CN102084431A - 探针检测系统 - Google Patents

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Abstract

用于扫描探针显微镜的探针检测系统(74)包括高度检测系统(88)和偏转检测系统(28)。在扫描样品表面时，将从显微镜探针(16)反射的光分离为两个分量。通过偏转检测系统(28)分析第一分量(84)，并且在保持平均探针偏转在扫描期间基本恒定的反馈系统中使用第一分量(84)。由高度检测系统(88)分析第二分量(86)，由此获得对探针在固定参考点以上的高度的指示，并由此获得样品表面的图像。该双检测系统特别适合在快速扫描应用中使用，在这些应用中，反馈系统不能以调整像素位置之间的高度所需的速率进行响应。

Description

探针检测系统
技术领域
本发明涉及探针显微镜领域，尤其涉及一种用于与样品表面相关地监视显微镜探针的位置的检测系统。
背景技术
扫描探针显微镜(SPM)背后的原理用于使用纳米探针针尖在样品表面上进行机械扫描以产生样品的图像。根据针尖和样品之间的相互作用的变化得到图像内的特征。
SPM的具体示例是原子力显微镜(AFM)，其中监视样品和探针的尖锐针尖之间的力相互作用。典型AFM的探针包括其基部固定到支持物的非常小的悬臂，针尖在该悬臂的相对(自由)端。当使探针针尖极为接近样品时，在样品和针尖之间产生相互作用力。如果针尖在运动，例如振荡，则相互作用力以某种方式改变该运动。如果针尖静止，则力将使针尖相对于样品表面位移。
在扫描过程中，针尖和样品表面之间的相互作用的强度随着探针针尖下方的表面的特性改变而改变。三轴高分辨率扫描器典型地产生样品和探针之间的相对运动，驱动样品和/或探针支持物。在扫描过程期间监视相互作用力对探针针尖的位置和/或运动的影响。在标准AFM操作中，相互作用力的强度保持恒定。也就是说，观察其对探针的影响，并且反馈系统进行操作以响应于任何改变来调整样品和探针的基部的间隔，从而使观察到的参数回到预定值，即设置点。收集与该调整相关联的数据(通常为竖直移动或“z”移动)，并且可以将其用于构建样品表面的区域上的样品的图像。
如上所述，常规地在竖直方向或z方向上进行基部-样品间隔的调整，在x、y平面上扫描样品表面。这里遵循这种惯例，然而要记住显微镜可以被设置为使得样品不被取向为水平表面，因此反馈调整不在竖直方向上。也就是说，术语“竖直”应当被理解为简单地指与样品的平面垂直，或者等同地，与扫描样品表面的平面垂直。常规地，这被指定为z方向，如图1所示的直角坐标轴所示。
对通过AFM形成的图像的解释某种程度上取决于所研究的表面的性质。表面形貌通常对图像作出最显著的贡献，在探针进行扫描时探针紧密地跟随样品的高度，但是其它特性，诸如表面疏水性和亲水性、粘弹性等也可以作出贡献。探针和显微镜还可以适合于经由合适的相互作用力来测量其它样品特性，诸如磁场或电场。
AFM可以被设计为以多种成像模式工作。在接触模式下，探针保持与样品基本上连续不断的接触。在动态模式下，探针振荡，使得与样品不接触或者断续的接触。
如果使用静止针尖来探测表面，则使用相互作用力对悬臂的弯曲或偏转的影响来监视针尖在扫描过程中的位置。随着针尖和表面之间的相互作用力改变，针尖被拉向或推离表面。该针尖移动被传送到探针的悬臂部分，探针的悬臂相应地沿着其长度弯曲或者折曲。具有这种设置的AFM被设置为使用本领域公知的诸如光学杠杆系统的灵敏检测器或其它偏转检测器来测量悬臂的偏转。在上下文中，偏转是指探针的上表面的倾斜，这通常用于提供悬臂弯曲的指示。
可选地，探针可以在其共振频率之一处或附近竖直振荡。样品-探测相互作用的变化影响探针的运动。特别地，可以监视这些振荡的幅度、相位和共振频率，并且对其进行探针-样品间隔调整，以保持恒定的平均相互作用。
与其工作模式无关地，AFM可以用于获得环境(空气、液体或真空)范围内的多种样品的原子尺度上的图像。典型地，它们利用压电致动器、光学杠杆偏转检测器和使用硅制造技术制作的非常小的悬臂。其高分辨率和多功能性导致发现其在诸如工业检查、半导体制造、生物研究、材料科学和纳米技术的不同领域中的应用。
在本领域中经常可互换地使用术语“探针”、“针尖”和“悬臂”，但是为了进行本描述，这些术语需要更严格的定义。针尖(或者在更适合上下文的情况下，为探针针尖)是指位于悬臂梁的自由端的3维的通常为圆锥或者角锥结构。针尖向作为与所探测的表面相互作用的最接近点的点逐渐减小。悬臂是不包括针尖的梁本身，其一端支持针尖而另一端由显微设备保持。将悬臂和针尖一起称为探针。
图1示出了常规AFM 10的基本部件。该现有技术AFM 10包括可移动台12，其上安装有要通过探针16研究的样品14。探针16包括悬臂梁18和针尖20，针尖20向尖端20a逐渐减小并且被定位为朝向悬臂梁18的一端。悬臂梁18的另一端固定到安装架22。连接到台12的z定位系统24包括能够进行操作以朝向探针16或者远离探针16(z方向)地移动台12的压电驱动器。其它驱动器(未示出)连接到安装架22、台12或者安装架22和台12二者，并且能够进行操作以提供样品14和探针16之间在样品的平面(x，y)中的相对运动。光源26被设置为发射光束L，光束L被导向到悬臂梁18的上表面(背部)18b上的安装针尖20的位置处。从悬臂的背部18b反射的光传播到位置灵敏检测器(PSD)，典型地为隔离光电二极管(split photodiode)28，并生成反馈信号。检测器28的输出经由反馈控制器30连接到z定位系统24。
可以对来自PSD的反馈信号进行处理以提取诸如探针偏转、幅度、相位或者其它参数的量。为了简单，该现有技术AFM被描述为以使用基于探针偏转的反馈的接触模式工作。
探针16通常(对于AFM)由硅或者氮化硅制造。典型地，悬臂18大约100-200μm长，20-50μm宽，并且大约0.5μm厚，但是该尺寸当然可以根据应用而改变。形状也可以改变：典型地为矩形或者三角形，在后者的情况下，针尖20位于其顶点处。典型地，针尖20在其基部为5μm，3-10μm高，并且具有10-20nm的曲率端半径。在使用中，针尖20的端部处的尖端20a朝向样品。
在取得样品的图像时，现有技术的AFM 10进行如下操作。使用z定位系统24，针尖20首先朝向样品14移动，直到悬臂18偏转到预定水平为止。例如在图1中由探针轮廓P1指示的，该预定程度的悬臂18偏转是针对反馈控制器30的设置点。
使用光束L和检测器28监视悬臂18的偏转。检测器28在其长度上分隔为独立的检测器区域A和B。来自检测器的输出信号是照射区域A的光的强度和照射区域B的光的强度之间的差。因此，从检测器输出的强度差提供对悬臂偏转的指示。检测器28被定位为当悬臂18向位置P1(设置点)弯曲时，入射到悬臂的背部18B的光束L沿路径D1反射，并且基本相等地入射到区域A和B上。也就是说，IA-IB～0，其中，IA和IB分别表示照射区域A和B的光的强度。可以调整的IA-IB准确值，该值用于识别偏转设置点位置。
现在针尖20在样品14的表面上进行扫描，通常遵循光栅图案。当针尖20遇到表面高度增大的部分时，跟踪表面的针尖20被迫使进一步向上。这随即使得探针16使其弯曲增大到例如位置P2。在探针16在该位置的情况下，光束L和由悬臂的背部18b定义的表面之间的入射角度改变。光束L相应地沿着不同的路径D2反射，因此与区域B相比更完全地入射到检测器的区域A上。也就是说，入射到检测器28的两个部分的光之间的强度差IA-IB从其先前(设置点)值改变。因此可以看出，强度差的值提供对悬臂偏转的指示，并且重要的是，关于从其设置点偏转了多远的指示。反馈控制器30被设置为调整探针安装架22的竖直位置，以将其移动远离样品14，因此使从检测器28接收到的偏转信号返回到其设置点(在给定的示例中IA-IB～0)。相应地，探针20保持在P1所示的取向。
相反地，当针尖20遇到表面高度减小的部分时，由悬臂梁18的设置点弯曲导致的悬臂梁18的偏置将针尖20向下推动。因此，探针16使其弯曲程度减小，并且采用诸如P0所示的取向。在该取向的情况下，悬臂的背部18b上的光束L之间的入射角度使得光束L沿着路径D0反射。相应地，与区域A相比更完全地照射检测器的区域B。反馈控制器30再次调整探针安装架22的竖直位置，以将其朝向样品14移动，因此将偏转信号保持在其设置点。相应地，探针20保持在P1所示的取向。
以这种方式，显微镜系统的反馈保证如由针尖上方的悬臂的背部18b的倾斜角度确定的探针16的偏转在扫描过程中基本保持恒定。这进而保证用于向表面吸引针尖或者从表面推开针尖的探针针尖20和样品14之间的相互作用力也基本保持恒定。随着扫描的进行，测量由z定位系统设置的安装架的竖直位置，以提供样品表面的高度的指示。在扫描过程中通过z定位系统24进行的调整用于构建图像。
近来探针显微镜的进步产生了具有更快的数据收集时间的快得多的扫描技术。然而，使用诸如在PCT专利申请WO 02/063368和WO2004/005844中描述的这种新产生的显微镜，由AFM部件本身产生的局限性限制图像收集时间变得越来越明显。
参考上述现有技术的AFM的能力，随着扫描速度的提高，可以确定三个不同方式的AFM操作。
在上述现有技术的AFM中，针尖20在样品表面上连续移动，以在每秒内覆盖设置数量的像素。监视悬臂偏转，并且反馈系统使得对探针20和样品14的竖直间隔进行连续调整，以将探针16保持在其预设弯曲取向P1。能够对偏转的改变进行检测、然后作为响应来对竖直间隔进行调整的速度实质上设置了第一(最慢)方式的扫描速度的上限。为了收集准确的信息，探针-样品相互作用应当在所有像素位置上是恒定的。也就是说，反馈系统必须在比探针收集与单个像素位置相对应的图像数据所花费的时间尺度更短的时间尺度上调整探针-样品间隔。也就是说，在光栅扫描将探针移动到新的像素位置之前。
然而，随着扫描速度提高，AFM进入第二方式，其中在单个像素区域内，反馈系统不具有充足的时间使探针返回到其设置偏转。反馈系统将相应地滞后数据收集系统，并且高度信息(由竖直调整获得)将不反映探针针尖在该像素位置处的真实高度(因此不反映样品高度)。必须通过增大每个像素的尺寸(这降低图像分辨率)，或者通过减慢扫描(其结果是数据收集时间增加)，来降低像素速率。
为了减小该限制的影响，当前的研究正在关注提高反馈系统的速度：也就是说，有效地延伸第一方式的范围。一种方法使用两个致动器来提供悬臂在z方向上的移动。第一致动器驱动探针组件，其结果是有限的反馈响应。然而，提供与探针集成的第二致动器，因此能够操作第二致动器以仅移动探针。由该二次致动器提供的移动的范围小于由第一致动器提供的移动的范围，但是如其用于仅影响探针，其响应时间更快。以这种方式，可以经由快速致动器对针尖高度进行初始调整，随后及时进行较慢、较大的调整。然而，这种对具有集成的第二致动器的嵌套反馈系统的使用只取得了有限的成功。这部分因为难以解释反馈系统的响应，因此难以确定针尖的高度。在不使用该信息的情况下，无法准确地推断表面形貌(或其它样品特性)。
一种可选方法是以允许悬臂的偏转的一些变化的模式操作AFM。在该模式下，测量悬臂偏转，并且收集与该偏转相关联的数据，并用于构建图像。因此，在该模式下操作需要改进的测量技术，以从探测偏转中提取有用信息。如下面更详细地说明的，如图1所示的现有技术的检测系统可以适应于在该模式下操作，但是这种适应可能导致度量信息的丢失，对于许多应用来说这是不令人满意的。
如果扫描速度进一步提高，则进入现有技术的AFM完全不适合工作的第三方式。在特定扫描速度以上，可以激励悬臂18的瞬时运动。也就是说，如果在扫描过程中针尖遇到例如样品表面上的较高区域，则针尖20将提供可以激励悬臂梁的瞬时运动的脉冲。如果由于探针跟踪表面轮廓而存在该瞬时运动，则扰动探针在任意给定表面位置处的取向，因此限制能够从监视探针偏转获得的信息。偏转不再以任何方式与探针高度相关。这由J.P.Howard-Knight和J.K.Hobbs在“Video rate atomic forcemicroscopy using low stiffness，low resonant frequency cantilevers”，Appl.Phys.Lett 93104101(2008)中进行了描述，并且还将在下面更详细地进行说明。
现在返回图1所示的现有技术的系统，显然在探针针尖20跟踪样品14的表面时，其在扫描线中的每个点的竖直位置提供对样品14的形貌的直接指示。因此，严格来说，对例如台12的表面的参考水平以上的针尖的点20a的高度的测量将给出样品的高度的真实指示。
在第一扫描速度方式下，图1的现有技术的系统简单地监视入射到区域A上的光强度和入射到区域B上的光强度之间的差。不对偏转进行具体测量；现有技术的AFM是无效系统，因为其仅需要保持偏转恒定。从操作反馈系统以保证恒定偏转的驱动器获得探针高度信息。
现在转到第二扫描速度方式，显然现有技术的系统可以用于测量入射到区域A上的光强度和入射到区域B上的光强度之间的差。也就是说，AFM可以不作为无效系统，而作为直接作为其对样品的探测结果来提取数据(强度差)的系统工作。该数据当然仅对这种情况有用，即，能够从测量的偏转数据中提取与参考点(例如台表面)以上的探针的高度有关的信息。
对检测器的两个部分之间的强度差的测量清楚地提供从悬臂的背部18b反射的方向光的指示。反射方向进而取决于悬臂的背部18b倾斜的角度。对于小角度，倾斜的改变等于悬臂梁18旋转的角度，并且因此与针尖20处的高度的改变成比例。注意，图1所示的位置P0、P1和P2被极大夸大，以使得更清楚，在许多情形下，悬臂梁18不显著弯曲，该小角度近似是良好的。还明显的是，测量偏转的位置是悬臂梁的背部18b上的位置，而不是针尖的点20a的位置。这两个点间隔量等于针尖20的垂直高度。对于小的偏转，在扫描过程中可以假设该间隔量是恒定的。
与这些近似无关地，因为相对直接地进行实施，因此经由其偏转对针尖20的高度的测量在其支持物有损害。在第一扫描方式下，不需要对探针偏转的变化进行量化；其在无效系统中保持恒定。即使在第二扫描方式下，扫描探针显微操作到此为止也在上述假设有效的条件下。
尽管对经由其偏转的探针高度测量的明显普遍的依赖，在US5,144,150(Yoshizumi)、EP 1892727(Mitutoyo)和EP 2017599(Mitutoyo)中描述了直接高度测量的示例。在这些文献中描述的显微镜都利用干涉仪来提取与探针的高度有关的信息。
US 5,144,150描述了使用接触探针来测量诸如球面透镜或菲涅耳透镜的构成或半导体上的图案化的曲线表面的构成。测量这些表面时的问题是例如由于在探针跟踪表面的特别高的区域而使悬臂梁弯曲时可能对样品表面施加不可接受的压力。解决方案是保证在扫描样品表面时，保持悬臂梁的弯曲基本恒定。这通过将悬臂的基部连接到所谓的光学探针来实现。光学探针在针尖之上的悬臂梁的背部聚焦。如果针尖相对于基部移动(即梁弯曲)，则针尖移动远离光学探针的焦点。然后，物理地移动光学探针，以使针尖返回到其焦点，因此保持针尖-光学探针间隔。通过光学探针和悬臂的基部之间的连接，该所谓的“自动聚焦系统”进而保证悬臂返回到其原始弯曲结构。换句话说，使用光学反馈系统将悬臂保持在基本恒定偏转。到此为止，这种设置与以上述恒定相互作用模式工作的现有技术的AFM系统类似。
与恒定相互作用的AFM(其简单地从移动悬臂的基部以保持偏转位置所需的竖直距离提取探针的z位置)相比，US 5,144,150的显微镜使用干涉测量直接测量针尖的背部的速度。根据该速度信息，可以得出扫描中特定点处的探针高度。通过从针尖的背部反射的激光束与参考光束的干涉来测量探针的速度。当光束从移动探针反射时经历多普勒频移。对干涉测量的使用与其偏转或者相关联的悬臂梁的偏转无关地提供探针的高度的指示。
然而，在US 5,144,150中描述的设置不克服对扫描速度施加的限制中的任何一个。其仅能够在第一方式下工作。用于保持悬臂偏转的反馈系统不能立即对偏转的改变进行反应，相应地扫描速度被限制为收集图像像素花费的时间大于自动聚焦反馈系统的响应时间。值得注意，该现有技术的系统包括第二反馈系统，其保证干涉测量系统的激光束沿着其入射路径从探针背部反射，与探针的倾斜无关。也就是说，扫描速度受这两个系统的较慢的响应时间限制。
两个Mitutoyo申请EP 1892727和EP 2017599涉及提高探针显微镜工作的精度，因此提高图像的分辨率。这通过使用干涉测量提取探针相对于固定参考点的高度的直接测量值来实现。在一个实施例中，从探针的背部反射的光束与参考光束干涉，并提取路径差。这克服了由扫描器引入运动误差的问题：探针针尖的z方向运动单纯由样品表面的形状引起。任何扫描器误差将使探针弯曲，这不会影响直接高度测量。
在EP 1892727中描述的系统不利用任何反馈系统。也就是说，不进行调整以防止探针的过度弯曲，这相应地局限于对非常平坦的表面进行扫描。
EP 2017599描述了对在实施反馈的较早的Mitutoyo应用中描述的设备的发展。与先前描述的反馈AFM现有技术相比，该反馈系统被简化在于使用单个传感器来检测探针的接触力(反馈信号)和位移(高度)两者。在探针进行扫描时，对探针施加小的竖直高频振荡(抖动)。该振荡的幅值提供关于相互作用力的强度的信息。由干涉仪测量的直接高度信号相应地具有低频分量，该低频分量对应于与由抖动产生的高频分量叠加的样品高度变化。在信号处理中，使用滤波器来分离两个分量。调整探针的基部的高度，以保持高频分量的幅值恒定。然而，这种配置不克服对扫描速度施加的限制中的任何一个。只有在反馈系统具有充足的时间来对表面高度的任何改变作出响应的情况下才能够获得准确的数据结果。也就是说，如果在图像数据收集点之间保持抖动幅值恒定。不能以更快的速率收集数据，这是因为，在第一实例中，幅值测量需要监视多个周期(在该实例中为5-10个)上的振荡，其次，必须给z驱动系统时间来调整探针位置以将幅值恢复到其设置值。因此，该设备也仅能够在第一扫描方式下工作。
总结来说，现有技术的探针显微镜不适合上面指出的第一(慢)扫描方式之外的操作，或者其应用局限于相对平坦的样品。
考虑在尝试以第三扫描方式的非常高的速度进行扫描时遇到的另外的困难，进一步突显出现有技术的探针显微镜固有的不足。也就是说，如果速度足够激励悬臂的瞬时运动。
假设例如在遇到样品表面的较高区域时，如果对脉冲的悬臂响应在其第一受限共振频率以上，则出现这种情况。因此，在这些情况下，不仅悬臂在其针尖处的倾斜可能具有与其稳定状态(设置点)倾斜不同的幅值，而且其还可能在相反的方向上。瞬时运动将随位置和时间改变悬臂的角度。参考图2示出该问题。
注意存在两个可能的悬臂机械状态：可以通过与样品表面接触来限制针尖，或者针尖可以是自由的。将在这些状态下的悬臂共振状况分别称为受限共振和非受限共振。
图2a、b、c、d示出了探针针尖20接收到来自样品14表面的脉冲的各种情形。如前所述，探针16包括连接到悬臂梁18的针尖20。指示了最接近样品的探针的点20a和用来进行偏转测量的悬臂的背部18b。由虚线40指示悬臂的背部18b的稳定状态、标称位置。“标称”的含义是如果反馈正在工作，则要将背部18b保持在该位置。也就是说，等同于图1中的探针取向P1。在每个图的右侧示出了进入光束L，左侧是对于在其标称位置的探针预期的反射方向42，如虚线所示。也就是说，虚线42对应于图1中的D1。
在图2a和2b中，由实线44指示样品表面的位置。该表面位置44实际上是低谷，为了该示例清楚，针尖20跟随表面，并从其标称位置向下吸引。图2a示出了这样的情形：在比悬臂18的稳定时间长的时间尺度上，引起该移动的从样品接收到的脉冲相对慢。也就是说，任何瞬时运动在探针花费的用于对表面轮廓进行响应的时间中衰减掉。随着针尖20降低以接触表面44，悬臂梁18向下弯曲，并且悬臂的背部18b向图的左侧倾斜。相应地，测量光束L沿着路径46从悬臂的背部18b反射。相应地，检测到光退出路径逆时针方向偏移，如箭头48所示。通过对比，图2b示出了在从样品14接收到的脉冲在比悬臂18的稳定时间短的时间尺度上时探针16的瞬时位置的示例。如前所述，针尖20被向下吸引到表面水平44，但是悬臂18的瞬时振荡意味着沿着其长度观察到波纹。因此，探针的瞬时对齐如图2b所示。相应地，随着波纹的传播，悬臂的背部18b将关于与样品的接触点20a摇摆。图2b中示出了悬臂的背部18b向右侧倾斜的瞬时位置。在该实例中，光束L沿着路径50反射。相应地观察到光束退出路径顺时针偏移，如箭头52所示。
由此可以看出，尽管跟踪相同的表面位置，但是探针偏转的瞬时测量将产生图2a和2b所示的对比情况中的相反结果。
在图2c和2d中，样品表面的位置被提升，如实线54所示。因此，该表面位置54表示峰，并且跟随该表面的针尖20从其标称位置向上提升。图2c示出了这样的情形：在比悬臂18的稳定时间长的时间尺度上，引起该移动的从样品接收到的脉冲相对较慢。也就是说，任何瞬时运动将在探针对表面轮廓进行响应所花费的时间中衰减掉。由于针尖20随表面54提升，悬臂梁18向上弯曲，并且悬臂的背部18b向图的右侧倾斜。相应地，探测光束L沿着路径56从悬臂的背部18b反射。相应地，检测到光束退出路径顺时针方向偏移，如箭头58所示。与图2b所示的类似，图2d示出了在从样品14接收到的脉冲在比悬臂18的稳定时间短的时间尺度上时探针16的瞬时位置的示例。如图2c中，探针针尖20a随表面水平44提升，但是悬臂18的瞬时振荡意味着在瞬时模式沿着其长度传播时观察到波纹。也就是说，悬臂的背部18b关于与表面的探针接触点20a摇摆。其瞬时对齐例如如图所示。在图2d的示例中，悬臂的背部18b向左侧倾斜。在该实例中，光束L沿着路径60反射。相应地观察到光束导出路径逆时针偏移，如箭头62所示。
此外，如果激励了瞬时运动，则观察相同表面位置54的测量以产生对比结果。也就是说，如果在表面上扫描探针的速度使得探针在比悬臂的稳定时间短的时间帧中对表面特征进行响应。
可以将定义第三速度方式的开始的限制重新叙述为：像素收集时间段(对与图像中的一个像素相对应的表面的部分进行成像所花费的平均时间)变得小于悬臂的稳定时间。
应当理解，图2b和2d所示的探针16的位置是瞬时的。瞬时模式将沿着悬臂梁18传播，并且如果不衰减，则观察到悬臂背部18b的摇摆以及产生的反射光束的方向的快速振荡。如果瞬时模式例如通过使用具有低Q因数的悬臂梁而衰减，则背部18b的初始倾斜移动更快地稳定。
在PCT专利申请WO 2005/008679中描述了能够更好地测量不均匀样品表面的形貌的混合系统。与电子反馈机制组合地实现用于在样品表面上跟踪针尖的改进的机械系统。尽管在比像素收集速率更大的时间尺度上，电子反馈机制用于对探针的基部和样品支持物的竖直间隔进行调整。通常，在覆盖多个扫描线的时间段上进行这些反馈调整，但是在每个扫描线内，必须测量样品表面上方的针尖的高度的变化。假设在扫描线的尺度上样品表面足够平坦，使得对检测系统的限制不太严格。测量的高度变化允许沿着每个扫描线形成表面形貌变化的图像，并且使用电子反馈信号来将每个扫描线调整到基线水平。需要改进的机械跟踪系统，以在针尖遇到不规则时保持针尖更好地与表面接触。这允许在每个扫描线的时间尺度内收集更准确的高度信息。然而，该现有技术的装置虽然能够在第二速度方式下工作，但是没有对悬臂的瞬时模式进行考虑。虽然提供了更好的跟踪，这相应地延迟了第三方式的开始，但是如果在第三方式下工作，这种显微镜仍然不能获得准确的结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种与扫描探针显微镜一起使用的检测系统，其能够在探针针尖以超过反馈系统为将反馈参数保持在预定值而设置的限制的速度扫描样品表面时提取与探针针尖的高度有关的信息。具体地，目的是提供一种检测系统，其能够在探针进行瞬时运动的同时提取有意义的信息。
相应地，本发明提供一种用于扫描探针显微镜的检测系统，该系统包括：光源，用于产生光束以照射探针，探针包括具有基部和自由端的悬臂，自由端支持尖锐的针尖；收集装置，用于收集从探针反射的光，其中，光束照射探针的针尖附近的上表面，并且所反射的光包括两个分量：第一分量，根据该第一分量获得对探针的上表面的偏转的指示；以及第二分量，用于传输到高度检测系统，高度检测系统被设置为从该分量中提取与探针的上表面相对于参考点的位置有关的信息。
这种设置具有如下优点：该检测系统可以用来在所有三种工作方式下形成样品表面的图像。在本发明的上下文中，“偏转”不应当被理解为局限于在这里描述的现有技术中显而易见的含义。而是应当被理解为包括探针的上表面的取向或倾斜的角度(如在现有技术中)，或者根据悬臂的取向得出的一些其它角测量。这可以包括从其自由端和基部端之间(或者实际上其长度上的其它位置)的竖直间隔得出的测量。简单来说，悬臂的“偏转”应当被理解为作为与样品的探针相互作用的结果在悬臂中诱导的弯曲的形状的一些测量。监视探针的上表面的偏转允许使用反馈来保持探针针尖和样品之间的平均相互作用力恒定。这具有限制由施加过高的相互作用力导致的样品和/或探针上的可能的应力的效果。同时，由高度检测系统测量的路径差是探针高度的直接测量。与悬臂的偏转无关地，该测量是探针相对于由参考点设置的位置的高度的真实指示。由于该测量值不依赖于偏转，因此不受反馈系统的响应时间影响，潜在地也不受瞬时运动的存在的影响，瞬时运动能够动态地改变悬臂的偏转，而不影响其高度。
作为高度测量不依赖于偏转的另外的结果，不需要具有探针的基部的竖直(z)高度的任何了解。在现有技术的AFM系统中，测量基部的高度以提取用来形成图像的数据。在根据本发明的AFM中，直接根据干涉仪输出来形成图像。相应地，尽管在现有技术中必须相对于获得的实际高度校准对负责控制基部的竖直高度(z)的驱动系统的输入信号，但是在本发明中不存在这种校准需要。
理想地，所述高度检测系统包括干涉仪，该干涉仪被设置为检测反射光的第二分量和高度参考光束之间的光程差。这种干涉仪能够产生该光程差的准确测量，因此产生探针的相对高度的准确测量。优选地，干涉仪是零差干涉仪，其包括用于生成一对相位正交干涉图的装置，可以对其在多个条纹上应用准确的条纹计数技术。这提高了高度检测系统的准确度，并增大了可以检测到的悬臂移动的范围。可以通过具有相位分离涂层的光束分离器生成相位正交干涉图。
还可以将第一分量传输到干涉仪，干涉仪还被设置为检测反射光的第一分量和偏转参考光束之间的光程差，由此提供关于悬臂的倾斜的信息，偏转参考光束沿着长度由悬臂上远离悬臂的自由端，优选地在其基部端处的位置定义的光路径传播。也就是说，在该实例中，从悬臂的自由端和沿着其长度的第二位置之间的竖直高度差获得偏转测量，有效地为对其平均倾斜的测量。在该实施例中，干涉仪可以用于提取高度和偏转信息，这减少了所需的部件的数量。
可选地，可以将第一分量传输到偏转检测器，偏转检测器被设置为提供对探针的上表面的偏转的指示。因此，可以使用根据现有技术已知的任意偏转检测器获得偏转信号。
具体地，偏转检测器可以是第二干涉仪，第二干涉仪被设置为检测反射光的第一分量和偏转参考光束之间的光程差，偏转参考光束沿着长度由悬臂上远离悬臂自由端，优选地在其基部端处的位置定义的光路径传播。可选地，偏转检测器可以是隔离光电二极管，隔离光电二极管取向为使得反射光的第一分量以由探针的上表面的取向角度确定的相对强度入射到二极管的两个部分。
该系统还可以包括光束分离器，光束分离器被设置为将反射光分离为上述第一分量和第二分量。
探针优选地包括安装在悬臂的自由端附近的针尖，悬臂在其基部端被支持，并且其中，探针的被光束照射的上表面在针尖上方。
探针还可以包括能够进行操作以移动探针针尖的致动器。在一个实施例中，这可以通过改变探针的在其针尖区域中的上表面的取向角度来实现。该致动器被设置为驱动比被设置为竖直地移动探针组件和/或安装架的任意驱动器小得多的负荷。由于该原因，其提供了更快的反馈响应的潜力。也利用这种集成致动器的现有技术的嵌套反馈系统，遭受对反馈循环的解释以及因此对探针高度的确定有些复杂的缺点。因为与驱动任意反馈致动器的位置无关地直接测量探针的高度，所以本发明的该实施例避免了这一缺点。
在第二方面，本发明提供一种扫描探针显微镜，用于根据样品和探针之间的相互作用对样品进行成像，显微镜包括：驱动装置，被设置为提供探针和样品表面之间的相对运动；以及如这里描述的探针检测系统。
驱动装置优选地包括：xy扫描器，被设置为提供探针和样品表面之间在基本平行于样品表面的平面内的相对运动；以及z驱动器，被设置为提供与样品表面垂直的方向上的相对运动。在这种设置中，可以在包含z驱动器的反馈系统中包括从探针检测系统获得的对探针的上表面的偏转的指示，其中，z驱动器被设置为使探针的偏转返回到设置水平。z驱动器可以包括：基部驱动器，被设置为移动探针的基部；和/或与探针集成的致动器，被设置为移动探针针尖。
与在现有技术的AFM中不同，反馈系统可以在比由xy扫描器在图像像素之间移动探针所花费的时间尺度更长的时间尺度上工作，而不会不适当地影响由本发明的显微镜记录的图像的质量。
该xy扫描器优选地包括共振器，该共振器被设置为使探针加支持物或样品加支持物在其共振频率处或者在其共振频率附近振荡。
在第三方面，本发明提供一种扫描探针显微镜，用于根据样品和探针之间的相互作用对样品进行成像，显微镜包括：驱动装置，被设置为提供探针和样品表面之间的相对运动；以及探针检测系统，被设置为提供探针在与样品表面基本垂直的方向上相对于参考点的位置的指示，其中，
探针包括具有基部和自由端的悬臂，自由端支持尖锐的针尖；
驱动装置包括：xy扫描器，被设置为提供探针和样品表面之间在基本平行于样品表面的平面中的相对运动，扫描器包括至少一个共振器，共振器被设置为使探针或样品加支持物在其共振频率处或者在其共振频率附近振荡；以及z驱动器，被设置为提供与样品表面基本垂直的方向上的相对运动；
探针检测系统包括：光源，用于生成光束以照射探针；收集装置，用于收集从探针反射的光，其中，光束在探针的针尖附近照射探针的上表面；以及高度检测系统，被设置为从反射自探针的光中提取与探针的上表面相对于参考点的位置有关的信息。
理想地，高度检测系统包括干涉仪，干涉仪被设置为检测从探针反射的光和高度参考光束之间的光程差。
在第四方面，本发明提供一种检测从扫描探针的上表面反射的光的方法，该方法包括步骤：将光束导向至上表面上探针针尖正上方的点处；收集从上表面反射的光；以及将所收集的光导向至高度检测器，高度检测器被设置为形成表示探针针尖在参考水平以上高度的图像。
理想地，上述方法在定位上表面上处于探针针尖正上方的点的步骤之后。该步骤优选地包括步骤：
(a)将光导引至上表面；
(b)使探针关于其针尖振荡，以改变上表面的角度；
(c)监视高度检测器的输出；
(d)改变上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到由探针倾斜导致的高度检测器的输出中显现的变化最小化。
这提供了用来使图像质量的瞬时效果最小化的方便的技术。
探针优选地包括悬臂，悬臂在其基部端被保持并且在其自由端处或在其自由端附近支持针尖，探针的被光束照射的上表面在悬臂自由端处或者在悬臂自由端附近。
可选地，定位上表面上的点的步骤可以包括步骤：
(a)将光导引至悬臂的上表面；
(b)在将针尖保持在固定位置的同时，竖直地移动悬臂的基部，以改变悬臂的取向角度；
(c)监视高度检测器的输出；
(d)改变上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到由移动探针的基部造成的所述高度检测器的输出中显现的变化最小化。
在从探针取向的指示获得反馈信号的实施例中，反馈信号使得导致对基部高度的调整，使得探针返回到预设取向，然后可以通过改变预设取向实现竖直移动悬臂的基部的步骤。
可选地，定位上表面上的点的步骤可以包括步骤：
(a)将光导引至上表面；
(b)使探针针尖位移已知距离，并且优选地在已知高度变化的样品上扫过探针；
(c)监视高度检测器的输出；
(d)改变上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到高度检测器的输出对应于针对已知位移预期的输出。
可选地，可以包括步骤：
(a)将光导引至上表面；
(b)以足以激励探针的瞬时运动的速度扫动探针；
(c)监视高度检测器的输出；
(d)改变上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到由瞬时运动导致的高度检测器的输出中显现的变化最小化。
在第五方面，本发明提供一种使用扫描探针显微镜收集数据的方法，该方法包括步骤：
(a)将包括具有基部和自由端的悬臂的探针移动到与样品表面紧密接近，该自由端支持尖锐的针尖；
(b)将光束导引至探针上表面的处于针尖正上方的点处；以及
(c)在样品表面上扫过探针，同时收集并分析从探针的上表面反射的光，z驱动器能够进行操作以响应于通过对所收集的光的第一分量进行分析而获得的反馈信号来竖直地驱动探针的基部，根据第一分量获得对探针的上表面的偏转的指示，其中，将所收集的光的第二分量传输到干涉仪，干涉仪被设置为检测该分量和高度参考光束之间的路径差，并且被设置为形成表示探针针尖在参考水平以上的高度的图像；其中，对反馈信号的响应在比收集多个图像像素的时间尺度更长的时间尺度上。
附图说明
现在参考附图，仅通过示例来描述本发明的实施例。
图1是示出典型的偏转检测系统的现有技术的原子力显微镜的部件的示意图。
图2是在以观察到悬臂的瞬时运动的阈值以下((a)和(c))以及该阈值以上((b)和(d))的扫描频率进行成像时可能的针尖和悬臂取向的一系列示例。
图3是具有根据本发明的探针检测系统的原子力显微镜的部件的示意图。
图4是包含在高速扫描探针显微镜中的根据本发明的探针检测系统的示意图。
图5是用于与本发明一起使用的干涉高度检测系统的示意图。
图6是改变悬臂的背部上的测量高度的点的效果的示意图。
图7是用于在为执行对样品表面的扫描而进行准备的过程中对齐本发明的检测系统的设备的示意图。
具体实施方式
参考图3，示意性地示出了主要由70指示的AFM的实施方式，其利用根据本发明的一方面构造的检测器的第一实施例。对与先前参考图1描述的现有技术的AFM共同的单元给予相同的附图标记。相应地，示出的AFM设备包括可移动台12，其适合于容纳的样品14，要由探针16检查样品14的表面。探针16包括悬臂梁18和针尖20，针尖20向点20a逐渐减小并且被定位为朝向悬臂梁18的一端。悬臂梁18的另一端由安装架22支持。
使用一个或更多个驱动电机(72，未示出)来驱动样品14(与台12一起)和/或探针16，使得它们能够在三个维度，即x、y和z方向上相对于彼此进行扫描。如本领域中的常规设置，取直角坐标系的z轴与样品14占据的平面垂直。也就是说，探针16和样品14之间的相互作用力的强度取决于针尖20在样品14上方的xy位置(其进行成像的像素)以及针尖20在样品14上方的高度。
在各种驱动电机中，z定位系统72是对于本发明的目的最重要的。z定位系统72包括压电驱动器，压电驱动器能够进行操作以朝向和远离(z方向)样品14地移动针尖20。在该实施例中，z定位系统连接到探针安装架22。可选地，其可以连接到样品台12(如图1所示)，并且其可以包括诸如音圈的非压电驱动机构或者热双压电晶片致动器。其它电机连接到安装架22、台12或者安装架22和台12两者，并且能够进行操作以提供样品14和针尖20之间在样品的平面(x，y)内的相对运动，使得在样品14上方以光栅方式或其它方式扫描针尖20。
在一个实施例中，z定位系统可以包括如上所述的台(或者安装架)驱动器和与探针本身集成的附加致动器。该集成致动器可以用来以比使用组件驱动器能够达到的反馈响应更快的反馈响应来驱动探针偏转。
探针16是低质量AFM探针，在扫描期间，在针尖20和样品表面之间产生相互作用力。下面将更详细地说明的探针检测机构74被设置为获得针尖20上方的悬臂的背部处的点18b的竖直(z)位移及其偏转(倾斜)的指示。分析与竖直位移有关的数据，并将其输出到显示器(未示出)。将与悬臂的背部18b的倾斜/偏转有关的信息输入到反馈控制器30，反馈控制器30进而连接到z定位系统72的驱动机构。
注意，为了方便，对显微镜系统z方向上的运动应用表述“竖直”。根据前面的评述可以清楚地理解，这不旨在局限于竖直地对齐显微镜z轴的情形。为适应需要，可以以任何方便的取向放置显微镜。
探针16通常(对于AFM)由硅或氮化硅制造，并且被形成为先前与现有技术相关地描述的形状和尺寸。
在取得样品的图像时，AFM 70如下地工作。使用z定位系统72和其它驱动器，首先使样品14在光栅(x，y)扫描的起始位置与针尖20接触。常规地，在AFM领域中，当原子相互作用力处于排斥状况时，称为针尖20与样品14接触。一旦探针16与样品表面接触，则因此向上推动针尖20。安装架22将远离针尖侧的悬臂18的基部保持就位，因此悬臂18向上弯曲或偏转。与常规相同，如与现有技术相关地描述的，安装架22降低，将探针16向样品14移动，直到悬臂弯曲达到预定水平为止。该预定水平是针对反馈控制器30的设置点。
在扫描进行时，针尖20随着样品表面高度的变化而上下移动。随着其移动，倾斜的程度改变，其改变馈送到反馈控制器30的信号，并且调整z定位系统72。由于响应于反馈调整探针的基部，因此应用以下考虑。随着针尖在样品上以速度v移动，其跟踪样品表面，因此以与v成比例的速率ftrack遇到表面高度变化。将以衰减时间或稳定时间τ在悬臂中激励瞬时运动。反馈系统的响应时间是反馈系统检测反馈参数的改变并相应地调整探针基部高度所花费的时间。
可以确定三个扫描速度方式：
●如果反馈系统的响应时间小于数据收集点之间的时间间隔，则反馈系统具有足够的时间来调整探针高度，同时探针收集与单个图像点处的表面高度有关的数据。也就是说，对于所有图像点，可以认为探针处于恒定偏转，因此也可以认为探针和样品之间的相互作用力恒定。这是第一速度方式，在第一速度方式中使用反馈的现有技术的系统能够提取准确的表面信息。然而，本发明的设备与现有技术的不同之处在于，直接由检测系统74获得与探针高度有关的信息。
●如果反馈系统的响应时间大于数据收集点之间的时间间隔，则反馈仅用于保持恒定的平均偏转。在该第二方式中，针尖速度使得以比反馈系统的响应时间所能适应的频率更高的频率跟踪表面变化，因此必须由探针高度检测系统直接测量这些变化。使用反馈信号来保持恒定的平均偏转，这使经历相互作用强度的极限的探针的到缓解，相互作用强度的极限可能导致探针、样品或者探针和样品两者的损坏。
●在第三扫描方式中，悬臂的稳定时间大于数据收集点之间的时间间隔，并且在悬臂中激励的任何瞬时运动不会在探针继续移动以对样品的后续区域进行成像之前被衰减掉。然而，本发明的高度检测系统能够在存在这种运动时提取探针高度的测量。倘若针尖保持与样品接触，这进而给出样品高度的指示。
对这些方式赋予广泛的定义，每个方式的起始明显取决于特定工作条件以及显微镜和所研究的样品的参数。
现在将更详细地描述根据本发明的检测系统74的操作。光源(未示出)发射激光束76，通过物镜78将激光束76聚焦到悬臂的背部18b上。通过透镜78收集反射光80a、b、c，并且将反射光80a、b、c导引至非极化光束分离器82。从图3可以看出，悬臂18b的倾斜影响光反射的角度。如果将探针保持在其设置的反馈位置，则反射光束沿路径80b行进。然而，如果悬臂背部18b向左(相对于图)倾斜，则反射光束80a将逆时针偏转，向右的倾斜将使反射光束80a顺时针偏转。在悬臂的背部18b位于透镜78的焦点处或焦点附近时，将反射光束的角变化转换为透镜之后的横向位移。也就是说，悬臂的向左倾斜产生反射光束的向左横向位移，而向右倾斜生成相对于设置的反馈位置的向右位移。
光束分离器82被设置为通过90°反射入射到其上的光的一半84a、b、c，并且透射另一半86a、b、c。将透射的分量86a、b、c输入到干涉仪88。将参照图5更详细地描述该干涉仪的操作。总的来说，反射光束86a、b、c与从台12的上表面反射的参考光束发生干涉。可选地，可以使用与台表面具有已知关系的另一固定点。这提供了对两个光束之间的光程差的测量，因此提供对台表面上方的悬臂的背部18b的高度的指示。提取该测量的高度的变化来形成图像。
通过透镜90将从光束分离器82反射的分量84ab、c聚集到偏转检测器28上。如在现有技术中，检测器28在其长度上分隔为独立的检测器区域A和B。将从这些区域生成的输出信号输入到差分放大器92，差分放大器92输出等于两个通道间的差的信号。检测器28与收集光学装置对齐，使得当悬臂背部18b向其设置偏转位置倾斜时，来自差分放大器的输出也将位于其设置点。也就是说，在通道A和B之间分布反射光80b、84b，使得通道输出的差是设置值。悬臂的背部18b的向左倾斜意味着来自检测器28的信号在通道B中增大，导致来自差分放大器92的输出减小。相反地，向右倾斜意味着通道A接收信号增加，并且由差分放大器92生成输出的增大。反馈控制器30操作z定位系统72，以将从差分放大器92接收的信号保持在其设置点。
独立于反馈信号，或者等同于悬臂的偏转，通过干涉测量高度检测系统测量表面上方的真实探针高度。相应地使用反馈系统来保证将平均偏转保持在恒定水平。
将检测系统的光76聚集在悬臂的背部18b上是重要的。由于该原因，z定位系统也连接到物镜78，并且被设置为如果探针16升高或降低，则透镜78升高或降低相等的量。在可选实施例中，将物镜78选择为具有大于从针尖开始的预期的移动的范围的焦深。因此不需要调整目标相对于针尖20的位置。
注意，虽然与示出了原子力显微镜的图3相关地描述了本发明，但是可以看出该检测系统可以用于所有扫描探针显微镜，其中，准确地确定探针针尖的高度是重要的。
在其它实施例中，可以使用任意合适的驱动装置(可以不是压电的)来代替(x，y)扫描驱动机构(在图中未示出)和z定位系统72。可以将驱动器附连到样品台12、探针安装架22或两者的组合。
可以用测量悬臂18的偏转的可选已知装置代替上述偏转检测器28。例如，可以使用集成的压电电阻式传感器形成悬臂。还可以使用与用来测量悬臂的高度的高度检测系统类似的高度检测系统来测量偏转。也就是说，使用干涉仪来相对于悬臂的基部的高度测量针尖20的高度。
该实施例中使用的光源是激光光源，但是可以使用可替选光源。为了干涉测量检测，光应当是相干的，其相干程度达到干涉仪的规格所需的程度。
悬臂的瞬时运动提供对于反馈能够实现的速度的基本限制。必须允许悬臂在反馈系统测量和调整偏转所花费的时间之内稳定。否则，瞬时运动将产生不正确的偏转信息。测量偏转的不同方法相应地对反馈控制系统设置稍微不同的限制。当使用悬臂角测量偏转时，反馈控制系统的响应时间必须大于被约束的悬臂的稳定时间。然而，如果使用高度检测系统(诸如上述干涉仪)，则反馈控制系统的响应时间仅由不受约束的悬臂的共振频率限制。
在图4中示出了尤其适合与本发明的检测系统一起使用的可选AFM设备。在该图中，使用共振器94代替(x，y)扫描驱动机构中的一个或两个。共振器94是被设置为使样品台以其共振频率或者在其共振频率附近振荡的振荡驱动器。这种共振扫描显微镜提供非常快并且稳定的扫描能力，这可以容易地处于在恒定相互作用模式下工作的阈值限制以上。可选地，可以将共振器94设置为使探针组件以其共振频率或者在其共振频率附近振荡。
参考图5，更详细地示出了检测系统74的光学部件。与在前面的图中相同，用相似的附图标记指示共同的部件。通过第二102光束分离器将来自光源100的光分离为入射光束76和参考光束104。通过物镜78将入射光束76聚焦在悬臂的背部18b上。在从悬臂反射之后，由第一82光束分离器分离光束80。如前所述，第一分量84被导引至偏转检测器90、28、92，第二分量86被导引至干涉仪88。
在干涉仪内部，由光束分离器106分离从悬臂18b反射的光束86。参考光束104被导引至适当定位的回射器(retrorefiector)108，之后被导引至光束分离器106。将回射器108对齐为使得其相对于样品的竖直(z)位置提供固定光程长度。光束分离器106具有能量吸收涂层，其分离入射光束86和参考光束104，以产生具有～90°的相对相位偏移的第一和第二干涉图。分别在第一光电检测器112和第二光电检测器114处检测两个干涉图。
理想地，光电检测器信号是具有90°的相位差的互补的正弦和余弦信号。此外，它们应当没有dc偏置，具有相等的幅值，并仅取决于悬臂的位置x和激光的波长λ。使用已知方法来监视光电检测器112、114输出，同时改变光程差，以确定并应用对误差的校正，该误差是由于两个光电检测器信号没有以相等的幅值和相位正交完全调和而出现的。类似地，还根据在本领域中已知的方法校正dc偏置水平。
这些光电检测器信号适合于与可作为专用硬件或者作为编程的计算机提供的常规干涉仪可逆条纹计数设备和条纹细分设备一起使用。相位正交条纹计数设备的使用能够以λ/8的精度测量悬臂的位置的位移。对于532nm的光，该精度达到66nm。基于信号的反正切，已知条纹细分技术允许将精度提高到纳米尺度或更小。
提取两个相干光束之间的光程差的干涉测量方法在本领域中是公知的，因此将不进行更详细地描述。
在上述实施例中，参考光束被设置为相对于样品的z位置具有固定光程长度。相应地，如上所述，其可以从安装样品的台的表面或者从位置关联到台的位置的回射器反射。可选地，不需要固定反射器和样品z位置之间的关系。在该实施例中，可以从固定点反射参考光束，固定点与样品的z位置具有已知的(但是是改变的)关系。因此，根据干涉测量法测量的光程差和样品相对于固定点的z位置得出针尖的高度。
这里描述的干涉仪是零差系统(homodyne system)的一个示例。描述的具体系统为该应用提供多个优点。两个相位正交干涉图的使用使得能够在多个条纹上，并且因此在更大的位移范围上进行悬臂位移的测量。光束分离器106上的相位偏移涂层的使得干涉仪对偏振效应不敏感，偏振效应例如由光束从悬臂被反射时偏振的改变而产生。在US 6678056中描述了基于这些原理的干涉仪的示例。还可以在本发明中采用能够测量光程长度的改变的可选干涉仪系统。在上面引用的EP 1892727中描述了合适的零差极化干涉仪，并且在上面引用的US 5144150中描述了合适的外差干涉仪。
很明显，上述AFM能够在第二扫描速度方式下工作。由检测系统提取的高度信息表示探针的真实高度，因此表示样品表面形貌的真实高度。这不依赖于探针的基部相对于针尖的位置，即偏转。相应地，虽然允许偏转在扫描过程中在其平均值附近改变，但是这与通过干涉测量进行的高度测量分离。
然而，当移动到第三扫描速度方式时，在为准备操作本发明的AFM时，必须包括附加步骤。已经参照图2示出了如果在悬臂中激励了瞬时运动，则这表现为悬臂的背部18b的摇摆运动。为了避免作为高度图像的假象看到这些效果，将检测系统的探测激光束76聚焦到该运动的节点上是重要的。也就是说，聚焦到针尖的点20a上方的位置。这可以通过这样的方式根据经验实现：监视输出图像并调整入射光束76的检测位置，直到置于图像上的周期性变化最小化或者甚至消失。也就是说，在使用设备70以第三方式中的扫描速度提取数据之前或者在使用设备70以第三方式中的扫描速度提取数据时，必须将探针和干涉仪设置为正确的对齐。
将参照图6示出探测光束输入到激光束的背部上的位置之所以重要的第二个原因。该图示出悬臂的背部18b上的三个可能的激光束入射位置。在情形(a)中，探针16处于一个取向，在情形(b)中，其跟随样品表面中的阶梯到第二取向。由于偏转在情形(b)中处于较低的角度，如果激光束与位置A、探针针尖20的右侧对齐，则很明显测量的高度改变A2-A1大于阶梯高度。相反地，如果光束与位置C对齐，则测量的改变C2-C1小于真实阶梯高度。仅在激光束与位置B，即针尖20和样品14间的最近接触点的上方准确对齐的情况下，可以获得阶梯高度的真实测量。也就是说，将干涉仪与探针几何结构准确地对齐是重要的。
可以通过相同的方法解决真实高度问题和瞬时效果的问题，正如通过将入射光束定位在针尖的点的正上方来从本质上克服这些问题。应注意，真实高度问题适用于第二和第三扫描速度方式两者；其作为允许悬臂的倾斜/偏转在提取干涉测量高度信息时改变的结果而出现。相应地，为了获得最准确的图像信息，对于允许悬臂的倾斜/偏转改变的速度方式，应当进行将高度检测系统与探针几何结构对齐的步骤。
如上面所指出的，可以在激励了瞬时现象的扫描过程之前或期间根据经验以快扫描速度实现对齐。可选地，可以使用图7所示的对齐系统。在该系统中，设置光束激励装置120以在悬臂梁18中激励振荡。相应地，悬臂的背部18b将振荡或摇摆，在从该表面18b反射的光中能够作为偏转和高度检测系统中的周期性信号变化观察到该振荡或摇摆的效果。在所示出的实施例中，设置控制系统122以监视高度检测系统88的输出。如果由于悬臂振荡观察到该输出信号中的周期性变化，则控制系统122将信号发送到一个或更多个驱动器124，驱动器124进而横向移动检测点(在该检测点处，光入射到悬臂的背部18b上)。继续对检测点的调整，直到在高度检测信号中摇摆的效果最小化。
在图7的实施例中，示出驱动器124连接到高度检测系统88，相应地驱动器124能够进行操作以移动如箭头126所示的入射到悬臂的背部18b上的光的对齐，使得检测点偏移。可选地，一个或多个驱动器124连接到探针本身，并且被设置为在来自控制系统122的导引下横向移动探针，因此以这种方式偏移检测点。也就是说，通过移动探针或入射到探针上的光的对齐来调整检测点。
通过诸如压电变换器的已知梁振荡装置120生成悬臂18的振荡，以及因此产生其背部18b的摇摆。可选地，可以使悬臂18适合于对电场或磁场敏感。然后，可以通过振荡电场或磁场生成振荡，悬臂18对电场或磁场进行机械响应。
设置检测点的可选方法用于在监视高度检测信号的同时改变悬臂的基部的高度。然后，可以调整悬臂的背部18b上的检测点，以使导致悬臂的基部的高度的改变的高度检测信号的变化最小化。可以通过多种机制调整基部高度，但是一种优势的技术用于改变反馈设置点。这将使悬臂的基部和样品之间的竖直间隔改变，直到达到新的设置点值。该方法具有允许控制在样品和针尖间施加的最大和最小力的优点。
另一个可选方式是例如通过扫描诸如标准阶梯样品的具有已知高度变化的样品，将悬臂的针尖位移已知的竖直距离。然后调整悬臂的背部18b上的检测点的位置，直到高度检测信号指示正确的位移或高度变化为止。
通常优选地根据经验将悬臂的背部18b的位置定位于针尖的点20a上方，而不根据几何结构从探针本身进行定位。这是因为使用当前的探针制造方法，针尖位置总是存在一些不确定性。当然，一旦如上所述通过经验技术定位了特定探针的针尖位置，则可以将其记录，因此避免针对同一探针的后续使用重复进行经验确定的需要。
本发明的该特征特别适合与诸如在WO 2004/005844中描述的共振扫描显微镜一起使用，在该共振扫描显微镜中，通过以共振振荡探针(或者等同地振荡样品和台)快速地执行光栅扫描的至少一个分量。该扫描速度很可能激励悬臂的瞬时运动，这将使得通过现有技术的检测系统收集的图像模糊。

Claims (35)

1.一种用于扫描探针显微镜的检测系统，所述系统包括：光源，用于生成光束以照射探针，所述探针包括具有基部和自由端的悬臂，所述自由端支持尖锐针尖；收集装置，用于收集从所述探针反射的光，其中，所述光束在所述探针的针尖附近照射所述探针的上表面，并且所反射的光包括两个分量：第一分量，根据所述第一分量获得对所述探针的所述上表面的偏转的指示；以及第二分量，用于传输到高度检测系统，所述高度检测系统被设置为从该分量中提取与所述探针的所述上表面相对于参考点的位置有关的信息。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述高度检测系统包括干涉仪，所述干涉仪被设置为检测反射光的所述第二分量与高度参考光束之间的光程差。
3.根据权利要求2所述的检测系统，其中，所述干涉仪包括用于生成一对相位正交干涉图的装置。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其中，所述系统包括条纹计数设备，所述条纹计数设备被设置为产生取决于在每个干涉图处检测到的条纹的数量的输出。
5.根据权利要求4所述的检测系统，其中，所述条纹计数设备包括条纹细分设备。
6.根据权利要求3至5中的任意一项所述的检测系统，其中，所述用于生成一对相位正交干涉图的装置是具有相位分离涂层的光束分离器。
7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的检测系统，其中，还将所述第一分量传输到所述干涉仪，所述干涉仪还被设置为检测反射光的所述第一分量与偏转参考光束之间的光程差，由此提供关于所述悬臂的偏转的信息，所述偏转参考光束沿着长度由所述悬臂上的远离所述悬臂的自由端的位置定义的光路径传播。
8.根据权利要求7所述的检测系统，其中，所述悬臂上的远离所述悬臂的自由端的位置是所述悬臂的基部端。
9.根据任意在前的权利要求所述的检测系统，其中，将所述第一分量传输到偏转检测器，所述偏转检测器被设置为提供对所述探针的所述上表面的偏转的指示。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其中，所述偏转检测器是第二干涉仪，所述第二干涉仪被设置为检测反射光的所述第一分量与偏转参考光束之间的光程差，所述偏转参考光束沿着长度由所述悬臂上的远离所述悬臂的自由端的位置定义的光路径传播。
11.根据权利要求10所述的检测系统，其中，所述悬臂上的远离所述悬臂的自由端的位置是所述悬臂的基部端。
12.根据权利要求9所述的检测系统，其中，所述偏转检测器是隔离光电二极管，所述隔离光电二极管被取向为使得反射光的所述第一分量以由所述探针的所述上表面的取向角度确定的相对强度入射到所述二极管的两个部分上。
13.根据任意在前的权利要求所述的检测系统，所述系统包括光束分离器，所述光束分离器被设置为将所述反射光分离为所述第一分量和所述第二分量。
14.根据任意在前的权利要求所述的检测系统，其中，所述探针包括安装在所述悬臂的所述自由端附近的针尖，在所述悬臂的基部端支持所述悬臂，并且其中，由所述光束照射的所述探针的所述上表面在所述针尖上方。
15.根据任意在前的权利要求所述的检测系统，其中，所述探针包括能够进行操作以移动所述探针针尖的致动器。
16.一种扫描探针显微镜，用于根据样品和探针之间的相互作用对所述样品进行成像，所述显微镜包括：驱动装置，被设置为提供所述探针和样品表面之间的相对运动；以及根据权利要求1至15中的任意一项所述的探针检测系统。
17.根据权利要求16所述的扫描探针显微镜，其中，所述驱动装置包括：xy扫描器，被设置为提供所述探针和所述样品表面之间在基本平行于所述样品表面的平面中的相对运动；以及z驱动器，被设置为提供垂直于所述样品表面的方向上的相对运动。
18.根据权利要求17所述的扫描探针显微镜，其中，在包含所述z驱动器的反馈系统中包括从所述探针检测系统获得的对所述探针的所述上表面的偏转的指示，其中，所述z驱动器被设置为把对所述探针的取向角的指示返回到设置水平。
19.根据权利要求18所述的扫描探针显微镜，其中，所述z驱动器包括基部驱动器，其被设置为移动所述探针的基部。
20.根据权利要求19所述的扫描探针显微镜，其中，所述z驱动器还包括与所述探针集成的致动器，所述致动器能够进行操作以移动所述探针的针尖，并且能够比所述基部驱动器进行更快的响应。
21.根据权利要求18、19或20所述的扫描探针显微镜，其中，所述反馈系统在比由所述xy扫描器在图像像素之间移动所述探针所花费的时间尺度更长的时间尺度上工作。
22.根据权利要求18至21中的任意一项所述的扫描探针显微镜，其中，所述xy扫描器包括共振器，所述共振器被设置为使所述探针或样品加支持物在其共振频率处或在其共振频率附近振荡。
23.一种扫描探针显微镜，用于根据样品和探针之间的相互作用对所述样品进行成像，所述显微镜包括：驱动装置，被设置为提供所述探针和样品表面之间的相对运动；以及探针检测系统，被设置为提供对所述探针相对于参考点在与所述样品表面基本垂直的方向上的位置的指示，其中，
所述探针包括具有基部和自由端的悬臂，所述自由端支持尖锐的针尖；
所述驱动装置包括：xy扫描器，被设置为提供所述探针和所述样品表面之间在基本平行于所述样品表面的平面内的相对运动，所述扫描器包括至少一个共振器，所述共振器被设置为使所述探针或样品加支持物在其共振频率处或者在其共振频率附近振荡；以及z驱动器，被设置为在与所述样品表面基本垂直的方向上提供相对运动；并且
所述探针检测系统包括：光源，用于生成光束以照射所述探针；收集装置，用于收集从所述探针反射的光，其中，所述光束在所述探针的针尖附近照射所述探针的上表面；以及高度检测系统，被设置为从反射自所述探针的光中提取与所述探针的所述上表面相对于参考点的位置有关的信息。
24.根据权利要求23所述的显微镜，其中，所述高度检测系统包括干涉仪，所述干涉仪被设置为检测从所述探针反射的光与高度参考光束之间的光程差。
25.一种检测从扫描探针的上表面反射的光的方法，所述方法包括步骤：将光束导引至所述上表面上位于探针针尖正上方的点处；收集从所述上表面反射的光；以及将所收集的光导引至高度检测器，所述高度检测器被设置为形成表示所述探针针尖在参考水平以上的高度的图像。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述方法在定位所述上表面上的、在所述探针针尖正上方的点的步骤之后。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，定位所述上表面上的点的步骤包括步骤：
(a)将光导引至所述上表面；
(b)使所述探针关于其针尖振荡，以改变所述上表面的角度；
(c)监视所述高度检测器的输出；
(d)改变所述上表面上光入射处的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到作为使所述探针倾斜的结果的所述高度检测器的输出中显现变化最小化。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述探针包括悬臂，所述悬臂在其基部端被保持并且在其自由端处或在其自由端附近支持所述针尖，由所述光束照射的所述探针的所述上表面在所述悬臂的自由端处或在所述悬臂的自由端附近。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述定位所述上表面上的点的步骤可以包括步骤：
(a)将光导引至所述悬臂的上表面；
(b)在将所述针尖保持在固定位置的同时，竖直地移动所述悬臂的基部，以改变所述悬臂的取向角度；
(c)监视所述高度检测器的输出；
(d)改变所述上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到作为移动所述探针的基部的结果的所述高度检测器的输出中显现的变化最小化。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，从探针取向的指示获得反馈信号，所述反馈信号使得导致对基部高度的调整，使得所述探针返回到预设取向，其中，通过改变所述预设取向来实现竖直移动所述悬臂的基部的步骤。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，定位所述上表面上的点的步骤包括步骤：
(a)将光导引至所述上表面；
(b)使所述探针针尖位移已知距离；
(c)监视所述高度检测器的输出；
(d)改变所述上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到所述高度检测器的输出对应于针对所述已知位移的预期的输出。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，步骤(b)包括在已知高度变化的样品上扫过所述探针。
33.根据权利要求26所述的方法，其中，定位所述上表面上的点的步骤包括步骤：
(a)将光导引至所述上表面；
(b)以足以激励所述探针的瞬时运动的速度扫动所述探针；
(c)监视所述高度检测器的输出；
(d)改变所述上表面上光入射的点的位置；以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到作为所述瞬时运动的结果的所述高度检测器的输出中显现的变化最小化。
34.根据权利要求25至33中的任意一项所述的检测光的方法，其中，所述探针是包含权利要求1至15所述的检测系统的扫描探针显微镜的部分。
35.一种使用扫描探针显微镜收集数据的方法，所述方法包括步骤：
(a)将包括具有基部和自由端的悬臂的探针移动到与样品表面接近，所述自由端支持尖锐的针尖；
(b)将光束导引至所述探针的上表面上所述针尖正上方的点处；以及
(c)在所述样品表面上扫过所述探针，同时收集并分析从所述探针的上表面反射的光，z驱动器能够进行操作以响应于通过对所收集的光的第一分量进行分析而获得的反馈信号来竖直地驱动所述探针的所述基部，从所述第一分量获得所述探针的上表面的偏转的指示，其中，将所收集的光的第二分量传输到干涉仪，所述干涉仪被设置为检测所述第二分量与高度参考光束之间的光程差，并且被设置为形成表示所述探针的针尖在参考水平以上的高度的图像；其中，对所述反馈信号的响应在比收集多个图像像素的时间尺度更长的时间尺度上。
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