CN100387968C - 原子力显微镜及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

提供来一种能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的原子力显微镜(AFM)及其驱动方法，该AFM包括光束源单元、光束扫描器、扫描探头单元(或矩阵)，光束检测单元、驱动控制单元及显示单元。该驱动方法包括有步骤：响应参照信号振动设在各该扫描探头的第一致动器；检测在其自由端上设有尖端的悬臂的弯曲量；以及根据该悬臂的弯曲量将伺服信号传输给第二致动器。

Description

原子力显微镜及其驱动方法

技术领域

本发明一般涉及原子力显微镜及其驱动方法；而更具体地涉及装有多个能在大气压力下以高分辨率高速观察样品的外形的扫描探头的原子力显微镜及其驱动方法。

背景技术

已利用各种技术观察诸如半导体器件的表面等表面的外形。诸如原子力显微镜(AFM)等扫描探头显微镜为能通过用受观察的表面与设置在扫描探头上的尖端之间的原子力所生成的信号作为反馈信号，同时在受观察的表面与尖端之间保持不变的间距而不破坏该受观察的表面地以纳米或亚纳米范围的高分辨率观察表面的显微镜。

颁发给Theodore等人的名为“测定半导体器件的外形的方法与装置”的美国专利号5,338,932公开了用于执行原子力显微技术及扫描隧道显微测量的组合来提供表面外形与材料成分的精确表示的装置与方法。该装置的可变柔性探头包含参照元件、可变刚性元件、支承件、导电尖端及力元件。参照元件的第一端及可变刚性元件的第一端附着在支承件上使该参照与可变刚性元件构成从支承件伸出的两根平行悬臂。

将力元件连接在参照与可变刚性元件两者上。力元件在可变刚性元件上作用一可变力以便改变该可变刚性元件的刚性或弹性常数。虽然该可变柔性探头能执行原子力显微技术与扫描隧道显微测量的组合，但难于减小该可变柔性探头的尺寸以便构成采用多个可变柔性探头的系统，由于该可变柔性探头是用其间包含该力元件的带小间隔的互相分离的两根平行悬臂构成的。

颁发给Tohda等人的名为“扫描探头显微镜及使用这一显微镜测定表面的方法”的美国专利号5,468,959公开的装有活动悬臂的组合原子力显微技术与扫描隧道显微技术的先进功能的扫描探头显微镜及使用这一显微镜观察表面的方法。这一显微镜可在大气压力下工作，然而如果要求获得清洁样品表面的详细信息的测定则最好将这一显微镜放置在超高真空中。虽然这一显微镜具有能在大气压力下工作的优点，但由于该扫描探头具有类似于Theodore等人的那种用于改变扫描探头的刚性或弹性常数的大的结构而难于缩小用在该显微镜中的扫描探头的尺寸。

颁发给Watanabe等人的名为“调整反馈控制下的原子力显微镜”的装置专利号5,723,775公开了能通过减小包含轴向驱动致动器的悬臂的质量同时消除由这一质量减小导致的缺点而达到执行高速反馈控制的原子力显微镜(AFM)。这一AFM在扫描要观察的样品的结构的同时，保持该样品的表面与设置在扫描探头上的尖端之间的恒定间隔。然而，当尖端受到大气压力下可能在受观察的样品表面上存在的诸如尘土、水滴之类的杂质污染时，表示样品表面的外形的图像将会降低。

如上所述，上述专利中无一教导能观察样品表面的外形的带有多个扫描探头的系统及其驱动方法。当采用上述专利中所描述的技术之一构造使用多个扫描探头的系统时，将最终得出昂贵与笨重的系统。因此，为了在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形希望提供廉价及紧致尺寸的带有多个扫描探头的系统及其驱动方法。

因此，本发明的目的为提供能在大气压力下以高分辨率高速观察样品的外形的原子力显微镜及其驱动方法。

发明内容

按照本发明的一个方面，提供了能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的原子力显微镜(AFM)包括：多个用于测定样品表面的扫描探头，其中各扫描探头包含具有尖端与块型致动器和薄膜致动器的悬臂；用于检测从所述各扫描探头反射的光束以便将其转换成依赖于位置信号的电信号的装置；以及通过生成参照信号和伺服信号来驱动扫描探头及检测关于样品表面的外形的信息的装置，其中该块型致动器响应参照信号执行轻拍(tapping)操作，该薄膜致动器响应伺服信号执行定位操作，且参照信号的频率高于伺服信号的频率。

按照本发明的另一方面，提供了能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的原子力显微镜，包括具有N×M个扫描探头的扫描探头矩形阵，用于测量样品表面，其中各扫描探头包含具有尖端与块型致动器和薄膜致动器的悬臂，N与M分别为大于1的正整数；用于检测从各扫描探头反射的光束以便将其转换成电信号的装置；以及通过生成一参照及一伺服信号来驱动这些扫描探头及检测关于样品表面的外形的信息的装置，其中该块型致动器响应参照信号执行轻拍操作，该薄膜致动器响应伺服信号执行定位操作，且参照信号的频率高于伺服信号的频率。

按照本发明的又另一方面，提供了驱动能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的带有多个扫描探头的原子力显微镜(AFM)的方法，包括下述步骤：a)响应参照信号振动设置在各扫描探头上的块型致动器；b)检测在其自由端上设有尖端的悬臂的弯曲量；以及c)根据悬臂的弯曲量传输伺服信号给薄膜致动器，其中设置在所述各扫描探头上的悬臂及块型致动器和薄膜致动器是设置在与设有尖端的自由端相对的悬臂上的。

从下面结合附图的给出的较佳实施例的描述中，本发明的上述与其它目的与特征是显而易见的，附图中：

附图说明

图1示出按照本发明的能观察样品表面的外形的原子力显微镜(AFM)的示意图；

图2示出图1中所示的光束扫描器的详图；

图3表示沿图1中所示的虚线P-P’所取的一个较佳实施例的扫描探头的剖视图；

图4描绘按照本发明的另一较佳实施例的扫描探头单元的剖视图；

图5示出图1中所示的驱动控制单元的框图；以及

图6为说明按照本发明的AFM的驱动操作的流程图。

具体实施方式

下面参照图1至6描述本发明的较佳实施例，它们只是以示例的方式给出的不应认为是对本发明的限制。

参见图1，其中示出了按照本发明的带多个扫描探头的原子力显微镜(AFM)100的示意性框图，其中该AFM100能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形。如图1中所示，AFM100包括光束源单元110、光束扫描器120、扫描探头单元130，光束检测单元140、驱动控制单元150及显示单元160。

光束源单元110发射最好是诸如激光束的一光束到光束扫描器120。光束源单元110可包含例如激光二极管(LD)、发光二极管(ED)等诸如此类。光束扫描器120机械地连接在支承件(未示出)上，并且通过线路L16电连接在驱动控制单元150上。光束扫描器120接收从光束源单元110发射的光束以便响应从驱动控制单元150通过线路L16提供的位置信号顺序地通过扫描探头单元130的对应扫描探头131a、131b或131c上的光扫描路径A、B或C执行扫描操作。

扫描探头单元130包含三个扫描探头131a、131b与131c，其中各个分别通过公共线路L14与线路115a、115b与115c电连接在驱动控制单元150上。为了简单起见，将扫描探头单元130示出为只由三个扫描探头131a至131c构成，但熟悉本技术的人员会理解必要时扫描探头单元130可由多个扫描探头构成。扫描探头单元130通过光反射路径A’、B’或C’将从光束源单元110发射的光束反射到光束检测单元140。

光束检测单元140通过线路L13a与L13b电连接在驱动控制单元150上。光束检测单元140可用开关单元144及三个光电探测器142a至142c构成，光电探测器的数目与扫描探头131a至131c的数目相同。各光电探测器电连接在开关单元144上。各光电探测器142a至142c包含一电信号放大器(未示出)并将由扫描探头单元130反射的光束转换成对应的电信号以便用该电信号放大器将其放大到预定的信号电平。显示单元160电耦合在驱动控制单元150上。

参见图2，其中示出了图1中所示的光束扫描器120的详图。如图2中所示，光束扫描器120包含第一电极210、电可移位层220、第二电极230、全反射镜240及可变电压源250。将电可移位层220插入第一电极210与第二电极230之间。将全反射镜240设置在第二电极230上，与电可移位层220相对。可变电压源250响应输入到其上的位置信号，按照位置信号电平将预定的电压提供给第一与第二电极210与230。如本技术领域中熟知的，电可移位层220可根据提供给第一与第二电极210与230的电压电平偏转。换言之，通过改变输入到第一与第二电极210与230的电压电平，入射到全反射镜240上的光束的扫描角可被改变以允许光束通过光扫描路径A、B与C之一进行传播。这一操作对一熟悉本技术的人员是显而易见的。例如，如果光束扫描器120扫描的光束通过光扫描路径A传播，便通过光反射路径A’将扫描探头单元130的扫描探头131a反射的光束传输给光束检测单元140的光电探测器142a。否则，通过光反射路径B’与C’将扫描探头131b或131c反射的光束传输给光束检测单元140的光电探测器142b或142c。

参见图3，其中示出了沿图1中所示的虚线P-P’所取的扫描探头单元130的扫描探头131a的剖视图。扫描探头单元130的扫描探头131a至131c的结构是互相一致的。扫描探头131a由块型致动器310a、薄膜致动器320a、悬臂330a、尖端340a及置于块型致动器310a与悬臂330a之间的固定件350a构成，其中该固定件350a连接在支承框或基座(未示出)上。可将块型致动器310a与薄膜致动器320a制成众所周知的结构，其中将电可移位材料插入接收外部信号的两电极之间。该电可移位材料可根据提供给两个电极的外部信号电平而被偏转。

将样品360保持在能在X、Y与/或Z轴方向上独立地驱动的精调台(未示出)上。为了简单起见，将省略该精调台操作的详细描述。将悬臂330a布置在精调台上方。

可采用本技术领域中众所周知的各种技术制造的尖端340a设置在悬臂330a的自由端上，并能根据要观察的样品360的表面与尖端340a之间的原子间力(所谓Van der Waals力)在相对于样品360的表面的法向(即Z轴方向)上移动。

与自由端相对，将薄膜致动器320a集成在悬臂330a上。薄膜致动器320a可与悬臂330a一起制造。薄膜致动器320a所起的作用为响应从驱动控制单元150通过线路L15a提供的伺服信号执行定位操作。该定位操作为通过在尖端340a与要观察的样品表面之间的原子间力在测定点上将悬臂330a在Z轴方向上偏转之后，将悬臂330a的偏转状态恢复到其在样品表面的测定点上的平衡状态。悬臂330a的平衡状态为其非偏转状态，而不影响悬臂330a在测定点上的当前位置。定位操作防止可能导致其破坏的悬臂的极度偏转。

块型致动器310a置于固定件350a上。或者可将块型致动器310a直接集成在悬臂330a上。在这一情况中，块型致动器310a也扮演固定件350a的角色。块型致动器310a的作用为允许悬臂330a执行轻拍操作。轻拍操作为设置在悬臂330a的自由端上的尖端340a以恒定的时间间隔与要观察的样品360的表面周期性地接触然后离开。为了允许悬臂330a执行轻拍操作，块型致动器310a响应从驱动控制单元150通过线路L14传输的参照信号以与该参照信号相同的频率在Z轴方向上振动，其中该参照信号的频率最好是诸如数百KHz。这一操作也称作轻拍模式。轻拍模式称作接触模式与非接触模式之间的中间模式。接触模式为尖端340a与样品表面接触的状态，而非接触模式为尖端340a离开样品表面的状态。

当块型致动器310a在Z轴方向上振动时，固定件350以与块型致动器310a相同的频率在相同的方向上振动。当固定件350a振动时，固定在其上的悬臂330a也振动，从而尖端340a以与块型致动器310a相同的频率在Z轴方向上振动。当在大气压力下有可能存在粘在尖端340a上的样品表面上的诸如灰尘、水滴之类的杂质时，轻拍模式中的悬臂33a能从尖端340a上清除它们。换言之，通过采用轻拍模式，通过消除降低图像质量的等级的杂质的影响，便能精确地获得表示要观察的样品360的表面的外形的图像。

参见图4，其中示出了按照本发明的另一较佳实施例的扫描探头单元490的剖视图。该扫描探头单元490包含支承框或基座410、多个开口470及多个扫描探头400。扫描探头400布置成N×M矩阵，N与M分别为大于1的正整数。开口470的宽度W由从光束源110发出的光束的入射与反射角确定。各扫描探头400包含固定件420、块型致动器430、薄膜致动器440、悬臂450及尖端460。与图3中所示的扫描探头131a相比，颠倒了固定件420与块型致动器430的位置。然而，包含在扫描探头400中的部件的功能与操作是与包含在图3中所示的扫描探头131a中的部件的功能与操作相同的。通过使用扫描探头单元490，操作员能以方便与简单的方式观察样品表面的外形。

参见图5，其中示出了按照本发明的图1中所示的驱动控制单元150的详图。如图5中所示，驱动控制单元150包含位置信号发生单元510、滤波单元520、位移计算单元530、伺服信号发生单元540、开关单元550、选择信号发生单元560及参照信号发生单元570。

参照信号发生单元570生成参照信号，通过线路L14将其提供给位移计算单元530及图3中所示的相应扫描探头131a、131b与131c中采用的各块型致动器310a、310b与310c。如上所述，响应参照信号，块型致动器310a、310b及310c允许扫描探头131a、131b及131c执行轻拍操作。

位置信号发生单元510检测从图1中所示的光束检测单元140通过线路L13a传输的放大的信号。例如，如果检测不到放大的信号，即在初始状态中，位置信号发生单元510生成初始位置信号，通过线路L16将其提供给图1中所示的光束扫描器120，以便将光束扫描器120的扫描位置改变到对应于初始状态的第一位置上。第一位置是光束扫描器120在其中将来自光束源单元110的光束扫描到扫描探头131a，即扫描探头单元130的第一扫描探头的位置。要说明的是扫描探头131a、131b及131c分别称作第一、第二及第三扫描探头。同时，位置信号发生单元510通过线路L16将初始位置信号提供给选择信号发生单元560。

响应初始位置信号，选择信号发生单元560生成第一选择信号，通过线路L13b将其传输给光束检测单元140的开关单元144及开关单元550。光束检测单元140的开关单元144响应第一选择信号选择第一光电探测器142a。开关单元550还响应第一选择信号选择连接到第一扫描探头131a的线路L15a，其中该选择的线路L15a将伺服信号发生单元540中生成的伺服信号提供给第一扫描探头131a的薄膜致动器320a。

滤波单元520可包含并联布置的高通与低通滤波器(未示出)。作为替代，滤波单元520可包含能对从光束检测单元140输入的放大的信号进行滤波的电路与/或器件。滤波单元520截止一频率分量，该频率分量对应于包含在通过线路L13a提供的放大的信号中的参照信号的频率分量，以便通过包含在放大的信号中的与截止的频率分量不同的其它分量，即改变的频率分量。

当提供了放大的信号时，滤波单元520对该放大的信号进行滤波以便只抽取其改变的频率分量。抽取的频率分量包含关于由待被观察的样品360的表面与尖端340a之间的原子间力所引起的悬臂330a的弯曲的信息，并被传输给位移计算单元530。位移计算单元530根据参照信号的频率分量与来自滤波单元520的抽取的频率分量计算对应于随原子间力而改变的悬臂330a的弯曲量的位移ΔZ。

换言之，位移计算单元530计算参照信号的频率分量与抽取的频率分量之间的频率差，其中该计算的频率差与由尖端340a与要观察的样品360的表面之间的原子间力所导致的悬臂330a的弯曲量直接相关。然后通过线路L17将计算的频率差提供给伺服信号发生单元540及图1中所示的显示单元160。

取决于计算的频率差，伺服信号发生单元540生成伺服信号来驱动第一扫描探头131a的薄膜致动器320a供允许悬臂330a执行定位操作，如上所述。然后通过第一选择信号已选定的线路L15a将伺服信号传输给薄膜致动器320a。

再参见图1，显示单元160可包含诸如根据通过线路L17从图5中所示的位移计算单元530提供的计算的频率差重构表示要观察的样品360的表面的外形的二或三维图像的计算机及能在其上面显示该重构的图像的监视器。应指出驱动控制单元150的操作序列是结合扫描探头单元130的第一扫描探头131a描述的，但与扫描探头单元130的其它扫描探头相关的驱动控制单元150的操作序列是类似的。

现在，参照图6描述按照本发明的AFM的驱动操作的详细说明。

在步骤S602上，图5中所示的参照信号发生单元570通过线路L14将参照信号提供给块型致动器310a、310b与310c及位移计算单元530。而块型致动器310a、310b与310c则响应该参照信号以参照信号相同的频率振动。从而如上所述，悬臂330a、330b与330c在轻拍模式中操作，使得设置在对应的悬臂330a、330b与330c上的相应的尖端340a、340b与340c以与块型致动器310a、310b与310c相同的频率振动。

在步骤S604上，位置信号发生单元510生成初始位置信号并通过线路L16将其提供给光束扫描器120及选择信号发生单元560。响应该初始位置信号，将光束扫描器120置于第一位置。然后，选择信号发生单元560响应该初始位置信号，生成第一选择信号并通过线路L13b将其传输给图1中所示的光束检测单元140的开关单元144及图5中所示的开关单元550。此后，开关单元144选择第一光电探测器142a用于检测从第一扫描探头131a反射的光束。同时，开关单元550选择线路L15a用于将在伺服信号发生单元540中生成的伺服信号提供给薄膜致动器320a。

在步骤S606上，光束源单元110将最好是激光束的光束发射到光束扫描器120上。然后，位于初始位置上的光束扫描器120通过图1中所示的光扫描路径A将光束扫描到第一扫描探头131a的悬臂330a的尖端部分。第一扫描探头131a的悬臂330a反射该光束，通过光反射路径A’将其引导到光束检测单元140的第一光电探测器142a上。

在步骤S608上，第一光电探测器142a检测提供给它的反射光束并将其转换成对应的电信号。然后第一光电探测器142a中所采用的电信号放大器将该电信号放大到预定的信号电平。通过线路L13a将放大的信号提供给驱动控制单元150的滤波单元520及位置信号发生单元510。

在步骤S610上，滤波单元520滤波该放大的信号以抽取其改变的频率分量。如上所述，所抽取的频率分量中包含关于第一扫描探头131a的悬臂330a的弯曲的信息，其中该抽取的频率分量可高于或低于用于振动第一扫描探头131a的悬臂330a的参照信号的频率分量。然后，将抽取的频率分量从滤波单元520提供给位移计算单元530。

在步骤S612上，位移计算单元530通过计算来自参照信号发生单元570的参照信号的频率分量与来自滤波单元520的抽取的频率分量之间的频率差计算在Z轴方向上与第一扫描探头131a的悬臂330a的弯曲量直接相关的位移ΔZ。然后，位移计算单元530通过线路L17将计算的位移ΔZ提供给伺服信号发生单元540与图1中所示的显示单元160。

在步骤S614上，伺服信号发生单元540根据计算的位移Z生成伺服信号并将其传输给关开单元550，后者通过已响应第一选择信号选定的线路L15a将该伺服信号提供给第一扫描探头131a的薄膜致动器320a。该伺服信号驱动第一扫描131a的薄膜致动器320a用于允许其悬臂330a将其恢复到其在这一测量点上的平衡状态而不改变其当前位置。伺服信号的频率最好是诸如数十KHz。同时，显示单元160根据计算的位移ΔZ在其上而显示表示观察的样品表面的外形的诸如2或3维图像。

在步骤S616上，位置信号发生单元510响应作为在步骤S610上输入到滤波单元520的信号的放大的信号，生成下一个位置信号并通过线路L16将其提供给选择信号发生单元560及光束扫描器120。选择信号发生单元560生成第二选择信号并通过线路L13b将其传输给开关单元550及光束检测单元140。类似于第一选择信号的情况，响应该第二选择信号，开关单元550选择线路L15b作为下一条线路及光束检测单元140的开关单元144选择第二光电探测器142b作为下一个光电探测器。

在步骤S618上，该进程确定是否完成了样品表面扫描操作。如果确定结果是否定的，进程进行到步骤S620；否则它便终止这一过程。在步骤S620上，将光束扫描器120置于对应于从位置信号发生单元510通过线路L16输入的第二个下一位置信号的下一位置上。然后，进行返回到步骤S606并重复上述步骤。

如上所述，按照本发明，即使在大气压力下在样品表面上存在杂质的情况中，也能以高分辨率高速精确地获得表示要观察的样品的表面外形的图像。同时，可在一个过程中制造构成扫描探头的部件来构造尺寸紧凑的一个单元，使得带有多个扫描探头的原子力显微镜的制造成本能有效地降低并且即使采用多个扫描探头，AFM也具有简单的结构。应指出，为了全面的理解，构成扫描探头的部件的尺寸是在图上放大了的。

虽然已对特定实施例描述了本发明，对于本技术领域的熟练技术人员显而易见可作出各种改变与与修正而不脱离在下面的权利要求中所定义的本发明的精神与范围。

Claims (26)

1.一种能在大气压力下观察样品表面的外形的原子力显微镜，包括：

多个用于测定该样品表面的扫描探头，其中各扫描探头包含具有尖端及块型致动器和薄膜致动器的悬臂；

检测转换装置，用于检测从所述各扫描探头反射的光束以响应位置信号将其转换成电信号；以及

驱动装置，用于通过生成参照信号和伺服信号来驱动扫描探头及检测关于样品表面的外形的信息；

其中该块型致动器响应参照信号而执行轻拍操作，薄膜致动器响应伺服信号而执行定位操作，且该参照信号的频率高于该伺服信号的频率。

2.按照权利要求1的原子力显微镜，其中该驱动装置还包括：

用于根据位置信号生成选择信号的装置；以及

用于响应选择信号而选择连接到所述各扫描探头的薄膜致动器上的输出端，从而将伺服信号提供给该薄膜致动器的开关单元。

3.按照权利要求1或2的原子力显微镜，还包括：

用于发射光束的装置；

用于在驱动装置的控制下将光束扫描到所述各扫描探头上的装置；以及

用于在上面显示表示样品表面的外形的图像的装置。

4.按照权利要求3的原子力显微镜，其中该驱动装置包括：

抽取装置，用于对电信号进行滤波来抽取与参照信号的频率分量不同的频率分量，其中该抽取的频率分量是与关于样品表面的外形的信息直接相关的；

用于生成参照信号并将其提供给块型致动器的装置；

用于生成伺服信号并将其提供给薄膜致动器的装置；

用于为了控制光束扫描装置而根据电信号生成位置信号的装置；以及

计算装置，用于计算悬臂在相对于样品表面的法线方向上移动的位移以根据抽取的频率分量，生成承载信息的位移信号。

5.按照权利要求4的原子力显微镜，其中该光束扫描装置根据从驱动装置生成的位置信号将光束扫描到所述各扫描探头上。

6.按照权利要求5的原子力显微镜，其中该尖端是设置在悬臂的自由端上的。

7.按照权利要求2的原子力显微镜，其中该块型致动器和薄膜致动器是设置在悬臂上与设有尖端的自由端相对的端上的。

8.按照权利要求7的原子力显微镜，其中该块型致动器是布置成在悬臂上与薄膜致动器相对的。

9.按照权利要求8的原子力显微镜，其中该检测转换装置包含：

多个用于检测光束并将其转换成电信号的光电探测器；以及

多个用于将电信号的电平放大成预定的信号电平的信号放大器；

其中各光电探测器连接在至少一个信号放大器上。

10.按照权利要求9的原子力显微镜，其中该检测装置还包括用于响应选择信号而选择信号放大器之一的开关单元。

11.按照权利要求10的原子力显微镜，其中该计算装置根据所抽取的频率分量与参照信号的频率分量计算对应于悬臂的弯曲量的位移以借此生成位移信号，其中悬臂的弯曲是由尖端与要观察的样品表面之间的原子间力导致的。

12.按照权利要求11的原子力显微镜，其中该伺服信号驱动薄膜致动器执行定位操作，其中该定位操作在样品表面的测定点上将悬臂的弯曲状态恢复到其平衡状态而不改变悬臂的当前位置。

13.按照权利要求12的原子力显微镜，其中该轻拍操作是该尖端以恒定的时间间隔周期性地与样品表面接触然后离开的操作。

14.按照权利要求13的原子力显微镜，其中表示样品表面的外形的图像是根据该位移信号重构的。

15.按照权利要求14的原子力显微镜，其中该位移信号对应于悬臂的弯曲量。

16.按照权利要求1的原子力显微镜，其中所述多个扫描探头为具有N×M个扫描探头的扫描探头矩阵，N与M分别为大于1的正整数。

17.按照权利要求5的原子力显微镜，其中该扫描探头矩阵包含与扫描探头的数目相同数目的开口。

18.按照权利要求17的原子力显微镜，其中各开口的宽度是由光束的入射与反射角确定的。

19.一种驱动能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的带有多个扫描探头的原子力显微镜的方法，包括下述步骤：

a)响应参照信号振动设在各扫描探头的块型致动器；

b)检测在其自由端上设有尖端的悬臂的弯曲量；以及

c)根据该悬臂的弯曲量将伺服信号传输给薄膜致动器；

其中该悬臂是设置在所述各扫描探头上的，及该块型致动器和薄膜致动器是设置成在悬臂上与设有尖端的自由端相对的。

20.按照权利要求19的方法，其中步骤b)包含下列步骤：

b1)向光束扫描器发射光束；

b2)生成位置信号，用于将光束扫描器定位到将光束引导至扫描探头之一上的一预定位置；

b3)检测从悬臂的尖端部分反射的光束；以及

b4)将反射光束转换成电信号以抽取其频率分量，其中该抽取的频率分量与参照信号的频率分量不同。

21.按照权利要求20的方法，其中该抽取的频率分量包含关于悬臂的弯曲的信息。

22.按照权利要求21的方法，其中步骤c)包含下列步骤：

c1)计算所抽取的频率分量与参照信号的频率分量之间的频率分量差；以及

c2)生成具有对应于计算的频率分量差的频率的伺服信号。

23.按照权利要求22的方法，其中该计算的频率分量差与悬臂的弯曲量直接相关。

24.按照权利要求23的方法，其中伺服信号驱动薄膜致动器去执行定位操作，其中该定位操作在样品的测定点上将悬臂的弯曲状态恢复到其平衡状态而不改变悬臂的当前位置。

25.按照权利要求24的方法，其中该块型致动器是布置成在悬臂上与薄膜致动器相对的。

26.按照权利要求25的方法，其中该块型致动器响应参照信号执行轻拍操作，其中该轻拍操作是该尖端以恒定的时间间隔周期性地与样品表面接触然后离开的操作。

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