[发明专利]具有紧凑型扫描器的扫描探针显微镜

说明书

技术领域

优选实施方式涉及一种高速扫描探针显微镜(SPM)，并且更具体地，涉及一种用于SPM的Z扫描器组件，该Z扫描器组件是紧凑且轻量的，并且能够容易地从SPM的头部移除以方便使用，同时保持包括快速扫描在内的SPM性能。

背景技术

例如原子力显微镜(AFM)的扫描探针显微镜通过提供测量探针与样品之间的相对扫描移动、同时测量样品的一个或更多个特性来工作。图1中示意性地示出了一种典型的AFM系统。AFM 10采用探针装置12，该探针装置12包括具有悬臂15的探针14。扫描器24产生探针14与样品22之间的相对运动，同时，测量探针-样品的交互作用。以此方式能够获得样品的图像或其他测量结果。扫描器24一般包括通常在三个正交方向(XYZ)上产生运动的一个或更多个致动器。通常，扫描器24是单个集成单元，该单个集成单元包括沿所有三个轴移动样品或者探针的一个或更多个致动器，例如压电管致动器。替代性地，该扫描器可以是具有多个单独致动器的组件。一些AFM将扫描器分成多个部件，例如，移动样品的XY扫描器以及移动探针的单独的Z致动器。

在常见结构中，探针14常常耦合到用于以悬臂15的谐振频率或以接近悬臂15的谐振频率来驱动探针14的振荡致动器或驱动器16。替代性的布置测量悬臂15的偏转、扭转或其他运动。探针14通常为具有一体的尖端17的微加工悬臂。

通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电子信号以使耦合到探针保持件楔状部(或替代性地，耦合到扫描器24)的致动器16驱动探针14振荡。探针-样品交互作用通常由控制器20通过反馈来控制。具体地，致动器16可以耦合到扫描器24和探针14，但也可以作为自致动悬臂/探针的一部分与探针14的悬臂15一体地形成。

如上所述，在通过检测探针14的振荡的一个或更多个特征的变化来监测样品特征时，所选择的探针14通常振荡并与样品22接触。就这点而言，通常采用偏转检测装置25来引导光束朝向探针14的背侧，该光束随后被朝向例如四象限光电检测器的检测器26反射。注意到装置25的感测光源通常为激光，常常是可见或红外激光二极管。该感测光束也能够通过其他光源例如He-Ne或其他激光源、超发光二极管(SLD)、LED、光纤或能够聚焦到小点的任何其他光源来产生。当光束平移通过检测器26时，适当的信号被传送到控制器20，该控制器20处理信号以确定探针14的振荡的变化。通常，控制器20产生控制信号以保持尖端与样品之间的相对不变的交互作用(或悬臂15的偏转)，典型地保持探针14的振荡的设定点特征。例如，控制器20通常用于将振荡幅度保持在设定值As，以确保尖端与样品之间的大致恒定的力。替代性地，可以使用设定点相位或频率。

在控制器20中和/或在具有所连接的或独立的控制器的系统或单独的控制器中设置有工作站40，该工作站40接收来自控制器的采集数据并且处理在扫描期间获得的数据以执行点选择、曲线拟合以及距离确定操作。该工作站能够在存储器中存储结果信息，使用该结果信息进行额外计算，和/或将结果信息显示在合适的监控器上，以及/或者以有线或无线的方式将结果信息传输到另一计算机或装置。该存储器可以包括任何计算机可读数据存储介质，示例包括但不限于计算机RAM、硬盘、网络存储、闪存驱动器或CD ROM。具体地，扫描器24通常包括用于产生测量探针与样品表面之间的相对运动的压电叠堆(文中通常称作“压电叠堆”)或压电管。压电叠堆是基于施加到设置在叠堆上的电极的电压沿一个或更多个方向移动的装置。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结合使用。此外，弯曲部被用来增加致动器在一个或更多个轴上的刚度，如在2007年3月16日提交的名称为“Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的序列号为11/687,304的同时待审申请中所描述的。致动器可以耦合到探针、样品或探针和样品两者。最通常的情况下，致动器组件以在水平或XY平面上驱动探针或样品的XY致动器以及在竖直或Z方向上移动探针或样品的Z致动器的形式来提供。

随着SPM的实用性持续发展，出现了使不同类型的样品以更快的速度成像以改善样品测量吞吐量(例如，多于每小时20个样品)和/或用比目前可获得的时间分辨率更高的时间分辨率测量纳米级过程的需要。尽管AFM成像提供了高的空间分辨率(纳米级)，但其通常具有低的时间分辨率。典型的高质量AFM图像需要若干分钟来获得，尤其是在扫描尺寸大于几个微米的情况下。