CN1781158A - 用表面驱动激励器定位扫描探针针尖的扫描探针显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种扫描探针显微镜，包括静电表面激励器和扫描探针针尖。所述静电表面激励器包括变换器和定子。所述变换器具有布置在第一表面上的第一电极。所述定子具有布置在第二表面上的第二电极。所述变换器弹性地耦合到所述定子使得所述第一和第二表面互相相对，并使得所述变换器能够在平行于所述第一和第二表面的第一方向上相对于所述定子移动。所述扫描探针针尖耦合到所述变换器。所述第一和第二电极排列成响应于施加的电压产生被调整以使所述变换器在所述第一方向上相对于所述定子移动的静电力，使得所述扫描探针针尖通过所述变换器的移动可控制地定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描探针显微镜(scanning probe microscope)。特别地，本发明涉及一种其中利用静电表面激励器(electrostatic surfaceactuator)来定位探针针尖的扫描探针显微镜。
背景技术
扫描探针显微镜是广为人知的。例如，Binning的美国专利4,724,318号描述了一种以原子分辨率成像物体表面的方法。Alexander等的美国专利6,005,251号描述了一种用于扫描探针显微镜的音圈扫描仪(voice coilscanner)，以及Cleveland等的美国专利6,323,483号描述了一种用于扫描探针显微镜的压电扫描仪。已知的扫描探针显微镜利用压电激励器在样品表面上定位探针针尖，并且这些激励器将施加的电压转换成位移并对从100um低至0.1nm的运动范围是有效的。但是，由于蠕动和机械共振，这些压电激励器具有局限性。当施加电压时，压电激励器移动到对应的位置。压电激励器在该位置“休息”(“relaxes”)。当施加第二电压时，与第二电压对应的位置表现出对应于当施加初始电压时的位置的“记忆”(“memory”)。这被称之为滞后现象(hysteresis)。压电激励器的位置依赖于施加电压的历史。
当在表面上扫描探针时，除了别的以外，扫描速度由几个因素限制，例如针尖磨损、样品磨蚀、悬臂响应时间、检测器灵敏度、软件采集时间、外部振动、可用扫描速度和可用来加速垂直于表面的针尖的加速度。在这些领域的许多中都已经取得了很大的进步。例如，一个研究小组演示了用于数据存储应用的高频针尖。见Reid等(具有敏锐针尖的5MHz、2N/m压电悬臂，关于固态传感器和激励器的1997年国际会议，芝加哥，1997年6月，447-450页)(5MHz，2N/m Piezoresistive Cantilevers withINCISIVE tips，1997International Conference on Solid State Sensors andActuators，Chicago June 1997，pp.447-450)。但是，最大的针尖加速度仍然非常有限，对传统的扫描探针来说大约只有重力加速度(g)的几倍数量级。
当压电激励器被用于移动扫描显微镜探针针尖时，限制了扫描速度。在较高的扫描速度操作导致探针针尖比起施加的电压更多地由压电激励器的机械共振驱动。这限制了用压电激励器可达到的扫描速率。
当几个激发平台互相堆叠时，大质量的压电激励器具有复合的影响。对一些扫描探针显微镜，有必要在x-y平台上安装z激励器。大质量的z激励器减小了x-y平台可以产生的扫描速度。当探针加速时，大质量的z激励器还在x-y平台上施加了较大的反作用力。尽管Cleveland等(美国专利6,323,483号)和Bartzke等(美国专利5,524,354号)公开了一种通过在相反的方向上移动激励器的两部分减少反作用力的平稳的压电激励器，但是应用到扫描探针显微镜的z激励器的平稳的压电激励器将使z激励器的尺寸和质量加倍，进一步减小了x-y平台可以提供的扫描速度。这些平稳的激励器的控制会较困难并且使得整个扫描探针显微镜更加复杂。此外，已知压电激励器具有引起压电激励器的位置依赖于施加电压的历史的记忆或蠕动问题。
发明内容
本发明第一方面提供了扫描探针显微镜，其中静电表面激励器被用于扫描探针针尖。所述静电表面激励器包括变换器(translator)和定子。所述变换器具有布置在第一表面上的第一电极。所述定子具有布置在第二表面上的第二电极。所述变换器以如下方式弹性地耦合到所述定子：所述第一和第二表面互相相对，并且允许所述变换器在平行于所述第一和第二表面的第一方向上相对于所述定子移动。所述第一和第二电极排列成响应于施加到其上的电压，产生能使所述变换器在所述第一方向上相对于所述定子移动的静电力。所述变换器的这种运动可控制地定位所述扫描探针针尖。
在第二方面，本发明提供了一种扫描样品表面的方法，其中设置了探针针尖和静电表面激励器。所述静电表面激励器包括定子和转换器。所述探针针尖耦合到所述变换器。所述变换器在第一方向上相对于所述定子静电地移动以在所述样品表面上扫描所述探针针尖，并且响应于在样品表面上的探针的扫描感测所述探针针尖的性质。
限制传统的扫描探针显微镜的性能的一个关键因素是用于在垂直于所述样品表面的方向上定位所述探针针尖的压电或磁激励器的质量。虽然悬臂和探针针尖可能只有几毫微克的组合质量，但是用于定位探针针尖的传统的激励器具有几十至几百克的质量。在定位和加速所述探针针尖时，大部分产生的力被用于加速激励器自身。有必要获得一种与所述探针针尖的质量更密切地配合的激励器。
附图说明
参考以下附图，在以下具体实施例的描述中详细地描述本发明。
图1是依照本发明的扫描探针显微镜的示意性实施例的侧视图。
图2是依照本发明的扫描探针显微镜的实施例的扫描部分的第一示意性实施例的剖视图。
图3是用于定位图2中所示的扫描探针显微镜的实施例中的静电驱动Z激励器和探针针尖的压电驱动X-Y微调平台的示意性实施例的俯视图。
图4是图2中所示的静电驱动Z激励器的详细的俯视图。
图5和图6是沿图4中所示的线5-5和6-6的剖视图。
图7是图4中所示的激励器的定子组件的俯视图。
图8是示出图4中所示的激励器的变换器组件的定子所面对表面的俯视图。
图9、10和11是图4中所示的示出驱动电极的操作的激励器的侧视图。
图12是在依照本发明的扫描探针显微镜的实施例的扫描部分中可用的静电驱动X-Y微调激励器的示意性实施例的俯视图。
图13是依照本发明的扫描探针显微镜的扫描部分的第二示意性实施例的立体图。
图14和图15是振动消除激励器的示意性实施例的俯视图。
图16是图4中所示的激励器的剖视图，其中绝缘液置于变换器和定子的表面之间。
图17是图4中所示的激励器的剖视图，其中变换器和定子的表面用疏水涂层涂覆。
图18是依照本发明扫描样品表面的示意性实施例方法的流程图。
具体实施方式
在本发明的实施例中，扫描探针显微镜使用可操作地耦合到扫描探针针尖的静电表面驱动激励器。扫描探针针尖可以是原子力显微镜针尖(AFM针尖)、磁力显微镜针尖(MFM针尖)、扫描隧道显微镜针尖(STM针尖)、扫描场发射针尖(SFM针尖)、电力显微镜针尖(EFM针尖)、扫描热显微镜针尖和扫描近场光学显微镜针尖(SNOM针尖)或任何其它的扫描探针针尖。静电表面激励器提供了探针针尖可以附装的较大区域。静电表面激励器可以穿越样品表面在较大运动范围(100um)上定位并驱动扫描探针针尖。此外，因为静电表面激励器具有高共振频率，所以探针针尖可以以高扫描速率非常精密且精确地移动。
图1是示意性的扫描探针显微镜1及其基准轴的侧视图。方向X、Y和Z在三个互相正交地方向上延伸。XY平面平行于样品安装表面。在图1中，显微镜1包括基座2、两个极3、其上安装将要测量的样品的卡盘组件4和其上安装扫描探针6的扫描仪5。
图2和图3分别是根据本发明的一个示例的扫描探针显微镜1(图1)的扫描仪5的剖视图和俯视图。在图2中，扫描仪5包括附装到精密标度Z激励器10的扫描探针6。Z激励器10由Z定子组件37和Z变换器组件39组成。Z激励器10以如下方式安装在支撑结构17上：Z定子组件37附加到支撑结构17并且变换器组件39在Z方向上自由移动。Z激励器10还以如下方式安装到支撑结构17：电探针针尖或等价物(未示出)与电衬垫电接触使得电信号可以在支撑结构17和激励器10之间穿过。
图3以俯视图描述了在显微镜1(图1)中其上安装了支撑结构17的X-Y微调平台121的实施例。X-Y微调平台121包括X-Y定子120、Y变换器19和X变换器18。支撑结构17附加到X变换器18。X变换器18柔性地附装到Y变换器19，并且Y变换器19柔性地附装到X-Y定子120。尽管未在图2或图3中示出，设置了从X-Y定子120耦合电信号到支撑结构17的电路径。
在本发明的实施例中，探针6以探针6的悬臂8(见图5)设置为不平行于样品28的表面27的方式附加到Z激励器10。图5更详细地示出探针6和Z激励器10的相对方位，并且还示出探针6的构成部分。悬臂8和样品表面27之间的角度A例如是10度，并设置了间隙使得当扫描探针显微镜在操作中时，激励器10的部分和探针6(不是探针针尖7)的部分不与样品表面27接触。
再参考图2和图3，在扫描探针显微镜的实施例中，扫描仪5包括测量悬臂8的偏转的测量系统。测量系统包括附加到Y变换器19的第一折叠镜21和附加到X变换器18的第二折叠镜22。测量系统还包括激光二极管和瞄准仪23以及象限图像检测器26(见图3)。
激光二极管和瞄准仪23将从第一折叠镜21反射的光束形成为入射光束24。光路如下。入射光束24从第二折叠镜22反射，并从扫描探针6的悬臂8(见图5)的反射表面反射。被悬臂8反射的光从第二折叠镜22反射作为反射光束25。反射光束25从第一折叠镜21反射进入象限图像检测器26。象限图像检测器26产生与进入它的四个单独的检测器中的每个的光成比例的输出。通过比较检测器的输出，可以确定悬臂8偏转的数量。
用于探针偏转的其它测量系统是广为人知的，并且可以被上述的测量系统替代。特别地，压敏电阻可以包含到悬臂8的基座中。然后悬臂的偏转将引起压敏电阻的阻抗的改变。可替换地，光学干涉仪可以被用来检测悬臂8相对于基准表面的位置。悬臂8的偏转也可以通过测量悬臂8和固定表面之间的电容来监测。
如以上所注意到的，图2的扫描仪5包括X-Y微调平台121。在图3中，X-Y微调平台121在俯视图中被描述成能够沿着X和Y方向两者变换的压电驱动二维平台。还描述了折叠镜21、22，激光二极管和瞄准仪23，以及象限图像检测器26。
简单地参考图1，在扫描探针显微镜1的示例中，X-Y微调平台121(图3)的X-Y定子120附加到扫描探针显微镜的一个极3，而样品28以表面27对着扫描探针6的方式附加到扫描探针显微镜的另一个极3。现在参考图3，Y变换器19通过分别位于Y变换器19的四个角中的三个处的三个悬挂弯曲40柔性地耦合到X-Y定子120。该悬挂弯曲与Hoen的题为使用静电表面激励器的光学交叉连接开关(Optical Cross-Connect SwitchUsing Electrostatic Surface Actuators)的美国专利6,215,222号中所描述的悬挂弯曲类似。
枢轴弯曲306将Y变换器19耦合到Y枢轴臂124的第一末端。另一个枢轴弯曲304位于沿着Y枢轴臂124的长度的中部以将Y枢轴臂耦合到X-Y定子120。Y压电激励器122的一端固定地附装到X-Y定子120。枢轴弯曲302将Y枢轴臂124的第二末端耦合到Y压电激励器122的另一端。枢轴弯曲302、304、306可以绕垂直于XY平面的轴的适当的转动，但是在Y方向是刚性的，并且因此允许通过压电激励器122施加到Y枢轴臂124的第二末端的力，以引起Y枢轴臂124的第一末端移动，以在Y方向上移动Y变换器19。
Y变换器19作为用于X变换器18的定子。X转换器18通过分别位于X变换器18的四个角中的三个处的三个悬挂弯曲41柔性地耦合到Y变换器19。将X变换器18耦合到Y变换器19的悬挂弯曲41与将Y变换器19耦合到X-Y定子120的悬挂弯曲40在结构上相似。
X变换器18通过枢轴臂和与枢轴臂相似的枢轴弯曲以及被用来将Y变换器19耦合到压电激励器122的枢轴弯曲耦合到X压电激励器132。更具体地，枢轴弯曲307将X枢轴臂134的第一末端耦合到X变换器18，并且另一个枢轴弯曲308位于沿着X枢轴臂134的长度的中部以将X枢轴臂134耦合到Y变换器19。X压电激励器132的一端固定地附装到Y变换器19。枢轴弯曲308将X枢轴臂134的第二末端耦合到X压电激励器132的另一端。枢轴弯曲307、308、309可以绕垂直于XY平面的轴的适当的转动，但是在X方向是刚性的，并且因此允许通过压电激励器132施加到X枢轴臂134的第二末端的力，以引起X枢轴臂134的第一末端移动，以在X方向上移动X变换器18。
如图3中可以观察到的，Y变换器19以如下方式安装在X-Y定子120上：两个悬挂弯曲40安装到枢轴弯曲306的左侧，并且只有一个悬挂弯曲40安装到枢轴弯曲306的右侧。如下面所描述的，枢轴弯曲306在X方向上沿着Y变换器19的位置被设置使得由所有悬挂弯曲40所施加的弹簧力平衡。
枢轴弯曲306在Y方向上在位于X方向上沿着Y变换器的长度的中部的点处将原动力强加在Y变换器19上。枢轴弯曲306连接到Y变换器19的点定位成使得由枢轴弯曲306施加的原动力和由悬挂弯曲40产生的弹簧力共同地没有在Y变换器19施加纯转动力矩(net rotationalmoment)。
当响应于施加的电压Y激励器122延长或缩短时，枢轴弯曲306线性地并且无转动地移动Y变换器19。在所有的悬挂弯曲40提供相等的弹簧力的特殊情况下，枢轴弯曲306沿着Y变换器19的位置比起从Y激励器122的末端到枢轴弯曲306的右侧更接近于从Y激励器122到枢轴弯曲306的左侧。枢轴弯曲306沿着Y激励器122的位置被设置成如刚刚描述的平衡原动力和由所有悬挂弯曲所产生的弹簧力。
枢轴弯曲307沿着X变换器18的长度的定位以类似于刚刚所描述的用于决定枢轴弯曲306沿着Y变换器19的长度的定位的方式来决定。此外，对每个X和Y枢轴臂，各个枢轴弯曲304和308沿着各个枢轴臂134和124的长度的位置被设置成提供需要的运动幅度倍增或机械优点。图示了一种提供幅度倍增的布置。
图2和图3中所示的扫描仪5的X-Y微调平台121的多个组件具有相同的厚度，也就是Z方向上的尺寸。这允许大多数X-Y微调状态(fineadjustment state)由单片材料构成。诸如线切割放电加工(EDM)或激光加工的普通加工技术可以用于将X-Y定子120、X变换器18、Y变换器19和它们的关联弯曲40、41，枢轴臂以及枢轴弯曲形成为一个整体的单元。用于扫描仪5的平台121的适合的材料包括铝、高强度钢、单晶硅和具有较大杨氏模量和密度比的其它材料。
在操作中，图2和图3中所描述的扫描仪5的X-Y微调平台121在样品表面27上扫描支撑结构17和激励器10。操作Z方向激励器10以将探针针尖7放置成与样品表面27接触、在样品表面27之上、在样品表面27之上在Z方向上摆动、摆动并与样品表面27接触或用户所需要的任何其它扫描形式。
当探针针尖7接触样品表面27时，悬臂8弯曲，并且在探针针尖7相对侧上的悬臂8的反射表面将反射光束25反射在新的方向上。类似地，对于样品表面27中的不平整，当探针针尖扫描到这种不平整时悬臂可能绕其纵轴扭曲，并且根据弯曲和扭曲的量光束在另一个方向上反射。悬臂8的挠曲，即弯曲和扭曲两者，改变了象限图像检测器26上的反射光束25的位置。在两个方向上的反射光束的位置偏移与弯曲和扭曲量成比例。
如上所述，探针针尖7在样品表面27上扫描。但是，另外探针针尖7和样品表面27之间的相对运动可以通过固定地安装扫描探针6并通过在激励器10上安装样品28使得样品表面27相对于探针针尖7被扫描而得到。这样的扫描样品显微镜需要测量系统的位置的相应的改变以测量悬臂8的偏转。
其它的显微镜布置(例如在Binnig的美国专利4,724,318号、Alexander等的美国专利6,005,251号和Cleveland等的美国专利6,323,483号中所描述的)的描述通过引用在这里所包含。此外，卡盘组件4可以包括用于粗略地定位样品28的X-Y-Z粗调平台，而扫描仪5执行扫描探针在X、Y和Z方向上的微调。可替换地，扫描仪5还可以包括用于粗略地定位微调扫描仪的X-Y-Z粗调平台，而卡盘组件4固定地支撑样品28。可替换地，扫描仪5还可以包括用于粗略地定位微调平台的X-Y粗调平台，而卡盘组件4固定地支撑样品并容纳用于在Z方向上粗略地定位样品28的Z粗调平台。粗调平台和微调平台的许多种不同的组合都在本发明的范围内，都可以被用在显微镜1中。
在一个实施例中，样品28安装在平台29上的卡盘中，平台29在X、Y和Z方向上可移动以提供大范围的运动并允许X-Y-Z微调状态以提供精密的扫描运动。这里，也需要探针针尖7和样品28之间的相对运动。
依照本发明，静电表面激励器被用作上述的Z激励器10。静电表面激励器本身已经在大量的专利中描述了。特别地，Higuchi等的静电激励器(Electrostatic Actuator)，美国专利5,378,954号；Hoen等的交变电压模式的静电激励器(Electrostatic Actuator with Alternating VoltagePatterns)，美国专利5,986,381号；和Hoen的使用静电表面激励器的光学交叉连接开关(Optical Cross-Connect Switch Using Electrostatic SurfaceActuators)，美国专利6,215,222号，这些都通过引用在这里所包含。
图4-8示出用作图2和3中的Z激励器10的静电表面激励器的细节。图4描述了沿着X方向观察的Z激励器10的侧视图，并示出剖面线5-5和6-6的位置。图5描述了通过线5-5的剖视图，以及图6描述了通过线6-6的剖视图。图7和图8分别描述了静电表面激励器的定子和变换器的平面图。
在图4中，示出覆盖在定子36上的变换器34。变换器34通过四个弯曲结构42柔性地耦合到定子36。两个弯曲结构42位于变换器34的两侧上。在示出的示意性实施例中，每个弯曲结构42包括四个单独的弯曲(flexure)15。八个变换器支撑38从周围框架13延伸。每个弯曲结构42的四个单独的弯曲15与变换器34一体地形成。每个弯曲结构42的两个中心弯曲15从变换器34延伸到浮动梁16。每个弯曲结构42的两个外侧弯曲15中的每个从浮动梁16延伸到其附装到的八个变换器支撑38中的一个。图6示出通过图4的线6-6的剖视图。图6描述定子36、变换器支撑12、周围框架13、弯曲15和变换器34的部分。弯曲结构42的弯曲在Z方向上的尺寸基本上小于在X方向上的尺寸，并且因此允许变换器在Z方向上相对于定子自由移动而在X方向上防止变换器的运动。尽管该弯曲允许在正交于Z方向的X和Y方向上的一些运动，但是这些正交的运动很小。在一个特殊示例中，弯曲15分别在Z方向和X方向上具有2um和100um的尺寸。
图5示出具有安装在激励器上的扫描探针6的静电表面激励器10的通过剖面线5-5的剖视图。扫描探针6包括探针针尖7、悬臂8和把手9。把手9被称之为“把手”是因为它足够大可以被握住，而悬臂8和探针针尖7的尺寸不容易被握住。悬臂8包括对着探针针尖7的反射表面403。参考图2和3，反射表面403形成上述的测量系统的部分。安装扫描探针6的可替换位置是在变换器34的远离定子36的表面上的安装区域30。在一个可选实施例中，悬臂和探针附装到没有把手的表面驱动激励器。在另一个可选实施例中，探针针尖7通过与变换器一体地形成探针针尖耦合到变换器34。
静电表面激励器10包括定子组件37和变换器组件39。参考图7，定子组件37包括定子36、位于定子36的外周上的变换器支撑12和位于定子36的表面404的更加中心部分上的定子电极56。定子电极或者布置在绝缘的定子上，或者依次布置在可以导电的定子36的绝缘层408上。参考图8，其示出变换器组件39的面对着定子36的表面，变换器组件39包括固定地附装到变换器支撑12的周围框架13、变换器34和在周围框架13和变换器34之间延伸的悬挂弯曲结构42，以及变换器电极58。悬挂弯曲结构42每个由弯曲15和浮动梁16组成。变换器电极58布置在变换器34的对着定子电极56的表面402上。变换器电极或者布置在绝缘的变换器上，或者依次布置在可以导电的变换器上的绝缘层406上。变换器电极和定子电极共同构成驱动电极。
在另一个实施例中，把手结构(未示出)附装到周围框架13以辅助将变换器组件39附装到定子组件37。该把手结构增加了变换器组件39在X方向上的硬度，并提供了在组装中更容易握持的结构。把手结构(未示出)可以附加地或替换地附装到变换器34。可替换地，可以如所示出的省略把手结构。
利用传统的微加工技术，周围框架13、变换器34、弯曲15和浮动梁16示意性地作为一个整体单元形成在硅晶片中。相似地，利用传统的微加工和晶片结合技术可以制造定子组件37。通过将传统的微加工技术应用到硅晶片，利用应用到一个或多个硅晶片的传统的集成电路加工技术，Z激励器10还可以形成为整体的电子器件。
参考图8，变换器34具有被认为是第一表面的表面402，第一电极58布置在其上。该电极在X方向上延长，并在Z方向上排列。参考图7，定子36具有被认为是第二表面的表面34，第二电极56布置在其上。第二电极在X方向上延长，并在Z方向上排列。变换器34以第一表面402和第二表面404互相相对的方式弹性地耦合到定子36以允许变换器34在Z方向上相对于定子36移动。这使第一电极58和第二电极56位于互相相对的位置。
当操作静电表面激励器10时，电压施加到变换器和定子的电极以在变换器和定子之间产生静电力。在Z方向上相对于定子移动变换器，电压被操纵以在Z方向上产生静电力的分量。变换器和定子的移动操作下面会更详细地描述。变换器在Z方向上的运动使附装到变换器34的扫描探针针尖在Z方向上相对于样品表面27移动。
如在Hoen等的美国专利5,986,381号和Hoen的美国专利6,215,222号中所描述的，改变一个或多个定子电极上的电压使变换器在Z轴上的位置步进。变换器可以以亚毫微米尺寸的步幅移动，并且实际上，以小于100皮米的步幅移动。因为变换器处于由静电场建立的陡峭的势井(steeppotential well)中，所以变换器的位置是精确并可重复的。
在图7和图8中，示出两套驱动电极：变换器的电极58和定子电极56。驱动电极58位于变换器34的表面402上，并且驱动电极56位于定子36的表面404上。施加到驱动电极的电压产生具有使变换器34在Z方向上移动的分量的静电力。施加到驱动电极的电压将在下面描述。每个驱动电极是平行于一套中的其它驱动电极的导电材料细条。每套驱动电极布置于在Z方向上重复的排列中。
现在参考图5，绝缘材料薄层406位于变换器电极58和变换器34之间。相似地，另一个绝缘材料薄层408位于定子电极56和定子36之间。这些绝缘层使电极互相电绝缘使得施加到电极上的电压可以不同。例如，在驱动电极形成支架，诸如二氧化硅、氮化硅或氮化铝的绝缘材料可以通过电浆辅助化学气相沉积、溅镀沉积或低压化学气相沉积分别沉积在变换器和定子上作为绝缘层406和408。定子和变换器示意性地由轻微搀杂的硅晶片形成。该晶片可以是p型或n型搀杂。
使变换器34在Z方向上移动的静电力由施加到变换器电极58的电压和施加到定子电极56的电压产生。该电压以预定的电压模式施加。例如，空间交变电压模式被施加到变换器电极58。在一个更具体的例子中，相同的非零电压时间到偶数编号的变换器电极并且零电压施加到奇数编号的变换器电极。示意性地，预定的电压模式附加地施加到定子电极56。例如，空间基本交变电压模式被施加到定子电极56。在一个更具体的例子中，施加到定子电极排列的电压在非零电压和零伏之间交替，除了选择成对的相邻电极具有施加到它们的相同电压(非零电压或零伏)。具有施加到它们的相同电压的相邻的电极对在Z方向上以周期模式空间地重复。通过开关具有施加到它们的相同电压的相邻的电极中的给定的一个上的电压移动变换器。这改变了具有施加到它们的相同电压的相邻的电极对在Z方向上的位置。将上述电压模式施加到变换器电极58和定子电极56使得在相对的表面402和404上的电极之间产生静电力。示意性地仅通过变化施加到定子电极56的电压，通过在预定方向上的预定位移可以移动变换器34。
通过保持在特定电压的变换器电极的中心和保持在大约相同电压的最近的变换器电极的中心之间的距离定义重复距离。在一个实施例中，其中每个其它的变换器电极保持在相同电压，假定中心至中心距离是常数，则重复距离就是变换器电极的中心至中心距离的两倍。为了确认用于移动变换器34的产生的静电力是最佳的，有必要将变换器电极的重复距离和定子电极与变换器电极之间的间隙距离的比例保持在一定范围内。相对于静电力在X和Y方向上的不想要的分量的幅度，为了使静电力在Z方向上的想要的分量的幅度最大化，有必要将重复距离和定子电极56与变换器电极58之间的间距的比例保持在大约十六以下。
存在很多方法将电压施加到驱动电极以产生并变化静电力。参考图9、10和11，将描述一种示意性的施加电压模式以在驱动电极之间产生并变化静电力用来移动变换器34的方式。
图9描述变换器34和定子36的侧视图。以用大量变换器电极60、62、64、66、68、70和72替换电连接到电压源74和电压源76的部分图示变换器。电压源74连接到电极62、66和70并提供例如正五伏DC的不变的预定电压。但是，由电压源施加的电压可以低到需要建立必要的静电力的最小值或高到可以被承受而在变换器中没有电弧。例如，预定电压可以从3伏到100伏变化。电压源76连接到电极60、64、68和72并提供例如零伏的不变的电压，但是也可以例如从10V到100V变化。在其中将零伏施加到电极60、64、68和72的实施例中，可以不需要电压源76并且电极60、64、68和72可以改为连接到电压源74的参考接线端(未示出)。
以连接到控制器112的大量定子电极78、80、82、84、86、88、90、92、94、96、98、100、102、104、106、108和110来图示定子36。控制器112可选择地为定子电极78-110中的每个提供零伏或者例如正五伏DC的预定的电压。
变换器电极60-72被间隔成大约六个变换器电极排列在Z方向上的特定长度L上，并且定子电极被间隔成大约七个定子电极在Z方向上排列在长度L上。在这个示例中，当变换器移动时定子保持静止。图9至11中的每个指定定子电极94的一个边缘作为基准点Zref。
初始，在一个实施例中，如图9所示，控制器112将五伏电压施加到定子电极80、84、88、90、94、98、102、104和108。供应了五伏电压的电极用交叉的平行线画出阴影以易于辨认。如上所注意到的，相邻的定子电极88和90以及相邻的定子电极102和104都施加了五伏。
为了在Z方向上将变换器34移动一个增量，如图10所示，控制器112将定子电极90和104上的电压从五伏转换成零伏。这个改变施加静电力到变换器34，该静电力递增地在Z方向上移动变换器34。在改变的电压模式中，相邻的定子电极90和92以及相邻的定子电极104和106都施加了零伏。
为了使变换器34在Z方向上移动附加的增量，控制器112将定子电极78、92和106上的电压从零伏转换成五伏。电极92和106立即邻近状态在之前已经转换的定子电极90和104。结果的电压模式如图11所示。与前面的变化相似，定子电极78-110的电压模式的改变递增地在Z方向上移动变换器34。在改变的电压模式中，相邻的定子电极78和80、相邻的定子电极92和94以及相邻的定子电极106和108都施加了五伏。
照这样，通过继续转换十七个定子电极中的每个的状态，变换器34通过附加的增量在Z方向上移动。但是，将变换器耦合到定子36的悬挂弯曲42对变换器从其原始位置的总位移强加了物理极限。
回到图9，可能以比通过上述方法所提供的增量更小的增量移动变换器。代替电极90和104上的电压从五伏到零伏的变化，这些电极上的电压可以变化到零伏和五伏之间的电压。这使得变换器以比图9和图10所示的步幅更小的步幅移动。实际上，在许多操作范围中，变换器的位置和施加到电极90和104的电压具有线性关系。
驱动电极和施加电压的其它构造可能用于施加静电力至变换器34。上述施加电压的方法具有在Z方向上以相同的距离每六个电极重复的成组变换器电极和每七个电极重复的成组定子电极。但是，上述施加电压的方法可直接延伸到替换方法，其中在第一套电极中的成组电极由2n个电极以相同的距离组成且在第二套电极中的成组电极由2n±1个电极以相同的距离组成。在这个替代例中，空间交变电压模式施加到第一套电极，例如变换器电极，并且空间基本交变电压模式施加到第二套电极，例如定子电极。因为在第二套中的电极被分成奇数个电极的组，每组中的两个电极具有相同的电压作为邻近组中的相邻电极，并且通过转换具有施加到其上的相同电压的每对相邻电极中的一个给定的电极上的电压来移动变换器。
其它的静电表面驱动也可以应用到本发明。一个示例是由Higuchi等的美国专利5,448,124号所描述的。在这个示例中，第一和第二套驱动电极的间距相似并且第一和第二套驱动电极两者都施加三相瞬态交变电压(three-phase temporally alternating voltages)。变换器的位置通过改变施加到第一和第二套电极的三相信号之间的相差来控制。
图12是能够在X和Y方向上都变换(translating)的X-Y微调平台的静电驱动实施例200的俯视图。X-Y微调平台可以被以上参考图3所描述的压电驱动X-Y微调平台121替代。X-Y微调平台200以类似于上述关于Z激励器10(见图4-10)的方式被静电驱动，除了X-Y微调平台200使用两个正交的静电驱动以在两个正交的方向上独立地移动平台。X-Y微调平台200由X-Y定子236、Y变换器219和X变换器218组成。
在图12中，Y变换器219通过基本上类似于以上参考图4和图6所描述的悬挂弯曲42的四个悬挂弯曲40柔性地耦合到周围框架213。如以上参考图4和图6所描述的，类似于利用变换器支撑12将周围框架13安装在定子36上，利用布置中的中间变换器支撑将周围框架213安装在X-Y定子236上。
在图12所示的实施例中，通过与以上参考图4-11所描述的静电表面驱动相似的线性静电表面驱动，Y变换器219在Y方向上被静电地驱动。此外，通过四个基本与以上参考图4、6和8所描述的悬挂弯曲42相似的悬挂弯曲41，Y变换器219作为X变换器218柔性地耦合到其上的定子框架。在图12的实施例中，通过与以上参考图4-11所描述的线性静电表面驱动相似的线性静电表面驱动，X变换器218在X方向上被静电地驱动。用于两个静电表面驱动的定子电极位于定子236的表面404上。对着X变换器218的变换器电极布置的定子电极垂直于对着Y变换器219的变换器电极布置的定子电极。此外，对着X变换器218的变换器电极布置的定子电极比X变换器218的变换器电极长，以确保不考虑X变换器在Y方向上的位置使电极交叠。
图12中所示的静电驱动X变换器218和Y变换器219在质量上比图13中所示的与同级别性能对应的压电驱动X变换器18和Y变换器19小。因为静电驱动变换器在质量上较小，所以它们具有更快的回转速率并且可以比上述的压电驱动变换器扫描得更快。此外，静电表面电机没有压电激励器的记忆或蠕动问题，这些问题引起压电激励器的位置依赖于施加电压的历史。在这个实施例中，以上参考图4-11所描述的Z激励器10安装在安装区域30中的X-Y微调平台200的X变换器218上。Z激励器10可以如上所述的操作以在Z方向上移动扫描探针6。
在图13所描述的另一个实施例中，扫描仪5(图1)由其上安装了X-Y微调平台200(图12中详细地示出并且在图13中示意性地示出)的压电Z激励器210组成。扫描探针6安装在安装区域30中的X-Y微调平台200的X变换器218上。压电Z激励器210响应于施加的电压在Z方向上缩短并扩展。X-Y微调平台200响应于施加到形成其部分的线性静电表面驱动的电压在X和Y方向上移动X变换器218，并且因此移动扫描探针6。由于静电驱动X-Y微调平台200的较轻的重量和其它有利的性质，比起使用压电驱动X-Y微调平台扫描，扫描仪5具有更好的扫描速率性能。
在另一个实施例中，当随着样品表面通过图14中所描述的结构平衡时，通常由扫描探针6的快速加速和减速引起振动。在这个实施例中，图1的显微镜中的Z激励器10由两个联合激励器140和150组成。扫描探针6安装在安装区域30中的线性激励器140的变换器上，并且与扫描探针6质量相等并具有与其相同的质心的抵消块(counter mass)安装在安装区域130中的线性激励器150的变换器上。可替换地，扫描探针6安装在安装区域130中并且抵消块安装在安装区域30中。尺寸和间距相似的电极布置在激励器140和150的定子和变换器的相对着的表面上，相似的空间交变电压模式施加到两个激励器的变换器电极，并且相似的空间基本交变电压模式施加到两个激励器的定子电极。施加到激励器的定子电极的空间基本交变电压模式相似地改变但是以相反的方向，以在正的Z方向上移动激励器140并在其负的Z方向上移动激励器150相同的距离，并且反之亦然。在这种情况下，激励器150不驱动扫描探针，但是激励器150和安装在其上的抵消块减少了由移动扫描探针的激励器140所引起的逆反作用力。一方面在激励器140和扫描探针6之间进行精确的质量和质心的匹配，并且激励器及其抵消块优化了对激励器140和扫描探针6的运动产生的振动的消除。
在可选实施例中，如图15中所描述，激励器140和150中只有一个具有静电表面激励器并通过反向(direction-reversing)结构连接到另一个激励器。每个反向结构包括枢轴臂142和枢轴弯曲144、146和148。枢轴弯曲144将激励器140耦合到枢轴臂142的第一末端。枢轴弯曲146将沿着枢轴臂142的中部的点耦合到X-Y激励器120。枢轴弯曲148将枢轴臂142的第二末端耦合到激励器150。根据刚才所描述的反向结构，当激励器140在正的Z方向上移动时，反向结构将激励器150在负的Z方向上移动相等的距离，并且反之亦然。
枢轴弯曲可以绕垂直于ZY平面的轴的适当的转动，但是在Z方向上是刚性的。这允许激励器140移动枢轴臂142的第一末端并允许枢轴臂142的第二末端移动激励器150。反向结构允许图15的实施例以消除在只有激励器140和150中的一个的情况下由激励器和驱动电极的运动引起的振动。
在图14和图15所示的实施例中，如上所述，激励器140和150通过微加工制造。这显著地减小了激励器的质量。因此，图14和图15的实施例能够达到较高的回转速率。此外，如图14或15所示的抵消平衡扫描探针6的质量以消除由其上安装了扫描探针的Z激励器的运动产生的振动也可以施加到图12中所示的实施例的静电表面激励器。
在一些例子中，需要在潮湿的环境中操作Z激励器10，例如在有水蒸气存在的情况，或在含水的环境中，例如在水下。因为水是极性分子，它趋向于屏蔽在定子和变换器电极56和58之间产生的静电势井。这种屏蔽效应减小了在静电表面激励器，例如在Z激励器10中产生的静电力。图16示出通过在变换器34和定子36之间置入绝缘液310层来避免这个问题的Z激励器10的实施例300。一种合适的的绝缘液是由3M公司出售的商标为FLUORINERT的绝缘液。也可以用变压器油；一种这样的油是由壳牌石油公司出售的商标为DIALAOIL M的油。这些油的粘性也用作减震器。
图17示出另一个实施例350，其中保护电极不受液体水环境的影响。在这个实施例中，疏水绝缘膜355应用到Z激励器10的包围定子和变换器电极56和58的部分。疏水绝缘模355被从1um到100um范围宽的间隙隔离开。这些间隙如此狭窄使得液体水不能穿越它们到达电极。达到了对Z激励器10的符合要求的操作。此外，图16和图17中所示的防水层可以应用到图12、14和15所示的静电表面激励器。
现在参考图18，描述依照本发明用探针针尖扫描样品表面的方法的实施例。初始，在161处，设置探针针尖和静电表面激励器。该静电表面激励器包括定子和变换器。在162处，探针针尖耦合到变换器。在164处，变换器在第一方向上相对于定子静电地移动。在166处，响应于在样品表面上对探针针尖的扫描，感测探针针尖的性质。
当利用图2所示的扫描仪执行上述方法的实施例时，响应于探针针尖在样品表面27上扫描，悬臂8的挠曲依赖于样品表面的性质。探针针尖的附加的或替换的响应也可能依赖于所使用的扫描探针显微镜使用的方法。例如，如果探针针尖是扫描隧道显微镜针尖，则当电压施加到悬臂8时流过的电流依赖于样品表面27的性质。可替换地，如果探针针尖是扫描热显微镜针尖，则探针针尖的热量损失过程将依赖于样品表面27的性质。探针针尖更多的响应也是可能的。在166处，响应于在样品表面上对探针的扫描，感测到的探针的性质是例如挠曲、热损失或电流等。在一个示例中，探针针尖的机械移动引起悬臂8弯曲并改变反射光束的位置。这种感测方法在图1和图2中示出。另一种感测探针针尖的偏转的方法是检测包含在悬臂8上的压敏电阻的阻抗变化。还有另一种感测探针针尖的偏转的方法是利用激光干涉仪检测悬臂相对于基准面的偏转。如上所述，感测的方法可以需要检测通过探针针尖的电流的变化或检测通过探针针尖的热损失的差异。
本公开利用图示的实施例详细描述了本发明。但是，由所附权利要求限定的本发明不限于所述的精确实施例。
Claims (21)
1.一种扫描探针显微镜，包括：
静电表面激励器，其包括变换器，所述变换器具有第一表面并包含排列在所述第一表面上的第一电极；和定子，所述定子具有第二表面并包含排列在所述第二表面上的第二电极，所述变换器以所述第一和第二表面互相相对的方式弹性地耦合到所述定子，以允许所述变换器在平行于所述第一和第二表面的第一方向上相对于所述定子移动，所述第一和第二电极被布置成响应于施加到其上的电压，产生能够使所述变换器在所述第一方向上相对于所述定子移动的静电力；以及
耦合到所述变换器的扫描探针针尖。
2.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中：
所述静电表面激励器还包括在所述定子和所述变换器之间延伸的悬挂弯曲；并且
所述悬挂弯曲在所述第一方向上比在与其垂直的方向上具有更大的顺应性。
3.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中：
所述变换器构成第一变换器；
所述静电表面激励器还包括具有第三表面并包含排列在所述第三表面上的第三电极的第二变换器；
所述第一变换器具有第四表面并包含排列在所述第四表面上的第四电极；
所述第二变换器以所述第三和第四表面互相相对的方式弹性地耦合到所述第一变换器，以允许所述第二变换器在平行于所述第三和第四表面并垂直于所述第一方向的第二方向上相对于所述第一变换器移动；并且
所述第三和第四电极被布置成响应于施加到其上的电压，产生被调整以使所述第二变换器在所述第二方向上相对于所述第一变换器移动的静电力。
4.如权利要求3所述的扫描探针显微镜，其中：
所述静电表面激励器还包括在所述定子和所述第一变换器之间延伸的第一悬挂弯曲和在所述第一变换器和所述第二变换器之间延伸的第二悬挂弯曲；
所述第一悬挂弯曲在所述第一方向上比在与其垂直的方向上具有更大的顺应性；并且
所述第二悬挂弯曲在所述第二方向上比在与其垂直的方向上具有更大的顺应性。
5.如权利要求3所述的扫描探针显微镜，其中：
所述扫描探针显微镜还包括基座和置于所述静电表面激励器与所述基座之间的压电激励器；
所述压电激励器可以操作以在第三方向上相对于所述基座移动所述静电表面激励器，并且
所述第三方向垂直于所述第一和第二方向。
6.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中：
所述扫描探针显微镜还包括二维激励器，所述二维激励器包括在第二方向和第三方向中的每个上都可移动的安装平台；
所述第二和第三方向互相垂直；并且
所述静电表面激励器以所述第一方向垂直于所述第二和第三方向的方式安装在所述安装平台上。
7.如权利要求6所述的扫描探针显微镜，其中所述二维激励器是二维压电激励器和二维静电表面激励器中的一个。
8.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中：
所述第一电极限定了重复距离；
所述第一电极和所述第二电极之间的距离限定了间隙距离；并且
所述间隙距离除以所述重复距离小于十六。
9.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中：
所述第一电极是在所述第一表面上互相平行地布置的导电材料长条；
所述第二电极是在所述第二表面上互相平行地布置的导电材料长条；并且
所述第一电极平行于所述第二电极。
10.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，还包括：
电压源，其电连接到所述第一电极以将几个电压施加到所述电极，用以在其上建立重复的空间交变电压模式；和
电压控制器，其电连接到所述第二电极以将其它几个电压施加到所述电极，用以在其上建立重复的空间基本交变电压模式。
11.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，还包括布置在所述第一和第二表面之间的绝缘液。
12.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，还包括布置在所述第一表面和所述第二表面中的至少一个上的疏水绝缘膜。
13.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中
所述变换器构成第一变换器；
所述静电表面激励器还包括具有第三表面的第二变换器；并且
所述第二变换器以所述第三和第二表面互相相对的方式弹性地耦合到所述定子，以允许所述第二变换器在所述第一方向上相对于所述定子移动。
14.如权利要求13所述的扫描探针显微镜，其中
所述静电表面激励器还包括排列在所述第三表面上的第三电极；
所述定子还包括布置在所述第二表面上的第四电极；并且
所述第三和第四电极被布置成响应于施加到其上的电压，产生被调整以使所述第二变换器在所述第一方向上相对于所述定子移动的静电力。
15.如权利要求14所述的扫描探针显微镜，其中
在所述第一变换器中定义第一质心；
在所述第二变换器中定义第二质心；并且
通过所述第一和第二质心定义的线平行于所述第一方向。
16.如权利要求13所述的扫描探针显微镜，还包括连接所述第一变换器和所述第二变换器的反向结构。
17.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，还包括将所述探针针尖耦合到所述变换器的悬臂。
18.如权利要求17所述的扫描探针显微镜，还包括置于所述悬臂和所述变换器之间的把手。
19.一种扫描样品表面的方法，所述方法包括：
设置探针针尖和静电表面激励器，所述静电表面激励器包括定子和变换器；
将所述探针针尖耦合到所述变换器；
在第一方向上相对于所述定子静电地移动所述变换器以在所述样品表面上扫描所述探针；并
响应于在所述样品表面上对所述探针的扫描，感测所述探针的性质。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在垂直于所述第一方向的第二方向上移动所述变换器。
21.如权利要求19所述的方法，还包括在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上移动所述变换器。
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