物涂層構(gòu)成。壓電體和第二個(gè)函 數(shù)發(fā)生器34之間由鉻/金電極或者其它類似電極提供電連接，該組件被嵌入一 改進(jìn)的SPM樣品載片中。
如圖2所示，使用SNFUH,從樣品12下面發(fā)射一束高頻超聲波，在SPM 的懸臂10上發(fā)射至少頻率稍有不同的另一束高頻超聲波。SNFUH電子模塊
動(dòng)。舉例來說，懸臂的諧振頻率A可以在10-100kHz的范圍內(nèi)。
某些實(shí)施例還可能包括反饋電路，比如圖7所示的懸臂諧振反饋電路50。
反饋電路50包括第一運(yùn)算放大器(OA) 52，第二運(yùn)算放大器(OA) 54，相
位比較器(PC) 56，壓控振蕩器(VCO) 62，波形或函數(shù)發(fā)生器68和與樣品
78發(fā)生相互作用的、具有壓電傳感器74的懸臂探針。
為了掃過樣品時(shí)SNFUH操作被唯一地校準(zhǔn)，懸臂相位需要被固定。為了
固定探針的相位，需要使用稱之為反饋電路50的諧振反饋電路。反饋電路50維持探針載體頻率處于諧振頻率并固定或設(shè)定相位，如此，探針相位就成為樣
品相位的穩(wěn)定參考。舉例來說，在高頻(例如，150MHz-10GHz)情況下，懸 臂很容易從其諧振頻率漂移，反饋可被用來維持懸臂上探針的頻率處于諧振頻 率。樣品和懸臂的諧振頻率均保持穩(wěn)定可產(chǎn)生高分辨率的翁彈性響應(yīng)。在一實(shí) 施例里，若反饋電路50對(duì)諧振頻率產(chǎn)生反饋則系統(tǒng)運(yùn)行在反饋模式下；否則 系統(tǒng)運(yùn)行在反饋電路50不起作用的模式下。
在反饋電路50里，壓控振蕩器62驅(qū)動(dòng)探針壓電傳感器74。 VC062通過 相位比較器56被連接，而相位比較器56作為用于反饋控制的一對(duì)運(yùn)算放大器 52、 54的輸入。掃描過程中若懸臂諧振頻率發(fā)生漂移，揮:針振幅的減小會(huì)導(dǎo) 致越過懸臂上壓電傳感器的電壓減小。該電壓將促使PC56的輸出產(chǎn)生變化， 而PC輸出的變化又會(huì)使VC062向諧振返回。
圖8就用于依照本發(fā)明實(shí)施例的電子讀出系統(tǒng)800的實(shí)施例示出了其反饋 電路50。例如，電子讀出系統(tǒng)可是MOSFET嵌入式電子讀出器。使用嵌入式
MOSFET作為電子反饋可提供AA = 1()_6/納米懸臂撓度的電流敏感度，電子 讀出器的敏感度偏差與光學(xué)反饋檢測具有相同的級(jí)次。在一實(shí)施例里，敏感度
偏差比現(xiàn)有的被動(dòng)式或主動(dòng)式檢測技術(shù)，如壓阻檢測，高大約三個(gè)數(shù)量級(jí)。例 如，在一實(shí)施例里， 一高信噪比和極小V/噪音的MOSFET嵌入式電子讀出器 被允許用于SPM (掃描探針顯微鏡)的電子反饋里。
反饋電路50可被用來控制為壓電體86提供電源的電源84。壓電體86包 括接觸器，如Au(金)接觸器88，以及致動(dòng)器90和BiMOS晶體管92。壓電 體86由振蕩器94驅(qū)動(dòng)，來自振動(dòng)著的壓電體86的反饋被電子檢測單元96 搜集.來自電子檢測單元96的反饋信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 98轉(zhuǎn)換并反饋 給反饋電路50用來控制電源84.設(shè)定點(diǎn)100為反饋電路50的工作提供一基準(zhǔn) 或參考值。例如，來自反饋電路50的反饋有助于保證探針和樣品在其各自的 諧振頻率點(diǎn)振動(dòng)。
圖3示出了 一翁彈性納米力學(xué)成像的例子。圖3( A )示出了埋入在約500nm 厚的聚合物層之下的聚合物涂層襯底上散布的金納米粒子。聚合物-納米粒子 合成物模型的使用證明了 SNFUH方法的高橫向空間分辨率和深度靈敏度。將 膠質(zhì)狀金納米粒子散布于聚合物(聚乙烯(2-乙烯基吡啶)-聚乙烯基吡咯烷酮(PVP))覆蓋的硅基上，制備一由深埋在一聚合物覆蓋層下的金納米粒子組
成的樣品。這些金納米粒子具有15nm的平均粒徑，并被很好地散布在膠層表 面上。然后，再由另一約500nm厚的聚合物膠層完全覆蓋這些納米粒子，如 圖3(A)所示。普通AFM形貌掃描，見圖3(B),示出了一平滑的、不具明 顯特征的聚合物層上表面，其表面粗糙度約為0.5nm。另一方面，SNFUH的 相位圖，見圖3 (C)，示出了隱埋在上表面之下深約500nm處、良好散布的 金納米粒子。由于聚合物與金納米粒子間彈性模數(shù)的不同，其導(dǎo)致了聲波到達(dá) 樣品表面的時(shí)間依賴于其相位的延遲，從而在SNFUH相位圖上出現(xiàn)了對(duì)比。
為表明SNFUH在識(shí)別更狹窄的溝槽里下層處缺陷的效力，可以構(gòu)造如圖 4(A)所示的淺溝結(jié)構(gòu)。這些溝槽是在SOD (spin-on-dielectric)上蝕刻50nm 厚的LPCVDSi3N4薄層作為覆蓋層，然后，采用濕處理將Si3N4向下蝕刻至 lpm深的溝槽。該例中溝槽的寬度約為400nm。然后，用旋轉(zhuǎn)涂覆法制作一 500nm厚的聚合物(Benzocyclobutene，簡稱BCB，即苯并環(huán)丁烯類聚合物) 層后緊跟一熱退火工藝而制備出聚合體。
圖4 (A)示出了一系列隔離的淺溝結(jié)構(gòu)。圖4 (B)示出了一傳統(tǒng)AFM 形貌圖。圖4 (C)示出了一相應(yīng)的(同時(shí)記錄的)SNFUH相位圖。具有代表 性的7.5x7.5pm2形貌掃描示出了均勻和毗鄰的位于氮化硅之上和溝槽之內(nèi)的 聚合物覆層。另一方面，如圖4 (B)所示的相應(yīng)的SNFUH相位圖展示的相 襯表明有嵌入在聚合體內(nèi)并位于氮化硅-聚合體界面處的空隙。覆蓋在氮化硅 上的聚合體在相位圖中的暗調(diào)對(duì)比勾畫出了在聚合體-氮化硅界面處相應(yīng)空隙 的輪廓，也即，空隙形成在接觸處之下。該對(duì)比是對(duì)例如由從空隙而來的樣本 超聲波具有明顯不同的黏彈性響應(yīng)而導(dǎo)致的。在相位圖中，溝槽中和其側(cè)墻上 的聚合體的硬化也是很明顯的，這是由例如熱退火和可能不足的SOD支持所 導(dǎo)致的。圖4 (D)示出了圖4 (C)中劃有X-Y圖標(biāo)處相位的線路縱斷面。 例如，其可獲得50mdeg的表面下相位分辨率?，F(xiàn)有的診斷方法使用的是不合 需要的破壞性方法，如濕法蝕刻后進(jìn)行SEM成像，因而，SNFUH是這些表面 下測量所需要的改進(jìn)工具集。
SNFUH在生物嵌入式或隱埋的子結(jié)構(gòu)成像上的效力在圖5得到了證實(shí)， 其示出了對(duì)受染的紅細(xì)胞(RBCs)內(nèi)的瘧原蟲成像所獲得的高分辨率和卓越的高對(duì)比性能。圖5展示了在不加示蹤劑或不進(jìn)行細(xì)胞切片，和在生理學(xué)上處 于活性的條件下，對(duì)紅細(xì)胞內(nèi)的癡原蟲的早期階段的直接和實(shí)空間體外成像。采用Haldar等人提出的誘發(fā)變異方法體外培養(yǎng)出惡性癡原蟲蟲林3D7。例如，個(gè)小時(shí)，培養(yǎng)達(dá)到10%蟲血癥，并以預(yù)示的次數(shù)進(jìn)行收集而得到。SNFUH成像可采用例如近接觸模式方法來對(duì)軟組織成像。SNFUH電子模 塊可被用來使懸臂工作在近接觸模式，在維持近場體系的情況下，在紅細(xì)胞上 對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)掃描。圖5 (A)和圖5 (B)分別示出了染癥紅細(xì)胞的AFM 形貌圖和SNFUH相位圖，其中AFM形貌圖示出了典型的染癡紅細(xì)胞的表面 形態(tài)，而SNFUH相位圖對(duì)良好地寄生在紅細(xì)胞中的癡原蟲顯示出了高對(duì)比， 除了幾個(gè)其它特征表明了膜蛋白質(zhì)和亞細(xì)胞內(nèi)容之外，有若干癡原蟲也是非常 明顯的。為更進(jìn)一步證實(shí)SNFUH對(duì)寄生蟲感染早期階段診斷的能力，僅僅只 對(duì)紅細(xì)胞培養(yǎng)四個(gè)小時(shí)就進(jìn)行;險(xiǎn)查，采用其它無創(chuàng)技術(shù)(例如，熒光標(biāo)示法) 要來確認(rèn)它是困難的。圖5 (C)和圖5 (D)給出了與圖5 (A)和圖5 (B) 類似的兩幅圖像。SNFUH對(duì)紅細(xì)胞的早期階段寄生蟲感染可能是敏感的，例 如，因?yàn)閳D像對(duì)比所反映出的與寄生蟲感染是相符的。圖6示出了一系列的低K電介質(zhì)聚合物紋和銅紋，其中橫向尺度代表聚 合物時(shí)約為200nm,代表銅時(shí)約為60nm。圖6 ( A )示出了傳統(tǒng)的形貌圖，而 圖6 (B)是相應(yīng)的(同時(shí)記錄)SNFUH相位圖。典型的1400xl400nm2形貌 掃描示出了均勻和毗鄰的聚合物紋和銅紋。然而，如圖6 (B)所示的相應(yīng)的 SNFUH相位圖展示的相襯表明了銅紋中形成有表面下空隙。圖6(C)示出了 越過該些空隙的線路縱斷面。銅紋相位圖像里的暗調(diào)對(duì)比相應(yīng)于金屬下的空 隙，相位圖像里該對(duì)比的出現(xiàn)暗示了底部金屬填充的不足，也即，接觸處之下 形成有空隙，這使其具有明顯不同的黏彈性響應(yīng)。有趣的是，聚合物區(qū)域和其 側(cè)墻的硬化在相位圖中也是明顯的，這是由反應(yīng)離子刻蝕(RIE)處理和化學(xué) 機(jī)械研磨拋光(Chemical-Mechanical-Polishing, CMP)所導(dǎo)致的。SNFUH可 成為挑戰(zhàn)如表面下測量的工具集。如此，SNFUH可用來推動(dòng)(1)表面下(例如，隱埋的)結(jié)構(gòu)的定量高 分辨率納米力學(xué)繪圖以識(shí)別由處理過程所引起的力學(xué)變化和/或納米尺度的粘附缺陷；(2)對(duì)特定研究的表面和亞表面界面粘附(粘結(jié))反應(yīng)的納米力學(xué)黏 彈性(動(dòng)態(tài))成像，等。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的其它應(yīng)用包括(1) 3D互連中的表面下缺陷和由 電偏壓所導(dǎo)致的沿器件的應(yīng)力漂移的非破壞性成像；(2 )納米尺度分辨率的納 米互連技術(shù)的無損探傷，以便能夠?qū)C(jī)電損傷(例如，納米管接觸)和分子互 連部件的納米尺度完整性成像；(3)鐵電物質(zhì)、陶瓷和微機(jī)械結(jié)構(gòu)和器件的表 面下納米裂紋、應(yīng)力、分層識(shí)別；(4)集成IC材料和器件中的非破壞性缺陷 檢查和過程控制，為軟材料(例如，多孔電介質(zhì))提供模數(shù)測量和，為空隙和 分層缺陷提供檢測以免除離線的代表性故障分析；(5 )生物分子和材料的自組 裝單層膜和表面下缺陷，生物學(xué)細(xì)胞、組織和膜體外成像，納米生物力學(xué)和(6) 高精度彈性模數(shù)定量提取。圖9示出了一按照本發(fā)明一實(shí)施例所使用的掃描近場全息成像方法900 的流程圖。首先，在步驟910，關(guān)于一用來對(duì)樣品進(jìn)行納米力學(xué)成像的懸臂設(shè) 置一樣品，關(guān)于該樣品，例如一組織或其它樣品，執(zhí)行一表面和/或表面下成 像。在步驟920,使懸臂探針以第一頻率振動(dòng)，該頻率例如是第一微波、超聲、 或其它聲學(xué)頻率。然后，在步驟930，使樣品以第二頻率振動(dòng)，例如是第二微 波、超聲、或聲學(xué)頻率。在一實(shí)施例里，使該樣品以一頻率振動(dòng)的該第二頻率 與使該探針振動(dòng)的該第一頻率具有一偏移；在一實(shí)施例里，探針與樣品壓電體 以它們各自的諧振頻率振動(dòng)。接下來，在步驟940，檢測出振動(dòng)的探針與振動(dòng)的樣品之間的相互作用。 該相互作用例如可以是一探針與樣品間的物理相互作用和/或非接觸信號(hào)交互 影響。例如，該相互作用可以等同于該探針的運(yùn)動(dòng)，而探針運(yùn)動(dòng)可以提供例如 一探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)。在一實(shí)施例里，該相互作用可包括一探針與樣品間的線性和 /或非線性相互作用。在一實(shí)施例里，SNFUH可以利用線性探針-樣品間相互 作用運(yùn)行在軟接觸和近接觸模式下，來獲得高分辨率表面下相位。SNFUH可 以運(yùn)行在軟和近接觸模式下來獲得表面下信息，如隱埋的缺陷或變化。在步驟950，提取出與樣品的表面聲波有關(guān)的振幅和相位信息。振幅和相 位信息可以利用如鎖定檢測從探針的偏轉(zhuǎn)信號(hào)提出出來。在一實(shí)施例里，關(guān)于 樣品的表面下力學(xué)凄史據(jù)，如界面粘結(jié)，也可從探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)提出出來。在步驟960，利用振幅和相位信息對(duì)樣品的表面和/或表面下特征成像。在 一實(shí)施例里，例如表面和表面下黏彈性相位的空間變化^皮成像。在一 實(shí)施例里， 樣品特有的翻彈性響應(yīng)時(shí)間可以基于振幅和相位信息而被定義。然后，在步驟970,懸臂探針的振動(dòng)維持在探針壓電體的諧振頻率，而樣品的振動(dòng)維持在樣 品的諧振頻率，可以提供反饋，如電反饋，來維持該探針的諧振頻率和該樣品 的諧振頻率。在一實(shí)施例里,乘積頻率可與光學(xué)檢測一起用來獲得具有高表面下分辨率 的生物學(xué)成像。樣品與懸臂以它們的基模諧振頻率(例如，分別為1.96MHz 和3.28MHz)激勵(lì)，另夕卜，樣品和懸臂各自的載波信號(hào)用一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率 (例如，分別為25kHz和35kHz)進(jìn)行調(diào)制。然后，SNFUH電子模塊和RF 鎖定帶通濾波器相結(jié)合輸出這兩個(gè)已調(diào)波的乘積，該乘積輸出然后反饋到RF 鎖定放大器的參考輸入端。利用乘積頻率可改進(jìn)載波頻率的選擇。在一實(shí)施例里，聲學(xué)振蕩的頻率越 大，從SNFUH圖像獲得的相襯的級(jí)次就越高。因此，使用更高的載波頻率， 那些在較低載波頻率情況下見不到的更小特征可被;險(xiǎn)測到。此外，利用乘積頻 率將允許不匹配的探針和懸臂壓電體的使用。在一實(shí)施例里，在SNFUH工作在近接觸模式時(shí)，探針與樣品間的作用力 是可控的。懸臂探針與生物學(xué)樣品接觸可導(dǎo)致樣品的破裂，然而，近接觸工作 允許對(duì)軟組織進(jìn)行探測和表面下成像。近接觸模式工作可提供對(duì)軟組織的表面 下成像以及對(duì)如生物學(xué)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞和/或組織的定量分析。在一實(shí)施例里，拍頻可被用來在近接觸模式下探測樣品。作為選擇，頻率 附加也可以用于近接觸模式下的樣品探測。在一實(shí)施例中，諧波，以及或者加 之基模頻率均可用于拍頻、乘積頻率和/或頻率附加(和)操作。例如，使用 一極薄的氧化鋅(ZnO)薄膜，依據(jù)高達(dá)1000MHz的多樣的頻率策略，該系統(tǒng)可 實(shí)施光學(xué)和/或電子檢測。在一實(shí)施例里，懸臂和樣品的載波頻率可以采用幅度調(diào)制進(jìn)行調(diào)制。例如， 兩個(gè)載波， 一個(gè)用于懸臂， 一個(gè)用于樣品，各自都進(jìn)行幅度調(diào)制。在這種配置 下，探針-樣品組件可用一更高的頻率(可使用或不使用匹配壓電體)來激勵(lì)。 然后，從懸臂和樣品都可得到一幅度調(diào)制波，并將其作為SNHJH電子模塊的輸入。該電子模塊的輸出是一乘積/差分/附加頻率。要說明的是，例如，兩個(gè) 調(diào)制頻率之間的差就是拍頻或差分頻率。在一實(shí)施例里，利用該樣品探測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一電子讀出裝置。作為例子，2004年11月23日才是出，標(biāo)題為"Method and System for Electronic Detection of Mechanical Perturbations Using BiMOS Readouts，，的美國專利申請(qǐng)第10/996,274 號(hào)描述了一個(gè)這樣的讀出裝置，其被引用在此以作參考。在一實(shí)施例里，例如， 由于不象使用光學(xué)光電二極管那樣，其工作不受響應(yīng)時(shí)間的限制，使用該讀出 電路允許乘積頻率不經(jīng)調(diào)制即可使用。在一實(shí)施例里，使用電子檢測代替光電檢測來檢測振幅和相位，去除或減 小了由光電檢測器響應(yīng)頻率所帶來的限制，如lMHz的光電檢測器響應(yīng)頻率。 電子檢測有助于構(gòu)建具有片上集成壓電驅(qū)動(dòng)器(例如，氧化鋅(ZnO))和嵌 入式MOSFET反饋器的多源顯微鏡.此外，電子檢測對(duì)基于拍頻的表面下特征 檢測沒有限制。成倍的頻率可用來增強(qiáng)振幅和表面下相襯，繼而增強(qiáng)黏彈性響 應(yīng)。更強(qiáng)的黏彈性響應(yīng)能增強(qiáng)對(duì)例如小于50nm的特征的相村，若只使用拍頻， 這可能是難以檢測到的。因此，某些實(shí)施例^提供了一掃描近場超聲波全息(SNFUH)方法來對(duì)例 如隱埋的納米結(jié)構(gòu)、缺陷、3D形貌、多層薄膜堆棧中各單獨(dú)層的識(shí)別和攙雜 劑繪圖進(jìn)行高分辨率成像。某些實(shí)施例集成了三種方法掃描探針顯微鏡平臺(tái) (其具有優(yōu)秀的橫向和垂直分辨率)、微米尺度超聲源和檢測(其有利于"看到" 更深處的結(jié)構(gòu)， 一個(gè)截面一個(gè)截面地)和全息方法(以在進(jìn)行成像時(shí)增強(qiáng)相位 分辨率和相位耦合)的結(jié)合。某些實(shí)施例提出了近場、超聲全息術(shù)、近場微波 全息術(shù)或其它近場聲學(xué)全息術(shù)來對(duì)納米和微米級(jí)樣品，如生物學(xué)、力學(xué)和電子 學(xué)樣品，進(jìn)行表面和表面下成像。例如，某些實(shí)施例允許SNFUH以接觸、軟 接觸和/或近接觸模式，使用懸臂和樣品間線性和/或非線性相互作用來成像。結(jié)果，該技術(shù)允許對(duì)例如納米和微米合成物、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS )、 CMOS 和異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面下缺陷成像。該技術(shù)也提供了對(duì)生物聚合物、生物材料和 生物學(xué)結(jié)構(gòu)(例如，細(xì)胞膜或種植體-生物界面觀察)的體外成像。此外，某些實(shí)施例檢測出了低K電介質(zhì)材料和互連中的空隙和表面下缺陷，以及在3D 互連和MEMS中的應(yīng)力漂移和缺陷分析。某些實(shí)施例用非接觸模式使攙雜劑縱斷面繪制和模數(shù)繪圖變得容易，還對(duì)例如分子標(biāo)記/標(biāo)簽-信號(hào)途徑提供了非 入侵式探測。
在一實(shí)施例里，高頻(例如，百M(fèi)Hz數(shù)量級(jí))聲波從樣品底部被發(fā)射。
同時(shí)，另一個(gè)波從AFM的懸臂上發(fā)射。這些聲波通過一SNFUH電子;f莫塊混 合在一起。該SNFUH電子模塊包含各種濾波器、混合器、反饋器和電子元件， 用來獲得所需的基模諧振和相關(guān)諧波(具有不同頻率)的乘積和頻率附加，得 到的混合波被AFM探針探測到。該探針本身對(duì)相位和振幅來說都起一天線的 作用。當(dāng)樣品聲波，尤其是其相位被隱埋的缺陷擾動(dòng)，該局部的表面聲波就被 AFM探針非常有效地探測到。由此，在近場體系(其具有極好的橫向和垂直 分辨率)里，聲波(其是非破壞性的，并對(duì)其傳播路徑上的力學(xué)/彈性變化是 敏感的)被該AFM的聲波天線按照相位和振幅逐點(diǎn)地被完整分析。由此，當(dāng) 樣品被掃過， 一聲波的擾動(dòng)圖被完整地記錄和顯示出來，為該樣品內(nèi)部的微細(xì) 結(jié)構(gòu)提供"定量的"計(jì)算。
該SNFUH系統(tǒng)是工作在探針-樣品間相互作用的線性和近接觸體系里。 例如，使用該SNFUH電子模塊，對(duì)生物細(xì)胞和組織進(jìn)行體外成像被證明是有 效的。
由此，某些實(shí)施例提供了 一基于嵌入式MOSFET的電子讀出器用來探測 乘積頻率，因此它就不會(huì)被一光學(xué)探測器所限制。而且，電子讀出器會(huì)有助于 為工業(yè)應(yīng)用建立一個(gè)類似的SNFUH系統(tǒng)。此外，布里淵區(qū)散射(BrillionZone Scattering)技術(shù)可用來對(duì)任一表面的模數(shù)用非破壞性的方式來繪圖，并且相比 其它的方法，它有更高的效率。
尤其地，作為一套改進(jìn)的納米尺度表面和表面下測量工具集，某些實(shí)施例 可應(yīng)用于微電子學(xué)。而且，某些實(shí)施例提供對(duì)納米電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS ) 的可靠性與故障分析、和， 一般而言，納米科技，尤其是生物分子互連和生物 微機(jī)電系統(tǒng)(BioMEMS)的成像。此外，無需"打開"內(nèi)部結(jié)構(gòu)，某些實(shí)施例 就實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物結(jié)構(gòu)的體外成像。通過將傳統(tǒng)SPMs的納米尺度空間分辨率與 該表面下成像能力的結(jié)合，某些實(shí)施例可用高分辨率辨別出表面缺陷與結(jié)構(gòu)， 還進(jìn)一步具有例如提高納米尺度的非入侵式3DX線斷層攝影成像的潛力。
在近接觸和接觸模式下，采用乘積頻率，掃描近場超聲全息術(shù)(SNFUH)可被用于以下結(jié)構(gòu)和器件(1)研究集成電路(IC)結(jié)構(gòu)和MEMS中材料的 力學(xué)均勻性和過程誘發(fā)力學(xué)變異；(2)染癡紅細(xì)胞的實(shí)時(shí)體外生物學(xué)成像；
(3)銅互連中的空隙；(4)聚合物膜層下隱埋納米粒子的非入侵探測。這些 功能可補(bǔ)充沖黃截面成像技術(shù)，如SEM-EDS( Scanning Electro Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy, 能^普43^苗電4霓)、TEM-EDS (Transmission Electron Microscope-energy Dispersive Spectroscopy ， 能"i普透射電4竟)、TEM-EELS
(Transmission Electron Microscope-Electron Energy-Loss Microscopy,電子能量 損失譜透射電鏡)和非即時(shí)STM ( Scanning Tunneling Microscopy,掃描隧道 顯微鏡)，用來研究如材料界面的納米力學(xué)性能和表面下成像、保形沉積涂料 的均勻性和多層結(jié)構(gòu)的機(jī)械缺陷。
按照上述教導(dǎo)，得到本發(fā)明的許多其它應(yīng)用以及其改進(jìn)例和變形例是有可 能的。雖然本發(fā)明已經(jīng)用某些參考實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該 理解到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可作出各種修改和等效物替代。此外， 根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以作出許多的改進(jìn)以適 用某一特定的環(huán)境或材料。因此，本發(fā)明的意圖并不僅限于這些特定實(shí)施例， 而是應(yīng)該包括落入所附權(quán)利要求范圍之內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于表面和表面下成像的掃描近場超聲全息方法，包括以第一超聲頻率振動(dòng)懸臂探針；以第二超聲頻率振動(dòng)樣品；檢測該懸臂探針與該振動(dòng)樣品交換作用而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)以提供探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)；和使用鎖定檢測提取與該樣品的表面和表面下有關(guān)的表面聲波SAW的振幅和相位信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述提取步驟還包括使用鎖 定檢測和掃描近場超聲全息SNFUH電子模塊來提取與樣品表面和表面下有關(guān) 的表面聲波SAW的振幅和相位信息。
3. 如4又利要求1所述的方法，其特征在于所述第二超聲頻率使所述樣 品以與所述第 一超聲頻率具有一偏移量的頻率而振動(dòng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述提取步驟還包括從該探 針的偏轉(zhuǎn)信號(hào)提取與樣品相關(guān)的表面下力學(xué)數(shù)據(jù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述表面下力學(xué)數(shù)據(jù)包括界 面粘結(jié)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括對(duì)表面和表面下黏彈 性相位的空間變化成像。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括基于所述振幅和相位 信息定義該樣品的一特征黏彈性響應(yīng)時(shí)間。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括將懸臂探針壓電體的 所述振動(dòng)維持在探針壓電體的諧振頻率，和，將所述樣品的所述振動(dòng)維持在樣 品的諧振頻率。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于還包括提供電子反饋以維持 所述探針壓電體諧振頻率和所述樣品諧振頻率。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在近接觸模式下，拍頻、乘 積頻率和頻率附加中的至少 一個(gè)被用來產(chǎn)生所述探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)以探測所述樣口口o
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括工作在所述懸臂探針 和所述樣品間沒有接觸的近接觸模式。
12. —種用于表面和表面下成像的掃描近場全息方法，包括 以第 一微波頻率振動(dòng)懸臂探針；以第二微波頻率振動(dòng)樣品；檢測該懸臂探針與該振動(dòng)樣品交換作用而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)以提供一探針偏轉(zhuǎn) 信號(hào)；和使用鎖定檢測從探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)中提取與該樣品的表面下有關(guān)的表面聲波 SAW的振幅和相位信息。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述提取步驟還包括使用 鎖定檢測和掃描近場超聲全息SNFUH電子模塊來從探針偏轉(zhuǎn)信號(hào)中提取與樣 品表面下有關(guān)的SAW振幅和相位信息。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于還包括利用該懸臂探針和該樣品間的線性相互作用來檢測該樣品的該表面上的 差拍振動(dòng)；和為所述第 一微波頻率和所述第二微波信號(hào)提取相位和振幅信號(hào)。
15. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于還包括基于所述探針偏轉(zhuǎn) 信號(hào)的所述振幅和相位信息對(duì)所述樣品的所述表面和表面下成像。
16. —種原子力顯孩t鏡系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 懸臂，所述懸臂包括位于該懸臂末端的探針；振動(dòng)裝置，用來給所述懸臂供給第一頻率的振動(dòng)來激勵(lì)所述探針振動(dòng)；和 檢測器，用基于所述探針和樣品的表面之間的原子力來檢測所述探針的運(yùn) 動(dòng)，所述樣品被跟所述第一頻率不同的第二高頻率激勵(lì)而振動(dòng)。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括配置電子反饋電路 來維持所述懸臂〗笨針在諧振頻率振動(dòng)。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電子反饋電路包括基 于MOSFET的電子讀出電路。
19. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一頻率和所述第二頻率包括各自以幅度調(diào)制的載波頻率。
20. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于乘積頻率、拍頻、和附加 頻率中的至少 一個(gè)被用來確定所述第 一和第二載波頻率。
21. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述懸臂工作在所述探針 與樣品間沒有接觸的近接觸模式。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于在近接觸模式下，拍頻、 乘積頻率、和頻率附加中的至少一個(gè)被用來檢測所述樣品。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于諧波頻率和基模頻率中的 至少一個(gè)^:用來產(chǎn)生所述的拍頻、乘積頻率、和頻率附加中的至少一個(gè)。
24. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述4果針的所述運(yùn)動(dòng)被用 來識(shí)別在所述樣品中的隱埋的納米結(jié)構(gòu)、缺陷和摻雜分布中的至少一種。
25. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于將所述第一頻率振動(dòng)和所 述第二頻率振動(dòng)混合，形成一混合聲波信號(hào)，并且，對(duì)所述混合聲波信號(hào)進(jìn)行 電子處理，以基于所述混合聲波信號(hào)的相位和振幅來判定所述樣品的內(nèi)部微結(jié) 構(gòu)。
26. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)包括所述探針和 所述樣品間的線性相互作用。
27. —種掃描近場聲學(xué)全息系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括聲波發(fā)生器，配置用來從樣品的底部發(fā)射第一高頻聲波和從懸臂的基部發(fā) 射第二聲波，所述懸臂包括位于其一端部的探針，所述探針作為一天線從聲波 信號(hào)4妄收相位和振幅信息；和掃描近場聲學(xué)全息模塊SNFUH電子模塊，能夠混合該第一和第二聲波以 產(chǎn)生表征所述樣品的表面和表面下的乘積頻率、附加頻率、和差分頻率中的至 少一個(gè)。
28. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電子模塊還包括能提 供反饋以維持所述第 一和第二聲波的反饋電子器件。
29. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一和第二聲波包括基模諧振頻率和相關(guān)的諧波。
30. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于所述聲波受到位于所述樣品的該表面之下的缺陷的擾動(dòng)。下31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電子模塊檢測出所述第一聲波的擾動(dòng)，構(gòu)建一該聲波擾動(dòng)的表示法來指示所述樣品的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種對(duì)樣品表面采用掃描近場超聲波全息術(shù)(47)方法以對(duì)其彈性和黏彈性變化成像的高空間分辨率相敏技術(shù)。掃描近場超聲波全息術(shù)(47)使用近場方法來測量樣品表面(12)超聲振動(dòng)的時(shí)間分辨變化。因其去掉了傳統(tǒng)的相位分辨聲學(xué)顯微鏡(如全息)所需要的遠(yuǎn)場聲學(xué)鏡頭而克服了其空間分辨率限制。
文檔編號(hào)G03H3/00GK101317138SQ200580051779
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2005年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月6日
發(fā)明者加金德拉·謝卡瓦特, 維納亞克·P.·德拉維 申請(qǐng)人:西北大學(xué)