[发明专利]用于快速扫描探针显微术的闭环控制器和方法

说明书

政府利益声明

本发明在美国政府的支持下受到以下机构的资助：NIST/ATP(奖 金#70NANB4H3055)。美国拥有本发明中的特定权益。

技术领域

优选实施例涉及用于扫描探针显微镜(SPM)的控制器，更具体地， 涉及用于使得能够在保持用于获得高质量样本数据的能力的同时改进扫 描速度的SPM的控制器。

背景技术

扫描探针显微镜(例如原子力显微镜(AFM))通过以下方式来进行 操作：在测量样本的一个或多个特性的同时提供测量探针与样本之间的相 对扫描运动。在图1中示意性示出了典型的AFM系统。AFM 10使用包 括探针14的探针装置12，该探针14具有悬臂15。在探针-样本相互作用 被测量的同时，扫描器24产生探针14与样本22之间的相对运动。以此 方式，可以获得样本的图像或其它测量。扫描器24典型地包括一个或多 个执行器，该执行器通常产生三个正交方向(XYZ)上的运动。扫描器 24通常是单个集成单元，其包括一个或多个执行器(例如压电管执行器)， 用于沿着全部三个轴移动样本或探针。替代性地，扫描器可以是多个单独 的执行器的装配。一些AFM将扫描器分离为多个组件，例如移动样本的 XY扫描器和移动探针的Z执行器。

在普通的配置中，探针14一般被耦合到用于在悬臂15的谐振频率处 或在接近于悬臂15的谐振频率处驱动探针14的振荡执行器或驱动器16。 替代性的布置测量悬臂15的偏转、扭转或其它运动。探针14通常是微制 造的具有集成的尖端17的悬臂。

通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电信号，以 使得执行器16(或者替代性地是扫描器24)驱动探针14振荡。探针-样 本相互作用典型地经由控制器20所进行的反馈而受到控制。注意，执行 器16可以被耦合到扫描器24和探针14，但可以被集成地形成有探针14 的悬臂15作为自激励悬臂/探针的一部分。

所选的探针14通常被振荡，并且随着通过检测如上文所述的探针14 的振荡的一个或多个特性的变化来监测样本特性而被与样本22相接触。 在这点上，典型地使用偏转检测设备25来将光束定向成朝向探针14的后 侧，然后该光束被朝向检测器26(例如四象限光电检测器)反射。注意， 设备25的感测光源典型地是激光二极管，通常是可见光激光二极管或红 外激光二极管。还可以通过其它光源(例如He-Ne或其它激光源、超级 发光二极管(SLD)、LED、光纤或可以被聚焦成小斑点的任何其它光源) 来产生感测光束。随着光束平移穿过检测器26，适当的信号被发送到控 制器20，控制器20处理该信号以确定探针14的振荡的变化。通常，控 制器20产生控制信号，用于保持尖端与样本之间的相对恒定的相互作用 (或臂15的偏转)，典型地用于保持探针14的振荡的设定点特性。例如， 控制器20通常用于将振荡幅度保持在设定点值A_S，以确保尖端与样本之 间的通常恒定的力。替代性地，可以使用设定点相位或设定点频率。