專利名稱:具有包括運(yùn)動(dòng)撓性裝置的支撐工作臺(tái)的掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及顯微鏡，更具體地，涉及機(jī)電掃描裝置，例如掃描探針顯微鏡(SPM)，它具有測(cè)量在樣品掃描期間掃描裝置位移的設(shè)備。
背景技術(shù)：
機(jī)電掃描裝置、例如SPM和力掃描探針顯微鏡(FSPM)通常使用掃描樣品或以其他方式與樣品互相作用的探針而用來(lái)產(chǎn)生特征或樣品的圖像。掃描器使探針和/或樣品在水平平面或X-Y平面內(nèi)相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)，以便將探針定位在樣品的期望位置上，所述探針和/或樣品豎直地或在Z方向上相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行測(cè)量。掃描器可以將探針定位在樣品表面上的一個(gè)位置或多個(gè)分散的位置以便進(jìn)行期望的測(cè)量，或者可以以通常已知為光柵掃描的模式前后移動(dòng)探針橫穿樣品。在一些設(shè)備中，探針相對(duì)于樣品運(yùn)動(dòng)，而在另一些設(shè)備中，樣品相對(duì)于探針運(yùn)動(dòng)。在又一些其它的設(shè)備中，掃描器包括用于使探針和樣品二者平移的分體的致動(dòng)器。例如，在一些設(shè)備中，X-Y致動(dòng)器使樣品相對(duì)于探針平移，而Z致動(dòng)器使探針相對(duì)于樣品平移。掃描器典型地安裝在掃描頭或工作臺(tái)之內(nèi)或之上，所述工作臺(tái)支撐掃描器或者偶爾支撐其它設(shè)備、例如光學(xué)顯微鏡的部件。樣品和探針之間的相互作用被記錄為探針位置的函數(shù)，這些記錄下來(lái)的相互作用被用于獲取代表樣品的部分的數(shù)據(jù)。
由于探針和樣品的相互作用被作為探針位置的函數(shù)記錄下來(lái)，所以在樣品的取樣期間也必需準(zhǔn)確地了解探針的位置。如果圖像是原子和亞原子級(jí)別的，每個(gè)取樣位置之間的位移相當(dāng)小，由此需要高度精確地了解探針的位置。
一些SPM通過(guò)使用施加到SPM的掃描器的電壓來(lái)確定探針相對(duì)于樣品的位置來(lái)使用開(kāi)環(huán)控制將探針定位在樣品上的期望位置處。其它的SPM使用閉環(huán)控制代替開(kāi)環(huán)控制或者使用閉環(huán)控制作為開(kāi)環(huán)控制的補(bǔ)充，所述閉環(huán)控制利用掃描器位移測(cè)量。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量傳感器和測(cè)量技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量樣品掃描期間探針的位移，這些傳感器有很多缺點(diǎn)。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多傳感器缺少對(duì)原子和亞原子探針的必要的敏感性，過(guò)大或者具有有限的感測(cè)范圍，或者對(duì)能夠?qū)ξ灰茰y(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響的干擾非常敏感。
因此，在本領(lǐng)域仍然需要一種設(shè)備，所述設(shè)備提供樣品掃描期間對(duì)機(jī)電掃描設(shè)備的探針位移的高度精準(zhǔn)的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要和概括地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的機(jī)電掃描設(shè)備包括傳感器裝置，所述傳感器裝置能夠感測(cè)SPM掃描器在至少兩個(gè)、優(yōu)選三個(gè)互相正交維度上的位移。優(yōu)選的傳感器裝置能夠測(cè)量或感測(cè)這種掃描器的位移，所述掃描器具有例如IOkHz的相對(duì)高的帶寬和例如小于Inm的相對(duì)低的噪聲。所述傳感器裝置被認(rèn)為是相對(duì)緊湊的，并具有低的功率損耗，例如低于10mW。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供包括這種掃描器的掃描探針顯微鏡，所述掃描器具有適合于在第一或X方向和第二或Y方向上運(yùn)動(dòng)的壓電致動(dòng)器。所述掃描顯微鏡還具有第一傳感器和第二傳感器，所述第一傳感器和第二傳感器分別構(gòu)造成用于感測(cè)致動(dòng)器在第一和第二方向的位移。所述第一和第二傳感器提供了獨(dú)立的輸出信號(hào)，所述信號(hào)彼此去耦，以便每個(gè)傳感器提供關(guān)于致動(dòng)器在特定方向上的位移的信息，而對(duì)另一個(gè)方向的位移不敏感。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，SPM包括掃描器,所述掃描器從掃描頭頂蓋的開(kāi)口延伸并可響應(yīng)于施加給管的電壓而在X、Y和Z方向運(yùn)動(dòng)。所述掃描頭另外包括傳感器-安裝裝置，所述傳感器-安裝裝置包括與傳感器的工作端聯(lián)接的基座。所述基座構(gòu)造成響應(yīng)于掃描器在Z軸的位移而撓曲。桿與所述基座聯(lián)接并以大體與所述掃描器鄰近但空間上隔開(kāi)的方式從基座向上延伸。所述桿響應(yīng)于致動(dòng)器在X方向或Y方向的位移而撓曲。應(yīng)變計(jì)裝置獨(dú)立地測(cè)量掃描器在X、Y和Z方向的位移。所述致動(dòng)器優(yōu)選包括壓電元件，更優(yōu)選地包括壓電管。
所獲得的結(jié)構(gòu)提供這樣一種運(yùn)動(dòng)感測(cè)框架或裝置，其中對(duì)每個(gè)自由度提供單獨(dú)的約束并且其中所述約束至少基本上互相正交(也就是非簡(jiǎn)并的)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供操作SPM的方法，所述方法包括選擇性地使壓電管式掃描器通電，以便使管式掃描器的工作端沿基本上互相正交的X、Y和Z方向平移。所述方法還包括使用傳感器安裝裝置監(jiān)測(cè)所述管的工作端的運(yùn)動(dòng)，所述傳感器安裝裝置從管致動(dòng)器組件機(jī)械地?cái)嚅_(kāi)。所述監(jiān)測(cè)包括將管式掃描器的工作端的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成與其聯(lián)接的傳感器安裝裝置的運(yùn)動(dòng)。使用撓性部，將所述運(yùn)動(dòng)集中到傳感器安裝裝置的部分中，在所述傳感器安裝裝置上各個(gè)X-軸傳感器、Y-軸傳感器和Z-軸傳感器分別安裝至X方向、Y方向和Z方向。分別使用X-軸傳感器、Y-軸傳感器和Z-軸傳感器直接監(jiān)測(cè)管式掃描器的工作端在X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)。
從下面的詳細(xì)說(shuō)明和附圖中，本發(fā)明的這些和其它的目的、特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將更加顯而易見(jiàn)。但是應(yīng)該理解，示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的所述詳細(xì)說(shuō)明和特定實(shí)例只以說(shuō)明方式給出，并不限制本發(fā)明。在不偏離本發(fā)明精神的前提下可以對(duì)本發(fā)明作出多種改變和修改，本發(fā)明包括所有這些修改。


在附圖中圖示說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中類似的附圖標(biāo)記始終代表類似的部分，其中
圖I示例性圖示了包括根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式構(gòu)造的工作臺(tái)或掃描頭的AFM ；
圖2是圖I中AFM的掃描頭的等距視圖；圖3是圖2中X-Y撓性模塊的等距視圖；
圖4是圖3中X-Y撓性模塊的底部等距視圖；和
圖5是圖2中SPM的Z撓性模塊的頂部等距視圖。
具體實(shí)施方式
圖I至5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的工作臺(tái)或掃描頭10。掃描頭10形成原子力顯微鏡(AFM) 200形式的SPM的部分(圖I)，所述原子力顯微鏡非常適合對(duì)原子和亞原子級(jí)別的物體進(jìn)行掃描和成像。但可以理解的是，掃描頭10和落入所附權(quán)利要求
范圍內(nèi)的其它掃描頭還可用于其它裝置。
參考圖1，本實(shí)施方式的AFM200除了其它部件之外，包括致動(dòng)器組件、XYZ致動(dòng)器組件或掃描器112、以及控制站220。掃描器112安裝在樣品222之上，并在掃描器112的運(yùn)動(dòng)的下端部上支承探針212。探針212具有懸臂214和安裝在懸臂214的自由端部上的尖端。探針212聯(lián)接至振蕩致動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)裝置216，所述振蕩致動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)裝置在這種情況下用于驅(qū)動(dòng)探針212在探針的諧振頻率或接近探針的諧振頻率處振蕩。通常，在AFM控制站220的控制下從交流信號(hào)源218將電子信號(hào)施加到驅(qū)動(dòng)裝置216使得探針212振蕩、優(yōu)選以自由振蕩幅度AO振蕩。
控制站220典型地由至少一臺(tái)計(jì)算機(jī)以及相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備和軟件組成，所述相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備和軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制AFM的任務(wù)。控制站220可以由單個(gè)集成單元組成，或者可以由電子設(shè)備和軟件的分布式排列組成。所述控制站可以使用典型的臺(tái)式電腦、筆記本電腦、工業(yè)計(jì)算機(jī)和/或一個(gè)或多個(gè)種嵌入式處理器。
還可以使用致動(dòng)器組件或掃描器12致動(dòng)探針212朝向樣品222或遠(yuǎn)離樣品222運(yùn)動(dòng)。掃描器12可以由控制站220反饋控制。此外，盡管顯示掃描器12聯(lián)接至探針212，但是掃描器12或它的部分還可以用來(lái)使樣品212在兩個(gè)或更多個(gè)互相正交的方向上運(yùn)動(dòng)。
在操作中，使得探針212振蕩并接觸樣品222，通過(guò)檢測(cè)探針212的振蕩的變化來(lái)監(jiān)測(cè)樣品特征。特別是，電波(未示出)指向探針212的背部，然后朝著檢測(cè)器226反射，檢測(cè)器226例如是四象限光電檢測(cè)器。當(dāng)電波平移穿過(guò)檢測(cè)器，適當(dāng)?shù)男盘?hào)被傳送到控制站220，控制站處理所述信號(hào)以決定探針212的振蕩的變化。控制站220通常產(chǎn)生控制信號(hào)以保持尖端216和樣品之間恒定的力，典型地保持探針212的振蕩的設(shè)定點(diǎn)特征。例如，控制站220通常用于將振蕩幅度保持在設(shè)定值，As，以保證尖端216和樣品之間通常是恒定的力?？商鎿Q地，可以使用設(shè)定相位或頻率。還提供工作站，所述工作站接收來(lái)自控制站220的收集數(shù)據(jù)并處理掃描期間獲得的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行上述選點(diǎn)、曲線擬合和距離確定操作。所述工作站可以是控制站220本身，也可以是單獨(dú)的機(jī)載控制器、單獨(dú)的場(chǎng)外控制器，或它們?nèi)齻€(gè)的任意組合。如果所述工作站由兩個(gè)或更多個(gè)控制器的組合構(gòu)成，則兩個(gè)或更多個(gè)控制器優(yōu)選互相連接，例如通過(guò)硬接線或經(jīng)由以太網(wǎng)連接。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，掃描頭10包括圖I的AFM200的掃描器12 ;和運(yùn)動(dòng)安裝裝置35，所述運(yùn)動(dòng)安裝裝置聯(lián)接至掃描器12并支撐對(duì)掃描器12的平移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。掃描器12可以包括任何可以被選擇性地供給電流以便使探針212在X、Y和Z方向上以控制方式運(yùn)動(dòng)的裝置。掃描器12優(yōu)選包括壓電致動(dòng)器組件、例如壓電層疊，或者更優(yōu)選地，壓電管致動(dòng)器組件或簡(jiǎn)稱為“管式掃描器”。管式掃描器提供了下列優(yōu)勢(shì)機(jī)械上簡(jiǎn)單，并具有優(yōu)越的動(dòng)力性能，但是比層疊致動(dòng)器更易于撓曲和滯后。本文所述傳感器組件可以用于提供反饋，以抵消那些有害作用。
形成本實(shí)施方式的掃描器12的壓電管致動(dòng)器組件一對(duì)于那些目前在AFM中使用的來(lái)說(shuō)是典型的——包括上下安裝的上致動(dòng)器14和下致動(dòng)器16。上致動(dòng)器14在其上端處安裝在剛性支座或頂蓋28上并且在其下端上支撐下致動(dòng)器16。上致動(dòng)器14載有電極20、22，對(duì)所述電極施加電壓時(shí)在X-Y平面內(nèi)引起管式掃描器12的位移。致動(dòng)器14可以將探針12定位在期望的樣品位置之上以用于測(cè)量，并且/或者致動(dòng)器14可以被控制為使得探針以光柵圖案在樣品22之上前后掃描探針。在此應(yīng)該注意到，本文中將組件12稱為“掃描器”或“管式掃描器”僅為了方便，不應(yīng)理解為表示所述探針在操作中必須在樣品表面上前后掃描。
致動(dòng)器16的下端形成掃描器12的工作端，因此在致動(dòng)器16的下端的底部支撐探針212、工作端。下致動(dòng)器16載有電極24，在電極24通電時(shí)，使掃描器12的工作端并且由此使探針212在Z方向位移。在此，通過(guò)使x-y致動(dòng)器14的電極20、22通電能夠使得探針212沿著X和Y軸運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)使Z致動(dòng)器16的電極24通電能夠使得探針212沿著Z軸運(yùn)動(dòng)。因此，出于這種應(yīng)用目的，掃描器12在X和Y方向的運(yùn)動(dòng)限定了大致平行于樣品的測(cè)量表面的掃描平面，掃描器12在Z方向的運(yùn)動(dòng)基本上與所述掃描平面正交。
具體參考圖2，并在圖5中進(jìn)一步圖示說(shuō)明，運(yùn)動(dòng)傳感器安裝裝置35聯(lián)接至掃描器12的工作端，并將掃描器12在X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成傳感器感測(cè)的運(yùn)動(dòng)。傳感器安裝裝置35包括聯(lián)接至傳感器12的基座30 ;從基座30向上延伸并與管式掃描器12間隔開(kāi)的長(zhǎng)形桿32、34 ;和撓性部，所述撓性部使X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)互相分離，并將裝置35的部分在X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)分別集中。傳感器直接監(jiān)測(cè)這些部分的運(yùn)動(dòng)，以便互相獨(dú)立地獲得X、Y和Z方向的準(zhǔn)確位移測(cè)量。傳感器例如能夠是下列幾種光學(xué)位移傳感器(OSD)的任意一種例如使用光學(xué)三角測(cè)量法、快門或散光原則的傳感器。傳感器還可以包括線性可變位移傳感器(LVDT)。但是目前優(yōu)選應(yīng)變計(jì)傳感器。除了提供非常準(zhǔn)確的位置信息，這種傳感器的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)低的價(jià)格，質(zhì)量小并且因此對(duì)尖端掃描器(tip scanner)的最低基本諧振頻率的影響可以忽略，熱損耗小并且因此對(duì)掃描器漂移具有可以忽略的作用。單獨(dú)的應(yīng)變計(jì)可以采取任何適合的形式。它們應(yīng)該具有在期望的動(dòng)器運(yùn)動(dòng)范圍上的相對(duì)高的敏感性和相對(duì)低的噪聲。本實(shí)施方式中利用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，但也可以使用金屬膜應(yīng)變計(jì)或根據(jù)張力改變阻力的替代設(shè)備。適合于此目的的應(yīng)變計(jì)傳感器和它們?cè)赟PM掃描器中的應(yīng)用例如在下列文獻(xiàn)中公開(kāi)美國(guó)專利5，641，897和美國(guó)公開(kāi)申請(qǐng)2008/0011064，兩者的技術(shù)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
傳感器安裝裝置35的桿32具有連接至基座30的下端36和連接至第一撓性模塊40的上端38。類似地，桿34具有連接至基座30的下端42和連接至第二撓性模塊40的上端46。雖然只描述了撓性模塊40，但應(yīng)該理解，撓性模塊46是類似地構(gòu)造的。
另外參考圖3，撓性模塊40具有連接至桿32的上端38上的安裝塊48。下?lián)闲圆?0聯(lián)接至安裝塊48，或者以其他方式與安裝塊48 —起形成，所述下?lián)闲圆看笾掳ㄏ聯(lián)闲圆繕?gòu)件52、54，所述下?lián)闲圆繕?gòu)件52、54從安裝塊48的頂部平面56以直立方式延伸。因此，根本上來(lái)說(shuō)，表面56形成用于下?lián)闲圆?0的支撐件。下?lián)闲圆繕?gòu)件52、54從表面56向上延伸至用于下?lián)闲圆?0的上支撐件58。上支撐件58優(yōu)選與大致平坦塊60—體地形成，所述平坦塊包括凸起的平坦表面62，平坦表面62上聯(lián)接有上撓性部64。上撓性部64包括上撓性部構(gòu)件66、68，上撓性部構(gòu)件66、68從表面62向上延伸至經(jīng)由支柱72與頂蓋28聯(lián)接的頂蓋塊70。如圖2中所示，上撓性部66、68相對(duì)于下?lián)闲圆繕?gòu)件52、54的定位旋轉(zhuǎn)90度。[0031]下?lián)闲圆?0的撓性元件52、54或“下?lián)闲栽倍ㄎ粸樵谑筙-Y管14通電以在X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)響應(yīng)于桿32在X方向的位移而在X方向彎曲。所述運(yùn)動(dòng)由安裝在下?lián)闲圆?0上的應(yīng)變計(jì)傳感器來(lái)感測(cè)。更具體地，管12在X方向的運(yùn)動(dòng)在基座30的作用下進(jìn)行，并且從桿32向上轉(zhuǎn)變到下?lián)闲圆?0。下?lián)闲栽?2、54的彎曲通過(guò)一組X軸應(yīng)變計(jì)74、76、78和80傳送。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用四個(gè)應(yīng)變計(jì)，其中一對(duì)應(yīng)變計(jì)安裝在下?lián)闲圆繕?gòu)件52、54的相反側(cè)面上。但是應(yīng)該理解，可以使用少于四個(gè)或多于四個(gè)應(yīng)變計(jì)。優(yōu)選使用在撓性部構(gòu)件的各個(gè)面上的一對(duì)應(yīng)變計(jì)，用于補(bǔ)償溫度和在即使各個(gè)應(yīng)變計(jì)受到的應(yīng)變是基本上相同的情況下也可能引起兩個(gè)應(yīng)變計(jì)讀出的應(yīng)變讀數(shù)不同的其它因素。上撓性部64還優(yōu)選包括安裝在撓性部構(gòu)件66、68的相反側(cè)面上的四個(gè)應(yīng)變計(jì)82、84、86和88，所述上撓性部64感測(cè)桿32在Y方向的位移并且由此感測(cè)管式掃描器12在Y方向的位移。因此，在X軸和Y軸各自上提供四個(gè)應(yīng)變計(jì)。
如圖4中所示,應(yīng)變計(jì)74將讀出終端90與終端或橋接觸頭94相互連接,所述讀出終端90安裝在安裝塊48的斜外表面92上，所述終端或橋接觸頭94安裝在用于連接應(yīng)變計(jì)74和應(yīng)變計(jì)76的塊60的底面上。應(yīng)變計(jì)74與終端90通過(guò)讀出線96連接，與橋接觸頭94通過(guò)金屬線98連接。類似地，應(yīng)變計(jì)76與終端100連接，終端100也安裝在安裝塊48的斜表面92上并與橋接觸頭94連接。應(yīng)變計(jì)76與其終端100通過(guò)讀出線102連接，與橋接觸頭94通過(guò)線104連接。盡管沒(méi)有在圖中示出，但應(yīng)該理解，應(yīng)變計(jì)78、80同樣通過(guò)對(duì)應(yīng)的讀出線和讀出終端連接，并且通過(guò)橋接觸頭串聯(lián)連接。應(yīng)該理解的是，橋接觸頭的使用允許串聯(lián)使用兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，例如應(yīng)變計(jì)74和76，而不是使用單個(gè)應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)82連接在終端或橋接觸頭106和讀出終端108之間，終端或橋接觸頭106安裝于塊60的頂表面，讀出終端108安裝于頂蓋塊70的底面。如圖3所示，應(yīng)變計(jì)82通過(guò)線109與橋接觸頭106連接，并通過(guò)讀出線116與讀出終端108連接。類似地，應(yīng)變計(jì)84連接在橋接觸頭106和讀出終端112之間，終端或橋接觸頭106安裝于塊60的頂表面，讀出終端112安裝于頂蓋塊70的底面。應(yīng)變計(jì)84通過(guò)線114與橋接觸頭106連接，并通過(guò)讀出線116與讀出終端112連接。盡管沒(méi)有在圖中示出，但應(yīng)該理解，應(yīng)變計(jì)86、88同樣通過(guò)對(duì)應(yīng)的讀出線和讀出終端連接。因此，類似于X-軸應(yīng)變計(jì)，以兩組應(yīng)變計(jì)的形式提供了 Y-軸應(yīng)變計(jì)，各組包括互相串聯(lián)布置的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)。使用串聯(lián)的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)提供了測(cè)量曲線的對(duì)稱性，并且補(bǔ)償了前面提到的熱偶。此外，通過(guò)使用用于X軸和y軸中每個(gè)的四個(gè)應(yīng)變計(jì)，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方式提供了惠斯通電橋測(cè)量布置，所述布置對(duì)應(yīng)變敏感，但通常對(duì)溫度變化、震動(dòng)和可能影響應(yīng)變測(cè)量的其它因素不敏感，或具有最低的敏感度。
撓性部的位置以及因此應(yīng)變計(jì)的位置選擇為使得與管12在X方向的位移相關(guān)聯(lián)的彎曲集中在下?lián)闲圆?0中。類似地，管12在Y方向的位移集中在上撓性部64中。在這點(diǎn)上，層疊的布置有利地將X運(yùn)動(dòng)定位在下?lián)闲圆?0中，并且將Y運(yùn)動(dòng)定位在上撓性部64中。另外，在優(yōu)選實(shí)施方式中，類似于桿32的情況，桿34與撓性部相關(guān)聯(lián)。在這點(diǎn)上，對(duì)X和Y方向的各個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行八個(gè)單獨(dú)的應(yīng)變測(cè)量。另外，各個(gè)撓性部構(gòu)造為用于抵制平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在平面時(shí)仍提供相對(duì)高的順應(yīng)性。因此，X和Y方向的力和運(yùn)動(dòng)互相分離，以便改善感測(cè)準(zhǔn)確性。
如前所述，管式掃描器12可在所有三個(gè)基本正交的軸上運(yùn)動(dòng)。另外參考圖5，之前描述的基座30由分別附接于管式掃描器12和桿32、34的外環(huán)119和內(nèi)環(huán)130構(gòu)成。環(huán)119和130通過(guò)環(huán)狀開(kāi)口 121隔開(kāi)，所述環(huán)狀開(kāi)口通過(guò)撓性元件123橋接，撓性元件123朝向一對(duì)撓性板或支柱118、120，所述撓性板或支柱大體是半環(huán)形的并且共同地限定容納管式掃描器12的下工作臺(tái)16的開(kāi)口 122。缺口 124限定在撓性板的相反的端部(應(yīng)該理解，圖中沒(méi)有示出的另一個(gè)缺口與缺口 124成180度)之間，并且一對(duì)應(yīng)變計(jì)126、128橫過(guò)缺口 124。在缺口 124對(duì)面的缺口(未示出)優(yōu)選通過(guò)一對(duì)應(yīng)變計(jì)(未示出)來(lái)橋接。桿32與撓性板120連接并由撓性板120支撐，桿34與撓性板122連接并由撓性板122支撐。
如前面簡(jiǎn)要提到的，基座30還包括內(nèi)環(huán)130，管式掃描器12固定至內(nèi)環(huán)130并因此在X、Y和Z方向與掃描器12—起運(yùn)動(dòng)。撓性元件123將內(nèi)環(huán)130和外環(huán)110相互連接，并因此使得外環(huán)119的支柱118、120跟隨管式掃描器12的運(yùn)動(dòng)。在這點(diǎn)上，內(nèi)環(huán)130在Z方向的運(yùn)動(dòng)引起撓性元件123的扭轉(zhuǎn)和梁129的撓曲，梁129在支柱118和120相互連接。通過(guò)由梁129支撐的應(yīng)變計(jì)126、128檢測(cè)所述撓曲。各個(gè)支柱118、120的中部在X和Y方 向隨管式掃描器而動(dòng)，但在Z方向不隨管式掃描器而動(dòng)，因?yàn)闂U32、34是非常剛性且豎直的，而撓性模塊40、46允許掃描器12的端部在X和Y方向上運(yùn)動(dòng)。因此，掃描器12作為單一單元在X和Y方向運(yùn)動(dòng)，但是當(dāng)管式掃描器在Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí)基座30將撓曲。這種撓曲力矩集中或定位在基座30的最弱點(diǎn)，最弱點(diǎn)就是應(yīng)變計(jì)126、128所定位的梁129。明顯地，Z撓性部吸收了掃描器12的所有運(yùn)動(dòng)。由傳感器組件和傳感器組件的座給管式掃描器12增加的移動(dòng)質(zhì)量因此被限制在Z撓性部的運(yùn)動(dòng)部。傳感器組件對(duì)管Z帶寬的影響因此是可忽略的。應(yīng)該理解，Z撓性部包括在掃描器中心線周圍對(duì)稱布置的額外一組撓性部、梁和應(yīng)變計(jì)。
此外，由于桿32、34聯(lián)接至相應(yīng)的撓性板120、122，所以桿32、34將準(zhǔn)確地隨管12在X和Y方向的運(yùn)動(dòng)而動(dòng)。結(jié)果是，每個(gè)桿和其撓性板的端點(diǎn)一起有效地形成三腳架，所述三腳架在運(yùn)動(dòng)學(xué)上定位在桿的端部。因此所述桿即使在高頻率下也響應(yīng)于管的位移而精確地運(yùn)動(dòng)。因此增加了系統(tǒng)的帶寬。
從終端讀出在X、Y和Z應(yīng)變計(jì)獲得的應(yīng)變信息，并將應(yīng)變信息傳送到控制站220 (圖I)，以便獲得關(guān)于管式掃描器12的端部在X、Y和Z上的實(shí)際位置的精確信息。所述信息反過(guò)來(lái)能夠用于各種目的，包括作為對(duì)管式掃描器12的反饋來(lái)補(bǔ)償掃描運(yùn)動(dòng)中的非線性，所述非線性由于滯后、蠕變和通常對(duì)壓電材料的非線性響應(yīng)造成。應(yīng)變計(jì)的布置和它們的運(yùn)動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)使得可以在IOkHz或更高帶寬下進(jìn)行位移測(cè)量。應(yīng)變計(jì)與管式掃描器12的分離以及撓性部構(gòu)件彼此之間的分離將噪音降至Inm或更低。在測(cè)量中使用應(yīng)變計(jì)還提供了小于IOmW數(shù)量級(jí)的非常低的熱損耗。
應(yīng)該理解，本發(fā)明還可以與這樣一種顯微鏡系統(tǒng)一起使用，其具有一個(gè)或多個(gè)感測(cè)樣品位移的傳感器，并且關(guān)于管的位移的信息可以連同關(guān)于樣品的位移的信息一起使用，以便校正圖像數(shù)據(jù)采集，或者以便在圖像數(shù)據(jù)采集處理期間提供對(duì)探針的運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，例如在美國(guó)專利7，044，007中描述的那樣使用FSPM在數(shù)據(jù)采集期間改變力曲線測(cè)量參數(shù)，美國(guó)專利7，044，007的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
另外，從前面的描述應(yīng)該理解，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供了運(yùn)動(dòng)感測(cè)框架或裝置。在這點(diǎn)上，優(yōu)選的實(shí)施方式提供了這樣的感測(cè)裝置，其中對(duì)每個(gè)自由度有單獨(dú)的約束，并且所述約束至少基本上互相正交。對(duì)于各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的桿和鉸鏈來(lái)說(shuō)是類似的。與彎曲的剛性比較，桿沿著它的軸是極其剛性的。在桿的端部處提供的鉸鏈(例如撓性部或球窩關(guān)節(jié))釋放撓曲應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)提供了很多優(yōu)點(diǎn)。例如，運(yùn)動(dòng)感測(cè)框架具有高剛度，并且重量相對(duì)輕，這改善了掃描器動(dòng)力學(xué)。另外，應(yīng)變是非常集中的，這提供了高敏感性，并且因此提供了應(yīng)變計(jì)信號(hào)的高分辨率和低噪聲。與具有兩個(gè)或更多個(gè)互相對(duì)抗或?qū)α⒌募s束的系統(tǒng)相比，運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。因此克服了與過(guò)度約束的系統(tǒng)相關(guān)的熱漂移問(wèn)題。
另外，應(yīng)該理解，本文使用的術(shù)語(yǔ)“正交”指的是互相沒(méi)有關(guān)聯(lián)的約束或自由度。例如，在具有正交的約束布置的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的情況下，在一個(gè)方向上例如沿著X軸的約束運(yùn)動(dòng)——即，偏轉(zhuǎn)——不會(huì)引起在另一個(gè)方向上例如沿著Y軸的約束運(yùn)動(dòng)。在這點(diǎn)上，本文中所用的術(shù)語(yǔ)“正交”不限于特定情況，其中正交的軸被限定為互相成90度。作為替代，約束起作用的方向可互相偏置大于或小于90度。
盡管以上公開(kāi)了發(fā)明人預(yù)期的實(shí)施本發(fā)明的最佳方式 ，但本發(fā)明的實(shí)踐也不限于此。已經(jīng)證明，在不偏離基本發(fā)明點(diǎn)的精神和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明的特征進(jìn)行各種添加、修改和重組。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡(SPM),包括 掃描器，其能夠在X-Y平面中運(yùn)動(dòng)并支撐探針和樣品支撐件中的一個(gè)； X-軸傳感器，其構(gòu)造成用于感測(cè)所述掃描器在X方向上的位移； Y-軸傳感器，其構(gòu)造成用于感測(cè)所述掃描器在Y方向上的位移； 安裝裝置，其與所述掃描器聯(lián)接并且其上以相對(duì)于所述掃描器間隔開(kāi)的關(guān)系安裝有第一和第二傳感器， 其中所述安裝裝置包括撓性部，所述撓性部與所述傳感器彼此機(jī)械地分離，以便所述傳感器基本上專有地和單獨(dú)地分別感測(cè)X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I的SPM，其中所述掃描器包括壓電管組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的SPM，其中所述壓電管組件還能夠在垂直于所述X-Y平面的Z方向上運(yùn)動(dòng)，并還包括Z-軸傳感器，所述Z-軸傳感器構(gòu)造為用于感測(cè)所述掃描器在Z方向的位移，所述Z-軸傳感器安裝在所述安裝裝置上并且與所述X-軸傳感器和Y-軸傳感器機(jī)械地分離，以便至少基本上專有地和單獨(dú)地感測(cè)Z方向的運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的SPM，其中所述撓性部裝置包括X-軸撓性部、Y-軸撓性部和Z-軸撓性部，還包括包含所述X-軸撓性部和所述Y-軸撓性部在內(nèi)的撓性模塊,并且還包括從所述Z-軸撓性部延伸到所述撓性模塊的長(zhǎng)形構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3的SPM，還包括與所述Z-軸撓性部隔開(kāi)的撓性部支撐件，其中所述撓性模塊具有聯(lián)接至所述長(zhǎng)形構(gòu)件的第一端部和聯(lián)接至所述撓性部支撐件的第二端部。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的SPM，其中所述第一端部包括下?lián)闲圆恐渭?，所述第二端部包括上撓性部支撐件，并且其中所述X-軸傳感器安裝在所述下?lián)闲圆恐渭?，所述Y-軸傳感器安裝在所述上撓性部支撐件上，其中所述下?lián)闲圆恐渭c所述上撓性部支撐件偏離90度。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2的SPM，其中各個(gè)傳感器均包括應(yīng)變計(jì)組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的SPM，其中所述Z-軸撓性部包括第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和第二支柱沿著所述管組件的相反側(cè)以與所述管組件間隔開(kāi)的關(guān)系延伸，并且其中所述Z-軸傳感器的應(yīng)變計(jì)組件連接在所述第一支柱和所述第二支柱之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求
I的SPM，其中所述第一傳感器是應(yīng)變計(jì)傳感器組件，第二傳感器是應(yīng)變計(jì)傳感器組件。
10.一種用于對(duì)物體進(jìn)行成像的掃描探針顯微鏡(SPM)，包括 壓電管式掃描器，其響應(yīng)于施加于所述壓電管式掃描器的電壓而在互相正交的X、Y和Z方向上運(yùn)動(dòng)，所述管式掃描器具有工作端，探針和樣品支撐件中的一個(gè)安裝至所述工作端; 傳感器安裝裝置，包括 基座，所述壓電管式掃描器的工作端聯(lián)接至所述基座，所述基座根響應(yīng)于壓電管在Z方向上的位移而發(fā)生撓曲，和 桿，所述桿聯(lián)接至所述基座并以與所述壓電管式掃描器鄰近且間隔開(kāi)的方式從所述基座向上延伸，所述桿響應(yīng)于所述壓電管式掃描器在X方向或Y方向的位移而發(fā)生撓曲；和 應(yīng)變計(jì)裝置，其包括測(cè)量所述探針在Z方向的位移的第一組應(yīng)變計(jì)；測(cè)量所述探針在X方向的位移的第二組應(yīng)變計(jì)；測(cè)量所述探針在Y方向的位移的第三組應(yīng)變計(jì)，其中所述第一組應(yīng)變計(jì)聯(lián)接至所述基座，所述第二和第三組應(yīng)變計(jì)聯(lián)接至所述桿，并且其中第一、第二和第三組應(yīng)變計(jì)彼此機(jī)械地分離。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的系統(tǒng)，還包括與所述第一、第二和第三組應(yīng)變計(jì)互相機(jī)械地分離的撓性模塊，其中所述撓性模塊包括X-軸撓性部和Y-軸撓性部，并且其中所述第二組應(yīng)變計(jì)聯(lián)接至所述X-軸撓性部，所述第三組應(yīng)變計(jì)聯(lián)接至所述Y-軸撓性部。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11的系統(tǒng),其中所述X-軸撓性部和所述Y -軸撓性部相對(duì)于彼此豎直地疊置，使得所述管式掃描器的X-軸運(yùn)動(dòng)集中在所述X-軸撓性部中并且所述管式掃描器的Y-軸運(yùn)動(dòng)集中在所述Y-軸撓性部中。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11的系統(tǒng),其中所述X-軸撓性部和Y-軸撓性部類似地構(gòu)造但互相正交地布置。
14.根據(jù)權(quán)利要求
10的系統(tǒng)，其中所述傳感器安裝裝置的基座包括具有第一和第二端部的第一環(huán)形段與具有第一和第二端部的第二環(huán)形段，其中所述第一組應(yīng)變計(jì)的第一應(yīng)變計(jì)連接在所述第一環(huán)形段和所述第二環(huán)形段之間，以便橋接所述第一環(huán)形段的第一端部和所述第二環(huán)形段的第一端部之間的第一缺口 ；并且其中所述第一組應(yīng)變計(jì)的第二應(yīng)變計(jì)連接在所述第一環(huán)形段和所述第二環(huán)形段之間，以便橋接所述第一環(huán)形段的第二端部和所述第二環(huán)形段的第二端部之間的第二缺口。
15.—種掃描探針顯微鏡(SPM),包括 壓電管式掃描器，其能夠響應(yīng)于所施加的電壓而在互相正交的X、Y和Z方向上運(yùn)動(dòng)；和 運(yùn)動(dòng)安裝裝置，其聯(lián)接至所述管式掃描器并具有第一、第二和第三撓性部，所述第一、第二和第三撓性部與所述裝置的部分互相機(jī)械地分離，以便允許在X、Y和Z各方向上基本獨(dú)立地感測(cè)所述管式掃描器的位移，而不受來(lái)自所述管式掃描器在任意其它方向的運(yùn)動(dòng)的干擾。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15的SPM，其中所述運(yùn)動(dòng)安裝裝置包括基座，所述基座聯(lián)接有所述壓電管式掃描器的工作端，所述基座具有通過(guò)一對(duì)應(yīng)變計(jì)相互連接的第一環(huán)形段和第二環(huán)形段，所述應(yīng)變計(jì)測(cè)量所述壓電管式掃描器在Z方向的位移。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16的SPM，其中所述運(yùn)動(dòng)安裝裝置還包括與所述基座間隔開(kāi)的頂蓋；和從所述基座向上朝著所述頂蓋延伸的桿；以及將所述桿和所述頂蓋相互連接的撓性模塊，并且其中所述撓性模塊包括X-軸撓性部和Y-軸撓性部。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17的SPM，還包括聯(lián)接至所述X-軸撓性部的一對(duì)X-軸應(yīng)變計(jì)和聯(lián)接至所述Y-軸撓性部的一對(duì)Y-軸應(yīng)變計(jì)，其中所述X-軸應(yīng)變計(jì)測(cè)量所述壓電管式掃描器在X方向的位移，所述Y-軸應(yīng)變計(jì)測(cè)量所述壓電管式掃描器在Y方向的位移。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18的SPM，其中所述運(yùn)動(dòng)撓性部裝置和應(yīng)變計(jì)構(gòu)造成用于測(cè)量熱損耗小于50mW的壓電管的位移。
20.根據(jù)權(quán)利要求
18的SPM，其中所述運(yùn)動(dòng)撓性部裝置和應(yīng)變計(jì)構(gòu)造成用于測(cè)量噪聲水平低于約5nm的壓電管的位移。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20的SPM，其中所述運(yùn)動(dòng)撓性部裝置和應(yīng)變計(jì)構(gòu)造成用于測(cè)量噪聲水平低于約Inm的壓電管的位移。
22.—種操作掃描探針顯微鏡(SPM)的方法，包括 選擇性地使壓電管式掃描器通電，以便使所述管式掃描器的工作端在互相正交的X、Y和Z方向上平移； 使用傳感器組件監(jiān)測(cè)所述管式掃描器的工作端的運(yùn)動(dòng)，所述傳感器組件與所述管致動(dòng)器組件機(jī)械地分離，監(jiān)測(cè)步驟包括 將所述管式掃描器的工作端的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成與其聯(lián)接的傳感器安裝裝置的運(yùn)動(dòng)， 使用撓性部，將所述傳感器安裝裝置的安裝有各個(gè)X-軸傳感器、Y-軸傳感器和Z-軸傳感器的部分的運(yùn)動(dòng)分別集中至X方向、Y方 向和Z方向，和 分別使用所述X-軸傳感器、所述Y-軸傳感器和所述Z-軸傳感器直接監(jiān)測(cè)所述管式掃描器的工作端在X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)。
專利摘要
掃描探針顯微鏡(SPM)(200)具有基于壓電致動(dòng)器的管式掃描器(12)，所述掃描器上附接有探針(14)并且所述掃描器可以通過(guò)對(duì)壓電管施加電壓而在三個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一組撓性部(40)隨著所述管的位移撓曲，附接至所述撓性部的應(yīng)變計(jì)(74，76，78，80)用來(lái)測(cè)量所述撓性部的撓曲從而在掃描物體期間提供關(guān)于所述管的位移的反饋信息。所述應(yīng)變計(jì)和撓性部形成這樣一種運(yùn)動(dòng)感測(cè)框架或裝置，其中對(duì)每個(gè)自由度提供單獨(dú)的約束并且其中所述約束至少基本上互相正交。
文檔編號(hào)G01Q30/00GKCN102640007SQ201080055160
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年10月29日
發(fā)明者卡爾·馬瑟 申請(qǐng)人:布魯克納米公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan