CN100594385C - 扫描探针显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扫描探针显微镜，它根据观察对象或观察目的，无需交换扫描仪，在维持高分辨率的状态下，可进行微小范围至广域的观察。该扫描探针显微镜中，设有使探针13在X-Y-Z轴方向上移动的探针侧扫描仪10与使样品12在X-Y-Z轴方向上移动的样品侧扫描仪11这两个扫描仪。使用最大扫描范围较小的扫描仪作为探针侧扫描仪10，使用最大扫描范围较大的扫描仪作为样品侧扫描仪11，并根据观察对象或观察目的掉换二者而使用。或者，利用探针侧扫描仪10进行微小范围的扫描，并且通过样品侧扫描仪11使观察视野移动。

Description

扫描探针显微镜
技术领域
本发明是关于一种扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope；SPM)。
背景技术
扫描探针显微镜，是利用微小探针(probe)扫描样品表面，并且检测与样品间的相互作用，由此可检测该样品表面的形状或物理量以将其图像画，且具有扫描隧道技术显微镜(Scanning Tunneling Microscope；STM)，其利用探针与样品间流动的电流作为上述相互作用，或原子力显微镜(Atomic Force Microscope；AFM)，其利用作用于探针与样品间的原子力作为上述相互作用。
图3表示先前所知的原子力显微镜的主要部件的结构(参照如日本专利早期公开第特开2000-338027号公报([0003]，[0004]，图7)等)。原子力显微镜具有：悬臂34，在其前端具备尖锐的探针33；位移检测系统，用以检测该悬臂34的位移；三维扫描仪31，用以在其上面载置样品32，以使该样品32在X-Y-Z轴方向上移动，且当探针33的前端非常接近(数nm以下的间隙)载置于三维扫描仪31上的样品32时，探针33的前端与样品32的原子之间产生原子力(引力或斥力)的作用。于此状态下，一面由扫描仪31扫描，以使探针33与样品32在X-Y平面内沿样品表面相对移动，一面反馈控制探针33与样品32间的距离(Z轴方向的高度)，以使上述原子力保持为固定。此时，由于Z轴方向的反馈量是相应于样品32的表面凹凸情况，所以基于此可获得样品表面的三维图像。
位移检测系统是用以检测上述悬臂34于Z轴方向的位移，且具有：激光光源35，用以在悬臂34的前端附近照射激光；以及光检测器36等，用以检测由悬臂34反射的该激光，并利用光学杠杆原理检测悬臂34的挠曲角度，由此可检测悬臂34的上下运动。
而且，在扫描探针显微镜中，除了在如上所述的三维扫描仪上载置样品，并通过此三维扫描仪使样品移动而进行观察之外，也可如图4所示，在悬臂34上安装三维扫描仪30，并通过此三维扫描仪30使探针33移动而进行观察。此情形下，也可根据来自位移检测系统的信号，一面反馈控制三维扫描仪30在Z轴方向上的位移，一面通过X-Y平面内的扫描，取得样品表面的三维图像，以使作用于探针33与样品32之间的原子力固定。
扫描仪是包含压电元件(piezo元件)的大致圆筒状体，其通过由外部施加的电压，在特定范围内分别于X轴、Y轴、及Z轴方向上自由地位移。扫描探针显微镜可观察的范围，由该扫描仪在X-Y轴方向上的可动范围(即最大扫描范围)而定，最大扫描范围较大的扫描仪，可确保更大的观察范围。为扩大扫描仪的最大扫描范围，故然可以增大扫描仪的尺寸，但是另一方面，为获取高分辨率的图像，以提高装置整体的刚性，必需减小扫描仪的尺寸。即，一般地，最大扫描范围较大的扫描仪难以获得高分辨率的图像，从而难以同时实现确保较大的观察范围与以高分辨率进行观察。
因此，在扫描探针显微镜中，必需根据观察对象或观察目的，分开使用最大扫描范围不同的扫描仪，但会出现这样的问题：扫描仪的交换或其后的设定变更等需花费时间。
而且，近年来为修正由压电元件的非线形性引起的尺度误差，并入有位置检测器的扫描仪得以实用。即可由位置检测器检测扫描仪的位移，并通过将此位移信号反馈至扫描仪的驱动机构，在维持线形性的状态下，获取较大范围的观察图像。然而，这种情形下，通过并入位置检测器，使装置进一步大型化，产生难以高分辨率观察的问题。
而且，通过扫描探针显微镜中样品的热漂移等，使观察视野随时间而移动。由此，通常是以所获取的观察图像为基础，检测由热漂移等产生的视野移动量，并通过扫描仪修正，以此可在同一视野内继续观察。然而，可进行高分辨率观察的小型扫描仪中，由于最大扫描范围较小，长时间观察时，无法完全修正观察视野的移动，有时会出现欲观察的区域向视野外移动的情形。
发明内容
于是，本发明所欲解决的课题，是提供一种扫描探针显微镜，其可在微小范围直至广域内进行观察，而无需交换扫描仪。此外，本发明所欲解决的课题，是提供一种扫描探针显微镜，其在维持高分辨率的状态下，可实现广域内的观察或维持线形性的观察、以及在同一视野内的长时间观察等。
为解决上述课题而完成的本发明的扫描探针显微镜，是通过微小探针扫描样品表面，以此检测样品表面的三维形状或物理量，
其特征在于具有：
a)探针移动机构，其使探针在X-Y-Z轴方向上移动；
b)样品移动机构，其使样品在X-Y-Z轴方向上移动，上述样品移动机构在X-Y轴方向上的可动范围，大于上述探针移动机构在X-Y轴方向上的可动范围；
c)微小范围观察机构，其利用上述探针移动机构取得样品表面的数据；以及
d)广域观察机构，其利用上述样品移动机构取得样品表面的数据，且通过掉换上述微小范围观察机构与上述广域观察机构，而使观察视野的广度改变。
本发明的扫描显微镜的第2形态如上述第1形态，其特征在于：进一步具有
e)位置检测器，其检测上述样品移动机构的位置；以及
f)非线形性修正机构，其根据上述位置检测器所检测的上述样品移动机构的位置信息，修正该样品移动机构的非线形性。
本发明的扫描显微镜的第3形态如上述任一形态，其特征在于：进一步具有
g)漂移检测机构，其检测因热漂移产生的观察视野的移动方向及移动量；以及
h)漂移修正机构，其根据上述漂移检测机构所检测的观察视野的移动方向与移动量，控制上述样品移动机构，由此进行热漂移的修正。
根据具有如上结构的本发明扫描探针显微镜，通过上述样品移动机构及上述探针移动机构，可使样品与探针分别在X-Y-Z轴方向上移动，从而可实现此前难以进行的各种观察。
例如，上述本发明扫描探针显微镜的第1形态，可替换使用X-Y轴方向上可动范围较小(即最大扫描范围较小)的探针移动机构、与X-Y轴方向上可动范围较大(即最大扫描范围较大)的样品移动机构，当进行微小范围观察时使用前者，而进行广域观察时使用后者，因此无须像先前那样根据观察对象或观察目的而交换扫描仪，从而可节省扫描仪交换或设定变更时所花费的时间。
而且，根据上述本发明扫描探针显微镜的第2形态，将X-Y轴方向上可动范围较小的探针移动机构与X-Y轴方向上可动范围较大的样品移动机构并用，利用探针移动机构进行微小范围的扫描，并且利用样品移动机构使观察视野移动，从而在维持高分辨率的状态下进行自微小范围到广域的观察成为可能。
而且，本发明扫描探针显微镜的第3形态中，设有位置检测器，用以检测X-Y轴方向上可动范围较大的样品移动机构的位置，并根据该样品移动机构的位置信息反馈控制样品移动机构，由此补偿扫描仪的非线形性，从而在广域扫描时获取维持线形性的图像成为可能。
进而，本发明扫描探针显微镜的第4形态中，设有漂移检测机构，其检测热漂移产生的观察视野移动方向及移动量；以及漂移修正机构，其使样品移动机构移动，以便通过样品移动机构消除该观察视野内的移动，由此，可利用微小范围扫描用探针移动机构进行观察，并且通过样品移动机构修正漂移，从而在高分辨率观察时，长时间维持同一视野也成为可能。
附图说明
图1表示本发明第1实施例的原子力显微镜的大致结构图。
图2表示本发明第2实施例的原子力显微镜的大致结构图。
图3表示先前的原子力显微镜一个示例的模式图。
图4表示先前的原子力显微镜其它示例的模式图。
10：探针侧扫描仪        10a，11a：压电元件
11：样品侧扫描仪        12，32：样品
13，33：探针            14，34：悬臂
15，35：激光光源        16，36：光检测器
17：探针侧扫描仪驱动部  18：样品侧扫描仪驱动部
19：位移量计算部        20：扫描仪控制部
21：控制/处理部         22：监视器
23：输入部              24：位置检测器
30，31：三维扫描仪      32：样品
具体实施方式
以下，使用实施例，对用以实施本发明扫描探针显微镜的最佳形态进行说明。
[实施例1]
图1表示本发明扫描探针显微镜的一实施例，即原子力显微镜的大致结构。本实施例的原子力显微镜，具备样品侧扫描仪11，在上面保持有样品12，可在X-Y轴方向上扫描该样品12，并且使它在Z轴方向上位移；以及探针侧扫描仪10，其装在具有探针13的悬臂14上，可在X-Y轴方向上扫描探针13，并且使它在Z轴方向上位移。
探针侧扫描仪10与样品侧扫描仪11，其最大扫描范围不同，此处，使用最大扫描范围较大的扫描仪(广域扫描用扫描仪)作为样品侧扫描仪11，并使用最大扫描范围较小的扫描仪(微小范围扫描用扫描仪)作为探针侧扫描仪10。
探针侧扫描仪10与样品侧扫描仪11，分别连接于探针侧扫描仪驱动部17以及样品侧扫描仪驱动部18，各扫描仪驱动部按照来自扫描仪控制部20的信号，对构成各扫描仪的压电元件10a、11a施加适当的电压，由此可使各扫描仪在X-Y-Z轴方向上驱动。
而且，本实施例的原子力显微镜具备位移量计算部19，其根据来自位移检测系统的光检测器16的信号，计算出悬臂14的位移量，并将根据该位移量计算部19所计算出的悬臂14的位移量，输入扫描控制部20。扫描控制部20根据该位移量，以使探针13与样品表面之间的原子力总是固定的方式，即探针13与样品表面之间的距离总是固定的方式，计算出用以使探针侧扫描仪10或样品侧扫描仪11在Z轴方向上位移的电压值，并且通过探针侧扫描仪驱动部17或样品侧扫描仪驱动部18，使探针侧扫描仪10或样品侧扫描仪11在Z轴方向上微动。
而且，扫描控制部20按照预先决定的扫描图案计算出X轴、Y轴方向的电压值，以使样品12在X-Y平面内对于探针13作相对移动，并且通过探针侧扫描仪驱动部17或样品侧扫描仪驱动部18，使扫描仪在X轴与Y轴方向上微动。
反映Z轴方向反馈量(扫描仪电压)的信号也被送入控制/处理部21，控制/处理部21在X、Y轴方向的各位置处通过处理此信号而再现样品表面的三维图像，并将此在监视器22上描绘出。另外，控制/处理部21可通过搭载于通用计算机上的专用软件等实现，并通过连接于该通用计算机的键盘或鼠标等输入部23，将操作者的指令输入控制/处理部21。
利用本实施例的原子力显微镜进行样品观察时，首先操作者通过输入部23进行特定的操作，由此而选择与欲观察的区域大小相应的适宜扫描仪。此处，当选择探针侧扫描仪10时，将来自扫描仪控制部20的驱动信号送入探针侧扫描仪驱动部17，并将对应此驱动信号的电压施加至探针侧扫描仪10的各压电元件10a。而且，当选择样品侧扫描仪11时，将驱动信号送入样品侧扫描仪驱动部18，并将对应此驱动信号的电压施加至样品侧扫描仪11的各压电元件11a。进行微小范围观察时，使用最大扫描范围较小的探针侧扫描仪10进行扫描而取得图像，此时未使用样品侧扫描仪11。并且进行广域观察时，使用最大扫描范围较大的样品侧扫描仪11而取得图像，此时未使用探针侧扫描仪10。
另外，此时操作者也可不选择如上使用的扫描仪，而是根据操作者所输入的观察范围的大小，控制/处理部21自动判断使用哪一个扫描仪，并向扫描仪控制部20发送指令。
而且，如上所述，对应于欲观察的区域宽度，不仅可分开使用探针侧扫描仪10与样品侧扫描仪11，也可两者并用，通过探针侧扫描仪10在微小范围内扫描而取得图像，并且通过样品侧扫描仪11使观察视野移动，由此可一面维持高分辨率，一面进行较大范围的观察。如此情形下，自扫描控制部20对探针侧扫描仪驱动部17输出有驱动信号，用以扫描样品表面而取得图像，同时对样品侧扫描驱动部18输出有驱动信号，用以使样品12向任意位置移动。此时，通过样品侧扫描仪而使样品12移动的量，根据操作者使用输入部23所作的设定，由控制/处理部21计算出，并送至扫描仪控制部20。
而且，观察视野由于热漂移等移动时，通过控制/处理部21，从连续取得的两张观察图像中抽出相同部位，自动计算出该部位的移动量与方向。此外，控制/处理部21从这些信息计算出使样品12向该视野移动修正方向的移动量，并将此结果通过扫描仪控制部20送至样品侧扫描仪11。由此，下一个观察图像中，为使样品12向相反方向仅移动漂移量，在监视器22上以样品12不移动的方式进行观察。以此方式，在本实施例的原子力显微镜中，可一面使用最大扫描范围较小的探针侧扫描仪10进行高解像度观察，一面使用最大扫描范围较大的样品侧扫描仪11进行漂移修正，从而在维持同一视野的状态下，进行长时间高解像度的观察成为可能。
[实施例2]
本实施例的原子力显微镜，设有位置检测器24，用以检测样品侧扫描仪11在上述实施例1的原子力显微镜中的位置。根据这种结构，可将来自位置检测器24的信号反馈至扫描仪控制部20，以补偿因压电元件的非线形性产生的尺度误差。因此，根据本实施例的原子力显微镜，如上所述，将样品侧扫描仪11与探针侧扫描仪10并用，以高解像度进行较大范围的观察时，也可在维持线形性的状态下，使样品12在较大范围移动，从而使先前难以对样品正确定位并且进行高分辨率的观察成为可能。
以上，使用实施例对用以实施本发明的最佳形态进行了说明，但本发明并非限定于上述实施例，在本发明范围内允许各种变更。例如，本发明的构成，不限于如上述实施例的原子力显微镜，也可适用于扫描隧道技术显微镜等各种扫描探针显微镜。而且，与上述实施例相反，也可以最大扫描范围较小的扫描仪作为样品侧扫描仪，并以最大扫描范围较大的扫描仪作为探针侧扫描仪。于此情形下，如上述进行漂移修正等而视野移动时，使用探针侧扫描仪。

Claims (4)

1.一种扫描探针显微镜，其通过微小探针扫描样品表面，以此检测样品表面的三维形状或物理量，其特征在于具有：
a)探针移动机构，其使探针在X-Y-Z轴方向上移动；
b)样品移动机构，其使样品在X-Y-Z轴方向上移动，上述样品移动机构在X-Y轴方向上的可动范围，大于上述探针移动机构在X-Y轴方向上的可动范围；
c)微小范围观察机构，其利用上述探针移动机构取得样品表面的数据；以及
d)广域观察机构，其利用上述样品移动机构取得样品表面的数据，且通过掉换上述微小范围观察机构与上述广域观察机构，而使观察视野的广度改变。
2.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：进一步具有
g)漂移检测机构，其检测因热漂移产生的观察视野的移动方向及移动量；以及
h)漂移修正机构，其根据上述漂移检测机构所检测的观察视野的移动方向与移动量，控制上述样品移动机构，由此进行热漂移的修正。
3.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：进一步具有
e)位置检测器，其检测上述样品移动机构的位置；以及
f)非线形性修正机构，其根据上述位置检测器所检测的上述样品移动机构的位置信息，修正该样品移动机构的非线形性。
4.如权利要求3所述的扫描探针显微镜，其特征在于：进一步具有
g)漂移检测机构，其检测因热漂移产生的观察视野的移动方向及移动量；以及
h)漂移修正机构，其根据上述漂移检测机构所检测的观察视野的移动方向与移动量，控制上述样品移动机构，由此进行热漂移的修正。
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Design and construction of a high-resolution 3Dtranslationstage for metrological application. W.L.de.Koning.Applied Physics A,Vol.66 . 1998
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Towards-Automatic-Nanomanipulation:DriftCompensationinScanning Probe Microscopes. B.Mokaberi and A.A.G.Requicha.Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation,2004. 2004
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