專利名稱:快速掃描的掃描探針顯微鏡以及對其進(jìn)行操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡(SPM)，更具體而言，涉及能夠以高采集速率來采集高質(zhì)量圖像的SPM以及對這種SPM進(jìn)行操作的方法。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(SPM)，比如原子力顯微鏡(AFM)等，是通常使用針尖以及較低的針尖-樣品的相互作用力來表征小至原子尺寸的樣品的表面的設(shè)備。一般來說，SPM包括具有針尖的探針，該針尖被引至樣品的表面以探測樣品特性的改變。通過在針尖與樣品之間提供相對的掃描移動(dòng)，能夠在樣品的特定區(qū)域上采集特性數(shù)據(jù)并能夠生成樣品相應(yīng)的圖。
原子力顯微鏡(AFM)是一種很常見類型的SPM。圖1中示意性地示出了典型的 AFM0 AFM 10采用具有懸臂14和針尖16的探針12。掃描器M在針尖-樣品的相互作用被監(jiān)測的同時(shí)生成探針12與樣品22之間的相對運(yùn)動(dòng)。以此方式，可獲得樣品的圖像或其它測量。掃描器M通常包括一般生成在三個(gè)正交方向(XYZ)上的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)器。掃描器M可以是使樣品或探針在全部的三個(gè)軸上移動(dòng)的比如壓電管致動(dòng)器的單個(gè)集成單元。在示出的實(shí)例中其使探針12移動(dòng)?；蛘?，掃描器可以是多個(gè)單獨(dú)致動(dòng)器的組合。有的AFM將掃描器分成多個(gè)部件，例如使樣品移動(dòng)的xy致動(dòng)器以及使探針移動(dòng)的單獨(dú)的ζ-致動(dòng)器。探針12常常被連接到用于以或以接近于懸臂14的共振頻率來驅(qū)動(dòng)探針12 的振動(dòng)致動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器15。有多種可選方案測量懸臂14的偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)或其它的運(yùn)動(dòng)。探針 12常常由具有集成針尖16的微加工懸臂14形成。
如果針對操作的振動(dòng)模式來配置AFM，則從在探針-樣品的相互作用的控制下的交流(AC)信號(hào)源18施加的電子信號(hào)通常由控制器20通過力控制反饋對其進(jìn)行控制。通過將感測光束從感測光源(比如激光器等，未示出)射向懸臂14的背面來監(jiān)測懸臂14的運(yùn)動(dòng)。光束隨后被反映給探測器26(比如四象限光電探測器等)。隨著光束穿過探測器沈， 適當(dāng)?shù)男盘?hào)被傳輸給控制器20，該控制器20對所述信號(hào)進(jìn)行處理以確定探針14的振動(dòng)上的變化。
控制器20生成控制信號(hào)以維持針尖16與樣品之間相對恒定的相互作用或者懸臂 14恒定的偏轉(zhuǎn)。測量涉及在反饋下控制掃描器M使樣品或探針(本實(shí)例中的探針12)與樣品22的表面相對垂直地上下移動(dòng)?？刂茠呙杵鱉通過引起在至少大致上平行于樣品22 的表面的“x-y”平面內(nèi)的相對的針尖-樣品的移動(dòng)來執(zhí)行掃描操作。(注意，因?yàn)樵S多樣品具有偏離平坦平面的粗糙部分、彎曲部分和傾斜部分，所以使用了用語“大致上平行”。這里也可以使用用語“平行”且應(yīng)當(dāng)將其解釋成同樣意指“大致上平行”。)掃描通常采取光柵掃描的形式，在所述光柵掃描中沿在y方向上緊密排列的χ方向上的線獲取數(shù)據(jù)。χ方向上的線的最大長度被稱作“掃描范圍”。以此方式，與這種豎直運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)并隨后被用來構(gòu)造與正在測量的樣品特性(例如表面形貌)對應(yīng)的樣品表面的圖像。
所測量的針尖-樣品的相互作用的特性將會(huì)部分地取決于AFM的預(yù)設(shè)的操作模式。即，AFM可被設(shè)計(jì)成在包括接觸模式和振動(dòng)模式的多種模式下進(jìn)行操作。在接觸模式下，將探針12降低到與樣品22相互作用，監(jiān)測懸臂偏轉(zhuǎn)或相關(guān)的特性并將其控制至設(shè)定值。在振動(dòng)模式(比如叫做“輕敲模式”(TappingModeTMCTappingMode 是為本受讓人所有的商標(biāo)))的常見模式等)下，探針振動(dòng)器15以或以接近于懸臂14的共振頻率經(jīng)由AC信號(hào)源18來振動(dòng)探針。力控制環(huán)路試圖維持此振動(dòng)的振幅在期望的設(shè)定值，以使“針壓”(即， 針尖/樣品的相互作用所引起的力)最小化。(有多種可選的反饋方案保持相位和/或振動(dòng)頻率或者它們的組合恒定。如在接觸模式中，這些反饋信號(hào)隨后被收集、存儲(chǔ)并被用作表征樣品的數(shù)據(jù)。)
無論AFM的操作模式如何，通過使用壓電掃描器、光杠桿偏轉(zhuǎn)探測器和用光刻技術(shù)制造的非常小的懸臂，AFM能夠在空氣、液體或真空中在很多種絕緣的或?qū)щ姷谋砻嫔汐@得低至原子級(jí)的分辨率。由于AFM的分辨率和多功能性，在從半導(dǎo)體制造到生物學(xué)研究的許多領(lǐng)域中AFM都是重要的測量設(shè)備。
最廣泛采用的商用SPM通常需要幾分鐘的總掃描時(shí)間來以高分辨率(例如 512X512像素)、低針壓和高圖像質(zhì)量覆蓋幾平方微米的面積。一般來說，SPM掃描速度的實(shí)際限制是如下所述的最大速度的結(jié)果SPM能夠在被以該速度掃描的同時(shí)維持足夠低而不會(huì)對針尖和/或樣品造成損傷或者至少將對針尖和/或樣品的損傷限制在可接受的水平的針壓。
如今很多組織都進(jìn)行了對高速SPM的研發(fā)，所述組織包括例如，加利福尼亞大學(xué)的Paul Hansma、金澤大學(xué)的iToshio Ando、布里斯托爾大學(xué)的Mervyn Miles、萊頓大學(xué)的 Frenken Group等研究小組以及比如Olympus和hfinitesima等商業(yè)公司。
要獲得高質(zhì)量、高速度的AFM圖像需要AFM的每個(gè)及各個(gè)主要的子系統(tǒng)都具有出色的性能。正如鏈條的強(qiáng)度是由最弱的鏈決定的，高速AFM的性能常常由其最弱或最慢的子系統(tǒng)決定。不能提供必要的范圍、速度、帶寬、回轉(zhuǎn)速率、線性等的AFM子系統(tǒng)將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能下降和/或圖像質(zhì)量上無法接受的缺陷。盡管有一些良好的進(jìn)展，但早期的 SPM系統(tǒng)尚未獲得為廣泛實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用的高速AFM所需要的成套可同時(shí)存在的性能量度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種能夠?qū)θ我馓匦缘妮^大樣品進(jìn)行快速掃描以獲得高質(zhì)量高分辨率的圖像的方法。該方法包括在SPM的探針與樣品之間產(chǎn)生相對掃描移動(dòng)，以按至少30行/秒的速率將探針掃描通過至少4微米的掃描范圍；以及用至少1毫米/秒(mm/sec)的力控制回轉(zhuǎn)速率來控制探針-樣品的相互作用。
為了使噪聲對所采集的信號(hào)的影響最小化，采取了一些手段以相比于在等于約七倍的掃描頻率的掃描帶寬內(nèi)的位置傳感器所呈現(xiàn)的噪聲，減小致動(dòng)器位置的噪聲。這些手段優(yōu)選地在所有三個(gè)主要方向上采取前饋控制和反饋控制的組合。前饋控制可以包括使用反演控制算法，該反演控制算法使用與致動(dòng)器相關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)。[0016]可以使用根據(jù)本發(fā)明配置的SPM掃描很多種導(dǎo)電的或非導(dǎo)電的樣品，包括圖案化的晶片、生物學(xué)樣品、聚合物、薄膜以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置部件。本發(fā)明實(shí)施例可以掃描RMS粗糙度大于5nm的樣品、掃描長寬比> 5 1的樣品以及掃描具有高度上大于50nm的很陡峭的階狀結(jié)構(gòu)的高度波浪狀的樣品，比如溝槽和通孔等。
可以在力反饋下進(jìn)行掃描，以防止或減小針尖或樣品的磨損或損傷。
為了有利于此方法的性能，SPM可以具有具有高的基本共振頻率的相對較剛性、 重量相對較輕的針尖掃描器。該針尖掃描器具有大于5kHz、優(yōu)選地大于7kHz以及更優(yōu)選地大于IOkHz的最低基本共振頻率。它優(yōu)選地與致動(dòng)器可或不可移動(dòng)的光學(xué)物鏡(最優(yōu)選為掃描物鏡)相結(jié)合。該物鏡將感測或照明光聚焦在SPM的探針上。物鏡在掃描頭內(nèi)可以豎直移動(dòng)，以擴(kuò)大激光器或其它感測光源的聚焦范圍，從而允許使用具有相應(yīng)高的共振頻率的相對高的懸臂?？梢苿?dòng)的物鏡還允許將照明光聚焦在明顯分開的物體上，比如探針和遠(yuǎn)在探針下的樣品。物鏡還可以是在x_y平面中隨掃描器移動(dòng)的“跟蹤物鏡”，以允許感測光束的聚焦點(diǎn)在掃描過程中至少大體上跟隨探針的掃描運(yùn)動(dòng)?？商峁┕鈱W(xué)系統(tǒng)，以允許以一個(gè)整體的形式對集成光學(xué)顯微鏡的照明光束以及感測光束進(jìn)行搖攝。此搖攝允許在對聚焦的照明光束的直接或間接視覺觀察下在懸臂上對聚焦的感測光束進(jìn)行對準(zhǔn)或瞄準(zhǔn)。此對準(zhǔn)或瞄準(zhǔn)允許使用具有相應(yīng)較小的共振頻率的更加小的懸臂。
探針可以包括具有集成針尖的高帶寬微加工懸臂?？梢允褂秒娀瘜W(xué)蝕刻進(jìn)行微加工以限定懸臂長度。探針可具有大于30kHz的力探測帶寬，在振動(dòng)模式下被啟動(dòng)時(shí)施加到樣品的力小于10納牛(nN)，并具有約10 μ s的階躍響應(yīng)時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種SPM，包括探針；按至少30行/秒的速率、在至少4 μ m的掃描范圍上在探針與樣品之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的掃描器；以及在閉環(huán)反饋下控制探針/樣品的相互作用的力控制器，該力控制器具有至少5kHz的力控制帶寬。力反饋控制器可以通過組合ζ致動(dòng)器、控制器以及探測器來形成。
通過以下的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些及其它特征和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見。然而應(yīng)當(dāng)理解，雖然指出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但這些詳細(xì)描述和具體實(shí)例是以示例性而非限制性的方式給出的。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出多種改變和修改，且本發(fā)明包括所有這樣的修改。


附圖中圖示了本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例，其中，相同的附圖標(biāo)記始終代表相同的部分，以及其中
圖1示意性地圖示了現(xiàn)有技術(shù)的AFM并適當(dāng)?shù)貥?biāo)注了現(xiàn)有技術(shù)；
圖2示意性地圖示了本發(fā)明的AFM的實(shí)施例的簡化概念圖；
圖3A是通過適當(dāng)?shù)貥?biāo)注為“現(xiàn)有技術(shù)”的現(xiàn)有技術(shù)的AFM所獲得的示例性圖像；
圖!3B-3G是通過根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的AFM的實(shí)施例所獲得的示例性圖像。
圖4A和圖4B是圖示了 AFM的z_致動(dòng)器的回轉(zhuǎn)速率的圖。
圖5A和圖5B示意性地圖示了本發(fā)明的AFM的實(shí)施例的高帶寬z_致動(dòng)器的簡化圖；
圖6A-6C是圖示了圖5A和圖5B的z_致動(dòng)器的響應(yīng)特性的圖。[0030]圖7示意性地圖示了本發(fā)明的AFM的實(shí)施例的物鏡透鏡和高帶寬ζ-致動(dòng)器的簡化圖；
圖8示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造的SPM掃描頭的一部分；
圖9是圖示了圖8中圖示的ζ-致動(dòng)器的響應(yīng)的圖；
圖10示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造的SPM掃描頭的一部分；
圖11是可用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的SPM掃描頭的透視圖；
圖12示意性地圖示了圖11的掃描頭的針尖掃描器；
圖13是圖11的掃描頭的立剖圖；
圖14是包括x-y致動(dòng)器和物鏡和相關(guān)聯(lián)的支撐結(jié)構(gòu)的圖11和圖13的掃描頭的一部分的頂部平面圖；
圖15是圖11和圖13的掃描頭的物鏡的立剖圖；
圖16是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SPM系統(tǒng)的一部分(包括掃描控制系統(tǒng))的簡化示意圖；
圖17是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SPM系統(tǒng)的一部分(包括力/ζ-軸控制系統(tǒng))的簡化示意圖；
圖18A-18G示意性地圖示了用于生產(chǎn)可用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微加工懸臂的過程；
圖19Α和圖19Β分別是使用圖19Α-20Ε中示意性地圖示出的過程生產(chǎn)的懸臂的底部平面圖和側(cè)視圖；
圖20Α和圖20Β分別是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的懸臂和現(xiàn)有技術(shù)的懸臂的力響應(yīng)曲線；
圖21是可用于監(jiān)測圖12-15的針尖掃描器的操作的應(yīng)變式傳感器裝置的透視圖；
圖22Α和22Β是圖21的應(yīng)變式傳感器裝置的一部分的頂部平面圖；
圖23是包括圖21的應(yīng)變式傳感器裝置的針尖掃描器的一部分的透視圖并圖示了被用來在各種應(yīng)變計(jì)與讀出電子部件之間提供電連接的彈性電纜設(shè)備；以及
圖M示意性地圖示了可用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的前饋-反饋控制環(huán)路的部件。
具體實(shí)施方式
如以上“
發(fā)明內(nèi)容
”部分所討論的，本發(fā)明涉及快速反應(yīng)型掃描探針顯微鏡(SPM) (比如原子力顯微鏡(AFM)等)并涉及其操作方法。優(yōu)選的SPM具有在以較高速度掃描較大樣品的同時(shí)還能獲得高質(zhì)量圖像的能力。
現(xiàn)在將對實(shí)現(xiàn)了這些以及許多其它的目標(biāo)的、AFM形式的SPM的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，理解的是，可以提供落在本發(fā)明范圍的AFM和其它SPM。
1.系統(tǒng)概述
相比于現(xiàn)有技術(shù)的AFM，這里圖示和描述的優(yōu)選AFM包含多個(gè)改進(jìn)的部件，即
·能夠以達(dá)到IOOkHz的帶寬進(jìn)行操作的力控制環(huán)路(第2部分)；
·具有高的基本共振頻率且具有便于探針瞄準(zhǔn)和跟蹤的集成光學(xué)系統(tǒng)的針尖掃描器(見下面的第3部分)。[0054]·支持對較大樣品進(jìn)行高速掃描的AFM系統(tǒng)架構(gòu)(見下面的第4部分)；
·高帶寬探針(見下面的第5部分)；
監(jiān)測針尖掃描器的致動(dòng)器的操作以允許對掃描器的所有致動(dòng)器的精確反饋控制的小型應(yīng)變式傳感器(見下面的第6部分)；以及
采用前饋反饋控制以獲得無正弦失真或者無需對正弦失真進(jìn)行校正的線性圖像的掃描控制器(見下面的第7部分)。
如之前所提到的，現(xiàn)有的SPM受到參數(shù)的限制，這些參數(shù)包括它們的xy和ζ范圍、 它們的力控制帶寬和回轉(zhuǎn)速率以及xy掃描速度?，F(xiàn)在將描述相比于現(xiàn)有的AFM，本發(fā)明的創(chuàng)新是如何實(shí)現(xiàn)突破性的性能的。將首先參照簡化概念圖來描述關(guān)鍵部件，然后轉(zhuǎn)到對關(guān)鍵部件的更詳細(xì)的描述。
參照圖2，使用高共振掃描器224、相對于樣品112對高帶寬AFM探針215進(jìn)行掃描。高帶寬探針215通常包括懸臂216以及安裝在懸臂216的自由端部上的針尖218?？商孢x地，高帶寬探針215可以包括用于支撐針尖的膜或者允許探針的一部分彎曲或伸縮以允許針尖218的運(yùn)動(dòng)的任意復(fù)雜的幾何形狀。高帶寬探針215的懸臂216(或者其它針尖支撐部件)具有優(yōu)選地大于IOkHz和更優(yōu)選地大于50kHz的響應(yīng)帶寬。高帶寬掃描器2 移動(dòng)探針215以在針尖218與樣品112之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。在這種方案中，由于掃描器2M 的動(dòng)態(tài)特性不受樣品尺寸和重量的影響，所以系統(tǒng)能夠?qū)ι踔凛^大和/或較重的樣品進(jìn)行掃描。掃描器2M具有優(yōu)選地大于5kHz且更優(yōu)選地大于IOkHz的加載的基本共振頻率，并可以被用來以大于30行/秒、更優(yōu)選地大于100行/秒和最優(yōu)選地大于1000行/秒的掃描速率來產(chǎn)生掃描運(yùn)動(dòng)。掃描控制器82生成控制信號(hào)以允許針尖掃描器2M的高速運(yùn)動(dòng)。在示例出的實(shí)施例中，掃描器2M對探針215進(jìn)行掃描，但通過物理掃描樣品而非探針，或者通過物理掃描樣品和探針，也能夠獲得本說明書中所描述的快速掃描優(yōu)點(diǎn)中的許多優(yōu)點(diǎn)。
可以振動(dòng)探針針尖218以用于TappingMode 、非接觸模式、扭轉(zhuǎn)共振模式 (TR-Mode )、扭轉(zhuǎn)諧振模式、(Harmonix )和/或其它的振動(dòng)針尖模式。在此情況下，通常以或者以接近于懸臂216(或另一針尖支撐部件，比如膜)的共振來振動(dòng)針尖。這種懸臂或膜或類似的針尖支撐部件具有優(yōu)選地大于800kHz、更優(yōu)選地大于IMHz和更加優(yōu)選地大于 5MHz的共振頻率?？商孢x地，可以按接觸模式操作探針針尖218。
探針針尖218與樣品112的表面的相互作用導(dǎo)致探針針尖218的運(yùn)動(dòng)上的改變。 可以通過多種技術(shù)(包括公知的光杠桿技術(shù))，通過光學(xué)干涉儀、多普勒測振儀，或者通過電容式、壓電式或壓阻式探測來探測該運(yùn)動(dòng)。也可采用產(chǎn)生表示探針的運(yùn)動(dòng)和/或位置的信號(hào)的其它技術(shù)。在光學(xué)探測技術(shù)的情況下，光束穿過掃描透鏡264和266并隨后被懸臂反映或在懸臂處散射開并且被探測器230接收到。掃描器2M可移動(dòng)掃描透鏡264和沈6， 以使得它們的運(yùn)動(dòng)與針尖的運(yùn)動(dòng)同步。以此方式，透鏡所產(chǎn)生的聚焦點(diǎn)跟蹤移動(dòng)的懸臂。探測器230具有足以探測探針針尖218的運(yùn)動(dòng)的帶寬。通常，這意味著，探測器具有大于探針針尖218的振動(dòng)頻率的帶寬，和/或具有高于在樣品上對針尖進(jìn)行掃描時(shí)作為針尖-樣品的相互作用的結(jié)果而探測到的運(yùn)動(dòng)的頻率的帶寬。
高帶寬/高回轉(zhuǎn)速率的力控制器408被用來使針尖-表面的相互作用最小化或者對針尖-表面的相互作用進(jìn)行控制。在這些高掃描速度的過程中，常常采用力控制器使針尖和樣品的損傷最小化。力控制器還可被用來使AFM維持在特定的相互作用級(jí)別和/或特定的針尖-樣品的距離。力控制器408向用于對相對的針尖-樣品的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)的高帶寬/高回轉(zhuǎn)速率致動(dòng)器2 發(fā)送控制信號(hào)。力控制器408具有優(yōu)選大于10kHz、更優(yōu)選地大于50kHz、最優(yōu)選地大于IOOkHz的閉環(huán)力控制帶寬。此外，力控制器408連同ζ-致動(dòng)器226 具有優(yōu)選地大于lmm/sec、更優(yōu)選地大于4mm/sec和最優(yōu)選地大于7mm/sec的回轉(zhuǎn)速率。
表1中概括了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的優(yōu)選性能特性
表1.關(guān)鍵的品質(zhì)參數(shù)
優(yōu)選的性能更優(yōu)選的性能最優(yōu)選的性能XY掃描范圍> 4um> IOum> 20umXY掃描器基本共振> 5kHz> 7kHz> IOkHzXY掃描速率> 30行/秒> 100行/秒> 1000行/秒力控制帶寬> IOkHz> 50kHz> IOOkHz力控制回轉(zhuǎn)速率lmm/sec4mm/sec7mm/secAFM探針帶寬> IOkHz> 20kHz> 50kHz懸臂共振頻率> 800kHz> IMHz> 5MHz
就掌握的來看，沒有任何現(xiàn)有技術(shù)的SPM獲得包括即使是第一列即“優(yōu)選的性能” 列的性能特性組合。然而，發(fā)明人使用本說明書中所描述的技術(shù)已獲得了超過“更優(yōu)選的性能”列的性能特性組合。此外，發(fā)明人已設(shè)計(jì)出并成功測試了達(dá)到“最優(yōu)選的性能”列的性能的子系統(tǒng)。相信本文中所提供的信息已然實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造獲得“最優(yōu)選的性能”列中所列出的特性的系統(tǒng)。性能特性的這些組合實(shí)現(xiàn)了掃描速度、掃描范圍、圖像質(zhì)量和力控制的前所未有的組合。下面將對各種子系統(tǒng)另外的突破性的性能進(jìn)行描述。
發(fā)明人已經(jīng)使用本文中所描述的AFM獲得了具有特別好的結(jié)果的各種樣品的高質(zhì)量AFM圖像。圖!3B-3G示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例上得到的一些代表性的圖像。圖3A 和圖:3B示出了對使用傳統(tǒng)AFM(圖3A)和使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的高速AFM(圖3B)所得到的共聚物樣品的輕敲模式相圖(使用例如美國專利No. RE36488中所描述的技術(shù)采集的) 的比較。兩個(gè)圖像都是在以79行/秒進(jìn)行掃描時(shí)獲得的。傳統(tǒng)AFM通常以低于每秒若干行的速率來測量這些樣品。從圖3A注意到，當(dāng)以高速使用傳統(tǒng)AFM時(shí)，來自其的圖像呈現(xiàn)出許多力控制差的偽影(白點(diǎn)和條紋，(用“PQ”標(biāo)注出了一個(gè)例子))以及分辨率和對比度的損失。對比之下圖3G的高速AFM圖像呈現(xiàn)出非常清楚的高分辨率圖像。
圖3C和3E分別示出了 C6tlH122的有機(jī)單分子層、鈦薄膜以及多晶硅膜的示例性的高速圖像。這些圖像中的每個(gè)圖像都是從按大于30行/秒的速度的掃描獲得的。這些樣品被選擇來測試對樣品(在柔性有機(jī)單分子層的情況下)和針尖(在鈦和多晶硅膜的情況下)的損傷。在延長的時(shí)間段內(nèi)、用本發(fā)明的AFM的優(yōu)選實(shí)施例，所有的樣品均可以被成像而對針尖和/或樣品沒有明顯的損傷。
圖3F和圖3G示出了 Celgard 聚合物膜的圖像。圖3F示出了用4000X4000
的像素分辨率按60行/秒成像的4um的區(qū)域。以約1行/秒的傳統(tǒng)掃描速度，采集此圖像將會(huì)需要1小時(shí)以上。以60行/秒，采集3F中的圖像只需要1分鐘以上。圖3G示出了按 488行/秒采集的Celgard樣品的圖像。
以下部分將對實(shí)現(xiàn)上述性能所需要的關(guān)鍵改進(jìn)中的一些進(jìn)行概述。
2.力控制
懸臂探針、力控制器和ζ致動(dòng)器一起形成力控制環(huán)路的一部分。(力控制環(huán)路還可以包含連接這些主要部件的光學(xué)的、光電的、模擬的和/或電子的多種變型。)如之前所提到的，AFM或其它SPM的掃描速度的實(shí)際限制是如下所述的最大速度的結(jié)果SPM能夠在被以該速度掃描的同時(shí)維持足夠低而使得對針尖和/或樣品的損傷最小或者無損傷的針壓。 使用力控制環(huán)路來調(diào)節(jié)AFM探針的相對位置，以跟蹤樣品表面的變化并試圖將針尖-樣品的相互作用力維持在可接受的損傷閾值以下。力控制環(huán)路的性能部分由三個(gè)關(guān)鍵的品質(zhì)參數(shù)決定力控制帶寬、回轉(zhuǎn)速率以及范圍。
將首先討論力控制帶寬。在具有直流(DC)響應(yīng)和高頻截止的系統(tǒng)的情況下，力控制帶寬可以被表示成與DC響應(yīng)相比小振幅輸入信號(hào)衰減3dB時(shí)的頻率。隨著AFM針尖在樣品表面上進(jìn)行掃描，樣品表面的空間變化變成所測量的懸臂響應(yīng)中的時(shí)間變化。例如，考慮AFM探針在周期為IOOnm的正弦表面上進(jìn)行掃描的情況。如果在IOum的掃描范圍上以每秒100行的速率對此樣品進(jìn)行掃描，則AFM探針?biāo)綔y到的結(jié)果信號(hào)會(huì)具有由下式給出的頻率fs
fs = 2 (100 行 / 秒)X (IOum/IOOnm) = 20kHz
(此示例性的實(shí)例中的因數(shù)2來自在兩個(gè)方向(所謂的“跟蹤和回掃”(“trace and retrace"))上對樣品進(jìn)行掃描的通常的(而不是必需的)做法。)
如果力控制反饋環(huán)路為20kHz，則正弦特征的振幅在力控制器輸出端處將會(huì)減小 3dB。使用本說明書中所描述的部件，本發(fā)明人開發(fā)出了具有針對接觸模式AFM超過IOOkHz 和針對輕敲模式或其它振動(dòng)針尖成像模式超過15kHz的帶寬的力控制環(huán)路。然而，注意，通過記錄“誤差信號(hào)”(即代表懸臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)與力控制器的設(shè)定值之間的差別的信號(hào))，仍可以按高于力控制器的帶寬的頻率得到樣品特征的信息。在一優(yōu)選實(shí)施例中，使用誤差信號(hào)和ζ-致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)這兩者來重新構(gòu)造對樣品形貌的精確測量。
如之前所提到的，SPM性能的一個(gè)限制是如下所述的速度能夠以該速度在樣品上掃描針尖而不對針尖和/或樣品引起無法接受的損傷。如果樣品形貌的變化比力反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的更快，則在掃描過程中可能發(fā)生對針尖和/或樣品的損傷。在此情況下，力誤差將會(huì)累積。當(dāng)力誤差引起的應(yīng)力大于針尖和/或樣品所能夠承受的時(shí)，可能發(fā)生損傷。使用彈性常數(shù)足夠低的懸臂以使得未補(bǔ)償?shù)牧Φ淖兓?，能夠減輕此問題。雖然屈服應(yīng)力對于不同的針尖和樣品材料是不同的，但仍期望創(chuàng)建力控制帶寬盡可能高的系統(tǒng)。
下一個(gè)品質(zhì)參數(shù)是力控制回轉(zhuǎn)速率或者簡稱為“回轉(zhuǎn)速率”。力控制環(huán)路的回轉(zhuǎn)速率是控制環(huán)路能夠驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器移動(dòng)針尖攀爬陡峭邊緣的速率，并以用語“距離/單位時(shí)間” 來描述。與攀爬這種邊緣關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)可以參照圖4A理解，圖4A示出了具有公共最大高度hmx的第一和豎直的第二側(cè)壁902和904的任意橫截面形狀的樣品特征900。沿著這些側(cè)壁的任何點(diǎn)將具有0(假定該特征的底部在高度為0的參考平面內(nèi))與hMax之間的某個(gè)高度hACT。沒有完美成像該特征的SPM將生成用圖4A中虛線902’和904’表示的圖像，在該圖像中所確定的高度hDET中至少有一些將偏離對應(yīng)的實(shí)際高度hACT。任意給定點(diǎn)的所得誤差的大小是差hACT-hDET。最大的這種誤差(通常出現(xiàn)在第一壁902的前緣以及第二壁904 的后緣)是在圖4B的曲線906中的點(diǎn)908和910處所見的峰值誤差，為％ 。對系統(tǒng)而言所期望的系統(tǒng)回轉(zhuǎn)速率是這種回轉(zhuǎn)速率在將誤差維持在可接受的限度之內(nèi)的同時(shí)避免損傷針尖和/或樣品。
在實(shí)踐中，具體系統(tǒng)所需的回轉(zhuǎn)速率由xy掃描速度和針尖的角度給出。更具體地，ζ方向上的所需回轉(zhuǎn)速率Vz由下等式給出
權(quán)利要求
1.一種用于操作掃描探針顯微鏡SPM的方法，包括使壓電致動(dòng)器組件活動(dòng)以移動(dòng)所述SPM的探針，使所述探針在xy平面中按照至少為 4 μ m的掃描范圍、按至少30行/秒的速率掃描過樣品，并在壓電ζ致動(dòng)器的控制下在ζ方向上移動(dòng)所述探針；使用感測光束和探測器來測量所述探針的運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)至少一個(gè)透鏡，以使得所述感測光束至少大體上跟隨所述探針的掃描運(yùn)動(dòng)； 用至少lmm/sec的力控制回轉(zhuǎn)速率來控制探針-樣品的相互作用；以及對從所述測量所得到的測量結(jié)果和信息中的至少一種，進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸和顯示中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述力控制回轉(zhuǎn)速率至少為4mm/sec。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述力控制回轉(zhuǎn)速率至少為7mm/sec。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，以至少100行/秒的速率執(zhí)行所述掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其中，以至少1000行/秒的速率執(zhí)行所述掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述掃描包括按照至少為10μ m的掃描范圍來掃描。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其中，所述掃描包括按照至少為20μ m的掃描范圍來掃描。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，用至少IOkHz的力控制帶寬來執(zhí)行所述掃描。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，移動(dòng)所述SPM的探針還使得所述樣品以與所述探針的移動(dòng)成嵌套控制關(guān)系的方式在所述xy平面內(nèi)移動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，控制所述探針-樣品的相互作用還包括以與所述探針的移動(dòng)成嵌套控制關(guān)系的方式在所述ζ方向上移動(dòng)所述樣品。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，還包括振動(dòng)所述探針。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其中，控制所述探針-樣品的相互作用包括維持所述探針的振動(dòng)振幅恒定。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其中，控制所述探針-樣品的相互作用包括維持所述探針的振動(dòng)相位恒定。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述樣品是圖案化的晶片、生物學(xué)樣品、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置部件、聚合物以及薄膜中的一種。
15.一種用于操作掃描探針顯微鏡SPM的方法，包括使壓電致動(dòng)器組件活動(dòng)，以使所述SPM的探針移動(dòng)而經(jīng)過樣品，以使所述探針相對于所述樣品按照至少4 μ m的掃描范圍、按至少30行/秒的速率來掃描，并在壓電ζ致動(dòng)器的控制下在ζ方向上移動(dòng)所述探針；使用感測光束和探測器來測量所述探針的運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)至少一個(gè)透鏡，以使得所述感測光束至少大體上跟隨所述探針的掃描運(yùn)動(dòng)； 用至少IOkHz的力控制帶寬來控制探針-樣品的相互作用；以及對從所述測量所得到的測量結(jié)果和信息中的至少一種，進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸和顯示中的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中，用至少20kHz的力控制帶寬來執(zhí)行所述掃描。
17.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中，用至少50kHz的力控制帶寬來執(zhí)行所述掃描。
18.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，還包括用至少lmm/sec的力控制回轉(zhuǎn)速率來控制所述探針-樣品的相互作用。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中，所述力控制回轉(zhuǎn)速率至少為4mm/sec。
20.一種掃描探針顯微鏡SPM，包括掃描器，該掃描器包括壓電致動(dòng)器組件，所述壓電致動(dòng)器組件使所述SPM的探針移動(dòng)而經(jīng)過樣品，以使所述探針按照至少4微米的掃描范圍、按至少30行/秒的速率來掃描；感測光束和探測器，用于測量所述探針的運(yùn)動(dòng)；被置于所述感測光束與所述樣品之間的至少一個(gè)透鏡，該透鏡是能夠移動(dòng)的，使得所述感測光束跟隨所述探針的掃描運(yùn)動(dòng)；以及控制器，該控制器用至少為lmm/sec的力控制回轉(zhuǎn)速率來控制探針-樣品的相互作用。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的SPM，還包括用于對從所述測量所得到的測量結(jié)果和信息中的至少一個(gè)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸以及顯示中的至少一種的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的SPM，其中，所述探針具有大于30kHz的力探測帶寬，并且在以振動(dòng)模式被啟動(dòng)時(shí)向所述樣品施加小于IOnN的力。
23.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的SPM，其中，所述探針具有大于IOOkHz的力探測帶寬，并且在以振動(dòng)模式被啟動(dòng)時(shí)向所述樣品施加小于5nN的力。
24.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的SPM，其中，所述探針具有約為IOys的階躍響應(yīng)時(shí)間。
專利摘要
提供了一種能夠在力控制反饋下對任意特性的較大樣品進(jìn)行迅速掃描以獲得高分辨率圖像的方法和裝置。該方法包括在掃描探針顯微鏡(SPM)的探針(215)與樣品(112)之間產(chǎn)生相對掃描移動(dòng)，以至少30行/秒的速率將探針掃描通過至少4微米的掃描范圍；以及用至少1mm/sec的力控制回轉(zhuǎn)速率來控制探針-樣品的相互作用。能夠獲得這些結(jié)果的優(yōu)選SPM具有至少具有閉環(huán)帶寬的力控制帶寬的力控制器，所述閉環(huán)帶寬至少為10kHz。
文檔編號(hào)G01Q20/02GKCN101960287 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200880110612
公開日2012年7月18日 申請日期2008年8月4日
發(fā)明者克雷格·庫斯沃西, 克雷格·普拉特, 史建, 史蒂文·內(nèi)格爾, 恩吉·方, 杰弗里·馬卡基斯, 樊文峻, 約翰尼斯·金特, 蘇全民 申請人:布魯克納米公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5),