CN1304867C - 扫描探针显微镜及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用来检测或感应探针-样本相互作用中的变化的扫描探针显微镜。在成像模式中，使探针(54)非常接近样本(12)，当探针(54)和样本表面相对进行扫描时，测量相互作用的强度。通过执行样本(12)和探针(54)的相对平移来快速地收集图像，同时在其谐振频率或在接近其谐振频率处振荡这两者之一。在首选实施例中，通过在金属探针和样本之间的接口处产生的电容来监控相互作用。在光刻模式下，原子力显微镜适合于向样本表面写信息。

Description

扫描探针显微镜及其操作方法
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜领域以及一种扫描这种显微镜的方法。
背景技术
伴随着扫描隧道显微镜的发展，扫描探针显微术领域开始于1981年。从那时起，发展了大范围的探针显微镜，尽管它们都是基于相同的基本操作原理：为了获得样本空间的“相互作用图谱”，在样本表面上机械地扫描纳米探针。每种不同类型的扫描探针显微镜(SPM)特征在于局部探针的特性及其与样本表面的相互作用。
一些探针技术，如扫描近场光学显微术(SNOM)和光子扫描隧道显微术(PSTM)，检测由于探针与被辐射样本的相互作用而产生的光子。另一些则是基于检测探针-样本相互作用力中的变化。后者的技术是已知的扫描力显微术(SFM)。相互作用力可以是，例如，与许多别的物体之间的磁力、剪切力或者热力。
原子力显微术(AFM)是最通常使用的扫描探针显微技术。在这一应用中探针是悬臂末尾的尖端，该悬臂响应于尖端和样本之间的力而弯曲。光杠杆技术通常用于测量悬臂的弯曲度。由于悬臂在小位移时服从Hooke定律，可以推导出尖端和样本之间的相互作用力。AFM通常以两种模式之一工作。在恒力模式下，反馈使定位压电驱动器能够对应于所检测的相互作用力中的任何变化来向上或向下移动样本(或尖端)。这样，相互作用力可以保持相对稳定，并且获得了相当可靠的样本地形图。作为替代地，AFM也可以工作在恒定高度模式下。那么，从相互作用力的变化中是无法分辨出地形变化的，因此该操作模式在高分辨率下对非常平坦的样本成像时是最有用的。
所有扫描探针显微技术的一个缺点是数据收集时间。通常，图像由256条线组成，每条线由256个点(像素)组成。必须用小探针进行的全图像扫描是耗时的。局部探针技术越来越多地用于读写超出传统光存储介质的λ/2极限之外的数据，并且数据处理速度受到信息可被读写的速度的限制这一情况变得越来越明显。而且，许多科学的、行业的和生理的处理出现时间太短暂以至无法使用目前的局部探针技术来跟踪。因此有明显的必要来改善扫描探针显微术中的图像收集时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够更快地收集样本-探针相互作用，从而提高信息读出或写入速率，并且通过扫描探针显微术开发更多科学的、行业的和生理的处理以进行实时调查的系统。
本发明提供了一种用于依照样本和探针之间的相互作用来反映样本的扫描探针显微镜，该显微镜包括驱动装置，其用于提供探针和样本表面之间的相对运动并且能使样本和探针非常接近从而在它们之间产生一个足以被检测的相互作用；用于横向地振荡探针或样本从而在表面上提供探针相对振荡运动的装置；用于测量至少一个表示探针和样本之间相互作用强度的参数的探针检测装置，以及反馈装置，其用于通过驱动装置的操作来调节探针-样本间隔，以响应于所述至少一个参数之一的平均值与一个预设值之间差别；其特征在于在操作中，该显微镜用于执行样本表面的扫描，其中扫描区域被排列的扫描线所覆盖，通过在所述探针或样本的谐振频率或在接近所述探针或样本的谐振频率上横向地振荡探针或样本来收集每条扫描线，以便由振荡幅度直接确定最大的扫描线长度，并且它们的排列由驱动装置的操作来提供。
本发明还提供了一种用于通过一个样本和AFM悬臂探针之间的相互作用来向样本写信息的扫描探针显微镜，该显微镜包括：用于提供探针和样本表面之间的相对运动并且能使样本和探针非常接近的驱动装置；用于振荡探针或样本从而在所述表面上横向地提供探针相对振荡运动的装置；一个用于在短于探针或样本振荡周期的时间量程上，间歇地改变探针和样本之间相互作用强度，从而在探针的位置上间歇地改变样本表面特性的探针写入装置；其特征在于，在操作中，该显微镜用于执行样本表面的写入扫描，其中扫描区域被写入线的排列所覆盖，通过在其谐振频率或在接近其谐振频率上横向地振荡探针或样本来提供每条写入线，以便由振荡幅度直接确定最大的扫描线长度，并且它们的排列由驱动装置的操作来提供。
在谐振或接近谐振处的振荡的目的是表现出高稳定的并且通常是快速的运动。当探针在样本表面上振荡或表面在探针之下振荡时，收集每条扫描线作为连续(模拟)图像。通过同时提供探针与样本表面之间的相对平移，相继连续的扫描线将收集来自表面不同部分的信息。在覆盖表面的一个区域之后，可以收集并以适当的位移重建扫描线信息，以形成二维扫描区域的图像。如上所述，谐振运动表现出高度的稳定性。因此，不管是否是探针或样本来进行该运动，都会减小影响图像收集的噪声。在某种程度上，反馈装置通过根据探针与样本之间相互作用的平均强度进行调节以保持探针距离表面的高度。因此在振荡时间量程内测量参数的变化组成了“相互作用”图谱，并被认为是由真实表面特征而产生的。这提供了比可用的现有技术快得多的收集相互作用图谱信息的技术。
可以使用各种方向的振荡和探针/表面相对平移来覆盖扫描区域。如果振荡轴是固定的，那么线性平移可以应用在与振荡扫描基本正交的方向，从而定义基本是矩形的扫描区域。如果相对平移是连续的，扫描区域被单条、连续、之字形线快速地覆盖。作为替代地，通过提供探针和样本的相对旋转，也可以产生圆形。而且，振荡和平移可以安排成探针相对于表面画出一个李沙育(Lissajou)图形。
表示相互作用的参数最好是探针和样本之间接口的电容，因此金属探针是首选的。该项技术在半导体材料之内映射电荷分布时非常有用。由本发明所改善的扫描速度使得半导体的内部处理可以通过探针显微术进行实时调查。
作为替代地，表示相互作用的参数可以是振荡幅度。振荡幅度也可以是反馈装置所依据的受监控参数。
探针检测装置最好包括一个调制信号生成器，用于对探针和样本之间的接口施加调制电压以调制其特性从而影响其电容，一个用于在包含探针和样本的电路中设置谐振电场的谐振器，以及一个用于测量电场谐振频率从而使在施加调制电压时接口电容的变化能够被测量的检测器。本发明实施例的优势在于它提供了一种特别灵敏的在扫描电容显微镜中测量电容的技术。
作为替代地，该显微镜也可以是磁力显微镜，其中探针与磁场相互作用，并且探针检测装置用于测量表示探针与样本之间磁作用的参数。
 作为替代地，探针可以包括一个悬臂和一个用于驱动该悬臂处于“轻叩”模式的驱动器。表示相互作用强度的参数可以是当悬臂轻叩样本时悬臂的弯曲度。作为替代地，它也可以是振荡幅度。这些实施例用原子力显微镜提供了本发明的实现方法，这反过来也促进快速扫描应用，其通常使用AFM。
在AFM实施例中，由探针检测装置测量并由反馈装置使用的、表示相互作用强度的所述至少一个参数之一是当使探针尖端接触表面时悬臂的弯曲度。为了提供图像和反馈信息，探针检测装置可以用于测量探针的弯曲度。可选地，另一表示探针-样本相互作用强度的参数也可以用于提供图像信息。作为替代地，探针检测装置可以包括两个元件：第一元件用于测量探针和样本之间相互作用的特性，例如电容；第二元件连接到反馈装置并用于测量探针的弯曲度。
探针或者样本被振荡。而且，假定任何振荡都将导致探针在样本表面上进行基本上线性的扫描，那么探针可以垂直或水平放置，或者处于中间的角度。如果振荡样本，那么这最好通过将样本放置在音叉上来实现。可能会遇到谐振模式之间的耦合这一问题，因为样本(或探针)是同时振荡或平移的。音叉被设计为有高的机械各向异性以阻止这种耦合。这改善了扫描的稳定性。如果拥有相似的各向异性，也可以被使用音叉的替代品；例如，压电双晶。探针也可以由音叉或双晶来振荡。
反馈装置最好以一个大于探针振荡的一个周期并显著小于执行扫描的总时间的时间常数来工作。
第二方面，本发明提供了一种使用纳米特性从样本的扫描区域快速收集图像数据的方法，该方法包括如下步骤：
(a)为了在探针和样本之间建立相互作用，移动探针使其子纳米尺寸的尖端非常接近样本；
(b)在样本表面上以其谐振频率或以接近其谐振频率来横向地振荡探针，或者在探针之下以其谐振频率或以接近其谐振频率来横向地振荡样本，同时在探针和表面之间提供相对运动，以便最大长度由振荡幅度直接确定的扫描线排列能够覆盖扫描区域；
(c)测量表示相互作用强度的参数；
(d)监控在步骤(c)中测量的所述参数或者同样表示探针和样本之间相互作用的第二参数，并且如果受监控参数的值低于或超过一个预定值，那么调节探针-样本间隔距离以驱动受监控参数的值回到预定值；以及
(e)处理在步骤(c)中进行的测量以获得与样本的纳米结构有关的信息。
另一方面，本发明的AFM实施例不仅可用于对样本表面成像，而且可用于在探针位置影响样本表面。因此信息可以保存在样本上作为表面属性的局部变化，这使得本发明可应用于毫微光刻技术。
附图说明
现在将参见附图、通过举例的方式来描述本发明实施例。
图1表示在扫描电容显微镜中的本发明的实施示意图。
图2示意性地表示适合用在图1的显微镜中的探针检测装置。
图3示意性地表示本发明的基于原子力显微镜的另一实施例。
具体实施方式
图1表示本发明的扫描电容显微镜(SCM)的实施例。在Rev.Sci.Inst.72(6)p 2618(2001)中的T.Tran等人的《用于扫描电容显微术的“Zeptofarad”(10-21)分辨率电容传感器》中描述了现有SCM技术，并被证明在测量半导体设备的二维载体轮廓时是特别有用的。如同Tran等人描述的显微镜，图1所示的装置10包括一个适合于接收样本12的接地平板14，其连接到一个压电传感器16和一个粗略的驱动装置18。金属探针20连接到一个与任何现有SCM技术的驱动装置不同的、用于驱动探针20谐振或接近谐振的第二压电驱动装置22。第一16或第二22压电传感器驱动探针20和样本12的相对垂直运动。在本实施例中是附着到样本12上的压电传感器16。本装置包括一个探针检测装置24，其详细配置依赖于待测量的探针20-样本12相互作用的指示器，稍后将更详细地描述适合于SCM使用的实施例。反馈装置26响应于从探针检测装置24中接收的信号来驱动第一压电16，从而控制探针20和样本12的相对高度。分析收集到的数据，并输出到显示器28。
与本领域的传统技术一样，Cartesian坐标系的z轴将垂直于样本12所在的平面。也就是说，探针20-样本12相互作用是依赖于探针20在样本12(所反映的像素)上方的xy位置及其高度的。
在考虑图1所示装置的操作之前，解释一下所述相互作用及其测量背后的物理学原理以及相应的探针检测装置24的功能是有帮助的。扫描电容显微镜可用于成像许多样本类型，包括生物标本。然而电容的发展和测量最容易与半导体成像联系在一起。当金属探针与半导体材料相接触时，两个带状结构之间的Fermi能量均衡将导致在边界的电势降低。该降低把电荷载流子清除出边缘区域并形成了一个耗尽层。该现象是众所周知的，是Schottky势垒二极管的基础。在半导体中由SCM测量的是耗尽层(或Schottky势垒)上的电容。
生物材料的带状结构(以及有效掺杂)明显比半导体的更复杂，上述的耗尽层理论一般情况下并不适用。一般认为偶极子的重定位(或感应)可以是生物标本中引起接口电容的一种机制。不管实际的装置如何，事实是在探针-样本接口处的电容增加了，这可通过扫描电容显微镜使用与半导体材料所用的相同方法来检测和测量。
用于本发明SCM实施例的探针检测装置24如图2所示。装置24包括一个压控振荡器40、一个耦合的传输线谐振器42、一个放大器44、一个峰值电压检测器46和一个调制信号产生器48。调制信号产生器48对探针20施加直流偏置的交流正弦电压。样本12本身通过平板14接地，从而在探针20和样本12之间的接口上有效地施加了调制电压。该电压在半导体上调节耗尽层的宽度从而调节势垒的电容。对于生物样本，调制电压对电容有相似的调制作用，尽管可能通过介电常数的调节来实现。为了测量接口电容，在谐振器42的电路中通过振荡器40来激励一个振荡电场。该场的谐振频率依赖于电路中的负载(在本例中是通过探针和样本的电路径)。在谐振器42中检测谐振信号，并在传输到峰值检测器46之前通过放大器44将其放大。峰值检测器46所检测的接口处电容(以及电路中的负载)的变化反映了谐振峰值频率的变化。由于引起电容波动的调制信号是已知的，峰值位置变化的确定使得能够确定调制频率下的接口电容的电压导数(dC/dV)。
再次参见图1，在使用装置10获取图像时，首先使用粗略驱动装置18使样本12接近探针20。使用第一16压电驱动器来调节适当的高度和初始开始位置，同时探针检测装置24测量在探针20-样本12相互作用下引起的电容。一旦测量的电容达到所需水平，开始样本12表面的光栅扫描。当在样本12上扫描探针20时，第一压电16控制y方向(图1所示角度的垂直纸面向里)的运动。第二压电22在xz平面(即图示平面)沿着z轴驱动探针20接近谐振振荡。探针以相对较大的幅度振荡，约为几微米。在扫描期间，由探针检测装置24对探针20和样本12之间产生的电容连续地进行读数。
随着探针20的振荡，收集相继连续的扫描线。因此每条线的长度将等于振荡幅度的两倍，该长度对应于图像的最大宽度。图像的最大长度当然由第一压电16引起的样本12在y方向平移的距离来确定。对于给定驱动力来说，接近谐振的振荡为要获得的接近最大扫描宽度提供了电势。通过该装置，可以用比现有扫描电容显微镜或任何扫描力显微镜技术可获得的更快的速度来收集来自成像区域的数据。如果探针在谐振频率振荡，在SCM中可获得最大扫描宽度。
反馈装置26用于保持探针20-样本12相互作用的平均电容(在多个振荡期间的平均)基本上稳定。为此将峰值检测器46(图2)的输出馈给到反馈装置。如果在扫描中的任一点观察到平均电容降低，这表明探针20-样本12相互作用减少，相应地，间距增加。因而反馈装置26用于驱动第一压电传感器16以至于它将样本12和平板14向探针20移动。相反地，电容信号变大表示探针20-样本12间距减小，然后样本12被降低。实际上，平均电容将在其设置值附近而变化。该变化有许多因素：高度调节中的过冲，反馈环的时间常数大于探针的振荡期间这一事实，和探针用于调节以适应相互作用中的变化所花费的有限时间长度(稳定时间)。在比探针振荡期间更短的时间量程上电容的任何变化构成了图像。
反馈环的时间常数也很重要，它必须大于探针振荡期间，而且探针的响应时间必须少于用来完成整个扫描的时间。
将来自探针检测装置24(峰值检测器46)的输出信号通过反馈装置26馈给到处理显示器28。为了能够进行数字数据处理，可以由处理器人为地将收集到的扫描线分解成像素。
当然，不必在实际的探针-样本扫描所覆盖的整个区域收集图像数据，或对其进行处理。在一些应用中，最好只处理在探针振荡摆动较线性的部分收集的数据。实际扫描区域只定义一个扫描周期内可被成像的最大区域。
为了达到最快的扫描速度，在探针的每半个振荡收集一条扫描线。显然通过多个振荡收集一条线可以获得更好的图像，虽然为了提供同一条线的多次横贯而步进或停止压电驱动器16、22将会导致探针鸣振。这也显然会降低整体扫描速度。然而，可以设置样本压电传感器16的速度以每个振荡周期1A左右的慢速来移动样本。以此速度就有可能通过相加相继的线以实现类似积分的操作，以至于所处理图像中的每条线是，例如，五条振荡线的平均。通过该“积分”获得的信噪比的增加在某些情况下可以补偿分辨率的损失。
尽管本发明实施例包括提供y方向上线性运动的压电16，显然也可以使用许多其它的扫描几何学。在成像一个区域时，唯一的要求是样本(或等效的探针)平移和探针(或等效的样本)振荡的组合覆盖要被成像的区域。因此，当探针振荡时样本可被旋转，从而形成包括一系列经过中心点的圆形扫描线的扫描。作为替代地，也可将探针设置为在两个垂直的方向上振荡。如果在两个方向都驱动了振荡，将产生非线性的振荡，例如八字环。如果旋转八字环振荡的轴，探针运动将以一系列经过中心点的八字环来覆盖扫描区域。
SCM在确定半导体设备中的载体轮廓时是非常有用的。dC/dV的振幅(当校准时)可用于确定局部载体浓度，其符号反映了载体的类型。由本发明所提供的快速扫描的优势能使SCM技术至少用于实时监控半导体设备内发生的进程。
在申请人的公开号为WO 02/063368的同时待审的专利申请中描述了，利用光学SPM技术，使用探针谐振以成像一个样本表面。其中描述的一个例子是监控探针的振荡幅度以保持距离表面的高度。当探针接近样本时，可以用多种不同的方法来测量探针和样本之间的间距或相互作用。如上所述的图1所示本发明实施例，电相互作用导致了电容的产生。另一相互作用是所谓的“剪切力”阻尼装置。如果垂直放置的探针在样本表面上以接近其谐振的频率水平地振荡，表面-探针相互作用将会阻止振荡幅度。在周围条件下，一般认为阻尼装置是由样本表面上的受限水层导致的，但其它阻尼相互作用也是可行的。当探针接近表面时，阻尼增加，相应地，振荡幅度减小。
因此，图1所示本发明实施例的替代方案是配置探针检测装置24，以在其收集扫描线时监控探针的振荡幅度以及如前所述使用谐振器42和电压调制器48来测量接触电容。可以采用多种已知方法来监控探针振荡幅度，例如通过在光束下探针尖端的振荡影子的光电测量法。以来自振荡幅度的反馈为基础，保持样本12和探针20之间的相对间距。如果(多条扫描线的)平均振幅低于预定值，必须使样本12远离探针20；如果高于预定值，必须使样本12和探针20更接近。本发明实施例双重利用了探针的谐振：收集扫描线和保持距离样本的高度。同时，获得了样本12的电容图像。
在本发明实施例中，探针是接近谐振振荡而不是谐振振荡，这将最大化扫描宽度。这是因为当稍微偏离谐振时，振幅变化对谐振峰值位置的变化将有更大的响应。由于振幅的这种变化是在本实施例中将被测量从而提供探针-样本相互作用的任何变化的指示，所以接近谐振的振荡有效地改善了信噪比。
当使用两个不同的参数：第一参数来测量探针-样本相互作用以及第二参数来监控它们的间距时，相互作用图像将是一幅“绝对”图像，而不是相对的。也就是说，在SCM的本实施例中，从绝对值中形成电容图像。在前述的使用平均电容测量来控制间距的实施例中，获得的电容图像是该平均值的变化的图像。
根据要反映的探针-样本相互作用的特性，图1所概述的探针检测装置24可以包括多种不同的测量工具。
依照本发明的SPM的另一替代实施例如图3所示。该实施例是通过监控一个参数来控制探针-样本间距并且使用另一参数来测量其相互作用的那些实施例之一。它根据原子力显微镜(AFM)，并且对其进行的旨在使图像和反馈仅依赖于一个参数的修改对于熟悉技术的人来说将是显而易见的。
在Proc.Nat.Acad.Sci.USA  98(22)p 12 468-12 472(2001)中Toshio Ando等人的《一种用于研究生物高分子的高速原子力显微镜》中描述了适合于反映生物样本的现有原子力显微镜技术，该设备可以被改装用于谐振图像扫描。在AFM和SCM之间(从本发明的角度看)的显著差异是，前者使用通常集成了驱动器的小悬臂作为探针并且该悬臂的弯曲度用于表示相互作用强度。
图3表示一个AFM显微镜50，其与图1的SCM的共同元件使用了相同的附图标记。AFM装置50包括一个适合于接收样本12并放置在音叉52的一股上的平板14。音叉52连接到一个压电传感器16和一个粗略的驱动装置18。压电传感器16用于在三个方向上驱动样本12(以及平板14和音叉52)：即使用与图1相同符号的x、y和z方向。音叉控制装置(未画出)用于对音叉52施加一个正弦电压以在xy平面内激励起谐振或接近谐振的振荡。在本实施例中，在AFM悬臂探针54和样本表面之间产生相互作用。提供了两个探针检测装置：一个相互作用检测装置56和一个偏转检测装置58。前者56用于测量一个表示探针20和样本12之间相互作用的参数，因此如果该参数是电容的话，则可与图1和图2的探针检测装置24相同。偏转检测装置58用于测量探针尖端的位移，从而测量悬臂52的弯曲度，这也表示相互作用强度。反馈装置26响应于从偏转检测装置58中接收的信号来驱动压电装置16，从而控制探针54和样本12的相对高度。分析由相互作用检测装置56收集的数据，并将其输出到显示器28。
在使用装置50获得图像时，首先使用粗略驱动装置18使样本12接近悬臂探针54。使用压电驱动器16来调节合适的高度和初始开始位置，同时偏转检测装置58测量悬臂的弯曲度作为探针54-样本12相互作用的结果。一旦测量的弯曲度达到所需水平，就在探针54之下扫描样本表面。当在探针54之下扫描样本12时，设置音叉52使其沿着进出图示平面(y轴)的方向振动。这振动了放置样本的平板。与此同时，压电装置16将样本12沿着垂直(x)方向平移。样本以相对较大的幅度振荡，达到几微米。在扫描期间，由相互作用56和偏转58检测装置持续读数。
如前所述，通过使用样本12而不是探针54的谐振以便于使用光栅扫描的一个元件，以比现有扫描力显微镜技术可获得的更快的速度收集来自成像区域的数据。
通过适当地提高或降低样本12，来设置反馈装置26使平均悬臂弯曲度(多个样本振荡期间的平均)接近稳定。将来自相互作用检测装置56的输出信号直接馈给处理显示器28。为了能够进行数字数据处理，可以由处理器人为地将收集到的扫描线分解成像素。
音叉54可以是市场上可买到的众多音叉之一，也可以是特地设计的以提供所需的振荡频率。适当的例子是谐振频率为32kHz的石英晶体音叉。一个音叉只要是设计为有较高的机械各向异性的特性就非常适合于本应用。因此它的诸个谐振是无关的，并且可被单独激励，从而只限于在样本平面中的那个(或那些)。重要的是，音叉54可以在一个方向上被谐振而在另一方向上被扫描，并且不会在模式之间产生耦合。因此当采样12被探针54询问时，允许样本12稳定快速的运动。
对一些应用来说，图3所示的本发明实施例可以有多个超过图1实施例的优势。偏转检测装置58是AFM显微术中的一种标准类型：使用从探针反射的激光来测量悬臂弯曲度。通过使样本而不是探针进行谐振，测量该偏转的光学装置无需补偿扫描探针。这简化了提取偏转数据，并允许该装置安装在固定的外壳中。
在图3所示实施例的替代方案中，可以省略独立的相互作用检测装置56，并将偏转检测装置58的输出用于既提供图像数据又提供反馈。该探针检测装置是用于现有AFM技术中的传统类型。
在另一替代方案中，将探针20、样本12、平板14和音叉52浸没在液体中。理想上，悬臂探针20应当有低的品质(Q)因数，但市场上通常可买到的AFM悬臂(例如Si单晶)实际上有较高的Q因数。如果悬臂的Q值较高，它将花较长的时间以响应于变化，并且当受到刺激时，将在其谐振频率鸣响。特地设计的悬臂可以有较低的Q值，但替代方案是通过浸没在液体中来简单地降低Q因数。
还有多种潜在的、可在实施本发明时采用的AFM操作模式。在接触模式中，探针一直保持与样本接触。可以测量悬臂的弯曲度并基于其平均值而反馈。在轻叩模式中，驱动器以“轻叩”的动作在其谐振频率驱动悬臂。因此悬臂只在其振荡(轻叩)周期内的短暂时间与表面接触。显著缩短的接触时间意味着显著减小了样本上的侧向力，从而探针在进行扫描时对标本的破坏更小。因而它通常用于反映敏感的生物标本。在间歇的接触模式中，偏离谐振地垂直振荡悬臂。可以测量该振荡的振幅或悬臂的弯曲度抑或这两者，从而创建一幅图像并对这两个参数的任意组合进行反馈。所述间歇的接触减小了侧向力，但避免了当悬臂的Q因数较高时在谐振频率处的操作的长响应时间。
在扫描样本的过程中，AFM的探针与样本表面接触。虽然这在样本较为脆弱的情况下是不利的，但与表面的相互作用使其有可能影响表面的特性，从而有意地向样本“写”信息。该技术就是已知的毫微光刻。例如，通过对有导电性的悬臂施加一个电压，可以氧化样片的金属层区域。在Appl.Phys.Lett. 81(19)3663(2002)中Xiaobo Yin等人的《使用无孔光学探针的近场双光子毫微光刻》中描述了采用光刻胶的双光子吸收和聚合的另一例子。在这两个例子中，探针的小尺寸使以极高的密度来写信息成为可能。也可以修改本发明的AFM使其适合在毫微光刻法中使用。这不仅为获得与先前利用探针的稳定谐振相比更快的写入次数提供了潜力，而且为提高的图像分辨率(例如写入密度)提供了潜力。本发明AFM实施例的图像分辨率不受显微镜稳定性(例如高精确地寻址相邻点的能力)的限制，而是受相互作用长度的限制。这意味着，作为一种光刻工具，它有潜力获得比现有光刻系统技术可获得的50-100nm高得多的写入分辨率。
对扫描探针显微术熟悉的人将会明白，依照本发明可以对相互作用参数、反馈参数、扫描运动和探针设计进行各种修改。例如，用在图1所示装置中的局部探针20可以换成悬臂探针，可以修改检测装置24以适合于AFM使用。在本发明实施例中，可以采用两种谐振模式。在轻叩模式中，在悬臂的谐振频率或在接近悬臂的谐振频率驱动轻叩。另一方面，依照本发明，若振荡探针时则在悬臂/驱动器组合的谐振频率，或者在样本的谐振频率，驱动扫描振荡。在任一情况下，所述组合或样本将更大，这将确保振荡频率低于轻叩频率。因此，在每条扫描线中将不可避免地取样大量的接触点。可以通过安装在探针上的压电装置来监控探针偏转。
在另一替代方案中，如上所述与SCM实施例相关的，可以修改探针检测装置24以适合于监控和测量谐振幅度。分析阻尼振荡的不和谐成分并重建以形成图像，代替了提取电容测量值作为探针-样本相互作用的示数。该实施例从三个方面利用了探针或样本的谐振(或接近谐振)：第一用于提供比现有系统已知的更快的扫描，第二用于提供测量探针-样本相互作用的基础，第三用于保持高度。
另一替代方案是通过反馈再次控制谐振幅度，但在本实施例中，探针是倾斜的从而它不再垂直于表面。在谐振频率处振荡倾斜的探针(或平面样本)以收集每条扫描线，并将第二检测系统设置为检测探针垂直于倾斜角度的运动。利用此方法，可以从垂直于倾斜角度、由每个振荡周期内的第二检测系统测量的探针运动中的小偏移来形成图像，同时通过主要振荡来进行高度控制。
另一替代方案是配置探针20、54和检测装置24、56、58，以检测探针与样本磁场相互作用中的变化。出于这一目的，当谐振地扫描探针或样本时，探针可以是导电环的形式，修改检测装置以适合用于测量其中感应的电流。作为替代地，检测装置可以测量导电环的电阻中的变化。后一替代方案利用类似于在谐振探针的硬盘头端中产生的巨大磁阻。第三种可能性是使用金属探针，涡流将提供抵抗探针谐振的力，所得到的不和谐成分可以再次用于形成图像。
如那些对技术熟悉的人所知的，还有许多可用于提取探针-样本相互作用信息的技术，依照本发明，它们可以与更快的、谐振的样本表面的光栅扫描的操作相组合。

Claims (23)

1.一种根据样本(12)和探针(20、54)之间的相互作用来对一个样本(12)成像的扫描探针显微镜(10、50)，该显微镜(10、50)包括
用于提供探针(20、54)和样本表面之间的相对运动并且能使样本(12)和探针(20、54)非常接近从而在它们之间产生一个足以被检测的相互作用的驱动装置(16、18、22)；
用于振荡探针(20、54)或样本(12)从而在所述表面上横向地提供探针(20、54)的相对振荡运动的装置(22、52)；
用于测量至少一个表示探针(20、54)和样本(12)之间相互作用强度的参数的探针检测装置(24、56、58)；以及
用于通过驱动装置(16、22)的操作来调节探针-样本间隔，以响应于表示所述相互作用强度的所述至少一个参数之一的平均值与一个预设值之间差异的反馈装置(26)；
其特征在于，在操作中，所述显微镜(10、50)用于执行样本表面的扫描，其中扫描区域被扫描线的排列所覆盖，通过在所述探针或样本的谐振频率或在接近所述探针或样本的谐振频率上横向地振荡探针(20、54)或样本(12)来收集每条扫描线，从而由振荡幅度直接确定最大的扫描线长度并且它们的排列由驱动装置(16、22)的操作来提供。
2.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述探针是金属的，以及表示所述相互作用的强度的所述参数是探针和样本之间接口的电容。
3.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于表示所述相互作用的强度的所述参数是振荡幅度。
4.一个依照权利要求2的显微镜，其特征在于表示所述相互作用的强度的一个第二参数，以及反馈装置(26)的操作所依据的参数，是振荡幅度。
5.一个依照权利要求2或4的显微镜，其特征在于所述探针检测装置(24、56、58)包括一个用于对探针(20、54)和样本(12)之间的接口施加调制电压以调制所述接口的特性从而影响所述接口的电容的调制信号生成器(48)，一个用于在包含探针(20、54)和样本(12)的电路中设置谐振电场的谐振器(42)，以及一个用于测量电场谐振频率从而使在施加调制电压时接口电容的变化能够被测量的检测器(46)。
6.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述探针(20)被配置为与一个磁场相互作用，并且所述探针检测装置(24、56、58)被配置为测量一个表示探针(20、54)和样本(12)之间磁相互作用的参数。
7.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述探针(20)包括一个悬臂和用于驱动所述悬臂处于“轻叩”模式的驱动器。
8.一个依照权利要求7的显微镜，其特征在于表示所述相互作用强度的所述参数是所述悬臂在轻叩样本(12)时的弯曲度。
9.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述探针(54)是AFM悬臂，并且由探针检测装置(24、56、58)测量的、由反馈装置(26)所使用的所述至少一个表示相互作用强度的参数之一是探针(54)的弯曲度。
10.一个依照权利要求9的显微镜，其特征在于所述探针检测装置(24、56、58)包括一个用于测量至少一个表示探针(54)和样本(12)之间相互作用强度的参数的相互作用检测装置(56)，和一个连接到反馈装置(26)并用于测量探针(54)弯曲度的偏转检测装置(58)。
11.一个依照权利要求9或10的显微镜，其特征在于所述探针(54)包括一个用于驱动所述悬臂处于“轻叩”模式的驱动器。
12.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述驱动装置(22)是用于振荡所述探针(20)。
13.一个依照权利要求12的显微镜，其特征在于所述驱动装置(22)包括一个音叉。
14.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于用于振荡探针或样本的所述装置(22、52)被设置用于振荡样本(12)。
15.一个依照权利要求14的显微镜，其特征在于用于振荡样本的所述装置是一个音叉(52)并且所述样本(12)附在其上。
16.一个依照权利要求1的显微镜，其特征在于所述反馈装置(26)以大于探针振荡的一个周期并且显著小于执行扫描的总时间的一个时间常数来工作。
17.一个依照权利要求12或13的显微镜，其特征在于所述探针基本上垂直放置，并且所述驱动装置(16、22)在基本正交于探针振荡平面的方向上提供探针(20)和样本(12)的相对线性平移，从而定义一个基本矩形的扫描区域。
18.一个依照权利要求12或13的显微镜，其特征在于所述探针基本上水平放置，并且所述驱动装置(16、22)在基本平行于振荡轴的方向上提供探针(20)和样本(12)的相对线性平移，从而定义一个基本矩形的扫描区域。
19.一个依照权利要求12或13的显微镜，其特征在于所述探针基本上垂直放置，并且所述驱动装置(16、22)沿着基本上与探针(20)振荡所在的轴相重合的轴提供探针(20)和样本(12)的相对旋转，从而用扫描线的圆形排列来覆盖扫描区域。
20.一个依照权利要求1的显微镜，该显微镜用于监控半导体设备中的电荷分布。
21.一种利用纳米特性从样本(12)的一个扫描区域快速收集图像数据的方法，其中该方法包括如下步骤：
(a)移动探针(20、54)使其子纳米尺寸的尖端非常接近样本(12)，以在探针(20、54)和样本(12)之间建立一个相互作用；
(b)在样本(12)表面上以其谐振频率或以接近其谐振频率来横向地振荡探针(20、54)或者在探针(20、54)之下以其谐振频率或以接近其谐振频率来横向地振荡样本(12)，同时在探针(20、54)和表面之间提供相对运动，以便其最大长度由振荡幅度直接确定的扫描线的排列覆盖扫描区域；
(c)测量表示相互作用强度的一个参数；
(d)监控在步骤(c)中测量的参数或者同样表示探针(20、54)和样本(12)之间相互作用的一个第二参数，并且如果受监控参数的值低于或超过一个预定值，那么调节探针(20、54)-样本(12)间隔距离以驱动受监控参数的值回到预定值；以及
(e)处理在步骤(c)中进行的测量以获得与样本的纳米结构有关的信息。
22.一种用于通过一个样本和AFM悬臂探针之间的相互作用来向样本写信息的扫描探针显微镜，该显微镜包括：
用于提供探针和样本表面之间的相对运动并且能使样本和探针非常接近的驱动装置；
用于振荡探针或样本从而在所述表面上横向地提供探针相对振荡运动的装置；
一个用于在短于探针或样本振荡周期的时间量程上，间歇地改变探针和样本之间相互作用强度，从而在探针的位置上间歇地改变样本表面特性的探针写入装置；
其特征在于，在操作中，该显微镜用于执行样本表面的写入扫描，其中扫描区域被写入线的排列所覆盖，通过在其谐振频率或在接近其谐振频率上横向地振荡探针或样本来提供每条写入线，以便由振荡幅度直接确定最大的扫描线长度，并且它们的排列由驱动装置的操作来提供。
23.一个依照权利要求22的用于向样本写信息的扫描探针显微镜，其特征在于所述显微镜还包括一个用于测量至少一个表示探针和样本之间相互作用强度的参数的探针检测装置，以及一个用于通过驱动装置的操作来调节探针-样本间隔以响应于表示所述相互作用强度的所述至少一个参数之一的平均值与一个预设值之间的差异的反馈装置，其中所述平均值是在大于探针或样本的一个振荡周期的时间间隔内获得的。
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