專利名稱：原子力顯微鏡及其驅動方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及原子力顯微鏡及其驅動方法；而更具體地涉及裝有多個能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品的外形的掃描探頭的原子力顯微鏡及其驅動方法。
已利用各種技術觀察諸如半導體器件的表面等表面的外形。諸如原子力顯微鏡(AFM)等掃描探頭顯微鏡為能通過用受觀察的表面與設置在掃描探頭上的尖端之間的原子力所生成的信號作為反饋信號，同時在受觀察的表面與尖端之間保持不變的間距而不破壞該受觀察的表面地以納米或亞納米范圍的高分辨率觀察表面的顯微鏡。
頒發(fā)給Theodore等人的名為“測定半導體器件的外形的方法與裝置”的美國專利號5,338,932公開了用于執(zhí)行原子力顯微技術及掃描隧道顯微測量的組合來提供表面外形與材料成分的精確表示的裝置與方法。該裝置的可變柔性探頭包含參照元件、可變剛性元件、支承件、導電尖端及力元件。參照元件的第一端及可變剛性元件的第一端附著在支承件上使該參照與可變剛性元件構成從支承件伸出的兩根平行懸臂。
將力元件連接在參照與可變剛性元件兩者上。力元件在可變剛性元件上作用一可變力以便改變該可變剛性元件的剛性或彈性常數(shù)。雖然該可變柔性探頭能執(zhí)行原子力顯微技術與掃描隧道顯微測量的組合，但難于減小該可變柔性探頭的尺寸以便構成采用多個可變柔性探頭的系統(tǒng)，由于該可變柔性探頭是用其間包含該力元件的帶小間隔的互相分離的兩根平行懸臂構成的。
頒發(fā)給Tohda等人的名為“掃描探頭顯微鏡及使用這一顯微鏡測定表面的方法”的美國專利號5,468,959公開的裝有活動懸臂的組合原子力顯微技術與掃描隧道顯微技術的先進功能的掃描探頭顯微鏡及使用這一顯微鏡觀察表面的方法。這一顯微鏡可在大氣壓力下工作，然而如果要求獲得清潔樣品表面的詳細信息的測定則最好將這一顯微鏡放置在超高真空中。雖然這一顯微鏡具有能在大氣壓力下工作的優(yōu)點，但由于該掃描探頭具有類似于Theodore等人的那種用于改變掃描探頭的剛性或彈性常數(shù)的大的結構而難于縮小用在該顯微鏡中的掃描探頭的尺寸。
頒發(fā)給Watanabe等人的名為“調整反饋控制下的原子力顯微鏡”的裝置專利號5,723,775公開了能通過減小包含軸向驅動致動器的懸臂的質量同時消除由這一質量減小導致的缺點而達到執(zhí)行高速反饋控制的原子力顯微鏡(AFM)。這一AFM在掃描要觀察的樣品的結構的同時，保持該樣品的表面與設置在掃描探頭上的尖端之間的恒定間隔。然而，當尖端受到大氣壓力下可能在受觀察的樣品表面上存在的諸如塵土、水滴之類的雜質污染時，表示樣品表面的外形的圖像將會降低。
如上所述，上述專利中無一教導能觀察樣品表面的外形的帶有多個掃描探頭的系統(tǒng)及其驅動方法。當采用上術專利中所描述的技術之一構造使用多個掃描探頭的系統(tǒng)時，將最終得出昂貴與笨重的系統(tǒng)。因此，為了在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形希望提供廉價及緊致尺寸的帶有多個掃描探頭的系統(tǒng)及其驅動方法。
因此，本發(fā)明的目的為提供能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品的外形的原子力顯微鏡及其驅動方法。
按照本發(fā)明的一個方面，提供了能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡(AFM)包括多個用于測定樣品表面的掃描探頭，其中各該掃描探頭包含具有尖端與第一及第二致動器的懸臂；用于檢測從所述各該掃描探頭反射的光束以便將其轉換成依賴于第二信號的第一信號的裝置；以及通過生成第三與第四信號來驅動掃描探頭及檢測關于樣品表面的外形的信息的裝置，其中該第一致動器響應第三信號執(zhí)行輕拍(tapping)操作，該第二致動器響應第四信號執(zhí)行定位操作，且第三信號的頻率高于第四信號的頻率。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡，包括具有N×M個掃描探頭的掃描探頭矩形陣，用于測量樣品表面，其中各該掃描探頭包含具有尖端與第一及第二致動器的懸臂，N與M分別為大于1的正整數(shù)；用于檢測從各該掃描探頭反射的光束以便將其轉換成電信號的裝置；以及通過生成一參照及一伺服信號來驅動這些掃描探頭及檢測關于樣品表面的外形的信息的裝置，其中該第一致動器響應參照信號執(zhí)行輕拍操作，該第二致動器響應伺服信號執(zhí)行定位操作，且參照信號的頻率高于伺服信號的頻率。
按照本發(fā)明的又另一方面，提供了驅動能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的帶有多個掃描探頭的原子力顯微鏡(AFM)的方法，包括下述步驟a)響應參照信號振動設置在各該掃描探頭上的第一致動器；b)檢測在其自由端上設有尖端的懸臂的彎曲量；以及c)根據(jù)懸臂的彎曲量傳輸伺服信號給第二致動器，其中設置在所述各該掃描探頭上的懸臂及第一與第二致動器是設置在與設有尖端的自由端相對的懸臂上的。
從下面結合附圖的給出的較佳實施例的描述中，本發(fā)明的上述與其它目的與特征是顯而易見的，附圖中

圖1示出按照本發(fā)明的能觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡(AFM)的示意圖；圖2示出圖1中所示的光束掃描器的詳圖3表示沿圖1中所示的虛線P-P’所取的一個較佳實施例的掃描探頭的剖視圖；圖4描繪按照本發(fā)明的另一較佳實施例的掃描探頭單元的剖視圖；圖5示出圖1中所示的驅動控制單元的框圖；以及圖6為說明按照本發(fā)明的AFM的驅動操作的流程圖。
下面參照圖1至6描述本發(fā)明的較佳實施例，它們只是以示例的方式給出的不應認為是對本發(fā)明的限制。
參見圖1，其中示出了按照本發(fā)明的帶多個掃描探頭的原子力顯微鏡(AFM)100的示意性框圖，其中該AFM100能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形。如圖1中所示，AFM100包括光束源單元110、光束掃描器120、掃描探頭單元130，光束檢測單元140、驅動控制單元150及顯示單元160。
光束源單元110發(fā)射最好是諸如激光束的一光束到光束掃描器120。光束源單元110可包含例如激光二極管(LD)、發(fā)光二極管(ED)等諸如此類。光束掃描器120機械地連接在支承件(未示出)上，并且通過線路L16電連接在驅動控制單元150上。光束掃描器120接收從光束源單元110發(fā)射的光束以便響應從驅動控制單元150通過線路L16提供的位置信號順序地通過掃描探頭單元130的對應掃描探頭131a、131b或131c上的光掃描路徑A、B或C執(zhí)行掃描操作。
掃描探頭單元130包含三個掃描探頭131a、131b與131c，其中各個分別通過公共線路L14與線路115a、115b與115c電連接在驅動控制單元150上。為了簡單起見，將掃描探頭單元130示出為只由三個掃描探頭131a至131c構成，但熟悉本技術的人員會理解必要時掃描探頭單元130可由多個掃描探頭構成。掃描探頭單元130通過光反射路徑A’、B’或C’將從光束源單元110發(fā)射的光束反射到光束檢測單元140。
光束檢測單元140通過線路L13a與L13b電連接在驅動控制單元150上。光束檢測單元140可用開關單元144及三個光電探測器142a至142c構成，光電探測器的數(shù)目與掃描探頭131a至131c的數(shù)目相同。各光電探測器電連接在開關單元144上。各光電探測器142a至142c包含一電信號放大器(未示出)并將由掃描探頭單元130反射的光束轉換成對應的電信號以便用該電信號放大器將其放大到預定的信號電平。顯示單元160電耦合在驅動控制單元150上。
參見圖2，其中示出了圖1中所示的光束掃描器120的詳圖。如圖2中所示，光束掃描器120包含第一電極210、電可移位層220、第二電極230、全反射鏡240及可變電壓源250。將電可移位層220插入第一電極210與第二電極230之間。將全反射鏡240設置在第二電極230上，與電可移位層220相對?？勺冸妷涸?50響應輸入到其上的位置信號，按照位置信號電平將預定的電壓提供給第一與第二電極210與230。如本技術領域中熟知的，電可移位層220可根據(jù)提供給第一與第二電極210與230的電壓電平偏轉。換言之，通過改變輸入到第一與第二電極210與230的電壓電平，全反射鏡240上的光束的掃描角而允許光束通過光掃描路徑A、B與C的一傳播。這一操作對一熟悉本技術的人員是顯而易見的。例如，如果光束掃描器120掃描的光束通過光掃描路徑A傳播，便通過光反射路徑A’將掃描探頭單元130的掃描探頭131a反射的光束傳輸給光束檢測單元140的光電探測器142a。否則，通過光反射路徑B’與C’將掃描探頭131b或131c反射的光束傳輸給光束檢測單元140的光電探測器142b或142c。
參見圖3，其中示出了沿圖1中所示的虛線P-P’所取的掃描探頭單元130的掃描探頭131a的剖視圖。掃描探頭單元130的掃描探頭131a至131c的結構是互相一致的。掃描探頭131a由塊型致動器310a、薄膜致動器320a、懸臂330a、尖端340a及置于塊型致動器310a與懸臂330a之間的固定件350a構成，其中該固定件350a連接在支承框或基座(未示出)上?？蓪K型致動器310a與薄膜致動器320a制成眾所周知的結構，其中將電可移位材料插入接收外部信號的兩電極之間。該電可移位材料可根據(jù)提供給兩個電極的外部信號電平而被偏轉。
將樣品360保持在能在X、Y與/或Z軸方向上獨立地驅動的精調臺(未示出)上。為了簡單起見，將省略該精調臺操作的詳細描述。將懸臂330a布置在精調臺上方。
可采用本技術領域中眾所周知的各種技術制造的尖端340a設置在懸臂330a的自由端上，并能根據(jù)要觀察的樣品360的表面與尖端340a之間的原子間力(所謂Van der Waals力)在相對于樣品360的表面的法向(即Z軸方向)上移動。
與自由端相對，將薄膜致動器320a集成在懸臂330a上。薄膜致動器320a可與懸臂330a一起制造。薄膜致動器320a所起的作用為響應從驅動控制單元150通過線路L15a提供的伺服信號執(zhí)行定位操作。該定位操作為通過在尖端340a與要觀察的樣品表面之間的原子間力在測定點上將懸臂330a在Z軸方向上偏轉之后，將懸臂330a的偏轉狀態(tài)恢復到其在樣品表面的測定點上的平衡狀態(tài)。懸臂330a的平衡狀態(tài)為其非偏轉狀態(tài)，而不影響懸臂330a在測定點上的當前位置。定位操作防止可能導致其破壞的懸臂的極度偏轉。
塊型致動器310a置于固定件350a上。或者可將塊型致動器310a直接集成在懸臂330a上。在這一情況中，塊型致動器310a也扮演固定件350a的角色。塊型致動器310a的作用為允許懸臂330a執(zhí)行輕拍操作。輕拍操作為設置在懸臂330a的自由端上的尖端340a以恒定的時間間隔與要觀察的樣品360的表面周期性地接觸然后離開。為了允許懸臂330a執(zhí)行輕拍操作，塊型致動器310a響應從驅動控制單元150通過線路L14傳輸?shù)膮⒄招盘栆耘c該參照信號相同的頻率在Z軸方向上振動，其中該參照信號的頻率最好是諸如數(shù)百KHz。這一操作也稱作輕拍模式。輕拍模式稱作接觸模式與非接觸模式之間的中間模式。接觸模式為尖端340a與樣品表面接觸的狀態(tài)，而非接觸模式為尖端340a離開樣品表面的狀態(tài)。
當塊型致動器310a在Z軸方向上振動時，固定件350以與塊型致動器310a相同的頻率在相同的方向上振動。當固定件350a振動時，固定在其上的懸臂330a也振動，從而尖端340a以與塊型致動器310a相同的頻率在Z軸方向上振動。當在大氣壓力下有可能存在粘在尖端340a上的樣品表面上的諸如灰塵、水滴之類的雜質時，輕拍模式中的懸臂33a能從尖端340a上清除它們。換言之，通過采用輕拍模式，通過消除降低圖像質量的等級的雜質的影響，便能精確地獲得表示要觀察的樣品360的表面的外形的圖像。
參見圖4，其中示出了按照本發(fā)明的另一較佳實施例的掃描探頭單元490的剖視圖。該掃描探頭單元490包含支承框或基座410、多個開口470及多個掃描探頭400。掃描探頭400布置成N×M矩陣，N與M分別為大于1的正整數(shù)。開口470的寬度W由從光束源110發(fā)出的光束的入射與反射角確定。各掃描探頭400包含固定件420、塊型致動器430、薄膜致動器440、懸臂450及尖端460。與圖3中所示的掃描探頭131a相比，顛倒了固定件420與塊型致動器430的位置。然而，包含在掃描探頭400中的部件的功能與操作是與包含在圖3中所示的掃描探頭131a中的部件的功能與操作相同的。通過使用掃描探頭單元490，操作員能以方便與簡單的方式觀察樣品表面的外形。
參見圖5，其中示出了按照本發(fā)明的圖1中所示的驅動控制單元150的詳圖。如圖5中所示，驅動控制單元150包含位置信號發(fā)生單元510、濾波單元520、位移計算單元530、伺服信號發(fā)生單元540、開關單元550、選擇信號發(fā)生單元560及參照信號發(fā)生單元570。
參照信號發(fā)生單元570生成參照信號，通過線路L14將其提供給位移計算單元530及圖3中所示的相應掃描探頭131a、131b與131c中采用的各該塊型致動器310a、310b與310c。如上所述，響應參照信號，塊型致動器310a、310b及310c允許掃描探頭131a、131b及131c執(zhí)行輕拍操作。
位置信號發(fā)生單元510檢測從圖1中所示的光束檢測單元140通過線路L13a傳輸?shù)姆糯蟮男盘?。例如，如果檢測不到放大的信號，即在初始狀態(tài)中，位置信號發(fā)生單元510生成初始位置信號，通過線路L16將其提供給圖1中所示的光束掃描器120，以便將光束掃描器120的掃描位置改變到對應于初始狀態(tài)的第一位置上。第一位置是光束掃描器120在其中將來自光束源單元110的光束掃描到掃描探頭131a，即掃描探頭單元130的第一掃描探頭的位置。要說明的是掃描探頭131a、131b及131c分別稱作第一、第二及第三掃描探頭。同時，位置信號發(fā)生單元510通過線路L16將初始位置信號提供給選擇信號發(fā)生單元560。
響應初始位置信號，選擇信號發(fā)生單元560生成第一選擇信號，通過線路L13b將其傳輸給光束檢測單元140的開關單元144及開關單元550。光束檢測單元140的開關單元144響應第一選擇信號選擇第一光電探測器142a。開關單元550還響應第一選擇信號選擇連接到第一掃描探頭131a的線路L15a，其中該選擇的線路L15a將伺服信號發(fā)生單元540中生成的伺服信號提供給第一掃描探頭131a的薄膜致動器320a。
濾波單元520可包含并聯(lián)布置的高通與低通濾波器(未示出)。作為替代，濾波單元520可包含能濾波從光束檢測單元140輸入的放大的信號的電路與/或器件。濾波單元520截止對應于包含在通過線路L13a提供的放大的信號中的參照信號的頻率分量的頻率分量，以便通過包含在放大的信號中的與截止的頻率分量不同的其它分量，即改變的頻率分量。
當提供了放大的信號時，濾波單元520濾波該放大的信號以便只抽取其改變的頻率分量。抽取的頻率分量包含關于由待被觀察的樣品360的表面與尖端340a之間的原子間力所引起的懸臂330a的彎曲的信息，并被傳輸給位移計算單元530。位移計算單元530根據(jù)參照信號的頻率分量與來自濾波單元520的抽取的頻率分量計算對應于隨原子間力而改變的懸臂330a的彎曲量的位移△Z。
換言之，位移計算單元530計算參照信號的頻率分量與抽取的頻率分量之間的頻率差，其中該計算的頻率差與由尖端340a與要觀察的樣品360的表面之間的原子間力所導致的懸臂330a的彎曲量直接相關。然后通過線路L17將計算的頻率差提供給圖1中所示的伺服信號發(fā)生單元540及顯示單元160。
取決于計算的頻率差，伺服信號發(fā)生單元540生成伺服信號來驅動第一掃描探頭131a的薄膜致動器320a供允許懸臂330a執(zhí)行定位操作，如上所述。然后通過第一選擇信號已選定的線路L15a將伺服信號傳輸給薄膜致動器320a。
再參見圖1，顯示單元160可包含諸如根據(jù)通過線路L17從圖4中所示的位移計算單元530提供的計算的頻率差重構表示要觀察的樣品360的表面的外形的二或三維圖像的計算機及能在其上面顯示該重構的圖像的監(jiān)視器。應指出驅動控制單元150的操作序列是結合掃描探頭單元130的第一掃描探頭131a描述的，但與掃描探頭單元130的其它掃描探頭相關的驅動控制單元150的操作序列是類似的。
現(xiàn)在，參照圖6描述按照本發(fā)明的AFM的驅動操作的詳細說明。
在步驟S602上，圖4中所示的參照信號發(fā)生單元570通過線路L14將參照信號提供給塊型致動器310a、310b與310c及位移計算單元530。而塊型致動器310a、310b與310c則響應該參照信號以參照信號相同的頻率振動。從而如上所述，懸臂330a、330b與330c在輕拍模式中操作，使得設置在對應的懸臂330a、330b與330c上的相應的尖端340a、340b與340c以與塊型致動器310a、310b與310c相同的頻率振動。
在步驟S604上，位置信號發(fā)生單元510生成初始位置信號并通過線路L16將其提供給光束掃描器120及選擇信號發(fā)生單元560。響應該初始位置信號，將光束掃描器120置于第一位置。然后，選擇信號發(fā)生單元560響應該初始位置信號，生成第一選擇信號并通過線路L13b將其傳輸給圖1中所示的光束檢測單元140的開關單元144及圖4中所示的開關單元550。此后，開關單元144選擇第一光電探測器142a用于檢測從第一掃描探頭131a反射的光束。同時，開關單元550選擇線路L15a用于將在伺服信號發(fā)生單元540中生成的伺服信號提供給薄膜致動器320a。
在步驟S606上，光束源單元110將最好是激光束的光束發(fā)射到光束掃描器120上。然后，位于初始位置上的光束掃描器120通過圖1中所示的光掃描路徑A將光束掃描到第一掃描探頭131a的懸臂330a的尖端部分。第一掃描探頭131a的懸臂330a反射該光束，通過光反射路徑A’將其引導到光束檢測單元140的第一光電探測器142a上。
在步驟S608上，第一光電探測器142a檢測提供給它的反射光束并將其轉換成對應的電信號。然后第一光電探測器142a中所采用的電信號放大器將該電信號放大到預定的信號電平。通過線路L13a將放大的信號提供給驅動控制單元150的濾波單元520及位置信號發(fā)生單元510。
在步驟S610上，濾波單元520濾波該放大的信號以抽取其改變的頻率分量。如上所述，所抽取的頻率分量中包含關于第一掃描探頭131a的懸臂330a的彎曲的信息，其中該抽取的頻率分量可高于或低于用于振動第一掃描探頭131a的懸臂330a的參照信號的頻率分量。然后，將抽取的頻率分量從濾波單元520提供給位移計算單元530。
在步驟S612上，位移計算單元530通過計算來自參照信號發(fā)生單元570的參照信號的頻率分量與來自濾波單元520的抽取的頻率分量之間的頻率差計算在Z軸方向上與第一掃描探頭131a的懸臂330a的彎曲量直接相關的位移△Z。然后，位移計算單元530通過線路L17將計算的位移△Z提供給伺服信號發(fā)生單元540與圖1中所示的顯示單元160。
在步驟S614上，伺服信號發(fā)生單元540根據(jù)計算的位移Z生成伺服信號并將其傳輸給關開單元550，后者通過已響應第一選擇信號選定的線路L15a將該伺服信號提供給第一掃描探頭131a的薄膜致動器320a。該伺服信號驅動第一掃描131a的薄膜致動器320a用于允許其懸臂330a將其恢復到其在這一測量點上的平衡狀態(tài)而不改變其當前位置。伺服信號的頻率最好是諸如數(shù)十KHz。同時，顯示單元160根據(jù)計算的位移△Z在其上而顯示表示觀察的樣品表面的外形的諸如2或3維圖像。
在步驟S616上，位置信號發(fā)生單元510響應作為在步驟S610上輸入到濾波單元520的信號的放大的信號，生成下一個位置信號并通過線路L16將其提供給選擇信號發(fā)生單元560及光束掃描器120。選擇信號發(fā)生單元560生成第二選擇信號并通過線路L13b將其傳輸給開關單元550及光束檢測單元140。類似于第一選擇信號的情況，響應該第二選擇信號，開關單元550選擇線路L15b作為下一條線路及光束檢測單元140的開關單元144選擇第二光電探測器142b作為下一個光電探測器。
在步驟S618上，該進程確定是否完成了樣品表面掃描操作。如果確定結果是否定的，進程進行到步驟S620；否則它便終止這一過程。在步驟S620上，將光束掃描器120置于對應于從位置信號發(fā)生單元510通過線路L16輸入的第二個下一位置信號的下一位置上。然后，進行返回到步驟S606并重復上述步驟。
如上所述，按照本發(fā)明，即使在大氣壓力下在樣品表面上存在雜質的情況中，也能以高分辨率高速精確地獲得表示要觀察的樣品的表面外形的圖像。同時，可在一個過程中制造構成掃描探頭的部件來構造尺寸緊湊的一個單元，使得帶有多個掃描探頭的原子力顯微鏡的制造成本能有效地降低并且即使采用多個掃描探頭，AFM也具有簡單的結構。應指出，為了全面的理解，構成掃描探頭的部件的尺寸是在圖上放大了的。
雖然已對特定實施例描述了本發(fā)明，對于本技術領域的熟練技術人員顯而易見可作出各種改變與與修正而不脫離在下面的權利要求中所定義的本發(fā)明的精神與范圍。
權利要求
1.一種能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡，包括多個用于測定該樣品表面的掃描探頭，其中各該掃描探頭包含具有尖端及第一與第二致動器的懸臂；用于檢測從所述各該掃描探頭反射的光束以響應第二信號將其轉換成第一信號的裝置；以及用于通過生成第三與第四信號來驅動掃描探頭及檢測關于樣品表面的外形的信息的裝置；其中該第一致動器響應第三信號而執(zhí)行輕拍操作，第二致動器響應第四信號而執(zhí)行定位操作，且該第三信號的頻率高于該第四信號的頻率。
2.按照權利要求1的原子力顯微鏡，還包括用于發(fā)射光束的裝置；用于在驅動裝置的控制下將光束掃描到所述各該掃描探頭上的裝置；以及用于在上面顯示表示樣品表面的外形的圖像的裝置。
3.、按照權利要求2的原子力顯微鏡，其中該驅動裝置包括用于濾波該第一信號來抽取與第三信號的頻率分量不同的頻率分量的裝置，其中該抽取的頻率分量是與關于樣品表面的外形的信息直接相關的；用于生成第三信號并將其提供給第一致動器的裝置；用于生成第四信號并將其提供給第二致動器的裝置；用于為了控制光束掃描裝置而根據(jù)第一信號生成第二信號的裝置；以及用于計算懸臂在相對于樣品表面的法線方向上移動的位移以根據(jù)抽取的頻率分量，生成承載信息的第六信息的裝置。
4.按照權利要求3的原子力顯微鏡，其中該光束掃描裝置根據(jù)從驅動裝置生成的第二信號將光束掃描到所述各該掃描探頭上。
5.按照權利要求4的原子力顯微鏡，其中該尖端是設置在懸臂的自由端上的。
6.按照權利要求5的原子力顯微鏡，其中該驅動裝置還包括用于根據(jù)第二信號生成第五信號的裝置；以及用于響應第五信號選擇連接到所述各該掃描探頭的第二致動器上的輸出端，從而將第四信號提供給該第二致動器的開關單元。
7.按照權利要求6的原子力顯微鏡，其中該第一與第二致動器是設置在懸臂上與設有尖端的自由端相對的端上的。
8.按照權利要求7的原子力顯微鏡，其中該第一致動器是布置成在懸臂上與第二致動器相對的。
9.按照權利要求8的原子力顯微鏡，其中該檢測裝置包含多個用于檢測光束并將其轉換成第一信號的光電探測器；以及多個用于將第一信號的電平放大成預定的信號電平的信號放大器；其中各該光電探測器連接在至少一個信號放大器上。
10.按照權利要求9的原子力顯微鏡，其中該檢測裝置還包括用于響應第五信號選擇信號放大器之一的開關單元。
11.按照權利要求10的原子力顯微鏡，其中該計算裝置根據(jù)所抽取的頻率分量與第三信號的頻率分量計算對應于懸臂的彎曲量的位移以借此生成第六信號，其中懸臂的彎曲是由尖端與要觀察的樣品表面之間的原子間力導致的。
12.按照權利要求11的原子力顯微鏡，其中該第四信號驅動第二致動器執(zhí)行定位操作，其中該定位操作在樣品表面的測定點上將懸臂的彎曲狀態(tài)恢復到其平衡狀態(tài)而不改變懸臂的當前位置。
13.按照權利要求12的原子力顯微鏡，其中該輕拍操作是該尖端以恒定的時間間隔周期性地與樣品表面接觸然后離開的操作。
14.按照權利要求13的原子力顯微鏡，其中表示樣品表面的外形的圖像是根據(jù)該第六信號重構的。
15.按照權利要求14的原子力顯微鏡，其中該第六信號對應于懸臂的彎曲量。
16.一種能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡，包括其上具有N×M個掃描探頭的掃描探頭矩陣，用于測定樣品表面，其中各該掃描探頭包含具有尖端與第一及第二致動器的懸臂，N與M分別為大于1的正整數(shù)；用于檢測從所述各該掃描頭反射的光束以將其轉換成電信號的裝置；以及用于通過生成一參照與一伺服信號來驅動這些掃描探頭及檢測關于樣品表面的外形的信息的裝置；其中該第一致動器響應該參照信號執(zhí)行輕拍操作，該第二致動器響應伺服信號執(zhí)行定位操作，且參照信號的頻率高于伺服信號的頻率。
17.按照權利要求16的原子力顯微鏡，還包括用于發(fā)射光束的裝置；用于在驅動裝置的控制下將光束掃描到所述各該掃描探頭上的裝置；以及用于其上面顯示表示樣品表面的外形的圖像的裝置。
18.按照權利要求17的原子力顯微鏡，其中該驅動裝置包含用于濾波電信號以抽取與第三信號的頻率分量不同的頻率分量的裝置，其中所抽取的頻率分量是與關于樣品表面的外形的信息直接相關的。用于生成參照信號并將其提供給第一致動器的裝置；用于生成伺服信號并將其提供給第二致動器的裝置；用于為了控制光束掃描裝置而根據(jù)該電信號生成位置信號的裝置；以及用于計算懸臂在相對于樣品表面的法線方向上移動的位移以根據(jù)所抽取的頻率分量生成承載該信息的位移信號的裝置。
19.按照權利要求18的原子力顯微鏡，其中該光束掃描裝置根據(jù)位置信號將光束掃描到所述各該掃描探頭上。
20.按照權利要求19的原子力顯微鏡，其中該掃描探頭矩陣包含與掃描探頭的數(shù)目相同數(shù)目的開口。
21.按照權利要求20的原子力顯微鏡，其中各該開口的寬度是由光束的入射與反射角確定的。
22.按照權利要求21的原子力顯微鏡，其中該尖端是設置在懸臂的遠端上的。
23.按照權利要求22的原子力顯微鏡，其中該驅動裝置還包括用于根據(jù)位置信號生成選擇信號的裝置；以及用于響應該選擇信號，選擇連接到所述各該該掃描探頭的第二致動器上的輸出端，從而將伺服信號提供給該第二致動器的開關單元。
24.按照權利要求23的原子力顯微鏡，其中該第一與第二致動器是設置成在懸臂上與設有尖端的其遠端相對的。
25.按照權利要求24的原子力顯微鏡，其中該第一致動器布置成在懸臂上與第二致動器相對的。
26.按照權利要求25的原子力顯微鏡，其中該檢測裝置包含多個用于檢測光束并將其轉換成電信號的光電探測器；以及多個用于將電信號的電平放大到預定的信號電平的信號放大器；其中各該光電探測器連接在至少一個信號放大器上。
27.按照權利要求26的原子力顯微鏡，其中該檢測裝置還包含響應選擇信號選擇信號放大器之一的開關單元。
28.按照權利要求27的原子力顯微鏡，其中該計算裝置根據(jù)所抽取的頻率分量及參照信號的頻率分量計算對應于懸臂的彎曲量的位移以借此生成位移信號，其中懸臂的彎曲是由尖端與要觀察的樣品表面之間的原子間力引起的。
29.按照權利要求28的原子力顯微鏡，其中該伺服信號驅動第二致動器去執(zhí)行定位操作，其中該定位操作在樣品表面的測定點上將懸臂的彎曲狀態(tài)恢復到其平衡狀態(tài)而不改變該懸臂的當前位置。
30.按照權利要求29的原子力顯微鏡，其中該輕拍操作是該尖端以恒定的時間間隔周期性地與樣品表面接觸然后離開的操作。
31.按照權利要求30的原子力顯微鏡，其中該表示樣品表面的外形的圖像是根據(jù)該位移信號重構的。
32.按照權利要求31的原子力顯微鏡，其中該位移信號對應于懸臂的彎曲量。
33.一種驅動能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的帶有多個掃描探頭的原子力顯微鏡的方法，包括下述步驟a)響應參照信號振動設在各該掃描探頭的第一致動器；b)檢測在其自由端上設有尖端的懸臂的彎曲量；以及c)根據(jù)該懸臂的彎曲量將伺服信號傳輸給第二致動器；其中該懸臂是設置在所述各該掃描探頭上的，及該第一與第二致動器是設置成在懸臂上與設有尖端的自由端相對的。
34.按照權利要求33的方法，其中步驟b)包含下列步驟b1)向光束掃描器發(fā)射光束；b2)生成位置信號，用于將光束掃描器定位到將光束引導至掃描探頭之一上的一預定位置；b3)檢測從懸臂的尖端部分反射的光束；以及b4)將反射光束轉換成電信號以抽取其頻率分量，其中該抽取的頻率分量與參照信號的頻率分量不同。
35.按照權利要求34的方法，其中該抽取的頻率分量包含關于懸臂的彎曲的信息。
36.按照權利要求35的方法，其中步驟c)包含下列步驟c1)計算所抽取的頻率分量與參照信號的頻率分量之間的頻率分量差；以及c2)生成具有對應于計算的頻率分量差的頻率的伺服信號。
37.按照權利要求36的方法，其中該計算的頻率分量差與懸臂的彎曲量直接相關。
38.按照權利要求37的方法，其中伺服信號驅動第二致動器去執(zhí)行定位操作，其中該定位操作在樣品的測定點上將懸臂的彎曲狀態(tài)恢復到其平衡狀態(tài)而不改變懸臂的當前位置。
39.按照權利要求38的方法，其中該第一致動器是布置成在懸臂上與第二致動器相對的。
40.按照權利要求39的方法，其中該第一致動器響應參照信號執(zhí)行輕拍操作，其中該輕拍操作是該尖端以恒定的時間間隔周期性地與樣品表面接觸然后離開的操作。
全文摘要
提供來一種能在大氣壓力下以高分辨率高速觀察樣品表面的外形的原子力顯微鏡(AFM)及其驅動方法,該AFM包括光束源單元、光束掃描器、掃描探頭單元(或矩陣),光束檢測單元、驅動控制單元及顯示單元。該驅動方法包括有步驟:響應參照信號振動設在各該掃描探頭的第一致動器;檢測在其自由端上設有尖端的懸臂的彎曲量;以及根據(jù)該懸臂的彎曲量將伺服信號傳輸給第二致動器。
文檔編號G01B5/28GK1359468SQ00809763
公開日2002年7月17日 申請日期2000年5月31日 優(yōu)先權日1999年6月5日
發(fā)明者黃圭昊, 金相國, 金裕光 申請人:大宇電子株式會社