CN114026438B - 扭转翼探针组件 - Google Patents

Abstract

一种用于计量仪器的扭转探针包括通过扭杆耦合到支撑结构的悬臂。悬臂、支撑结构及扭杆的臂具有基本相同的厚度。

Description

扭转翼探针组件

技术领域

优选实施例涉及一种用于计量仪器的探针装置及相应的制造方法，更具体地，涉及一种用于例如原子力显微镜(AFM)的扭转翼探针，其实现了显着改善的成像带宽，并可以容易地批量制造。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)，如原子力显微镜(AFM)，是一种使用尖锐尖端和低力来表征样品表面至原子尺寸的装置。通常，将SPM探针的尖端引入样品表面以检测样品特性的变化。通过在尖端与样品之间提供相对扫描运动，可以在样品的特定区域上获取表面特征数据，并可以生成样品的对应图。

AFM及其操作的概述如下。典型的AFM系统如图1所示。AFM10采用探针装置12，其包括具有悬臂15的探针14。当测量探针-样品相互作用时，扫描器24在探针14与样品22之间产生相对运动。通过这种方式，可以获得样品的图像或其他测量值。扫描器24通常由一个或多个致动器组成，这些致动器通常在三个正交方向(XYZ)上产生运动。通常，扫描器24是单个集成单元，其包括一个或多个致动器以在所有三个轴上移动样品或探针，例如压电管致动器。或者，扫描器可以是多个独立致动器的组件。一些AFM将扫描器分成多个组件，例如移动样品的XY扫描器和移动探针的单独Z型致动器。因此，如Hansma等人、美国专利RE34,489号及Elings等人、美国专利第5,266,801号及Elings等人、美国专利第5,412,980号所述，该仪器能够在探针与样品之间产生相对运动，同时可测量样品的形貌或其他一些表面特性。

在常见的配置中，探针14通常耦合到振动致动器或驱动器16，该致动器或驱动器16用于在悬臂15的共振频率或附近驱动探针14。替代布置测量悬臂的偏转、扭转或其他运动15。探针14通常带有集成尖端17的微加工悬臂。

通常，在SPM控制器20的控制下，从AC信号源18施加电子信号，以使致动器16(或替代地扫描器24)驱动探针14振动。探针-样品相互作用通常通过控制器20的反馈来进行控制。值得注意的是，致动器16可以耦合到扫描器24及探针14，但可以与探针14的悬臂15一体地形成，作为自驱动悬臂/探针的一部分。

如上所述，当通过检测探针14的一个或多个振动特性的变化来监测样品特性时，所选探针14振动并与样品22接触。在这点上，偏转检测装置25通常用于将光束指向探针14的背面，然后将光束反射到检测器26。当光束穿过检测器26进行平移时，在方框28处处理适当的信号，以例如确定RMS偏转并将其发送到控制器20，控制器20处理信号以确定探针14的振动变化。通常，控制器20生成控制信号，以维持尖端与样品之间的相对恒定交互作用(或偏转控制杆15)，通常用于保持探针14振动的设定点特性。更具体地，控制器20可以包括PI增益控制块32和高压放大器34，其调节通过与电路30比较获得的误差信号，对应于由针尖样品与设定点相互作用引起的探针偏转的信号。例如，控制器20经常用于将振幅维持在设定值(AS)，以确保尖端与样品之间的力大致恒定。或者，可以使用设定点相位或频率。

在控制器20中和/或在单独的控制器或连接或独立控制器的系统中还提供工作站40，其从控制器接收收集的数据，并处理扫描期间获得的数据以执行点选择、曲线拟合及距离确定操作。

响应于探针尖端(大多数AFM使用尖头探针(半径小于10nm)以获得高分辨率)与样品的相互作用的悬臂的偏转是使用极其灵敏的偏转检测器(通常为光学杠杆系统)进行测量。在这种光学系统中，使用透镜将激光束从通常放置在悬臂上方的光源聚焦到悬臂的背面上。杠杆的背面(与尖端相对的一侧)是反射性的(例如，在制造过程中使用金属化)，因此光束可以从那里反射到光电检测器。在操作期间光束穿过检测器的平移提供杠杆偏转的测量值，其再次指示一个或多个样本特性。

在具有“跳板(diving board)”或三角形形状的标准探针中，聚焦激光束与悬臂背侧接触的点决定旋转角度，这会影响光电二极管偏转信号和偏转灵敏度。如图2A及图2B示意性地所示，具有反射背侧52的AFM探针50通常在其尖端53被引入样品(未示出)时被驱动以其共振频率振动。为了在该相互作用期间测量探针50的偏转，采用如前面所述的光学偏转检测系统54。偏转检测系统54包括激光器56，其将电磁能“L”束指向探针50的背面52。该光束“L”被反射回检测器，如象限光电二极管58。在图2A中，当激光器光束“L”定位成更朝向探针50的固定端60(大约中间)撞击背面52时，旋转角为θ1。然而，如果光束“L”被定位成将光束“L”导向探针50的自由端或尖端，则旋转角为θ2，即使探针偏转相同，旋转角度也更大。如图所示，在后一种情况下，光束更多地朝向其边缘而不是其中心接触检测器58。这种差异会极大地影响灵敏度，理想情况下，灵敏度应该是恒定的，即独立于激光位置。值得注意的是，对于典型的跳板或三角形悬臂，灵敏度会随着激光对准位置而变化，因此基本上不可能保持恒定的灵敏度。

具有固定端的标准跳板或三角形杠杆的另一个缺点是，尖端上的力会影响测量。例如，在峰值力敲击模式(PFT-IR)下测量样品对IR激发的响应，接触共振频率将随接触力而变化。图3示出包括悬臂72的探针70，所述悬臂72具有支撑尖端76的自由端74。杠杆72从固定端78处的探针底座(未示出)延伸。该边界条件导致接触共振频率取决于沿与样品表面大体正交(Z)的方向的尖端76与样品(未示出)之间的接触力“F”。这由于频率偏移，需要跟踪接触共振，从而使样品特性测量变得复杂。因此需要一种AFM探针，其中测得的接触共振频率基本上独立于尖端与样品之间的接触力。

鉴于上述情况，计量领域需要一种探针以克服上述与如在AFM光学偏转检测方案中的激光定位相关的缺陷，以及尖端-样品相互作用力对AFM测量的影响，包括在PF-IR模式下测量样品特性时监测接触共振频率。

应注意，“SPM”及特定类型的SPM的首字母缩写词在本文中可用于指代显微镜装置或相关技术，如“原子力显微镜(atomic force microscopy)”。

发明内容

优选实施例通过提供扭转翼探针及相应的制造方法来克服现有解决方案的缺点，所述扭转翼探针与传统跳板或三角形AFM探针不同，具有无固定端的悬臂。所述制造方法提供相对于探针本身、扭杆及探针从其延伸的基板均具有均匀厚度的探针。通过这种方式，可以容易地批量制造在工作带宽、噪声和漂移方面具有优异的性能特征的探针。此外，探针-样品力的影响被最小化，灵敏度不依赖于激光定位。

根据优选实施例的第一方面，扭转翼探针组件包括底座和从底座延伸的探针。在这种情况下，探针具有悬臂，其具有相对的端、支撑尖端的第一自由端及第二自由端。包括一对扭力臂的扭杆将悬臂耦合到支撑结构，并且支撑结构、悬臂及扭杆的厚度相同。

根据优选实施例的另一方面，探针的自然共振频率与弹簧常数(f0/k)的比值至少比一端固定在跳板底座上的跳板悬臂的f0/k大3倍。

在本实施例的另一方面，探针、支撑结构及悬臂为氮化硅，并且，使用低压化学气相沉积(LPCVD)来执行沉积步骤。

根据优选实施例的又一方面，悬臂包括扭力臂的相对侧上的第一部分及第二部分，其中第一部分的表面积等于第二部分的表面积。

在优选实施例的另一方面，一种操作AFM以测量样品的光热诱导表面位移的方法，包括以下步骤：提供扭转翼探针，其具有支撑结构、支撑尖端的悬臂及扭杆，其中所述扭杆包括将悬臂耦合到支撑结构的扭力臂。接下来，在操作模式下驱动探针振动，并且，在尖端的大约位置处将IR辐射指向样品的表面，导致表面位移并驱动扭杆共振。然后，根据探针的偏转来测量位移，以响应指向步骤。

在本实施例的另一方面，AFM模式为PFT模式。

根据优选实施例的又一方面，扭转翼探针具有均匀的厚度。

在优选实施例的另一方面，AFM包括：扭转翼探针，其与样品相互作用；以及光学偏转检测装置，其用于测量探针偏转。其中，所述光学偏转检测装置包括激光器及检测器，激光器将辐射指向探针，探针将辐射反射至检测器，并且将其中偏转测量的灵敏度与辐射接触探针的位置无关。

根据优选实施例的另一方面，扭转翼探针通过包括以下步骤的方法微加工：提供基板，以及在基板上沉积氧化硅和氮化硅层。然后，该方法包括在基板的第一侧上光刻地形成探针组件的底座。然后，该制造方法包括在第一面上沉积另一层氮化硅，以及光刻形成探针组件的探针。探针包括支撑结构、具有相对端的悬臂、支撑尖端的第一自由端和第二自由端，以及将悬臂耦合到支撑结构的一对扭力臂。支撑结构、悬臂及扭杆具有相等的厚度。

通过以下详细说明和附图，本发明的这些和其他目的、特征及优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。然而，应当理解，在指示本发明的优选实施例的同时，详细描述和具体示例通过说明而不是以限制的方式给出。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1为现有技术原子力显微镜的示意图；

图2A及图2B为包括探针及偏转检测装置的现有技术AFM的示意性侧视图，说明了当光束击中悬臂背侧的不同点时检测偏转的问题；

图3为具有固定端的现有技术跳板型探针的示意性侧视图；

图4为根据本发明优选实施例的扭转翼探针的示意性等距视图；

图5A及图5B示出图4的探针，说明根据优选实施例的方法的偏转具有大半径尖端的AFM探针的逐步微加工的一系列图像；

图6为示出优选实施例的扭转翼探针的低漂移的曲线图；

图7为有关现有技术跳板AFM探针的类似于图6的曲线图；

图8为以偏转方式示出的优选实施例的扭转翼探针的示意性等距视图；

图9为在流体中操作的现有技术跳板型探针的示意性侧视图；

图10为在流体中操作的根据优选实施例的扭转翼探针的示意性侧视图；

图11为根据优选实施例制造的扭转翼探针的示意性俯视图；

图12为现有技术跳板探针的示意性俯视图；

图13A及图13B为分别示出根据优选实施例的扭转翼探针的振荡的振幅及相位对频率的曲线图；

图14为使用优选实施例的扭转翼探针成像的PMMA样品的纳米IR光谱(吸收对波长)的曲线图；

图15为根据优选实施例的制造扭转翼探针的方法的流程图；

图16A至图16F为根据优选实施例制造的扭转翼探针的一系列示意性侧视图；以及

图17为根据图16A至图16F的方法制造的扭转翼探针的示意性俯视图。

具体实施方式

首先参考图4，示意性地示出了用于原子力显微镜的扭转(或扭转翼)探针100，其包括支撑结构102，其支撑构件104、106由容纳悬臂110的至少一部分的开口108被隔开。悬臂110通过扭杆112、114耦合到构件104、106，其中扭杆112、114大致在其中点垂直于杠杆110的纵向轴“A”。

在操作中，当探针100被驱动进行振动时，扭杆112、114旋转，使得整个悬臂110围绕轴“B”自由旋转，支撑构件104、106分别具有固定端116、118。结果，当探针110的尖端与样品(未示出)相互作用时，接触力将根据需要对例如PF-IR模式下的接触共振频率产生更低的影响。这与标准AFM探针(如图3所示的探针70)形成直接对比，其中接触共振频率取决于给定杠杆72的固定边界78的接触力。

图5A及图5B示出扭转翼探针100的另一个主要优点。对于探针100，无论光学检测装置的激光“L”在何处撞击悬臂110的背面122，朝向悬臂110的中间的位置“P”(图5A)或位置“Q”(图5B)，当光束被反射回检测器124时，旋转角θ相同。因此，偏转灵敏度相同。在图2A及图2B所示的典型AFM探针的对比情况下，偏转灵敏度发生变化，反射光束甚至不接触检测器的可能性取决于激光源、检测器定位。

尤其，对于PF-IR模式，具有固定在一端的悬臂的传统跳板探针的边界条件以更进一步的方式影响接触共振测量。图6及图7示出大约一小时后热噪声功率谱与接触共振频率的关系图。在图6中，与扭转(TRW)探针相关的数据说明在漂移保持在小于0.3kHz的情况下，曲线140(测量开始)和曲线142(测量1小时后)中大约360kHz的接触共振稳定。对于标准探针(SNL)，漂移至少要大一个数量级(图7)。换言之，当悬臂被允许自由旋转时(图6)，就像扭转翼探针的情况一样，由于整个探针都会受到热漂移的影响，探针上的接触共振漂移效应会大大降低。

此外，TRW设计(用于具有更大带宽的AFM操作)显着降低了接触刚度及杠杆长度，并将灵敏度提高3倍以上。杠杆组件以与普通矩形跳板型杠杆相同的方式以大约2kHz的频率操作PFT模式。在PFT操作探针与样品表面瞬时接触期间(用IR辐射激发)，光热诱导的表面位移通过尖端驱动扭杆共振(设计为约200kHz)。灵敏度与1/kT及1/LT成正比，其中kT约为1/10kC(扭杆(分别将悬臂耦合到支撑结构的两个扭力臂)和悬臂的弹簧常数)，LT约为L的1/3(分别为扭杆和悬臂的长度)。灵敏度可以提高10倍。

参考图13A及图13B，使用根据优选实施例的振动TRW探针的有限元分析(FEA，finite element analysis)，确定在210kHz附近(图13A中的振幅曲线、图13B中的相位曲线)存在扭转共振谐波。这种小型扭转探针共振探针具有更高的“Q”(Q＝fr/BW)及更高的接触共振频率，这对于纳米IR应用尤其有用(例如，参见分配给当前受让人的美国授权公报US-2018-0052186-A1)。尤其，TRW探针表现出更高的偏转灵敏度，因此能够以比使用传统AFM探针时高2～3倍的信噪比(S/N)来感测纳米IR诱导的表面振动。

接下来转向图8，示出用于AFM中的微加工的示例性扭转(TRW)探针150。探针150包括具有基本T形开口153的支撑结构152，其中所述开口153限定悬臂154相对于结构152自由旋转的空间。悬臂154通过基本上垂直于悬臂154纵轴延伸的共线扭杆156、158耦合到支撑结构152。在其自由端160处，探针支撑在“Z”(基本上与被测样品(未显示)表面正交)方向移动的尖端162。如下文所述，探针150被微加工，由此支撑结构152、悬臂154及扭杆156、158都具有相同的厚度。

如上所述，探针150可以以多种模式驱动振动。在峰值力敲击模式下(例如，用于执行PF-IR光谱)，连接有支撑探针150的探针支架(未示出)的Z压电管在Z轴上被驱动以相对于样品表面垂直上下移动探针。由于其尺寸，与扭杆156、158相比，支撑结构152相对较硬，所述扭杆156、158扭转/旋转以在“Z”方向移动悬臂，并通常在悬臂的共振频率下使尖端162垂直于样品表面振动。在敲击模式下，可以提供单独的Z压电以在“Z”方向振动探针。

尤其随着速度和分辨率的不断提高，AFM性能的另一个主要影响，尤其当使用峰值力敲击模式在液体中进行实验时，是流体动力学背景对探针偏转的贡献。这些是对成为测量的探针响应的一部分的探针偏转的贡献，可能污染所获取的数据，如美国专利第8,739,309号、第8,646,109号及第8,650,660号中进一步详细讨论。由此，将参考图9及图10来说明本TRW探针在这方面的优点。图9示意性地示出具有悬臂172的传统AFM探针170，其中所述悬臂172具有固定端174及支撑尖端178的自由端176。固定端174从在AFM操作期间沿Z方向(与样品表面正交)移动的底座(未显示)延伸。一系列向下箭头180示出当底座垂直向上移动时的水压或力。探针170上的合成扭矩对探针偏转产生流体动力学背景贡献。除非考虑到背景偏转(通常通过复杂的背景减法算法)，否则其可能会污染测量。

相反地，参考图10，图10示出优选实施例的TRW探针190，对探针偏转的流体动力学背景影响基本上为零。探针190包括支撑结构192，其具有刚性第一构件和第二构件194、196，其固定端198、200耦合到底座(未示出)，该底座(未示出)在Z方向或垂直方向(例如，使用z压电致动器或AFM的扫描管)上移动探针。探针还包括通过扭杆204、206耦合到第一构件和第二构件194、196的悬臂202。悬臂包括前部208和后部210，前部支撑尖端212。重要的是，前部和后部208、210优选地具有基本相同的表面积。在操作中，当探针190被驱动时，扭矩选择扭杆以使悬臂围绕扭杆204、206旋转，从而垂直于样品表面(未示出)移动尖端212。这种情况下的水压由箭头214的阵列示出，当探针的底座向上移动时，箭头214在悬臂202上施加向下的力。然而，与探针170不同，TRW探针190经历零扭矩，只要前部和后部208、210的表面积基本相同。结果，在测量数据中，流体动力学背景对探针偏转的影响被有效地最小化。

根据优选实施例的TRW探针组件250的一实施例的结构如图11的俯视图所示。探针组件250包括底座252，其中探针254从所述底座252延伸。探针254包括具有相对的第一部分和第二部分258、260的支撑结构256。部分258、260相对于扭杆臂硬得多，通常为10-20倍。如前所述，探针252还包括悬臂262，所述悬臂262通过扭杆臂264、266耦合到第一部分和第二部分258、260。悬臂262包括前部或尖端垫268和后部或反射垫270。在一优选实施例中，扭力臂宽度(wta)(两个臂264、266)约为3.5μm，尖端垫268的长度(ltp)约为23.5μm，反射垫270的宽度(wrp)约为12μm。探针的共振频率约为380kHz，弹簧常数k约为0.3N/m，产生的频率(f0)/k约为1267。相反地，对于具有相同厚度的标准矩形AFM探针280(图12)，悬臂可以具有约600nm的厚度、约77μm的长度282及约12μm的宽度284。这些参数产生约138kHz的共振频率、约0.3N/m的弹簧常数k及约260的频率(f0)/k。然而，通常，厚度可以大到约5μm，并且通常为50nm至5μm，并且优选地，约为750nm。

结果，优选实施例的扭转翼探针比标准跳板悬臂具有高约3倍的f0/k(对弹簧常数的自然共振频率)。为了进行比较，该扭转翼探针组件250包括悬臂，该悬臂具有与矩形探针相同的厚度和宽度，以允许其保持相同的激光光斑。但较高的f0/k比允许在相同成像力的敲击模式下具有更高的成像带宽。

例如，图14示出通过AFM获得的PMMA样品的纳米IR光谱，其中所述AFM采用优选实施例的扭转翼探针和传统的跳板型探针。优选实施例的扭转翼探针在～1550-1650cm-1范围内具有高达2倍的更好的信噪比，如插图300所示。

图15示出根据优选实施例制造扭转翼探针的方法，如图4、图5、图8、图10及图11所示。方法500将结合用于说明探针构造的图16A至图16F，以及作为示例性TRW探针的俯视图的图17来进行描述。方法500包括提供基板、例如硅晶片(图16A中的550)的第一步骤的方框502。替代基板可以是玻璃、石英、GaAs(砷化镓)。

在方框504中，晶片用作在晶片的两侧生长氧化硅(SiO2)的基板。该氧化物552如图16B所示。然后，在方框506中，氮化硅(图16B中的554)沉积在氧化物层552上。优选地，这通过低压化学气相沉积(LPCVD)完成。然后使用适当的掩模来创建用于背面的后续蚀刻(例如，KOH)的结构(未示出)，以在方框508(另请参见图16C中的区域556)中定义探针主体(悬臂的底部固定端)。更具体地，参考图17，该步骤限定探针组件600的底座602的至少一部分。接下来，在方框510中，沉积悬臂/支撑结构材料，优选氮化硅(Si3N4)558，如图16D所示。在方框512中，从正面蚀刻硅以形成图16E的探针尖端560(图17中的探针600的尖端616)。

然后在方框514中，通过适当的蚀刻对悬臂562(图16F)进行光刻图案化并形成。参考图17，该步骤限定支撑结构604，其包括支撑构件606、608及将支撑结构604与悬臂610耦合的扭力臂618、620。悬臂包括支撑尖端616的后部612和前部614。类似于图10的示意图，后部和前部612、614优选具有相似的尺寸，因此当在流体中操作时，悬臂上的流体力(箭头204–图10)在两个部分上基本相同。

最后，在方框516中，切割探针并从晶片中释放，以形成如图17所示的探针。最佳性能的典型尺寸包括结合图11公开的尺寸。

尽管上面公开了实施本发明的发明人设想的某些实施例，但本发明的实践并不限于此。明显地，在不脱离基本发明构思的精神和范围的情况下，可以对本发明的特征进行各种添加、修改和重新排列。

Claims (15)

1.一种扭转翼探针组件，其特征在于，

包括：

底座；以及

从所述底座延伸的探针，

其中所述探针，包括：

支撑结构；

悬臂，其具有相对的第一自由端及第二自由端，所述第一自由端支撑尖端；以及

扭杆，其包括垂直于所述悬臂的纵轴延伸的共线的一对扭力臂，所述一对扭力臂将所述悬臂耦合到所述支撑结构，

其中所述支撑结构、所述悬臂及所述扭杆的厚度相同，

其中所述支撑结构的刚度至少比所述扭力臂的刚度大10倍。

2.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述厚度小于5μm。

3.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述探针的自然共振频率与弹簧常数f0/k的比值至少比一端固定在跳板底座上的跳板悬臂的f0/k大3倍。

4.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述支撑结构及悬臂为氮化硅。

5.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

扭转翼探针组件通过包括以下步骤的方法微加工：提供基板，以及使用低压化学气相沉积在基板上沉积氧化硅和氮化硅层。

6.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述悬臂包括所述扭力臂的沿所述悬臂的纵轴的相对侧上的第一部分及第二部分，其中所述第一部分的表面积等于所述第二部分的表面积。

7.根据权利要求5所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述基板为硅晶片。

8.根据权利要求1所述的扭转翼探针组件，其特征在于，

所述尖端的材料为硅。

9.一种操作AFM以测量样品的光热诱导表面位移的方法，其特征在于

包括以下步骤：

提供根据权利要求1至8中任一项所述的扭转翼探针组件；

在AFM操作模式下驱动所述探针振荡；

在所述尖端的位置处将IR辐射指向所述样品的表面，导致表面位移并驱动所述扭杆共振；

根据所述探针的偏转来测量位移，以响应在所述尖端的位置处将IR辐射指向所述样品的表面，导致表面位移并驱动所述扭杆共振。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述AFM操作模式为PFT模式。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述支撑结构、所述悬臂和所述扭杆具有相等的厚度。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述IR辐射为中红外辐射。

13.一种AFM，其特征在于，

包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的扭转翼探针组件，所述探针与样品相互作用；以及

光学偏转检测装置，其用于测量探针偏转，

其中，所述光学偏转检测装置包括激光器及检测器，所述激光器将辐射指向所述探针，所述探针将所述辐射反射至所述检测器，并且其中所述探针的偏转测量的灵敏度与所述辐射接触所述探针的位置无关。

14.根据权利要求13所述的AFM，其特征在于，

所述尖端由硅制成，所述悬臂由氮化硅制成。

15.根据权利要求13所述的AFM，其特征在于，

所述厚度小于5μm。