CN101960287B - 快速扫描的扫描探针显微镜以及对其进行操作的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够在力控制反馈下对任意特性的较大样品进行迅速扫描以获得高分辨率图像的方法和装置。该方法包括：在扫描探针显微镜(SPM)的探针(215)与样品(112)之间产生相对扫描移动，以至少30行/秒的速率将探针扫描通过至少4微米的扫描范围；以及用至少1mm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。能够获得这些结果的优选SPM具有至少具有闭环带宽的力控制带宽的力控制器，所述闭环带宽至少为10kHz。

Description

快速扫描的扫描探针显微镜以及对其进行操作的方法

发明背景

政府权利声明

本发明是在如下机构资助的美国政府支持下进行的：美国国家标准技术研究院/先进科技计划(NIST/ATP)(资助#70NANB4H3055)。美国对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜(SPM)，更具体而言，涉及能够以高采集速率来采集高质量图像的SPM以及对这种SPM进行操作的方法。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)，比如原子力显微镜(AFM)等，是通常使用针尖以及较低的针尖-样品的相互作用力来表征小至原子尺寸的样品的表面的设备。一般来说，SPM包括具有针尖的探针，该针尖被引至样品的表面以探测样品特性的改变。通过在针尖与样品之间提供相对的扫描移动，能够在样品的特定区域上采集特性数据并能够生成样品相应的图。

原子力显微镜(AFM)是一种很常见类型的SPM。图1中示意性地示出了典型的AFM。AFM 10采用具有悬臂14和针尖16的探针12。扫描器24在针尖-样品的相互作用被监测的同时生成探针12与样品22之间的相对运动。以此方式，可获得样品的图像或其它测量。扫描器24通常包括一般生成在三个正交方向(XYZ)上的运动的一个或更多个致动器。扫描器24可以是使样品或探针在全部的三个轴上移动的比如压电管致动器的单个集成单元。在示出的实例中其使探针12移动。或者，扫描器可以是多个单独致动器的组合。有的AFM将扫描器分成多个部件，例如使样品移动的xy致动器以及使探针移动的单独的z-致动器。探针12常常被连接到用于以或以接近于悬臂14的共振频率来驱动探针12的振动致动器或驱动器15。有多种可选方案测量悬臂14的偏转、扭转或其它的运动。探针12常常由具有集成针尖16的微加工悬臂14形成。

如果针对操作的振动模式来配置AFM，则从在探针-样品的相互作用的控制下的交流(AC)信号源18施加的电子信号通常由控制器20通过力控制反馈对其进行控制。通过将感测光束从感测光源(比如激光器等，未示出)射向悬臂14的背面来监测悬臂14的运动。光束随后被反映给探测器26(比如四象限光电探测器等)。随着光束穿过探测器26，适当的信号被传输给控制器20，该控制器20对所述信号进行处理以确定探针14的振动上的变化。

控制器20生成控制信号以维持针尖16与样品之间相对恒定的相互作用或者悬臂14恒定的偏转。测量涉及在反馈下控制扫描器24使样品或探针(本实例中的探针12)与样品22的表面相对垂直地上下移动。控制扫描器24通过引起在至少大致上平行于样品22的表面的“x-y”平面内的相对的针尖-样品的移动来执行扫描操作。(注意，因为许多样品具有偏离平坦平面的粗糙部分、弯曲部分和倾斜部分，所以使用了用语“大致上平行”。这里也可以使用用语“平行”且应当将其解释成同样意指“大致上平行”。)扫描通常采取光栅扫描的形式，在所述光栅扫描中沿在y方向上紧密排列的x方向上的线获取数据。x方向上的线的最大长度被称作“扫描范围”。以此方式，与这种竖直运动相关联的数据可被存储并随后被用来构造与正在测量的样品特性(例如表面形貌)对应的样品表面的图像。

所测量的针尖-样品的相互作用的特性将会部分地取决于AFM的预设的操作模式。即，AFM可被设计成在包括接触模式和振动模式的多种模式下进行操作。在接触模式下，将探针12降低到与样品22相互作用，监测悬臂偏转或相关的特性并将其控制至设定值。在振动模式(比如叫做“轻敲模式”(TappingMode^TM(TappingMode^TM是为本受让人所有的商标))的常见模式等)下，探针振动器15以或以接近于悬臂14的共振频率经由AC信号源18来振动探针。力控制环路试图维持此振动的振幅在期望的设定值，以使“针压”(即，针尖/样品的相互作用所引起的力)最小化。(有多种可选的反馈方案保持相位和/或振动频率或者它们的组合恒定。如在接触模式中，这些反馈信号随后被收集、存储并被用作表征样品的数据。)

无论AFM的操作模式如何，通过使用压电扫描器、光杠杆偏转探测器和用光刻技术制造的非常小的悬臂，AFM能够在空气、液体或真空中在很多种绝缘的或导电的表面上获得低至原子级的分辨率。由于AFM的分辨率和多功能性，在从半导体制造到生物学研究的许多领域中AFM都是重要的测量设备。

最广泛采用的商用SPM通常需要几分钟的总扫描时间来以高分辨率(例如512×512像素)、低针压和高图像质量覆盖几平方微米的面积。一般来说，SPM扫描速度的实际限制是如下所述的最大速度的结果：SPM能够在被以该速度扫描的同时维持足够低而不会对针尖和/或样品造成损伤或者至少将对针尖和/或样品的损伤限制在可接受的水平的针压。

如今很多组织都进行了对高速SPM的研发，所述组织包括：例如，加利福尼亚大学的Paul Hansma、金泽大学的Toshio Ando、布里斯托尔大学的Mervyn Miles、莱顿大学的Frenken Group等研究小组以及比如Olympus和Infinitesima等商业公司。

要获得高质量、高速度的AFM图像需要AFM的每个及各个主要的子系统都具有出色的性能。正如链条的强度是由最弱的链决定的，高速AFM的性能常常由其最弱或最慢的子系统决定。不能提供必要的范围、速度、带宽、回转速率、线性等的AFM子系统将会导致整个系统的性能下降和/或图像质量上无法接受的缺陷。尽管有一些良好的进展，但早期的SPM系统尚未获得为广泛实现可应用的高速AFM所需要的成套可同时存在的性能量度。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种能够对任意特性的较大样品进行快速扫描以获得高质量高分辨率的图像的方法。该方法包括：在SPM的探针与样品之间产生相对扫描移动，以按至少30行/秒的速率将探针扫描通过至少4微米的扫描范围；以及用至少1毫米/秒(mm/sec)的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。

为了使噪声对所采集的信号的影响最小化，采取了一些手段以相比于在等于约七倍的扫描频率的扫描带宽内的位置传感器所呈现的噪声，减小致动器位置的噪声。这些手段优选地在所有三个主要方向上采取前馈控制和反馈控制的组合。前馈控制可以包括使用反演控制算法，该反演控制算法使用与致动器相关联的传递函数。

可以使用根据本发明配置的SPM扫描很多种导电的或非导电的样品，包括图案化的晶片、生物学样品、聚合物、薄膜以及数据存储装置部件。本发明实施例可以扫描RMS粗糙度大于5nm的样品、扫描长宽比＞5∶1的样品以及扫描具有高度上大于50nm的很陡峭的阶状结构的高度波浪状的样品，比如沟槽和通孔等。

可以在力反馈下进行扫描，以防止或减小针尖或样品的磨损或损伤。

为了有利于此方法的性能，SPM可以具有：具有高的基本共振频率的相对较刚性、重量相对较轻的针尖扫描器。该针尖扫描器具有大于5kHz、优选地大于7kHz以及更优选地大于10kHz的最低基本共振频率。它优选地与致动器可或不可移动的光学物镜(最优选为扫描物镜)相结合。该物镜将感测或照明光聚焦在SPM的探针上。物镜在扫描头内可以竖直移动，以扩大激光器或其它感测光源的聚焦范围，从而允许使用具有相应高的共振频率的相对高的悬臂。可移动的物镜还允许将照明光聚焦在明显分开的物体上，比如探针和远在探针下的样品。物镜还可以是在x-y平面中随扫描器移动的“跟踪物镜”，以允许感测光束的聚焦点在扫描过程中至少大体上跟随探针的扫描运动。可提供光学系统，以允许以一个整体的形式对集成光学显微镜的照明光束以及感测光束进行摇摄。此摇摄允许在对聚焦的照明光束的直接或间接视觉观察下在悬臂上对聚焦的感测光束进行对准或瞄准。此对准或瞄准允许使用具有相应较小的共振频率的更加小的悬臂。

探针可以包括具有集成针尖的高带宽微加工悬臂。可以使用电化学蚀刻进行微加工以限定悬臂长度。探针可具有大于30kHz的力探测带宽，在振动模式下被启动时施加到样品的力小于10纳牛(nN)，并具有约10μs的阶跃响应时间。

根据本发明的另一方面，提供了一种SPM，包括：探针；按至少30行/秒的速率、在至少4μm的扫描范围上在探针与样品之间产生相对运动的扫描器；以及在闭环反馈下控制探针/样品的相互作用的力控制器，该力控制器具有至少5kHz的力控制带宽。力反馈控制器可以通过组合z致动器、控制器以及探测器来形成。

通过以下的详细描述和附图，本发明的这些及其它特征和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而应当理解，虽然指出了本发明的优选实施例，但这些详细描述和具体实例是以示例性而非限制性的方式给出的。在不脱离本发明精神的情况下，可在本发明的范围内做出多种改变和修改，且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

附图中图示了本发明的优选示例性实施例，其中，相同的附图标记始终代表相同的部分，以及其中：

图1示意性地图示了现有技术的AFM并适当地标注了现有技术；

图2示意性地图示了本发明的AFM的实施例的简化概念图；

图3A是通过适当地标注为“现有技术”的现有技术的AFM所获得的示例性图像；

图3B-3G是通过根据本发明构造的AFM的实施例所获得的示例性图像。

图4A和图4B是图示了AFM的z-致动器的回转速率的图。

图5A和图5B示意性地图示了本发明的AFM的实施例的高带宽z-致动器的简化图；

图6A-6C是图示了图5A和图5B的z-致动器的响应特性的图。

图7示意性地图示了本发明的AFM的实施例的物镜透镜和高带宽z-致动器的简化图；

图8示意性地图示了根据本发明优选实施例构造的SPM扫描头的一部分；

图9是图示了图8中图示的z-致动器的响应的图；

图10示意性地图示了根据本发明另一优选实施例构造的SPM扫描头的一部分；

图11是可用于本发明优选实施例的SPM扫描头的透视图；

图12示意性地图示了图11的扫描头的针尖扫描器；

图13是图11的扫描头的立剖图；

图14是包括x-y致动器和物镜和相关联的支撑结构的图11和图13的扫描头的一部分的顶部平面图；

图15是图11和图13的扫描头的物镜的立剖图；

图16是根据本发明实施例的SPM系统的一部分(包括扫描控制系统)的简化示意图；

图17是根据本发明实施例的SPM系统的一部分(包括力/z-轴控制系统)的简化示意图；

图18A-18G示意性地图示了用于生产可用于本发明优选实施例的微加工悬臂的过程；

图19A和图19B分别是使用图19A-20E中示意性地图示出的过程生产的悬臂的底部平面图和侧视图；

图20A和图20B分别是本发明优选实施例中使用的悬臂和现有技术的悬臂的力响应曲线；

图21是可用于监测图12-15的针尖扫描器的操作的应变式传感器装置的透视图；

图22A和22B是图21的应变式传感器装置的一部分的顶部平面图；

图23是包括图21的应变式传感器装置的针尖扫描器的一部分的透视图并图示了被用来在各种应变计与读出电子部件之间提供电连接的弹性电缆设备；以及

图24示意性地图示了可用于本发明优选实施例的前馈-反馈控制环路的部件。

具体实施方式

如以上“发明内容”部分所讨论的，本发明涉及快速反应型扫描探针显微镜(SPM)(比如原子力显微镜(AFM)等)并涉及其操作方法。优选的SPM具有在以较高速度扫描较大样品的同时还能获得高质量图像的能力。

现在将对实现了这些以及许多其它的目标的、AFM形式的SPM的优选实施例进行描述，理解的是，可以提供落在本发明范围的AFM和其它SPM。

1.系统概述

相比于现有技术的AFM，这里图示和描述的优选AFM包含多个改进的部件，即：

·能够以达到100kHz的带宽进行操作的力控制环路(第2部分)；

·具有高的基本共振频率且具有便于探针瞄准和跟踪的集成光学系统的针尖扫描器(见下面的第3部分)。

·支持对较大样品进行高速扫描的AFM系统架构(见下面的第4部分)；

·高带宽探针(见下面的第5部分)；

·监测针尖扫描器的致动器的操作以允许对扫描器的所有致动器的精确反馈控制的小型应变式传感器(见下面的第6部分)；以及

·采用前馈反馈控制以获得无正弦失真或者无需对正弦失真进行校正的线性图像的扫描控制器(见下面的第7部分)。

如之前所提到的，现有的SPM受到参数的限制，这些参数包括它们的xy和z范围、它们的力控制带宽和回转速率以及xy扫描速度。现在将描述相比于现有的AFM，本发明的创新是如何实现突破性的性能的。将首先参照简化概念图来描述关键部件，然后转到对关键部件的更详细的描述。

参照图2，使用高共振扫描器224、相对于样品112对高带宽AFM探针215进行扫描。高带宽探针215通常包括悬臂216以及安装在悬臂216的自由端部上的针尖218。可替选地，高带宽探针215可以包括用于支撑针尖的膜或者允许探针的一部分弯曲或伸缩以允许针尖218的运动的任意复杂的几何形状。高带宽探针215的悬臂216(或者其它针尖支撑部件)具有优选地大于10kHz和更优选地大于50kHz的响应带宽。高带宽扫描器224移动探针215以在针尖218与样品112之间产生相对运动。在这种方案中，由于扫描器224的动态特性不受样品尺寸和重量的影响，所以系统能够对甚至较大和/或较重的样品进行扫描。扫描器224具有优选地大于5kHz且更优选地大于10kHz的加载的基本共振频率，并可以被用来以大于30行/秒、更优选地大于100行/秒和最优选地大于1000行/秒的扫描速率来产生扫描运动。扫描控制器82生成控制信号以允许针尖扫描器224的高速运动。在示例出的实施例中，扫描器224对探针215进行扫描，但通过物理扫描样品而非探针，或者通过物理扫描样品和探针，也能够获得本说明书中所描述的快速扫描优点中的许多优点。

可以振动探针针尖218以用于TappingMode^TM、非接触模式、扭转共振模式(TR-Mode^TM)、扭转谐振模式、(Harmonix^TM)和/或其它的振动针尖模式。在此情况下，通常以或者以接近于悬臂216(或另一针尖支撑部件，比如膜)的共振来振动针尖。这种悬臂或膜或类似的针尖支撑部件具有优选地大于800kHz、更优选地大于1MHz和更加优选地大于5MHz的共振频率。可替选地，可以按接触模式操作探针针尖218。

探针针尖218与样品112的表面的相互作用导致探针针尖218的运动上的改变。可以通过多种技术(包括公知的光杠杆技术)，通过光学干涉仪、多普勒测振仪，或者通过电容式、压电式或压阻式探测来探测该运动。也可采用产生表示探针的运动和/或位置的信号的其它技术。在光学探测技术的情况下，光束穿过扫描透镜264和266并随后被悬臂反映或在悬臂处散射开并且被探测器230接收到。扫描器224可移动扫描透镜264和266，以使得它们的运动与针尖的运动同步。以此方式，透镜所产生的聚焦点跟踪移动的悬臂。探测器230具有足以探测探针针尖218的运动的带宽。通常，这意味着，探测器具有大于探针针尖218的振动频率的带宽，和/或具有高于在样品上对针尖进行扫描时作为针尖-样品的相互作用的结果而探测到的运动的频率的带宽。

高带宽/高回转速率的力控制器408被用来使针尖-表面的相互作用最小化或者对针尖-表面的相互作用进行控制。在这些高扫描速度的过程中，常常采用力控制器使针尖和样品的损伤最小化。力控制器还可被用来使AFM维持在特定的相互作用级别和/或特定的针尖-样品的距离。力控制器408向用于对相对的针尖-样品的距离进行调节的高带宽/高回转速率致动器226发送控制信号。力控制器408具有优选大于10kHz、更优选地大于50kHz、最优选地大于100kHz的闭环力控制带宽。此外，力控制器408连同z-致动器226具有优选地大于1mm/sec、更优选地大于4mm/sec和最优选地大于7mm/sec的回转速率。

表1中概括了根据本发明构造的系统的优选性能特性：

表1.关键的品质参数

	优选的性能	更优选的性能	最优选的性能
				XY扫描范围	＞4um	＞10um	＞20um

XY扫描器基本共振	＞5kHz	＞7kHz	＞10kHz
				XY扫描速率	＞30行/秒	＞100行/秒	＞1000行/秒
力控制带宽	＞10kHz	＞50kHz	＞100kHz
				力控制回转速率	1mm/sec	4mm/sec	7mm/sec
AFM探针带宽	＞10kHz	＞20kHz	＞50kHz
				悬臂共振频率	＞800kHz	＞1MHz	＞5MHz

就掌握的来看，没有任何现有技术的SPM获得包括即使是第一列即“优选的性能”列的性能特性组合。然而，发明人使用本说明书中所描述的技术已获得了超过“更优选的性能”列的性能特性组合。此外，发明人已设计出并成功测试了达到“最优选的性能”列的性能的子系统。相信本文中所提供的信息已然实现了构造获得“最优选的性能”列中所列出的特性的系统。性能特性的这些组合实现了扫描速度、扫描范围、图像质量和力控制的前所未有的组合。下面将对各种子系统另外的突破性的性能进行描述。

发明人已经使用本文中所描述的AFM获得了具有特别好的结果的各种样品的高质量AFM图像。图3B-3G示出了在本发明的一个实施例上得到的一些代表性的图像。图3A和图3B示出了对使用传统AFM(图3A)和使用根据本发明构造的高速AFM(图3B)所得到的共聚物样品的轻敲模式相图(使用例如美国专利No.RE36488中所描述的技术采集的)的比较。两个图像都是在以79行/秒进行扫描时获得的。传统AFM通常以低于每秒若干行的速率来测量这些样品。从图3A注意到，当以高速使用传统AFM时，来自其的图像呈现出许多力控制差的伪影(白点和条纹，(用“PQ”标注出了一个例子))以及分辨率和对比度的损失。对比之下图3G的高速AFM图像呈现出非常清楚的高分辨率图像。

图3C和3E分别示出了C₆₀H₁₂₂的有机单分子层、钛薄膜以及多晶硅膜的示例性的高速图像。这些图像中的每个图像都是从按大于30行/秒的速度的扫描获得的。这些样品被选择来测试对样品(在柔性有机单分子层的情况下)和针尖(在钛和多晶硅膜的情况下)的损伤。在延长的时间段内、用本发明的AFM的优选实施例，所有的样品均可以被成像而对针尖和/或样品没有明显的损伤。

图3F和图3G示出了

聚合物膜的图像。图3F示出了用4000×4000的像素分辨率按60行/秒成像的4um的区域。以约1行/秒的传统扫描速度，采集此图像将会需要1小时以上。以60行/秒，采集3F中的图像只需要1分钟以上。图3G示出了按488行/秒采集的Celgard样品的图像。

以下部分将对实现上述性能所需要的关键改进中的一些进行概述。

2.力控制

悬臂探针、力控制器和z致动器一起形成力控制环路的一部分。(力控制环路还可以包含连接这些主要部件的光学的、光电的、模拟的和/或电子的多种变型。)如之前所提到的，AFM或其它SPM的扫描速度的实际限制是如下所述的最大速度的结果：SPM能够在被以该速度扫描的同时维持足够低而使得对针尖和/或样品的损伤最小或者无损伤的针压。使用力控制环路来调节AFM探针的相对位置，以跟踪样品表面的变化并试图将针尖-样品的相互作用力维持在可接受的损伤阈值以下。力控制环路的性能部分由三个关键的品质参数决定：力控制带宽、回转速率以及范围。

将首先讨论力控制带宽。在具有直流(DC)响应和高频截止的系统的情况下，力控制带宽可以被表示成与DC响应相比小振幅输入信号衰减3dB时的频率。随着AFM针尖在样品表面上进行扫描，样品表面的空间变化变成所测量的悬臂响应中的时间变化。例如，考虑AFM探针在周期为100nm的正弦表面上进行扫描的情况。如果在10um的扫描范围上以每秒100行的速率对此样品进行扫描，则AFM探针所探测到的结果信号会具有由下式给出的频率f_s：

f_s＝2(100行/秒)×(10um/100nm)＝20kHz

(此示例性的实例中的因数2来自在两个方向(所谓的“跟踪和回扫”(“trace and retrace”))上对样品进行扫描的通常的(而不是必需的)做法。)

如果力控制反馈环路为20kHz，则正弦特征的振幅在力控制器输出端处将会减小3dB。使用本说明书中所描述的部件，本发明人开发出了具有针对接触模式AFM超过100kHz和针对轻敲模式或其它振动针尖成像模式超过15kHz的带宽的力控制环路。然而，注意，通过记录“误差信号”(即代表悬臂的实际运动与力控制器的设定值之间的差别的信号)，仍可以按高于力控制器的带宽的频率得到样品特征的信息。在一优选实施例中，使用误差信号和z-致动器的运动这两者来重新构造对样品形貌的精确测量。

如之前所提到的，SPM性能的一个限制是如下所述的速度：能够以该速度在样品上扫描针尖而不对针尖和/或样品引起无法接受的损伤。如果样品形貌的变化比力反馈环路能够响应的更快，则在扫描过程中可能发生对针尖和/或样品的损伤。在此情况下，力误差将会累积。当力误差引起的应力大于针尖和/或样品所能够承受的时，可能发生损伤。使用弹性常数足够低的悬臂以使得未补偿的力的变化小，能够减轻此问题。虽然屈服应力对于不同的针尖和样品材料是不同的，但仍期望创建力控制带宽尽可能高的系统。

下一个品质参数是力控制回转速率或者简称为“回转速率”。力控制环路的回转速率是控制环路能够驱动致动器移动针尖攀爬陡峭边缘的速率，并以用语“距离/单位时间”来描述。与攀爬这种边缘关联的挑战可以参照图4A理解，图4A示出了具有公共最大高度h_MAX的第一和竖直的第二侧壁902和904的任意横截面形状的样品特征900。沿着这些侧壁的任何点将具有0(假定该特征的底部在高度为0的参考平面内)与h_Max之间的某个高度h_ACT。没有完美成像该特征的SPM将生成用图4A中虚线902’和904’表示的图像，在该图像中所确定的高度h_DET中至少有一些将偏离对应的实际高度h_ACT。任意给定点的所得误差的大小是差h_ACT-h_DET。最大的这种误差(通常出现在第一壁902的前缘以及第二壁904的后缘)是在图4B的曲线906中的点908和910处所见的峰值误差，为e_MAX。对系统而言所期望的系统回转速率是这种回转速率：在将误差维持在可接受的限度之内的同时避免损伤针尖和/或样品。

在实践中，具体系统所需的回转速率由xy扫描速度和针尖的角度给出。更具体地，z方向上的所需回转速率V_z由下等式给出：

$V_z=\frac{V_x}{\tan \mathrm{\θ}}$ 等式1

其中：

V_x是快速扫描(通常为x)方向上的相对针尖速度；以及

θ是针尖相对于竖直方向的半角。

当探针需要跟随陡峭特征(例如沟槽或阶部)时，高的力回转速率V_z就尤其重要。回转速率V_z决定能够由图2的放大器130施加来使致动器226能够跟随陡峭特征的电压。例如，以10um的最大扫描范围、以快速扫描或在“x”方向上、以100Hz扫描竖直阶部，这意味着x回转速率V_x为10um×100Hz＝1mm/sec。在针尖半角θ为10°的情况下，期望的z-致动器回转速率会是5.7mm/sec。

在本发明的一个实施例中，AFM的力控制器采用积分反馈来控制针尖-样品的相互作用力。在一阶积分反馈的情况下，当针尖试图跟踪倾斜特征时，将会产生稳态误差。误差的振幅由下式给出：

e＝V_z/K_v，      等式2

其中：

V_z是竖直回转速率，以及

K_v是速度环路增益。

这隐含了期望的系统设计，以使得：

K_v＝V_z/e_max，等式3

其中，e_max是最大可接受的误差。

为了举例说明，考虑一具体实例的情况。在传统的轻敲模式或非接触模式中，一般期望振幅误差不超过悬臂的振动振幅。在误差超过振动振幅的情况下，悬臂针尖会与样品静态接触，而生成比所期望的更大的力。例如，如果考虑悬臂以50nm的振幅进行振动的情况，一般会希望避免大于50nm的位置误差e。在接触模式下，常常期望通过控制悬臂的最大偏转来限制针尖-样品的相互作用力。常常，最大期望悬臂偏转在几到几十纳米的同一范围中。对所举的实例而言，取50nm的最大期望误差。如果使用e_max＝50nm和来自上述实例的V_z＝5.7mm/sec，则应当力图构建具有如下de速度环路增益的系统：

K_v＞(5.7mm/sec)/(50nm)＝114000/s。   等式4

对于较小的可接受误差或者较大的回转速率，应当将较高的K_v作为目标。本发明人已经获得了140000的速度环路增益。(注意，所需的K_v将取决于给定样品和针尖的形貌和刚度。因此，用最高的K_v可以成功地对最广泛范围的样品成像。)

速度环路增益K_v是针对一阶积分反馈环路的品质参数。在传统的比例积分(PI)反馈环路中，通过系统增益在相移为180°的情况下必须小于1的稳定性需求来设置增益K_v的最大值。(在增益高于1的情况下，存在不稳定的正反馈。)常常通过SPM系统的相移和/或电子/机械共振来设置直流增益K_v的极限值。这些共振生成增益对频率的峰值，如果直流增益的值太高，则这些峰值将会在180°时使系统增益超过1。对于具有以f_n为频率的主共振且品质因数为Q的系统，K_v的极限值由下式给出

K_v＝2πf_n/Q        等式5

(尤其是在多个密集共振的情况下，有更复杂的共振行为的AFM系统可具有更复杂的稳定性准则。)本发明人设计了Q为4、具有90kHz的力控制环路中的最低主共振频率的扫描针尖的AFM系统。因此速度环路增益由k_v＝2π(70kHz)/4＝140000/s给出。在允许的振幅误差为50nm的情况下，这支持如下的回转速率V_z：

V_z＝K_v/e_max，＝140000/s×50nm＝7.0mm/sec。

注意，之前的讨论是为了举例说明的，可以构造和实施用于实现更高回转速率和力控制带宽的更加成熟的力控制算法。例如，可以通过以机械的、电子的和/或数字的方式抑制系统在特定频率的振幅响应来减小共振的影响。这具有减小共振的品质因数Q、允许更高的K_v值以及从而更高的回转速率的效果。例如，几个小组已经开发了基于模型的控制方案。在此主题上的作者包括例如Stemmer、Schitter、Ando、Salapaka以及Zhou。在典型的基于模型的SPM控制方案中，测量一个或更多个致动器的动态性能，并设计开环控制方案以使无用的激发共振最小化。典型的第一个步骤是系统识别，其是将扫描器的振幅和相位响应与频率进行一一对应，从而产生被称为“传递函数”的特性的过程。该传递函数随后被用来计算获得最高扫描器带宽的同时试图使无用共振的振动最小化的最优控制器。典型的策略包括文献中所描述的H∞(H-infinity)控制器或H2控制器。在任何情况下，都期望实施控制系统以及它们的子部件，来支持对稳态误差e的维持，以控制针尖/样品的损伤。

说回到作为主要品质的回转速率，使用本说明书中所描述的设计，本发明人在接触模式下获得了大于7mm/sec的闭环力控制回转速率。为了获得这些速率，发明人开发了如下关键能力：(1)因此能够夹持和移动AFM针尖并具有高达90kHz的基本共振频率的z-致动器，(2)用足够的功率和带宽驱动z-致动器的高压放大器，(3)足够快从而可以利用该快速z-致动器的反馈电子。这些能力中的每个都将在随后的部分中进行讨论。

发明人构建了本发明的多个实施例，这些实施例实现了对带宽、回转速率、范围以及其它主要优点的改进。图5A和5B中示出了一个这样的实施例。该实施例是在由本受让人Veeco Instruments所制造的经过修改的Dimension CL AFM头上构造的。所述的AFM是具有如美国专利No.6032518、No.5714682、No.5560244和No.5463897中所描述的光学跟踪的扫描针尖AFM。上述专利都被转让给了Veeco Instruments，并因此通过引用将其合并。

参照图5A-5B，快速致动器226由对置的压电堆叠6和8组成。在相反的方向上同步驱动这些压电堆叠，以使到AFM结构的其它部分的高速竖直运动的传递最小化。(例如见美国专利No.6323483、No.6861489和No.6590208，这些专利都被转让给了Veeco Instruments，并因此通过引用将其合并。)将对置的压电堆叠6和8安装到连接到慢速z-致动器113(其在此特定实例中是Dimension CLAFM头的压电管致动器的一部分)的安装板9上。将快速模拟PI反馈控制器2与慢速PI反馈控制器4套装起来，以控制针尖-样品的相互作用力。高压放大器131和130分别对慢速致动器和快速致动器的控制信号进行放大。放大器中的一个放大器130具有可调节的增益，以使得两个对置的z-致动器6和8的动量精确地抵消彼此的运动。为了获得z-致动器224的高共振频率，发明人开发了包括两个刚性金属半盘9a和9b、有一层聚合物粘弹性阻尼材料11(图5B中所示)夹在半盘9a与9b之间的安装板9。使用有限元分析将安装板9设计成足够刚性，以使得在压电堆叠6和8的安装表面处生成的力传递到支撑慢速z-致动器113的最少。粘弹性阻尼材料(未示出)还被应用于压电堆叠6和8的外表面，以减小致动器的品质因数Q。适合此用途的粘弹性阻尼材料是在半盘9a与9b之间的层，包括但不限于：雕塑粘土、硅橡胶以及其它的粘弹性聚合物。

为了在本实施例中获得具有高线性和图像质量的、速率大于30Hz的扫描，发明人采用了如在审查中并被正常转让的申请S/N 11/800679(通过引用将其合并)中所描述的迭代式的基于模型的扫描控制。基于模型的控制对xy扫描器224提供的扫描波形进行迭代调节，以使扫描的寄生共振和非线性失真最小化。

图6A中的曲线13示出了该设计的开环z-致动器的动态，在点15示出了约为180kHz的致动器装置的基本共振频率。根据图6A的示意图在闭环操作下对该AFM系统进行测试。该系统获得了分别如图6B和6C中的曲线17和18所示的54kHz的闭环带宽以及5mm/sec的阶跃响应回转速率。

发明人还使用基于挠性的扫描器和精度扫描物镜、围绕可替选的AFM设计构建了额外的实施例。图7中示出了此设计的快速z-致动器226的简化示意图。图7也示出了根据本发明一个实施例的聚焦和观察物镜的简化示意性的设计。感测光束经过扫描透镜264和266聚焦在探针215的针尖附近。透镜264和266被夹持在能够相对于壳体288竖直平移的透镜底座340中。这种相对运动允许对物镜的焦点进行调节以将探针215或样品(未示出)置于对焦点中。探针215安装在连接到壳体288的液体密封窗87的下面。高带宽z-致动器226也连接到壳体。

以使得图2和图11-13的扫描头210的部件的寄生共振的激发最小化的方式安装图7中示出的实施例的z-致动器226。这可以例如通过将致动器安装在不将振动传递给周围结构的非常刚性的底座上来达到。它还可以通过吸收振动的非常顺从性的结构、和/或通过如之前所描述的平衡z-致动器的动量来达到。

现在参照图8，示出了可用于图7的扫描器中的z-致动器226的一个实施例。本实施例是使用粘在刚性底座82上的2×3×3mm的压电堆叠81构造的。薄金属膜88覆盖压电堆叠81的移动端。膜88起使堆叠变得更刚性并引导堆叠以使探针的无用运动最小化的挠性部件的作用。楔形部件89被安装在挠性膜88上，而悬臂探针215被安装在楔形部件上。如图9中所示，使用此设计并结合系统的机械共振的主动阻尼，发明人获得了大于100kHz的闭环致动器带宽。

现在参照图10，在另一实施例中，z-致动器226包括附着于刚性底座82上的压电环形堆叠80。使用厚度可控的胶粘线84将压电环形堆叠80粘附在刚性底座82上。压电堆叠80与刚性底座82之间插入直径为0.3mm的钢球86。球86能够完成两件事情。首先，它们提供了刚性安装表面与压电堆叠之间的刚性机械连接。第二，它们控制胶粘线的厚度。弹性环氧树脂(例如Scotchweld 2216)被选作允许压电堆叠80的安装表面扩大而不在压电堆叠或安装表面中产生无用应力的胶粘，这些无用应力会造成z-致动器的运动到其它轴和/或其它系统部件的寄生连接。挠性部件88安装在压电环形堆叠80的表面上，以使如若不然则其频率会低于期望的伸展(z-轴)模态的频率的xy和yz弯曲模态变得更刚性和更小。注意，对具体尺寸的球、环氧树脂的选择和压电环形堆叠的描述是为了实现和举例。还可采用许多其它方案。

3.针尖扫描器

现在将对图12中示意性示出的整个扫描头210的其它子系统的细节、连同包括所述扫描头的AFM 100进行描述。在序列号为11/687304(‘304申请)、题为《快速扫描SPM扫描器和对其进行操作的方法》(《Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same》)的正在审查当中并被共同转让的美国专利申请中也描述了这种针尖扫描器，因此通过引用将其整体主题内容合并。应当理解，也可以在不背离本发明的精神的情况下还可采用其它很多种针尖扫描器甚至样品扫描器。

转到图11和图13-15，本实施例的扫描头210具有承载跟踪物镜234以及z致动器226的x-y致动器224。由x-y致动器224的移动部件所形成的扫描器以及随这些部件移动的结构使探针或针尖相对于样品移动并可以被认为是“针尖扫描器”。这种针尖扫描器具有优选地至少5kHz、更优选地至少7kHz和更加优选地至少10kHz的最低基本共振频率。它还在x和/或y方向上具有优选地至少4μm、更优选地至少15μm和更加优选地为20μm或更大的较大的扫描范围。“扫描范围”通常将会是在光栅扫描的长(或x)方向上的扫描的长度，但不限于该情况。在y方向上、或者用适当配置的致动器沿既有x分量又有y分量的曲线，也可以进行扫描。下面结合图13-15来更详细地描述在x和/或y方向上获得这些特性的针尖扫描器。

具体参照图12，优选实施例的针尖扫描器被安装在扫描头210上。针尖扫描器包括xy致动器224的移动部分以及随它移动的结构(即探针215、z-致动器226和物镜234)。注意，z-致动器可以可替选地或额外地被配置成与针尖扫描器分离并改为使样品移动。也可以使用z-致动器226操纵探针215在z方向上移动。

在一个实施例中，针对x、y和z轴的致动器是压电堆叠。然而，它们也可以采用任意数量的其它操纵技术，所述技术包括但不限于：其它的压电装置，从电致伸缩、磁致伸缩、静电、电感、和/或音圈驱动机制形成的致动器，以及响应于输入信号产生运动的其它致动器。x致动器和y致动器可以集成在x-y致动器或载物台224中。

再次参照图12，扫描头210还支持允许对样品进行光学检查的光学显微镜232。显微镜232包括光学系统228的一部分以及物镜234。光学系统228将照明光束和感测光束导向探针215，并将所反映的感测光束导向探测器230以及将所反映的照明光束导向接收器236。物镜234可以额外地聚焦在超出悬臂位置的样品上。在此情况下，照明光束聚焦在样品上，样品的图像穿过物镜234到达接收器236。接收器236可以例如是成像设备(比如照相机等)。电荷耦合装置(CCD)的照相机是合适的成像装置。可替选地或额外地，可以在扫描头210之上和/或之外提供单独的光源和接收器。除了照相机以外或者不用照相机的话，接收器236可以是人眼。

照明光束可以是能够从视觉上或者用合适的仪器进行观测的任何形式的光。它可以来自超高亮度的发光二极管(LED)或者发白炽光的、发荧光的或基于电弧的光源。它可以是单色的(例如红色LED)也可以是接近白光或甚至是白光的较宽光谱源。

物镜234位于从光学系统228到探针215的光路上。它可以承载z致动器226和探针215，以使得全部三个设备作为整体竖直移动。它也可以是扫描物镜。即，它可以连接到x-y致动器224，以使得物镜234、z致动器226以及探针215在x-y致动器224的动力下都在x-y平面中水平移动。在一个优选实施例中，物镜234完成两项任务：(1)将感测光束聚焦到探针上；以及(2)提供探针和/或样品的光学图像。在其它实施例中，物镜可以被布置成只完成这些任务中的一个和/或完成额外的任务。在一个优选实施例中，物镜234将入射的感测和照明光聚焦在扫描头210下方的物体(通常为悬臂和/或样品)上。此外，结合光学系统228，它将出射的照明光导向接收器236并将出射的感测光导向探测器230。出射的照明光形成物体的图像。如下面所讨论的，可以在驱动器238的动力下驱动包含其光学系统的物镜234的一部分在z方向上移动，以扩大物镜的聚焦范围。

现在将参照图13描述光学系统228与物镜234之间的相互作用。

如以上结合图12简要讨论的，光学系统228和物镜234将入射的感测光束导向悬臂216并将出射的感测光束导向探测器230。通过位于光学系统228其余部分的上方的反射镜420，照明光束也被导向进入物镜234和从物镜234射出。有很多种方案和装置能够执行这些功能。这些方案或装置的设计和实施是计量技术领域的技术人员所公知的。在以上所引用的‘304申请(如上所述，通过引用将其合并)中详细公开了一个实例。准直透镜250和光孔252在入射的感测光束传输方向上位于光学系统228的上游。准直透镜250将入射光转换成一束平行光线。它可以整体地形成于或者包含在感测光束源227中。光孔252在悬臂216的平面上使聚焦光束成形，以得到宽度或“小直径”较窄的大致上为椭圆或矩形的形状，从而使光点尺寸最小化，并使光杠杆灵敏度最大化。小直径是指跨最小宽度方向的光点尺寸的大小。这允许使用如下面详细描述的较小的悬臂。为此也可以使用形状类似的光孔(比如卵形光孔等)。这并不意味着对于系统而言光孔是必需的。可以完全不用光孔或者用圆形光孔替换，在这种情况下小直径将会是唯一的直径。

仍参照图13，光学系统228包括使成形的感测光束从光孔252向下偏转的装置。如果提供一些其它的机制用于引导照明光束穿过物镜234，则标准反射镜将会适于此目的。然而，在照明光束直接从上方进入物镜234的实例中，所述装置可以是对感测光束(对于红色激光二极管而言约690nm或更高)的波长为反映性的并对照明光束的波长为投射性的滤光器254(总体上覆盖大范围的可见光谱)。对于针对感测光束采用红外光源的可替选的优选实施例，滤光器254的截止波长将会相应地更高。提供了具有两个有效反射镜的棱镜258，以用于将出射的感测光导向反射镜262。反射镜262随后将所反射的光向上偏转到探测器230。

参照图13和15，在一个实施例中，物镜234是双透镜消色差物镜。它包括将入射的感测光束聚焦到焦点(理想地是位于悬臂216的背面上)的第一和第二竖直隔开的透镜装置264和266。该具体实施例的透镜装置264和266中的每个都是由两个互相贴附的透镜组成的。这种四个透镜的组合将物镜的像差减小到如下期望的水平：即将感测光束聚焦到探针上又从照明光束提供样品的高质量彩色图像。透镜264和266可以是消色差双合透镜。每个透镜都可以被定制成提供明亮的光学成像并提供相对宽广的波长光谱。

使用ZEMAX透镜优化软件来定制设计当前所期望的实施例的透镜，以使照明光束的波长上的光路差最小化。在一个实施例中，透镜装置具有大于8mm和更优选地大于10mm的工作距离。

物镜234还可以相对较宽，以提供相对较大的数值孔径(NA)来容纳明显的悬臂弯曲(通常在±4°的量级上)。一个优选的物镜具有大于约0.28、优选地大于约0.35和最优选地大于约0.40的NA。在一个优选实施例中，照明光束和探针/样品成像系统的光路由于0.28的数值孔径而递减，以将探针/样品的图像的像差维持在可接受的水平。较大比例的物镜被用来容纳所反映的感测光束。

这种将大数值孔径以及使像差最小化的措施的组合产生了小于20μm、优选地小于10μm和最优选地小于约5μm的所期望的小激光点直径。

虽然以上描述在一个优选实施例中概述了物镜构造，但也可以使用包括更多或更少透镜的很多种不同的物镜方案。对于追求最大扫描速度但可能牺牲图像质量的最优化设计，可以用单个透镜物镜取代四个元件的物镜。例如由重量更轻的塑料形成的非球面透镜，可以获得低像差、宽NA和轻质量的组合。传统的普通透镜也可被用于很多种配置中以组成合适的物镜。

现在参照图11、图13-15并从图11和图13开始，更详细地示出了扫描头210的一优选实施例。扫描头210包括具有上表面和下表面270、272，左表面和右表面278，以及前表面和后表面278、280的封闭式的壳体。在前表面272中形成用于容纳针对照明光束的窗口286的第一孔282，在底表面272中形成用于容纳物镜壳体288的第二孔。第一旋钮和第二旋钮290、292从右表面和前表面276和278伸出，而第三旋钮和第四旋钮294和296从上表面270向上伸出。第一旋钮和第二旋钮290和292通过螺纹旋进扫描头210中的支撑部件并与用于承载探测器230的托架298相啮合。可以操控这些旋钮290和292来使托架298位于x-y平面内，以确保探测器230在入射的感测光束上的中心位置。这允许使用更小的探测器，从而可能进一步增大扫描速率。

物镜234可以被安装在扫描头210中，以允许物镜234相对于探针上下移动以增大物镜的聚焦范围，从而允许使用更小的悬臂216并可能进一步增大扫描速率。这种竖直测量法还允许在悬臂216下方的物体上聚焦照明光束。这便于例如以为探针/样品的接合做准备的样品检查。该物镜还具有较轻的质量，这使得不会显著减小扫描器的基本共振频率，从而保持高扫描速率。为此，如图13中所见，组成物镜的光学系统的透镜264和266被安装在壳体288或“筒体”中，使得其可相对于筒体竖直移动。筒体288被安装在xy致动器224上。图14中示出了在xy致动器上安装筒体的一个优选方案。在详细描述优选方案之前，应当注意，总体上属于本文中所描述的类型的xy致动器是由Paul Hansma博士的研究小组开发的并被转让给了加利福尼亚大学的董事会。在例如已公开的美国专利申请序列号2006/0112760(通过引用将其主题内容合并于本文中)中对它进行了描述。

所示出的方案包括被固定在扫描头210的内部支撑部件上的刚性安装板或扫描器载物台310。坚硬的安装板310具有在其中心形成的大致为十字形的开孔，该开孔具有两组正交布置的x部分和y部分312和314。两组x压电致动器和y压电致动器316和318沿各个部分312、314的中心纵向延伸。现在将对x-致动器组316中的一个组进行描述，可以理解，此描述也同样适用于其它的x-致动器和y-致动器318。每个组316中的一个致动器具有通过底座320而被安装在各个开孔部分312末端的外端，以及被支撑在横跨开孔部分312的中心挠性部件322上的内端。每个组316中的另一个致动器具有连接到中心挠性部件322的外端，以及连接到也横跨开孔部分312的第二挠性部件324的内端。每个组的第一或中心挠性部件322不是必需的但却是有益的，因为其增大了相关联的压电致动器的最低共振频率。

致动器316和318与挠性部件322、324和326一起提供了有效的刚度，该刚度被设计成在加载了扫描器的移动质量时提供至少2kHz、更优选地至少5kHz以及更加优选地大于9kHz的扫描器基本共振频率。现在将解释此特征的重要性。

在扫描探针显微镜中，反馈环路被用于多个目的。首先，反馈环路被用来试图通过使悬臂的偏转、幅度、相位和/或频率保持恒定来使针尖和样品的相互作用的平均值保持相对恒定。这常常被称作z-反馈环路。z-反馈环路的速度由悬臂响应、z-致动器以及反馈环路中任何相关联的电子设备和放大器的速度来决定。另一种常用的反馈形式的是位置反馈。此类型的反馈试图控制扫描器相对的x-y位置来补偿致动器中的热漂移、非线性、迟滞和/或蠕变。

扫描器的基本共振频率F_o会限制扫描器的可用反馈带宽。一般来说，机械系统的动态行为是由基本共振频率确定的。基本共振频率的特征在于机械系统的频率响应中的相位滞后和增益的急剧增大。添加反馈控制是用来通过以频率函数的形式来改变系统的增益和相位从而对动态行为进行修改。例如，考虑一简单的反馈环路(例如探针显微镜中常用的PI反馈环路)的情况。此类型的控制应用恒定增益(比例的)与具有90的相位滞后的20db/decade增益的增益(积分增益)之和。此反馈环路因为增益在相移为180°时大于1而趋于不稳定。在此情况下，产生正反馈，控制环路变得不稳定。当机械体经历简单共振时，相移的90度在共振峰值处累积，一般存在对致动器增益的放大。(真实的机械系统常常具有更复杂的相位行为。)通常对控制器增益进行调节以在频率接近致动器共振时消去整个系统的增益。此策略通过使增益最小化并减小基本共振频率附近的相位滞后来消除控制环路中的欠阻尼行为。在实践中，即使在远低于稳定性界限处的反馈增益的情况下，仍可以减小反馈增益，以提供较少的响应阶跃的过冲。一般来说，这些阶跃会将扫描器系统的可用带宽减小到基本共振频率的一部分。(先进的控制算法可以减轻这些共振频率的影响。)对于x-y扫描运动而言，扫描器的带宽通常受x-y扫描器的共振和/或关系到x-y运动的z方向上的共振的限制。对于z-轴而言，反馈带宽还会受悬臂响应时间而非z-致动器共振或者受悬臂响应时间和z-致动器共振一起的限制。

为本申请的目的，用语“基本共振频率”被限定成存在对扫描器可用带宽有影响的扫描器共振的最低频率。对最低基本共振频率的这种限定明确地排除了那些对于扫描器可用带宽没有显著影响的共振。虽然这些“小共振”可在频率范围上引起系统增益的变化，但不作为对反馈环路稳定性的主要限制。

在机械系统中，在小于基本共振频率的频率处的频率响应中会存在额外的共振行为。如果这种共振行为由于相关联的相位滞后的量有限而在性质上是欠阻尼的和/或其不具有足够使探针显微镜电子设备容易地观测得到的振幅，则其不影响可用带宽。限制扫描器带宽的基本共振频率的典型特征是被探针显微镜系统电子设备观测到的在共振峰值处具有大于等于90°的相移的频率。为了被观测到，共振需要是这种共振：其生成可由致动器位置传感器(比如下面所讨论的传感器328中的一个)和/或探测器230以及与它们相关联的电子设备探测到的具有足够大的振幅的欠阻尼响应。在此特别强调对基本共振频率的限定的原因是：能够构造具有其共振频率低到甚至不会影响扫描器性能的部件(例如悬臂弹簧夹等)的针尖扫描器。

根据以上限定，优选实施例的针尖扫描器装置的基本共振频率约为9.4kHz。最低共振模式是竖直或z-轴的“鼓膜”模式，其中物镜相对于扫描器的x-y平面上下振动。

为了在给定的扫描器质量下将这种共振维持在高，可以通过使挠性部件322和324非常刚性而不能竖直弯曲和扭转，并通过使挠性部件326非常刚性而不能竖直弯曲，来增大基本共振频率。这些优化的实际效果是使得针尖扫描器的竖直刚度非常高。在一个优选实施例中，针尖扫描器的竖直刚度被设计成约10⁸N/m。基本共振频率的近似值由下式给出：

$F_c=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{K_{\mathrm{scanner}}}{M_{\mathrm{eff}}}}$ 等式6

其中：

F₀＝扫描器的基本共振频率；

K_scanner＝扫描器的刚度；以及

M_eff是扫描器的有效质量，即随扫描器一起移动的所有物体的质量。

此具体实施例的扫描器的有效重量约为35克。使用以上等式将会预算出8kHz量级的最低频率。在实践中，对于比如所描述的扫描器等分布质量和弹性的系统而言，共振频率计算更为复杂。如此，使用Math Works的Matlab计算软件中的分析计算与有限元分析的组合来设计和优化所述扫描器。通过使用有限元分析和针尖扫描器原型的测量，发明人获得了在加载了物镜时大于9kHz的最低竖直共振频率。

挠性部件的扭转和弯曲刚度取决于挠性部件的长度、高度以及厚度。对于本领域技术人员而言这些关系是公知的或者至少可轻易地获得。例如可从多种工程教科书、可通过有限元分析或者通过物理测量获得。一般而言，期望使长度越短越实用且使高度和厚度越大越实用。对该优化的实际限制是：当期望的运动方向上的弯曲刚度变得过高时其会阻止致动器的运动。

如下面的等式7中所示，在实践中，挠性部件322、324和326被设计成非常硬以致其缩小了致动器316和318的运动范围。

下式给出了最大致动器位移ΔX：

$\mathrm{\ΔX}=X_0\·\left(\frac{K_{\mathrm{act}}}{K_{\mathrm{act}}+K_{\mathrm{flex}}}\right)$ 等式7

其中：

X₀是无挠性部件的自由范围；

K_act是致动器刚度；以及

K_flex是挠性部件刚度。

使用高刚度K_flex的代价是减小可获得的致动器范围ΔX。

为了获得组装的扫描器系统的高共振频率，挠性部件322、324和326被设计成在运动方向上的刚度为致动器316和318的刚度的10-30％。这允许扫描范围对致动器刚度的可接受的折衷，以保证组合成的系统具有较高的最低基本共振频率。在一个实施例中，例如，牺牲22μm的自由致动器范围的大约20％，获得足够用于约9.4kHz的共振频率的刚度并同时仍获得18μm的扫描尺寸。

在一优选实施例中，致动器316和318分别是两个5mm×5mm×13.5mm的压电堆叠与两个5mm×5mm×9mm的堆叠的组的组合。致动器组的组合刚度在x和y这两个方向上均约为5×10⁷N/m。将总的挠性部件刚度选取为约1×10⁷N/m(即致动器刚度的20％)。这种较大的挠性部件弯曲刚度还使致动器刚度少许地增大(约增大10％)。

另外，选择本实施例的挠性部件的材料和厚度以保证挠性部件中的最大应力远低于那些材料的屈服应力。在一个实施例中，用7076-T6铝合金构造扫描器载物台310，并使设计应力保持在10千磅/平方英寸(kpsi)以下或者在屈服应力的14％以下。用例如因钢(由于其优异的热膨胀性能)或钛也可以构造其它的实施例。

可以看出，第二或最里面的挠性部件324形成了大致上为方形的框架。筒体288通过四组挠性部件326(其中的每个挠性部件从筒体288的各个部分垂直伸出到最里面的挠性部件324中的每个)被安装到此框架中。由于压电部件316、318和挠性部件322、324和326的方案，x或y致动器316或318的启动驱动筒体288在x-y平面内在x或y方向上移动而在该平面内的其它方向上或者在z方向上实质上没有移动。

图11-图15中所示的扫描器310可以被配置成平移AFM探针，或者可同样合适地被配置成平移相对较小的样品(未示出)而非扫描物镜。具体地，这里所描述的扫描器可以平移重量达到与扫描物镜(大约35克)类似的样品而不会显著降低性能。对于较小(例如长数毫米)的样品而言，性能甚至会更好。

现在转到图15，物镜234包括筒体288、透镜支撑部件340以及径向地位于透镜支撑部件340与筒体288之间的套筒342。齿轮344以可旋转的方式安装在筒体288的上端的外表面上。通过O型圈(O-ring)346抑制了齿轮相对于筒体288的径向运动。现在将依次描述筒体288、套筒342以及透镜支撑部件340。

如上所述，筒体288是固定于xy致动器224之上的相对较刚性的(优选金属的)结构。其采用其顶端350开口而其底端352封闭的中空圆柱体的形式。它还在底端成阶状。在底端352中形成被透明窗口356覆盖的中心开孔354，以允许光在物镜234与探针215之间通过。开孔354在其最底端还被扩孔，以形成用于安装z致动器226和探针215的位置358。在接近于筒体288底部的外壁中形成插口359，空气通道361位于插口359下方。

套筒342包括位于透镜支撑部件340外围的凹槽360中的环状金属环。套筒342通过在其上端的环362并通过在其下端的凹槽360的底部被保持在凹槽360中。这种安装方式阻止套筒342相对于透镜支撑部件340轴向移动但允许它们之间自由地旋转移动。环状的肩形部件364从套筒342的上端径向地伸出并固定于齿轮344之上，以使得齿轮344和套筒342以整体的形式旋转。肩形部件364下方的套筒342的外围在366被车有螺纹并与筒体288内表面的内部车有螺纹的部分368匹配。匹配的螺纹使套筒342基于齿轮344和套筒342的旋转而旋入和旋出筒体288。

仍参照图15，透镜支撑部件340包括圆柱状的管，该管具有与筒体288的最小内径(ID)紧密匹配的最大外径(OD)，以允许透镜支撑部件340在筒体288内滑动移动且它们之间的“游隙”或相对的运动最小。透镜支撑部件340的下端成阶状，以与筒体288中的阶部匹配。第一和第二O型圈380、382被安装在透镜支撑部件340的外径中并分别在其底部和中心位置，以实质上消除透镜支撑部件340与筒体288之间的游隙。透镜支撑部件340的内周表面在两处384和386成阶状，以为如上所述的第一和第二透镜装置264和266提供安装位置。球388(安装在插口359中)与透镜支撑部件340的外表面上形成的凹口389啮合，以在防止透镜支撑部件340相对于筒体288的旋转移动的同时允许它们之间的纵向竖直移动。遮光器390被安装在透镜支撑部件340的上表面上，以用于在透镜支撑部件340达到其行程的最高或最低限位时与限位开关或者类似的机械的、电的或光学的传感器接合。

仍参照图15，在透镜支撑部件340的底部与筒体288的底部部分的内表面之间形成底腔392，并在筒体中阶部的上方处、在透镜支撑部件340的外围的下部与筒体288的内围之间形成环状腔394。在筒体288上端的上方、在齿轮344的内径与套筒342的外径之间形成另一环状腔体396。所有的三个腔392、394和396均在透镜支撑部件340在筒体288内向上移动时尺寸增大，并在透镜支撑部件340在筒体288内向下移动时尺寸减小。可以对透镜支撑部件340向下移动的过程中从腔体392、394和396排出的空气进行测量。在本实施例中，来自底腔392的空气通过流过O型圈380可以排入环状腔体394，来自两个腔体392和394的空气通过通过空气通道361可以从筒体288排出。来自上腔396的空气通过在齿轮344与筒体288的外表面之间流动并经过O型圈346被排出。

在使用过程中，当通过图2中的驱动器238驱动齿轮344旋转时，套筒342也被驱动而相对于透镜支撑部件340和筒体288这二者旋转。此旋转使得套筒342旋入或旋出筒体288，从而驱动透镜支撑部件340相对于筒体288向上或向下移动。球388防止透镜支撑部件340旋转。在透镜支撑部件340向下移动的过程中，堵在腔体392、394和396中的空气如上所述地排出。可得到的运动范围随操作员喜好和系统需求而变化。理想地，运动范围应当足够长，以在探针215远位于样品表面的上方时能聚焦在悬臂216上并且也聚焦在用于检查的样品上。这需要约为1mm的焦深。在示例出的实施例中，通过为透镜支撑部件340提供至少1mm、优选地大于等于2mm以及最优选地约3mm的相对于筒体288的冲程，来获得该焦深。

图12的驱动器238可包括能够被用来通过精确可控角度范围的运动来驱动齿轮344旋转的任何设备、装置或系统。所述任何设备、装置、或系统也可以是不以任何方式制约透镜支撑部件340的竖直运动、或者干扰操作或缩小x-y致动器224的操作范围的设备、装置、或系统。手动操作的旋钮可以被用于此目的。优选电动机。一种优选的驱动器包括安装在扫描头210中的步进马达(未示出)。步进马达具有被通过惰轮414连接到用于物镜的驱动齿轮344的输出齿轮411(图14)。可以选择步进马达、齿轮系以及螺距，以获得每马达步长的透镜支撑部件竖直运动小于1μm的精度。惰轮414和驱动齿轮344具有充足的齿隙，以允许x-y致动器224的操作所提供的运动范围，并因此不制约x-y致动器224的操作。

在使用中，如图13中所见，光源227所发出的感测光束由准直器250使其准直、由光孔252使其成形、并随后被滤光器254偏转到物镜234上。光随后被物镜234聚焦到悬臂216上并通过过物镜234被反映回滤光器254。然而，出射的感测光束由于其从倾斜的悬臂216的偏转的影响而沿与入射光束细微不同的路径行进；因此，出射的光束在被滤光器254偏转而非被导回光孔252之后撞击第一棱镜表面。它随后被第二棱镜表面和反射镜262偏转到探测器230。结果数据或从其推导出的信息可以被查看、存储和/或传输到不同位置。

同时，来自照相机236的照明光束进入前窗口286、被从上反射镜420偏转开、并行进到物镜234(该物镜234将照明光束聚集到物体(通常为悬臂216或下面的样品表面)上)。被反映的光照明光束此后返回经过物镜234并再次被反射镜420偏转，以使得其被导回照相机236。光学图像或从其推导出的信息可以被查看、存储和/或传输到不同位置。

照明光束反射镜420以及包括滤光器254和棱镜的光学系统可以以整体的形式移动，以在x-y平面中对该仪器进行摇摄。因为既调节感测光束光学系统也调节准直光束光学系统，所以这种调节允许感测光束焦点在悬臂216上处于中心或者“被瞄准”且处于光学显微镜的视场的中心。既瞄准又聚焦感测光束的能力允许使用更小的悬臂，从而可能进一步增大扫描率。

在一优选实施例中，如在图13中大概所见，可以通过将光学系统228和反射镜420安装在“斜置”载物台430上来进行这一瞄准。“斜置”载物台430可以例如包括板434中心的万向接头432。如图10中所见，由环状、大致上为球形的表面436形成万向接头432，所述表面436承载在扫描头210中的支承梁440中形成的匹配插口438。

参照图11和图12，旋钮294和296安装在穿入梁440的杆442和444的上端。旋转旋钮294或296中任一旋钮将相关联的杆442或444旋入或旋出梁440，地址板434的绕轴旋转、万向接头432的旋转以及斜置载物台430的倾斜。杆442和444被放置得使得第一杆442的竖直运动在y-z平面中旋转万向接头432以用于y的摇摄和竖直运动。第二杆444在x-z平面中旋转万向接头432以用于x的摇摄。

如以上所提到的，这种摇摄允许感测光束在悬臂216上精确处于中心，可以在透镜或监控器上的十字准线等的辅助下从视觉上进行检查。当与可移动的物镜234的聚焦效果相结合时，小直径小于20μm的感测光束光点可以在悬臂216上处于中心。该感测光束光点的小直径优选地小于10μm以及最优选地小于5μm。光点直径被限定成在其处光的振幅下降到光点中心处振幅的1/e²处的宽度。配备这种小感测光束光点允许使用相应地小的、相应地高共振频率的悬臂。宽度小于等于10μm且长度小于等于35μm的悬臂具有大于500kHz的共振频率。这种高带宽的悬臂与对高带宽的x-y致动器装置224的使用的结合允许比会可能具有更大悬臂和高质量扫描器的情况更快速的扫描。事实上，扫描器的基本共振频率大于2kHz、优选地大于5kHz以及更加优选地大于9kHz。

4.AFM系统细节

现在参照图16，具有上述能力的AFM 100被更详细地图示出并包括受控制器102控制的仪器组件101。仪器组件101安装在包括厚重底座106的刚性框架104上。它包括安装在底座106上的行程x-y定位器108以及安装在粗略x-y定位器108上并支承样品载体112的可选的xyz样品扫描器110。另外，行程z-载物台致动器114被安装在框架104上，以被置于样品载体112上方。扫描头210(可以例如按以上第3部分中所述来构造)被安装在行程z载物台致动器114上并支承探针215。粗略x-y定位器108具有相对较大的移动范围，以允许对较大样品(例如直径大于等于300mm)进行观察以定位到感兴趣的区域。(或者可以将粗略z-载物台安装在底座106或粗略XY定位器108上，以使得它平移样品而非扫描头。)

粗略定位器108例如可以具有约100mm的行程以及约1μm的定位精确度。它可以例如包括伺服马达或步进马达。

除了提供样品观察，可选的xyz扫描器110扩大了通过AFM 100进行测量可得到的扫描体积。例如，xyz扫描器110可以包括xy致动器111和z致动器113。如图16中的偏置信号133所指示的，xy致动器111还可以被用来使扫描区的中心从标称的正常中心位置偏置，或者可以被用来对比扫描头210中的xy致动器224的扫描范围更大的区域进行成像。它可以例如具有100至200微米的x-y平面中的扫描范围以及5-25微米的z-行程范围。扫描器110还可以受下面的第7部分中所描述的前馈/反馈控制方案的控制以执行慢速扫描。因为它对样品而非探针进行扫描，所以扫描器110可以被认为是“样品扫描器”。合适的样品扫描器可商业获取，例如从NPoint和Physike Instruments。这种样品扫描器常常采用位置扫描器来测量扫描器的运动。最常用的是比如电容式传感器和线性可变差动变压器(LVDT)等位置传感器。

仍参照图16，本实施例的探针215包括悬臂216以及安装在悬臂216的自由端部分的针尖218。探针215可以是具有集成针尖的微加工悬臂。为了最优的高速性能，探针215的优选尺寸是长度上约为35μm或更小且共振频率大于800kHz。也可以使用小于约10tm且共振频率超过5MHz的悬臂。能成功地使用许多其它尺寸(包括更大和更小的悬臂)。探针215，或者可以是扫描探针显微术中所使用的很多种探针中的任何一种，包括但不限于：用于磁力显微术、静电力显微术、表面电势显微术、化学力显微术的探针，有碳纳米管或碳纳米纤维的探针，以及用于基于开孔或无开孔的近场扫描光学显微术的探针。在下面的第5部分中对一个示例性的探针及其加工方法进行了更详细的讨论。

优选的悬臂216具有大于30kHz以及优选地大于100kHz以及更加优选地大于500kHz的力探测带宽。当在轻敲模式中被启动时，它还将很小的力施加给样品。此力应当小于10nN以及优选地小于5nN。它还具有小于100微秒、优选地小于50微秒以及更加优选地在10-15微秒量级的阶跃响应时间。(如在下面的第5部分中更详细讨论的，“阶跃响应时间”是将遇到的明显的跃变(比如特定高度的半导体沟槽或线路边缘等)反映到相应的悬臂偏转中所需要的时间。)优选的探针及其构造方法在下面的第5部分进行讨论。

仍参照图16，可以按接触模式对探针215进行操作，其中它只沿样品表面移动而不振动，或者被连接到用于驱动探针215例如以或以接近于悬臂共振频率的频率来振动的振动致动器或驱动器220(图12)。振动可以是“弯曲的”即关于悬臂的纵向或长轴的和/或“扭曲的”即关于悬臂的横向或短轴的。振动驱动器220可以连接到x-y致动器(在下面进行描述)和探针215，或者可以与探针215的悬臂216一起整体地形成，作为自致动的悬臂/探针的一部分。电子信号在AFM控制器102的控制下从AC信号源220(图17)施加给驱动器220以使探针215优选地以自由振动振幅A_o振动。信号源220可以如图17中所示包含在控制器102内。

仍参照图16，控制器102通常包括用于执行对AFM的控制和数据采集任务的至少一台计算机以及相关联的电子器件和软件。在一个实施例中，具有至少500kHz的反馈控制环路更新速率并具有小于5微秒的输入/输出时延。该实施例进一步支持与下面所描述的其它的系统部件相呼应的闭环带宽。控制器102可以包括单个集成的模拟和/或数字单元，或者可以包括电子器件和软件的分布式阵列。控制器102可以包括典型的桌上型计算机、笔记本电脑、工业计算机和/或一个或更多个嵌入式处理器。它最可能位于框架104之外。

还可以在控制器102中和/或在单独的控制器或者具有多个相连或独立的控制器的系统中提供工作站。工作站接收从控制器102收集的数据，并操控扫描过程中所获得的数据，以执行比如点选择、曲线拟合以及距离确定等操作。工作站可以在存储器中存储所得到的信息、将其用于额外的计算、在合适的监控器上以视觉和/或听觉的形式或者通过打印对其进行显示和/或以有线或无线的方式将其传输给另一计算机或设备。存储器可以包括任何计算机可读存储介质，其实例包括但不限于：硬盘、网络存储、闪存驱动器或者CD ROM。在一个实施例中，工作站与下面结合图17进行讨论的计算机102相组合。可替选地，它可以位于控制器102之外。

在操作中，随着探针215振动并靠近或接触样品载体112上的样品，可以通过对探针-样品的相互作用所引起的探针215的振动的改变进行探测来监控样品特性。特别地，扫描头210中的光学系统(图12中示出)将来自感测光束源127的光束导向探针215的背面。感测光束源227通常为激光器、最通常为可见或红外激光二极管。感测光束也可以由其它光源(例如氦氖激光器(He-Ne)或其它激光源、超辐射二极管(SLD)、LED、光纤)或者能够聚焦成小光点的任何其它光源来生成。本说明书其余部分中的用语“激光器”应当理解成涵盖上述这些和其它光源中的很多种。

仍参照图17，在撞击悬臂216的背面之后，感测光束随后被反映回光学系统并随后被导向探测器230(比如四象限光电探测器等)。来自探测器230的信号随后被前置放大器120放大。前置放大器120通常包括用于探测器每个部分的跨阻放大器。通常将跨阻放大器的补偿选择成允许大于悬臂216的共振频率的测量带宽。可以使用提供与撞击到探测器230上的感测光的量相关的信号的其它设备或装置。所述设备包括例如开关电容前置放大器。被前置放大的信号随后由预调节器121进行处理，并被传输给控制器102，该控制器102对信号进行处理以确定探针215振动的改变。预调节器121通常执行如下任务中的一个或全部：(1)放大，(2)滤波，(3)生成竖直、横向和/或总的悬臂偏转信号。

该示例性实施例的控制器102使用探测器230所提供的信息以生成最终被传输给样品扫描器110的z致动器113、针尖扫描器210的z致动器226(或者这两者)的z控制信号。在本实施例中，可以将z-控制控制信号传输给z致动器113和226这两者，这允许样品扫描器110的z致动器113被用于具有上述z致动器226的嵌套配置中。在典型的操作中，将针尖扫描器的z致动器226的位置用作向对样品扫描器110的z致动器113进行控制的控制器102中的反馈环路的误差输入。具体地，反馈环路试图将z致动器226修正回空位置。z致动器113的较大的范围容纳了如若不然会超过z致动器226的范围的大的偏置。这允许高带宽响应(由z致动器226提供)与大的z范围(由z致动器113提供)的组合。针对z致动器113和226所得的控制信号可以分别被认为是“较大z-致动器控制信号”和“较小z-致动器控制信号”。

具体地参照图17，将来自预调节器121的模拟信号转发给控制器102，其中，模拟/数字(A/D)转换器402将其转换成数字信号。A/D转换器402可以包括50MHz、16位的转换器。随后将代表探针位置的所得的数字信号传输给现场可编程门阵列(FPGA)404。如本领域中所公知的，FPGA 404是包含可编程逻辑部件和可编程互连的半导体器件。可以对可编程逻辑组件进行编程以再现比如与、或、异或、非的基本逻辑门的功能性或者比如解码器或简单数学函数等较复杂的组合功能。在大多数FPGA中，这些可编程逻辑部件(或者逻辑块，以FPGA术语)还包括存储器部件，这些存储器部件可以是简单的触发器或者更完整的存储块。可编程互连的层级允许按照系统设计者的需要将FPGA的逻辑块互连，有些类似单芯片可编程实验板。可以使用比如一个或更多个专用集成电路(ASIC)或者复杂可编程逻辑器件(CPLD)等其它器件而非FPGA或者使用上述其它器件和FPGA。在FPGA 404中，数字锁定406锁定来自A/D转换器402的信号，其中，数字信号被混合了位于FPGA中的数字合成器所提供的两个参考。第一个参考是通过在第一数字混合器中将数字参考信号的余弦与来自A/D转换器402的信号组合并随后在第一滤波器中对其进行滤波而产生的同相分量I。第二个分量是通过将参考信号的正弦与来自合成器的AFM出信号进行混合并随后在第二滤波器中对混合信号进行滤波而产生的正交分量Q。随后由FPGA将I信号和Q信号转换成振幅和相位信号，其中的一个或者两个可以被用于力反馈控制。数字锁定406具有约0.5微秒的处理时间。将来自锁定406的该输出馈送给用于生成针对z致动器226和/或113的控制信号的力控制算法408。力控制算法408可以包括用于生成上述力控制信号的嵌套的反馈力控制算法。它通常具有约0.5微秒的处理时间。在数字/模拟(D/A)转换器装置410中将所得的力控制信号转换回模拟形式。D/A转换器装置中的每个连接可以包括50MHz、16位的转换器。随后将所得的信号z和/或z’馈送给适当的放大器130或131。

如以上所提到的，较小的z致动器和较大的z致动器控制信号z和z’在被传输给较小的z-致动器226和较大的z-致动器113之前在放大器130和131中被放大。用于z-致动器226的放大器130可以被认为是快速响应放大器。它应当具有大于10kHz、优选地大于30kHz以及更加优选地大于100kHz的带宽。

在以轻敲模式、非接触模式或类似的振动针尖模式对AFM进行操作的本实施例中，也可以使用例如直接数字式频率合成器(DDS)算法在FPGA 404中生成用于振动驱动器221的AC驱动器220的信号。所得的高频数字驱动信号在D/A转换器412中被转换成模拟形式并被转发给振动器221。转换器可以例如是500MHz、16位的转换器。

如以上所提到的，力控制环路的主要品质参数是力控制范围。此范围确定了能够被扫描而不会对针尖和/或样品施加过量的力的特征的最大高度。在大多数情况下，此范围包括所有z-致动器的范围，加上AFM悬臂或其它针尖支撑部件在无法接受的针尖或样品损伤出现之前的最大弯曲。本发明人开发出了具有28um(3μm来自快速的小型z致动器226，25um来自较慢的较大z-致动器113)的组合范围的AFM系统。

放大器131优选地具有以电压/单位时间为单位的足够实现上述力控制回转速率的回转速率。获得期望的致动器回转速率所需要的放大器回转速率取决于放大器所驱动的致动器的类型和操作范围以及波形的形状。对于具有3um的操作范围、100V的最大外加电压以及三角形驱动波形的压电堆叠式致动器，放大器131应当具有至少10kV/sec、优选地至少17kV/sec以及更加优选地至少33kV/sec的回转速率。例如使用来自Burr-Brown的PA-93或PA-98高压运算放大器和/或可Burr-Brown从获得的高压放大器模块，本领域技术人员可以建构合适的放大器电路。(在一些情况下，会需要使用多个串联或并联的放大级，以获得期望的回转速率和/或电流容量。)于2007年7月31日递交的题为《用于扫描探针显微技术的高带宽致动器驱动器》(《High-Bandwidth Actuator Drive forScanning Probe Microscopy》)的正在审查中的序列号为11/831175的申请中描述了另一种合适的放大器设计。因此通过引用将其其整体主题内容合并。

用于较大z致动器113的放大器131可以被认为是偏置放大器。如以上所提到的，较大z致动器控制信号可以被用来试图将小型z致动器226的位置归零。放大器131可以具有低于放大器130的带宽，但对于最广泛的应用范围，它也可以具有与快速响应放大器类似的带宽。

比如压电管、电致伸缩、磁致伸缩、静电、电感、和/或音圈驱动机制等其它致动器将会根据操作电压范围而具有不同的期望回转速率。

在被放大之后，z-控制信号z和z’被传输给z致动器226和113并被用来维持设定值的振幅值A_S以确保针尖与样品之间大致上恒定的力。可替选地，设定值的相位或频率可以被用于受监控的相互作用。比如粘性、磁性、电力或电导率等一个或更多个其它的属性可以被用作针对受监控的相互作用的设定值。无论所采用的设定值如何，z致动器226的位置均被用作向如上所述的对样品扫描器110的z致动器113进行控制的控制器102的反馈环路的误差输入。

简要回顾图16，控制器102还优选地生成用于对扫描器进行控制以在xy平面中移动探针215的扫描信号132，通常是在光栅扫描的情况下，其中沿在y方向上彼此紧密排列的x方向上的大量的行对探针215进行扫描。可以在前馈控制134以及反馈控制136下生成扫描信号132以及x-y控制信号，以获得在138所见的设定值的扫描参考信号。由位置传感器(在328大概所见)提供用于此控制的位置数据。产生指示出致动器移动和/或位置的输出的电容、光学、应变式或电感传感器或者任何其它的传感器都可以被用于此目的。在一个实施例中，传感器是下面的第6部分所讨论的小型应变式传感器。

图17中示例了用于生成扫描信号132的一个实施例的细节。从中可以看出，来自传感器328的模拟信号被转发给控制器102，其中A/D转换器装置将这些模拟信号转换成数字信号。在装置414中提供了两个转换器，每个(x，y)轴一个。此时应当注意，装置414中的两个A/D转换器中的每个A/D转换器以及用于力反馈信号的A/D转换器，实际上可以是用三个转换器或数字/模拟转换器(DAC)(即扫描DAC、变焦DAC以及三角波DAC)组成的装置。这些DAC装置是本领域中公知的。

如图17所示，来自A/D转换器装置414的数字位置数据经过FPGA404被转发给计算机418。(FPGA 4404仅作为用于位置数据传输的接口。它不对该数据进行处理。)计算机418可以包括位于控制器内或者整体地或部分地位于控制器102之外的软件和/或硬件。在一个实施例中，它是在控制器102之外但连接到控制器102的桌上型PC。它可以与用于执行前馈/反馈控制算法的数字信号处理器(DSP)相结合以执行图16的前馈控制134和反馈控制136并生成数字扫描信号。下面的第7部分中描述了一个优选算法。扫描信号随后经过FPGA 404(同样地，FPGA不进行处理)被导回D/A转换器装置416。与A/D转换器装置414一样，该装置416包括针对x和y轴的单独的转换器。每个转换器包括500kHz、16位的转换器。从转换器装置416输出的信号形成图16的扫描信号132。

再次参照图16和图17，扫描信号132被两个x-y放大器装置140和141中的一个放大。(虽然为了简洁起见每个放大器装置被示为单个的放大器，但每个放大器装置通常包括两个或更多个放大器，每个(x，y)轴的每个致动器一个)。放大器装置140被连接到针尖扫描器的x-y致动器224，并从D/A转换器装置410接收信号。它将放大后的xy设备信号提供给xy致动器224。放大器141被连接到扫描载物台或样品扫描器110的xy致动器111，并从位于控制器上的行程D/A转换器装置418接收驱动信号。它将xy驱动信号提供给xy致动器111。在本实施例中，每个装置140、141的每个放大器应当具有大于210Hz、更优选地大于350Hz以及更加优选地大于700Hz的带宽。这些带宽会允许每个装置140、141的每个放大器真实地再现三角波扫描图案的前四个傅立叶分量，并会允许在任何朝向上的扫描。(简化版本将会允许针对慢速扫描轴的较低的扫描带宽。)根据对于扫描图案所期望的精度，可以使用更多或更少的傅立叶分量。对于具有125V的操作范围以及三角形驱动波形的压电堆叠式致动器，放大器140和141应当具有至少7.5kV/sec、优选地至少12.5kV/sec以及更加优选地至少25kV/sec的回转速率。比如压电管、电致伸缩、磁致伸缩、静电、电感和/或音圈驱动机制等其它致动器将基于操作电压范围而具有不同的期望回转速率。随后将被放大的信号xy和/或xy’传输给xy致动器224或111。被驱动的xy致动器可以是针尖扫描器的致动器224并可以由信号xy进行操作以相对于样品扫描探针。可替选地，xy致动器可以是样品扫描器110的xy致动器111并可以由信号xy’进行操作以相对于探针215扫描样品。

根据用户的需要，可以以多种方式使用这种模块化的x-y扫描器方案。例如，如果用户希望首先观测较大的区域，则系统将会用样品扫描器110启用大面积扫描。当用户对焦到小于针尖扫描器224的扫描范围的区域(例如15um)时，则系统可以自动切换到以针尖扫描器224可用的较高扫描速度对其进行回扫。可替选地，用户可以手动选取要使用的是哪个扫描器。另外，系统可以按“摇摄和扫描”模式进行操作，在该模式中针尖扫描器224以高图像速率进行扫描且样品扫描器110被用来偏置(即“摇摄”)到样品的不同区域。样品扫描器110还可以被用来手动地和自动地将使用针尖扫描器224所捕捉到的平铺图像的片段(mosaic)拼在一起。

由于所涉及的致动器质量较大而动作较缓慢，典型的第三方样品扫描器常常以1行每秒的范围内的速度进行操作。然而，本发明人已经将自适应前馈施加到这些扫描器并获得了大于50Hz的扫描速率。

5.高带宽悬臂

如上所述，本发明的AFM可以按接触模式、轻敲模式、非接触模式和/或其它的振动针尖模式进行操作。为了获得最高的成像速度，期望具有能够以高带宽进行响应的悬臂。对于轻敲模式，悬臂的响应时间由几个因素决定，包括：悬臂的共振频率、当针尖接近样品表面时它的品质因数Q、设定值振幅对自由空气振幅的比例以及对悬臂进行操作的频率。在本发明的一个实施例中，悬臂由氮化硅制成并具有集成的尖的硅针尖。其它悬臂可以用硅、氮化硅、碳化硅、金属材料、聚合物材料的任意组合或者用可以在薄膜中形成和形成图案的其它材料制成。

在一优选实施例中，悬臂具有大约700kHz到大于5MHz的共振频率。根据期望的针尖-样品的相互作用力和悬臂共振频率，悬臂通常为5-50μm长、3-20μm宽、1-5μm厚。例如，长10μm且宽5μm且厚0.5um并具有2um高的针尖的悬臂将会具有大约6MHz的共振频率以及约20N/m的弹簧常数。约35μm长、15μm宽以及0.8μm厚的悬臂具有大约800kHz的共振频率，弹簧常数约6N/m。在一个实施例中，申请人建构了悬臂长35μm、基宽40μm、细端末端宽度7μm、厚0.6μm并具有3μm高的针尖的梯形悬臂。这些探针被涂覆了5nm的钛以及40nm的金(Au)以形成反映层。这些探针具有750kHz的共振频率以及约8N/m的弹簧常数。

高带宽悬臂探针的形状可以是矩形、三角形、梯形或者其它任意的形状，以获得期望的共振频率和弹簧常数。可以针对共振频率、弹簧常数和品质因数Q的特定组合对尺度和形状进行优化，例如通过包括文献中获得的等式的计算和/或通过计算流体力学和/或实验。品质因数Q不仅取决于杠杆的粘性阻尼，还取决于针尖和悬臂靠近样品表面时的“压膜”效应。可以通过控制悬臂的形状以及针尖的高度对此影响进行优化。较大的针尖可减小导致较高悬臂Q值的压膜效应。在一些情形下，期望制成较短的针尖以减小Q以及从而减少悬臂响应时间。使用约1μm高的短针尖，申请人制成了针尖接近样品表面时Q值在空气中小于50的高频率的悬臂。

此外，加工的悬臂一般有尖的针尖。关于这一点，对于大多数高分辨率成像的应用而言，期望具有尾端半径小于20nm的针尖。然而，对一些应用，尤其是在柔性样品上的力测量而言，较钝的针尖较为优选。

为了获得短响应时间，常常期望具有中等的品质因数Q(例如在10-200的范围内)。共振频率为5MHz且Q为100的悬臂例如将会具有5MHz/100＝50kHz的共振处的额定带宽。用偏共振操作和/或以较低的敲击幅度设定值可以获得较高的带宽。例如，只提供10X的放大率、在偏共振频率下振动的Q为100的悬臂作用起来如同有效Q为10的悬臂，并且将会具有比共振情况下快10X的响应时间。因而，有效Q为10、5MHz的偏共振操作的悬臂将会具有500kHz的近似带宽。

悬臂所支持的回转速率(dA/dt)由以下等式近似给出：

dA/dt＝(A_o-A_s)ω/2Q    等式8

其中：

A₀是悬臂的自由振幅；

A_s是设定值振幅；

ω是悬臂的固有频率；以及

Q是悬臂的有效品质因数。

对于以上实例，用ω＝2π(5MHz)，并使用Q＝100、A_o＝50nm以及A_s＝25nm，估计出的回转速率为大约4mm/sec。发明人制造出了对应于大约3mm/sec的回转速率，针对30nm步长的上升时间快到只有10微秒(usec)的悬臂。

可以使用电化学蚀刻限定悬臂长度、以精确受控的方式来制造具有这些特性的悬臂。对于悬臂长度的控制与使用高掺杂的硅来制造探针的现有已知技术相比得以大大改进。对硅针尖质量和针尖高度维持精确的控制。因此可以更容易地和可靠地产生具有高屈服的短悬臂。关于这一点，通过提供使所得的薄杠杆检验器件相对基底的无意位移最小化的图案化的夹持突起，进一步有利于屈服。

现在转到图18A，使用传统的薄膜沉积和光刻技术，膜厚度监控窗口图案化在晶片上。在一个实施例中，从比如硅晶片的基底开始，将一层氧化物60(例如SiO₂)沉积在晶片上(两侧)，随后将一层氮化硅62沉积在氧化物上。氧化物和氮化物作为以下工艺步骤的蚀刻掩模。接下来，将光致抗蚀剂旋压到氧化物和氮化物层上并使用适当的掩模(未示出)将监控特征图案化在晶片上。更具体而言，将窗口阵列(未示出)图案化到基底的顶表面上。然后，通过窗口454的阵列452对硅进行各向异性蚀刻，以使得随着蚀刻在与特征的宽度“w”的终点相关联的硅晶体平面上结束，形成了V形槽形状的膜厚度监控特征464-478。另外该V形槽具有与针尖高度特征的宽度直接相关的已知深度。

接下来，将与一个或更多个阵列452对应的大窗口图案化在晶片的背侧。图4B中示意性地示出了这些窗口的边缘480、482。使用标准的对准特征以及标准的前后对准设备(例如使用来自Karl Suss公司的前侧-背侧对准器的步进器)，将背侧的大窗口与一个或更多个膜厚度监控阵列452对准。特别地，将窗口456的长轴放置得基本上与前侧窗口454的长轴垂直。如图18B中所示，此对准完成，使得窗口456通过直接在膜厚度监控阵列452下方的晶片来容纳蚀刻。

更具体而言，在工艺过程中，从前侧以视觉的方式监控背侧的蚀刻，通常使用来自前侧或背侧的照明。如图18B所示，当具有与监控膜473的所选择的期望厚度d(其与针尖高度直接有关)对应的深度的V形槽穿透晶片的背侧时，蚀刻停止。可替选地，可以使用更深的V形槽(例如针对期望的V形槽472用V形槽468)穿透的时间来预测停止蚀刻的适当时间，即，可基于对V形槽穿透的视觉监控并使用该信息确定何时终止蚀刻来确定蚀刻速率。

在形成监控膜473的同时，以基本上与监控膜473的厚度“d”相同的厚度来蚀刻正在加工的探针阵列的探针的器件膜515(在图18C中示出)。此外，被用来控制AFM探针针尖高度的正是器件膜515的厚度d。

图18C-18F中对探针的此信息进行了更详细的描述并对其进行了示意性的示例。首先参照图18C，当监控膜473形成为期望厚度d时，氧化硅502和氮化硅504层仍保持在晶片500上(前后侧都有)。在用背侧蚀刻产生膜473的过程中，还得到了结构512。结构512形成探针的底座(下面进一步描述)，这还基本上限定了最终将会成为每个探针的悬臂的部件的固定端516的所在位置。

在这一点上，将一层氮化硅522沉积在硅底座上(前侧和背侧501、503)，氮化物522最终被加工形成悬臂。因为如早先所提到的，悬臂的厚度是确定包括基本共振频率的探针的性能特性的因素，而氮化物层522的厚度确定了悬臂的厚度，所以氮化物层522的形成很重要。通过控制氮化物沉积的厚度，可以使悬臂更细以有利于更优的探针共振频率，从而允许探针以及作为整体的AFM具有更高的带宽。可以使用薄膜测量工具(包括例如椭圆偏振仪或另一类似的工具，比如用于测量反映率的光学工具等)来监控氮化物厚度。或者可以采用傅立叶转换光谱(FTIR)，其采用红外干涉来测量膜的厚度。

为了沉积氮化物522，可以使用低压化学气相沉积(LPCVD)。LPCVD有益地提供了低应力的氮化物层522，从而使现有的SPM探针(例如用高应力硅杆加工的)固有的有害影响最小化。高应力硅杆最常需要对应力进行补偿(例如容纳杆弯曲)，从而使设计进一步增加了复杂性，并最终限制了性能。

根据杆的长度以及期望的基本共振频率，可以在一定范围内维持基本上均匀的厚度。用该氮化硅杆，期望杆厚度小于两微米，且厚度可以小于一微米，相应的公差为约6％或约0.1微米。由于本实施例能够在跨晶片和在晶片之间的固定公差内维持统一的悬臂厚度，所以对杆厚度的这种精确控制进一步有利于屈服。

在氮化硅层522的沉积之前，作为可选的，可以沉积支撑膜或层521(例如二氧化硅、金属、聚合物)。支撑膜521(例如金属或聚合物)可以在氮化物522之前沉积，以给膜515提供更多的结构完整性和/或以对悬臂的形成提供蚀刻停止。通过按此方式强化探针，可以重新进行针尖的图案化(其在图18D中所示的下一个步骤中出现)而无需牺牲器件膜515的完整性。如果确定最初的对准将不会产出具有期望长度的悬臂，则可以执行此图案化和再次图案化。

如图18D中所示例的，随后将针尖特征531图案化到基底的前侧，在此情况下使用整片对准标记。随后，如图18E中所示，在前侧使用各向异性蚀刻以形成大致上为金字塔形的针尖。在此情况下，针尖底座的宽度基本上由成像到前侧的氮化硅522(以及其下面的氧化硅502和氮化物504)上的图案的宽度来限定。

更具体地，当按此方式执行前侧蚀刻时，所得的针尖结构的几何形状通常包括两种金字塔形结构532、533，尖对尖地将一个放置在另一个之上。一旦蚀刻完成，就去除氧化物502、氮化物504以及氮化物522层，从而使得顶部的金字塔形结构533也被去除。这留下了高度等于膜厚度d结果的约三分之二的高外观比例的针尖532。相比于已知技术(其通常通过用传统的光刻技术将针尖的表面图案化来产出具有圆形远端的针尖)，使用各向异性蚀刻以在基底结构(即晶体结构)的微粒面上终止蚀刻的这种针尖形成技术有利于产生外观比例更大的针尖。

当图案化针尖时，特别是对于本发明所构思的高速AFM应用，这种图案化所在的位置对于建立全面的器件几何形状(最显著地，悬臂长度lc)是重要的。针尖相对于杆的固定端的所在位置基本上限定了杆的有效长度(除了在下面进行讨论的突出)，以及从而影响探针的性能特征(例如共振频率)。关于这一点，用户首先基于与产生探针阵列相关联的整片掩模对准将针尖图案化。然而在写入之后，图案化针尖特征531与悬臂的固定端516之间的距离就会小于用于获得优选实施例的目标的理想情况。幸运的是，杆的固定端一般从前侧501是可见的。悬臂的固定端(背侧的点116)是可见的，因为沉积的氮化硅膜基本上是透明的，与用于产生探针的具有硅杆的那些方法不同。注意，为了进一步有利于这种查看，通常采用照明(前侧或背侧)。

用已知的点516，从前侧可以较准确地测量固定端516与图案化针尖之间的距离。有益地，随后基本上可以在对硅进行蚀刻以形成针尖之前确认悬臂长度。在针尖特征531与固定端516之间的对准无法接受的情况下，探针加工者可以从前侧将针尖特征531去膜并进行适当的位置调节以及重新写入该特征以试图在针尖与杆的固定端之间产生期望的分离。如果需要获得图案化针尖的期望位置，则可以将此工艺重复数次。如以上所注意到的，然而，多次去膜和重新写入会牺牲器件膜的完整性从而氮化硅杆的完整性。作为结果以及之前也注意到的，可以使用氧化物层(或者金属或其它合适的膜)来强化杆以在工艺过程中阻止膜裂开。

总得来说，可以放置针尖掩模以将针尖图案化，可随后原地测量所述针尖以确定其相对于相应杆的固定端的所在位置。作为结果，本技术可以被用来重复地以及可靠地生产低于50微米的探针悬臂534(图18F和图18G)。理想地，可以在晶片上重复产生长度小于约50微米以及甚至小于约10微米的具有悬臂的探针。此外，用这些探针可以实现大于700kHz、或者大于1MHz、或者甚至大于5MHz的基本共振频率，其中当针尖与样品相互作用时在空气中品质因数Q小于100。

转到图18F，随后从背侧对悬臂进行图案化和蚀刻，从而产出例如图18G中示意性示出的结构。更具体地参照图18F，随着针尖532形成，在背侧将杆的尺寸和形状图案化。将会成为杆534的部件的自由或远端535以适当的掩模被图案化并限定了突出或针尖偏置，l_t被限定为端535与穿过针尖顶点的轴之间的并且整体与杆正交的距离。类似于本文中所讨论的探针其它的几何形状，针尖偏置对于探针的总体性能基本特性而言很重要，并且会显著地限制SPM能够可靠地对做得太大的样品进行成像的速度。使用本技术，可以将针尖偏置l_t维持在所加工的杆的自由端532的至少约5um之内。注意，针尖是金字塔形的并且金字塔的底的外边缘会与杆的自由端的外部边缘基本上在一条线上。如本领域中所理解的，对于最佳的AFM操作，只有探针的针尖与样品相互作用，因此通过维持针尖偏置l_t小于约5微米，相比于之前的技术就显著减少了探针的自由端135在AFM操作过程中与样品接触(这通常产生更大且更不可靠更不可控有突出的探针)的机会。

理想地，在探针加工过程中控制突出的量。显著地，使用有前侧-背侧对准器的步进器可靠地控制针尖偏置，工具具有至少100nm的位置精确度。然而，这种设备是昂贵的。因此，可以使用其它的传统对准技术。根据一个替选方案，用来将杆图案化的抗蚀剂可以是在将杆图案化时产生透明掩模的负性光致抗蚀剂。以此方式，通过可见的针尖532，可以放置掩模以使得可以准确摆放远端535，以使得可以仔细控制偏置l_t。

图19A中示出了根据优选实施例产生的悬臂的图像，其中产生了低于30微米的悬臂长度且针尖高度小于约10微米。图19B从侧面示出了图19A的探针。总体上，通过使用本技术，可以精确地以及重复地对悬臂尺寸和形状进行控制以产生适于高速AFM操作的高屈服的杆。此外，即使在标准偏差小于约0.5微米的几个晶片之间，也可以维持具有低于50微米悬臂长度的探针。

在2007年8月2日递交的题为《用于度量设备的探针装置和制造该装置的方法》(《Probe Device for a Metrology Instrument and Method ofFabricating the Same》)的正常转让的美国专利申请序列号11/833104中对上述技术进行了更详细的描述。因此通过引用将其整体主题内容并入。

使用上述微加工技术产生的探针可以具有大于30kHz、优选地大于100kHz以及更加优选地大于500kHz的力探测带宽。当在轻敲模式中被启动时，它还将很小的力施加给样品。此力可小于10nN以及优选地小于5nN。所得的探针具有小于100微秒、优选地小于50微秒以及更加优选地约为10-15微秒的阶跃响应时间。已经用上述类型的微加工的悬臂证明了如图20A的曲线550中阶跃552和554所标注的在10μs量级的阶跃响应时间。为了生成该曲线，以约1MHz的频率按轻敲模式的操作模式振动悬臂。曲线550上的点556表明：比如半导体线路或沟槽等跳变在发生该跳变约10微秒内被转化成相应的悬臂偏转。相比之下，参照图20B中的曲线600，以350kHz的频率按轻敲模式操作的传统悬臂直到发生之后10ms之后才反映在相应的悬臂偏移上。小型、快速的悬臂从而呈现约为1000倍的响应时间的增加。

6.应变式传感器

如以上第3部分中所讨论的，用于针尖扫描器的位置传感器可以包括安装在x-y致动器224上的小型应变式传感器。除了提供非常精确的位置信息，这种传感器还具有如下优点：相对较低的成本；质量轻从而其对针尖扫描器的最低基本共振频率的影响可以忽略；散热小从而对扫描器漂移的作用可以忽略。应当强调的是，所描述的特定方案只是能够被用来监控针尖扫描器在x-y平面中的位置的许多不同的接触式和非接触式传感器中的一种。另外，可以使用类似的传感器来监控针尖扫描器在z方向上的位置和/或样品扫描器在x、y和/或z方向上的位置。

现在回到图21-23并从图21开始，传感器328可以包括：第一和第二组应变计610和612，被配置成分别在x和y方向上监控xy致动器224的移动部分的位置从而监控针尖扫描器的位置。应变计610和612安装在围绕物镜234延伸的、大致上为矩形的共用框架714上。第一应变计组610包括被布置成两对的四个应变计616、618、620、622，每对位于物镜234的相对侧并被支撑在用于x致动器316的最里面的挠性部件324上。类似地，第二应变计组612包括被布置成两对的四个应变计624、626、628和630，每对位于物镜234的相对侧并被支撑在用于y致动器318的最里面的挠性部件324上。每个组610和612的应变计在惠斯通电桥配置中连在一起。个体应变计可以采用任何合适的形式。它们应当在致动器移动的期望范围上具有较高的灵敏度并具有较低的噪声。本实施例采用半导体应变计，但也可以使用以应变的函数的形式来改变阻力的可替选的器件或金属膜应变计。

支撑框架614优选地在约束应变计向预计方向的运动的同时对致动器的移动提供最小的阻力。优选地它还使应变计上的应变在预计方向上最大化以使灵敏度最大化。本实施例的支撑框架614包括安装在挠性部件324和扫描器载物台310上的薄金属框架。它可以用比如铝、因钢或钛等任何种类的相对较刚性的材料形成。本实施例的支撑框架614使用厚度约0.020”的光刻蚀刻的不锈钢形成。支撑框架614包括通过两组相互垂直的应变计支撑臂636和638彼此连接的四个相对较重的角架部分634。角架部分634通过螺钉、胶粘剂或者其它的合适手段安装在扫描器载物台310上。应变计支撑臂636和638可以通过如下所述的螺钉，或者通过胶粘剂或其它手段安装在挠性部件324上。无论所选取的安装技术为何，都应当注意在将框架614安装在挠性部件324和扫描器载物台310上时不要使其产生预应变。

框架614的所有支撑臂636和638基于至少大致上相同的指令。现在将参照图22A和图22B对第一组636的一个支撑臂进行描述，可以理解，该描述同样地适用于第一组636的其它支撑臂以及第二组638的两个支撑臂。本实施例的支撑臂被配置成提供高对称性，以使得安装在其上的应变计616和618分别承受基本上大小相等的张力和压力。支撑臂636包括通过第一和第二相对较短、窄的连接部分642、644连接到相关联的架部分634的相对较长、宽的支撑部件640。

连接部分642和644提供用于将支撑部件640连接到角架部分634的支点。它们与支撑部件640相结合被配置成使应力下的区域最小化，以便使使偏转应变计616和618变形所必需的工作量最小化。因而，变形被约束在包含应变计616和618的区域，从而使可以被监控的致动器运动的范围最大化。为了获得此效果，理想的是连接部分642和644会是零质量的几何点，中心支撑部件640围绕这些点转动。它们当然需要比经受该转动过程所需的宽度更宽。例如通过有限元分析可以分别确定每个末端部分642和644的最小宽度以及从该点到中心支撑部件640和到转角底座634的斜率。

仍参照图22A和22B，支撑部件640具有纵向长度L1以及横向宽度W。应变计616和618中的每个应变计具有长度L2并平行于支撑部件640的纵轴延伸。为了使线性度最大化，应当在x-y致动器224尺度的制约内使长度L1最大化以使线性度最大化。应当使L2最小化，以使应变计616和618上的应变最大化和使每单位工作的信号最大化。从而，由于极小的应变计倾向于噪声较大，在仍获得可接受的信噪比时的同时对L2可以减小的量存在实际的限制。W可以基于经验确定，使用与确定的L1和L2结合的有限元分析，以在致动器316的移动范围上维持应变计616和618的线性变形。换言之，针对期望的应变范围对其进行了优化。在示例出的实施例中，针对600-700微米/米的应变对其进行了优化。使用这些设计参数，长度L1和L2以及宽度W分别为0.84”、0.06”以及0.20”。

仍参照图22A和图22B，应变计616和618安装在中心支撑部件640中卵形开口650的相对侧上的较窄的带状部件上。环状安装部分652位于开口650中并通过从架部分652向外伸出的多个柱状部件654连接到支撑部件650的其余部分。架部分652装载将支撑部件640连接到下面的挠性部件324的螺钉(未示出)。本实施例的柱状部件654以与x和y方向成锐角延伸，从而不能承受扭结或屈曲力如若不然将会在支撑部件上产生变形(见图22B中的夸大方式)，从而使对致动器移动的阻力最小化。在示例出的实施例中提供了四个柱状部件654，这些柱状部件以与x和y轴成45度角延伸，但可以提供以不同角度延伸的更多或更少的柱状部件。

通过该方案，如图23B所示，x致动器316的移动使每个组的应变计中的一个应变计受压并使另一个应变计受拉。框架614的几何形状和灵活性提供了对于致动器移动的相对较高的灵敏度。在示例出的实施例中，致动器在图23B中的箭头690的方向上的移动使应变计618受压约700微米/米以及使应变计616受拉约650微米/米。参照图22，应变计622和620分别类似地受压和受拉。

现在参照图23，比如聚酰亚胺电路等可伸缩线缆设备660可以安装在框架614上以在各种应变计616-630之间提供电连接以形成惠斯通电桥，并在惠斯通电桥与读出电子部件662之间提供电连接。本实施例的聚酰亚胺电路一般与框架614同时延伸并具有开口，应变计616-630通过这些开口凸出来。应变计的末端通过例如线压焊或线热焊电连接到聚酰亚胺电路。读出电路662通常包括应变式前置放大器，并可以在其安装在框架614上之前或之后电线连接到聚酰亚胺电路。聚酰亚胺电路通过电缆664以电子连接到控制器102。

7.前馈/反馈控制

现在将对在抑制了位置传感器噪声的同时，以高扫描频率进行操作并使xy扫描器的蠕变、热漂移和动态特性的作用最小化的控制器的一个实施进行描述。如图24中所示，控制器1100被配置成采用代表期望的扫描运动(在操作过程中使用比较块1112将其与扫描器1105的致动器1110的测量所得的运动相比较)的参考波形、信号、或数据集“R”(例如三角波)。本实施例中的控制器1100采用补偿来自比如蠕变和漂移等低频源的位置误差的相对较低的反馈环路1104，以及补偿扫描器动态特性和/或非线性度的前馈环路1102。

当扫描器1105执行Z字形光栅扫描时，转弯运动对应于减速和加速力的大的增加。这种力，如之前所描述的，包含许多会使得扫描器不可控地振动的高频激励。当这种振动运动叠加在扫描器的线性运动上时，图像将会变形，而在靠近转动转角的数据中示出波动。严重的振动会导致整个图像遍布波动效应。为了减小转弯处的尖转角的影响，可以对参考波形R进行低通滤波以在峰处产生圆形形状。在一个实施例中，通过将扫描频率f₁的三角波的前四个傅立叶项加在一起来合成参考波形R。包括基波f₁和三个谐波3f₁、5f₁和7f₁的前四个傅立叶分量给出了对线性三角波的除了峰值处会存在平滑过渡的良好近似。根据在线性度与转弯处冲击力之间的折衷，可以使用更多或更少的傅立叶分量。在一个实施例中，使用窗技术(例如但不限于汉宁窗)来调节傅立叶分量以减小有限数量的傅立叶分量所引起的波纹量。通过应用这种窗，可以将波纹振幅减小到该波纹振幅的1/20^th。

因为热漂移和压电蠕变相比于扫描器运动和扫描器动态特性通常出现在基本上不同的时刻，所以可以对反馈和前馈环路之间的工作量进行划分。热漂移和压电蠕变具有范围为若干秒至若干小时的时间常数，对应于约0.1Hz至10^-5Hz的频率。另一方面，典型的传统AFM具有范围为10²Hz范围的扫描器动态特性，而快速AFM具有10³Hz至10⁴Hz或更高的动态特性。对于传统AFM而言，典型的AFM扫描速度范围从大约0.1Hz至10Hz，对于更高速的AFM这个范围达到10Hz至10⁴Hz。因此一般选择低带宽反馈环路布置成具有小于扫描频率但高于漂移和蠕变的联合频率的带宽。作为实例，对于以30Hz进行扫描的SPM系统，1Hz的反馈带宽远在补偿漂移和蠕变所需要的带宽之上，但仍远低于扫描频率。在本实施例中，反馈环路的低带宽基本上缩减了传感器噪声对扫描器/致动器运动的作用。

为了用实例示例出这种影响，考虑扫描频率f1为10Hz并承受随机传感器噪声的扫描器操作的情况。为了如实地再现三角波参考波形，闭环带宽至少为参考波形频率的数倍。如果如上所述期望使三角波的至少前四个傅立叶分量良好地再现，现有技术的反馈环路将会需要具有7f1或大约70Hz的扫描带宽。如果反馈环路却只需要补偿漂移和/或蠕变，则例如可以选取0.1Hz的带宽。在一种简单的情况下，传感器噪声是白噪声。所以将反馈带宽从70Hz削减到0.1Hz可根据因子

缩减传感器噪声对致动器位置的影响。对于高速AFM，以假定500Hz的扫描频率进行操作，对传感器噪声影响的改进可以几乎达到因子200，超过之前已知的反馈环路架构。

注意，此实例中用来估计噪声缩减值的带宽7f₁并非本发明需要的。而是，它仅被用作方便的基准，用以估计传感器噪声对致动器位置影响的减小。根据扫描波形所需要的准度，可以将扫描带宽选择为大于或小于7f₁。较高的扫描带宽增加用于构造扫描波形的傅立叶分量的数量。

可以按几种方式中的任意一种来测量致动器位置中的噪声。可以例如测量驱动致动器的控制信号u(图24)的电压噪声，并将其乘以致动器灵敏度。具体噪声带宽中的总噪声可以被用来表征系统的噪声性能。注意，需将用语“扫描带宽”从“噪声带宽”区别开。噪声带宽限定了执行噪声测量的带宽。通过指定噪声带宽以用于噪声估计的目的，并非意味着系统的扫描带宽是同样的。还要注意，在噪声分析之前将会把一般三角波形从数据移除。

可替选地，可以在形貌特征所在位置(例如，如在SPM图像中所观测的石墨表面上的跳变边缘的位置)测量噪声。传统的闭环AFM图像可在这种跳变边缘示出一至几nm的噪声，而本发明可以获得小于

的噪声，与质量开环扫描器的操作是一样的。

再说回反馈系统，环路104采用闭环反馈控制器1106(PI控制块，例如以数字的方式或用电路实施)以及用于产生信号1109的传感器1108，所述信号1109代表所探测的扫描致动器1110响应于输入信号u的运动。注意与所探测的运动1109相关联的大噪声分量。就是此噪声将噪声引入致动器位置。然而，当使用本实施例的控制器时，如信号1107所表示的致动器位置遵循参考R所代表的期望扫描运动的轨迹。总得来说，与已知的AFM控制器相反，如图24中所示意性地(分解的)示出的，与致动器位置相关联的噪声(信号1107)相比于与所探测的运动相关联的噪声(信号1109)大大减小。

在一个实施例中，闭环反馈控制器1106只包含积分增益以用于传感器噪声的高衰减和较低的稳态误差。在本实施例中，将积分增益的值设置成提供足够低的控制带宽，以允许对传感器噪声的相当大的衰减，但提供足够高的带宽以补偿低频蠕变和/或漂移。在本实施例中，将积分增益设置成使得反馈带宽总体上低于扫描频率。可替选地，控制器1106可以是例如PI或比例积分微分(PID)控制器。它也可以是使用与系统属性、非线性度和/或除反馈之外的滞后行为有关的现有知识的更为复杂的基于模型的控制器。

基于比较块1112确定的位置误差，反馈控制器1106生成适当的控制信号u_fb。比较块1112可以包括：生成代表参考波形与所测量的致动器轨迹之间的误差的信号和/或数据的模拟电路和/或数字计算部件。(注意，前馈支路1102(即，u_ff)对u的贡献将在下面进行讨论。)控制器1106(具体地，u_fb)进行操作以补偿在限定期望的扫描器运动的参考信号“R”与传感器1108的输出信号所代表的实际扫描致动器扫描器运动之间的低频位置误差。作为结果，使由于蠕变和/或热漂移导致的对相关探针-样品定位的不利影响最小化。此外，如上所述，通过以低带宽进行操作，使传感器噪声(高频噪声)对控制信号u并且因此对致动器运动的不利定位影响最小化。在一个实施例中，针对x、y和z轴的致动器1110是连接到刚度量不同的挠性部件的压电堆叠，如在2007年3月16日提交的、题为《快速扫描的SPM扫描器和对其操作的方法》(“Fast-Scanning SPM Scannerand Method of Operating Same”)的序列号为11/687304的正常待审申请中所描述的那样。然而，致动器也可以采用任意数量的可替选的致动技术，包括但不限于：压电管或其它的压电器件，用电致伸缩、磁致伸缩、静电、电感和/或音圈驱动机制形成的致动器，以及响应于输入信号而产生运动的其它致动器。例如在压电管的情况下，致动器1110自己本身也可以成为扫描器。致动器1110也可以是包含其它部件的扫描器1105的部件，例如图24中所示的基于挠性的扫描器。在实践中，致动器和其它扫描器部件的动态特性都不同地限制最大扫描频率。可以使用本发明产生对单个致动器以及更复杂的扫描器组件两者的性能的改进。

位置传感器1108最常常产生指示致动器1110位置的信号。合适的位置传感器还可以产生指示致动器速度的信号，随后可以对该信号进行积分(例如通过处理器)以确定相关的致动器位置。位置传感器可以被布置成直接测量致动器的运动或者测量由致动器移动的单独的参考点或表面的位置。位置传感器1108可以进一步包括：将来自传感器的原始信号放大、线性化和/或解调成可被控制器更好地使用的信号的前置放大器和/或信号调节器。

现在转到前馈算法的操作。再次参照图24，控制器1100的前馈支路1102采用前馈控制算法1120，以便于以最小化的扫描器共振变形进行高速扫描。一般来说，前馈控制算法是这种算法：使用系统属性的现有知识来估计生成期望输出所需的控制信号。前馈控制算法1120在下面进行进一步的详细描述，但主要使用致动器(或扫描器单元)动态特性(即，非线性度等)的知识来沿期望轨迹生成驱动致动器1110的扫描器控制信号u的前馈分量u_ff。

在一个实施例中，用将会驱动致动器的波形u_ff的第一估计来运用致动器1110以对参考波形进行近似。此估计可以来自例如之前的测量或初始的校准步骤。控制器1100通过生成更新后的扫描控制波形u_ff来更新驱动波形u_ff以使扫描位置(比较块1112的输出)中的高频误差最小化。在一个实施例中，波形u_ff包含用于抑制扫描器的寄生共振的振动和/或校正致动器中的非线性度的成分。已知版本的前馈控制算法总体上在以下文献中进行了描述：Stemmer、Schitter、Ando、Salapaka、Devasia以及Zou例如，G.Schitter等人，“A new control strategy for high-speed atomic forcemicroscopy，Nanotechnology 15(2004)108-114”；Q.Zou等人，“ControlIssues in High-speed AFM for Biological Applications：Collagen ImagingExample，Asian J Control 2004年6月；6(2)：164-178；以及S.Devasia等人，“Nonlinear Inversion-Based Output Tracking”，IEEE Transactionson Automatic Control，第41卷，第7号(第930-942页)(1996)，其中的每个文献均经引用明确合并于此。

更具体而言，在此情况下，控制器1100的前馈支路1102进行操作以通过在AFM扫描过程中考虑致动器1110的动态特性(例如，非线性度)和/或整个扫描器1105来减小例如周期性的误差，包括高频位置误差。在一个实施例中，前馈算法1120是自适应算法，有时在下文中称作反演迭代控制(IIC)算法，用于以如下方式进行操作：使用传感器误差来确定用于校正位置误差的适当的控制信号u_ff。IIC算法对扫描器或致动器的传递函数进行反演。基于传感器误差和之前的控制信号，IIC计算适合在扫描中减小测得的位置误差的新的控制信号u_ff。Zou等人在“Precisiontracking of driving wave forms for inertial reaction devices”，Review ofScientific Instruments 76 023701(第203701-1-203701-9页)，(2005)中对一个这种IIC算法进行了描述。在一个实施例中，扫描控制信号u_ff被根据扫描位置和/或时间而作为控制值的阵列或者扫描表计算。重复对与扫描致动器相关联的扫描表进行更新以生成适当的u_ff以尽快使位置误差最小化。

8.系统能力

从以上应该清楚，上述AFM可以执行非常迅速的扫描而同时仍获得高质量的图像。事实上，当用上述针尖扫描器进行扫描时，在以超过30Hz、优选地超过50Hz、甚至更优选地超过100Hz的速率沿4、5或10μm或更长的线进行扫描的同时可以高质量地对约0.5埃上的样品特征进行解析。系统的力反馈控制器(包括z致动器、控制器以及探测器)允许在至少5kHz、甚至在轻敲模式操作中大于或等于7kHz至10kHz以及在接触模式操作中大于或等于30kHz的力控制带宽(即，用来控制z致动器的力控制反馈的带宽)上获得这些扫描速率。

数据存储样品的实例包括硬盘磁头、介质表面、长形条(rowbar)、滑块以及头晶片。

使用几种不同的准则可以验证在这些条件下所获得的信息的质量。

本文中所讨论的处理以及其它落入本发明范围的处理可以被用来扫描很多种样品，包括但不限于：比如半导体晶片的图案化晶片、薄膜、聚合物、生物样品、或者数据存储部件。

本领域技术人员根据所附权利要求将更加清楚本发明的其它特征和优点。

Claims (24)

1.一种用于操作扫描探针显微镜SPM的方法，包括：

使压电致动器组件活动以移动所述SPM的探针，使所述探针在xy平面中按照至少为4μm的扫描范围、按至少30行/秒的速率扫描过样品，并在压电z致动器的控制下在z方向上移动所述探针；

使用感测光束和探测器来测量所述探针的运动；

移动至少一个透镜，以使得所述感测光束至少大体上跟随所述探针的扫描运动；

用至少1mm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用；以及

对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一种，进行存储、传输和显示中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为4mm/sec。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为7mm/sec。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，以至少100行/秒的速率执行所述扫描。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，以至少1000行/秒的速率执行所述扫描。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扫描包括按照至少为10μm的扫描范围来扫描。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述扫描包括按照至少为20μm的扫描范围来扫描。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，用至少10kHz的力控制带宽来执行所述扫描。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，移动所述SPM的探针还使得所述样品以与所述探针的移动成嵌套控制关系的方式在所述xy平面内移动。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用还包括以与所述探针的移动成嵌套控制关系的方式在所述z方向上移动所述样品。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括振动所述探针。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用包括维持所述探针的振动振幅恒定。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用包括维持所述探针的振动相位恒定。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品是图案化的晶片、生物学样品、数据存储装置部件、聚合物以及薄膜中的一种。

15.一种用于操作扫描探针显微镜SPM的方法，包括：

使压电致动器组件活动，以使所述SPM的探针移动而经过样品，以使所述探针相对于所述样品按照至少4μm的扫描范围、按至少30行/秒的速率来扫描，并在压电z致动器的控制下在z方向上移动所述探针；

使用感测光束和探测器来测量所述探针的运动；

移动至少一个透镜，以使得所述感测光束至少大体上跟随所述探针的扫描运动；

用至少10kHz的力控制带宽来控制探针-样品的相互作用；以及

对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一种，进行存储、传输和显示中的至少一种。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，用至少20kHz的力控制带宽来执行所述扫描。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，用至少50kHz的力控制带宽来执行所述扫描。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括用至少1mm/sec的力控制回转速率来控制所述探针-样品的相互作用。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为4mm/sec。

20.一种扫描探针显微镜SPM，包括：

扫描器，该扫描器包括压电致动器组件，所述压电致动器组件使所述SPM的探针移动而经过样品，以使所述探针按照至少4微米的扫描范围、按至少30行/秒的速率来扫描；

感测光束和探测器，用于测量所述探针的运动；

被置于所述感测光束与所述样品之间的至少一个透镜，该透镜是能够移动的，使得所述感测光束跟随所述探针的扫描运动；以及

控制器，该控制器用至少为1mm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。

21.根据权利要求20所述的SPM，还包括用于对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一个进行存储、传输以及显示中的至少一种的装置。

22.根据权利要求20所述的SPM，其中，所述探针具有大于30kHz的力探测带宽，并且在以振动模式被启动时向所述样品施加小于10nN的力。

23.根据权利要求20所述的SPM，其中，所述探针具有大于100kHz的力探测带宽，并且在以振动模式被启动时向所述样品施加小于5nN的力。

24.根据权利要求20所述的SPM，其中，所述探针具有约为10μs的阶跃响应时间。

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