[发明专利]操作扫描探针显微镜的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年11月13日提交的美国临时专利申请第61/114399号在35U.S.C.§119(e)下的优先权，该申请的全部内容通过引用专利并入本文。

技术领域

本发明针对包括原子力显微镜（AFM）的扫描探针显微镜（SPM），更具体地针对以高速度、小尖端-样品间相互作用力以及高分辨率提供力控制的AFM操作的模式。

背景技术

扫描探针显微镜（SPM）、诸如原子力显微镜（AFM）是这样的设备，其通常利用具有尖端并且使得该尖端以较小力与样品表面相互作用的探针来表征低至原子维度的表面。通常，将探针引到样品的表面以检测样品特征的改变。通过提供尖端与样品之间的相对扫描移动，可以在样品的特定区域上获得表面特征数据，并且可以生成样品的对应图（map）。

图1中示意性地示出了典型的AFM系统。AFM 10利用包括具有悬臂15的探针12的探针设备12。扫描器24生成探针12与样品22之间的相对运动，同时测量探针-样品间的相互作用。以此方式，可以获得样品的图像或者其它测量结果。扫描器24通常包括一个或多个致动器，其通常在三个相互正交的方向（XYZ）上生成运动。通常，扫描器24是单个集成的单元，其包括一个或多个致动器，以在全部三个轴上移动样品或者探针，所述致动器例如是压电管致动器。可替代地，该扫描器可以是多个分离的致动器概念上或者物理上的组合。一些AFM将扫描器分为多个组件，例如移动样品的XY致动器以及移动探针的分离的Z致动器。因此，该仪器能够在探针与样品之间产生相对运动，同时测量样品的形貌（topography）或者一些其它的属性，如例如在Hansma等人的美国专利第RE 34489号、Elings等人的美国专利第5266801号、以及Elings等人的美国专利第5412980号中所描述的。

值得注意的是，扫描器24通常包括压电叠堆（本文中通常称作“压电叠堆”）或者压电管，其被用于在测量探针与样品表面之间产生相对运动。压电叠堆是这样的设备，其基于施加到放置在叠堆上的电极的电压来在一个或多个方向上移动。压电叠堆通常与用于引导、约束、和/或放大压电叠堆的运动的机械弯曲部一起使用。另外，弯曲部用于在一个或多个轴上增加致动器的刚度，如在题为“Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的、2007年3月16日提交的申请第11/687304中描述的。致动器可以耦接到探针、或者样品、或者这两者。最典型地，以XY-致动器以及Z-致动器的形式提供致动器组合件，该XY-致动器在水平或者XY-平面上驱动探针或者样品，该Z-致动器在垂直或者Z-方向上移动探针或者样品。

在常用的配置中，探针通常耦接到振荡致动器或者驱动器16，其用于驱动探针12来以悬臂15的谐振频率或者接近所述谐振频率而振荡。替代布置测量悬臂15的偏斜、扭转或者其它特征。探针17通常是具有集成尖端17的微型制造的悬臂。

常见地，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电信号，以使得致动器16（或者扫描器24）驱动探针12来振荡。通常经由控制器20的反馈来控制探针-样品间相互作用。值得注意的是，可以将致动器16耦接到扫描器24以及探针12，但是可以与探针12的悬臂15集成地构成，以作为自致动的悬臂/探针的一部分。