[发明专利]使用样品间距的扫描探针显微镜方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用扫描探针显微镜来测量样品表面特征的方法和装 置，更特别地，涉及一种利用关于样品的器件/特征的域(field)的间距的信 息来最优化测量性能的方法和装置。

背景技术

几种基于探针的仪器监控基于悬臂的探针与样品之间的相互作用，以获 得关于样品的一个或多个特性的信息。扫描探针显微镜(SPM)，例如原子 力显微镜(AFM)，是通常使用锋利的尖端来对样品的一个或多个属性进行 局部测量的设备。更特别的是，SPM通常通过监视样品与相关探针组件之间 的交互作用来特征化(characterize)这种小规模样品特征的表面。通过提供 尖端与样品之间的相关扫描运动，可在样品的特定区域之上获取表面特性数 据和其它由样品决定的数据，并且可以生成相应的样品图(map)。

原子力显微镜是一种非常普遍的SPM类型。典型的AFM探针包括非常 小的悬臂，该悬臂被固定在其基部的支柱处并且具有粘附在相反的自由末端 上的锋利的探针尖端。该探针尖端被设置为非常接近于、或者直接或间接地 接触待测样品的表面，并且利用极端敏感的偏转检测器来测量悬臂响应探针 尖端与样品之间的交互作用的偏转，上述偏转检测器通常是光学杠杆系统， 例如在Hansma等人的美国专利申请号为RE34489的专利申请中描述的系 统，或者某种其它偏转检测器，例如应变仪装置、电容传感器等。AFM可以 通过使用压电扫描仪、光学杠杆偏转检测器，以及非常小的悬臂，在各种处 于气体、液体或真空中的绝缘的或者导电的表面上，获取下至原子级的分辨 率。由于其分辨率和通用性，AFM在从半导体制造到生物学研究的许多不同 领域中都是重要的测量设备。

优选地，使用作用于样本支撑件和/或探针上的高分辨率三轴扫描仪在表 面上扫描探针。因此这种仪器能够在测量样品的拓扑(topography)或者其 它属性时，在探针与样品之间产生相应的运动，例如，像上述Hansma等人 的专利、Elings等人的美国专利号为5226801的专利、及Elings等人的美国 专利号为5412980的专利所描述的。

AFM可以设计成以多种模式运行，包括接触模式和振荡弯曲模式。在操 作的振荡“弯曲模式”中，悬臂通常关于一个固定端点振荡。操作的一种常 用的弯曲模式就是所谓TappingMode^TM AFM操作(TappingMode是本申请 受让人的商标)。在TappingMode^TM AFM中，尖端在探针悬臂的振荡频率 处或附近振荡弯曲。当尖端与样本表面间断地或者接近地接触时，振荡振幅 由尖端/表面的相互作用来确定。通常，这种振荡器的振幅、相位或频率在使 用反馈信号进行扫描时保持恒定，其中反馈信号是响应尖端-样本相互作用而 生成的。然后，采集、存储这些反馈信号并将这些反馈信号用作数据以特征 化该样本。当测量半导体样本时，例如这里讨论的沟槽电容器时，使用采用 独特和昂贵尖端的称为深沟槽(DT)模式的振荡模式的特定版本。

图1中示出了典型AFM系统。AFM 10耦接到用于在本例中，以探针的 共振频率或接近于探针的共振频率来驱动探针14的振荡致动器或者驱动器 16，AFM 10采用探针器件12，探针器件12包含具有悬臂15的探针14。通 常，在AFM控制器20的控制下，电信号从AC信号源18提供到驱动器16， 从而优选以自由振荡振幅A₀驱动探针14。值得注意的是，A₀可以在宽范围 内变化，例如从微米到纳米的等级上变化，后者通常用于非接触力测量。在 实际的情况中，为了在成像时与样本表面进行低力相互作用(low force interaction)，A₀应尽可能小，但又要大得足以防止尖端例如因范德华(van der Waals)力和/或粘着力而附着在样品表面22。使用由计算机/控制器20 的反馈来控制的合适的致动器或者扫描仪24，探针14还可以被致动到样品 22和离开样品22。值得注意的是，振荡驱动器16可耦接到扫描仪24和探 针14，但是可作为自致动的悬臂/探针的一部分而与探针14的悬臂15形成 整体。而且，虽然致动器24被示出耦接到探针，但也可采用致动器24作为 XYZ致动器，以在三个正交方向上移动样本22。