[发明专利]探针检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及探针显微镜领域，尤其涉及一种用于与样品表面相关地监视显微镜探针的位置的检测系统。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)背后的原理用于使用纳米探针针尖在样品表面上进行机械扫描以产生样品的图像。根据针尖和样品之间的相互作用的变化得到图像内的特征。

SPM的具体示例是原子力显微镜(AFM)，其中监视样品和探针的尖锐针尖之间的力相互作用。典型AFM的探针包括其基部固定到支持物的非常小的悬臂，针尖在该悬臂的相对(自由)端。当使探针针尖极为接近样品时，在样品和针尖之间产生相互作用力。如果针尖在运动，例如振荡，则相互作用力以某种方式改变该运动。如果针尖静止，则力将使针尖相对于样品表面位移。

在扫描过程中，针尖和样品表面之间的相互作用的强度随着探针针尖下方的表面的特性改变而改变。三轴高分辨率扫描器典型地产生样品和探针之间的相对运动，驱动样品和/或探针支持物。在扫描过程期间监视相互作用力对探针针尖的位置和/或运动的影响。在标准AFM操作中，相互作用力的强度保持恒定。也就是说，观察其对探针的影响，并且反馈系统进行操作以响应于任何改变来调整样品和探针的基部的间隔，从而使观察到的参数回到预定值，即设置点。收集与该调整相关联的数据(通常为竖直移动或“z”移动)，并且可以将其用于构建样品表面的区域上的样品的图像。

如上所述，常规地在竖直方向或z方向上进行基部-样品间隔的调整，在x、y平面上扫描样品表面。这里遵循这种惯例，然而要记住显微镜可以被设置为使得样品不被取向为水平表面，因此反馈调整不在竖直方向上。也就是说，术语“竖直”应当被理解为简单地指与样品的平面垂直，或者等同地，与扫描样品表面的平面垂直。常规地，这被指定为z方向，如图1所示的直角坐标轴所示。

对通过AFM形成的图像的解释某种程度上取决于所研究的表面的性质。表面形貌通常对图像作出最显著的贡献，在探针进行扫描时探针紧密地跟随样品的高度，但是其它特性，诸如表面疏水性和亲水性、粘弹性等也可以作出贡献。探针和显微镜还可以适合于经由合适的相互作用力来测量其它样品特性，诸如磁场或电场。

AFM可以被设计为以多种成像模式工作。在接触模式下，探针保持与样品基本上连续不断的接触。在动态模式下，探针振荡，使得与样品不接触或者断续的接触。

如果使用静止针尖来探测表面，则使用相互作用力对悬臂的弯曲或偏转的影响来监视针尖在扫描过程中的位置。随着针尖和表面之间的相互作用力改变，针尖被拉向或推离表面。该针尖移动被传送到探针的悬臂部分，探针的悬臂相应地沿着其长度弯曲或者折曲。具有这种设置的AFM被设置为使用本领域公知的诸如光学杠杆系统的灵敏检测器或其它偏转检测器来测量悬臂的偏转。在上下文中，偏转是指探针的上表面的倾斜，这通常用于提供悬臂弯曲的指示。

可选地，探针可以在其共振频率之一处或附近竖直振荡。样品-探测相互作用的变化影响探针的运动。特别地，可以监视这些振荡的幅度、相位和共振频率，并且对其进行探针-样品间隔调整，以保持恒定的平均相互作用。

与其工作模式无关地，AFM可以用于获得环境(空气、液体或真空)范围内的多种样品的原子尺度上的图像。典型地，它们利用压电致动器、光学杠杆偏转检测器和使用硅制造技术制作的非常小的悬臂。其高分辨率和多功能性导致发现其在诸如工业检查、半导体制造、生物研究、材料科学和纳米技术的不同领域中的应用。

在本领域中经常可互换地使用术语“探针”、“针尖”和“悬臂”，但是为了进行本描述，这些术语需要更严格的定义。针尖(或者在更适合上下文的情况下，为探针针尖)是指位于悬臂梁的自由端的3维的通常为圆锥或者角锥结构。针尖向作为与所探测的表面相互作用的最接近点的点逐渐减小。悬臂是不包括针尖的梁本身，其一端支持针尖而另一端由显微设备保持。将悬臂和针尖一起称为探针。