TWI656347B - 檢查樣品表面的掃描探針顯微鏡及方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於用以檢查樣品表面(150)的掃描探針顯微鏡(1200)，掃描探針顯微鏡包含：(a)至少一第一量測探針(330)，其具有一第一固定區域(305)及至少一第一懸臂(310,810,1710,1910)，其中至少一第一量測尖端(320)配置於至少一第一量測探針(330)上；(b)其中至少一第一懸臂(310,810,1710,1910)組態以在掃描程序開始前在至少一第一懸臂(310,810,1910)的一自由端(350)採用一可調整彎曲，可調整彎曲至少部分地補償或增強第一固定區域(305)的一傾斜及/或至少一第一懸臂(310,810,1710,1910)的一預彎；以及(c)至少一光學量測裝置(1300)，組態以決定可調整彎曲。

Description

檢查樣品表面的掃描探針顯微鏡及方法 【相關專利參照】

本專利申請案主張2016年8月8日向德國專利局申請之名稱為「Rastersondenmikroskop und Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberflaeche」的德國專利申請案DE 10 2016 214 658.0的優先權，其以引用的方式將其整體內容明確地併入本文。

本發明關於用以檢查樣品表面的掃描探針顯微鏡及方法。

掃描探針顯微鏡使用一量測探針掃描一樣品或其表面，因此獲得量測資料以產生樣品表面的拓樸表示。掃描探針顯微鏡在下文中簡稱為SPM。不同的SPM類型係根據探針的量測尖端與樣品表面之間的互動類型來區分。通常使用掃描穿隧顯微鏡(STM)，其中在彼此不接觸的樣品與量測尖端之間施加電壓，並量測所產生的穿隧電流。

在稱作原子力顯微鏡(AFM)或掃描力顯微鏡(SFM)的顯微鏡中，量測尖端被樣品表面的原子力偏轉，一般為交換互動的吸引凡德瓦力及/或互斥力。量測尖端的偏轉與作用於量測尖端及樣品表面之間的力成正比，且此力用以決定表面拓樸。

除了這些傳統的SPM類型，還有許多其他的裝置類型用於特定的應用領域，例如磁力顯微鏡或光學及聲學近場掃描顯微鏡。

掃描探針顯微鏡可在不同操作模式下使用。在接觸模式下，量測尖端放置於樣品表面上並以此狀態在樣品表面上掃描。在此情況下，SPM頭在樣品上的距離可保持固定，且承載量測尖端的懸臂或彈簧桿的偏折可被量測並用於對表面進行成像。也有可能以一封閉控制迴路保持懸臂的偏折為固定，並追蹤SPM到樣品表面輪廓的距離。

在第二操作模式(非接觸模式)中，量測尖端被帶到距離樣品表面的一定義距離處，且懸臂被激發而振盪，一般在或接近懸臂的共振頻率下振盪。量測探針接著在樣品表面上掃描。由於量測尖端在此操作模式中沒有接觸樣品，其磨損很低。

在第三操作模式(間歇模式(輕拍模式^TM))中，懸臂同樣進行一強迫振盪，但SPM及樣品表面之間的距離係選擇使得量測尖端在振盪週期的一小部分期間到達樣品表面。樣品表面的輪廓來自強迫振盪的頻率、振幅或相位的變化，該變化是由量測探針與樣品表面的互動所引起。

在第四操作模式(步入式操作模式)中，依序地執行垂直於樣品表面及平行於樣品表面的運動。為此，量測探針的量測尖端下降至樣品表面並同時量測樣品表面及量測尖端之間的互動。之後，量測尖端再次被帶回其初始位置。接著，量測尖端平行於樣品表面位移一定義部分，並以另一降下的過程來繼續分析程序。

作者A.Pasupuleti等人在出版物「預測自變形微機械懸臂的機械行為(Predicting the mechanical behaviour of self-deformed micromachined cantilevers)」，6th Int.Conf.on Thermal，Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems，pp.254-258(2005)中描述了基於懸臂的實證模型的懸臂行為。

在J.Vac.Sci.Technol.B 9(2)，Mar/Apr 1991，pp.1318-1322 中的文章「使用光熱振盪的掃描吸引力顯微鏡(Scanning attractive force microscope using photothermal vibration)」中，作者N.Umeda、S.Ishizaki及H.Uwai描述了借助於脈衝雷射光束的的懸臂振盪的激發及使用光指針系統偵測懸臂的振盪。

美國專利案No.US 6 718 764 B1描述了經由產生一定義永久預應力之微致動器的定義彎曲。

作者B.Rogers、L.Manning、T.Sulchek及J.D.Adams在文章「以壓電懸臂改良輕拍模式原子力顯微鏡(Improving tapping mode atomic force microscopy with piezoelectric cantilevers)」，Ultramicroscopy，100,pp.267-276(2004)中描述在原子力顯微鏡的間歇操作模式下使用壓電懸臂。

Tzvetan Ivanov在其博士論文「Piezoresistive Cantilever mit einem integrierten Aktuator(具有整合致動器的壓阻懸臂)」，Department of Physics at the University of Kassel(2004)中描述具有基於雙型態效應的整合致動器和整合壓阻力梯度感測器的懸臂的發展。

在文章「在低Q環境中對乾淨懸臂反應以光熱激發改造原子力顯微鏡(Retrofitting an atomic force microscope with photothermal excitation for a clean cantilever response in low Q environments)」，Rev.of Scien.Instrum.83，053703-1-053703-8(2012)中，作者A.Labuda等人描述經由懸臂的應力誘發彎曲對懸臂進行光熱激發。

在出版物「掃描近端探針陣列的可控懸臂預偏轉(Controllable cantilever predeflection for arrays of scanning proximal probes)」，MNE 2007中，作者Y.Sarow、Trv.Ivanov、A.Frank，B.E.Volland及I.W.Rangelow提出了自我控制壓阻懸臂的預彎的模擬結果。

在「PRONANO：用於奈米尺度分析和合成的大規模平行智能懸臂探針平台上的整合計畫的程序(PRONANO：proceedings of the integrated project on massively parallel intelligent cantilever probe platforms for nanoscale analysis and synthesis)」，MV-Wissenschaft，Sept.2010，ISBN 978-3-86991-177-9，pp.89-99中的文章「自致動壓阻SPM懸臂的基本原理(Basic principles of self-actuated piezoresistive SPM cantilevers)」，作者I.W.Rangelow等人描述探針配置或二維探針陣列，其中每一探針的每一懸臂具有可使懸臂進行強迫振盪的一整合熱致動器。此外，藉由DC電壓的施加，熱致動器可使懸臂朝向樣品表面偏折。此功能有助於探針配置的個別懸臂的接近，為掃描探針顯微鏡的掃描程序做準備。

在所有傳統的SPM類型中，針對一掃描程序以一限定方式用測量探針的測量尖端接近待掃描的樣品表面是一個耗時的過程。由於在工作位置的量測尖端一般具有在二或三位數奈米範圍的高度，當量測尖端靠近表面時，絕對需要確保量測尖端實際上與樣品有最小距離，且懸臂及其固定板不會沉降在樣品上而非量測尖端，有可能損壞或甚至破壞該樣品。為此目的，承載量測探針的固定板的架座一般從水平面傾斜一特定角度。量測探針的此傾斜的影響為量測探針的量測尖端在樣品表面上不是垂直地沉降。此外，懸臂在其縱向方向上可能不是直的，而是具有曲線。在前述之量測探針的懸臂進行振盪的其中一操作模式下，量測尖端因此描述了有關待檢查的樣品表面的曲線軌跡。因此，掃描探針顯微鏡的解析度特別在當掃描陡峭側翼或具有高外觀比的樣品時會降低。

因此，本發明解決了指定可用以至少部分地避免上述問題的裝置和方法的問題。

根據本發明一範例具體實施例，此問題由申請專利範圍第1項所述的裝置解決。在一具體實施例中，裝置包含用以檢查一樣品表面的一掃描探針顯微鏡，此掃描探針顯微鏡包含：(a)至少一第一量測探針，其具有第一固定區域及至少一第一懸臂，其中至少一第一量測尖端係配置於 至少一第一量測探針上；(b)其中至少一第一懸臂組態以在一掃描程序開始前在至少一第一懸臂的一自由端採用可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強第一固定區域的傾斜及/或至少一第一懸臂的預彎；以及(c)至少一光學量測裝置，組態以決定可調整彎曲。

在本申請案中，術語「傾斜」表示繞量測探針的一橫向軸旋轉，該橫向軸係沿水平方向。在本申請案中，樣品表面配置在一水平面中。

在本申請案中，術語「可調整」一方面表示懸臂的自由端的暫時可變彎曲，其由來自外界的影響所造成。該術語另一方面表示懸臂的自由端的永久彎曲，其實質地補償量測探針的固定區域的傾斜。

可調整彎曲可實現為遠離樣品表面，使得在掃描程序開始前，至少一第一懸臂的自由端係實質平行於待掃描的樣品表面排列。

本申請案的此處及其他地方，表述「實質上」表示當使用根據現有技術的量測儀器來量測量測變數時，在其誤差容忍度內的量測變數的指示。

較佳地，掃描探針顯微鏡量測頭的架座具有相對水平面或樣品表面的傾角，量測探針的固定區域在該架座上固定於SPM量測頭，該傾角使掃描探針顯微鏡的懸臂相對樣品表面傾斜，使得量測尖端為量測探針與樣品表面接觸的第一部份，而不是懸臂或甚至量測探針的固定區域。對掃描探針顯微鏡及/或待檢查樣品的損害可因此而避免。由於此預防措施，掃描探針顯微鏡的量測探針可快速地被帶到一工作位置以進行掃描程序，其結果為此分析儀器的效率提高。

懸臂的自由端的可調整彎曲(量測尖端安裝於其上)較佳在SPM的量測探針接近待掃描或待檢查的樣品表面後，但在開始執行掃描程序之前遠離樣品表面，使得在執行掃描程序期間量測探針的量測尖端與樣品表面案幾乎垂直接觸。因此，在待檢查的樣品表面的掃描期間，量測探 針及掃描探針顯微鏡的成像像差將最小化。這特別適用於表面具有陡峭的側翼及/或表面拓樸具有高外觀比的樣品。懸臂實際上是否具有所需彎曲的事實將藉由在執行SPM的掃瞄程序之前量測懸臂或其自由端實際上是否採用所需彎曲來確認。因此，在量測開始之前，量測尖端相對樣品表面有明確的定向，其結果首先為最佳化SPM的解析度，其次為有助於對量測資料的解讀。根據本發明的掃描探針顯微鏡因此使得即使是具有高外觀比的樣品也能以高解析度來進行掃描。

將量測探針盡可能垂直地導引至待檢查樣品表面、或在振盪操作模式下盡可能垂直地相對待掃描的樣品表面振盪是有利的。掃描探針顯微鏡的解析度可因此而最大化。特別地，因此也可檢查樣品表面上的結構元件的角落及邊緣。

由於懸臂的彎曲的調整及監測發生在實際掃描程序之前，根據本發明的掃描探針顯微鏡可在所有傳統的操作模式下操作。

至少一第一懸臂的自由端的可調整彎曲可實施為朝向待掃描的樣品表面。

懸臂的自由端為位在懸臂具有量測探針的固定區域的懸臂端對面的懸臂端。

為掃描陡峭的側翼，將懸臂彎曲可能是有利的，使得量測尖端在掃描期間也以大角度接近陡峭側翼。由於懸臂的此彎曲，量測尖端可以大角度(理想上以高達90°的角度)掃描特定的陡峭側翼或側壁。此外，藉由懸臂的放大彎曲，可以高解析度分析陡峭側翼及樣品表面之間的特定邊緣及/或角落。整體而言，掃描探針顯微鏡的懸臂的可調整彎曲有可能最小化僅可在不確定性下被偵測或無法被偵測的樣品表面的區域。

至少一第一懸臂的可調整彎曲可定義至少一第一懸臂在一掃描程序期間的一振盪的一零交點。

以此方式調整懸臂的可調整彎曲將致能量測尖端實質上以 一垂直角度接近待掃描的樣品表面。

掃描探針顯微鏡量測頭的至少一架座可組態以具有相對水平面為0.5°到45°、較佳為1.0°到40°、更佳為1.5°到30°、且最佳為2.0°到20°的一傾角。

至少一第一懸臂的可調整彎曲可實施為永久彎曲。

在此範例變化形式中，量測探針的懸臂在生產期間為彎曲，使得其量測尖端在量測探針的固定區域已架設在偏斜架座後實質垂直於樣品表面。這表示量測探針專為SPM量測頭的架座的傾斜度而生產。在掃描程序開始前，依所需量測及校正懸臂的自由端的定向以及量測尖端的定向。

至少一第一懸臂可包含至少兩個材料層，其彼此連接且其具有不同的熱膨脹係數且其永久地相對彼此預加應力。

相對彼此的兩層的預應力可由多種方式產生。在這方面，第二層可在高溫下施加至整個懸臂或懸臂的部分。冷卻後，兩層相互施加應力，且懸臂具有沿其縱向軸的彎曲。然而，舉例來說，也有可能從熱膨脹係數不同的二或更多材料來產生懸臂，接著將其加熱至高於兩材料的其中一者的軟化點(yield point)的溫度，其結果為兩層在冷卻後形成相對彼此的永久預應力。

至少一第一懸臂可包含至少一第一致動器。至少一第一致動器可整合至至少一第一懸臂。此外，至少一第一致動器可配置於至少一第一懸臂的部分區域中。較佳地，至少一第一致動器配置在至少一第一懸臂的自由端的附近。

整合或安裝在懸臂上的第一致動器具有以下優點：懸臂的可調整彎曲可在控制信號的協助下以一定義方式調整。因此，可補償或校正SPM量測頭的架座的不同傾斜角度及/或懸臂的不同預彎曲。光學量測裝置確定是否已正確地設定適合於固定裝置的相應傾斜角的懸臂的彎曲。此 外，藉由光學量測裝置，有可能在掃瞄程序開始前，決定懸臂的自由端是否已正確地採用將懸臂的預彎曲實質補償的彎曲。

第一致動器可更組態以在待檢查的樣品表面上以一固定偏折來掃描懸臂。此外，第一致動器可組態以激發懸臂在一預定義頻率下振盪。

第一致動器可包含多型態(multimorph)致動器及/或壓電致動器。多型態致動器可包含雙型態致動器。雙型態致動器可包含雙金屬元件。

雙型態致動器可由光信號及/或電信號啟動。此外，雙型態致動器可經由電子束啟動。

使用壓電致動器作為懸臂的彎曲元件具有壓電致動器對控制信號快速地作出反應的優點。因此，懸臂的自由端以及量測探針可動態地遠離樣品表面及朝向樣品表面偏折或彎曲，並可因此適應於待掃描的樣品表面的結構。

掃描探針顯微鏡可更包含一雷射系統，其組態以在控制信號被施加到雷射系統時，使至少一第一致動器實現至少一第一懸臂的可調整彎曲。

雷射光束可聚焦至一小焦斑(focal spot)。此外，可精準地調整其在致動器上的入射點。因此，懸臂的材料系統的部分可在雷射光束的協助下選擇性地加熱。因此，雷射光束能夠造成致動器中的一定義溫度變化。因此，透過懸臂沿其縱向軸的可調整彎曲，雷射光束非常適合於將該懸臂快速地且以針對性方式適應於樣品表面的待檢查輪廓。

此外，可使用加熱的調節以激發懸臂並因此激發量測探針的量測尖端振盪。

至少一第一懸臂可包含組態以在控制信號被施加時局部加熱雙型態致動器的加熱裝置。此外，至少一第一懸臂可包含至少一加熱電 阻器，以在控制信號被施加時局部地加熱雙型態致動器的一層。

局部加熱裝置(其形式例如為加熱電阻器)可選擇性地加熱雙型態致動器的部分，並因此而使自由端彎曲一可調整角度，使得懸臂的自由端具有一預定義定向。

彼此連接的至少兩材料層中的其中至少一者可包含形式為在部分區域中植入材料的加熱電阻器。加熱電阻器可由懸臂的摻雜部分實施。摻雜原子可經由植入或擴散而引入至懸臂。此外，有可能藉由氣相沉積或濺鍍施加金屬條帶來產生加熱電阻器。

由於所施加金屬條帶執行兩個功能的事實，具有施加金屬加熱電阻器的懸臂並沒有複雜的結構且可因此有成本效益地生產。兩個功能首先為作為雙型態結構的部分，其次為作為用以在懸臂中產生局部溫度分布的電阻器。

至少一第一致動器可組態以在掃描程序期間保持至少一第一懸臂的可調整彎曲為實質不變。

在掃描程序期間，可獨立於掃描探針顯微鏡的操作模式，藉由光學量測裝置監視懸臂的可調整彎曲。這使得有可能確保在樣品檢查期間維持量測探針的量測尖端相對樣品表面的所需定向。

至少一第一懸臂可包含第二致動器。第二致動器可整合至至少一第一懸臂。第二致動器可組態以激發至少一第一懸臂進行一強迫振盪。此外，第二致動器可組態以在待檢查的樣品表面上以一固定的偏折掃描至少一第一懸臂。第二致動器可以雙型態致動器的形式及/或壓電致動器的形式實施。

由於懸臂包含兩個致動器的事實，因此可得到作用在懸臂上的兩個參數，以首先監視或最佳化該懸臂的彎曲，其次監視或最佳化量測探針與樣品表面的互動。

壓電致動器可組態以執行至少部分地補償量測探針的固定 區域的偏斜的至少一懸臂的可調整彎曲，或執行強化固定區域的偏斜的至少一懸臂的可調整彎曲。

壓電致動器可藉由電流方向的反轉來實現懸臂在兩個相反方向中的運動。

至少一第一懸臂及量測尖端可具有範圍在1kHz-10MHz、較佳在5kHz-5MHz、更佳在10kHz-2MHz、且最佳在15kHz-1MHz的一共振頻率。此外，至少一懸臂可具有範圍在0.001N/m-400N/m、較佳在0.02N/m-200N/m、更佳在0.04N/m-150N/m、且最佳在0.1N/m-100N/m的一彈簧常數。

掃描探針顯微鏡可更包含組態以提供控制信號給第一致動器及/或第二致動器的控制裝置。此外，控制裝置可組態以提供控制信號給一或多個加熱裝置。

電性連接可整合至至少一第一懸臂的固定區域，該電性連接通向一或兩個致動器或一或兩個加熱裝置。

掃描探針顯微鏡的探針現在較佳為可自動變化的。藉由致動器或加熱裝置的電性連接被整合至量測探針的固定區域，量測探針可自動地變化，即不需手動互動。因此，可實現掃描探針顯微鏡的簡單操作。這使得有可能在例如製造環境中使用前文定義的掃描探針顯微鏡。此外，自動探針變化確保高重現性和可靠性。此外，探針變化的自動化使得可能實現小於1分鐘的短探針更換時間。這對在真空環境下操作的掃描探針顯微鏡特別有用。

掃描探針顯微鏡可更包含一偵測裝置，其組態以從樣品表面的拓樸及量測探針的量測尖端的拓樸決定比起沒有以增強方式彎曲的懸臂，以增強方式朝樣品表面彎曲的懸臂是否可更正確地檢查待檢查區域。

至少一光學量測裝置可包含一光指針系統。光指針系統可包含雷射系統及四象限光二極體，且其中雷射系統將一光束導向至至少一 第一懸臂，該光束從至少一第一懸臂反射至四象限光二極體。

當決定懸臂沿其長軸的可調整彎曲時，在光指針系統的具體實施例中的光學量測裝置將致能高準確度。此外，掃描探針顯微鏡通常包含形式為光指針系統的光學量測裝置，使得不需要為了決定懸臂的可調整彎曲而對掃描探針顯微鏡進行複雜的改造。量測探針的縱向軸從量測尖端對稱地延伸至量測探針的固定區域。懸臂的橫向軸在量測探針的平面中垂直於縱向軸。

至少一第一懸臂可包含壓阻感測器及/或壓電感測器。

壓電感測器可用以決定掃描程序期間量測探針與樣品表面的互動。此外，除了光學量測裝置，還可使用壓電感測器用以偵測在掃描期間作用在量測尖端的力。此外，壓阻感測器可用以在掃描程序開始之前量測懸臂的可調整彎曲。

根據另一態樣，掃描探針顯微鏡更包含一測試本體，用以決定至少一第一懸臂的可調整彎曲。

具有定義尺寸的測試本體(其包含特別是具有已知尺寸的一或多個結構元件)可用以校正SPM量測頭的架座相對水平面的傾斜角度、懸臂的可調整彎曲及/或光學量測裝置的回應行為。掃描探針顯微鏡的校正可定期地重複。校正值可儲存於掃描探針顯微鏡的非揮發性記憶體中。校正值可用以從量測探針的一或多個掃描的資料決定懸臂的可調整彎曲及/或用以決定待檢查的樣品表面的拓樸影像。

掃描探針顯微鏡可更包含：(d)至少一第二量測探針，其具有第二固定區域及至少一第二懸臂，其中至少一第二量測尖端係配置於至少一第二量測探針上；(e)其中至少一第二懸臂組態以在一掃描程序開始前在至少一第二懸臂的一自由端採用一可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強第二固定區域的傾斜及/或至少一第二懸臂的預彎；(f)其中至少一第一懸臂及至少一第二懸臂實質上以反平行向量的形式配置。

形式為反平行向量的兩個懸臂的配置使得有可能以高準確度分析例如一網的兩垂直側壁，其由SPM在垂直網的方向上掃描。若兩量測探針之間的距離可調整，網的兩側壁可由兩個量測探針的量測尖端同時地掃描。為此目的，為了掃描相應的側翼或側壁，相應懸臂的量測尖端朝樣品彎曲。因此，可使用量測尖端掃描樣品的區域，其中懸臂的彎曲適應於樣品表面的拓樸。

若表面拓樸的結構為未知，則樣品區域可由實質垂直於樣品表面導引的量測尖端在第一掃描中掃描。從量測資料所產生的影像，決定用於第二掃描之相應量測尖端的懸臂的可調整彎曲。然後，使用彎曲的懸臂再次地掃描待檢查的樣品區域(例如側壁)。接著，從樣品的相同區域的兩次掃描的量測資料產生樣品表面的實際第二影像。若第二影像假設樣品表面的第二影像仍與實際不符，則待檢查樣品區域可使用不同彎曲的懸臂再次掃描。此程序可依需求重複，直到出現樣品表面的待檢查區域的真實影像。

懸臂的可調整彎曲只需要最小質量的運動。因此，可針對一掃描程序非常快速且可重複地準備量測探針。因此，懸臂的可調整彎曲所造成掃描探針顯微鏡的生產力的減少僅微不足道。

掃描探針顯微鏡一般包含易於互換的量測探針及可模組化實施的控制裝置用以產生控制信號。因此，現有的裝置可以簡單的方式由本文所述的量測探針改造。

掃描探針顯微鏡可包含至少兩個第一懸臂及至少兩個第二懸臂，其中至少兩個第一懸臂及至少兩個第二懸臂實質上以相對彼此旋轉90°的方式配置。

在一範例具體實施例中，掃描探針顯微鏡包含四個懸臂，其在每一情況下以實質為90°的角度配置，且其量測尖端朝向彼此。在此組態中，與掃描方向無關，掃描探針顯微鏡可高度準確地分析具有彼此垂直 延伸的網的樣品，例如光學微影光罩的吸收體圖案的元素。

根據另一範例具體實施例，上述問題由用以檢查樣品表面的一方法解決。用以使用包含一固定區域及至少一懸臂的至少一量測探針來檢查樣品表面的方法包含一系列步驟：(a)在一掃描程序開始前，調整在至少一懸臂的一自由端的一可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強固定區域的傾斜及/或至少一懸臂的預彎；以及(b)在掃描程序開始前使用一光學量測裝置，以決定至少一懸臂是否採用可調整彎曲。

另一態樣更包含以下步驟：以一接觸操作模式、以一非接觸操作模式、一間歇性操作模式或一步入式操作模式執行掃描程序。

另一態樣更包含以下步驟：當執行掃描程序時，以一封閉控制迴路操作至少一懸臂。

包含具有可沿其縱向軸調整的彎曲的懸臂的掃描探針顯微鏡可在所有傳統的操作模式下操作。因此，懸臂的可調整彎曲的調整對包含相應懸臂的SPM的使用沒有任何缺點。

另一態樣更包含以下步驟：若在步驟(b)中的決定顯示至少一懸臂沒有正確地採用可調整彎曲，則重複步驟(a)及步驟(b)。

所述方法的一優點為可改變懸臂的可調整彎曲，直到懸臂的自由端具有一預定義定向。如前文所解釋，懸臂的自由端的可調整彎曲可補償量測探針的固定區域相對水平面的傾斜及/或懸臂的預彎曲。

另一態樣包含以下步驟：在決定至少一懸臂的自由端已採用相對待掃描的樣品表面的預定義定向後，在待掃描的樣品表面上掃描至少一量測尖端。

至少一懸臂的可調整彎曲可以使得待掃描的樣品表面有可能被量測尖端實質垂直地接近。

可調整彎曲可更包含：將至少一懸臂彎曲遠離待掃描的樣品表面，使得在掃描程序開始前，至少一懸臂的自由端實質平行於待掃描 的樣品表面排列。此外，可調整彎曲可包含：將至少一懸臂的自由端朝向待掃描的樣品表面彎曲。

另一態樣包含以下步驟：偵測樣品表面的拓樸，其實質對應量測尖端的輪廓，以決定是否傾向增強至少一懸臂的可調整彎曲。

另一態樣包含以下步驟：基於所偵測的樣品表面的高度梯度決定量測探針的懸臂是否以一強化方式彎曲。

上述定義的方法使得有可能在相應樣品區域的更新掃描的協助下，藉由懸臂的自由端的相應強化彎曲，在掃描程序期間識別陡峭的高側或增加樣品表面的掃描的準確度。

根據另一態樣，上述的掃描探針顯微鏡執行上述的一方法。

電腦程式可包含指令，若指令由前述掃描探針顯微鏡的其中一者執行，將使掃描探針顯微鏡執行前述其中一態樣的方法步驟。

控制裝置可組態以使一掃描探針顯微鏡執行前述方法的方法步驟。

100‧‧‧圖式

110‧‧‧樣品

120‧‧‧基板

130‧‧‧結構元素

140‧‧‧掃瞄

145‧‧‧線

150‧‧‧樣品表面

160‧‧‧缺陷

200‧‧‧圖式

260‧‧‧缺陷

300‧‧‧圖式

305‧‧‧固定區域

310‧‧‧懸臂

312‧‧‧位置

315‧‧‧位置

317‧‧‧位置

320‧‧‧量測尖端

325‧‧‧尖端

330‧‧‧量測探針

340‧‧‧架座

350‧‧‧自由端

360‧‧‧軌跡

370‧‧‧縱向軸

380‧‧‧水平面

390‧‧‧傾斜角度

400‧‧‧圖式

410‧‧‧側壁

420‧‧‧側壁

430‧‧‧輪廓

440‧‧‧區域

450‧‧‧量測不確定圖

500‧‧‧圖式

610‧‧‧計算曲線

620‧‧‧計算曲線

630‧‧‧計算曲線

800‧‧‧圖式

810‧‧‧懸臂

860‧‧‧軌跡

910‧‧‧曲線

920‧‧‧曲線

930‧‧‧曲線

1100‧‧‧圖式

1105‧‧‧固定區域

1130‧‧‧探針

1150‧‧‧固定區域

1200‧‧‧顯微鏡

1210‧‧‧樣品

1215‧‧‧定位裝置

1225‧‧‧樣品台

1260‧‧‧雷射系統

1265‧‧‧雷射光束

1270‧‧‧光偵測器

1275‧‧‧雷射光束

1280‧‧‧控制裝置

1282‧‧‧連接

1284‧‧‧連接

1290‧‧‧雷射系統

1295‧‧‧雷射光束

1300‧‧‧光學量測裝置

1400‧‧‧圖式

1442‧‧‧層

1444‧‧‧層

1460‧‧‧位置

1500‧‧‧圖式

1560‧‧‧加熱電阻器

1565‧‧‧引線

1575‧‧‧引線

1600‧‧‧圖式

1660‧‧‧壓電致動器

1665‧‧‧引線

1675‧‧‧引線

1710‧‧‧懸臂

1790‧‧‧傾斜角度

1900‧‧‧圖式

1905‧‧‧固定區域

1910‧‧‧懸臂

1920‧‧‧量測尖端

1930‧‧‧探針

1950‧‧‧自由端

1970‧‧‧縱向軸

2100‧‧‧流程圖

2200‧‧‧流程圖

以下詳細描述將參考所附隨的圖式描述本發明目前的較佳範例具體實施例，其中：圖1的上半部顯示在由掃描探針顯微鏡(AFM)掃描的樣品的基板上具有條帶的光學微影圖案化樣品的摘錄，且下半部顯示在條帶上沿掃描線之AFM的量測探針的掃瞄；圖2實質地表示圖1中樣品的摘錄，該摘錄由掃描電子顯微鏡所擷取；圖3示意地顯示掃描探針顯微鏡的量測探針，該量測探針的架座具有相對水平面的一傾斜角，並藉此將量測探針的固定區域相對水平面傾斜相同角度； 圖4描述量測探針在圖1的樣品的元件的兩側壁上的掃描的示意圖，且在下半部圖式中再現樣品結構的掃描區域的輪廓，該輪廓由掃描決定；圖5描述傾斜、振盪懸臂的自由端的軌跡示意圖；圖6描述懸臂的自由端及量測尖端的計算路徑運動，其具有針對0°的架座傾斜的懸臂的變化曲率(點線及實線)及針對8°的架座傾斜的量測尖端的變化曲率(虛線)；圖7顯示圖6的一摘錄；圖8顯示遠離樣品表面彎曲的懸臂的自由端的軌跡示意圖；圖9再現圖6的自由端或量測尖端的計算路徑運動，其中量測尖端遠離樣品表面彎曲；圖10顯示圖9的一摘錄；圖11的上半部顯示一傾斜懸臂，其中由遠離樣品表面的懸臂的自由端的彎曲實質地補償傾斜，且在下半部圖式中描述相對圖4的彎曲懸臂的改良；圖12示意地再現掃描探針顯微鏡的某些重要組件；圖13示意地顯示圖12的光指針系統的重要組件；圖14示意性地顯示通過具有V型懸臂的掃描力顯微鏡的探針及架座的平面圖(頂部)及剖面圖(底部)；圖15再現加熱電阻器被施加在懸臂的臂的大部分上之後的圖14的量測探針；圖16示意地顯示通過掃描力顯微鏡的量測探針及架座的平面圖(頂部)及剖面圖(底部)，其中壓電致動器已安裝在V型懸臂的兩臂的大部分上；圖17示意地顯示相對水平面傾斜的量測探針，其中懸臂的自由端具有遠離樣品表面的永久彎曲； 圖18示意地顯示傾斜的懸臂，其自由端具有朝向樣品表面的暫時彎曲；圖19的上半部示意性地顯示兩個量測探針，其為平行配置且其量測尖端指向彼此，其自由端補償懸臂的傾斜，下半部圖式示意性地顯示上半部圖式的兩個量測探針，其懸臂係彎曲朝向樣品表面；圖20示意地描述四個探針的組態，其量測探針朝向彼此；圖21再現用以使用量測探針檢查樣品表面的方法流程圖，其中可以調整懸臂的自由端的定向並因此可調整量測尖端；以及圖22描述用以調整懸臂的自由端的彎曲的一範例方法的流程圖。

下文將參考圖1到圖4簡短地討論傳統的掃描探針顯微鏡在掃描具有高外觀比的結構時的困難。之後，將更詳細地解釋根據本發明的裝置及根據本發明的方法的當前較佳具體實施例。

圖1的範例圖式100在上半部圖中示意性地顯示結構化樣品110的摘錄，其包含具有週期性條帶結構130的元素的規則圖案。週期性條帶的側壁非常陡峭；其理想上為垂直的。樣品110的摘錄係使用原子力顯微鏡(AFM)作為掃描探針顯微鏡(SPM)的一範例來進行掃描。圖式100的下半部表示AFM或SPM沿線145或掃描線145(即垂直於條帶結構130的元素)的掃描140。如從圖1的下半部圖可看出，週期性條帶130的高度稍微超過60nm。從下半部圖中同樣也可得到週期性條帶130具有約為200nm的寬度。樣品110的基板120及條帶結構130的元件的表面基本上都是平面的。

此外，在下半部圖中的掃瞄140顯示條帶130的右側壁的量測以與左側壁的量測不同的角度傾斜。這顯示在SPM或AFM的協助下對圖1所示的結構化樣品110的摘錄的成像的第一個困難。

從圖式100的上半部，可另外看出條帶結構130的中心元素或中心條帶具有沿右側翼或側壁的缺陷160，而條帶結構130的此元素的左側壁看起來沒有任何缺陷。圖2中的圖式200實質上再次顯示了來自圖1中圖式100之包含基板120及週期性條帶結構130的樣品110的摘錄。圖2中的圖式200係在掃描電子顯微鏡(SEM)的協助下擷取。除了沿條帶結構130的中心元素的右側壁的缺陷160之外，此顯微照片顯示中心結構元素130的左側翼也具有缺陷260。這表示AFM或SPM無法或至少無法明確地沿條帶結構130的一元素的左側邊緣來成像缺陷260。

圖1顯示在樣品110的基板120上具有結構元素130的樣品表面150的範例，其中結構元素130具有高外觀比(即結構的高度或深度與其(最小)寬度的比例)。此外，條帶結構130的元素具有陡峭的側壁或側面。以條帶130結構化的樣品110因此非常適合用以說明本發明所要解決的問題。此外，可基於此範例描述此問題的解決方案的功效，如本申請案所揭露。然而，本文所描述的掃描探針顯微鏡連同相關的方法並不限於對具有條帶結構130的樣品110的應用。而是，根據本發明的掃描探針顯微鏡及根據本發明的方法可用以分析任意的樣品。

圖3中的圖式300表示具有固定區域305或固定板305、懸臂310或彈簧桿310、及量測尖端320的量測探針330。在固定區域305的協助下，量測探針330固定在AFM量測頭的架座340上。這可藉由例如夾合來實現。

藉由架座340，量測探針330因此而併入一掃描探針顯微鏡(未示於圖3)中。量測探針330或探針330的量測尖端320較佳為安裝在懸臂310的自由端350附近。在圖3中，架座340及量測探針330的固定區域305或固定板305相對水平面380繞一橫向軸(其垂直於圖式300範例中的繪圖平面)傾斜或偏斜一角度390。架座340沿懸臂310的縱向軸370傾斜。傾斜角度390一般在5°到20°的範圍。位置315顯示傾斜或偏斜的懸臂310處於其靜止位 置。位置312及317表示振盪懸臂310的最大偏折的位置。位置315表示一強迫振盪的零交點。在振盪期間，懸臂310的自由端350沿軌跡360進行一運動。對於懸臂310的偏折312、317，懸臂310的量測尖端320的尖端325的路徑運動將跟隨軌跡360。為清楚起見，在懸臂310的位置315及317處將不顯示量測尖端320。

圖4中的圖式400顯示偏斜或傾斜探針330如何產生圖1中的圖式100。在圖4中，量測探針330分析樣品表面150，其中架座340或安裝在架座上的壓電元件激發懸臂310進行強迫振盪。在圖4的左上部分，探針330掃描樣品110的條帶結構130的一元素的表面。在上半圖的中間，懸臂310的量測尖端320沿條帶元素130右側壁410掃描。圖式右上部分顯示光罩的條帶結構130的一元素的左側壁420的掃描。圖式下半部顯示從圖4的上半部圖式的掃描所選取的輪廓。結構元件130的實質平面表面可由相對垂直於樣品110表面傾斜的量測尖端320以高解析度檢查。這對樣品110的基板120也是適用的。結構元素130的右側壁的分析(量測尖端320相對於其表面具有不同於零的小角度)也可由量測尖端320以合理的解析度分析。在條帶結構130的元素的左側橫向邊界420的檢查期間，然而，偏斜的量測尖端320的尖端325當下降至樣品表面150時將遠離側壁420的表面移動。這導致側壁420或條帶結構130的元件的邊緣的分析期間有大的量測不準確性，其導致輪廓430中左側壁420的錯誤表示440。傳統掃描探針顯微鏡的量測資料在輪廓430的區域440中不是很有彈性。線450透過一量測不確定圖來表示上述解釋。量測不確定性的區域(即條帶結構130的元素的左側壁的區域)在量測不確定性圖中以點線表示。

圖5的圖式500描述懸臂310的量測尖端320的尖端325在其沿路景區線360的移動期間的移動分解成高度變化及橫向變化。

圖6顯示懸臂310的自由端350的計算曲線(點線610)、懸臂310的量測尖端320的尖端325的計算曲線(實線620)、及在架座340以及固定 區域305或懸臂310朝樣品表面150的8°額外偏斜的情況下的懸臂310的量測尖端320的尖端325的計算曲線(虛線630)。曲線表示懸臂310延伸達懸臂310的自由端350的90°彎曲的高度誇張的彎曲。經由懸臂310的曲率的量測尖端320的尖端325的高度變化h=10.23μm導致同樣為10.23μm的區域中的橫向偏移(綠色曲線)。若懸臂310為彎曲狀使得彎曲為90°，懸臂的自由端描述90°的圓弧段。在此特定的情況下，垂直及水平偏移實質上相同。額外的8°傾斜角度390導致量測尖端320的尖端325的8.7μm高度變化及約為11.0μm的橫向偏移(虛線630)。

圖7顯示圖6中計算曲線右上角的放大視圖。懸臂310的量測尖端320的尖端325的1μm的高度變化造成約0.2μm的橫向偏移。相較之下，針對具有8°傾斜角度的懸臂310，1μm的高度變化導致約0.4μm的量測尖端320的尖端325的橫向偏移。

圖8中的圖式800顯示彎曲懸臂810的自由端360的軌跡860。懸臂810的彎曲係遠離樣品表面150。此外，懸臂810具有相對水平面380繞量測探針330的橫向軸的偏斜或傾斜。

圖9中的圖式再現針對高度誇張振盪激發的彎曲懸臂810的自由端350的計算軌跡(點線910)。實線軌跡920表示量測探針330的量測尖端320的尖端325的路徑。最後，虛線曲線930顯示當懸臂810的固定板305的彎曲懸臂810具有8°傾斜角時量測尖端320的尖端325的路徑運動。

圖10以類似圖7的方式顯示圖9中計算曲線右上角的放大視圖。懸臂810的自由端350(點線910)或量測尖端320的尖端325的1μm的高度變化造成約10nm的橫向偏移。給定此偏轉，偏斜、彎曲的懸臂860(傾斜角度8°)造成量測尖端320的尖端325約為20nm的橫向偏移。

圖11的上半圖顯示探針1130或量測探針1130，其固定區域係固定於一偏斜架座340上。架座340的傾斜角度390由遠離樣品表面150的懸臂810的可調整彎曲來補償，使得懸臂810的自由端350實質平行於樣品表 面150對齊。彎曲懸臂810的量測尖端320的尖端325實質垂直地接近樣品表面150。在掃描探針顯微鏡的振盪操作模式中，量測探針330的尖端325實質執行一垂直運動1110。尖端325的橫向偏移由彎曲懸臂810最小化。從圖11的圖式1100的下半部與圖4(參考量測不確定圖450)比較可看出，藉由最小化量測尖端320的尖端325的橫向運動，受到高度不確定性困擾的輪廓1150的區域也同樣被最小化。

圖12示意地顯示掃描探針顯微鏡1200的某些組件，其中的SPM量測頭包含用以將量測探針330、1130併入SPM 1200的架座340。掃描探針顯微鏡根據用於檢查樣品1210的測量變數來進行區分。掃描穿隧顯微鏡(STM)使用樣品1210與量測尖端320之間的穿隧電流，當施加一電壓於樣品1210及量測尖端320之間時將發生該穿隧電流，用以分析樣品1210的樣品表面150的拓樸。原子力顯微鏡(AFM)從樣品1210所造成的量測尖端320的偏折來決定樣品1210的表面拓樸150。磁力顯微鏡(MFM)量測樣品1210與量測尖端320之間的磁力。掃描近場選擇顯微鏡(SNOM)使用消散電磁波作為樣品1210與量測尖端320之間的互動。掃描近場聲學顯微鏡(SNAM)使用近場聲學互動用以掃描樣品1210的表面拓樸。掃描探針顯微鏡的此列舉並非完整的。

懸臂810繞量測探針330的橫向軸的可調整彎曲的原理(如在本申請案中所述)可應用至具有一懸臂的所有類型的掃描探針顯微鏡的探針，即彈性可彎曲的槓桿臂或簡稱彈簧桿。量測探針不具有懸臂的掃描探針顯微鏡在用於本申請案所述組態之前需配備有懸臂810。下文將解釋原子力顯微鏡(AFM)作為掃描探針顯微鏡1200的一範例。

圖12所述的原子力顯微鏡1200可在環境條件下或在真空腔(未示於圖12)中操作。待分析的樣品1210配置於樣品台1225。樣品台1225可由定位裝置1215在三個空間方向中定位。定位裝置1215包含例如一或多個微位移元件，例如形式為主軸致動器及/或壓電致動器(未示於圖12)。

量測探針330、1130經由架座340固定於原子力顯微鏡(AFM)1200的保持裝置(未示於圖12)上。保持裝置可經由壓電致動器(未示於圖4)連接至AFM 1200的量測頭。將架座340連接至AFM量測頭的保持裝置的壓電致動器可執行掃描裝置的功能。替代地或補充地，在另一具體實施例中，有可能將定位裝置1215及將架座340連接至保持裝置的壓電致動器之間的樣品表面150及量測尖端320間的相對運動分開。舉例來說，定位裝置1215在樣品平面(xy-平面)中執行樣品1210的運動且上述的壓電致動器實現量測尖端320在垂直於樣品的方向(z方向)中的運動。

然而，較佳地，以靜止的方式實施樣品台1225且量測尖端320由微位移元件(未示於圖12)帶到樣品1210的待分析區域。

探針330、1130的量測尖端320可在複數個操作模式下操作。首先，其可在樣品1210的表面150上的固定高度處掃描。或者，探針330、1130可在封閉控制迴路中以恆定力在樣品表面150上導引。此外，在調解方法的協助下，有可能使懸臂310、810垂直於樣品表面150振盪，並藉此在一封閉控制迴路中掃描樣品1210的表面150。在此情況中，懸臂310、810可在其共振頻率下振盪(自振盪)或執行在預定義頻率下的強迫振盪。在首先提到的情況中(即懸臂310、810或探針330、1130在共振下振盪)，進行FM(調頻)解調，其中量測由量測尖端320及樣品1210之間互動所造成的頻率變化。在共振頻率附近強迫振盪的情況下，執行AM(調幅)解調以偵測由量測尖端320及樣品表面150之間的互動所改變的振盪的振幅。

由於量測尖端320與樣品1210的表面150的互動所造成的量測尖端320或懸臂310、810的偏折可使用光指針系統量測。圖13顯示一光指針系統1300。在圖13中，為清楚說明，再次分別地說明此一系統的重要組件。雷射系統1260將雷射光束1265導向至懸臂310、810的自由端。從懸臂310、810反射的雷射光束1275由光偵測器1270接收。光偵測器1270通常以四象限光二極體的形式實施。也有可能使用雙段光二極體。因此，可像懸 臂310、810的預彎及/或扭轉一樣量測用以補償傾斜角度390的懸臂310、810的自由端350的可調整彎曲。量測懸臂310、810的扭轉需要四象限光二極體作為光偵測器。

此外，可使用光學干涉儀以決定量測探針330的量測尖端320與樣品表面150之間的距離。使用光學干涉儀也可能決定量測尖端在z方向上(即垂直於樣品表面150)的運動(未示於圖12)。此外，也可在懸臂810的壓阻元件或感測器(未示於圖12)的協助下偵測懸臂810的自由端350的對齊。此外，也有可能從光學信號與壓阻元件的量測資料的結合來決定懸臂810的自由端350相對樣品表面150或水平面380的定向(同樣未示於圖12)。

此外，原子力顯微鏡1200包含控制裝置1280。後者經由用於控制信號的引線1284連接至第二雷射系統1290。在圖12所示的範例中，在固定區域305附近的第二雷射系統1290的雷射光束1295被導引至懸臂810於V型懸臂810的兩臂上，以局部地加熱懸臂810的雙型致動器。以個別彈簧桿的形式選擇懸臂310使得有可能僅使用一個光束來工作，從而有助於雷射光束1295的調整。

對第二雷射系統1290沒有特別的要求。其波長可任意地選擇。然而，在電磁頻譜的可見範圍內的波長有助於雷射光束1295的調整。此外，選擇雷射輻射的波長使得吸收輻射的比例盡可能高是有利的。對懸臂810的局部加熱部分，數mW的輸出功率已足夠。為了實現懸臂810的部分的局部加熱，需要聚焦在<10μm的一焦斑(focal spot)。特別地，焦斑應小於懸臂310或V型懸臂810的臂的寬度，使得只有很少的雷射輻射通過懸臂310、810到達樣品150、1210。在V型懸臂810的情況中，兩臂應被均勻地輻照。這些要求對現代的雷射系統來說沒有問題。兩個雷射系統1260及1290的波長為不同是有利的。接著，有可能使用濾波器以避免雷射1290對光偵測器1270的信號的干擾(例如由於散射光)。

此外，控制裝置1280具有連接至架座340的第二連接1282。 經由連接1282，來自控制裝置1280的控制信號可傳送至探針1130的懸臂810。在後續圖式中顯示用於原子力顯微鏡1200的數個範例懸臂810。熟此技藝者將理解到同樣可使用其他類型的懸臂，例如圖3中所述的懸臂310。此外，懸臂810的自由端350的可調整彎曲可藉由經由連接1282及/或1284施加控制信號或調整信號到懸臂810來實現。

圖14中的圖式1400的上半部顯示探針1130的平面圖，且下半圖顯示通過探針1130的對稱平面或縱向軸370及量測探針320的剖面圖。圖14下方所示的yz平面對應通過懸臂810及其量測尖端320的截面。如前文已在圖3的討論的上下文中所作的解釋，探針1130具有固定區域1150、量測尖端320及懸臂810。在固定區域1105的協助下，量測探針1130安裝於架座340上。懸臂810包含彼此相疊配置且具有不同的熱膨脹係數的兩層1442及1444。兩層1442及1444可例如由半導體及/或電絕緣材料建構。此處應提到矽(Si)作為半導體層的範例，及氮化矽(Si₃N₄)作為絕緣體材料的範例。此外，兩層1442或1444中的一個有可能包含金屬層，例如鋁層或鉻層，且第二層有可能包含半導體層或電絕緣層，例如聚合物層。此外，只要該材料具有不同的線性熱膨脹係數，所有材料都可用於兩層1442和1444。

此外，可想像得到，將不同元素或不同化合物在在整個區域上植入到懸臂810的材料中或到部分區域中至一特定深度，以因此而產生第二層，其線性膨脹不同於懸臂310、810的材料。在此情況下，可使用半導體製造中已知的方法及材料。可從懸臂310、810的頂側(即遠離量測尖端320之側)及/或從懸臂310、810的下側(即具有量測尖端320之側)進行植入。

量測尖端320可由懸臂810的下層1444的材料、由上層1442的材料、或由不同的材料產生。這同樣適用於固定區域1105或固定板1105。這表示可整體地實施量測尖端320、層1442或1444的其中一層及固定板1105。或者，個別或所有組件可由適當材料分開地製造，然後再彼此連接，例如藉由黏劑接合。

懸臂310、810的對稱溫度變化導致在yz平面中的懸臂810的自由端350的彎曲。懸臂810的局部加熱可例如以雷射系統1290的雷射光束1295在位置1460處由光束的局部輻照來產生。懸臂810的彎曲為與在位置1460引入的光功率成比例的第一近似。除了雷射光束1295的光功率之外，懸臂310、810的自由端350的彎曲範圍也取決於雷射光束1295入射在懸臂310、810上的位置1460。此外，雷射光束1295撞擊於其上的材料的吸收係數及其特定的熱傳導(以及輻照的持續時間)將影響懸臂310、810的自由端350的可調整彎曲。

當控制裝置1280的控制信號經由連接1284施加至雷射系統1290，由於懸臂810的低質量，懸臂810的可調整彎曲在微秒範圍內以非常短的時間常數實現。從雷射光束1295在懸臂810上的位置1460處的第一次入射到在懸臂810內設定穩定狀態的持續時間很大程度上取決於層1442及1444的材料的熱導性。此外，該時間常數受到懸臂310、810的膨脹以及受到固定板1105的體積及材料很大的影響。熱時間常數因此在數微妙到毫秒的範圍內變化。在雷射光束1295被控制裝置1280關閉後，懸臂310、810再次回到熱平衡的時間常數通常更大。

為了讓懸臂310、810的自由端350在掃描程序期間維持彎曲，因此必須藉由持續的能量供應來維持局部溫度梯度。若量測探針1130在調解方式下操作，懸臂810在z方向上振盪。然而，懸臂振盪的振幅一般為小(<1μm)，因此後者對第一近似可忽略。

在位置1460區域中的局部溫度增加不僅取決於雷射光束1295的功率，也取決於雷射光束1295在懸臂810上的材料1442及1444及位置1460。

圖14所示的範例懸臂810包含具有不同熱膨脹係數的兩個材料。也有可能將三個或更多材料相疊配置。然而，三個或更多不同材料相疊配置的情況下，應注意確保懸臂810的共振頻率維持在10kHz到20MHz 的範圍內。

此外，在圖14所示的範例中，兩層1442及1444在整個懸臂810上延伸。然而，也有可能層1442及1444的其中一層或兩層沒有在整個懸臂810上延伸(未示於圖14中)。

圖15的圖式1500顯示圖14中的懸臂810，其包含具有不同熱膨脹係數的兩個材料1442及1444。此外，懸臂810包含形式為兩個加熱電阻器1560的加熱裝置，其安裝於懸臂810的兩臂上。加熱電阻器1560可例如以薄塗層的形式實施。當前的較佳材料為鋁。鋁首先具有高的熱膨脹係數，其次有相對高的電阻。具有類似特性的其他金屬同樣也可使用。

為簡化起見，加熱電阻器1560在圖15中以矩形的形式來表示。加熱電阻器一般具有蜿蜒的電導體結構。在此情況下，導體的寬度在數微米的範圍內。導體的長度一般為數百微米，例如200μm到500μm。

下文將基於一範例解釋加熱電阻器應用於懸臂810。例示性懸臂810包含4.6μm厚的矽層。後者由0.6μm厚的氧化矽層覆蓋。在第一步驟中，在氧化矽層上沉積一薄鉻層(約50nm)作為黏著促進層。在鉻層上沉積形式為折疊導體結構的1μm厚的鋁層，其作用為加熱電阻器。

加熱電阻器也可藉由植入摻雜物到半導體懸臂310、810而產生。此程序在「PRONANO：用於奈米尺度分析和合成的大規模平行智能懸臂探針平台上的整合計畫的程序(PRONANO：proceedings of the integrated project on massively parallel intelligent cantilever probe platforms for nanoscale analysis and synthesis)」一書中有描述，其由Thomas Sulzbach和Ivo W.Rangelow編輯，Münster：出版商Monsenstein和Vannerdat，ISBN：978-3-86991-177-9。

在圖15所述的具體實施例中，除了懸臂810的兩層1442及1444，也施加了加熱電阻器1560。然而，當施加加熱電阻器1560時，也有可能省去兩層1442及1444中的一層。具有不同於懸臂810的層1442及1444的 線性熱膨脹的加熱電阻器1560接著執行懸臂810的第二層的功能。然而，有可能藉由植入摻雜物至懸臂810的臂中來產生加熱電阻器1560。

加熱電阻器1560具有兩個引線1565及1575，其通過量測探針1130的固定區域1105並將加熱電阻器1560經由連接1282連接至控制裝置1280。

加熱電阻器1560允許安裝加熱電阻器1560於其上的懸臂810的局部加熱。以類似於在圖14的討論的上下文中所解釋的方式，懸臂810的局部加熱導致量測探針330的自由端350及懸臂810相對樣品表面150的可調整彎曲。用以在懸臂810內設定在加熱電阻器1560的局部熱供應與固定板1105的熱散逸之間的一穩定狀態的熱時間常數具有與前述相同的數量級。由於懸臂810的低質量，即使在數mW範圍內的低電功率就已足夠(一般在2mW到10mW的範圍)，其由加熱電阻器1560轉換為熱，以可調整地彎曲懸臂810的自由端350。

加熱電阻器1560可數位地操作，即當施加控制信號時，一預定義電壓施加至加熱電阻器1560且後者將一定義電功率轉換為對應的熱能量。或者，加熱電阻器1560也可以類比的方式操作，使得加熱電阻器1560的電功率耗損可根據出現在引線1565及1575上的電壓而設定。若使用圖12所示的原子力顯微鏡，加熱電阻器1560也可用於封閉控制迴路。在此情況下，懸臂810的自由端350的定向與水平面370的偏差(其可經由光指針系統決定)可作用為控制變數。

在圖15的範例中，加熱電阻器1560安裝於懸臂810的頂側。在一替代形式中，加熱電阻器1560可安裝於懸臂810的底側(未示於圖15)。這具有的優點為，加熱電阻器無法不利地影響用以決定懸臂810的自由端350的彎曲及/或偏折的雷射光束1265的位置。另一方面，安裝於懸臂640底側的加熱電阻器稍微地降低了懸臂810與樣品表面150之間的距離。

圖14及圖15描述用於原子力顯微鏡的探針1130，其懸臂以V 形的方式實施。然而，在此申請案中所定義的原子力顯微鏡也可使用其懸臂以不同方式組態的探針1130，例如圖3中的條帶型懸臂310。

圖16中的圖式1600顯示懸臂810，其具有壓電致動器1660安裝於其兩臂上。懸臂810包含實質均勻的材料層1442。壓電致動器1660經由引線1665及1675及1282及連接至原子力顯微鏡1200的控制裝置1280。

壓電致動器可以例如氧化鋅(ZnO)致動器的形式施加至懸臂810，如前文針對加熱電阻器所述。這例如由作者S.R.Manalis、S.C.Minne及C.F.Quate在文章「使用具有積體致動器及感測器的懸臂的用於高速成像的原子力顯微鏡(Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with an integrated actuator and sensor)」，Appl.Phys.Lett.68，871(1996)中所描述。一般而言，使用來自半導體工業及MEMS(微機電系統)生產的幾乎完全整合的生產方法來沉積或實施壓電致動器1660

在壓電致動器1660的協助下，懸臂810的自由端350的可調整彎曲具有以下優點：懸臂810的自由端可遠離樣品表面150或朝樣品表面150快速地彎曲。壓電致動器的反應時間受限於其相對大的電容，其在施加電壓變化時將導致一電流。壓電致動器的電容與引線1665及1675的電阻一起限制了自由端350對施加至引線1665、1675的電壓信號變化的反應。

在圖14到圖16的範例具體實施例中，可調整懸臂810的彎曲以盡可能地補償固定區域1105的偏斜及/或併入懸臂810的預彎。然而，也有可能裝配具有遠離樣品表面150的一固定合併彎曲的懸臂。圖17表示具有永久彎曲的懸臂1710。永久彎曲可例如藉由在高於或低於室溫的一溫度下施加第二層至現有懸臂上而產生，其中第二層由具有與第一層材料的熱膨脹係數不同的一熱膨脹係數的材料所構成。冷卻或加熱至室溫將給兩層應力，藉此而形成懸臂1710的永久性彎曲。

或者，可將永久彎曲引入至包含具有不同熱膨脹係數的兩種材料的懸臂1710中，其藉由將懸臂1710加熱超過在較低溫度下熔化的材 料的延伸限制的短時間。

具有固定永久彎曲的懸臂1710係針對架座340的特定傾斜角1790而設計。

圖18示意性地顯示一範例具體實施例，其中懸臂310、810藉由致動器1560或1660或藉由雷射光束1290以不同於圖14至圖16中的方式朝樣品表面150彎曲。架座340及懸臂310、810的固定區域305、1105相對水平面380傾斜了角度390、1790。如前文所解釋，傾斜角度390、1790可例如為10°。在懸臂310、810的此組態中，樣品110的條帶結構130的一元件的側壁410可被以比無彎曲或向上彎曲的懸臂310、810(亦即遠離樣品表面彎曲的懸臂810)更高的準確率來分析。

若懸臂310、810包含致能自由端350在相反方向中彎曲的一或複數個致動器1660，有可能在樣品表面150上以懸臂310、810執行第一次掃描程序，其自由端350盡可能地補償架座340的傾斜角度或懸臂310、810的預彎。若由第一次掃描產生的樣品表面150的輪廓包含懸臂310、810無法真實地掃描樣品表面150的特定區域(例如側壁410)的指示，則在第二次掃描之前，懸臂310、810在另一方向彎曲(即朝樣品表面150)並以如此備製的懸臂310、810進行側壁410的第二次掃描。從兩次掃描的資料的疊加，控制裝置1280可決定在側壁410區域中的樣品表面150的實際輪廓。

圖19中的圖式1900顯示包含兩個探針330及1930的組態，在其協助下可重複地掃描網的兩個側表面。兩個探針330配置為彼此反平行，即量測尖端320及1920指向彼此。固定區域305及1905繞其縱向軸370及1970傾斜一角度。兩個固定區域305及1905可具有相同或不同的傾斜角。懸臂810及1910可為相同類型的懸臂。對懸臂810及1910也有可能使用不同類型的懸臂。這同樣適用於量測尖端320及1920。

在上半部圖中，兩量測探針330及1930的懸臂810及1910遠離樣品表面150彎曲，以由懸臂810、1910的自由端350、1950盡可能地補償 固定區域305及1905的傾斜。在此對齊中，有可能以高解析度掃描樣品的平面區域，例如樣品110的基板120或條帶結構130的元件的表面。

在圖19的下半部圖中，懸臂810及1910朝樣品表面150彎曲。以此調整，量測探針330可以改良的準確率掃描圖1中樣品110的條帶結構130的一元件的左側壁410。類似地，量測探針1930可掃描樣品110的條帶結構130的一元件的右側壁420。從兩個懸臂810及1910在不具有高外觀比的樣品表面150的區域上的掃描以及朝樣品表面150彎曲的傾斜懸臂810及1910在陡峭壁上的個別掃描，掃描探針顯微鏡1200的控制裝置1280可產生樣品表面150的實際輪廓。

在圖19中，樣品表面150的掃瞄以相對兩個量測探針330及1930的配置的平行方式來進行。然而，平行探針330及1930的掃描方向定位的陡峭側壁難以由探針330及1930進行掃描。圖20顯示在各個情況下包含兩量測探針330及1930兩次的組態。在此處，兩探針330及1930以在各個情況下相對彼此旋轉90°的方式配置。若在此配置中，掃描探針顯微鏡1200包含兩個量測探針330及1930，則SPM 1200可實際地成像結構元件具有含陡峭側壁的矩形形狀的樣品表面150。為了掃描不具有高外觀比的樣品表面150的區域，懸臂810及1910的自由端350、1950可平行於樣品表面150對齊並單獨地或組合地掃描樣品表面。

測試本體(其例如可從公司μmash採購)可用以校正懸臂310、810、1710、1910的自由端350、1950的可調整彎曲。測試本體的關鍵元件為其突出結構元件。若量測尖端320、1920相對z方向(即垂直於樣品)為對稱且量測尖端320、1920另外垂直於測試本體，則量測探針330、1930產生測試本體的對稱影像。若兩條件的其中之一不符合，量測探針330、1930產生測試本體的扭曲影像。若量測探針330、1930的掃瞄並非以相對於測試本體平行的方式來進行，則量測資料在實施對稱性考量之前應相應地校正。

圖21重現可用以檢查樣品表面150(特別是具有高外觀比及/ 或陡峭側翼410、420的表面150)的方法的流程圖2100。方法開始於2110。在第一步驟2120中，藉由可調整彎曲調整懸臂310、810、1910的自由端350、1950，其中可調整彎曲至少部分地補償或增強量測探針330、1930的固定區域305、1905的一傾斜及/或懸臂310、810、1910的一預彎。第二步驟2130包含借助光學量測裝置1300來決定懸臂310、810、1910是否具有所需的彎曲。兩步驟在掃描程序開始前執行。在第三選擇性步驟2140(由虛線方塊表示)中，若在步驟2120中的可調整彎曲的決定顯示懸臂沒有正確地採用可調整彎曲，則重複步驟2120及步驟2130。最後，方法結束於步驟2150。流程圖2100中所述方法在樣品表面150的掃瞄之前執行。

最後，圖22中的流程圖2200顯示用以調整懸臂310、810、1910的自由端350、1950的定向的一範例方法。方法開始於步驟2210。步驟2220包含雷射系統1290的切換，其將雷射光束1295導引至懸臂810、1910的自由端350附近的懸臂810、1910上。光指針系統1300的四象限光二極體1270量測由懸臂310、810、1910的自由端350、1950所反射的光束1275的A-B部分。流程圖2200的左下方顯示四象限光二極體1270的平面圖。光束1275中心地撞擊於光二極體1270的光敏感區域上。

步驟2230包含決定光束1275在四象限光二極體1270的區段A及B中具有的信號部分。決定步驟2240包含確定區段A及B的信號部分是否小於預定義臨界值。若是這樣的話，在步驟2250中，雷射系統1290的光功率增加，且在步驟2230中再次量測四象限光二極體1270的區段A及B的信號部分。接著，決定步驟2240包含確定區段A及B的新的信號部分是否仍小於預定義臨界值。若非如此，則步驟2260包含確定雷射系統1290的瞬時光功率設定懸臂310、810、1910的自由端350、1950的期望彎曲。步驟2270接著包含開始量測尖端320、1920接近樣品表面150的程序。用以調整懸臂310、810、1910的自由端350、1950相對樣品表面150的定向的方法結束於步驟2280。

較佳地，圖22中的方法在封閉迴路控制(例如具有比例元件及積分元件)結合採樣與保持電路的協助下執行。在達成設定值後，從採樣模式切換到保持模式。

Claims (21)

1. 一種用以檢查一樣品表面的掃描探針顯微鏡，包含：a.至少一第一量測探針，其具有一第一固定區域及至少一第一懸臂，其中至少一第一量測尖端係配置於該至少一第一量測探針上；b.其中該至少一第一懸臂組態以在一掃描程序開始前在該至少一第一懸臂的一自由端採用一可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強該第一固定區域的一傾斜及/或該至少一第一懸臂的一預彎；以及c.至少一光學量測裝置，組態以決定該至少一第一懸臂的該自由端的該可調整彎曲。
2. 如申請專利範圍第1項所述之掃描探針顯微鏡，其中該可調整彎曲實現為遠離該樣品表面，使得在該掃描程序開始前，該至少一第一懸臂的該自由端係實質平行於待掃描之該樣品表面排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一第一懸臂的該自由端的該可調整彎曲係實施為朝向待掃描的該樣品表面。
4. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一第一懸臂的該可調整彎曲定義該至少一第一懸臂在一掃描程序期間的一振盪的一零交點。
5. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一第一懸臂的該可調整彎曲係實施為永久彎曲。
6. 如前述申請專利範圍之第5項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一第一懸臂包含至少兩個材料層，其彼此連接且其具有不同的熱膨脹係數且其永久地相對彼此預加應力。
7. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一第一懸臂包含至少一致動器。
8. 如前述申請專利範圍之第7項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一致動器包含一多型態(multimorph)致動器及/或一壓電致動器。
9. 如申請專利範圍第7項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一致動器組態以在該掃描程序期間保持該至少一第一懸臂的該可調整彎曲為實質不變。
10. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，其中該至少一光學量測裝置包含一光指針系統。
11. 如前述申請專利範圍之第10項所述之掃描探針顯微鏡，其中該光指針系統包含一雷射系統及一四象限光二極體，且其中該雷射系統將一光束導向至該至少一第一懸臂，該光束從該至少一第一懸臂反射至該四象限光二極體。
12. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，更包含一測試本體，用以決定該至少一第一懸臂的該彎曲。
13. 如前述申請專利範圍之第1項至第2項其中任一項所述之掃描探針顯微鏡，包含：d.至少一第二量測探針，其具有一第二固定區域及至少一第二懸臂，其中至少一第二量測尖端係配置於該至少一第二量測探針上；e.其中該至少一第二懸臂組態以在一掃描程序開始前在該至少一第二懸臂的一自由端採用一可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強該第二固定區域的一傾斜及/或該至少一第二懸臂的一預彎；以及f.其中該至少一第一懸臂及該至少一第二懸臂實質上以反平行向量的形式配置。
14. 如前述申請專利範圍所述之第13項掃描探針顯微鏡，包含該至少兩個第一懸臂及該至少兩個第二懸臂，其中該至少兩個第一懸臂及該至少兩個第二懸臂實質上以相對彼此旋轉90°的方式配置。
15. 一種用以使用至少一量測探針來檢查一樣品表面的方法，該至少一量測探針包含一固定區域及至少一懸臂，其中至少一量測尖端係配置於該至少一量測探針上，其中該方法包含一系列步驟：a.在一掃描程序開始前，調整在該至少一懸臂的一自由端的一可調整彎曲，該可調整彎曲至少部分地補償或增強該固定區域的一傾斜及/或該至少一懸臂的一預彎；以及b.在該掃描程序開始前使用一光學量測裝置，以決定該至少一懸臂的該自由端是否採用該可調整彎曲。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，更包含以下步驟：以一接觸操作模式、以一非接觸操作模式、一間歇性操作模式或一步入式操作模式執行該掃描程序。
17. 如申請專利範圍第15項或第16項所述之方法，更包含以下步驟：當執行該掃描程序時，以一封閉控制迴路操作該至少一懸臂。
18. 如前述申請專利範圍第15項至第16之其中任一項所述之方法，更包含以下步驟：若在步驟b中的決定顯示該至少一懸臂沒有正確地採用該可調整彎曲，則重複步驟a及步驟b。
19. 如前述申請專利範圍第15項至第16之其中任一項所述之方法，其由申請專利範圍第1項至第14項的一掃描探針顯微鏡執行。
20. 一種包含指令的電腦程式，其中若該指令由申請專利範圍第1項至第14項所述的掃描探針顯微鏡的其中一者執行，將使該掃描探針顯微鏡執行申請專利範圍第15項至第18項之其中一項所述的方法步驟。
21. 一種控制裝置，組態以使一掃描探針顯微鏡執行申請專利範圍第15項至第18項之其中一項所述的方法步驟。