TWI388834B

TWI388834B - 用於原子力顯微鏡或奈米微影術之探針、原子力顯微鏡、以及自具有奈米特徵圖案之樣本之掃描區域中收集影像資料的方法

Info

Publication number: TWI388834B
Application number: TW94101142A
Authority: TW
Inventors: Mervyn John Miles; Andrew David Laver Humphris; Jamie Kayne Hobbs
Original assignee: Infinitesima Ltd
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2013-03-11
Also published as: TW200624793A

Description

用於原子力顯微鏡或奈米微影術之探針、原子力顯微鏡、以及自具有奈米特徵圖案之樣本之掃描區域中收集影像資料的方法

本發明關於原子力顯微鏡之領域，關於運用於此類顯微鏡中之探針，以及關於操作此類顯微鏡之方法。明確地說，係關於一種不運用習用之探針高度回授控制之原子力顯微鏡。

原子力顯微鏡(AFM)或掃描力顯微鏡(SFM)係由Binnig、Quate與Gerber發明於1986年。如同所有其他掃描探針顯微鏡，該AFM所依據的原理係於一樣本表面上機械式掃描一奈米探針，以獲得該樣本之「互動地圖」。此情況中之互動力僅為該樣本與附加於一懸臂彈簧之一尖銳探針處之尖端間之分子互動。當該探針尖端被帶至靠近該樣本時，該懸臂會響應該互動力而彎曲。藉由相對於該探針來影像化該樣本並且測量該懸臂以橫向位置為函數之偏離數據便可收集到許多影像。通常可使用光學桿技術來測量此彎曲。由於該懸臂遵守小位移的虎克(Hooke)定律，所以便可推論出該尖端與該樣本間之互動力。

該AFM通常操作於兩種模式之其中之一。於固定力模式中，回授會促使一定位壓電驅動器響應於所偵測到的互動力中之任何變化以上下移動該樣本(或探針)。如此一來，該互動力便可保持非常穩定並且獲得該樣本之相當忠實的拓樸影像。或者，該AFM可操作於固定高度模式中。於該掃描期間，不必對該樣本或探針之垂直高度做任何調整或是僅需做些微調整。於此背景中，垂直高度調整是指平移被連接至該懸臂探針之致動器或是平移該樣本本身。因此，當懸臂彎曲度改變時，該探針尖端仍保有上下移動的自由度。於固定高度模式中，該樣本之拓樸變化與互動力變化並無法區分，因為任一者或兩者均會導致該懸臂彈簧彎曲。

除了這些差異回授方式之外，通常可以三種不同方式之一獲得影像對比。於接觸模式中，當掃描進行時，該尖端與樣本會保持緊密接觸，即該分子互動之排斥區中。在敲擊模式中，一致動器會於共振頻率處以「敲擊」動作來驅動該懸臂。所以，該探針尖端僅會於其振盪(敲擊)週期之一極小部份中接觸該表面。此大幅縮短的接觸時間意謂著該樣本上的橫向力大幅地降低，所以於掃描時該探針便比較不會對樣本造成破壞。因此，常用於成像敏感的生物樣本中。振盪振幅通常可使用回授機制而保持固定。於非接觸操作中，該懸臂會振盪於該樣本上，其與該樣本相隔的距離會使得該分子互動力不再排斥。然而，此操作模式實際上難以實行。

探針顯微鏡中最近的演進已經大幅加快資料收集時間。藉由更快的掃描技術，例如描述於PCT專利申請公開案第WO 02/063368號中所述者，有限探針響應能力會逐漸變成影像收集時間中之限制因素。該探針將無法立即響應樣本特徵中之變化，因此，於該探針遭遇到該樣本表面中較高高度的區域以及該系統對其進行反應之間便會有固有的時間延遲。此缺點會同時出現在AFM操作之固定力模式與固定高度模式中。於固定高度模式中較不嚴重，因此該模式為快速掃描技術之較佳操作模式，但其仍然足以不當限制現代快速掃描探針顯微鏡之掃描速度。

於固定力AFM模式中，通常會運用電子回授機制以保持該平均互動力不變。當該掃描進行時，若互動力中有變化(舉例而言因樣本高度變化所導致)，於被該偵測電子元件所偵測到之探針響應的變化中便會率先觀察到，其會產生一錯誤信號(如設定點減去偏離值)並且利用一回授迴圈用以藉由調整該探針或樣本之位置以最小化該錯誤信號。該回授迴圈具有與其相關的時間常數，該時間常數會限制能夠收集完整影像掃描之終極速度。

若操作於固定高度模式中，該問題的限制性並不大，於該模式中，運用電子回授的程度通常不若固定力AFM中所使用般。然而，對欲被精確測量之互動力來說，該探針尖端應盡可能地追蹤該樣本表面之輪廓。運用被該樣本表面彎曲之懸臂所產生之反作用力即可確保此目的。也就是，當掃描該樣本表面之某一高區域時，該懸臂會逐漸向上彎曲且增加儲存於該彈簧中之能量。當該高度下降時，一恢復力便會將該懸臂推回其平衡(直線)位置，因此可維持與該表面接觸。然而，若該掃描速度太快，該探針將不會追蹤該表面，實際上將會被向上丟擲突出於該表面並且可能會開始共振，或「鳴響」。接著便會於該已成像互動力中造成振盪。同樣的，當該高度下降時，該恢復力可能不夠大，而無法確保該探針尖端維持與該表面接觸，且和該影像中該區域中之表面有關的資訊將會遺失。

上述之WO 02/063368描述一種掃描探針顯微鏡，其中該樣本或該探針係裝設於一共振器上，且藉由於該共振器共振頻率或接近其共振頻率處來驅動該共振器，便可以該探針為基準來掃描該樣本。該共振器一般具有數十kHz之共振頻率，與該探針之共振頻率雷同。所以，像素間之標準時間間隔會短於1/f_r ，其中f_r 係該探針之共振頻率。另一方面，響應該樣本表面之拓樸中之變化所需要的時間(τ_res )係依據該探針之有效質量與該懸臂之彈簧常數。若τ_res >1/f_r ，那麼很清楚地，將無法逐個像素地精確測量該互動力。

所以吾人察覺到，必須改良對於樣本拓樸起伏或對於該互動力中之變化的探針響應能力，俾使可於發生劣質影像前允許以較快掃描速度來實施AFM顯微術，舉例而言，探針鳴響或不良追蹤該表面開始降低影像品質均會導致劣質影像。

本發明提供一種用於原子力顯微鏡或用於奈米微影術中的探針，，該探針包含一被連接至一探針尖端的作用力感測部件，該探針尖端具有100nm或以下之尖端半徑，其特徵在於該探針會被調適成當受到一外力作用時，會有一偏壓力驅策該探針尖端與一樣本中其中一者或兩者，使兩者朝彼此移動，該偏壓力的強度大於當探針尖端探測該樣本時因該探針尖端之位移所造成之恢復力。

在瞭解本發明之範疇時，討論先前技術原子力顯微鏡中標準懸臂探針接觸到一樣本表面時所涉及到的作用力很有幫助。因此，現在將參照第一圖加以解釋。

在第一圖中，顯示一樣本1，其正被一原子力顯微鏡(AFM)之一探針掃描。該探針包含一基板2，具有一尖銳探測奈米尖端4的感測部件3會自此處延伸，該奈米尖端4具有100nm或以下之尖端半徑，該感測部件3係裝設於和該基板2遠離的一端處，其可以是一懸臂。於準備掃描時，會有一向下作用力(F_external )經由其裝設至該AFM施加至位於其基板端2處的探針上，移動該探針尖端4使其接觸該樣本1。為於掃描期間保持接觸，該作用力F_external 會大於逕將該尖端4帶至接觸該樣本1所需要之作用力。結果，當掃描該樣本時，該感測部件3會自其停放位置處5向上彎曲。

於一簡化模型中，該感測部件3可遵守小型位移的虎克定律。據此，若當按壓該樣本時，該彎曲程度會自尖端4的停放位置處將其移動一垂直距離x且該懸臂彈簧常數為k，那麼該懸臂所施加之恢復力便係kx。因此，該尖端4所施加之向下作用力會正比於kx，該作用力會讓該尖端4保持於追蹤該表面之位置處。

很清楚地，該探針尖端4之響應能力及該AFM技術之解析度均相依於感測部件3於樣本1上所施加之作用力kx的大小程度。探針與表面間之作用力愈大，對表面變化之響應能力也愈大。此表示高彈簧常數k係合宜的選擇，尤其若該掃描很快時。相反地，該作用力愈大，該探針也愈有可能損壞該樣本。據此，先前技術AFM懸臂探針於探針響應能力與損壞該樣本之可能性間便必須做出基本妥協。

然而，根據本發明之探針係被調適成於掃描一樣本時會經歷一偏壓力，其明顯大於由該樣本上之探針所作用之恢復力kx。此使得該探針可追蹤該樣本表面的效果更加且可快速掃描。稍後將更詳細地看見，如本發明所要求者，該偏壓力超過該恢復力可，藉由於該探針上包含一響應外力之偏壓元件與/或降低該懸臂樑之彈簧常數加以達成。

和習知AFM(收集影像可能需耗用高達30秒)不同的是，藉由本發明便可達到毫秒樣本成像的目的。舉例而言，22.4 cms^-1 之尖端速度可於14.3 ms中來成像一4.4 x 4.4微米的區域且可於8.3 ms中來成像一1.5 x 1.5微米、128乘128個像素的區域。此外，即使以此速度，利用軟性聚合物表面仍可達到解析度橫向大於10 nm且縱向大於1 nm之影像。

於本發明之一實施例中，舉例而言，該偏壓元件可為響應一外加磁力的磁性元件或連接至一電源供應器之一端的導電元件，俾使可於探針與樣本之間產生一電壓電位。於這兩種情況中，該偏壓力(磁力或靜電力)之極性使其可驅策該探針與樣本朝彼此移動。此外，施加至該探針上之偏壓力的大小與其偏離度數無關。如此一來，由於該探針樑具有非常低的彈簧常數，所以該彎曲/偏離恢復力相對於該偏壓力為非常小，因此，該表面上尖端之作用力實際上為偏離不相依。

先前技術AFM探針已經過特別製造以響應一外部偏壓力。舉例而言，EP 872 707描述一種懸臂探針，其包含一壓電元件。一控制信號會被送至該壓電元件，以向上驅策該探針，使其遠離該樣本，以克服吸引力。同樣的，US 5,515,719描述一種探針，其包含一磁性粒子，其會響應一螺旋管控制磁場以造成該探針自該樣本表面被拉離。如前，此專利之重點係避免該探針被吸引至該樣本表面且造成損壞。

專利申請公開案第WO 99/06793號中揭示之懸臂探針亦併入一磁性元件。然而，此配置中之磁場係用以控制該探針-樣本距離，並且根據預期的分離加以改變。此做法異於本發明所使用之磁場配置。於掃描過程中，在此距離中被施加至該尖端之作用力係固定的，其主要係為使該尖端加速返回該樣本表面，應不會產生接觸。併入一會響應可調整磁場之探針之另一系統則描述於美國專利第5,670,712號中。該磁場大小係受控於一回授迴圈組，用以維持該懸臂具有固定的偏離程度。同樣的，此做法亦異於根據本發明之AFM探針，於本發明中，基本上允許偏離程度改變。缺乏移動自由，該樣本表面之輪廓便無法被追蹤且互動力無法被測量，其與本發明之整個目的背道而馳。

於另一方法中，該懸臂係被設計成樑具有低品質(或Q)係數。相較於高Q係數樑，此作法會提高機械能量散逸之速率。若放置於此樑上之探針於掃描期間自該表面被撞開的話，任何後續的機械振盪便會降低，且該探針將快速地回來追蹤該樣本表面。於一實施例中，該懸臂樑之Q係數可藉由塗敷一塗料至該樑上而加以降低，該塗料係被調適以透過激發一或多個振盪模式來散逸以機械方式被儲存於該樑中的能量。所以，相較於一等效無塗覆樑之Q係數，可針對其一或多個振動模式來降低該支撐樑之Q係數為。該塗料最好係一被塗敷至該探針之至少一側上的能量吸收材料，例如聚合物膜。

很清楚的，若被調適成受外部導向力作用且具有低Q係數的話，便可最佳地達到本發明探針之樣本追蹤的目的。然而，在特定情況中，僅需要這些特性之一。當該探針被帶至一樣本附近時，咸信會形成一毛細管頸以連接兩者。尤其，若該探針之Q係數非常低的話，吾人發現源自該毛細管頸的偏壓力將形成支配性恢復力。同樣的，若施加一較強偏壓力的話，該樑之Q係數則不需要如此低。於此例中，機械能量之散逸被認為亦可能經由該探針與該樣本表面之互動而發生。

雖然先前技術已揭示具有塗料之AFM懸臂，不過，沒有任何一案所塗敷的材料適合用於阻尼機械振盪。上述參照之US 5,515,719揭示一種磁性塗料，藉由該塗料可施加一作用力至一懸臂。US 6,118,124與US 6,330,824皆描述用於輻射偵測之經塗敷懸臂。所以，該塗料會受到該輻射影響，輻射強度可由該懸臂之性質中之定性變化加以測量。此作法不同於本發明之塗料材料，其並不會被入射輻射影響，但會吸收機械能量。

於本發明另一目的中，提供一種原子力顯微鏡，用以根據一樣本與一探針間之互動力來成像該樣本，該顯微鏡包含驅動構件，其係被配置成用以於該探針與該樣本表面間提供相對的掃描運動，且可將該樣本與探針帶至近接處，足以於其間建立一可偵測的互動；及一探針偵測機制，其係被配置成用以測量該探針之偏斜與/或位移；其特徵在於：該顯微鏡包含如上所述之探針。

或者，該顯微鏡之特徵在於包含作用力(F_direct )產生構件，該構件係被配置成用以於操作中將一作用力(F_direct )施加至該樣本與該探針中其中一者或兩者，或是施加於該樣本與該探針之間，該作用力(F_direct )會被導向，以驅策該探針朝該樣本移動或驅策該樣本朝該探針移動。

於本發明之進一步目的中，提供一種自具有奈米特性之樣本之一掃描區域中收集影像資料之方法，其中上述方法包含之步驟有：(a)將具有一支撐樑之探針移至近接一樣本，以允許一互動力建立於探針與該樣本之間，該支撐樑具有100nm或以下之尖端半徑的尖端；(b)於樣本與探針之間促使建立一作用力(F_direct )，俾使驅策該探針朝該樣本移動或驅策該樣本朝該探針移動；(c)跨越該樣本表面來掃描探針或掃描位於該探針下方的樣本，同時於該探針與樣本表面間提供一相對運動，使得掃描線的配置可覆蓋該掃描區域；(d)測量該探針之偏離與/或位移；及(e)處理於步驟(d)中所獲得之測量值，以擷取關於該樣本之奈米結構的資訊。

現在將藉由範例且參照附圖來描述本發明之實施例。

參照第二圖，圖中顯示一AFM之概略實施方式，圖中以元件符號10來表示，其會利用根據本發明一目的建構而成之探針之第一實施例。圖中所示之AFM設備10包含一板12，適用以接收一樣本14，且其係裝設於一音叉16之一叉尖上。該音叉16係被連接至一壓電轉能器18與一粗略方法與定位20。該壓電轉能器18係用以於三維(x、y與z方向)中來驅動該樣本14(連同該板12與音叉16)。如該領域中所習知者，笛卡兒座標系統之z軸係垂直於該樣本14所佔據之平面。也就是說，該互動力相依於探針22位於該樣本14(該探針正在成像的像素)上之xy位置以及該探針在其上方之高度。一音叉控制器(未顯示)係被配置以施加一正弦電壓至該音叉16，俾使於該xy平面中激發一共振或近共振震動。視情況，可將該板12與音叉16支撐於一振動隔絕基座32之上，以便將該音叉16之震動與該顯微鏡之剩餘部份隔絕。然而，於以運用此探針之顯微鏡所設計之影像頻率中，外部雜訊比起低影像頻率來說是個較小的問題，且因此可省略該振動隔絕基座。該探針22係一低質量AFM探針，且於掃描期間，會於該探針尖端22a與該樣本表面之間產生一互動力。一探針偵測機制28係被配置以測量該探針尖端22a之位移或支撐該尖端之樑22b的彎曲情形，其表示的係互動力強度。由該探針偵測機制28所收集到之資料會經過分析且被輸出至一顯示器30。

一般來說，先前技術懸臂探針係製造自矽或氮化矽，其允許使用成熟的矽微製造技術進行快速產生。然而，與先前技術懸臂探針不同的係，根據本發明之探針22具有一被塗敷於該探針22之支撐樑22b上的聚合物塗料22c。在稍後將更詳細解釋，此塗料22c可用以透過振盪模式之激發來散逸以機械方式被儲存於該探針中之能量，而且相較於一沒有塗料22c之相同樑，還可針對其一或多個振動模式來降低該支撐樑之Q係數。

在使用該設備10獲取影像時，可先使用該粗略方法與定位20將該樣本14帶至接觸該探針22。精細高度與初始位置調整可利用該壓電驅動器18來進行，而該探針偵測機制28則可測量因該探針22-樣本14互動力的關係所導致該探針之彎曲情形。一旦該經測量的彎曲到達預期程度，便可掃描該探針22下方之樣本表面。於掃描該探針22下之樣本14中，該音叉16會被設為振動出入該圖之平面(y軸)。此會振盪其上裝設該樣本之級。於此同時，該壓電驅動器18會於一垂直(x)方向中移動該樣本14。樣本振盪具有非常大的振幅，其大小等級為數個微米。於掃描過程期間，如本技藝中之標準般，可依據光學桿技術由該探針偵測機制28來連續獲得讀數，光學桿技術為可利用反射自該探針之雷射光來測量探針彎曲情形。該探針偵測機制28之輸出信號會被直接饋送至一處理器與顯示器30之中。

如上所述，第二圖中顯示之探針22與先前技術探針不同處在於其塗敷著一聚合物材料22c。該塗料22c可能係位於其中一側或兩側之上，前提係該材料本身適合散逸可能被儲存於該探針中之能量。

該Q係數係一無維度值，其可用以量化一振盪器之散逸(或阻尼)。其性質為：

重阻尼系統可快速地散逸其中所儲存之能量，該系統具有低Q值；而輕阻尼系統則具有高Q值。由Si與SiN材料所製成的振盪器不具有太多內部損失，因此，大部分市售AFM懸臂將具有高Q值，空氣中的大小等級通常係5-500。此外，若被設計使用於敲擊模式中，那麼具有高Q值之懸臂相當有利。於此模式中，該懸臂會於共振處被驅動，且會於許多振盪循環後測得該互動力。藉由最小化該等振盪循環中的能量損失，便可藉由該高Q值作為一機械過濾器。

一機械振盪器具有許多振盪共振模式，且各模式之品質係數可能不相同，端視頻率相依材料性質與該振盪器之形狀而定。當本文提及Q係數時，吾等所指的是針對任何模式之探針之Q係數，或指一組模式之Q係數。

然而，於本發明之情況中，吾人會希望於高速原子力顯微鏡中使用具有低Q值之探針。若該探針具有高Q值，其響應變化的時間將會很長，且若給予刺激(例如於該樣本表面上高特徵處進行掃描)便將會於一共振模式組合中產生鳴響。本探針係被設計成藉由其塗料22c而具有低Q值。理想上，該Q係數必須夠低，俾使任何被誘發的振盪均會經過關鍵阻尼作用。低品質係數意謂著僅有極少的能量可被儲存於該探針之支撐樑中，因此若受到衝擊(例如當掃描該樣本表面之高處區域時)，該探針將不會「鳴響」過久，。此允許更快速地返回到該樣本表面，且因此可於掃描期間有更佳的追蹤效果。

該探針上之塗料可用以散逸會被儲存於該探針中之機械能量。具有該塗料之探針所儲存之機械能量將少於沒有該塗料之探針，且相較於該塗料不存在者，於特定時間處具有該塗料之探針的運動將更關聯於該特定時間處位於該探針尖端下之表面。

視欲被成像之樣本與所選定之掃描速度而定，高於第一或基礎模式之較高模式於成像期間比較可能會被激發。在此情況中，該塗料必須經過選擇以確保可大幅降低此模式之Q係數。藉由調整該塗料之能量吸收與散逸性質，便可降低或移除很可能會干擾影像品質之探針振盪，同時還可最小化該探針之質量變化。

許多聚合物材料均可用以提供該塗料22c，且熟知技藝人士將很容易瞭解特定選擇的時機。該材料的黏滯彈性性質必須加以選擇：其彈性必須夠大，以讓其形狀維持為塗覆該懸臂之膜，同時又可執行其散逸機械能量的工作。機械能量之散逸主要係透過黏滯機制來進行，於分子等級中，其係相依於一聚合物鏈與其周圍間之摩擦係數。理想塗料係具有低交聯密度之橡膠，其程度正足以維護該塗料之相干性。交聯可為化學性，如於一習用橡膠中；亦可為物理性，如於一熱塑彈性體中。吾人已經發現被塗覆於一AFM支撐樑兩側上之區塊共聚合物材料可在室溫中使用時顯著地改良其追蹤功能，該區塊共聚合物材料的主要成份係非晶性橡膠，具有低於室溫之玻璃轉換溫度，而次要成份係非晶性聚合物，具有高於室溫之玻璃轉換溫度。該共聚合物可藉由溶液澆鑄法(solution casting)進行塗敷。也就是說，可於高溫處將一滴含有該聚合物之溶液放置於該支撐樑上，以驅離該溶劑。亦可使用其他熱塑彈性體。吾人已經發現此種配置允許該探針即使以共振振盪速度亦可追蹤一樣本表面，如WO 02/063368中所述者。

和所採用之聚合物材料與塗敷方法有關的考量因素會窄化可用的選擇。基本想法係以一能量吸收材料來塗覆該支撐樑，理論上，其並不會過度影響探針之其他性質，例如質量、尖端之尖銳度…等。吾人已經發現，以上述共聚合物來溶液澆鑄該支撐樑可以可接受之質量增加來增強能量散逸效果。然而，亦可使用其他塗覆方法。這些方法包含：「拖曳」一帶電聚合物至電解單元中之支撐樑上；化學性加標該聚合物(例如以一硫醇群)，並利用其與該支撐樑之材料或該支撐樑上之金屬塗料(如於硫醇化學情況中之金)的反應，將該聚合物附著於該支撐樑之上。

如前所述，AFM懸臂上之聚合物塗料為已知。然而，此等先前技術塗料材料係針對其化學性加以選擇，以允許偵測入射輻射。也就是說，該材料必須具有可吸收特殊頻率處之能量的化學鍵。此等材料將不適於以適用於高速顯微鏡中的效率來散逸機械能量。

假設其係小尺寸，實際上，將一塗層22c塗敷至該支撐樑的兩側比僅塗覆其中一側要容易達成。然而，較佳的係，該支撐樑中較靠近該樣本的一側可保持未塗覆。該單側塗敷足以降低儲存於該探針中之機械能量，且還可於該探針接觸時降低污染該樣本之任何塗敷材料的可能性。

理想上，用於該塗層22c之聚合物材料於該探針預期使用之溫度中在其能量損失頻譜中以及於該支撐樑之主要共振模式之頻率範圍中會有一尖峰。所以，一般來說，其應為橡膠聚合物。或者，亦可使用具有高成份橡膠聚合物之共聚合物或其他複合物。

若被塗敷至該懸臂中之跨間隙(span gap)中則可提高一聚合物塗料之能量散逸效果。也就是說，若一薄聚合物膜橋接該懸臂中之一孔，該膜將會同時於內部散逸能量且以一周圍流體媒體(如空氣)增加該互動區域。因此，透過此方法便可提高黏滯能量散逸，而同時又可最小化該懸臂之彈簧常數。

第三圖顯示一AFM之概略實施方式，一般由符號10來表示，其係運用根據本發明建構之探針之第二實施例。該AFM設備10非常類似於第二圖中所示者，且此二系統中共同的組件均具有相同的元件符號。如前面所述，用以固定該樣本14的板12係裝設於該音叉16之一叉尖上，其可於該xy平面中以一共振或近共振振動加以驅動。該樣本14(以及該板12與叉16)會在x、y與z方向中進行三維掃描，所產生的互動力會相依於該探針22位於該樣本14(欲被成像之像素)上方之xy位置且還相依於位於其上方之高度。該探針22之懸臂組件會於其兩側上塗敷一聚合物膜且加以塑型，俾使其具有很低的彈簧常數，小於1 Nm^-1 。然而，和第二圖中所示之懸臂不同者，根據本發明此實施例之探針22還具有一磁性元件24(第三圖中所示之磁珠)，其係裝設於該尖端22a之上。該AFM之中還併入一磁鐵26，舉例而言於該板12下方，用以提供足夠強度的磁場以便施加一作用力於該磁珠24之上。該作用力可經由磁力矩被施加至該探針或是透過磁梯度。探針偵測機制28係被配置用以測量該探針22之彎曲，其係針對第二圖中所示之設備10。被該探針偵測機制28所收集之資料會經過分析並輸出至一顯示器30。

在使用該設備10取得影像時，用以建立互動力之接觸機制與掃描技術實質上可配合第二圖之設備10進行說明。然而，一旦產生預期大小之互動力，且該探針22之支撐樑22b因而產生彎曲之後，接著便會開啟未呈現於第二圖設備10中之磁鐵26，且於該探針尖端22a之鄰近處產生一磁場B。磁珠24會與此磁場進行互動，其會被導向而使得所生成的磁力將該磁珠24向下吸引朝該樣本14移動。所以，該探針尖端22a便可藉由此磁力之導向作用而與樣本14接觸。開啟該磁場B，該樣本表面便會(於該音叉-樣本級之共振頻率處)振盪，且會於該探針22下方被掃描，並如以往般地處理該輸出信號。

第四圖至第七圖為替代AFM之概略實施方式，一般係以符號10表示，其係運用根據本發明所建構之探針之進一步實施例。於各情況中，該AFM設備10均非常類似於第二圖與第三圖中所示者，且所有設備共同的組件均具有相同的元件符號。如前面所述，該樣本14係裝設於一板12上。與第二圖與第三圖中例示之實施例不同者，於第四圖、第五圖、第六圖及第七圖中，該探針22係裝設於該音叉16之一叉尖上，而該探針相對於該樣本之接近控制以及粗略與精細定位均係受控轉能器18、20，例如壓電轉能器，其會控制該探針22與音叉16之運動，而非該板12的運動。此配置允許利用共振掃描方法讓該探針於該樣本上方被掃描，而非讓該樣本於該靜止探針下方被掃描。針對第四圖，可利用x-y-z壓電轉能器18於該x軸中來掃描該共振器16與探針22；而於第五圖與第六圖中，藉由被連接至該板12之轉能器70便可於掃描期間在掃描方向(x方向)中控制相對的探針/樣本運動。因此，可於二軸中掃描該樣本，而該探針則靜止；或是可於二軸掃描該探針，而該樣本則保持靜止；或是可於其中一軸中掃描該探針或樣本中其中一者，同時可藉由另一者的運動而於另一軸中進行掃描。於第七圖之情況中，可由被連接至該共振器16與探針22之轉能器70來控制相對的探針/樣本掃描運動，而省略精細位置控制，因為並非所有的情況均需要有精確的起始掃描位置。此突顯出使用本發明結合該共振掃描方法便可達成非常快速掃描速率之額外優點。該影像速率高於機械雜訊之常見頻率，且高於慣用定位法中常出現的運動不穩定性。因此便可省略經常需要的高精確壓電轉能器。

於第四圖、第五圖與第七圖中，該探針尖端22a會受一作用力的作用，從而驅策該尖端22a朝該樣本14移動。在第四圖之範例中，該作用力係吸引力，且係因為於該探針尖端22a與該板12間施加偏壓電壓而產生。因此，該探針尖端22a與該板12會串聯跨越一電源供應器60之終端。為於該探針尖端22a與該板12間建立必要之吸引力，除了該阻尼塗料22c之外，該探針還必須具備一導電塗料50，以確保該探針具有低Q係數。在第六圖之情況中，該樣本14與該探針尖端22a係放置於一密封黏滯環境80中，例如一液體環境中。於此實施例中，該電源供應器60會跨接該導電塗料50以及位於該黏滯環境外之樣本板12下方的第二板90。藉由將該探針浸沒於一液體中(於生化樣本之情況中可能會希求此方式)，該探針中便不需要該阻尼塗料22c，因為將該探針裸露於該液體環境之中可導致該探針具有約為1之低Q係數可自。

為瞭解本發明必要之特性，檢視掃描執行時所涉及之作用力的圖式呈現方式會有幫助。此例示於第八圖中，其顯示出與第一圖相同構造且相同的組件具有相同的元件符號。參照第八圖，圖中顯示一樣本1，其被根據本發明之原子力顯微鏡(AFM)之一探針掃描。該探針包含一基板2，一支撐樑3會自此處延伸，該支撐樑3具有一被裝設於遠離該基板2之一端上的尖銳探針尖端4。於準備掃描中，會有一向下作用力(F_external )經由其裝設至該AFM施加至位於其基板端2處的探針上，移動該探針尖端4使其接觸該樣本1。為於掃描期間保持接觸，該作用力F_external 會大於逕將該尖端4帶至接觸該樣本1所需要之作用力。結果，當掃描該樣本時，該支撐樑3會自其停放位置處以符號5所示之F_direct 向上彎曲。和前面相同，該支撐樑彎曲的結果會產生一正比於kx之作用力，且會將該探針尖端4向下引導至該樣本表面。

假使根據本發明設計而成之探針偏離該樣本表面，舉例而言，因為遭遇一隆起部分，那麼有二項因素可協助將其恢復回到接觸狀態。如此便可達成較佳追蹤該表面的目的，甚至於高掃描速度時亦同。第一項因素，如同第三圖至第七圖中所示之實施例中清楚可見般，用以加速該探針使其朝該樣本移動之第二作用力F_direct 可被調整，可降低該作用力以最小化將該探針帶回到接觸該表面所花費之時間。此作用力非常獨立於拓樸形狀，其可縮短該探針之響應時間。第二項因素，該探針可塗敷一能量吸收材料(或浸沒於液體中)，其可降低該探針中所儲存之機械能量，並且可降低先前衝擊對其運動所造成的效應，確保其快速獲得與該表面接觸之穩定狀態。

用於將探針固定至該表面之總恢復力現在則相依於：F_direct +kx理想上，該額外作用力F_direct 會大於該懸臂彎曲作用力 kx。此外，其強度應夠大，足以將探針帶至接觸該表面，其應於約一個像素內保持鬆散接觸。

於第三圖中所繪之實施例中，該額外作用力F_direct 係一磁力，其係藉由施加一磁場至一探針尖端來提供，該探針尖端併入一磁性元件，例如磁珠或磁性塗料。因此，很清楚地，該磁鐵在該AFM中之位置並不重要，其僅需要被配置成可產生一向下的作用力分量將該探針尖端4拉至該樣本1即可。於後續實施例中，該額外作用力F_direct 則係靜電力。

於第二圖中所繪之實施例中，該額外作用力F_direct 仍會促成該探針之追蹤效能，但其原因比較微妙。當該探針與樣本靠近時，一般相信會形成連接兩者之毛細管頸。此毛細管頸被視為係於空中進行成像時由該樣本環境中必定會存在的流體所造成，其會凝縮於該探針-樣本接觸處附近。於正常操作中，吾人發現，源自該毛細管頸之導向作用力F_direct 非常大，其可於該低Q值探針上快速形成該支配性恢復力，即F_direct >kx。這對於親水性表面而言特別適用。藉由選擇具有親水性表面之探針，例如氮化矽，便可確保於該探針與該樣本間形成一毛細管頸。

不論該額外導向作用力F_direct 之來源為何，該探針之低Q值均允許已儲存能量於該支撐樑伸直時快速散逸，且該探針與該樣本表面之接觸則可藉由該導向作用力F_direct 之作用加以恢復。所以便可藉由一種機械回授迴圈來達到利用該探針追蹤該樣本表面的目的，其速度快於根據該懸臂彎曲作用力kx之先前技術追蹤機制。

於本文所述之顯微鏡中，該探針之末端會在遠高於其第一振盪模式之頻率處進行響應。因此，於該探針之彎曲與其垂直位置之間不再存有一簡單關係，因為彎曲程度現在將會相依於其處於該垂直位置處的時間長度。因此，使用以將來自該探針背面之雷射反射至一分離光二極體為主的方法所獲得之影像將不會對應至該表面之拓樸，而是對應至該拓樸與該梯度之組合。為獲得會確實對應至拓樸的影像，舉例而言，可利用干涉法來監控該探針之位移。例如，可利用一光纖干涉儀來監控該探針末端相對於該光纖之位置；或是可利用以渥拉斯頓(Wollaston)稜鏡為主的干涉儀來監控該探針末端相對於另一點之位置；或是可利用干涉顯微鏡來監控該探針末端的位置，在此情況中，該顯微鏡之視場中對應至該探針末端的位置處的光學強度將會根據其垂直位置而改變。無論使用那種方法，現在均可獲得對應至該表面之拓樸的影像，具有度量衡上之特殊應用。

為協助達成F_direct >kx，該探針應被進一步設計成具有一相當低的彈簧常數。一般來說，此常數應小於1Nm^-1 ，藉由適當塑型的探針便可達成。於本發明中，該懸臂偏離僅可用於定義該探針所在之空間位置，即探針與樣本間之互動力，且因而可收集影像。

於一原型探針設計中，該懸臂的典型彈簧常數介於0.01與0.06 Mm^-1 之間。可接受的範圍係相依於欲被成像之特徵的高度。對於50 nm高的特徵來說，該原型探針所施加的恢復力將介於0.5 nN與3 nN之間。施加於該尖端之導向作用力的大小等級估計為1-100 nN，其係由來自該毛細管頸的作用力與靜電力組合而成，如第四圖、第五圖與第七圖中所示之結構所產生般。該靜電力之大小可加以控制以最佳化該影像。經此設定之後，針對最快的必要響應以及最大尖端速度而言，便可將最大可能的作用力施加至該尖端，經檢查其並不會損壞或斷裂該表面。

於樣本追蹤中運用一導向恢復力F_direct 而非依賴懸臂力的能力代表相較於先前技術已有重大改良。藉由提供一儲存機械能量之能力較低的探針，那麼作用於該探針上之主要作用力便係該導向作用力F_direct ，以及該探針被該表面彎曲後立即產生的作用力，該導向作用力F_direct 為該支配性作用力。無論該導向作用力究竟係「自然」力、藉由該毛細管頸所產生的作用力、或是額外的外力(例如經由一磁珠所施加者)，此結果皆適用。於任一情況中，該恢復力的強度實質上係獨立於該探針的位置。相反的，先前技術恢復力kx的強度則會相依於該懸臂與其停放位置相隔的位移x。因此，於該樣本之非常高的區域處便會產生高恢復力。若允許恢復力依此方式改變的話，便很難一直確保樣本不會遭到損壞。根據本發明所實施之恢復機制的強度非常獨立於樣本高度。

如例示般，該外加力未必非得為磁力，不過較佳的係，該作用力的強度不相依於樣本高度。吾人需要有一朝該表面作用的淨力，俾使該探針中來自振盪模式之任何作用力均不會導致該探針離開該表面。因此，該導向作用力F_direct 愈大，該塗料的能量吸收與散逸之預期需求則較不嚴格。就此而言，雖然可以僅依賴F_direct 之來源之毛細管頸之低Q值懸臂來實現本發明，不過，較佳的係亦施加一偏離獨立外力。容易受靜電或磁力作用之探針(如本文所述之實施例中例示者)較容易控制，且可提供更多選擇以形成最高品質的影像。

第九a圖至第九f圖清楚例示本發明優於習用AFM設備之探針效能的改良情形。第九a圖、第九b圖與第九c圖皆為相同表面區域之影像，相同地，第九d圖、第九e圖與第九f圖皆為另一表面區域之影像。於所有情況中，比例棒(scale bar)代表1微米，且被成像之表面的材料則係裝設於一玻璃基板上之結晶聚乙稀氧化物(PEO)。第九a圖與第九d圖係使用本發明之探針所產生之影像，而第九b圖與第九e圖係使用用於監測探針高度變化之習用AFM所產生之影像，而第九c圖與第九f圖係使用用於監控偏斜變化之習用AFM所產生之影像。為產生第九a圖與第九d圖之影像，使用到具有Nanoscope^TM IV控制器之Veeco Dimension 3100^TM AFM，其在一薄聚合物膜中塗敷市售的懸臂。該樣本係被裝設於一微共振掃描器上，該掃描器係由一石英水晶共振器與5微米壓電堆疊(P-802與E-505，德國之Physik Instrument)所構成。為收集第九a圖與第九d圖中之資料，使用到Infinitesima Ltd之共振掃描控制器。

第九a圖與第九d圖係於僅14.3 ms之週期中建構自一128 x 128像素陣列的示意圖，各影像中央之探針尖端速度分別為22.4cms^-1 與16.8cms^-1 。

因此，和習用AFM(收集影像可能需耗用高達30秒)不同的係，藉由本發明便可於數毫秒中產生數微米區域的影像。雖然例示實施例可以和習用AFM顯微術目前所運用者相同的掃描尖端速度來操作，不過，該等實施例可以0 1 cms^-1 來上調尖端速度至，且相依於該樣本表面之均勻度，可達到超過50.0 cms^-1 之尖端速度。舉例而言，，22.4 cms^-1 之尖端速度可於14.3 ms中來成像一4.4 x 4.4微米的區域且可於8.3 ms中來成像一1.5 x 1.5微米的區域。此外，即使以此速度，利用軟性聚合物表面仍可達到解析度橫向大於10 nm且縱向大於1 nm之影像。吾人進一步觀察到，相較於較低的速度，於這些探針尖端速度處，該樣本似乎比較不會遭到損壞。當該探針尖端於各點花費較少時間時，該樣本便較不容易變形，因此較不可能抵達開始塑膠變形的位置點。藉由本發明，該樣本之表面可能會受到約10⁸ ms^-1 的剪力速率，許多聚合物會於該速率處呈現玻璃特性。一般來說，吾人已經發現，較高頻率可將一黏滯-彈性液體向下推使其通過該玻璃轉換溫度，因此該表面的特性便會改變，致使該探針「看來」比較不會損壞該樣本。

本發明之探針係被選為具有低Q值，理想上，可使得任何被誘發的振盪皆會被關鍵阻尼處理。如此處所述，最佳配置與藉由毛細管頸所導致之自然恢復力便足以有效改良追蹤效果者係將能量吸收材料(例如聚合物膜)塗覆於該探針之支撐樑的其中一側或其兩側之上。確保低Q值之替代方式係，尤其是若施加大磁力(或其它額外)力時，審慎地選擇探針形狀。另一種替代方式係藉由於該掃描期間將該探針浸沒於一黏滯/液體環境中以逕行提供低Q係數。另一種替代方式係以電氣方式改變該探針之支撐樑的性質，舉例而言，當該支撐樑係由電響應材料所構成或是包含電響應材料時，其便可提供較低的有效Q係數。

該支撐樑、探針尖端與任何額外組件，例如磁珠，理想上均為低質量。對一特定恢復力來說，此會自然提高該尖端返回該表面之加速度，且因此讓該探針可更佳地追蹤該表面。

該支撐樑可為訂製設計，以提升該理想響應。也就是說，為於該探針追蹤該樣本時最小化因彎曲所造成的方向相依恢復力並且為阻尼該振盪響應，該探針應離開該表面(低Q係數)。雖然本文經常提及懸臂設計，不過，這僅係因為要讓將先前技術AFM適應於此新用途。先前技術AFM使用一懸臂探針。本發明所需者係該探針尖端必須具有相對於該樣本之可定義的橫向位置(x，y平面)，且可於z方向中自由移動。先前技術的AFM懸臂探針便可輕易地執行此功能，但並不代表此為唯一解決方法。

回到包含供該探針尖端使用之支撐樑的實施例中，第十圖例示更精密之樑的各種可能設計特性，自上方處檢視，其可降低該恢復力與降低該Q係數。如本文所述，可利用聚合物塗料結合每項設計來進一步修改該響應。第十(c)圖顯示更傳統的樑形狀，但第十(a)圖與第十(b)圖則描繪可替代的可能例。於各設計中，區域1至4均被反白，各區域均被設計有特殊性質。各圖(a)至(c)例示的係延伸在該基板前方的一或多個支撐樑。

所有情況中之區域1均係樞軸點。亦即，該懸臂樑會以該區域為基準進行以弧擺動。所以，區域1沿著該z軸具有非常低的彈簧常數(理想上<0.01 Nm^-1 )，而於該x，y平面中則具有非常高的彈簧常數。因此，可相對於該基板位置來定義該尖端之橫向位置，但亦允許以很小的偏斜垂直於該樣本表面自由移動。

區域2係形成基本的樑結構。其應相當堅硬，具有很高的基礎共振頻率。

區域3係該彎曲區域，其允許該尖端上下移動，用以將該等樑連接至該尖端區域。此區域之彈簧常數得經選擇使得該尖端之共振頻率高於該探針之響應時間，即大於該機械回授迴圈之頻寬。此區域亦應塗有聚合物，以於空氣中提供阻尼。然而，若於液體中進行成像，那麼藉由該液體環境之能量散逸性質便可大幅克服塗料之需求。

區域4係該尖端區域。該探針尖端係附著至或形成其下表面之一部分。該區域的面積對其位置來說必須夠大，以便由該位置偵測系統來決定，對該光學桿與其他遠場光學系統來說，該位置偵測系統基本上係裝設在大於數微米之橫向大小處。

於將一外部導向作用力施加至該探針以驅策其朝該表面移動之實施例中，響應此作用力之元件可能係位於該尖端區域4之上、該樑區域2之上、或兩者之上。然而，以放置於該尖端處為宜。

第十一圖與第十二圖例示一樑之中的低受控彈簧常數之形成範例。基本上，如第十一圖中所示，此包含於該支撐樑中之所需位置處形成複數個孔。相較於第十一(a)圖，第十一(b)圖與十一(c)圖中所示之設計提供較高的橫向穩定性。舉例而言，如第十二圖中所示，孔的形狀可以改變以控制一聚合物塗料之性質。也就是說，彎曲、方形或其他形狀之孔對該聚合物塗料形成於該樑表面上之方法會有不同的影響，其接著便會影響該懸臂之阻尼性質。

訂製設計探針支撐樑之優點係其允許分離振盪阻尼的不同需求，並降低該偏斜相依恢復力。尤其是，其可被設計成使得當遇到一樣本表面之高區域時僅有支配性模式會被激發。因此，僅需要確保該樑，(舉例而言，藉由其塗料)針對此模式具有低Q值即可，亦於先前技術懸臂樑之多模式需求。

應注意的係，第二圖至第七圖中所示之裝置僅例示示範性AFM。還有許多可實施本發明的不同AFM實施例，，全部皆以省略習用之探針高度回授控制作為獲取影像的主要原理。舉例而言，未必非裝設於一共振器(例如音叉)之上。此配置可直接用於這些實施例中，以便例示本發明可應用至使用共振振盪之快速掃描技術。其同樣可應用於較慢的掃描方法中。或者，亦可振盪該探針22以取代該樣本14。藉由此替代實施例應可想到，在應用光學技術以監控該探針之位移時，該成像光束必須夠寬，以涵蓋該快速掃描軸。

探針偏斜/位移可藉由該光學桿技術以外之方法加以測量。本技藝中已知之其他技巧包含干涉術與壓電塗覆探針以及偵測一受熱探針之輻射輸出中的熱變化。運用干涉術來監控該探針之偏斜/位移，便可自探針偏斜資料中擷取該樣本表面之純拓樸資料，由於該探針於該等頻率處進行響應的關係，所以該探針偏斜資料可代表該樣本表面之拓樸與空間特性之頻率。同樣的，雖然以使用壓電致動器來控制該樣本板/探針之移動為宜，不過，仍可設計出涉及控制棍之熱膨脹的其他致動器。

雖然已經針對在該探針之支撐樑上提供一能量吸收塗料加以描述該探針之Q係數的控制方式，不過，仍可設計出用以控制該探針之Q係數的其他方式，其包含電子控制在內。

為成像大於該探針之掃描區域的表面區域，可產生不同(通常為相鄰)區域之分離連續影像，然後結合以建構該較大區域上的影像。於對每個個別影像進行精细位置調整前，可使用步進馬達或其他致動器於該等分離影像間來移動該探針與/或樣本板。理想上，該等個別掃描區域可選為重疊，致使可對該等個別影像之對齊進行視覺確認。

若使用音叉16，那麼其可為許多市售音叉中其中一者，或為訂製設計者，以提供預期的振盪頻率。合宜的範例係共振頻率32 kHz的石英水晶叉。音叉非常合適於此應用，因為其可被設計成具有極高的各向異性機械性質。所以，其共振係獨立且可被個別激發，致使限制成該樣本之平面中僅有的共振。重要的是，音叉16可於一方向中共振而於另一方向被掃描，而不會於各模式間出現耦合現象。因此，當探針22探訊該樣本14時，便允許該樣本14穩定快速運動。亦可利用同樣可促成妥善分離橫向與垂直共振之替代機械共振器來取代該音叉。

雖然於該探針與該樣本表面之間必須要有作用力互動，不過，本發明並不限於純AFM操作。然而，此操作模式可結合被設計成用以監控探針與樣本間之其他互動或互動指示符號的顯微鏡組件。其他互動之範例包含光學互動、電容式互動、磁性互動、剪力或熱互動。其他指示符號包含振盪振幅，敲擊力或剪力、電容或誘發電流。舉例而言，一般探針顯微鏡之這些各種操作模式皆描述於英國專利申請案第0310344.7號中。

AFM中所運用之探針與該樣本表面之互動亦可影響該表面之性質，且可因而刻意將資訊「寫入」該樣本中。此技巧即已知的奈米微影術，而AFM則針對此目的被廣泛地使用。舉例而言，藉由施加一電壓至一導電懸臂，便可氧化一樣本晶圓之一金屬層的某一區域。運用二光子吸收與光阻之聚合化作用之另一範例則描述於Xiaobo Yin等人於Appl.Phys.Lett.81 (19)3663(2002年)中所發表的「使用一無孔光學探針之近場二光子奈米微影術(Near-field two-photon nanolithography using an apertureless optical probe)」中。於此兩個範例中，非常小尺寸之探針允許資訊被寫入極高的密度的之中。本發明之AFM與懸臂探針亦可被調適成使用於奈米微影術之中。以本發明來改良表面追蹤的能力不僅可提供比先前可達成者更快寫入時間的潛在性，亦提供較高影像解析度(即寫入密度)的潛在性。為使其更適用於奈米微影術中，該探針尖端可具導電性，其經過金屬塗覆，以增加其與該表面之光學互動，或其可以選定的分子種類加以塗覆，以用於沾筆式微影術應用之中。

1‧‧‧樣本

2‧‧‧基板

3‧‧‧感測部件

4‧‧‧尖端

5‧‧‧停放位置

10‧‧‧AFM

12‧‧‧板

14‧‧‧樣本

16‧‧‧音叉

18‧‧‧壓電轉能器

20‧‧‧粗驅動構件

22‧‧‧探針

22a‧‧‧探針尖端

22c‧‧‧塗料

24‧‧‧磁性元件

26‧‧‧磁鐵

28‧‧‧探針偵測機制

30‧‧‧顯示器

32‧‧‧震動隔絕基座

50‧‧‧導電塗料

60‧‧‧電源供應器

70‧‧‧轉能器

80‧‧‧密封黏滯環境

90‧‧‧板

第一圖係先前技術原子力顯微鏡中當懸臂探針與樣本表面接觸時所涉及之作用力之概略示意圖。

第二圖係根據本發明第一實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第三圖係根據本發明第二實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第四圖係根據本發明第三實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第五圖係根據本發明第四實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第六圖係根據本發明第五實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第七圖係根據本發明第六實施例包含一探針之原子力顯微鏡之概略實施方式。

第八圖係第二圖至第七圖之AFM中當探針與樣本表面接觸時所涉及之作用力之概略示意圖。

第九a圖與第九d圖係利用根據本發明之探針所產生之結晶聚乙稀氧化物(PEO)之樣本的兩個分離表面區域之AFM影像。

第九b圖、第九c圖、第九e圖與第九f圖係和第九a圖與第九d圖相同之表面區域之習用AFM影像。

第十圖係本發明之探針的訂製懸臂設計之範例。

第十一圖與第十二圖係一訂製懸臂中的低受控彈簧常數之區域之形成示意圖。