專利名稱:自動掃描探針成像的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
優(yōu)選實施方案涉及利用掃描探針顯微鏡(SPN)使樣品成像的方法，更具體而言， 涉及利用SPN以高圖像分辨率和掃描速率自動識別和檢驗小尺寸樣品特征如納米微刺 (nano-asperities)的力^去。
現(xiàn)有技術(shù)討論
掃描探針顯微鏡如原子力顯微鏡(AFM)通過提供測量探針與樣品之間的相對掃 描移動并同時測量樣品的一種或更多種特性來工作。典型的AFM系統(tǒng)示意性示于圖I中。 顯示了采用探針裝置12的AFM 10，探針裝置12包括具有懸臂15的探針14。掃描器24在 探針14和樣品22之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，同時測量探針-樣品相互作用。這樣，可以獲得樣品 的圖像或其他度量。掃描器24通常由一個或更多個通過在三個正交方向上(XYZ)產(chǎn)生移 動的促動器構(gòu)成。掃描器24往往是包括使樣品或探針在所有三個軸上移動的一個或更多 個驅(qū)動器的單個集成單元，例如壓電管促動器?；蛘?，掃描器24可以是多個獨立的促動器 的組合裝置。一些AFM將掃描器分成多個部件，例如使樣品移動的XY掃描器和使探針移動 的獨立的Z促動器。
在常見的配置中，經(jīng)常將探針14連接至用于以懸臂15的振動頻率或接近的頻率 驅(qū)動探針14的振動促動器或驅(qū)動器16。另一種布置測量懸臂15的偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)或其他移動。 探針14經(jīng)常是具有集成的尖端17的微制造懸臂。
通常，在SPM控制器20的控制下從AC信號源18施加電信號，以使促動器16 (或 者掃描器24)驅(qū)動探針14振蕩。探針-樣品相互作用通常通過反饋由控制器20來控制。 值得注意的是，促動器16可以連接至掃描器24和探針14，但是也可以作為自驅(qū)動懸臂/探 針的一部分與探針14的懸臂15整體成形。
經(jīng)常，當(dāng)通過檢測探針14振蕩的一種或多種特性的變化來監(jiān)測樣品特征時，使選 定的探針14振蕩并與樣品22接觸，如上文所述。在這一點上，通常采用偏轉(zhuǎn)檢測裝置25將 光束導(dǎo)至探針14的背側(cè)，然后使所述光束反射至探測器26，例如四象限光電探測器。注意， 裝置25的感測光源通常是激光，經(jīng)常為可見或紅外激光二極管。感測光束也可以通過其 他光源產(chǎn)生，所述其他光源例如為He-Ne或其他激光源、超發(fā)光二極管(superluminescent diode, SLD)、LED、光纖或可以被聚焦至小點的任何其他光源。當(dāng)光束經(jīng)過檢測器26時，合 適的信號被傳送到控制器20，后者對信號進(jìn)行處理以確定探針14振蕩的變化。一般地，控 制器20產(chǎn)生控制信號以保持尖端與樣品之間相對恒定的相互作用(或者操縱桿15的偏 轉(zhuǎn))，典型地，以保持探針14之?dāng)[動的設(shè)定點(setpoint)特征。例如，控制器20經(jīng)常用于 將擺動幅度保持在設(shè)定點值A(chǔ)s，以確保尖端與樣品之間大致恒定的力?；蛘?，可以使用設(shè)定點相位或頻率。
在控制器20中和/或單獨的控制器中或連接或獨立控制器的系統(tǒng)中還提供工作 站，該工作站接收來自控制器的收集數(shù)據(jù)并處理掃描期間獲得的數(shù)據(jù)，以執(zhí)行選點、曲線擬 合和距離測定操作。該工作站可以將所得信息存儲在存儲器中，利用它進(jìn)行其他計算，和/ 或?qū)⑵滹@示在合適的顯示器上，和/或通過有線或無線將其傳輸?shù)狡渌嬎銠C(jī)或裝置。存 儲器可以包括任何計算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，其例子包括但不限于計算機(jī)RAM、硬盤、網(wǎng)絡(luò) 存儲、閃存驅(qū)動器或CD ROM。值得注意的是，掃描器24經(jīng)常包括壓電堆或壓電管，其用于在 測量探針與樣品表面之間產(chǎn)生相對運(yùn)動。壓電堆是基于施加到設(shè)置在該堆上的電極的電壓 而在一個或更多個方向上運(yùn)動的裝置。壓電堆經(jīng)常與用于引導(dǎo)、約束和/或放大壓電堆運(yùn) 動的機(jī)械撓曲件聯(lián)合使用。另外，使用撓曲件來提高驅(qū)動器在一個或更多個軸上的剛性，如 在 2007 年 3 月 16 日提交的題為"Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的共同未決的申請No. 11/687, 304中描述的。驅(qū)動器可以連接至探針、樣品或兩者。 最典型地，驅(qū)動器組件以以下形式提供在水平或XY平面內(nèi)驅(qū)動探針或樣品的XY驅(qū)動器以 及使探針或樣品在垂直或Z方向上運(yùn)動的Z驅(qū)動器。
隨著對SPM效用的繼續(xù)開發(fā)，需要以更高的速度對不同類型樣品成像以提高樣品 測量的通過量，包括對更大的樣品區(qū)域成像。雖然AFM內(nèi)在地具有由探針尖確定的分辨率 (通常為幾個納米)，但是AFM圖像中的精細(xì)度水平取決于掃描尺寸。例如，如果掃描尺寸 為lym，則常規(guī)的512X512像素圖像具有2nm的精細(xì)度，但如果掃描尺寸分別為lOym禾口 100 ym，則每個像素為20nm和200nm。顯然，高分辨率和大掃描尺寸是以通過量為代價的。 利用相同的例子，如果lOiim圖像尺寸需要2nm的精細(xì)度，則像素密度需要為5000X5000， 而不是512X512。因為AFM使用更快的掃描來獲取圖像，則在每條掃描線上增加10倍的 數(shù)據(jù)將需要快10倍的Z反饋回路來獲得每個像素的數(shù)據(jù)。獲得圖像的掃描時間也將變長 10倍，其原因是順序獲得5000條數(shù)據(jù)線，使獲得正常圖像的時間從8分鐘/幀增加至多于 1個小時/幀。
其它因素也可限制成像速度，包括懸臂響應(yīng)時間，X、Y和Z方向上可用的掃描器帶 寬，驅(qū)動掃描器的高壓放大器的轉(zhuǎn)換速率和帶寬，懸臂的力傳感速度以及解調(diào)系統(tǒng)和掃描 力反饋系統(tǒng)。
SPM圖像通常由在樣品不同位置上所記錄測量值的陣列構(gòu)成。例如，圖像可以包含 在樣品上一系列不同XY位置范圍上測量的相對樣品高度的局部值。其他測量值可以包括 懸臂的幅度、相位和頻率響應(yīng)以及樣品的電力和磁力、摩擦和剛度等。所測量的數(shù)據(jù)對于樣 品表面的具有代表性。
除了上述速度限制之外，通常逐步獲得大區(qū)域樣品中的高分辨率成像。特別地，大 區(qū)域中的調(diào)查掃描(survey scan)經(jīng)常用于確定樣品是否包括感興趣的特征。如果識別出 特征，則AFM會允許使用者在該特征上放大數(shù)倍，直至獲得期望的分辨率或達(dá)到尖端半徑 的極限。對特征是否應(yīng)該被進(jìn)一步成像(更高的分辨率)的判斷是由熟練操作人員提供的， 放大掃描可以利用大多數(shù)AFM工具手動啟動。
納米特征檢測和測量的具體應(yīng)用是數(shù)據(jù)存儲中使用的磁盤的微刺測量。納米微刺 是硬盤介質(zhì)上高度為幾個納米且直徑為20-40nm的凹陷特征。在數(shù)據(jù)讀/寫過程中，讀/ 寫頭的磁極尖端與磁盤介質(zhì)之間的距離也在納米范圍內(nèi)。如果納米微刺的高度超過讀/寫頭的運(yùn)行高度的話，則納米微刺可以永久性損傷或“撞傷”磁盤的讀/寫頭。因此，例行地 檢查磁盤以監(jiān)測納米微刺的出現(xiàn)，優(yōu)選利用AFM檢查。
在這點上，一個問題是，考慮到要識別的缺陷的尺寸，待分析的磁盤面積相對大。 光學(xué)技術(shù)能夠在相對短的時間內(nèi)測量大的區(qū)域；然而，這類技術(shù)不能夠識別納米微刺。AFM 在這點上提供理想的解決方案。然而，代價是AFM掃描耗費(fèi)相對長的時間，掃描速度為約 1Hz，使得以10微米掃描尺寸對高數(shù)據(jù)密度位置處進(jìn)行成像變得極其耗時。
而且，相關(guān)的問題是，由于納米微刺1-2納米的高度，需要大于1埃的精度。為了 獲得這種水平的精度，必須以相對低的速率操作AFM以產(chǎn)生可用的數(shù)據(jù)。目前實踐中采用 的折中方案是對于相對大的取樣覆蓋率以512X 512線/圖像掃描10 y mX 10 y m面積，其 耗費(fèi)8. 5分鐘來完成一張圖像，并且耗費(fèi)多于一個小時來研究樣品的小部分，例如選定的 磁盤區(qū)域。然而，即便在以這種小心的慢速率成像時，每個數(shù)據(jù)點的像素尺寸是約20nm，與 納米微刺的尺寸相似。因此，不僅測量很容易錯過小的微刺，而且當(dāng)像素確實對應(yīng)于納米微 刺時，高度數(shù)據(jù)很難用單個或甚至幾個數(shù)據(jù)點來反映凹陷微刺的真實高度和形狀。
當(dāng)嘗試正確地區(qū)分和識別納米微刺的特征時，使用AFM也有困難，尤其是在考慮 系統(tǒng)噪聲時。系統(tǒng)噪聲可由大量不同的來源引起，例如驅(qū)動器、探針懸臂15、電信號噪聲等。 系統(tǒng)噪聲可導(dǎo)致納米微刺的假陽性識別、納米刺的錯誤表征。噪聲是不連貫的。因此，當(dāng)特 征較大時，它們通常易于被熟練的使用者區(qū)分。然而，隨著特征尺寸變小，這種噪聲性質(zhì)變 得更不易區(qū)分。在慢速、高分辨率掃描期間，可以利用在低速(例如約1Hz)下取平均值的 數(shù)據(jù)來補(bǔ)償噪聲。然而，該技術(shù)在更高速掃描期間不適用，這時與目的點有關(guān)的數(shù)據(jù)點數(shù)目 低得多，并且通常扭曲而不是增強(qiáng)檢測的特征，因而仍然依賴于熟練的操作人員。
然而，依賴于人的判斷存在缺點，甚至當(dāng)使用者是熟練的操作人員時也是如此。在 特征非常小且圖像噪聲相對多的情形中尤其如此。參照圖2，其示出根據(jù)一個示例性實施方 案的利用標(biāo)準(zhǔn)AFM成像技術(shù)產(chǎn)生的示意性樣品AFM圖像27。圖27示出AFM 10產(chǎn)生的輸出 (包括對納米微刺28的識別)以及多個噪聲距離29。如本領(lǐng)域中理解的，當(dāng)嘗試對納米微 刺尺度上的樣品特征28進(jìn)行識別和成像時，正常的操作人員無法將這些目的特征與噪聲 距離29區(qū)分開來。因此，利用AFM來對納米微刺進(jìn)行識別和成像并不高產(chǎn)。
隨著不斷降低讀/寫頭飛行高度的趨勢，使磁盤具有更小微刺的重要性越來越 高。因此，小尺度缺陷檢測領(lǐng)域需要以更快速率操作AFM而同時仍然能夠提供高分辨率數(shù) 據(jù)以及足夠的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
高分辨率數(shù)據(jù)是通過對納米尺度特征進(jìn)行自動放大掃描來獲得。放大掃描類似于 數(shù)碼相機(jī)中數(shù)據(jù)分辨率被實際提高的光學(xué)縮放。盡管有經(jīng)驗的操作人員通常可以確定放大 位置，但是由于噪聲和反饋環(huán)的偶然不穩(wěn)定性，因此在分析對應(yīng)于幾個像素的數(shù)據(jù)時，即便 是有經(jīng)驗的操作人員也可能誤判微刺事件。最后，在嘗試識別小尺寸特征如納米微刺時，甚 至有經(jīng)驗的AFM操作人員也不適合有效地作出區(qū)域中放大的實時決定。本發(fā)明的一個目的 是開發(fā)一種算法以通過多維數(shù)據(jù)在調(diào)查掃描中實時檢測微刺事件。在檢測到微刺事件之 后，掃描器或臺會自動移向精確位置以進(jìn)行高分辨率成像。本發(fā)明的另一目的是使整個儀 器設(shè)定以及圖案(例如納米微刺)檢測、高分辨率放大成像和報告產(chǎn)生 程自動化。[0022]通過將調(diào)查掃描目的降低至檢測而不是測量，可以以更高的速度在更大的區(qū)域內(nèi) 進(jìn)行調(diào)查掃描，同時提高了通過量和數(shù)據(jù)分辨率。
一些優(yōu)選的實施方案利用SPM自動執(zhí)行一系列測量，包括在大區(qū)域進(jìn)行調(diào)查掃 描、識別期望的特征和隨后根據(jù)特征性質(zhì)執(zhí)行高分辨率測量。
值得注意的是，人眼僅能同時觀察一幅圖像。另一方面，AFM工具通常同時產(chǎn)生6 數(shù)據(jù)通道，包括用于高度、幅度、(或者，如果使用接觸模式AFM的話則為偏轉(zhuǎn))和相位的描 記/回描數(shù)據(jù)。將這些圖像相關(guān)聯(lián)可有效地區(qū)分噪聲與真實數(shù)據(jù)。這些關(guān)聯(lián)對于操作人員 而言是不可能在實時成像期間建立的，并且遺憾的是，如果離線進(jìn)行則毫無用處，其原因是 由于漂移和滯后效應(yīng)而無法將尖端可靠地定位于特定位置處。期望有實時(即在掃描成像 進(jìn)行時)檢測特征存在情況并放大至特征位置以獲得高分辨率數(shù)據(jù)的自動工具。這種工具 將智能化地選擇放大掃描區(qū)域，以避免過大的高分辨率掃描，從而僅在檢測到預(yù)定的目的 特征的時間和位置提供高分辨率數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的一個關(guān)鍵優(yōu)點是在大面積調(diào)查掃描期間自動識別期望的特征。特征檢測 使用多維數(shù)據(jù)，包括描記/回描中的反饋響應(yīng)，以及相位和幅度數(shù)據(jù)。對多維數(shù)據(jù)的實時分 析導(dǎo)致特征的主動識別。然后使用特征的坐標(biāo)及性質(zhì)，以合適的放大掃描尺寸和速度自動 對特征進(jìn)行高分辨率測量。特征檢測在可通過壓電掃描器獲得的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，并通過機(jī)動 臺的偏移來進(jìn)行。自動過程還包括通過使用基于反演的迭代前饋算法(inversion-based iterative feed forward algorithm)設(shè)定掃描器控制，以及設(shè)定用于懸臂反饋控制的成 像參數(shù)，并且自動接合和分離AFM尖端。
根據(jù)優(yōu)選實施方案的一個方面，描述了一種用于對一個或更多個樣品特征進(jìn)行識 別和提供更高分辨率的基于探針的儀器。所述儀器包括掃描探針顯微鏡(SPM)，所述SPM 包括探針，所述探針具有帶尖端的懸臂；配置為識別所述樣品的子部的特征識別引擎，所述 子部包括利用至少兩個識別參數(shù)基于所述樣品表面數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測的特征；和特征掃描控制 器，所述特征掃描控制器配置為向所述SPM提供控制信號，以在所述SPM的探針與所述樣品 的所述子部相互作用時以第二分辨率掃描所述樣品的所述子部，所述第二分辨率大于所述 第一分辨率。
根據(jù)優(yōu)選實施方案的另一方面，操作掃描探針顯微鏡(SPM)的方法包括當(dāng)所述 SPM的探針與樣品相互作用時以第一分辨率掃描所述樣品，以及響應(yīng)于所述掃描步驟收集 樣品表面數(shù)據(jù)。然后所述方法利用至少兩個識別參數(shù)由所述樣品表面數(shù)據(jù)識別所述樣品的 特征，并且基于所述識別步驟以第二分辨率自動執(zhí)行對所述特征的放大掃描，所述第二分 辨率大于所述第一分辨率。
在優(yōu)選實施方案的另一方面中，所述識別步驟包括確認(rèn)所述特征的真實性，并且 所述確認(rèn)步驟包括利用一個或更多個確認(rèn)測試來分析所述樣品表面數(shù)據(jù)的描記和回描數(shù) 據(jù)集。
根據(jù)優(yōu)選實施方案的另一方面，所述確認(rèn)步驟包括以下至少一個分析所述樣品 表面數(shù)據(jù)的描記和回描數(shù)據(jù)集、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元分析確認(rèn)真實性以及利用圖案識別分 析將已知圖案與所述特征進(jìn)行比較。
根據(jù)優(yōu)選實施方案的另一示例性實施方案，描述操作掃描探針顯微鏡(SPM)以對 一個或更多個樣品特征進(jìn)行識別并提供更高分辨率的方法。所述方法包括以至少5Hz的頻率對樣品進(jìn)行調(diào)查掃描，從而基于所述SPM的探針與所述樣品之間的相互作用以第一分 辨率產(chǎn)生樣品表面數(shù)據(jù)；識別所述樣品的包含高度大于約1納米之特征的子部；利用至少 兩個確認(rèn)測試確認(rèn)所述子部以將所述特征與噪聲識別開，所述確認(rèn)測試包括反饋逆相關(guān)測 試、圖案匹配測試和反對稱測試中的至少一種；以及當(dāng)所述SPM的探針與所述樣品的所述 子部相互作用時以第二分辨率對所述樣品的經(jīng)確認(rèn)子部進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，所述第二分辨率大 于所述第一分辨率。
優(yōu)選實施方案的一個方面還包括其中所述確認(rèn)步驟包括分析所述樣品表面數(shù)據(jù) 的描記和回描數(shù)據(jù)集以消除其中特征沒有空間再現(xiàn)性的子部。另一方面包括識別描記及回 描數(shù)據(jù)集中的滯后效應(yīng)，以根據(jù)所識別滯后效應(yīng)所得范圍來確定空間再現(xiàn)性。另一方面包 括對應(yīng)于以下的至少一種信號特征高度、探針幅度、探針相位、探針諧波響應(yīng)、探針偏轉(zhuǎn)， 以及探針尖端延伸部(probe tip expand)與所述樣品之間的摩擦、電響應(yīng)和磁響應(yīng)。
根據(jù)優(yōu)選實施方案的另一方面，所述確認(rèn)步驟是是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元分析進(jìn)行 的，或者包括利用圖案識別分析將已知圖案與所述特征進(jìn)行比較。本發(fā)明的另一方面包括 在以所述第二分辨率進(jìn)行掃描之前基于所檢測特征的一個或更多個特性改變所述SPM操 作的一個或更多個參數(shù)。
從以下詳細(xì)說明和附圖中，本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員 而言將是很明顯的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，盡管指示了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但詳細(xì)說明和具 體實施例是以舉例說明的方式給出的，而不是限制?？梢栽诒景l(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行許多變化 和修改，而不脫離其精神，并且本發(fā)明包括所有這些修改方案。


在附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方案，其中在整個附圖中類似的附圖標(biāo)記 代表類似的部件，其中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)AFM的示意圖，已正確標(biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”；
圖2是利用標(biāo)準(zhǔn)AFM成像技術(shù)產(chǎn)生的樣品AFM輸出圖，已正確標(biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”;
圖3是示出優(yōu)選實施方案的一種方法的流程圖；
圖4是示出根據(jù)圖2方法的一種特征檢測方法的流程圖；
圖5A-5D是顯示示出空間相關(guān)性測試的描記/回描數(shù)據(jù)分析的一系列示例性示意 圖；
圖6是示出在描記/回描操作中出現(xiàn)的空間相關(guān)性的圖；
圖7A-7D是顯示示出反向?qū)ΨQ測試的描記/回描數(shù)據(jù)分析的一系列圖；
圖8是根據(jù)優(yōu)選實施方案獲得的調(diào)查和數(shù)據(jù)掃描圖像的示意圖；
圖9是與圖8類似的顯示多維數(shù)據(jù)相關(guān)性的調(diào)查和數(shù)據(jù)掃描圖像的示意圖；
圖10是示出放大掃描的一系列AFM圖像；和
圖11是示出本發(fā)明一個替代方案的流程圖。
具體實施方式
首先參照圖3，優(yōu)選實施方案的自動成像過程30包括以下步驟。根據(jù)一個示例性 實施方案，過程30可以利用軟件、硬件或固件實現(xiàn)并且配置為實施本文所述方法的特征識
9別引擎來實施。根據(jù)該示例性實施方案，特征識別引擎可以作為AFM控制器/計算機(jī)20中 的軟件過程來實施，并且將使用多維數(shù)據(jù)，包括例如實時成像期間的幅度、相位、偏移、描記 和回描數(shù)據(jù)等，以識別目的特征并區(qū)分所識別目的特征和其它數(shù)據(jù)如噪聲。
在框32中的啟動和初始化步驟之后，成像操作的狀態(tài)包括在框34中使系統(tǒng)自動 設(shè)定懸臂探針操作參數(shù)。AFM系統(tǒng)設(shè)置包括使探針與樣品配對以使其與樣品相互作用，然 后基于對幅度、噪聲和反饋響應(yīng)噪聲水平的分析來優(yōu)化反饋增益控制，以獲得必要的反饋 帶寬。增益控制也可以在探針與樣品相互作用時通過基于模塊的控制器(得自系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 功能)來實現(xiàn)。隨著AFM被正確地設(shè)置，方法30在框36中開始對大區(qū)域進(jìn)行高速掃描，即 調(diào)查掃描。在該框中，使用本受讓人(Veeco Instruments, Inc.)的未決美國專利申請(美 國 No. 11/800，679，發(fā)明名稱為“Closed LoopController and Method for Fast Scanning Probe Microscopy")中描述的基于反演的迭代前饋控制器來優(yōu)化掃描器驅(qū)動，以避免掃描 器的機(jī)械不穩(wěn)定性，例如由系統(tǒng)共振引起的機(jī)械不穩(wěn)定性。
在框38中，隨著調(diào)查掃描的進(jìn)行，分析每對描記/回描數(shù)據(jù)集以進(jìn)行特征檢測?？?以將每對描記/回描數(shù)據(jù)集與其子部如特定坐標(biāo)、一行坐標(biāo)和樣品的面積等進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如 果檢測到目的特征，則基本上實時將這些特征用其坐標(biāo)Xi和標(biāo)出，并且繼續(xù)進(jìn)行調(diào)查掃 描。一旦調(diào)查掃描完成，就在框40中控制掃描器移至第i目的特征，并且方法30在框42 中以更高的速度和分辨率對第i特征進(jìn)行更小尺寸的掃描(放大掃描)。然后在框44中記 錄并傳送相應(yīng)的特征性質(zhì)。然后，在框46中，方法30使探針和樣品之間的位置移到第i+1 特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)(放大)掃描，直至掃描完調(diào)查區(qū)域中的所有特征。
當(dāng)掃描所有的特征以產(chǎn)生放大高品質(zhì)數(shù)據(jù)(或者如果沒有目的特征，例如納米微 刺)時，在框48中通過AFM臺將探針從該位置移回并移向下一位置，并且重復(fù)方法30。如 果下一位置樣品在掃描器XY范圍內(nèi)，則不需要移回探針。新的位置掃描可以通過簡單地使 XY掃描器移至經(jīng)已編程的位置移至新的位置坐標(biāo)或者通過其他類型的控制(如用戶控制) 來進(jìn)行。
特征檢測根據(jù)圖4中顯示的方法50的以下步驟進(jìn)行。在框52中，方法50通過分 析用于納米微刺檢測的圖案特征高度、相位和/或幅度來確定是否在特定位置檢測到陽性 事件。這種事件檢測可以針對上述數(shù)據(jù)的任何變化，例如lnm閾值，由此指示高度大于lnm 的特征的存在。隨著AFM操作的實時成像，依次對每個像素進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。
方法50的框54-58涉及進(jìn)一步確認(rèn)特征的特性，以避免假事件陽性特征ID。雖然 框54-58描述了多個特征識別參數(shù)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，特征識別可包括使用 這些參數(shù)中的一個或更多個。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，可以使用至少兩個識別參數(shù)來進(jìn)行 特征識別。特征識別可以包括執(zhí)行一個或更多個確認(rèn)測試，其中遵循對掃描線內(nèi)的樣品進(jìn) 行的初始特征識別來確定特征的存在和/或特性。
在框54中，檢測尺寸標(biāo)準(zhǔn)。使用特征的橫向和垂直尺寸的現(xiàn)有知識來選擇通過事 件檢測的具有期望橫向尺寸的特征。注意，高速掃描可因反饋響應(yīng)的延遲和懸臂動力學(xué)而 使收集的數(shù)據(jù)在掃描方向上具有延長的尺寸?？筛鶕?jù)反饋特性將這一因素考慮在內(nèi)。特征 尺寸的知識也可以是預(yù)定圖案，或者通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的主元。在框56中，分析空間相關(guān) 性。與噪聲不同，物理特征應(yīng)該總是出現(xiàn)在相同的幾何位置，并且具有相似的形狀。因此， 描記和回描的掃描線應(yīng)該在基本上相同的幾何位置處遇到相同的特征。另一方面，噪聲和擾動在隨機(jī)的時序出現(xiàn)，即現(xiàn)象幾乎不會在描記和回描線的相同幾何位置處相關(guān)。
接下來，在框58中，進(jìn)行反饋逆相關(guān)。該特性將其遇到地形壁壘時的反饋響應(yīng)對 稱性考慮在內(nèi)。反饋通常在其擊中壁壘時敏銳地產(chǎn)生響應(yīng)，但是當(dāng)其穿過壁壘時表現(xiàn)出降 落傘效應(yīng)(對于該現(xiàn)象的解釋，參見未決申請美國No. 11/800, 679，發(fā)明名稱為“Closed Loop Controller and Method forFast Scanning Probe”)。該特性關(guān)于描記和回描掃描 線的特征位置對稱。描記和回描線的局部數(shù)據(jù)子集被水平翻轉(zhuǎn)并縮放到相同的幅度。將相 關(guān)性縮放因子認(rèn)為是特征的另一個特性。當(dāng)事件通過所有這些測試時，它通常被確定為陽 性特征ID。它的坐標(biāo)被用作放大掃描，這提供一種區(qū)分例如噪聲和真實特征的手段。
參照圖5A-5D，其示出了空間相關(guān)性操作。首先參照圖5A，其示出用于單個成像線 的描記定時圖400。圖400顯示，對于單個成像線，將對同一表面進(jìn)行多次描記以獲得多組 數(shù)據(jù)。第一描記在第一次經(jīng)過樣品上方時收集初始數(shù)據(jù)。第二描記402在相反的描記方向 上通過同一區(qū)域。第一描記401和再描記402可以在描記方向上、一次或另一次描記期間 的噪聲等方面具有差別。在完成描記402之后，可以進(jìn)行第二次描記403以提供額外的數(shù) 據(jù)集。
現(xiàn)在參照圖5B，第一實心方塊410示出由描記401和403產(chǎn)生的描記數(shù)據(jù)，該描 記數(shù)據(jù)包括在成像期間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)事件412、422、414和424。事件412-424均滿足事件檢 測標(biāo)準(zhǔn)。然而，現(xiàn)在參照圖5C，當(dāng)在同一空間繪制描記和回描數(shù)據(jù)時，412和422未顯示在 基本相同的位置處。因此，412和422不能作為潛在的目的特征，即納米微刺。現(xiàn)在參照圖 5D，另外兩個事件414和424出現(xiàn)在這對描記-回描線的相同幾何位置處，因此通過了特征 ID測試。在這點上，通常進(jìn)行進(jìn)一步測試。
參照圖6，其示出在描記/回描操作中出現(xiàn)的空間相關(guān)性的圖。圖430和440代表 作為探針在向前和向后的方向上掃描(即描記-回描操作)樣品線時的探針位置函數(shù)而繪 制的數(shù)據(jù)集。描記圖430和回描圖440顯示了具有基本上同一線性空間位置的AFM掃描。 如圖430和440可見，噪聲例子432依時序隨機(jī)出現(xiàn)，因此可能出現(xiàn)在圖430和440中的任 意位置。相反，特征434恒定地出現(xiàn)在具有相同高度的相同位置處。因此，這種相關(guān)性被定 義為數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性。盡管特征434通常出現(xiàn)在相同的空間位置處，但是特征位置的變 化可因描記和回描掃描中的滯后現(xiàn)象而稍微偏移，但仍然保持在基本上相同的位置處。
描記圖430進(jìn)一步示出在遇到特征434時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集。特征434在遇到特征時 引起初始峰436，然后在探針經(jīng)過特征434之后由于遇到下落邊緣而控制系統(tǒng)嘗試使探針 尖端盡可能快地再次接觸樣品時探針的降落傘效應(yīng)而引起的凹陷438?；孛鑸D440顯示，峰 436和凹陷438在回描期間為逆序排列，在描記操作之后特征的下降邊緣變成上升邊緣。
接下來，在圖7A-7D中，分析了在描記/回描操作期間出現(xiàn)的反向?qū)ΨQ的圖。首先 參照圖7A，第一實心方塊510示出通過描記產(chǎn)生的描記數(shù)據(jù)，該描記數(shù)據(jù)包括在成像期間 出現(xiàn)的數(shù)據(jù)事件512、522、514和524。事件512-524都滿足事件檢測標(biāo)準(zhǔn)。此外，如圖可 見，事件512和514也滿足上述參照圖5的空間相關(guān)性測試。反向?qū)ΨQ是當(dāng)反饋環(huán)不完全 響應(yīng)于特征時高速和大尺寸掃描的反饋特性的反映，有時也被稱為“降落傘效應(yīng)”。參照圖 7B，其示出不引起降落傘效應(yīng)的事件。然而，現(xiàn)在參照圖7C，事件514和524表現(xiàn)出降落傘 效應(yīng)。當(dāng)探針尖端遇到事件514中的特征時，急劇的幅度減小使反饋迅速響應(yīng)，其顯示為特 征514的描記線中z急劇上升。當(dāng)尖端離開特征514時，由懸臂動力學(xué)限定的幅度緩慢增加，導(dǎo)致反饋環(huán)的緩慢響應(yīng)。在回描線524中，尖端從右手側(cè)擊中特征。因此降落傘效應(yīng)出 現(xiàn)在左手側(cè)。現(xiàn)在參照圖7D，利用本發(fā)明的分析工具，可以除去局部數(shù)據(jù)，并且將描記/回 描數(shù)據(jù)集之一繞其最大值翻轉(zhuǎn)。然后將翻轉(zhuǎn)的回描段530縮放至具有與描記段相同的高 度，并計算兩段的相關(guān)性因子和縮放因子。其結(jié)果用作用于特征ID的另一篩選器，其中修 改和未修改數(shù)據(jù)越一致，則對陽性ID的指示越大。例如，相關(guān)因子為1通常將提供強(qiáng)烈的 陽線特征ID指示。另一方面，在存在噪聲的情況下，例如0. 7或0. 8的相關(guān)因子就可以滿 足條件。
接下來參照圖8，示出描記/回描掃描610的圖600代表具有大尺寸且利用高掃 描速率操作的AFM獲得的調(diào)查掃描。隨著成像的進(jìn)行，對每條數(shù)據(jù)線進(jìn)行實時分析。特征 612在多維數(shù)據(jù)集(例如高度、幅度、相位和圖案形狀)中表現(xiàn)出獨特性質(zhì)，并且被認(rèn)為在描 記-回描線610中存在數(shù)據(jù)相關(guān)性。這種相關(guān)性用于標(biāo)記對特征的識別。然后使用偏移來 將成像過程的中心重新置于更小的掃描尺寸處，從而提供具有更高的數(shù)據(jù)密度和品質(zhì)的增 強(qiáng)數(shù)據(jù)集620。
現(xiàn)在參照圖9，圖700示出大尺寸調(diào)查掃描(掃描710)，高速掃描線通常數(shù)據(jù)點不 足，并伴有高噪聲。在一個優(yōu)選實施方案中，對多維數(shù)據(jù)如高度、幅度、相位和諧波進(jìn)行如框 714中顯示的尺寸、空間和反向?qū)ΨQ測試，使得特征ID在存在噪聲和干擾的情況下具有高 檢測速率和最低的可能假ID率。在進(jìn)行掃描710并在掃描期間識別陽性特征712之后，隨 后進(jìn)行放大掃描720以獲得高分辨率數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參照圖10，放大掃描的順序由圖案識別過程來執(zhí)行。首先，利用之前提到的 包括高度、幅度、相位和諧波響應(yīng)的任一種數(shù)據(jù)類型來分析具有已知圖案區(qū)域820的大掃 描810。一旦在大掃描810內(nèi)識別到圖案820，則自動執(zhí)行放大掃描。圖案830出現(xiàn)在圖案 820內(nèi)。這種具有目的特征的最高分辨率的圖案在掃描830中進(jìn)一步放大，以獲得上述數(shù)據(jù) 類型的任一種或全部。
在一個替代實施方案中，將與測試中特定樣品相關(guān)的預(yù)知圖案(位置/參數(shù)等) 與調(diào)查掃描數(shù)據(jù)的全集或子集進(jìn)行比較。如圖11所示，方法70包括執(zhí)行圖案匹配分析(框 72)，并且當(dāng)出現(xiàn)匹配時，記錄特征ID (框74)，并且AFM在檢測區(qū)域進(jìn)行至放大掃描以獲得 高分辨率數(shù)據(jù)。因此，圖案匹配過程包括簡單的圖案關(guān)聯(lián)、主元分析和/或其他圖案識別工 具。
在一個實例中，一個優(yōu)選實施方案可按以下說明執(zhí)行
** 這些是基于受讓人使用少量樣品集合做出的臨時規(guī)格。
盡管上文公開了本發(fā)明人考慮實施本發(fā)明的最佳方式，但是本發(fā)明的實踐不限于 此?？蓪Ρ景l(fā)明特征進(jìn)行明顯的添加、修改和重新布置，而不脫離本發(fā)明基本構(gòu)思的精神和 范圍。
權(quán)利要求
一種操作掃描探針顯微鏡(SPM)(10)以識別一個或更多個樣品特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括在所述SPM(10)的探針(14)與樣品(22)相互作用時以第一分辨率(36)掃描所述樣品(22)；收集響應(yīng)于所述掃描步驟(22)的樣品表面數(shù)據(jù)；和在收集所述樣品表面數(shù)據(jù)期間，利用至少兩個識別參數(shù)(38)，基于所述樣品表面數(shù)據(jù)識別所述樣品的包括所檢測特征的子部；和自動在所述SPM(10)的探針(14)與所述樣品(22)的所述子部相互作用時以第二分辨率(42)掃描所述樣品的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
2.權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述識別步驟(38)包括確認(rèn)所述特征的真實性(50)。
3.權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括分析所述樣品表面數(shù)據(jù)的描記 和回描數(shù)據(jù)集。
4.權(quán)利要求
3所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)集包括對應(yīng)于以下的至少一種信號特征高 度、探針幅度、探針相位、探針諧波響應(yīng)、探針偏轉(zhuǎn)以及探針尖端(17)延伸部與所述樣品 (22)之間的摩擦、電響應(yīng)和磁響應(yīng)。
5.權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元分析進(jìn)行的。
6.權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括利用圖案識別分析(72)將已 知圖案與所述特征進(jìn)行比較。
7.權(quán)利要求
1所述的方法，還包括在以所述第二分辨率(42)進(jìn)行掃描之前，基于所檢 測特征的一個或更多個特性改變所述SPM(IO)操作的一個或更多個參數(shù)。
8.權(quán)利要求
1所述的方法，其中識別所述樣品(22)的子部包括識別所述樣品(22)的 包括納米微刺的子部。
9.權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述第二分辨率是基于所述檢測特征的一個或更多個 特性來確定的。
10.權(quán)利要求
1所述的方法，其中識別所述樣品(22)的子部包括執(zhí)行回描操作以消除 基于噪聲的檢測特征。
11.一種用于識別一個或更多個樣品(22)特征并提供更高分辨率的基于探針的儀器 (10)，所述儀器(10)包括掃描探針顯微鏡(SPM) (10)，所述SPM(IO)包括探針(14)，所述探針(14)具有帶有尖 端(17)的懸臂(15)；配置為識別(38)所述樣品(22)的子部的特征識別引擎(20)，所述子部包括利用至少 兩個識別參數(shù)基于所述樣品表面數(shù)據(jù)檢測的特征；和特征掃描控制器(20)，所述特征掃描控制器(20)配置為向所述SPM(IO)提供控制信號 以在所述SPM(10)的探針(14)與所述樣品(22)的所述子部相互作用時以第二分辨率掃描 (42)所述樣品(22)的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
12.權(quán)利要求
11所述的儀器(10)，其中識別(38)所述樣品(22)的子部包括確認(rèn)(50) 所述特征的真實性。
13.權(quán)利要求
12所述的儀器(10)，其中確認(rèn)(50)所述特征的真實性包括分析所述樣 品表面數(shù)據(jù)的描記和回描數(shù)據(jù)集。
14.權(quán)利要求
13所述的儀器(10)，其中所述數(shù)據(jù)集包括對應(yīng)于以下的至少一種信號 特征高度、探針幅度、探針相位、探針諧波響應(yīng)、探針偏轉(zhuǎn)以及探針尖端(17)延伸部與所述 樣品(22)之間的摩擦、電響應(yīng)和磁響應(yīng)。
15.權(quán)利要求
12所述的儀器(10)，其中確認(rèn)所述特征的真實性是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元 分析進(jìn)行的。
16.權(quán)利要求
12所述的儀器，其中確認(rèn)(50)所述特征的真實性包括利用圖案識別分析 將已知圖案與所述特征進(jìn)行比較。
17.權(quán)利要求
11所述的儀器，其中所述特征掃描控制器(20)配置為在以所述第二分辨 率進(jìn)行掃描之前基于所檢測特征的一個或更多個特性改變所述SPM(IO)操作的一個或更 多個參數(shù)。
18.一種操作掃描探針顯微鏡(SPM) (10)以識別一個或更多個樣品(22)特征并提供更 高分辨率的方法，所述方法包括基于所述SPM(IO)的懸臂探針(14)與樣品(22)之間的相互作用以第一分辨率(36) 掃描所述樣品(22)，以產(chǎn)生樣品表面數(shù)據(jù)；識別(38)所述樣品(22)的包括基于所述樣品表面數(shù)據(jù)檢測的特征的子部；基于至少兩個確認(rèn)測試確認(rèn)(50)所述子部，所述確認(rèn)測試包括反饋逆相關(guān)測試(58)、 圖案匹配測試(72)和反向?qū)ΨQ測試中的至少一種；和自動在所述SPM(IO)的探針(14)與所述樣品(22)的所述子部相互作用時以第二分辨 率(42)掃描所述樣品的經(jīng)確認(rèn)子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
19.權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述識別步驟(38)包括確認(rèn)所述特征的真實性 (50)。
20.權(quán)利要求
19所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括分析所述樣品表面數(shù)據(jù)的描 記和回描數(shù)據(jù)集。
21.權(quán)利要求
20所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)集包括對應(yīng)于以下的至少一種信號特征 高度、探針幅度、探針相位、探針諧波響應(yīng)、探針偏轉(zhuǎn)以及探針尖端延伸部與所述樣品之間 的摩擦、電響應(yīng)和磁響應(yīng)。
22.權(quán)利要求
19所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元分析進(jìn)行的。
23.權(quán)利要求
19所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括利用圖案識別分析(72)將 已知圖案與所述特征進(jìn)行比較。
24.權(quán)利要求
18所述的方法，還包括在以所述第二分辨率(42)掃描之前基于所檢測特 征的一個或更多個特性改變所述SPM(IO)操作的一個或更多個參數(shù)。
25.一種操作掃描探針顯微鏡(SPM) (10)以識別一個或更多個樣品(22)特征并提供更 高分辨率的方法，所述方法包括以至少5Hz的頻率對樣品(22)進(jìn)行調(diào)查掃描(36)，以基于所述SPM(10)的探針(14) 與所述樣品(22)之間的相互作用以第一分辨率產(chǎn)生樣品表面數(shù)據(jù)；識別(38)所述樣品(22)中包括具有高度大于約1納米的特征的子部；利用至少兩個確認(rèn)測試確認(rèn)(50)所述子部，以將所述特征從噪聲中識別出來，所述確 認(rèn)測試包括反饋逆相關(guān)測試(58)、圖案匹配測試(72)和反向?qū)ΨQ測試中的至少一種；和在所述SPM(IO)的探針(14)與所述樣品(22)的所述子部相互作用時以第二分辨率 (42)對所述樣品(22)的經(jīng)確認(rèn)子部進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
26.權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括分析所述樣品表面數(shù)據(jù)的描 記和回描數(shù)據(jù)集以消除其中所述特征不具有空間相關(guān)性的子部。
27.權(quán)利要求
26所述的方法，還包括識別所述描記和回描數(shù)據(jù)集中的滯后現(xiàn)象，從而 根據(jù)基于所述識別滯后現(xiàn)象的范圍來限定空間再現(xiàn)性。
28.權(quán)利要求
26所述的方法，所述數(shù)據(jù)集包括對應(yīng)于以下的至少一種信號特征高度、 探針幅度、探針相位、探針諧波響應(yīng)、探針偏轉(zhuǎn)以及探針尖端延伸部與所述樣品之間的摩 擦、電響應(yīng)和磁響應(yīng)。
29.權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主元分析進(jìn)行的。
30.權(quán)利要求
25所述的方法，其中所述確認(rèn)步驟(50)包括利用圖案識別分析(72)將 已知圖案與所述特征進(jìn)行比較。
31.權(quán)利要求
25所述的方法，還包括在以所述第二分辨率掃描之前基于所檢測特征的 一個或更多個特性改變所述SPM(IO)操作的一個或更多個參數(shù)。
專利摘要
一種操作掃描探針顯微鏡(SPM)(10)的方法，包括在所述SPM(10)的探針(14)與樣品(22)相互作用時掃描所述樣品(22)，以及收集響應(yīng)于所述掃描步驟(36)的樣品表面數(shù)據(jù)。所述方法從所述樣品表面數(shù)據(jù)識別(38)所述樣品(22)的特征，并且基于所述識別步驟(38)以自動執(zhí)行所述特征的放大掃描(42)。所述方法操作為快速識別和確認(rèn)目的特征如納米微刺(asperity)的位置，以有助于執(zhí)行所述特征的定向高分辨率成像。
文檔編號G01Q60/24GKCN101855534SQ200880115559
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月12日
發(fā)明者蘇全民, 謝爾蓋·別利科夫 申請人:威科儀器公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan