專利名稱:振動型懸臂支架和掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在其前端以預定頻率和幅度振動地固定具有探針的懸臂的振動型懸臂支架和具有該振動型懸臂的掃描探針顯微鏡。
背景技術(shù)：
如通常已知的，SPM(掃描探針顯微鏡)被認為是這樣一種裝置，該裝置用于在微尺度區(qū)域內(nèi)測量金屬、半導體、陶瓷、樹脂、大分子、生物材料、絕緣體等的樣品，并進行涉及物理特性信息包括樣品的粘彈性和樣品的表面輪廓的觀測等。關(guān)于這種SPM，存在取決于測量目標的各種測量模式。作為其中之一已知的一種振動模式SPM，使用該SPM通過振動安裝在懸臂支架上的懸臂執(zhí)行測量(見例如JP-A-2003-42931)。
這種振動模式SPM包括例如DFM(動力模式顯微鏡)，使用該DFM執(zhí)行掃描，同時探針和樣品間的距離可被控制以使得共振懸臂的振動幅度穩(wěn)定；VE-AFM(粘彈性AFM)， 當將樣品驅(qū)動成在與樣品表面垂直的Z方向上的小的振動時，或者懸臂被驅(qū)動成在與樣品表面垂直的Z方向上的小的振動以便由此在AFM操作時間期間施加周期性的力給懸臂時，使用該VE-AFM通過檢測懸臂彎曲的幅度、正弦分量、余弦分量來測量粘彈性的分布；和 LM-FFM(橫向力調(diào)節(jié)摩擦力顯微鏡)，使用它當在AFM的操作時間期間樣品或懸臂被驅(qū)動成在與樣品表面平行的水平方向上的橫向振動時，通過檢測懸臂的扭轉(zhuǎn)振動的幅度來測量摩擦力的分布。
然而，使用上述傳統(tǒng)振動模式SPM的測量存在下述問題。
通常，在振動懸臂中，給安裝在懸臂支架上的振動源施加預定電壓使該源振動，然后，該振動傳遞到懸臂，由此，使懸臂以預定振動頻率和幅度振動。然而，振動源的振動也傳遞到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)以使它們振動。這些振動影響懸臂的振動特性，因此，這些振動特性不同于理想振動狀態(tài)的那些。
結(jié)果是，當進行Q曲線(示出懸臂的共振特性的曲線)的測量時，作為除懸臂的共振A之外的另外的共振的其它并行的共振B發(fā)生了，如圖7所示。結(jié)果是，所得到的特性包括了來自于除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的共振特性，這使得難于正確辨別懸臂的共振特性。因此， 在一些情況下，難于對振動頻率、幅度和相位的振動特性進行精確設(shè)置。
此外，在一些情況下，當探針靠近樣品時，懸臂的共振特性受到影響，從而，探針不能靠近測量區(qū)域，或者探針不能過度靠近測量區(qū)域，導致因最佳測量條件的變化而與樣品碰撞。
此外，在一些情況下，掃描時間期間懸臂的共振特性受到影響，因此因最佳測量條件的變化而使得繼續(xù)穩(wěn)定和精確的測量變得困難。

發(fā)明內(nèi)容
考慮了那些情況而作出本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種振動型懸臂支架，其截止(或抵消)附加的振動并振動懸臂使得只有懸臂的振動特性顯示出來，和具有該振動型懸臂支架的掃描探針顯微鏡。
為了達到此目的，本發(fā)明提供如下裝置。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是用于固定與樣品相對的懸臂的振動型懸臂支架，在其前端具有探針并且僅在其底端被支撐在主體部分上，其特征在于包括懸臂附著臺，主體部分放置在其上并且利用相對于樣品以預定的角度傾斜的懸臂被固定；第一振動源，固定到懸臂附著臺并以依賴于預定波形信號的相位和幅度振動；支架主體，第一振動源固定到該支架主體；和第二振動源，固定到支架主體上的至少一個位置并產(chǎn)生用于抵消從第一振動源行進到懸臂附著臺和支架主體的振動的振動。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，該懸臂可以被固定使得通過在懸臂附著臺上放置和固定懸臂主體部分使其與樣品相對，所述懸臂附著臺固定到支架主體且第一振動源插入其間。在這一點上，懸臂附著臺使懸臂相對于樣品以預定的角度傾斜，并且在此條件下固定懸臂。懸臂固定后，使得第一振動源根據(jù)預定的波形信號振動。該振動通過懸臂附著臺傳遞到懸臂。因此，懸臂取決于輸入給第一振動源的波形信號的幅度和延遲而振動。
另一方面，第一振動源產(chǎn)生的振動不僅使懸臂振動，還行進到懸臂附著臺和支架主體并因此使懸臂附著臺和支架主體同時振動。然而，因為第二振動源固定在支架主體上的至少一個位置，從第一振動源行進的不想要的振動可以通過與第一振動源同時操作第二振動源而被抵消，因此，可以盡可能地防止支架主體和懸臂附著臺振動。即，并行地操作第一和第二振動源允許第一和第二振動源產(chǎn)生的振動彼此抵消，由此行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以被截止。因此，與傳統(tǒng)的懸臂支架不同，僅有懸臂可以振動，由此僅有懸臂的振動特性能夠被獲得。
因此，在測量Q曲線時，可以正確辨別懸臂的共振特性，并且由此可以實現(xiàn)精確設(shè)置懸臂的振動頻率、幅度、相位等的振動特性。這樣，可以始終精確地執(zhí)行借助振動模式SPM 的測量。這使得測量精度得到改善并且使借助振動模式SPM的測量更易于使用，這增強了其方便性。
此外，因為只有懸臂的振動特性能夠被可靠獲得，因此與傳統(tǒng)SPM不同，當探針靠近樣品時該探針能精確地靠近期望的測量區(qū)域。另外，根據(jù)該觀點，能提高測量精度。此外， 因為懸臂的共振特性在掃描時間期間不變，因此可以連續(xù)進行穩(wěn)定的測量。
順便提及，一個以上的第二振動源可以固定到支架主體。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是上述的振動型懸臂支架，其特征在于第二振動源在接收到基于與第一振動源的相對位置關(guān)系和輸入給第一振動源的預定波形信號至少在其相位上被調(diào)整的波形信號時振動。
在結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架中，第二振動源在接收到基于與第一振動源的相對位置關(guān)系和輸入給第一振動源的波形信號至少在相位上被調(diào)整的波形信號(例如相位被反轉(zhuǎn)的信號)時振動。相應地，不管第二振動源固定到支架主體上的位置，從第一振動源行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以被抵消，由此，可以使得除懸臂的共振外的振動最小。
通過及時地調(diào)整幅度和相位，可以使第二振動源振動。作為該調(diào)整的結(jié)果，第二振動源可以接收與輸入給第一振動源的信號相同的信號。
如上所述，因為固定第二振動源的位置可以自由選擇，因此可以增強設(shè)計的靈活性。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是上述振動型懸臂支架，其特征在于進一步包括用于向支架主體推動第二振動源的重量部分。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，因為重量部分利用重力向支架主體推動第二振動源，所以該力容易傳遞。因此，由第二振動源產(chǎn)生的振動可以有效傳遞到支架主體。換言之，因為振動的傳遞被促進，所以行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以更可靠地被抵消。因此，可以更準確地獲得懸臂的振動特性。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是上述振動型懸臂支架，其特征在于下面三個內(nèi)容。第一，支架主體被形成為板狀形狀，具有彼此相對的第一面和第二面。第二，第一和第二振動源分別固定到第一和第二面以便彼此相對并且支架主體插入其間。第三，第二振動源在接收到與輸入給第一振動源的預定波形信號相同的預定波形信號時振動。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，第一和第二振動源分別固定到第一和第二面并彼此相對并且支架主體插入其間。在接收到與輸入給第一振動源的波形信號相同的波形信號時，第二振動源以與第一振動源的那些相同的幅度和相位振動。因此，由兩個振動源產(chǎn)生的信號彼此抵消，并且從第一振動源行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以被更可靠地抵消。
具體地，因為輸入給第二振動源的波形信號不是特別調(diào)整的信號，而是與輸入給第一振動源的信號相同的信號，因此不需要復雜的操作控制并可簡化其配置。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是上述振動型懸臂支架，其特征在于進一步包括用于向支架主體推動第二振動源的重量部分。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，因為重量部分利用重力向支架主體推動第二振動源，所以該力容易傳遞。因此，由第二振動源產(chǎn)生的振動可以有效傳遞到支架主體。換言之，因為振動的傳遞被促進，所以行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以更可靠地被抵消。因此，可以更準確地獲得懸臂的振動特性。
根據(jù)本發(fā)明的振動型懸臂支架可以是上述振動型懸臂支架，其特征在于重量部分在形狀和重量上與懸臂附著臺相同。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，因為重量部分在形狀和重量上與懸臂附著臺相同，所以可以認為采用了在支架主體的兩個相對側(cè)上提供了兩個相同的懸臂附著臺的這樣的布置。因此，行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動可以更可靠地被抵消，因此， 可更可靠地獲得懸臂的振動特性。
根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡，其特征在于包括其中一個上述振動型懸臂支架； 懸臂，其在其前端上具有探針并僅在其底端被支撐在主體部分上，該主體部分固定到振動型懸臂支架；載物臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元，由此控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
利用結(jié)合本發(fā)明的掃描探針顯微鏡，首先根據(jù)樣品選擇懸臂，并且它的主體部分放置并固定到懸臂附著部分上。這樣，懸臂在其相對于樣品以預定的角度傾斜的條件下固定到振動型懸臂支架上。然后，第一和第二振動源同時啟動，由此使懸臂振動。然后，使探針接觸或靠近樣品表面。在此條件下，探針和樣品通過驅(qū)動單元相對移動以執(zhí)行掃描。在該步驟中，控制單元使驅(qū)動單元基于借助測量單元的測量結(jié)果調(diào)整懸臂和樣品之間的距離 (或者懸臂相對于樣品的高度)使得懸臂的振動運動，例如振動幅度(或自激發(fā)振動時的頻率)是恒定的。這樣，可以檢測觀測數(shù)據(jù)，例如與高度相關(guān)的數(shù)據(jù)、和相位變化，由此以執(zhí)行關(guān)于多種物理特性(磁力、電勢等)等的數(shù)據(jù)的測量。
具體地，因為掃描探針顯微鏡包括可通過僅單獨振動懸臂就能正確辨別懸臂的共振特性的振動型懸臂支架，所以可精確地執(zhí)行借助振動模式SPM的測量并且測量結(jié)果的可靠性可以得到提高。
在使用通過控制懸臂的Q值來增大Q值由此增加靈敏性的技術(shù)的情況下，該靈敏性相對于通常所期望的有較大改善，因為除懸臂的振動外的振動形成增加測量誤差的因素。[0034]根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡可以是上述掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號，以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
利用結(jié)合本發(fā)明的掃描探針顯微鏡，該檢測部分根據(jù)借助測量單元的測量結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的那些的幅度和相位振動的另外的波形信號。即，該檢測部分檢測從第一振動源行進到諸如支架主體之類的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動的波形。然后， 振動源專用電源向第二振動源反饋和輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以抵消和消除不想要的振動的波形?，F(xiàn)在應當注意的是，由其他不同頻率的組合合成的波形可以用作調(diào)整信號。
這使得可以更可靠地抵消從第一振動源行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動。因此，能夠更準確地辨別懸臂的共振特性并可進一步改善測量的精度。
利用結(jié)合本發(fā)明的振動型懸臂支架，第一和第二振動源的并行操作允許由這些源產(chǎn)生的振動彼此抵消，并且由此行進到除懸臂外的周圍結(jié)構(gòu)的振動可以被截止。因此，能夠正確辨別懸臂的共振特性，并且可以始終執(zhí)行借助振動模式SPM的精確測量，由此改善測量的精度。此外，借助振動模式SPM的測量更易于使用，這導致增強了其便利性。
利用結(jié)合本發(fā)明的掃描探針顯微鏡，因為它包括能正確辨別懸臂的共振特性的振動型懸臂支架，所以可精確地執(zhí)行借助振動模式SPM的測量并且測量結(jié)果的可靠性可以得到提高。


圖1是與本發(fā)明第一實施例相關(guān)的掃描探針顯微鏡的框圖；
圖2是與本發(fā)明相關(guān)的振動型懸臂支架的側(cè)視圖，其是圖1所示的掃描探針顯微鏡的構(gòu)成部分；
圖3是示出由圖2所示的振動型懸臂支架固定的懸臂的共振特性的圖；
圖4是與本發(fā)明第二實施例相關(guān)的掃描探針顯微鏡的框圖；[0043]圖5是與本發(fā)明相關(guān)的振動型懸臂支架的側(cè)視圖，其是圖4所示的掃描探針顯微鏡的構(gòu)成部分；
圖6是與本發(fā)明第三實施例相關(guān)的掃描探針顯微鏡的框圖；
圖7是示出由傳統(tǒng)振動型懸臂支架固定的懸臂的共振特性的圖；
圖8是示出作為圖2所示的振動型懸臂支架的修改，其中沒有形成開口的振動型懸臂支架的圖；
圖9是示出作為圖1所示的掃描探針顯微鏡的修改，懸臂掃描型掃描探針顯微鏡的圖，其中懸臂沿三維方向移動；
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明第一實施例的振動型懸臂支架和帶有該懸臂支架的掃描探針顯微鏡將參考圖1-圖3來進行描述。這里應注意，關(guān)于該實施例，樣品沿三維方向移動的這樣的樣品掃描方法將作為實例來描述。
如圖1所示，根據(jù)實施例的掃描探針顯微鏡1包括振動型懸臂支架2 ；懸臂3，其在其前端上具有探針3a，且僅在其底端被支撐在主體部分I上，并借助主體部分: 被固定到振動型懸臂支架2 ；臺4，其用于在上面放置樣品S以使該樣品與探針3a相對；驅(qū)動單元5，其用于為掃描樣品表面而在平行于樣品表面Sl的X和Y方向上相對移動探針3a和樣品S，以及在垂直于樣品表面Sl的Z方向上相對移動探針3a和樣品S ；測量單元6，其用于測量懸臂3的振動狀態(tài)的位移；和控制單元8，其用于根據(jù)借助測量單元6的測量結(jié)果控制驅(qū)動單元5以使得懸臂3的探針3a的振動狀態(tài)相對于樣品表面Sl在掃描時間期間是恒定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。這里應注意，在該實施例中，控制單元8控制驅(qū)動單元5使得懸臂3的振動的幅度為恒定的情形將作為實例來描述。
如圖2所示，振動型懸臂支架2包括斜塊(sloped block)(懸臂附著臺)10，其具有懸臂附著面10a，其上主體部分北被放置，并且利用相對于樣品S以預定角度傾斜的懸臂3來固定；振動源(第一振動源)11，其被固定到斜塊10并以依賴于預定波形信號的相位和幅度振動；支架主體12，振動源11被固定到該支架主體；和相對的振動源(第二振動源)13，其被固定在支架主體12上的至少一個位置并抵消從振動源11傳遞到斜塊10和支架主體12的振動。
支架主體12以板狀形狀形成，具有彼此相對的第一面1 和第二面12b，且第一面 1 被設(shè)置成面向樣品S。另外，支架主體12具有形成在其中的開口 12c，通過其后面將描述的激光L到達被固定的懸臂3的反射面(未示出)并且被反射離開反射面的激光L被允許出去。
振動源11被固定到第一面1 上并被布置成根據(jù)從圖1所示的振動源專用電源 7輸入的波形信號以預定的相位和幅度振動。
斜塊10被固定到振動源11的較低的面使得懸臂附著面IOa面向樣品S。懸臂3 的主體部分北被放置在懸臂附著面IOa上，并使用例如線(未示出)固定到斜塊上。
相對的振動源13被固定到與振動源11相對(面對)的位置，且支架主體12被插入其間。相對的振動源13被布置使得它從振動源專用電源7接收波形信號，其與振動源11 所接收的相同，并以與振動源11相同的相位和幅度振動。[0055]此外，根據(jù)實施例的振動型懸臂支架2包括用于將相對的振動源13向支架主體12 推動的重量部分14。重量部分14被形成為具有與斜塊10的那些相同的形狀和重量，并被安裝在相對的振動源13上。
如此配置的振動型懸臂支架2通過支座(未示出)被固定在樣品S上，如圖1所示。臺4放置在XY掃描儀20上面。該XY掃描儀20放置在Z掃描儀21上面。此外，Z掃描儀21被放置在防振臺(未示出)上。
XY掃描儀20和Z掃描儀21是例如壓電式裝置，并被布置使得當XY驅(qū)動部分22 和Z驅(qū)動部分23分別施加電壓給它們時它們在適合的方向上移動一小段距離。換言之，XY 掃描儀20和Z掃描儀21、XY驅(qū)動部分22和Z驅(qū)動部分23構(gòu)成了驅(qū)動單元5。
另外，在振動型懸臂支架2上方設(shè)置了光照射部分沈和光檢測部分28。光照射部分26利用反射鏡25來用激光L照射在懸臂3的背面形成的反射面(未示出)。光檢測部分觀利用反射鏡27接收被反射離開反射面的激光L。由光照射部分沈發(fā)射的激光L穿過支架主體12的開口 12c到達反射面，并被該反射面反射。其后，激光L再次穿過開口 12c， 然后進入光檢測部分觀。
光檢測部分觀可以是例如光檢測器，其檢測懸臂3相對于激光L的入射位置的振動狀態(tài)(即幅度)。然后，光檢測部分觀將被檢測的懸臂3的振動狀態(tài)的位移輸出到前置放大器四作為DIF信號。換言之，光照射部分26、反射鏡25和27、以及光檢測部分觀構(gòu)成測量單元6。
從光檢測部分觀輸出的DIF信號被前置放大器四放大，被發(fā)送至AC-DC轉(zhuǎn)換電路30，在那里轉(zhuǎn)換成DC信號，然后，被發(fā)送至Z電壓反饋電路31。Z電壓反饋電路31控制 Z驅(qū)動部分23的反饋使得DC轉(zhuǎn)換后的DIF信號始終是恒定的。從而，可控制探針3a和樣品表面Sl之間的距離使得懸臂3的振動狀態(tài)變得穩(wěn)定，即當通過驅(qū)動單元5進行掃描時其幅度是恒定的。
另外，Z電壓反饋電路31與控制部分32連接。因此，控制部分32能夠在DC轉(zhuǎn)換后基于DIF信號測量樣品S的表面輪廓，以及檢測相位變化，由此來測量關(guān)于物理特性(例如磁力、電勢等)的多種信息。
換言之，Z電壓反饋電路31和控制部分32構(gòu)成了控制單元8。順便提及，控制單元8具有全面控制上述構(gòu)成部分的功能。
現(xiàn)在，下面將描述通過使用振動型懸臂支架2和如此設(shè)置的掃描探針顯微鏡1在 DFM中測量樣品S的情形，該DFM是振動模式SPM中的一種。
首先，進行用于測量的初始設(shè)置。具體地，根據(jù)用于測量目的的樣品選擇最佳懸臂 3。該懸臂3被固定到振動型懸臂支架2。隨后，將樣品S放置在臺4上，然后調(diào)整光照射部分沈和光檢測部分觀的位置、懸臂3的安裝條件等使得激光L可靠地照射到懸臂3的反射面上并且在反射后該激光L確實進入光檢測部分觀。
其后，振動源專用電源7同時輸出相同的波形信號給振動源11和相對的振動源 13，由此振動源11和相對的振動源13以相同的幅度和相位振動。由振動源11產(chǎn)生的振動通過斜塊10傳遞到懸臂3，并且由此懸臂3可以以依賴于該波形信號的幅度和相位延遲振動。此外，該振動不僅強迫懸臂3振動，而且行進到斜塊10和支架主體12，并由此它引起這些周圍結(jié)構(gòu)同時振動。[0066]然而，當來自于與振動源11相對且支架主體12插入其間的相對的振動源13的振動被傳播到支架主體12和斜塊10時，從振動源11傳遞的振動被抵消。結(jié)果是，可以抵消掉來自振動源11的不想要的振動以防止支架主體12和斜塊10振動。也就是說，振動源11 和相對的振動源13的并行操作允許由這些源產(chǎn)生的振動相互抵消，并由此可以截止行進到除懸臂3外的周圍結(jié)構(gòu)的不想要的振動。因此，與傳統(tǒng)的懸臂支架不同，因為僅使懸臂3 可以振動，所以懸臂3的振動特性可以獨立地獲得。
隨后，使懸臂3振動，之后是進行Q曲線測量和工作點設(shè)置，其是施加的振動的最佳頻率值。在該步驟中，如上所述，因為相對的振動源13防止使除懸臂3外的構(gòu)成部分(即周圍結(jié)構(gòu))振動，因此難以產(chǎn)生除了如圖3所示的懸臂3的共振A之外的并行共振。(很清楚產(chǎn)生的并行共振B小于圖7中的那個。)因此，懸臂3的共振特性可以被正確地辨別，并且因此可以對于懸臂3的振動頻率、幅度、相位等的振動特性進行正確的設(shè)置。
進行上述初始設(shè)置之后執(zhí)行樣品S的測量。
具體地，控制探針3a和用于測量目的的樣品S的表面之間的距離使得幅度是恒定的。在此條件下，通過XY驅(qū)動部分22移動XY掃描儀20，然后執(zhí)行對樣品S的掃描。在掃描時間期間，懸臂3的幅度根據(jù)樣品表面Sl的粗糙度而趨于變寬和變窄，并且由此進入光檢測部分觀的激光L(即，被反射離開反射面的激光)的幅度變化。光檢測部分觀輸出依賴于該幅度的DIF信號給前置放大器四。該輸出的DIF信號由前置放大器四放大并由 AC-DC轉(zhuǎn)換電路30轉(zhuǎn)換成DC信號，然后被發(fā)送到Z電壓反饋電路31。
Z電壓反饋電路31執(zhí)行反饋控制，同時使Z驅(qū)動部分23在Z方向上將Z掃描儀21 移動了一小段距離，使得DC轉(zhuǎn)換后的DIF信號始終是恒定的，即懸臂的幅度是穩(wěn)定的。這使得能夠在探針3a和用于測量目的的樣品S的表面之間的距離被控制為恒定的情況下執(zhí)行掃描。另外，控制部分32基于通過Z電壓反饋電路31上升和下降的信號測量樣品S的表面輪廓。
具體地，因為借助振動型懸臂支架2對于懸臂3的振動特性進行了正確設(shè)置，所以在Q曲線的測量中通過DFM的測量可以始終正確地進行，由此測量的精度可以得到改善。此夕卜，通過DFM的測量變得更容易使用，這使得增強了其方便性。
此外，因為只有懸臂3的振動特性可以可靠地獲得，所以當探針3a被放置在樣品S 附近時探針3a可以可靠地接近期望的測量區(qū)域。另外，由于這個原因，也可以改善測量的精度。此外，因為懸臂3的共振特性在掃描時間期間不變，因此可以連續(xù)進行穩(wěn)定的測量。
如上所述，根據(jù)實施例的掃描探針顯微鏡1包括振動型懸臂支架2，該振動型懸臂支架2允許懸臂3單獨振動，因此使得可以正確地辨別懸臂3的共振特性。因此，通過DFM 的測量可以正確地進行，并且由此測量結(jié)果的可靠性可以得到提高。
另外，因為輸入到相對的振動源1 3的波形信號不是特別調(diào)整的信號，而是與輸入到振動源11的信號相同的信號，因此振動源專用電源7不必輸出不同的波形信號。從而， 不需要復雜的控制，并可以簡化其配置。
此外，因為重量部分14利用重力向支架主體12推動相對的振動源13，所以該力容易傳遞。因此，由相對的振動源13產(chǎn)生的振動可以有效地傳遞到支架主體12。換言之，因為振動的傳遞被促進，所以從振動源11行進到除懸臂3外的構(gòu)成部分的不想要的振動可以更可靠地被抵消。因此，更容易正確地獲得懸臂3的振動特性。[0076]此外，在該實施例中，因為重量部分14與斜塊10在形狀和重量上相同，所以可以認為采用了在支架主體12的兩個相對側(cè)上提供了兩個相同的斜塊10的這樣的布置。因此， 從振動源11行進到除懸臂3外的構(gòu)成部分的不想要的振動可以更可靠地被抵消，且可以更高精度地得到懸臂3的振動特性。
現(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的振動型懸臂支架和具有該懸臂支架的掃描探針顯微鏡將參考圖4和5來進行描述。在這里，第二實施例中類似的部分以與第一實施例中的那些相同的參考數(shù)字進行區(qū)分并省略了描述。
如下所述，第二實施例不同于第一實施例。即，盡管在第一實施例中，相對的振動源13固定到支架主體12的第二面12b上以便與振動源11相對，但是根據(jù)第二實施例的掃描探針顯微鏡40包括振動型懸臂支架41，其中相對的振動源13不與振動源11相對，如圖 4所示。
具體地，在該實施例中，振動型懸臂支架41被固定到第二面12b的端部上，如圖5 所示。在相對的振動源13上安裝重量部分42，如同在第一實施例中那樣用于將相對的振動源13向支架主體12推動。然而，與第一實施例中的重量部分14不同，重量部分42被形成為具有不同的大小和重量，其與斜塊10的那些不同。
在該實施例中，相對的振動源13被布置成在接收到基于其與振動源11的相對位置關(guān)系和輸入給振動源11的波形信號至少在其相位上被先前調(diào)整的波形信號時振動。具體地，把相對于由振動源專用電源7輸入給振動源11的波形信號的相位具有相反相位的信號輸入給相對的振動源13，由此使相對的振動源13振動。這樣，不管相對的振動源13固定到支架主體12上的位置，可以抵消掉從振動源11行進到除懸臂3外的構(gòu)成部分的不想要的振動，并且由此可以減小除懸臂3的共振以外的振動。
此外，因為振動型懸臂支架41如同在第一實施例中那樣包括重量部分42，所以由相對的振動源13引起的振動可有效地傳遞到支架主體12。
順便提及，在該實施例中，通過及時地調(diào)整幅度和相位(或合成由依賴于環(huán)境的不同頻率的組合所得到的另一波形)可以使相對的振動源13振動。另外，可以想到的是， 如輸入給振動源11的信號的信號由于該調(diào)整而形成最佳信號。
具體地，利用根據(jù)該實施例的振動型懸臂支架41，因為相對的振動源13被固定到的位置可自由選擇，所以可增強設(shè)計靈活性。
接下來，根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的振動型懸臂支架和具有該懸臂支架的掃描探針顯微鏡將參考圖6來描述。在這里，第三實施例中的類似部分以與第二實施例中的那些相同的參考數(shù)字來區(qū)分，并省略了描述。
如下所述，第三實施例不同于第二實施例。即，盡管在第二實施例中，將至少在其相位上被先前調(diào)整的信號輸入給相對的振動源13，但是根據(jù)第三實施例的掃描探針顯微鏡 50測量除懸臂3的振動以外的其他振動，并使得相對的振動源13基于測量的結(jié)果振動。
具體地，根據(jù)第三實施例的掃描探針顯微鏡50包括截止濾波器(檢測部分)51， 其用于根據(jù)借助測量單元6的測量的結(jié)果檢測以不同于懸臂3的振動的幅度和相位振動的波形信號；和調(diào)整電路52，其用于輸出調(diào)整信號給振動源專用電源7，其至少在其幅度和相位上被調(diào)整(或者其具有由依賴于環(huán)境的其他不同頻率的組合合成的波形)以便抵消由截止濾波器51檢測到的其它波形信號。另外，振動源專用電源7基于從調(diào)整電路52發(fā)送的調(diào)整信號使相對的振動源13振動。
這里，截止濾波器51僅截止由前置放大器四放大的DIF信號中的懸臂3的共振頻率，并且檢測除此之外的其它信號(其他波形信號)。調(diào)整電路52將輸入信號相位反轉(zhuǎn)并調(diào)整信號增益使得被檢測的其他波形信號最小，然后輸出相位反轉(zhuǎn)的信號給振動源專用電源7作為經(jīng)受幅度調(diào)整的調(diào)整信號。
然后，振動源專用電源7使相對的振動源13以依賴于該調(diào)整信號的相位和幅度振動。這樣，可以以更高的可靠性抵消從振動源11行進到除懸臂3外的構(gòu)成部分的不想要的振動。
因此，懸臂3的共振特性可以被更正確地辨別，并且由此測量的精度可以得到改
業(yè)
口 ο
本發(fā)明的技術(shù)范圍不限于上述實施例，并且在不脫離本發(fā)明的主題的情況下可以作出多種改變和修改。
盡管在第一實施例中，例如，重量部分具有與斜塊的那些相同的形狀和重量，但是它并不限于此。重量部分的大小和重量可以自由設(shè)置。另外，重量部分不是必需的，并且它不必被提供。然而，優(yōu)選的是提供這種重量部分，因為它允許相對的振動源的振動被有效地傳遞到支架主體。另外，更優(yōu)選的是提供如同在實施例中那樣具有與斜塊的那些相同的形狀和重量的重量部分。
另外，盡管在第二和第三實施例中，相對的振動源被固定到支架主體的第二面上， 但相對的振動源的位置不限于這樣的位置。相對的振動源可如同在該振動源的情況下那樣固定到例如第一面上，或者它可以固定到支架主體的側(cè)面上。此外，可以固定一個以上的相對的振動源，并且相對的振動源的數(shù)量不限于一個。
另外，上述實施例被布置使得激光穿過形成在支架主體中的開口，然后照射在懸臂上，并且被反射的激光通過該開口出去。然而，本發(fā)明不限于此。例如，支架主體12可以由光學上透明的材料(如玻璃)形成以消除開口 12c，如圖8所示。
在該情況下，由光照射部分沈發(fā)射的激光L相對于支架主體的第二面12b以直角進入支架主體12并照射到懸臂3的反射面上。然后，被反射離開反射面的激光L傾斜地入射到支架主體12的第一面1 上，重復折射，然后向著光檢測部分觀出去。因此，開口 12c可以通過由光學上透明的材料形成支架主體12而被消除，并且由此可以節(jié)省用于形成開口 12c的時間和勞動。
另外，在這些實施例中，控制探針和樣品之間的距離使得懸臂的振動幅度在掃描時間期間恒定。然而，這并不限于振動幅度，可以控制探針和樣品之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)穩(wěn)定。例如，可以控制該距離使得懸臂的頻率或角度恒定。
更進一步，盡管作為例子已經(jīng)采用樣品掃描方法描述了這些實施例，通過該樣品掃描方法樣品沿著三維方向移動，但本發(fā)明不限于此?？梢圆捎脩冶垩刂S方向移動的懸臂掃描方法。
例如，如圖9所示，在掃描探針顯微鏡60中，振動型懸臂支架2通過支座(未示出)固定到XY掃描儀20的背面的一側(cè)上。XY掃描儀20固定到Z掃描儀21的背面上。樣品S放置在固定臺4上。這樣，當XY掃描儀20和Z掃描儀21通過XY驅(qū)動部分22和Z驅(qū)動部分23被操作時，探針3a和樣品S可以沿三維方向相對移動。
13[0098]此外，在XY掃描儀20的背面的一側(cè)上，光照射部分26和光檢測部分28與振動型懸臂支架2固定到一起。這樣，激光L可以始終照射到懸臂3的反射面上。
另外，如此配置的掃描探針顯微鏡60可帶來與通過根據(jù)第一實施例的掃描探針顯微鏡1所獲得的那些相同的效果和優(yōu)點。這些顯微鏡僅在掃描方法上不同。
應注意的是，可以采用樣品S和懸臂3可以沿三維方向一起移動的這樣的布置。
盡管在這些實施例中，已經(jīng)采用了執(zhí)行借助DFM的測量作為振動模式SPM的例子的情況，但本發(fā)明不限于此。例如，MFM(磁力顯微鏡)，借助其通過振動具有能夠以同樣的方式感測磁力的探針的懸臂以及在該時間期間檢測懸臂的彎曲幅度和相位來執(zhí)行對磁性材料的樣品的磁力分布、磁疇結(jié)構(gòu)等的測量，也能帶來同樣的效果和優(yōu)點。
此外，不僅MFM，而且其它SPM例如SMM(掃描麥克斯韋應力顯微鏡)和KFM(開爾文探針力顯微鏡)，借助其通過感測導電探針(懸臂)的彎曲幅度來執(zhí)行涉及例如樣品表面上的電勢分布等的測量，而在懸臂和樣品之間施加AC偏壓以通過探針和樣品的電容耦合使懸臂振動，也能帶來相同的效果和優(yōu)點。
下面的顯微鏡也能帶來相同的效果和優(yōu)點，例如=LM-FFM(橫向力調(diào)節(jié)摩擦力顯微鏡)，利用該LM-FFM當在AFM的操作時間期間樣品或懸臂被驅(qū)動成在與樣品表面平行的水平方向上的橫向振動時，通過檢測懸臂的扭轉(zhuǎn)振動的幅度來測量摩擦力的分布； VE-AFM(粘彈性AFM)，當樣品S被驅(qū)動成在與其樣品表面Sl垂直的Z方向上的小的振動， 或者懸臂被驅(qū)動成在與樣品表面垂直的Z方向上的小的運動，由此在AFM的操作時間期間施加周期性的力給懸臂時，利用它通過檢測懸臂的彎曲的幅度、正弦分量和余弦分量來測量粘彈性的分布。
此外，盡管在上述實施例中，通過使用光學杠桿技術(shù)作為測量單元來檢測懸臂的位移，但本發(fā)明不限于光學杠桿技術(shù)。例如，可以采用自感應技術(shù)，通過該自感應技術(shù)，懸臂被設(shè)置有例如壓敏電阻器元件使得懸臂本身具有檢測位移的功能。
權(quán)利要求
1.一種用于固定與樣品相對的懸臂的振動型懸臂支架，該懸臂在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，其包括懸臂附著臺，主體部分放置在其上并且利用相對于樣品以預定角度傾斜的懸臂來固定；第一振動源，其被固定到懸臂附著臺并以依賴于預定波形信號的相位和幅度振動； 支架主體，第一振動源被固定到該支架主體；和第二振動源，其被固定到支架主體上的至少一個位置并產(chǎn)生振動以抵消從第一振動源行進到懸臂附著臺和支架主體的振動。
2.如權(quán)利要求
1的振動型懸臂支架，其中第二振動源在接收到基于與第一振動源的相對位置關(guān)系和輸入給第一振動源的預定波形信號至少在其相位上被調(diào)整的波形信號時振動。
3.如權(quán)利要求
1的振動型懸臂支架，進一步包括用于向支架主體推動第二振動源的重量部分。
4.如權(quán)利要求
1的振動型懸臂支架，其中支架主體形成為板狀形狀，其具有彼此相對的第一面和第二面，第一和第二振動源分別被固定到該第一和第二面上以便彼此相對并且支架主體插入其間，以及第二振動源在接收到與輸入給第一振動源的預定波形信號相同的預定波形信號時振動。
5.如權(quán)利要求
4的振動型懸臂支架，進一步包括用于向支架主體推動第二振動源的重量部分。
6.如權(quán)利要求
5的振動型懸臂支架，其中重量部分與懸臂附著臺在形狀和重量上相同。
7.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
1的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
8.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
2的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
9.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
3的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
10.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
4的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
11.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
5的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
12.一種掃描探針顯微鏡，包括 如權(quán)利要求
6的振動型懸臂支架；懸臂，其在其前端上具有探針且僅在其底端處被支撐在主體部分上，該主體部分被固定到該振動型懸臂支架；臺，其上放置與探針相對的樣品；驅(qū)動單元，其用于為掃描而沿平行于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品以及沿垂直于樣品表面的方向相對地移動探針和樣品；測量單元，其用于測量懸臂的振動狀態(tài)的位移；和控制單元，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果控制驅(qū)動單元由此來控制探針和樣品表面之間的距離使得懸臂的振動狀態(tài)在掃描期間是穩(wěn)定的，以及用于收集觀測數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求
7的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
14.如權(quán)利要求
8的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
15.如權(quán)利要求
9的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
16.如權(quán)利要求
10的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
17.如權(quán)利要求
11的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
18.如權(quán)利要求
12的掃描探針顯微鏡，進一步包括檢測部分，其用于根據(jù)借助測量單元的測量的結(jié)果檢測以不同于來自于懸臂的振動的幅度和相位的幅度和相位振動的另外的波形信號；和振動源專用電源，其用于對第二振動源輸入至少在幅度和相位上被調(diào)整的調(diào)整信號以便抵消由檢測部分檢測的該另外的波形信號。
專利摘要
一種用于固定與樣品相對的懸臂的振動型懸臂支架，其僅在其底端處被支撐在主體部分上并在其前端上具有探針。該支架包括懸臂附著臺，主體部分放置在其上并且利用相對于樣品以預定角度傾斜的懸臂來固定；第一振動源，其被固定到懸臂附著臺并以依賴于預定波形信號的相位和幅度振動；支架主體，第一振動源被固定到該支架主體；和第二振動源，其被固定到支架主體上的至少一個位置并產(chǎn)生振動以抵消從第一振動源行進到懸臂附著臺和支架主體的振動。通過抵消另外的振動，根據(jù)僅僅懸臂的振動特性該支架允許該懸臂振動。
文檔編號G01Q60/24GKCN1963451 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200610164651
公開日2012年5月30日 申請日期2006年11月10日
發(fā)明者伊與木誠人, 繁野雅次 申請人:精工電子納米科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),