專利名稱：掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡領(lǐng)域以及一種掃描這種顯微鏡的方法。
背景技術(shù)：
伴隨著掃描隧道顯微鏡的發(fā)展，掃描探針顯微術(shù)領(lǐng)域開始于1981年。從那時起，發(fā)展了大范圍的探針顯微鏡，盡管它們都是基于相同的基本操作原理為了獲得樣本空間的“相互作用圖譜”，在樣本表面上機(jī)械地掃描納米探針。每種不同類型的掃描探針顯微鏡(SPM)特征在于局部探針的特性及其與樣本表面的相互作用。
一些探針技術(shù)，如掃描近場光學(xué)顯微術(shù)(SNOM)和光子掃描隧道顯微術(shù)(PSTM)，檢測由于探針與被輻射樣本的相互作用而產(chǎn)生的光子。另一些則是基于檢測探針-樣本相互作用力中的變化。后者的技術(shù)是已知的掃描力顯微術(shù)(SFM)。相互作用力可以是，例如，與許多別的物體之間的磁力、剪切力或者熱力。
原子力顯微術(shù)(AFM)是最通常使用的掃描探針顯微技術(shù)。在這一應(yīng)用中探針是懸臂末尾的尖端，該懸臂響應(yīng)于尖端和樣本之間的力而彎曲。光杠桿技術(shù)通常用于測量懸臂的彎曲度。由于懸臂在小位移時服從Hooke定律，可以推導(dǎo)出尖端和樣本之間的相互作用力。AFM通常以兩種模式之一工作。在恒力模式下，反饋使定位壓電驅(qū)動器能夠?qū)?yīng)于所檢測的相互作用力中的任何變化來向上或向下移動樣本(或尖端)。這樣，相互作用力可以保持相對穩(wěn)定，并且獲得了相當(dāng)可靠的樣本地形圖。作為替代地，AFM也可以工作在恒定高度模式下。那么，從相互作用力的變化中是無法分辨出地形變化的，因此該操作模式在高分辨率下對非常平坦的樣本成像時是最有用的。
所有掃描探針顯微技術(shù)的一個缺點是數(shù)據(jù)收集時間。通常，圖像由256條線組成，每條線由256個點(像素)組成。必須用小探針進(jìn)行的全圖像掃描是耗時的。局部探針技術(shù)越來越多地用于讀寫超出傳統(tǒng)光存儲介質(zhì)的λ/2極限之外的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)處理速度受到信息可被讀寫的速度的限制這一情況變得越來越明顯。而且，許多科學(xué)的、行業(yè)的和生理的處理出現(xiàn)時間太短暫以至無法使用目前的局部探針技術(shù)來跟蹤。因此有明顯的必要來改善掃描探針顯微術(shù)中的圖像收集時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠更快地收集樣本-探針相互作用，從而提高信息讀出或?qū)懭胨俾?，并且通過掃描探針顯微術(shù)開發(fā)更多科學(xué)的、行業(yè)的和生理的處理以進(jìn)行實時調(diào)查的系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了一種用于依照樣本和探針之間的相互作用來反映樣本的掃描探針顯微鏡，該顯微鏡包括驅(qū)動裝置，其用于提供探針和樣本表面之間的相對運(yùn)動并且能使樣本和探針非常接近從而在它們之間產(chǎn)生一個足以被檢測的相互作用；用于振蕩探針或樣本從而在表面上提供探針相對振蕩運(yùn)動的裝置；用于測量至少一個表示探針和樣本之間相互作用強(qiáng)度的參數(shù)的探針檢測裝置，以及反饋裝置，其用于通過驅(qū)動裝置的操作來調(diào)節(jié)探針-樣本間隔，以響應(yīng)于所述至少一個參數(shù)之一的平均值與一個預(yù)設(shè)值之間差別；其特征在于在操作中，該顯微鏡用于執(zhí)行樣本表面的掃描，其中掃描區(qū)域被排列的掃描線所覆蓋，通過在其諧振頻率或在接近其諧振頻率上振蕩探針或樣本來收集每條掃描線，以便由振蕩幅度確定最大的掃描線長度，并且它們的排列由驅(qū)動裝置的操作來提供。
在諧振或接近諧振處的振蕩的目的是表現(xiàn)出高穩(wěn)定的并且通常是快速的運(yùn)動。當(dāng)探針在樣本表面上振蕩或表面在探針之下振蕩時，收集每條掃描線作為連續(xù)(模擬)圖像。通過同時提供探針與樣本表面之間的相對平移，相繼連續(xù)的掃描線將收集來自表面不同部分的信息。在覆蓋表面的一個區(qū)域之后，可以收集并以適當(dāng)?shù)奈灰浦亟⊕呙杈€信息，以形成二維掃描區(qū)域的圖像。如上所述，諧振運(yùn)動表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性。因此，不管是否是探針或樣本來進(jìn)行該運(yùn)動，都會減小影響圖像收集的噪聲。在某種程度上，反饋裝置通過根據(jù)探針與樣本之間相互作用的平均強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持探針距離表面的高度。因此在振蕩時間量程內(nèi)測量參數(shù)的變化組成了“相互作用”圖譜，并被認(rèn)為是由真實表面特征而產(chǎn)生的。這提供了比可用的現(xiàn)有技術(shù)快得多的收集相互作用圖譜信息的技術(shù)。
可以使用各種方向的振蕩和探針/表面相對平移來覆蓋掃描區(qū)域。如果振蕩軸是固定的，那么線性平移可以應(yīng)用在與振蕩掃描基本正交的方向，從而定義基本是矩形的掃描區(qū)域。如果相對平移是連續(xù)的，掃描區(qū)域被單條、連續(xù)、之字形線快速地覆蓋。作為替代地，通過提供探針和樣本的相對旋轉(zhuǎn)，也可以產(chǎn)生圓形。而且，振蕩和平移可以安排成探針相對于表面畫出一個李沙育(Lissajou)圖形。
表示相互作用的參數(shù)最好是探針和樣本之間接口的電容，因此金屬探針是首選的。該項技術(shù)在半導(dǎo)體材料之內(nèi)映射電荷分布時非常有用。由本發(fā)明所改善的掃描速度使得半導(dǎo)體的內(nèi)部處理可以通過探針顯微術(shù)進(jìn)行實時調(diào)查。
作為替代地，表示相互作用的參數(shù)可以是振蕩幅度。振蕩幅度也可以是反饋裝置所依據(jù)的受監(jiān)控參數(shù)。
探針檢測裝置最好包括一個調(diào)制信號生成器，用于對探針和樣本之間的接口施加調(diào)制電壓以調(diào)制其特性從而影響其電容，一個用于在包含探針和樣本的電路中設(shè)置諧振電場的諧振器，以及一個用于測量電場諧振頻率從而使在施加調(diào)制電壓時接口電容的變化能夠被測量的檢測器。本發(fā)明實施例的優(yōu)勢在于它提供了一種特別靈敏的在掃描電容顯微鏡中測量電容的技術(shù)。
作為替代地，該顯微鏡也可以是磁力顯微鏡，其中探針與磁場相互作用，并且探針檢測裝置用于測量表示探針與樣本之間磁作用的參數(shù)。
作為替代地，探針可以包括一個懸臂和一個用于驅(qū)動該懸臂處于“輕叩”模式的驅(qū)動器。表示相互作用強(qiáng)度的參數(shù)可以是當(dāng)懸臂輕叩樣本時懸臂的彎曲度。作為替代地，它也可以是振蕩幅度。這些實施例用原子力顯微鏡提供了本發(fā)明的實現(xiàn)方法，這反過來也促進(jìn)快速掃描應(yīng)用，其通常使用AFM。
在AFM實施例中，由探針檢測裝置測量并由反饋裝置使用的、表示相互作用強(qiáng)度的所述至少一個參數(shù)之一是當(dāng)使探針尖端接觸表面時懸臂的彎曲度。為了提供圖像和反饋信息，探針檢測裝置可以用于測量探針的彎曲度。可選地，另一表示探針-樣本相互作用強(qiáng)度的參數(shù)也可以用于提供圖像信息。作為替代地，探針檢測裝置可以包括兩個元件第一元件用于測量探針和樣本之間相互作用的特性，例如電容；第二元件連接到反饋裝置并用于測量探針的彎曲度。
探針或者樣本被振蕩。而且，假定任何振蕩都將導(dǎo)致探針在樣本表面上進(jìn)行基本上線性的掃描，那么探針可以垂直或水平放置，或者處于中間的角度。如果振蕩樣本，那么這最好通過將樣本放置在音叉上來實現(xiàn)?？赡軙龅街C振模式之間的耦合這一問題，因為樣本(或探針)是同時振蕩或平移的。音叉被設(shè)計為有高的機(jī)械各向異性以阻止這種耦合。這改善了掃描的穩(wěn)定性。如果擁有相似的各向異性，也可以被使用音叉的替代品；例如，壓電雙晶。探針也可以由音叉或雙晶來振蕩。
反饋裝置最好以一個大于探針振蕩的一個周期并顯著小于執(zhí)行掃描的總時間的時間常數(shù)來工作。
第二方面，本發(fā)明提供了一種使用納米特性從樣本的掃描區(qū)域快速收集圖像數(shù)據(jù)的方法，該方法包括如下步驟(a)為了在探針和樣本之間建立相互作用，移動探針使其子納米尺寸的尖端非常接近樣本；(b)在樣本表面上以其諧振頻率或以接近其諧振頻率來振蕩探針，或者在探針之下以其諧振頻率或以接近其諧振頻率來振蕩樣本，同時在探針和表面之間提供相對運(yùn)動，以便最大長度由振蕩幅度確定的掃描線排列能夠覆蓋掃描區(qū)域；(c)測量表示相互作用強(qiáng)度的參數(shù)；(d)監(jiān)控在步驟(c)中測量的所述參數(shù)或者同樣表示探針和樣本之間相互作用的第二參數(shù)，并且如果受監(jiān)控參數(shù)的值低于或超過一個預(yù)定值，那么調(diào)節(jié)探針-樣本間隔距離以驅(qū)動受監(jiān)控參數(shù)的值回到預(yù)定值；以及(e)處理在步驟(c)中進(jìn)行的測量以獲得與樣本的納米結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。
另一方面，本發(fā)明的AFM實施例不僅可用于對樣本表面成像，而且可用于在探針位置影響樣本表面。因此信息可以保存在樣本上作為表面屬性的局部變化，這使得本發(fā)明可應(yīng)用于毫微光刻技術(shù)。


現(xiàn)在將參見附圖、通過舉例的方式來描述本發(fā)明實施例。
圖1表示在掃描電容顯微鏡中的本發(fā)明的實施示意圖。
圖2示意性地表示適合用在圖1的顯微鏡中的探針檢測裝置。
圖3示意性地表示本發(fā)明的基于原子力顯微鏡的另一實施例。
具體實施例方式
圖1表示本發(fā)明的掃描電容顯微鏡(SCM)的實施例。在Rev.Sci.Inst.72(6)p 2618(2001)中的T.Tran等人的《用于掃描電容顯微術(shù)的“Zeptofarad”(10-21)分辨率電容傳感器》中描述了現(xiàn)有SCM技術(shù)，并被證明在測量半導(dǎo)體設(shè)備的二維載體輪廓時是特別有用的。如同Tran等人描述的顯微鏡，圖1所示的裝置10包括一個適合于接收樣本12的接地平板14，其連接到一個壓電傳感器16和一個粗略的驅(qū)動裝置18。金屬探針20連接到一個與任何現(xiàn)有SCM技術(shù)的驅(qū)動裝置不同的、用于驅(qū)動探針20諧振或接近諧振的第二壓電驅(qū)動裝置22。第一16或第二22壓電傳感器驅(qū)動探針20和樣本12的相對垂直運(yùn)動。在本實施例中是附著到樣本12上的壓電傳感器16。本裝置包括一個探針檢測裝置24，其詳細(xì)配置依賴于待測量的探針20-樣本12相互作用的指示器，稍后將更詳細(xì)地描述適合于SCM使用的實施例。反饋裝置26響應(yīng)于從探針檢測裝置24中接收的信號來驅(qū)動第一壓電16，從而控制探針20和樣本12的相對高度。分析收集到的數(shù)據(jù)，并輸出到顯示器28。
與本領(lǐng)域的傳統(tǒng)技術(shù)一樣，Cartesian坐標(biāo)系的z軸將垂直于樣本12所在的平面。也就是說，探針20-樣本12相互作用是依賴于探針20在樣本12(所反映的像素)上方的xy位置及其高度的。
在考慮圖1所示裝置的操作之前，解釋一下所述相互作用及其測量背后的物理學(xué)原理以及相應(yīng)的探針檢測裝置24的功能是有幫助的。掃描電容顯微鏡可用于成像許多樣本類型，包括生物標(biāo)本。然而電容的發(fā)展和測量最容易與半導(dǎo)體成像聯(lián)系在一起。當(dāng)金屬探針與半導(dǎo)體材料相接觸時，兩個帶狀結(jié)構(gòu)之間的Fermi能量均衡將導(dǎo)致在邊界的電勢降低。該降低把電荷載流子清除出邊緣區(qū)域并形成了一個耗盡層。該現(xiàn)象是眾所周知的，是Schottky勢壘二極管的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體中由SCM測量的是耗盡層(或Schottky勢壘)上的電容。
生物材料的帶狀結(jié)構(gòu)(以及有效摻雜)明顯比半導(dǎo)體的更復(fù)雜，上述的耗盡層理論一般情況下并不適用。一般認(rèn)為偶極子的重定位(或感應(yīng))可以是生物標(biāo)本中引起接口電容的一種機(jī)制。不管實際的裝置如何，事實是在探針-樣本接口處的電容增加了，這可通過掃描電容顯微鏡使用與半導(dǎo)體材料所用的相同方法來檢測和測量。
用于本發(fā)明SCM實施例的探針檢測裝置24如圖2所示。裝置24包括一個壓控振蕩器40、一個耦合的傳輸線諧振器42、一個放大器44、一個峰值電壓檢測器46和一個調(diào)制信號產(chǎn)生器48。調(diào)制信號產(chǎn)生器48對探針20施加直流偏置的交流正弦電壓。樣本12本身通過平板14接地，從而在探針20和樣本12之間的接口上有效地施加了調(diào)制電壓。該電壓在半導(dǎo)體上調(diào)節(jié)耗盡層的寬度從而調(diào)節(jié)勢壘的電容。對于生物樣本，調(diào)制電壓對電容有相似的調(diào)制作用，盡管可能通過介電常數(shù)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。為了測量接口電容，在諧振器42的電路中通過振蕩器40來激勵一個振蕩電場。該場的諧振頻率依賴于電路中的負(fù)載(在本例中是通過探針和樣本的電路徑)。在諧振器42中檢測諧振信號，并在傳輸?shù)椒逯禉z測器46之前通過放大器44將其放大。峰值檢測器46所檢測的接口處電容(以及電路中的負(fù)載)的變化反映了諧振峰值頻率的變化。由于引起電容波動的調(diào)制信號是已知的，峰值位置變化的確定使得能夠確定調(diào)制頻率下的接口電容的電壓導(dǎo)數(shù)(dC/dV)。
再次參見圖1，在使用裝置10獲取圖像時，首先使用粗略驅(qū)動裝置18使樣本12接近探針20。使用第一16壓電驅(qū)動器來調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)母叨群统跏奸_始位置，同時探針檢測裝置24測量在探針20-樣本12相互作用下引起的電容。一旦測量的電容達(dá)到所需水平，開始樣本12表面的光柵掃描。當(dāng)在樣本12上掃描探針20時，第一壓電16控制y方向(圖1所示角度的垂直紙面向里)的運(yùn)動。第二壓電22在xz平面(即圖示平面)沿著z軸驅(qū)動探針20接近諧振振蕩。探針以相對較大的幅度振蕩，約為幾微米。在掃描期間，由探針檢測裝置24對探針20和樣本12之間產(chǎn)生的電容連續(xù)地進(jìn)行讀數(shù)。
隨著探針20的振蕩，收集相繼連續(xù)的掃描線。因此每條線的長度將等于振蕩幅度的兩倍，該長度對應(yīng)于圖像的最大寬度。圖像的最大長度當(dāng)然由第一壓電16引起的樣本12在y方向平移的距離來確定。對于給定驅(qū)動力來說，接近諧振的振蕩為要獲得的接近最大掃描寬度提供了電勢。通過該裝置，可以用比現(xiàn)有掃描電容顯微鏡或任何掃描力顯微鏡技術(shù)可獲得的更快的速度來收集來自成像區(qū)域的數(shù)據(jù)。如果探針在諧振頻率振蕩，在SCM中可獲得最大掃描寬度。
反饋裝置26用于保持探針20-樣本12相互作用的平均電容(在多個振蕩期間的平均)基本上穩(wěn)定。為此將峰值檢測器46(圖2)的輸出饋給到反饋裝置。如果在掃描中的任一點觀察到平均電容降低，這表明探針20-樣本12相互作用減少，相應(yīng)地，間距增加。因而反饋裝置26用于驅(qū)動第一壓電傳感器16以至于它將樣本12和平板14向探針20移動。相反地，電容信號變大表示探針20-樣本12間距減小，然后樣本12被降低。實際上，平均電容將在其設(shè)置值附近而變化。該變化有許多因素高度調(diào)節(jié)中的過沖，反饋環(huán)的時間常數(shù)大于探針的振蕩期間這一事實，和探針用于調(diào)節(jié)以適應(yīng)相互作用中的變化所花費(fèi)的有限時間長度(穩(wěn)定時間)。在比探針振蕩期間更短的時間量程上電容的任何變化構(gòu)成了圖像。
反饋環(huán)的時間常數(shù)也很重要，它必須大于探針振蕩期間，而且探針的響應(yīng)時間必須少于用來完成整個掃描的時間。
將來自探針檢測裝置24(峰值檢測器46)的輸出信號通過反饋裝置26饋給到處理顯示器28。為了能夠進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以由處理器人為地將收集到的掃描線分解成像素。
當(dāng)然，不必在實際的探針-樣本掃描所覆蓋的整個區(qū)域收集圖像數(shù)據(jù)，或?qū)ζ溥M(jìn)行處理。在一些應(yīng)用中，最好只處理在探針振蕩擺動較線性的部分收集的數(shù)據(jù)。實際掃描區(qū)域只定義一個掃描周期內(nèi)可被成像的最大區(qū)域。
為了達(dá)到最快的掃描速度，在探針的每半個振蕩收集一條掃描線。顯然通過多個振蕩收集一條線可以獲得更好的圖像，雖然為了提供同一條線的多次橫貫而步進(jìn)或停止壓電驅(qū)動器16、22將會導(dǎo)致探針鳴振。這也顯然會降低整體掃描速度。然而，可以設(shè)置樣本壓電傳感器16的速度以每個振蕩周期1A左右的慢速來移動樣本。以此速度就有可能通過相加相繼的線以實現(xiàn)類似積分的操作，以至于所處理圖像中的每條線是，例如，五條振蕩線的平均。通過該“積分”獲得的信噪比的增加在某些情況下可以補(bǔ)償分辨率的損失。
盡管本發(fā)明實施例包括提供y方向上線性運(yùn)動的壓電16，顯然也可以使用許多其它的掃描幾何學(xué)。在成像一個區(qū)域時，唯一的要求是樣本(或等效的探針)平移和探針(或等效的樣本)振蕩的組合覆蓋要被成像的區(qū)域。因此，當(dāng)探針振蕩時樣本可被旋轉(zhuǎn)，從而形成包括一系列經(jīng)過中心點的圓形掃描線的掃描。作為替代地，也可將探針設(shè)置為在兩個垂直的方向上振蕩。如果在兩個方向都驅(qū)動了振蕩，將產(chǎn)生非線性的振蕩，例如八字環(huán)。如果旋轉(zhuǎn)八字環(huán)振蕩的軸，探針運(yùn)動將以一系列經(jīng)過中心點的八字環(huán)來覆蓋掃描區(qū)域。
SCM在確定半導(dǎo)體設(shè)備中的載體輪廓時是非常有用的。dC/dV的振幅(當(dāng)校準(zhǔn)時)可用于確定局部載體濃度，其符號反映了載體的類型。由本發(fā)明所提供的快速掃描的優(yōu)勢能使SCM技術(shù)至少用于實時監(jiān)控半導(dǎo)體設(shè)備內(nèi)發(fā)生的進(jìn)程。
在申請人的公開號為WO 02/063368的同時待審的專利申請中描述了，利用光學(xué)SPM技術(shù)，使用探針諧振以成像一個樣本表面。其中描述的一個例子是監(jiān)控探針的振蕩幅度以保持距離表面的高度。當(dāng)探針接近樣本時，可以用多種不同的方法來測量探針和樣本之間的間距或相互作用。如上所述的圖1所示本發(fā)明實施例，電相互作用導(dǎo)致了電容的產(chǎn)生。另一相互作用是所謂的“剪切力”阻尼裝置。如果垂直放置的探針在樣本表面上以接近其諧振的頻率水平地振蕩，表面-探針相互作用將會阻止振蕩幅度。在周圍條件下，一般認(rèn)為阻尼裝置是由樣本表面上的受限水層導(dǎo)致的，但其它阻尼相互作用也是可行的。當(dāng)探針接近表面時，阻尼增加，相應(yīng)地，振蕩幅度減小。
因此，圖1所示本發(fā)明實施例的替代方案是配置探針檢測裝置24，以在其收集掃描線時監(jiān)控探針的振蕩幅度以及如前所述使用諧振器42和電壓調(diào)制器48來測量接觸電容?？梢圆捎枚喾N已知方法來監(jiān)控探針振蕩幅度，例如通過在光束下探針尖端的振蕩影子的光電測量法。以來自振蕩幅度的反饋為基礎(chǔ)，保持樣本12和探針20之間的相對間距。如果(多條掃描線的)平均振幅低于預(yù)定值，必須使樣本12遠(yuǎn)離探針20；如果高于預(yù)定值，必須使樣本12和探針20更接近。本發(fā)明實施例雙重利用了探針的諧振收集掃描線和保持距離樣本的高度。同時，獲得了樣本12的電容圖像。
在本發(fā)明實施例中，探針是接近諧振振蕩而不是諧振振蕩，這將最大化掃描寬度。這是因為當(dāng)稍微偏離諧振時，振幅變化對諧振峰值位置的變化將有更大的響應(yīng)。由于振幅的這種變化是在本實施例中將被測量從而提供探針-樣本相互作用的任何變化的指示，所以接近諧振的振蕩有效地改善了信噪比。
當(dāng)使用兩個不同的參數(shù)第一參數(shù)來測量探針-樣本相互作用以及第二參數(shù)來監(jiān)控它們的間距時，相互作用圖像將是一幅“絕對”圖像，而不是相對的。也就是說，在SCM的本實施例中，從絕對值中形成電容圖像。在前述的使用平均電容測量來控制間距的實施例中，獲得的電容圖像是該平均值的變化的圖像。
根據(jù)要反映的探針-樣本相互作用的特性，圖1所概述的探針檢測裝置24可以包括多種不同的測量工具。
依照本發(fā)明的SPM的另一替代實施例如圖3所示。該實施例是通過監(jiān)控一個參數(shù)來控制探針-樣本間距并且使用另一參數(shù)來測量其相互作用的那些實施例之一。它根據(jù)原子力顯微鏡(AFM)，并且對其進(jìn)行的旨在使圖像和反饋僅依賴于一個參數(shù)的修改對于熟悉技術(shù)的人來說將是顯而易見的。
在Proc.Nat.Acad.Sci.USA98(22)p 12 468-12 472(2001)中Toshio Ando等人的《一種用于研究生物高分子的高速原子力顯微鏡》中描述了適合于反映生物樣本的現(xiàn)有原子力顯微鏡技術(shù)，該設(shè)備可以被改裝用于諧振圖像掃描。在AFM和SCM之間(從本發(fā)明的角度看)的顯著差異是，前者使用通常集成了驅(qū)動器的小懸臂作為探針并且該懸臂的彎曲度用于表示相互作用強(qiáng)度。
圖3表示一個AFM顯微鏡50，其與圖1的SCM的共同元件使用了相同的附圖標(biāo)記。AFM裝置50包括一個適合于接收樣本12并放置在音叉52的一股上的平板14。音叉52連接到一個壓電傳感器16和一個粗略的驅(qū)動裝置18。壓電傳感器16用于在三個方向上驅(qū)動樣本12(以及平板14和音叉52)即使用與圖1相同符號的x、y和z方向。音叉控制裝置(未畫出)用于對音叉52施加一個正弦電壓以在xy平面內(nèi)激勵起諧振或接近諧振的振蕩。在本實施例中，在AFM懸臂探針54和樣本表面之間產(chǎn)生相互作用。提供了兩個探針檢測裝置一個相互作用檢測裝置56和一個偏轉(zhuǎn)檢測裝置58。前者56用于測量一個表示探針20和樣本12之間相互作用的參數(shù)，因此如果該參數(shù)是電容的話，則可與圖1和圖2的探針檢測裝置24相同。偏轉(zhuǎn)檢測裝置58用于測量探針尖端的位移，從而測量懸臂52的彎曲度，這也表示相互作用強(qiáng)度。反饋裝置26響應(yīng)于從偏轉(zhuǎn)檢測裝置58中接收的信號來驅(qū)動壓電裝置16，從而控制探針54和樣本12的相對高度。分析由相互作用檢測裝置56收集的數(shù)據(jù)，并將其輸出到顯示器28。
在使用裝置50獲得圖像時，首先使用粗略驅(qū)動裝置18使樣本12接近懸臂探針54。使用壓電驅(qū)動器16來調(diào)節(jié)合適的高度和初始開始位置，同時偏轉(zhuǎn)檢測裝置58測量懸臂的彎曲度作為探針54-樣本12相互作用的結(jié)果。一旦測量的彎曲度達(dá)到所需水平，就在探針54之下掃描樣本表面。當(dāng)在探針54之下掃描樣本12時，設(shè)置音叉52使其沿著進(jìn)出圖示平面(y軸)的方向振動。這振動了放置樣本的平板。與此同時，壓電裝置16將樣本12沿著垂直(x)方向平移。樣本以相對較大的幅度振蕩，達(dá)到幾微米。在掃描期間，由相互作用56和偏轉(zhuǎn)58檢測裝置持續(xù)讀數(shù)。
如前所述，通過使用樣本12而不是探針54的諧振以便于使用光柵掃描的一個元件，以比現(xiàn)有掃描力顯微鏡技術(shù)可獲得的更快的速度收集來自成像區(qū)域的數(shù)據(jù)。
通過適當(dāng)?shù)靥岣呋蚪档蜆颖?2，來設(shè)置反饋裝置26使平均懸臂彎曲度(多個樣本振蕩期間的平均)接近穩(wěn)定。將來自相互作用檢測裝置56的輸出信號直接饋給處理顯示器28。為了能夠進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以由處理器人為地將收集到的掃描線分解成像素。
音叉54可以是市場上可買到的眾多音叉之一，也可以是特地設(shè)計的以提供所需的振蕩頻率。適當(dāng)?shù)睦邮侵C振頻率為32kHz的石英晶體音叉。一個音叉只要是設(shè)計為有較高的機(jī)械各向異性的特性就非常適合于本應(yīng)用。因此它的諸個諧振是無關(guān)的，并且可被單獨(dú)激勵，從而只限于在樣本平面中的那個(或那些)。重要的是，音叉54可以在一個方向上被諧振而在另一方向上被掃描，并且不會在模式之間產(chǎn)生耦合。因此當(dāng)采樣12被探針54詢問時，允許樣本12穩(wěn)定快速的運(yùn)動。
對一些應(yīng)用來說，圖3所示的本發(fā)明實施例可以有多個超過圖1實施例的優(yōu)勢。偏轉(zhuǎn)檢測裝置58是AFM顯微術(shù)中的一種標(biāo)準(zhǔn)類型使用從探針反射的激光來測量懸臂彎曲度。通過使樣本而不是探針進(jìn)行諧振，測量該偏轉(zhuǎn)的光學(xué)裝置無需補(bǔ)償掃描探針。這簡化了提取偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并允許該裝置安裝在固定的外殼中。
在圖3所示實施例的替代方案中，可以省略獨(dú)立的相互作用檢測裝置56，并將偏轉(zhuǎn)檢測裝置58的輸出用于既提供圖像數(shù)據(jù)又提供反饋。該探針檢測裝置是用于現(xiàn)有AFM技術(shù)中的傳統(tǒng)類型。
在另一替代方案中，將探針20、樣本12、平板14和音叉52浸沒在液體中。理想上，懸臂探針20應(yīng)當(dāng)有低的品質(zhì)(Q)因數(shù)，但市場上通常可買到的AFM懸臂(例如Si單晶)實際上有較高的Q因數(shù)。如果懸臂的Q值較高，它將花較長的時間以響應(yīng)于變化，并且當(dāng)受到刺激時，將在其諧振頻率鳴響。特地設(shè)計的懸臂可以有較低的Q值，但替代方案是通過浸沒在液體中來簡單地降低Q因數(shù)。
還有多種潛在的、可在實施本發(fā)明時采用的AFM操作模式。在接觸模式中，探針一直保持與樣本接觸。可以測量懸臂的彎曲度并基于其平均值而反饋。在輕叩模式中，驅(qū)動器以“輕叩”的動作在其諧振頻率驅(qū)動懸臂。因此懸臂只在其振蕩(輕叩)周期內(nèi)的短暫時間與表面接觸。顯著縮短的接觸時間意味著顯著減小了樣本上的側(cè)向力，從而探針在進(jìn)行掃描時對標(biāo)本的破壞更小。因而它通常用于反映敏感的生物標(biāo)本。在間歇的接觸模式中，偏離諧振地垂直振蕩懸臂?？梢詼y量該振蕩的振幅或懸臂的彎曲度抑或這兩者，從而創(chuàng)建一幅圖像并對這兩個參數(shù)的任意組合進(jìn)行反饋。所述間歇的接觸減小了側(cè)向力，但避免了當(dāng)懸臂的Q因數(shù)較高時在諧振頻率處的操作的長響應(yīng)時間。
在掃描樣本的過程中，AFM的探針與樣本表面接觸。雖然這在樣本較為脆弱的情況下是不利的，但與表面的相互作用使其有可能影響表面的特性，從而有意地向樣本“寫”信息。該技術(shù)就是已知的毫微光刻。例如，通過對有導(dǎo)電性的懸臂施加一個電壓，可以氧化樣片的金屬層區(qū)域。在Appl.Phys.Lett.81(19)3663(2002)中Xiaobo Yin等人的《使用無孔光學(xué)探針的近場雙光子毫微光刻》中描述了采用光刻膠的雙光子吸收和聚合的另一例子。在這兩個例子中，探針的小尺寸使以極高的密度來寫信息成為可能。也可以修改本發(fā)明的AFM使其適合在毫微光刻法中使用。這不僅為獲得與先前利用探針的穩(wěn)定諧振相比更快的寫入次數(shù)提供了潛力，而且為提高的圖像分辨率(例如寫入密度)提供了潛力。本發(fā)明AFM實施例的圖像分辨率不受顯微鏡穩(wěn)定性(例如高精確地尋址相鄰點的能力)的限制，而是受相互作用長度的限制。這意味著，作為一種光刻工具，它有潛力獲得比現(xiàn)有光刻系統(tǒng)技術(shù)可獲得的50-100nm高得多的寫入分辨率。
對掃描探針顯微術(shù)熟悉的人將會明白，依照本發(fā)明可以對相互作用參數(shù)、反饋參數(shù)、掃描運(yùn)動和探針設(shè)計進(jìn)行各種修改。例如，用在圖1所示裝置中的局部探針20可以換成懸臂探針，可以修改檢測裝置24以適合于AFM使用。在本發(fā)明實施例中，可以采用兩種諧振模式。在輕叩模式中，在懸臂的諧振頻率或在接近懸臂的諧振頻率驅(qū)動輕叩。另一方面，依照本發(fā)明，若振蕩探針時則在懸臂/驅(qū)動器組合的諧振頻率，或者在樣本的諧振頻率，驅(qū)動掃描振蕩。在任一情況下，所述組合或樣本將更大，這將確保振蕩頻率低于輕叩頻率。因此，在每條掃描線中將不可避免地取樣大量的接觸點?？梢酝ㄟ^安裝在探針上的壓電裝置來監(jiān)控探針偏轉(zhuǎn)。
在另一替代方案中，如上所述與SCM實施例相關(guān)的，可以修改探針檢測裝置24以適合于監(jiān)控和測量諧振幅度。分析阻尼振蕩的不和諧成分并重建以形成圖像，代替了提取電容測量值作為探針-樣本相互作用的示數(shù)。該實施例從三個方面利用了探針或樣本的諧振(或接近諧振)第一用于提供比現(xiàn)有系統(tǒng)已知的更快的掃描，第二用于提供測量探針-樣本相互作用的基礎(chǔ)，第三用于保持高度。
另一替代方案是通過反饋再次控制諧振幅度，但在本實施例中，探針是傾斜的從而它不再垂直于表面。在諧振頻率處振蕩傾斜的探針(或平面樣本)以收集每條掃描線，并將第二檢測系統(tǒng)設(shè)置為檢測探針垂直于傾斜角度的運(yùn)動。利用此方法，可以從垂直于傾斜角度、由每個振蕩周期內(nèi)的第二檢測系統(tǒng)測量的探針運(yùn)動中的小偏移來形成圖像，同時通過主要振蕩來進(jìn)行高度控制。
另一替代方案是配置探針20、54和檢測裝置24、56、58，以檢測探針與樣本磁場相互作用中的變化。出于這一目的，當(dāng)諧振地掃描探針或樣本時，探針可以是導(dǎo)電環(huán)的形式，修改檢測裝置以適合用于測量其中感應(yīng)的電流。作為替代地，檢測裝置可以測量導(dǎo)電環(huán)的電阻中的變化。后一替代方案利用類似于在諧振探針的硬盤頭端中產(chǎn)生的巨大磁阻。第三種可能性是使用金屬探針，渦流將提供抵抗探針諧振的力，所得到的不和諧成分可以再次用于形成圖像。
如那些對技術(shù)熟悉的人所知的，還有許多可用于提取探針-樣本相互作用信息的技術(shù)，依照本發(fā)明，它們可以與更快的、諧振的樣本表面的光柵掃描的操作相組合。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)樣本(12)和探針(20、54)之間的相互作用來對一個樣本(12)成像的掃描探針顯微鏡(10、50)，該顯微鏡(10、50)包括用于提供探針(20、54)和樣本表面之間的相對運(yùn)動并且能使樣本(12)和探針(20、54)非常接近從而在它們之間產(chǎn)生一個足以被檢測的相互作用的驅(qū)動裝置(16、18、22)；用于振蕩探針(20、54)或樣本(12)從而在所述表面上提供探針(20、54)的相對振蕩運(yùn)動的裝置(22、52)；用于測量至少一個表示探針(20、54)和樣本(12)之間相互作用強(qiáng)度的參數(shù)的探針檢測裝置(24、56、58)；以及用于通過驅(qū)動裝置(16、22)的操作來調(diào)節(jié)探針-樣本間隔，以響應(yīng)于所述至少一個參數(shù)之一的平均值與一個預(yù)設(shè)值之間差異的反饋裝置(26)；其特征在于，在操作中，所述顯微鏡(10、50)用于執(zhí)行樣本表面的掃描，其中掃描區(qū)域被掃描線的排列所覆蓋，通過在其諧振頻率或在接近其諧振頻率上振蕩探針(20、54)或樣本(12)來收集每條掃描線，從而由振蕩幅度確定最大的掃描線長度并且它們的排列由驅(qū)動裝置(16、22)的操作來提供。
2.一個依照權(quán)利要求1的顯微鏡，其特征在于所述探針是金屬的，以及表示所述相互作用的所述參數(shù)是探針和樣本之間接口的電容。
3.一個依照權(quán)利要求1的顯微鏡，其特征在于表示所述相互作用的所述參數(shù)是振蕩幅度。
4.一個依照權(quán)利要求2的顯微鏡，其特征在于表示所述相互作用的一個第二參數(shù)，以及反饋裝置(26)的操作所依據(jù)的參數(shù)，是振蕩幅度。
5.一個依照權(quán)利要求2或4的顯微鏡，其特征在于所述探針檢測裝置(24、56、58)包括一個用于對探針(20、54)和樣本(12)之間的接口施加調(diào)制電壓以調(diào)制其特性從而影響其電容的調(diào)制信號生成器(48)，一個用于在包含探針(20、54)和樣本(12)的電路中設(shè)置諧振電場的諧振器(42)，以及一個用于測量電場諧振頻率從而使在施加調(diào)制電壓時接口電容的變化能夠被測量的檢測器(46)。
6.一個依照權(quán)利要求1的顯微鏡，其特征在于所述探針(20)被配置為與一個磁場相互作用，并且所述探針檢測裝置(24、56、58)被配置為測量一個表示探針(20、54)和樣本(12)之間磁相互作用的參數(shù)。
7.一個依照權(quán)利要求1的顯微鏡，其特征在于所述探針(20)包括一個懸臂和用于驅(qū)動所述懸臂處于“輕叩”模式的驅(qū)動器。
8.一個依照權(quán)利要求7的顯微鏡，其特征在于表示所述相互作用強(qiáng)度的所述參數(shù)是所述懸臂在輕叩樣本(12)時的彎曲度。
9.一個依照權(quán)利要求1的顯微鏡，其特征在于所述探針(54)是AFM懸臂，并且由探針檢測裝置(24、56、58)測量的、由反饋裝置(26)所使用的所述至少一個表示相互作用強(qiáng)度的參數(shù)之一是探針(54)的彎曲度。
10.一個依照權(quán)利要求9的顯微鏡，其特征在于所述探針檢測裝置(24、56、58)包括一個用于測量至少一個表示探針(54)和樣本(12)之間相互作用強(qiáng)度的參數(shù)的相互作用檢測裝置(56)，和一個連接到反饋裝置(26)并用于測量探針(54)彎曲度的偏轉(zhuǎn)檢測裝置(58)。
11.一個依照權(quán)利要求9或10的顯微鏡，其特征在于所述探針(54)包括一個用于驅(qū)動所述懸臂處于“輕叩”模式的驅(qū)動器。
12.一個依照前述權(quán)利要求中任意一條的顯微鏡，其特征在于所述驅(qū)動裝置(22)是用于振蕩所述探針(20)。
13.一個依照權(quán)利要求12的顯微鏡，其特征在于所述驅(qū)動裝置(22)包括一個音叉。
14.一個依照權(quán)利要求1至11中任意一條的顯微鏡，其特征在于用于振蕩探針或樣本的所述裝置(22、52)被設(shè)置用于振蕩樣本(12)。
15.一個依照權(quán)利要求14的顯微鏡，其特征在于用于振蕩樣本的所述裝置是一個音叉(52)并且所述樣本(12)附在其上。
16.一個依照前述權(quán)利要求中任意一條的顯微鏡，其特征在于所述反饋裝置(26)以大于探針振蕩的一個周期并且顯著小于執(zhí)行掃描的總時間的一個時間常數(shù)來工作。
17.一個依照權(quán)利要求12或13的顯微鏡，其特征在于所述探針基本上垂直放置，并且所述驅(qū)動裝置(16、22)在基本正交于探針振蕩平面的方向上提供探針(20)和樣本(12)的相對線性平移，從而定義一個基本矩形的掃描區(qū)域。
18.一個依照權(quán)利要求12或13的顯微鏡，其特征在于所述探針基本上水平放置，并且所述驅(qū)動裝置(16、22)在基本平行于振蕩軸的方向上提供探針(20)和樣本(12)的相對線性平移，從而定義一個基本矩形的掃描區(qū)域。
19.一個依照權(quán)利要求12或13的顯微鏡，其特征在于所述探針基本上垂直放置，并且所述驅(qū)動裝置(16、22)沿著基本上與探針(20)振蕩所在的軸相重合的軸提供探針(20)和樣本(12)的相對旋轉(zhuǎn)，從而用掃描線的圓形排列來覆蓋掃描區(qū)域。
20.一個依照前述權(quán)利要求中任意一條的顯微鏡，該顯微鏡用于監(jiān)控半導(dǎo)體設(shè)備中的電荷分布。
21.一種利用納米特性從樣本(12)的一個掃描區(qū)域快速收集圖像數(shù)據(jù)的方法，其中該方法包括如下步驟(a)移動探針(20、54)使其子納米尺寸的尖端非常接近樣本(12)，以在探針(20、54)和樣本(12)之間建立一個相互作用；(b)在樣本(12)表面上以其諧振頻率或以接近其諧振頻率來振蕩探針(20、54)或者在探針(20、54)之下以其諧振頻率或以接近其諧振頻率來振蕩樣本(12)，同時在探針(20、54)和表面之間提供相對運(yùn)動，以便其最大長度由振蕩幅度確定的掃描線的排列覆蓋掃描區(qū)域；(c)測量表示相互作用強(qiáng)度的一個參數(shù)；(d)監(jiān)控在步驟(c)中測量的參數(shù)或者同樣表示探針(20、54)和樣本(12)之間相互作用的一個第二參數(shù)，并且如果受監(jiān)控參數(shù)的值低于或超過一個預(yù)定值，那么調(diào)節(jié)探針(20、54)-樣本(12)間隔距離以驅(qū)動受監(jiān)控參數(shù)的值回到預(yù)定值；以及(e)處理在步驟(c)中進(jìn)行的測量以獲得與樣本的納米結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。
22.一種用于通過一個樣本和AFM懸臂探針之間的相互作用來向樣本寫信息的掃描探針顯微鏡，該顯微鏡包括用于提供探針和樣本表面之間的相對運(yùn)動并且能使樣本和探針非常接近的驅(qū)動裝置；用于振蕩探針或樣本從而在所述表面上提供探針相對振蕩運(yùn)動的裝置；一個用于在短于探針或樣本振蕩周期的時間量程上，間歇地改變探針和樣本之間相互作用強(qiáng)度，從而在探針的位置上間歇地改變樣本表面特性的探針寫入裝置；其特征在于，在操作中，該顯微鏡用于執(zhí)行樣本表面的寫入掃描，其中掃描區(qū)域被寫入線的排列所覆蓋，通過在其諧振頻率或在接近其諧振頻率上振蕩探針或樣本來收集每條寫入線，以便由振蕩幅度確定最大的掃描線長度，并且它們的排列由驅(qū)動裝置的操作來提供。
23.一個依照權(quán)利要求22的用于向樣本寫信息的掃描探針顯微鏡，其特征在于所述顯微鏡還包括一個用于測量至少一個表示探針和樣本之間相互作用強(qiáng)度的參數(shù)的探針檢測裝置，以及一個用于通過驅(qū)動裝置的操作來調(diào)節(jié)探針-樣本間隔以響應(yīng)于所述至少一個參數(shù)之一的平均值與一個預(yù)設(shè)值之間的差異的反饋裝置，其中所述平均值是在大于探針或樣本的一個振蕩周期的時間間隔內(nèi)獲得的。
全文摘要
一種用來檢測或感應(yīng)探針－樣本相互作用中的變化的掃描探針顯微鏡。在成像模式中，使探針(54)非常接近樣本(12)，當(dāng)探針(54)和樣本表面相對進(jìn)行掃描時，測量相互作用的強(qiáng)度。通過執(zhí)行樣本(12)和探針(54)的相對平移來快速地收集圖像，同時在其諧振頻率或在接近其諧振頻率處振蕩這兩者之一。在首選實施例中，通過在金屬探針和樣本之間的接口處產(chǎn)生的電容來監(jiān)控相互作用。在光刻模式下，原子力顯微鏡適合于向樣本表面寫信息。
文檔編號G01B1/00GK1672011SQ03818004
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月4日
發(fā)明者默文·約翰·邁爾斯, 安德魯·大衛(wèi)·拉弗·漢弗瑞斯, 杰米·凱尼·霍布斯 申請人:布里斯托爾大學(xué)