CN108027390B - 用于原子力显微的紧凑型探头以及包括这种探头的原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原子力显微的探头，所述探头包括用于原子力显微的探针(PT1)，所述探针朝向称为纵向方向(y)的方向并且在所述纵向方向上从基底(S1)的边缘(B)凸出，其特征在于，所述探针设置在往复器(PJ1)的一端，所述往复器至少经由称为支撑结构的第一结构(ET)和第二结构(R、RA)附接至所述基底，至少所述第一支撑结构为柔性结构，其在垂直于所述纵向方向的称为横向方向(x)的方向上延伸，并且通过在所述横向方向上的至少一个机械连结锚定至基底，所述支撑结构适于使往复器能够在纵向方向上移动。本发明还涉及包括至少一个这种探头的原子力显微镜。

Description

用于原子力显微的紧凑型探头以及包括这种探头的原子力显 微镜

技术领域

本发明涉及用于原子力显微的探头，并且涉及包括至少一个这种探头的原子力显微镜。

背景技术

原子力显微(或AFM)是在80年代初期发展的一种扫描显微技术，其能够达到单个原子尺度的分辨率。与扫描隧道显微不同，原子力显微不限于形成导体表面的图形，因此适用于绝缘材料、半导体甚至生物样本。在纯研究、应用型研究等多个领域，以及微电子工业中，这项技术都得到了应用。在F.J.吉伊西布尔和C.F.奎特的文章《以原子力显微探索纳米世界》(《今日物理学》，2006年十二月，44-50页)中，提供了AFM原理的基本介绍。

传统原子力显微镜的主要组件是由悬臂构成的探头，所述悬臂在一端固定，并且在另一端设置有探针，所述探针朝向待观测的样本的表面。悬臂的长度通常大约为数十或数百微米，探针的曲率半径为数十或数百纳米。这种探头通常由单晶硅或氮化硅构成，并且可以通过传统光刻技术低成本地制造。当探头的探针靠近表面时，它受到吸引或排斥的化学力、范德华力、静电力和/或磁力。通过在探针扫描待观测样本的表面的同时测量这些力，能够重构所述表面的图像。可以通过多种方式测量探针与样本之间施加的力。最老式简单的技术(静态AFM)限于观测(特别是通过光学手段观测)支承着探针的悬臂的偏斜。

通过使悬臂在其自然弯曲模式的其中一种模式下振动，并且观测由这些力的梯度产生的共振频率的变化(动态AFM)，可以获得提高的感度。实践中，在真空或空气中进行的观测，通常优选动态技术。该技术较不适于在液体介质中进行的观测，因为在液体介质中悬臂的振动被严重减振，这负面地影响了探头的品质因子。

公知还使用采用平面振动模式(也称为“垂直运动”)的AFM探头，即便在粘性介质中的动态AFM模式下，这也能够达到非常高的品质因子。

例如，安·图首(Toshu An)等人的文章《使用长度延伸的石英共振器的频率调节原子力显微的原子级解析度的成像(Atomically-resolved imaging by frequency-modulation atomic force microscopy using a quartz length-extensionresonator)》(《应用物理学快报》87，133114(2005))描述了一种用于AFM的探头，所述探头包括由石英梁形成的微机械共振器，所述石英梁通过同样由石英制成的刚性框架保持在其介质中，所述共振器在延伸模式下振动。AFM探针结合在所述梁的一端，与其纵向轴线对齐。该共振器表现出较高的品质因子，但也表现出相当程度的刚度，这极大地限制了振动的幅度(通常小于1nm，或最多若干纳米)。此外，探头没有制成整体，从而限制了其小型化。

瑞士公司SPECS GmbH基于该原理将“KolibriSensor”AFM探头市场化。

国际申请WO 2008/148951描述了整体化的AFM探头，所述探头使用环形或碟形的共振器，所述共振器在立体模式(mode de volume)(平面形变)下振荡。这种探头能够达到较高频率，这有利于即便在粘性介质中使用时也能够得到高品质因子。此外，这种探头比安·图首等人描述的探头刚度低，并且因为它能够制成整体，因此能够进一步小型化。然而，平衡附接至共振器的质量(masse)(所述质量对保证存在高品质因子的模式是必要的)很困难。进一步地，难以附加使DC电压或AC信号(可能是射频的)传递至探针的电连接。具体地，形成这种连接的导电轨道必须穿过环形共振器的锚定装置，所述锚定装置数量有限，还必须支承激发和检测振荡所需的轨道。

在B.沃尔特的论文《用于对生物物体的原子力显微的高频微型共振器的制造》(于2011年12月13日在里尔科学技术大学答辩)中，他(本申请发明人之一)描述了一种AFM探头，所述探头包括附接至可弯曲梁的中部区域的探针，所述可弯曲梁具有位于探针两侧的两个或四个固定点。所述探针朝向垂直于梁的纵向轴线的方向。由于探针的质量与其模式相关，所以制造这种探头很困难；此外，锚定装置的位置很敏感，必须先选择其位置，才能够设定探针的特征。

在克莱芒.T.米勒-法尔克的论文《刚度可调的扫描显微镜探头(SwitchableStiffness Scanning Microscope Probe)》(于2005年6月在达姆施塔特技术大学答辩)中，他描述了一种刚度可调的竖直AFM探头。在该探头中，AFM探针由纵向梁支承，所述纵向梁通过发夹弹簧和环形机械共振器与框架相连结，所述框架本身通过发夹弹簧与锚定装置相连结。在锚定装置与基底之间设置有静电致动器。

文献US 5801472描述了另一种竖直AFM探头，其中，AFM探针由纵向梁支承，所述纵向梁通过弹簧/致动器组件与框架相连结，所述弹簧/致动器组件使梁能够在纵向方向和横向方向位移。

尽管从现有技术已知的使用平面振动模式的AFM探头的结构有所区别，它们都共有一定数量的缺点，特别是尺寸。这些尺寸限制关系到这样的事实，AFM探针从平面基底(探头制作在该基底上)凸出得比较少。换而言之，不仅相对于基底的宽度(垂直于探针的其最大维度)，而且相对于其厚度(垂直于探针的其最小维度)，探针从所述基底的边缘延伸的距离都非常小。因此，必须使探针保持大致垂直于AFM观测的样本的表面，所述表面必须是平面的并且光滑的：任何大于若干度的倾斜，或者任何大于若干微米的表面的不规则，都会导致探头的基底与样本之间的不期望的接触。对于研究生物样本(其通常不光滑)，以及对样本的同一区域同时进行光学和AFM观测或分析，这严重地限制了可能性。

初看起来，通过使用更长的AFM探针，或者通过使用形成在细长梁的自由端的探针，似乎可以设法克服这种尺寸限制。然而，这具有相当大的困难。具体地，作为悬臂安装并且在相当长的长度(其宽度的十倍甚至以上；通常对应于数十或数百微米)上延伸的AFM探针或梁表现出寄生弯曲模式，所述寄生弯曲模式易于被无意地激活并且干扰梁的正常工作。此外，对于WO 2008/148951中所述类型的探头，过于长(因此重)的探针会干扰环形共振器的椭圆形变模式。

对于前述安·图首等人的文章，探针附接至相当长(大于1mm)的梁的端部。然而，为了防止激发弯曲模式，并且为了便于结合被附接的探针，该梁的截面相当大，尺寸大约100μm，而AFM探针仅从梁凸出大约10微米。因此最终导致相当明显的尺寸限制的，是支承探针的纵向梁，而非支撑该梁的框架。

发明内容

本发明致力于克服现有技术的前述缺点，并且更具体地，致力于减轻竖直AFM探头的尺寸限制。

为了实现该目标，本发明的一个主题是一种用于原子力显微的探头，所述探头包括用于原子力显微的探针，所述探针朝向称为纵向方向的方向并且在所述纵向方向上从基底的边缘凸出，所述探针设置在往复器(navette)的一端，所述往复器至少经由第一结构和第二结构附接至所述基底，所述结构称为支撑结构，其中，所述支撑结构均锚定至基底并且在所述纵向方向上在所述往复器的不同位置连结至所述往复器；至少所述第一支撑结构主要在垂直于所述纵向方向的称为横向方向的方向上延伸，并且通过在所述横向方向上的至少一个机械连结锚定至基底，纵向方向和横向方向形成平行于基底的主表面的平面；所述支撑结构在纵向方向上形变(为柔性)，使得往复器能够在相同的方向上位移。

根据本发明的各种具体实施方案：

-所述第二支撑结构可以为微机械共振器，其适合被激发从而使所述往复器在所述纵向方向上振荡。更具体地，所述微机械共振器可以从环形共振器以及通过至少一个机械连结锚定至基底并在所述横向方向上定向的至少一个梁中选择。

-所述第二支撑结构也可以为在所述横向方向上延伸并通过至少一个机械连结锚定至基底的柔性结构。

-所述探头还可以包括至少一个致动器，其配置为在所述纵向方向上引起所述往复器的位移，使得至少所述第一支撑结构弯曲。

-所述探头还可以包括至少一个致动器，其配置为主要在所述横向方向上引起所述往复器的位移，使得至少一个所述支撑结构弯曲。

-所述探头可以具有整体化的结构，至少所述往复器和所述支撑结构在称为装置层的表面层上制成，所述表面层位于所述基底的表面之上。

-所述往复器的形状可以为在所述纵向方向上伸长，并且可以从所述基底的边缘凸出。此外，所述第一支撑结构可以至少部分地悬吊在所述基底的边缘上。进一步地，所述第一支撑结构可以经由锚定装置附接至基底，所述锚定装置本身至少部分地悬吊在所述基底的边缘上。

-所述探头还可以包括至少一个导电轨道，所述导电轨道通过穿过一个所述支撑结构并穿过所述往复器而将设置在所述基底上的连通接触片连结至所述用于原子力显微的探针。这种探头还可以包括设置在支承所述导电轨道的支撑结构的两侧的两个元件，所述元件各自支承导电轨道，与穿过所述支撑元件的导电轨道形成平面波导。

-作为变体形式，探头可以包括在所述纵向方向上在往复器两侧延伸的称为侧梁的两个伸长的结构，所述往复器和所述侧梁都支承形成平面波导的导电轨道。

-所述探头还可以包括在与所述原子力显微探针的方向斜交的方向上延伸到所述基底的边缘之外的结构，所述结构支承从平面波导和微流体通道中选择的元件。

-所述往复器可以在所述用于原子力显微的探针邻近处或所述用于原子力显微的探针的相应处支承电阻元件，所述电阻元件的端部连结至两个连通接触片，所述连通接触片通过穿过所述第一支撑结构并穿过所述往复器的各个导电轨道设置在所述基底上。

-所述探头可以包括热-光致动器，所述热-光致动器包含平面光导部以及至少一个平面光导件，所述平面光导部刚性连接至所述往复器并在所述横向方向上延伸，所述平面光导件设置在所述基底的表面上并配置为在大致纵向的方向上将光射入所述平面光导部。

-所述探头还可以包括运动传感器，所述运动传感器包含平面光导部以及两个平面光导件，所述平面光导部刚性连接至所述往复器并在所述横向方向上延伸，所述平面光导件设置在所述基底的表面上并且光耦合至所述光导部的相反端部，耦合的强度取决于光导部在所述纵向方向上的位置。

-作为变体形式，所述探头可以包括运动传感器，所述运动传感器包含光学共振器以及至少一个平面光导件，所述光学共振器刚性连接至所述往复器，所述平面光导件刚性连接至基底并通过渐逝波与所述光学共振器耦合，耦合的强度取决于往复器在所述纵向方向上相对于所述平面光导件的位置，因此取决于光学共振器的位置。

-至少一个所述支撑结构可以为带有发夹形弯曲的伸长形状。

本发明的另一个主题是包括至少一个这种探头的原子力显微镜。该显微镜还可以包括光源，其配置为生成光束，所述光束朝向与所述探头的用于原子力显微的探针相互作用的样本的表面的区域；以及系统，其用于检测所述光束的通过与所述样本的表面以及所述探针相互作用而散射的光。作为变体形式，或者额外地，该显微镜还可以包括导电探针，所述导电探针设置为与所述探头的用于原子力显微的探针邻近的样本的表面区域发生接触。

附图说明

通过阅读参考附图提供的说明，本发明的其它特征、细节和优点会变得清楚；所述附图作为示例而给出，分别显示了：

图1A为根据本发明的第一个实施方案的AFM探头的平面图；

图1B为根据本发明的所述第一个实施方案的一个变体形式的AFM探头的平面图；

图1C为图1A或图1B的探头的侧视细节图，其在垂直于基底平面的平面中显示了角度尺寸(encombrement angulaire)的概念；

图2A为根据本发明的第二个实施方案的AFM探头的平面图；

图2B至图2D为显示了可以用于制造图2A的探头的各种AFM探针结构的三个细节图；

图3为根据本发明的第三个实施方案的AFM探头的平面图；

图4为根据本发明的第四个实施方案的AFM探头的平面图；

图5为根据本发明的第五个实施方案的AFM探头的平面图；

图6为根据本发明的第六个实施方案的AFM探头的平面图；

图7A和图7B为根据本发明的第七个实施方案的AFM探头的平面图；

图7C为根据所述第七个实施方案的一个变体形式的AFM探头的平面图；

图8A至图8C为根据本发明的第八个实施方案的三个变体形式的AFM探头的三个平面图；

图9为根据本发明的第九个实施方案的AFM探头的平面图；

图10为根据本发明的第十个实施方案的AFM探头的平面图；

图11为根据本发明的第十一个实施方案的AFM探头的平面图；

图12为根据本发明的第十二个实施方案的AFM探头的平面图；

图13为根据本发明的第十三个实施方案的AFM探头的平面图；

图14为根据本发明的第十四个实施方案的AFM探头的平面图；

图15为根据本发明的第十五个实施方案的AFM探头的平面图；

图16A和图16B为根据本发明的一个实施方案的探头与光束的组合使用的两个描绘，所述光束照亮样本与所述探头的探针相互作用的表面区域；

图17为显示了根据本发明的一个实施方案的两个探头、光束与导电探针的组合使用的视图，所述探头的探针与样本的表面的同一区域相互作用，所述光束照亮该表面区域，所述导电探针对所述表面区域施加电压；

图18A为根据本发明的一个实施方案的探头的电子显微图像；

图18B为图18A的探头的力学传递函数；以及

图18C和图18D为使用图18A的探头获得的测量。

具体实施方式

根据本发明的探头优选地基于SOI(绝缘体上硅)结构而制造，所述探头包括：

-硅基底，其在附图中以S1标记，其厚度通常为20μm至1mm，优选地厚度在50μm与600μm之间；

-埋入的SiO₂氧化物层，其厚度通常包括在0.1μm与5μm之间，优选地在0.2μm与2μm之间，以BOX标记；以及

-薄硅层(其厚度通常包括在1nm与100μm之间，优选地在0.25μm与5μm之间)，其称为“装置层”并且在附图中以DL标记。

也可以在非SOI的材料(例如，沉积在Si上的SiN)上制造探头。也可以在SOI的DL中制造探头的某些部件，而在例如Si₃N₄的材料或任何其它具有合适力学性质的材料中制造其它部件。实践中，任何杨氏模量E与质量密度ρ之间的比值足够高(通常

)的材料都可以适于满足等式。举例而言，对于硅

而对于碳化硅

通常，装置层位于基底表面之上，或者直接地，或者插置有中间层(对于SOI结构来说，为BOX层)。

例如在B.沃尔特的前述论文中所描述的，根据本发明的探头可以完全通过传统技术工艺制造。典型地，这些工艺包括：各向异性的刻蚀步骤，随后的各向同性的刻蚀步骤；所述各向异性的刻蚀步骤使探头的组件(梁、共振器等)能够限定在装置层中，如有必要，通过装置层的背面刻蚀基底；所述各向同性的刻蚀步骤通过去除将这些元件连结至基底的氧化物而使这些元件能够脱离。探针的曲率半径大约10nm，可以通过合适的刻蚀步骤使装置层的晶面暴露而获得探针。

根据本发明的探头包括称为“往复器(navette)”元件的元件；在基底的边缘外，所述元件在其远端支承在纵向方向上延伸的AFM探针。往复器通过至少一个第一支撑结构和一个第二支撑结构支承，所述支撑结构使往复器能够在纵向方向上前后运动(从而得名“往复器”)而避免出现寄生弯曲模式，从而与前述安·图首等人的文章中的使往复器本身以伸缩模式振动相比，能够以更小的刚度进行“竖直”或“平面”工作。

往复器的纵向往复运动可以导致激发探头的共振模式。作为变体形式，也可以不使探头共振而使用探头；在这种情况下，往复器保持在纵向方向上移动。在这种情况下，可以调整支撑结构的尺寸以提供非常低的静态刚度(0.01至10N/m，例如0.5N/m)。

有利地，为了最小化前述的尺寸问题，往复器可以为在纵向方向上的伸长形状(例如可以是梁或由在该方向上对准的梁形成的结构)，并且往复器优选地可以延伸到基底的边缘之外。但这些特征不是基本的；作为变体形式，往复器例如可以采用环形。

第一支撑结构是主要在横向方向上延伸的柔性结构；例如其可以是梁或由在该方向上对准的梁形成的结构。

第二支撑结构可以是与第一支撑结构相同的类型，或者可以是不同的类型。例如其可以是微机械共振器，特别是环形共振器。

无论如何，第一支撑结构和第二支撑结构都通过至少一个机械连结而锚定至支撑物。例如，如果所述支撑结构是横向梁，它们可以在其端部(甚至在一端)或者在对应于弯曲模式的节点处锚定至基底。

一般提供一个或更多个换能器以用于激发和/或检测纵向振荡模式(或者更一般地使往复器纵向移动)。然而，探头也可能不包括狭义的换能器。一个可替选的可能性在于使用一个激光器来热激发共振器，使用另一个激光器来读取所导致的振荡的机械振幅。也可以靠近可移动的部件设置光导以射入或回收来自所述激光器的光线。

图1A显示了根据本发明的第一个实施方案的SM探头。在本图以及之后的附图中，由黑粗线来表示基底S1的轮廓，附图标记B表示纵向梁PJ所凸出的边缘；以灰色显示刻蚀到装置层DL中的元件，通过划线区域表示沉积在这些元件上的镀金属。仅在图1A、图1B和图2A中(为了不使其它附图标记过多)，虚线表示刻蚀到装置层中的元件下存在的氧化物层；由于氧化物在各向同性的刻蚀步骤中受到腐蚀，因此氧化物相对于这些元件的边缘回缩(并且在最薄的元件下不存在氧化物)；所述各向同性的刻蚀步骤在微机电系统(MEMS)的领域中称为脱离步骤。在所有附图中，探头主要在平面x-y中延伸(轴线z对应于基底的厚度的方向)；轴线y对应于在本申请中称为“纵向方向”的方向，而轴线x对应于在本申请中称为“横向方向”的方向。

图1A的探头包括探针PT1，所述探针PT1在往复器的远端(与基底相反的一端)制成为整体，所述往复器的形状为纵向梁PJ。所述纵向梁PJ为通过基础纵向梁PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5、PJ6和PJ7形成的复合结构，所述基础纵向梁通过横向连接元件BPJ1和BPJ2而连结。探头还包括第一支撑结构和第二支撑结构R；所述第一支撑结构的形状为横向梁ET，所述横向梁ET由具有相同长度W1(但长度也可以不同)和宽度TE1的两部分ET1和ET2而形成；所述第二支撑结构R还起到微机械共振器的作用。该第二支撑结构包括两个梯子形状的子组件R1和R2(两个通过横构件连结的横向梁)。第二支撑结构设计为具有至少一个为探针提供沿着y的运动的频率为f0的振动模式M0。

存在形状为横向梁ET的第一支撑结构，这使得能够使用比现有技术长(长度L1，包括在基底的边缘与探针端部之间，在50与100μm之间)的纵向梁PJ形状的往复器，从而在平面xy上获得较小的尺寸；具体地，该尺寸通过由两个射线形成的角度θ定义，所述射线从探针的端部起始，与基底相切。优选地，角度θ可以达到或甚至超过45°，从而例如使得探头能够与形状突出的样本接合。

在图1A的情况下，共振元件R(R1、R2)力学刚度较大，这是由于支撑梁ET长度相同，但更细：TE1<(TB1+TB2)。根据需求，能够在相反方向上调整刚度，或者使刚度一致。在图1A的情况下，R1和R2是相同长度WB1的两个梯子形状的结构，R1和R2嵌入元件AB1和元件AB2中，所述元件AB1和元件AB2刚性连接至基底S1。具体地，在点AM1和点AM2，R1和R2刚性连接至两个基础纵向梁PJ6和PJ7。PJ6、PJ7、PJ4、PJ5、PJ1、PJ和PJ3，以及BPJ1和BPJ2，形成了R1、R2与探针PT1之间的联结结构。由于该结构在y方向上为刚性，它几乎完美地传递共振器R1和R2沿着y的运动。通过为基础纵向梁PJ6和PJ7选择更大的厚度TJ1，或者通过设置多个基础纵向梁，可以改变刚度；所述多个基础纵向梁相互平行，并且通过例如BPJ2的“杆”相连结(在图1A的情况下，有两个相同宽度TJ1的基础纵向梁，其间隔为WP1)。通过为所述联结结构和探针选择较长的长度，解决了上述的角度尺寸限制。

如上所述，通过锚定装置AP1和AP2而刚性连接至基底的横向支撑梁ET(ET1、ET2)使得能够保持纯纵向(沿着y)振动模式，并且能够防止纵向梁在扫描样本的表面时沿着z发生静态形变。

对于某些应用，如同图1A的情况，探针PT1会优选地具有较大的面积。探针因此可能表现出平面外扭曲振动模式。为了避免这些模式，或者使这些模式远离频率f0，而不需要明显增加质量，使用了与结构的近端部分(靠近基底的部分)机械联结的梁PJ1、PJ2和PJ3。

无论纵向梁PJ的长度如何，横向支撑结构ET都防止了发生寄生振动模式；此外，横向支撑结构ET还提供了对使探针PT1或共振器的另一部件通电的问题的解决方案。例如，在图1A中，横向半梁ET1用于支承金属线(或者更一般地，支承导电轨道)LM1，LM1将静电换能器T3电连接至接触片PL1，使得能够在接触片PL1处激发纵向振动，所述接触片用于与外部装置(例如通过探头或微型焊接线)形成电连接。而半梁ET2则在此处用于支承将接触片PL2连结至探针的金属线LM2。作为变体形式，或者额外地，传递结构和往复器可以用于使平面光波导通过，从而将引导的光信号传递至探针。

图1A的探头相对于前述文献WO2008/148951所描述的探头的一个重要的优点是，无论结构所悬吊的各种元件的质量如何，都可以容易地获得结构沿着y平移的基础振动模式M0的存在。不像WO2008/148951中那样，该模式不取决于质量和刚度的分配的平衡；如果由于制造过程导致的影响，探针的质量发生改变，该模式仍然存在，而频率有所改变。对于WO 2008148951，这会使品质因子Q显著地减小，或者使模式损失或退化。此外，对于WO2008148951，由于环通过刚度高的锚定装置而保持，所以环具有非常高的静态刚度；因此受到静力时，探针会毁坏。然而对于本发明，通过支撑结构提供了必须的柔韧性。

元件T1和T2示意性地表示了结合在梁上的应变换能器。其可以是压阻式或压电式的。作为变体形式，T1和T2可以用于压电激发或热激发纵向梁的振荡模式，而交指梳形状的静电换能器T3可以用于检测该振荡。同样的换能器可以用于激发或检测往复器的非共振位移。虽然此处考虑了梳状静电换能器的情况，但任何其他类型的电容式或光学机械式换能器可以用于使探头在振动模式下激发，或者使其进行非振动的位移。

可能值得注意到，在外观上，图1A的探头的结构类似于文献WO 2005/121812A1“多轴电容式换能器以及其制造方法”所描述的装置的结构。然而，所述装置为电子机械探测器，而非AFM探头。因此：

-其带宽过小——小于10kHz，而AFM需要至少50kHz的振荡频率；

-其过大过重；

-由于其并非设计为用作共振器，所以没有控制其寄生模式。

图1A中显示的结构仅能够解决平面xy中的尺寸限制，所述尺寸限制以角度θ表示。然而，图1B的结构还能够解决平面yz中的尺寸限制，所述限制以角度

表示(见图1C)。优选地，角度

可以达到或者甚至超过45°。

图1B的结构与图1A的结构的不同在于，横向梁ET的锚定装置AP1和AP2仅在其部分区域与基底S1刚性连接，而另一部分以及横向梁本身延伸为基底的边缘B之外的悬臂(“部分锚定”)。这之所以可能，是因为只要用于AP1和AP2的宽度足够，每个锚定装置的凸出部分就在平面xy中表现出比ET的刚度相比极高的刚度。因此，虽然在所有频率的一般情况下，这种锚定装置是不完美的，但只要只考虑有意义的特定频率的振动模式，这种锚定就变得足够。

图2A显示了根据本发明的第二个实施方案的探头，其仍然涉及探针PT1和第一支撑结构；所述探针PT1在往复器的一端制成为一体，往复器的形状为两部分PJ1和PJ2的纵向梁(此时其不具有复合结构，因为其端部的探针薄得多、轻得多)；所述第一支撑结构的形状为横向梁ET(半梁ET1和ET2)，所述横向梁ET附接至两个部分锚定装置AP1和AP2，所述AP1和AP2起到引导器的作用，使得由角θ和

表示的尺寸减少。在该实施方案中，所述第二支撑结构为环形共振器RA，其能够实现比梁共振器R更高的频率。该环例如在内侧通过梁PA而锚定，所述梁PA在环的中央连结至非自由的锚定装置A5。也可以在外侧通过梁PA和锚定装置A1、A2、A3和A4而锚定环。可以在椭圆模式(在WO 2008/148951中提及)下使用该环；这种情况下，有利地通过质量补偿元件ECM而至少部分地平衡该模式，所述质量补偿元件ECM与刚度补偿元件ECR(横向梁)相关联，所述刚度补偿元件ECR附接至锚定装置ACM1和ACM2。通过选择这些元件的大小，能够使环的两个部分达到相似的幅度，所述环的两个部分沿着y的位移相位相同。换能器未示出。换能器可以是静电式、压电式、热式、压阻式或光学机械式换能器(例如参见：S.塔鲁尔、S.A.巴韦，“千兆赫兹以上的部分间隙换能MEMS声光振荡器(Partial Gap Transduced MEMS Optoacoustic Oscillator Beyond Gigahertz)”，《微电机械系统期刊》99期，2014年)，所述换能器合并在环的邻近处或合并在环上。可以使用碟形或任何形状的共振器，而非环形的。

为了使探针PT1电连接，可以使用两个金属沉积物：一个是M1，其“在前部”(在探针顶部)形成，并连结至导电轨道LM1；另一个是M2，其“在后部”(在探针底部)形成，通过这样获得：将结构上下翻转，从而在使纵向梁脱离后实施沉积操作。可以这样获得这两个金属沉积物的连通：通过相对于基底的法线成一角度使金属汽化，而形成纵向梁侧部上的沉积物M1L(图2B)；将金属填充到在梁脱离前进行刻蚀而形成的导通孔VM12(图2C)；或者通过掺杂而使邻近探针的梁的区域变得导电(图2D，其中，掺杂的硅以方格花纹而标示)。这些多种可能性在图2B和图2C中示出。

图3的探头(第三个实施方案)的特征主要在于，第一支撑结构ET10和第二支撑结构ET20相互非常接近，并通过纵向杆B1和纵向杆B2而联接；所述第一支撑结构ET10和所述第二支撑结构ET20的形状均为具有非恒定截面的横向梁。致动器未示出。往复器PJ的形状为在中央部分带有横条的矩形框架。

图4中示出了根据第四个实施方案的探头。相对于上述的探头，注意到两个额外的特征。

-第一，注意到存在两个结构SLMM1和SLMM2，所述结构在第一支撑结构的两侧延伸并且支承导电轨道LMM1和LMM2，所述第一支撑结构的形状为横向梁ET(更具体地，为半梁ET1及其锚定装置)，所述导电轨道LMM1和LMM2与金属线LM1形成接地-信号-接地类型的平面微波波导，所述金属线LM1由半梁ET1支承并延伸到导电探针PT1(如果线LM1的部分扫描足够的话，单独使用结构SLMM1也可以)。平面xy中的较小尺寸使得这些结构能够存在。这使得微波(或更一般地，射频)信号能够应用至探针，从而非常接近待研究的样本。出于平衡的目的，对称但不带有镀金属的结构设置在纵向梁的相反一侧。

-之后，应注意的是，形成第二支撑结构R的两个半梁R1和R2具有发夹形弯曲，这使得其刚度减少，而不增加其长度，因此不增加侧向尺寸。形似发夹或回弯的这种类型的横向梁也可以用于本发明的其他实施方案中。

在目前为止考虑的实施方案中，横向梁形状的支撑结构通过它们的相反端锚定至基底，并且探头相对于纵向轴线对称。这不是必要的。例如，图5显示了根据第五个实施方案的探头，其中，通过附图标记ETa和ETb标记的两个支撑结构是这样的梁：其通过振荡模式的节点处的机械连结(而非端部)锚固至基底。相似地，图6显示了根据第六个实施方案的探头，其中，第二支撑结构R10是具有位于探头一侧的单个嵌入部分的横向梁，因此是不对称的。

在目前为止考虑的实施方案中，探头在振动模式下工作，该振动模式使往复器在纵向方向上振荡运动。然而，根据本发明的探头也可以用于使探针主要横向(在x方向上)移动的共振模式。这显示在图7A-图7C中，其中，支撑结构的形状为梁(或由梁形成的梯子形状)，其以平面内弯曲模式形变，在y方向上有明显的弯曲程度。在该探头中，往复器包括长度为12微米的梁，以及外半径为7.8微米的环；探针位于梁的端部。支撑结构为4个长度为10微米的梯形梁。探头具有8.6MHz的第一振动模式(假设使用(100)指向的Si基底)。例如可以通过任何能够产生应力(该应力能够在4个支撑梁中的至少一个上产生平面内弯曲)的换能器来激发使探针在y方向上位移的模式(在本图的实施方案中，使用了四个压电换能器T10、T20、T30和T40)。然而，探头具有15.5MHz的第二振动模式(图7B)，其中，探针主要在x方向上振荡，右边的两个支撑梁与左边的两个支撑梁的相位相反。也可以通过(在弯曲模式下)激发支撑梁的其中一个来启用该模式。图7C中显示的探头与图7A和图7B的探头大小相同，但少一个梁，因此使支撑结构不对称。这导致了7.7MHz的振动模式，其中，探针的位移包括既沿着x又沿着y的分量。通常，可以通过更改支撑结构和/或往复器的形状来选择这些分量彼此之间的比率。

这样，能够测量探针和与探针相互作用的样本之间的剪切力；关于此参见K.凯雷等人的文章，《应用物理学快报(Appl.Phys.Lett)》66(14)(1995)。

利用根据本发明的探头，也可以得益于振动模式的操控，不为了利用这些振动模式，而是为了避免它们，并由此提供高带宽的准静态力测量。具体地，可以通过低于纵向的基础振荡模式的频率(例如15M Hz)的重复率(taux de répétition)来获得准静态的接近-后退曲线。该频率可以是形成显微镜的一部分的外部致动器的频率，结合在探头上的换能器用于测量探针在纵向方向(y)上的准静态偏斜。这种情况下，往复器在纵向方向上按照往复运动而位移，但由于不存在共振，因此没有资格作为微机械结构的本征模振荡。

图8A至图8C显示了根据本发明的第八个实施方案的探头的不同的变体形式。其同样涉及带有导电探针的探头，所述探头为传递高频信号而优化。称为侧梁的两个梁PLL1和PLL2在往复器PJ的两侧纵向延伸。两个梁PLL1和PLL2支承两个侧部金属线LMM10和LMM20，所述两个侧部金属线LMM10和LMM20与由往复器PJ支承的中央金属线LM1形成接地-信号-接地类型的平面波导。接触片PL1、PL2和PL3使三个金属线连结至微波或射频信号发生器。

为了防止侧部金属线LMM1和LMM2干扰往复器的振荡，这些线包括跨越横向支撑梁ET(ET1和ET2)以及共振器R(R1和R2)的金属“桥”PMM1、PMM2、PMM3和PMM4。使用传统的“剥离”(lift-off)或电解沉积技术制造这些桥。出于同样的原因，信号线LM1必须在其后部(与探针相反)中断。因此，信号通过电容耦合传递。在图8A中，附图标记CC1表示用于信号的耦合电容。在图8B中，附图标记CC2表示具有交指梳状结构的另一耦合电容。在图8C中，附图标记CC3表示平面重叠类型的另一耦合电容。

作为变体形式，还能够：

-具有类似的结构，但去除接地之一，从而获得双线引导器；并且/或者

-使用发夹状梁(例如图4中的R1和R2)且/或经由梁锚定装置周围的接地，从而避免不得不形成桥；并且/或者

-使用基底S1的硅以在中央引导器的全部或部分之下具有接地平面并具有微波传输带引导器；并且/或者

-使用额外的金属层，以便用连结至LMM1和LMM2的桥来覆盖中央导体。

-在背面使用金属层以在RF波经过的路径的全部或部分上形成微波传输带线。

图9显示了根据本发明的第九个实施方案的探头。在该探头中，往复器PJ包括两个相互平行的纵向梁PJ1和PJ2，所述纵向梁PJ1和PJ2通过两个会聚的臂BPT1和BPT2在远端(正y)方向上延伸，所述会聚的臂BPT1和BPT2在交汇处形成探针PT1。纵向梁PJ1和PJ2支承导电线LM1和LM2，所述导电线LM1和LM2经由两个横向半梁ET1和ET2延伸至连接接触片PL1和PL2，所述连接接触片PL1和PL2位于横向梁形状的第一支撑结构的锚定装置上。纵向梁PJ1和PJ2的机械分离使得在使用高压的情况下避免电气短路。这使得电流能够途经探针邻近处或通过探针，从而实现局部加热，例如用于扫描热显微(Scanning ThermalMicroscopy，SThM)应用。为了加热硅探针PT1，可以掺杂臂BPT1和BPT2，并且可以与线LM1的金属形成欧姆接触；这使得能够具有较低的输入电阻。在图9中，以方格花纹标示的区域为掺杂硅的区域。

第二支撑结构R为表现出平面内弯曲振动的梁所构成的共振器，所述梁在腹部点PV1刚性连接至PJ1和PJ2，所述腹部点PV1为获得最大的沿轴线y的弯曲运动幅度的位置。

图10显示了第十个实施方案，其实际上为前一实施方案的变体形式，其还包括支承金属线LM3和LM4的第二横向保持梁ET3和ET4，所述金属线LM3和LM4连结至锚定装置上形成的接触片PL3和PL4。该结构能够在探针(由掺杂半导体或金属制成)上进行集成电阻的四点测量。为实现这一点，经由接触片PL1/PL2输入/回收电流，并且测量PL3和PL4端子处的电压。由于元件ET3和ET4与ET1和ET2同样在平面内弯曲，因此元件ET3和ET4不会防止存在模式M0。

在本发明的第十一个实施方案中(图11)，第二支撑结构为包括平面光导部TGO的微机械共振器R，并且通过经由平面引导器GEX1和GEX2将光功率(puissance optique)输入引导器而热-光致动(actionnéthermo-optiquement)。根据若干可能来实现运动的读取，所述可能基于经由位于一侧的平面引导器GE1、GE2和GE3的光的射入，所述运动通过位于另一侧的平面引导器GS1、GS2和GS3而读取。

第一种可能：不需要引导器GE2、GE3、GS1和GS2。引导器GE1通过渐逝耦合将光射入TGO的一端；在另一端，一部分光又通过渐逝耦合回收到GS3中。耦合的强度根据TGO的位置而变化，因此根据纵向梁PJ的位置而变化。可以制作差分组件并测量差值[信号(GS1))-(信号(GS3)]。

第二种可能：不需要引导器GE1、GE3、GS1和GS3。通过借助于GE2进行直接耦合，将光射入TGO中，并且测量GS2中的信号的变化。此处同样，(直接)耦合的强度根据TGO的位置而变化，因此根据纵向梁PJ的位置而变化。

图12显示了第十二个实施方案，其实际上为前一实施方案的变体形式，其中，通过渐逝耦合将光从引导器GES1射入C形引导器RT1，所述C形引导器RT1将R的输出循环至输入，并形成伪光学共振器(由于损耗相当高，因此是“伪”光学共振器)。此处同样，损耗根据TGO的位置而变化，因此根据纵向梁PJ的位置而变化。

为提供最佳的性能水平以及技术效率，能够进行处理使得由ZNL标记的部分不脱离(并因此刚性连接至基底)。这对机械共振器的运动M0没有负面影响。在该实施方案中，探针PT1为导体并通过经由横向梁ET和纵向梁PJ的线LM1连结至接触片PL1，但这与光学部分无关。

图13显示了本发明的第十三个实施方案，其中，往复器包括脱离的光学共振器ROL，所述光学共振器ROL采用循环光回路的形式，其通过渐逝波与引导器GES2耦合。往复器的位移引起光学共振器ROL与波导之间的距离的变化，因此引起光机械耦合的变化。附图显示了环形光学共振器ROL，但这不是必要的；共振器也可以使用布拉格反射镜或者也可以为碟形共振器。往复器也可以仅包括光学共振器的一部分。另一部分位于往复器邻近处。往复器的位移引起由两部分形成的光机械空腔的明显的变化。

在第十一个、第十二个和第十三个实施方案中，光源和检测器可以结合在探头中，或是单独的装置。

在第十四个实施方案(图14)中，探头的较小尺寸使得能够在同一个支撑物上结合例如具有三个接地-信号-接地类型的导体的微波或射频平面波导GOP，所述导体在平面xy中向着AFM探头的斜方向上延伸，其中信号导体(此处的中央导体)末端为探针PT2，所述探针不意在振动，但与静止状态的AFM探针PT1具有大致相同的纵向位置(y坐标)。这种装置可以用于扫描微波显微(Scanning Microwave Microscopy，SMM)应用。

作为变体形式，微波或射频波导GOP可以由平面光引导器替换。

在图14的具体情况下，元件ET1和ET2为回弯或发夹形梁，这使共振器具有更小的侧向尺寸，同时保持了较低的刚度(参考图4)。R1和R2与ET1和ET2相同。纵向梁PJ和探针PT1与图4中的大致相同，但没有导电线。

在图15的实施方案中，平面波导GOP由微流体装置DMF替换，所述微流体装置DMF包括通道CF1和能够连接至外部的区域PF1，整个装置使流体能够经由开口OF1分配，所述开口OF1的位置靠近AFM探针PT1。探头的较小尺寸使得能够调整微流体装置相对于表面的位置。可以设置角度以使PT1靠近OF1。能够在同一基底S1上使用多个流体装置或探针。这样的装置能够研究液体介质中的化学反应而使用非常小剂量的反应物，例如用于生物诊断应用。

根据本发明的探头的较小尺寸使得它们能够特别地用于涉及照亮探针PT1和/或与探针相互作用的样本E1的表面的光源SRC1的成像模式，以用于AFM成像。在图16A中，可以看出在平面中具有较小尺寸(较小角度θ)的全部优点，其使得角度(90°-θ)可以用于照明目的，同样大小的角度可以用于借助于光检测和采集系统(在附图中通过透镜SO1显示)而采集散射的光。这种组件能够制造无孔扫描近场光学显微镜(SNOM，Scanning Near FieldOptical Microscope)，并且能够实施荧光或探针增强拉曼光谱(TERS，Tip-EnhancedRaman Spectroscopy)分析。

在图16B中，可以看出在yz平面中具有较小尺寸(较小角度

)的优点：

越小，探头在平面yz中可以倾斜的角度

越大。这使得能够以通过探针形状和电磁场表面相互作用优选的角度来采集光。

在图16A和图16B的示例中，AFM探头(附图标记SM)和光源/检测器SRC1/SO1为既构成原子力显微镜也构成无孔扫描近场光学显微镜的装置的主要元件。

借助于根据本发明的探头的较小尺寸，能够制造复杂的显微镜，开展本申请并未考察的前景。例如，图17显示了包括两个根据本发明的探头SM1和SM2的组件，所述探头SM1和SM2的探针PT1和PT2与样本E1的表面的同一区域相互作用，所述区域进一步通过光源SRC1发射的光束(例如激光束)照亮，散射的光由检测和采集系统SO1采集；另外，导电探针P3在PT1和PT2紧邻处(距离通常小于100μm，或甚至小于10μm)接触样本的表面，从而对样本的表面施加DC或AC电压。探针P3可以替换为隧道显微探针，并且/或者紧凑型AFM探头的数量可以大于2。可以通过使角度θ和

变化来分布这些探头；在附图的示例中，两个探头在同一平面中，与样本表面的法线形成角θ1和θ2。

图18A为根据本发明的一个实施方案的AFM探头的电子显微图像。在其后部(基底一侧)，该探头包括两个相同的电阻换能器T1和T2，其中的一个用作热致动器，另一个用作压阻传感器。这些换能器在横向方向上延伸，并且也起到支撑结构的作用。其它支撑结构ET1和ET2靠近探针PT1设置，所述支撑结构ET1和ET2的形状为横向梁。支撑结构ET1和ET2各自支承金属轨道LM1，所述金属轨道LM1以上文参照图2B描述的方式电连结至探针PT1。另两个金属轨道LMM1和LMM2设置在每个轨道LM1两侧，从而形成根据上文参照图4解释的原理的平面波导结构。角θ的值为60°；图中未示出的角

的值为80°(探针从基底的边缘凸出50μm，所述基底的厚度为300μm)。因此探头实际为紧凑型的探头。

图18B显示了使用振幅为200mV的激励信号测量的所述探头的力学传递函数，致动换能器(transducteur d’actionnement)的极化为3mA，检测换能器的极化也为3mA。可以看出共振频率的值为1.16MHz。

在AM(振幅调制)模式下使用所述探头以检测SiC样本的拓扑，所述样本的表面表现出750pm高、500nm宽的台阶。在图18C中显示了该测量的结果。良好的信噪比值得注意。

探头也被用于获取云母表面上的圆形质粒的图像。在图18D中复现的图像在频率偏移定值为75Hz的无接触FM(频率调制)模式下获得。

Claims (21)

1.一种用于原子力显微的探头，其包括用于原子力显微的探针(PT1)，所述探针朝向称为纵向方向(y)的方向并且在所述纵向方向上从基底(S1)的边缘(B)凸出，所述探针设置在往复器(PJ1)的一端，所述往复器至少经由第一支撑结构(ET)和第二支撑结构附接至所述基底，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构称为支撑结构，其特征在于：

-所述支撑结构均锚定至基底并且在所述纵向方向上在所述往复器的不同位置连结至所述往复器；

-至少所述第一支撑结构主要在垂直于所述纵向方向的称为横向方向(x)的方向上延伸，并且通过在所述横向方向上的至少一个机械连结锚定至基底，纵向方向和横向方向形成平行于基底的主表面的平面；

-所述支撑结构在纵向方向上形变，使得往复器能够在相同的方向上位移；

-所述用于原子力显微的探头具有整体化的结构，至少所述往复器和所述支撑结构在称为装置层的表面层(DL)上制成，所述表面层位于所述基底的表面之上。

2.根据权利要求1所述的用于原子力显微的探头，其中，所述第二支撑结构为微机械共振器，其适合被激发从而使所述往复器在所述纵向方向上振荡。

3.根据权利要求2所述的用于原子力显微的探头，其中，所述微机械共振器从环形共振器以及通过至少一个机械连结锚定至基底并在所述横向方向上定向的至少一个梁中选择。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其中，所述第二支撑结构也为在所述横向方向上延伸并通过至少一个机械连结锚定至基底的柔性结构。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，还包括至少一个致动器，其配置为在所述纵向方向上引起所述往复器的位移，使得至少所述第一支撑结构弯曲。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，还包括至少一个致动器，其配置为主要在所述横向方向上引起所述往复器的位移，使得至少一个所述支撑结构弯曲。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其中，所述往复器的形状为在所述纵向方向上伸长，并且从所述基底的边缘凸出。

8.根据权利要求7所述的用于原子力显微的探头，其中，所述第一支撑结构至少部分地悬吊在所述基底的边缘上。

9.根据权利要求8所述的用于原子力显微的探头，其中，所述第一支撑结构经由锚定装置附接至基底，所述锚定装置本身至少部分地悬吊在所述基底的边缘上。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，还包括至少一个导电轨道(LM1)，所述导电轨道通过穿过一个所述支撑结构并穿过所述往复器而将设置在所述基底上的连通接触片(PL1)连结至所述用于原子力显微的探针。

11.根据权利要求10所述的用于原子力显微的探头，还包括设置在支承所述导电轨道的支撑结构的两侧的两个支撑元件，所述支撑元件各自支承导电轨道，与穿过所述支撑元件的导电轨道形成平面波导。

12.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其包括在所述纵向方向上在往复器两侧延伸的称为侧梁的两个伸长的结构，其中，所述往复器和所述侧梁都支承形成平面波导的导电轨道。

13.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，还包括在与所述用于原子力显微的探针的方向斜交的方向上延伸到所述基底的边缘之外的结构，所述结构支承从平面波导(GOP)和微流体通道(DMF)中选择的元件。

14.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其中，所述往复器在所述用于原子力显微的探针邻近处或所述用于原子力显微的探针的相应处支承电阻元件，所述电阻元件的端部连结至两个连通接触片，所述连通接触片通过穿过所述第一支撑结构并穿过所述往复器的各个导电轨道设置在所述基底上。

15.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其包括热-光致动器，所述热-光致动器包含平面光导部(TGO)以及至少一个平面光导件，所述平面光导部刚性连接至所述往复器并在所述横向方向上延伸，所述平面光导件设置在所述基底的表面上并配置为在大致纵向的方向上将光射入所述平面光导部。

16.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其包括运动传感器，所述运动传感器包括平面光导部(TGO)以及两个平面光导件，所述平面光导部刚性连接至所述往复器并在所述横向方向上延伸，所述平面光导件设置在所述基底的表面上并且光耦合至所述光导部的相反端部，耦合的强度取决于光导部在所述纵向方向上的位置。

17.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其包括运动传感器，所述运动传感器包括光学共振器(ROL)以及至少一个平面光导件(GES2)，所述光学共振器刚性连接至所述往复器，所述平面光导件刚性连接至基底并通过渐逝波与所述光学共振器耦合，耦合的强度取决于往复器在所述纵向方向上相对于所述平面光导件的位置，因此取决于光学共振器的位置。

18.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于原子力显微的探头，其中，至少一个所述支撑结构为带有发夹形弯曲的伸长形状。

19.一种原子力显微镜，其包括至少一个前述权利要求中的任一项所述的探头。

20.根据权利要求19所述的原子力显微镜，还包括：

-光源(SRC1)，其配置为生成光束，所述光束朝向与所述探头的用于原子力显微的探针相互作用的样本的表面的区域；

-系统(SO1)，其用于检测所述光束通过与所述样本的表面以及所述探针相互作用而散射的光。

21.根据权利要求19和20的任一项所述的原子力显微镜，还包括导电探针(P3)，所述导电探针设置为与所述探头的用于原子力显微的探针邻近的样本的表面区域发生接触。

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