CN101855534B - 自动扫描探针成像的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种操作扫描探针显微镜(SPM)(10)的方法，包括在所述SPM(10)的探针(14)与样品(22)相互作用时扫描所述样品(22)，以及收集响应于所述扫描步骤(36)的样品表面数据。所述方法从所述样品表面数据识别(38)所述样品(22)的特征，并且基于所述识别步骤(38)以自动执行所述特征的放大扫描(42)。所述方法操作为快速识别和确认目的特征如纳米微刺(asperity)的位置，以有助于执行所述特征的定向高分辨率成像。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年9月12日提交的美国临时申请No.60/971,828的优先权，该申请通过引用全文并入本文。
发明背景
技术领域
优选实施方案涉及利用扫描探针显微镜(SPN)使样品成像的方法，更具体而言，涉及利用SPN以高图像分辨率和扫描速率自动识别和验证小尺寸样品特征如纳米微刺(nano-asperities)的方法。
现有技术讨论
扫描探针显微镜如原子力显微镜(AFM)通过提供测量探针与样品之间的相对扫描移动并同时测量样品的一种或更多种特性来工作。典型的AFM系统示意性示于图I中。显示了采用探针装置12的AFM 10，探针装置12包括具有悬臂15的探针14。扫描器24在探针14和样品22之间产生相对运动，同时测量探针-样品相互作用。这样，可以获得样品的图像或其他度量。扫描器24通常由一个或更多个通过在三个正交方向上(XYZ)产生移动的促动器构成。扫描器24往往是包括使样品或探针在所有三个轴上移动的一个或更多个驱动器的单个集成单元，例如压电管促动器。或者，扫描器24可以是多个独立的促动器的组合装置。一些AFM将扫描器分成多个部件，例如使样品移动的XY扫描器和使探针移动的独立的Z促动器。
在常见的配置中，经常将探针14连接至用于以悬臂15的振动频率或接近的频率驱动探针14的振动促动器或驱动器16。另一种布置测量悬臂15的偏转、扭转或其他移动。探针14经常是具有集成的尖端17的微制造悬臂。
通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电信号，以使促动器16(或者扫描器24)驱动探针14振荡。探针-样品相互作用通常通过反馈由控制器20来控制。值得注意的是，促动器16可以连接至扫描器24和探针14，但是也可以作为自驱动悬臂/探针的一部分与探针14的悬臂15整体成形。
经常，当通过检测探针14振荡的一种或多种特性的变化来监测样品特征时，使选定的探针14振荡并与样品22接触，如上文所述。在这一点上，通常采用偏转检测装置25将光束导至探针14的背侧，然后使所述光束反射至探测器26，例如四象限光电探测器。注意，装置25的感测光源通常是激光，经常为可见或红外激光二极管。感测光束也可以通过其他光源产生，所述其他光源例如为He-Ne或其他激光源、超发光二极管(superluminescent diode，SLD)、LED、光纤或可以被聚焦至小点的任何其他光源。当光束经过检测器26时，合适的信号被传送到控制器20，后者对信号进行处理以确定探针14振荡的变化。一般地，控制器20产生控制信号以保持尖端与样品之间相对恒定的相互作用(或者操纵杆15的偏转)，典型地，以保持探针14之摆动的设定点(setpoint)特征。例如，控制器20经常用于将摆动幅度保持在设定点值AS，以确保尖端与样品之间大致恒定的力。或者，可以使用设定点相位或频率。
在控制器20中和/或单独的控制器中或连接或独立控制器的系统中还提供工作站，该工作站接收来自控制器的收集数据并处理扫描期间获得的数据，以执行选点、曲线拟合和距离测定操作。该工作站可以将所得信息存储在存储器中，利用它进行其他计算，和/或将其显示在合适的显示器上，和/或通过有线或无线将其传输到其他计算机或装置。存储器可以包括任何计算机可读数据存储介质，其例子包括但不限于计算机RAM、硬盘、网络存储、闪存驱动器或CD ROM。值得注意的是，扫描器24经常包括压电堆或压电管，其用于在测量探针与样品表面之间产生相对运动。压电堆是基于施加到设置在该堆上的电极的电压而在一个或更多个方向上运动的装置。压电堆经常与用于引导、约束和/或放大压电堆运动的机械挠曲件联合使用。另外，使用挠曲件来提高驱动器在一个或更多个轴上的刚性，如在2007年3月16日提交的题为“Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的共同未决的申请No.11/687,304中描述的。驱动器可以连接至探针、样品或两者。最典型地，驱动器组件以以下形式提供：在水平或XY平面内驱动探针或样品的XY驱动器以及使探针或样品在垂直或Z方向上运动的Z驱动器。
随着对SPM效用的继续开发，需要以更高的速度对不同类型样品成像以提高样品测量的通过量，包括对更大的样品区域成像。虽然AFM内在地具有由探针尖确定的分辨率(通常为几个纳米)，但是AFM图像中的精细度水平取决于扫描尺寸。例如，如果扫描尺寸为1μm，则常规的512×512像素图像具有2nm的精细度，但如果扫描尺寸分别为10μm和100μm，则每个像素为20nm和200nm。显然，高分辨率和大扫描尺寸是以通过量为代价的。利用相同的例子，如果10μm图像尺寸需要2nm的精细度，则像素密度需要为5000×5000，而不是512×512。因为AFM使用更快的扫描来获取图像，则在每条扫描线上增加10倍的数据将需要快10倍的Z反馈回路来获得每个像素的数据。获得图像的扫描时间也将变长10倍，其原因是顺序获得5000条数据线，使获得正常图像的时间从8分钟/帧增加至多于1个小时/帧。
其它因素也可限制成像速度，包括悬臂响应时间，X、Y和Z方向上可用的扫描器带宽，驱动扫描器的高压放大器的转换速率和带宽，悬臂的力传感速度以及解调系统和扫描力反馈系统。
SPM图像通常由在样品不同位置上所记录测量值的阵列构成。例如，图像可以包含在样品上一系列不同XY位置范围上测量的相对样品高度的局部值。其他测量值可以包括悬臂的幅度、相位和频率响应以及样品的电力和磁力、摩擦和刚度等。所测量的数据对于样品表面的具有代表性。
除了上述速度限制之外，通常逐步获得大区域样品中的高分辨率成像。特别地，大区域中的调查扫描(survey scan)经常用于确定样品是否包括感兴趣的特征。如果识别出特征，则AFM会允许使用者在该特征上放大数倍，直至获得期望的分辨率或达到尖端半径的极限。对特征是否应该被进一步成像(更高的分辨率)的判断是由熟练操作人员提供的，放大扫描可以利用大多数AFM工具手动启动。
纳米特征检测和测量的具体应用是数据存储中使用的磁盘的微刺测量。纳米微刺是硬盘介质上高度为几个纳米且直径为20-40nm的凹陷特征。在数据读/写过程中，读/写头的磁极尖端与磁盘介质之间的距离也在纳米范围内。如果纳米微刺的高度超过读/写头的运行高度的话，则纳米微刺可以永久性损伤或“撞伤”磁盘的读/写头。因此，例行地检查磁盘以监测纳米微刺的出现，优选利用AFM检查。
在这点上，一个问题是，考虑到要识别的缺陷的尺寸，待分析的磁盘面积相对大。光学技术能够在相对短的时间内测量大的区域；然而，这类技术不能够识别纳米微刺。AFM在这点上提供理想的解决方案。然而，代价是AFM扫描耗费相对长的时间，扫描速度为约1Hz，使得以10微米扫描尺寸对高数据密度位置处进行成像变得极其耗时。
而且，相关的问题是，由于纳米微刺1-2纳米的高度，需要大于1埃的精度。为了获得这种水平的精度，必须以相对低的速率操作AFM以产生可用的数据。目前实践中采用的折中方案是对于相对大的取样覆盖率以512×512线/图像扫描10μm×10μm面积，其耗费8.5分钟来完成一张图像，并且耗费多于一个小时来研究样品的小部分，例如选定的磁盘区域。然而，即便在以这种小心的慢速率成像时，每个数据点的像素尺寸是约20nm，与纳米微刺的尺寸相似。因此，不仅测量很容易错过小的微刺，而且当像素确实对应于纳米微刺时，高度数据很难用单个或甚至几个数据点来反映凹陷微刺的真实高度和形状。
当尝试正确地区分和识别纳米微刺的特征时，使用AFM也有困难，尤其是在考虑系统噪声时。系统噪声可由大量不同的来源引起，例如驱动器、探针悬臂15、电信号噪声等。系统噪声可导致纳米微刺的假阳性识别、纳米刺的错误表征。噪声是不连贯的。因此，当特征较大时，它们通常易于被熟练的使用者区分。然而，随着特征尺寸变小，这种噪声性质变得更不易区分。在慢速、高分辨率扫描期间，可以利用在低速(例如约1Hz)下取平均值的数据来补偿噪声。然而，该技术在更高速扫描期间不适用，这时与目的点有关的数据点数目低得多，并且通常扭曲而不是增强检测的特征，因而仍然依赖于熟练的操作人员。
然而，依赖于人的判断存在缺点，甚至当使用者是熟练的操作人员时也是如此。在特征非常小且图像噪声相对多的情形中尤其如此。参照图2，其示出根据一个示例性实施方案的利用标准AFM成像技术产生的示意性样品AFM图像27。图27示出AFM 10产生的输出(包括对纳米微刺28的识别)以及多个噪声距离29。如本领域中理解的，当尝试对纳米微刺尺度上的样品特征28进行识别和成像时，正常的操作人员无法将这些目的特征与噪声距离29区分开来。因此，利用AFM来对纳米微刺进行识别和成像并不高产。
随着不断降低读/写头飞行高度的趋势，使磁盘具有更小微刺的重要性越来越高。因此，小尺度缺陷检测领域需要以更快速率操作AFM而同时仍然能够提供高分辨率数据以及足够的数据质量控制的技术。
发明内容
高分辨率数据是通过对纳米尺度特征进行自动放大扫描来获得。放大扫描类似于数码相机中数据分辨率被实际提高的光学缩放。尽管有经验的操作人员通常可以确定放大位置，但是由于噪声和反馈环的偶然不稳定性，因此在分析对应于几个像素的数据时，即便是有经验的操作人员也可能误判微刺事件。最后，在尝试识别小尺寸特征如纳米微刺时，甚至有经验的AFM操作人员也不适合有效地作出区域中放大的实时决定。本发明的一个目的是开发一种算法以通过多维数据在调查扫描中实时检测微刺事件。在检测到微刺事件之后，扫描器或台会自动移向精确位置以进行高分辨率成像。本发明的另一目的是使整个仪器设定以及图案(例如纳米微刺)检测、高分辨率放大成像和报告产生过程自动化。
通过将调查扫描目的降低至检测而不是测量，可以以更高的速度在更大的区域内进行调查扫描，同时提高了通过量和数据分辨率。
一些优选的实施方案利用SPM自动执行一系列测量，包括在大区域进行调查扫描、识别期望的特征和随后根据特征性质执行高分辨率测量。
值得注意的是，人眼仅能同时观察一幅图像。另一方面，AFM工具通常同时产生6数据通道，包括用于高度、幅度、(或者，如果使用接触模式AFM的话则为偏转)和相位的描记/回描数据。将这些图像相关联可有效地区分噪声与真实数据。这些关联对于操作人员而言是不可能在实时成像期间建立的，并且遗憾的是，如果离线进行则毫无用处，其原因是由于漂移和滞后效应而无法将尖端可靠地定位于特定位置处。期望有实时(即在扫描成像进行时)检测特征存在情况并放大至特征位置以获得高分辨率数据的自动工具。这种工具将智能化地选择放大扫描区域，以避免过大的高分辨率扫描，从而仅在检测到预定的目的特征的时间和位置提供高分辨率数据。
本发明的一个关键优点是在大面积调查扫描期间自动识别期望的特征。特征检测使用多维数据，包括描记/回描中的反馈响应，以及相位和幅度数据。对多维数据的实时分析导致特征的主动识别。然后使用特征的坐标及性质，以合适的放大扫描尺寸和速度自动对特征进行高分辨率测量。特征检测在可通过压电扫描器获得的区域内进行，并通过机动台的偏移来进行。自动过程还包括通过使用基于反演的迭代前馈算法(inversion-based iterative feed forward algorithm)设定扫描器控制，以及设定用于悬臂反馈控制的成像参数，并且自动接合和分离AFM尖端。
根据优选实施方案的一个方面，描述了一种用于对一个或更多个样品特征进行识别和提供更高分辨率的基于探针的仪器。所述仪器包括扫描探针显微镜(SPM)，所述SPM包括探针，所述探针具有带尖端的悬臂；配置为识别所述样品的子部的特征识别引擎，所述子部包括利用至少两个识别参数基于所述样品表面数据进行检测的特征；和特征扫描控制器，所述特征扫描控制器配置为向所述SPM提供控制信号，以在所述SPM的探针与所述样品的所述子部相互作用时以第二分辨率扫描所述样品的所述子部，所述第二分辨率大于所述第一分辨率。
根据优选实施方案的另一方面，操作扫描探针显微镜(SPM)的方法包括当所述SPM的探针与样品相互作用时以第一分辨率扫描所述样品，以及响应于所述扫描步骤收集样品表面数据。然后所述方法利用至少两个识别参数由所述样品表面数据识别所述样品的特征，并且基于所述识别步骤以第二分辨率自动执行对所述特征的放大扫描，所述第二分辨率大于所述第一分辨率。
在优选实施方案的另一方面中，所述识别步骤包括确认所述特征的真实性，并且所述确认步骤包括利用一个或更多个验证测试来分析所述样品表面数据的描记和回描数据集。
根据优选实施方案的另一方面，所述确认步骤包括以下至少一个：分析所述样品表面数据的描记和回描数据集、基于神经网络的主元分析确认真实性以及利用图案识别分析将已知图案与所述特征进行比较。
根据优选实施方案的另一示例性实施方案，描述操作扫描探针显微镜(SPM)以对一个或更多个样品特征进行识别并提供更高分辨率的方法。所述方法包括：以至少5Hz的频率对样品进行调查扫描，从而基于所述SPM的探针与所述样品之间的相互作用以第一分辨率产生样品表面数据；识别所述样品的包含高度大于约1纳米之特征的子部；利用至少两个验证测试验证所述子部以将所述特征与噪声识别开，所述验证测试包括反馈逆相关测试、图案匹配测试和反对称测试中的至少一种；以及当所述SPM的探针与所述样品的所述子部相互作用时以第二分辨率对所述样品的经验证子部进行数据扫描，所述第二分辨率大于所述第一分辨率。
优选实施方案的一个方面还包括：其中所述验证步骤包括分析所述样品表面数据的描记和回描数据集以消除其中特征没有空间再现性的子部。另一方面包括识别描记及回描数据集中的滞后效应，以根据所识别滞后效应所得范围来确定空间再现性。另一方面包括对应于以下的至少一种信号：特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转，以及探针尖端延伸部(probe tip expand)与所述样品之间的摩擦、电响应和磁响应。
根据优选实施方案的另一方面，所述验证步骤是是基于神经网络的主元分析进行的，或者包括利用图案识别分析将已知图案与所述特征进行比较。本发明的另一方面包括在以所述第二分辨率进行扫描之前基于所检测特征的一个或更多个特性改变所述SPM操作的一个或更多个参数。
从以下详细说明和附图中，本发明的这些和其它特征和优点对本领域的技术人员而言将是很明显的。然而，应当理解，尽管指示了本发明的优选实施方案，但详细说明和具体实施例是以举例说明的方式给出的，而不是限制。可以在本发明的范围内进行许多变化和修改，而不脱离其精神，并且本发明包括所有这些修改方案。
附图说明
在附图中示出本发明的优选示例性实施方案，其中在整个附图中类似的附图标记代表类似的部件，其中：
图1是现有技术AFM的示意图，已正确标记为“现有技术”；
图2是利用标准AFM成像技术产生的样品AFM输出图，已正确标记为“现有技术”；
图3是示出优选实施方案的一种方法的流程图；
图4是示出根据图2方法的一种特征检测方法的流程图；
图5A-5D是显示示出空间相关性测试的描记/回描数据分析的一系列示例性示意图；
图6是示出在描记/回描操作中出现的空间相关性的图；
图7A-7D是显示示出反向对称测试的描记/回描数据分析的一系列图；
图8是根据优选实施方案获得的调查和数据扫描图像的示意图；
图9是与图8类似的显示多维数据相关性的调查和数据扫描图像的示意图；
图10是示出放大扫描的一系列AFM图像；和
图11是示出本发明一个替代方案的流程图。
具体实施方式
首先参照图3，优选实施方案的自动成像过程30包括以下步骤。根据一个示例性实施方案，过程30可以利用软件、硬件或固件实现并且配置为实施本文所述方法的特征识别引擎来实施。根据该示例性实施方案，特征识别引擎可以作为AFM控制器/计算机20中的软件过程来实施，并且将使用多维数据，包括例如实时成像期间的幅度、相位、偏移、描记和回描数据等，以识别目的特征并区分所识别目的特征和其它数据如噪声。
在框32中的启动和初始化步骤之后，成像操作的状态包括在框34中使系统自动设定悬臂探针操作参数。AFM系统设置包括使探针与样品配对以使其与样品相互作用，然后基于对幅度、噪声和反馈响应噪声水平的分析来优化反馈增益控制，以获得必要的反馈带宽。增益控制也可以在探针与样品相互作用时通过基于模块的控制器(得自系统的转换功能)来实现。随着AFM被正确地设置，方法30在框36中开始对大区域进行高速扫描，即调查扫描。在该框中，使用本受让人(Veeco Instruments，Inc.)的未决美国专利申请(美国No.11/800,679，发明名称为“Closed LoopController and Method for Fast Scanning Probe Microscopy”)中描述的基于反演的迭代前馈控制器来优化扫描器驱动，以避免扫描器的机械不稳定性，例如由系统共振引起的机械不稳定性。
在框38中，随着调查扫描的进行，分析每对描记/回描数据集以进行特征检测。可以将每对描记/回描数据集与其子部如特定坐标、一行坐标和样品的面积等进行关联。如果检测到目的特征，则基本上实时将这些特征用其坐标xi和yi标出，并且继续进行调查扫描。一旦调查扫描完成，就在框40中控制扫描器移至第i目的特征，并且方法30在框42中以更高的速度和分辨率对第i特征进行更小尺寸的扫描(放大扫描)。然后在框44中记录并传送相应的特征性质。然后，在框46中，方法30使探针和样品之间的位置移到第i+1特征，并进行数据(放大)扫描，直至扫描完调查区域中的所有特征。
当扫描所有的特征以产生放大高品质数据(或者如果没有目的特征，例如纳米微刺)时，在框48中通过AFM台将探针从该位置移回并移向下一位置，并且重复方法30。如果下一位置样品在扫描器XY范围内，则不需要移回探针。新的位置扫描可以通过简单地使XY扫描器移至经已编程的位置移至新的位置坐标或者通过其他类型的控制(如用户控制)来进行。
特征检测根据图4中显示的方法50的以下步骤进行。在框52中，方法50通过分析用于纳米微刺检测的图案特征高度、相位和/或幅度来确定是否在特定位置检测到阳性事件。这种事件检测可以针对上述数据的任何变化，例如1nm阈值，由此指示高度大于1nm的特征的存在。随着AFM操作的实时成像，依次对每个像素进行数据分类。
方法50的框54-58涉及进一步验证特征的特性，以避免假事件阳性特征ID。虽然框54-58描述了多个特征识别参数，但是本领域的技术人员会理解，特征识别可包括使用这些参数中的一个或更多个。根据一个优选实施方案，可以使用至少两个识别参数来进行特征识别。特征识别可以包括执行一个或更多个验证测试，其中遵循对扫描线内的样品进行的初始特征识别来确定特征的存在和/或特性。
在框54中，检测尺寸标准。使用特征的横向和垂直尺寸的现有知识来选择通过事件检测的具有期望横向尺寸的特征。注意，高速扫描可因反馈响应的延迟和悬臂动力学而使收集的数据在扫描方向上具有延长的尺寸。可根据反馈特性将这一因素考虑在内。特征尺寸的知识也可以是预定图案，或者通过神经网络分析的主元。在框56中，分析空间相关性。与噪声不同，物理特征应该总是出现在相同的几何位置，并且具有相似的形状。因此，描记和回描的扫描线应该在基本上相同的几何位置处遇到相同的特征。另一方面，噪声和扰动在随机的时序出现，即现象几乎不会在描记和回描线的相同几何位置处相关。
接下来，在框58中，进行反馈逆相关。该特性将其遇到地形壁垒时的反馈响应对称性考虑在内。反馈通常在其击中壁垒时敏锐地产生响应，但是当其穿过壁垒时表现出降落伞效应(对于该现象的解释，参见未决申请美国No.11/800,679，发明名称为“Closed Loop Controller and Method forFast Scanning Probe”)。该特性关于描记和回描扫描线的特征位置对称。描记和回描线的局部数据子集被水平翻转并缩放到相同的幅度。将相关性缩放因子认为是特征的另一个特性。当事件通过所有这些测试时，它通常被确定为阳性特征ID。它的坐标被用作放大扫描，这提供一种区分例如噪声和真实特征的手段。
参照图5A-5D，其示出了空间相关性操作。首先参照图5A，其示出用于单个成像线的描记定时图400。图400显示，对于单个成像线，将对同一表面进行多次描记以获得多组数据。第一描记在第一次经过样品上方时收集初始数据。第二描记402在相反的描记方向上通过同一区域。第一描记401和再描记402可以在描记方向上、一次或另一次描记期间的噪声等方面具有差别。在完成描记402之后，可以进行第二次描记403以提供额外的数据集。
现在参照图5B，第一实心方块410示出由描记401和403产生的描记数据，该描记数据包括在成像期间出现的数据事件412、422、414和424。事件412-424均满足事件检测标准。然而，现在参照图5C，当在同一空间绘制描记和回描数据时，412和422未显示在基本相同的位置处。因此，412和422不能作为潜在的目的特征，即纳米微刺。现在参照图5D，另外两个事件414和424出现在这对描记-回描线的相同几何位置处，因此通过了特征ID测试。在这点上，通常进行进一步测试。
参照图6，其示出在描记/回描操作中出现的空间相关性的图。图430和440代表作为探针在向前和向后的方向上扫描(即描记-回描操作)样品线时的探针位置函数而绘制的数据集。描记图430和回描图440显示了具有基本上同一线性空间位置的AFM扫描。如图430和440可见，噪声例子432依时序随机出现，因此可能出现在图430和440中的任意位置。相反，特征434恒定地出现在具有相同高度的相同位置处。因此，这种相关性被定义为数据的空间相关性。尽管特征434通常出现在相同的空间位置处，但是特征位置的变化可因描记和回描扫描中的滞后现象而稍微偏移，但仍然保持在基本上相同的位置处。
描记图430进一步示出在遇到特征434时产生的数据集。特征434在遇到特征时引起初始峰436，然后在探针经过特征434之后由于遇到下落边缘而控制系统尝试使探针尖端尽可能快地再次接触样品时探针的降落伞效应而引起的凹陷438。回描图440显示，峰436和凹陷438在回描期间为逆序排列，在描记操作之后特征的下降边缘变成上升边缘。
接下来，在图7A-7D中，分析了在描记/回描操作期间出现的反向对称的图。首先参照图7A，第一实心方块510示出通过描记产生的描记数据，该描记数据包括在成像期间出现的数据事件512、522、514和524。事件512-524都满足事件检测标准。此外，如图可见，事件512和514也满足上述参照图5的空间相关性测试。反向对称是当反馈环不完全响应于特征时高速和大尺寸扫描的反馈特性的反映，有时也被称为“降落伞效应”。参照图7B，其示出不引起降落伞效应的事件。然而，现在参照图7C，事件514和524表现出降落伞效应。当探针尖端遇到事件514中的特征时，急剧的幅度减小使反馈迅速响应，其显示为特征514的描记线中z急剧上升。当尖端离开特征514时，由悬臂动力学限定的幅度缓慢增加，导致反馈环的缓慢响应。在回描线524中，尖端从右手侧击中特征。因此降落伞效应出现在左手侧。现在参照图7D，利用本发明的分析工具，可以除去局部数据，并且将描记/回描数据集之一绕其最大值翻转。然后将翻转的回描段530缩放至具有与描记段相同的高度，并计算两段的相关性因子和缩放因子。其结果用作用于特征ID的另一筛选器，其中修改和未修改数据越一致，则对阳性ID的指示越大。例如，相关因子为1通常将提供强烈的阳线特征ID指示。另一方面，在存在噪声的情况下，例如0.7或0.8的相关因子就可以满足条件。
接下来参照图8，示出描记/回描扫描610的图600代表具有大尺寸且利用高扫描速率操作的AFM获得的调查扫描。随着成像的进行，对每条数据线进行实时分析。特征612在多维数据集(例如高度、幅度、相位和图案形状)中表现出独特性质，并且被认为在描记-回描线610中存在数据相关性。这种相关性用于标记对特征的识别。然后使用偏移来将成像过程的中心重新置于更小的扫描尺寸处，从而提供具有更高的数据密度和品质的增强数据集620。
现在参照图9，图700示出大尺寸调查扫描(扫描710)，高速扫描线通常数据点不足，并伴有高噪声。在一个优选实施方案中，对多维数据如高度、幅度、相位和谐波进行如框714中显示的尺寸、空间和反向对称测试，使得特征ID在存在噪声和干扰的情况下具有高检测速率和最低的可能假ID率。在进行扫描710并在扫描期间识别阳性特征712之后，随后进行放大扫描720以获得高分辨率数据。
现在参照图10，放大扫描的顺序由图案识别过程来执行。首先，利用之前提到的包括高度、幅度、相位和谐波响应的任一种数据类型来分析具有已知图案区域820的大扫描810。一旦在大扫描810内识别到图案820，则自动执行放大扫描。图案830出现在图案820内。这种具有目的特征的最高分辨率的图案在扫描830中进一步放大，以获得上述数据类型的任一种或全部。
在一个替代实施方案中，将与测试中特定样品相关的预知图案(位置/参数等)与调查扫描数据的全集或子集进行比较。如图11所示，方法70包括执行图案匹配分析(框72)，并且当出现匹配时，记录特征ID(框74)，并且AFM在检测区域进行至放大扫描以获得高分辨率数据。因此，图案匹配过程包括简单的图案关联、主元分析和/或其他图案识别工具。
在一个实例中，一个优选实施方案可按以下说明执行：
＊＊：这些是基于受让入使用少量样品集合做出的临时规格。
尽管上文公开了本发明人考虑实施本发明的最佳方式，但是本发明的实践不限于此。可对本发明特征进行明显的添加、修改和重新布置，而不脱离本发明基本构思的精神和范围。
Claims (31)
1.一种操作扫描探针显微镜SPM(10)以识别一个或更多个样品特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括：
在所述SPM(10)的探针(14)与样品(22)相互作用时以第一分辨率(36)扫描所述样品；
收集响应于所述扫描步骤的样品表面数据；和
在收集所述样品表面数据期间，
利用至少两个识别参数，基于所述样品表面数据识别(38)所述样品的包括所检测特征的子部；和
自动在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率(42)扫描所述样品的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
2.权利要求1所述的方法，其中所述识别步骤(38)包括确认(50)所述特征的真实性。
3.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括分析所述样品表面数据的描记和回描数据集。
4.权利要求3所述的方法，其中所述数据集包括对应于以下的至少一种信号：特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端(17)延伸部与所述样品(22)之间的摩擦、电响应和磁响应。
5.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)是基于神经网络的主元分析进行的。
6.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括利用图案识别分析(72)将已知图案与所述特征进行比较。
7.权利要求1所述的方法，还包括在以所述第二分辨率(42)进行扫描之前，基于所检测特征的一个或更多个特性改变所述SPM(10)操作的一个或更多个参数。
8.权利要求1所述的方法，其中识别所述样品(22)的子部包括识别所述样品(22)的包括纳米微刺的子部。
9.权利要求1所述的方法，其中所述第二分辨率是基于所述检测特征的一个或更多个特性来确定的。
10.权利要求1所述的方法，其中识别所述样品(22)的子部包括执行回描操作以消除基于噪声的检测特征。
11.一种用于识别一个或更多个样品(22)特征并提供更高分辨率的基于探针的仪器，所述仪器包括：
扫描探针显微镜SPM(10)，所述SPM(10)包括探针(14)，所述探针(14)具有带有尖端(17)的悬臂(15)；
配置为识别(38)所述样品(22)的子部的特征识别引擎，所述子部包括利用至少两个识别参数基于所述样品表面数据检测的特征；和
特征扫描控制器(20)，所述特征扫描控制器(20)配置为向所述SPM(10)提供控制信号以在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率扫描(42)所述样品(22)的所述子部，所述第二分辨率高于所述特征识别引擎所使用的第一分辨率。
12.权利要求11所述的仪器，其中识别(38)所述样品(22)的子部包括确认(50)所述特征的真实性。
13.权利要求12所述的仪器，其中确认(50)所述特征的真实性包括分析所述样品表面数据的描记和回描数据集。
14.权利要求13所述的仪器，其中所述数据集包括对应于以下的至少一种信号：特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端(17)延伸部与所述样品(22)之间的摩擦、电响应和磁响应。
15.权利要求12所述的仪器，其中确认所述特征的真实性是基于神经网络的主元分析进行的。
16.权利要求12所述的仪器，其中确认(50)所述特征的真实性包括利用图案识别分析将已知图案与所述特征进行比较。
17.权利要求11所述的仪器，其中所述特征扫描控制器(20)配置为在以所述第二分辨率进行扫描之前基于所检测特征的一个或更多个特性改变所述SPM(10)操作的一个或更多个参数。
18.一种操作扫描探针显微镜SPM(10)以识别一个或更多个样品(22)特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括：
基于所述SPM(10)的悬臂探针(14)与样品(22)之间的相互作用以第一分辨率(36)扫描所述样品(22)，以产生样品表面数据；
识别(38)所述样品(22)的包括基于所述样品表面数据检测的特征的子部；
基于至少两个验证测试来验证所述子部，所述验证测试包括反馈逆相关测试(58)、图案匹配测试(72)和反向对称测试中的至少一种；
和
自动在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率(42)扫描所述样品的经验证子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
19.权利要求18所述的方法，其中所述识别步骤(38)包括确认所述特征的真实性(50)。
20.权利要求19所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括分析所述样品表面数据的描记和回描数据集。
21.权利要求20所述的方法，其中所述数据集包括对应于以下的至少一种信号：特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端延伸部与所述样品之间的摩擦、电响应和磁响应。
22.权利要求19所述的方法，其中所述确认步骤(50)是基于神经网络的主元分析进行的。
23.权利要求19所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括利用图案识别分析(72)将已知图案与所述特征进行比较。
24.权利要求18所述的方法，还包括在以所述第二分辨率(42)扫描之前基于所检测特征的一个或更多个特性改变所述SPM(10)操作的一个或更多个参数。
25.一种操作扫描探针显微镜SPM(10)以识别一个或更多个样品(22)特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括：
以至少5Hz的频率对样品(22)进行调查扫描(36)，以基于所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)之间的相互作用以第一分辨率产生样品表面数据；
识别(38)所述样品(22)中包括具有高度大于1纳米的特征的子部；
利用至少两个验证测试来验证所述子部，以将所述特征从噪声中识别出来，所述验证测试包括反馈逆相关测试(58)、图案匹配测试(72)和反向对称测试中的至少一种；和
在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率(42)对所述样品(22)的经验证子部进行数据扫描，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
26.权利要求25所述的方法，其中所述验证步骤包括分析所述样品表面数据的描记和回描数据集以消除其中所述特征不具有空间相关性的子部。
27.权利要求26所述的方法，还包括识别所述描记和回描数据集中的滞后现象，从而根据基于所述识别滞后现象的范围来限定空间再现性。
28.权利要求26所述的方法，所述数据集包括对应于以下的至少一种信号：特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端延伸部与所述样品之间的摩擦、电响应和磁响应。
29.权利要求25所述的方法，其中所述验证步骤是基于神经网络的主元分析进行的。
30.权利要求25所述的方法，其中所述验证步骤包括利用图案识别分析(72)将已知图案与所述特征进行比较。
31.权利要求25所述的方法，还包括在以所述第二分辨率扫描之前基于所检测特征的一个或更多个特性改变所述SPM(10)操作的一个或更多个参数。
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