TWI663404B - 掃描探針顯微鏡及增加掃描探針顯微鏡於步進掃描模式之掃描速度的方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一掃描探針顯微鏡(500)，具有：(a)一掃描單元(555)，其實施以在一步進掃描模式中於一樣品表面(515)上掃描一量測探針(400)；以及(b)一自振盪電路配置(590、790)，其實施以在步進掃描模式期間激發量測探針(400)至一自然振盪(1050)。

Description

掃描探針顯微鏡及增加掃描探針顯微鏡於步進掃描模式之掃描速度的方法 【相關專利參照】

本專利申請案主張2016年10月28日申請的德國專利申請案DE 10 2016 221 319.9的優先權，其明確地以引用的方式併入本文。

本發明關於掃描探針顯微鏡及用以增加在步進掃描模式中操作的掃描探針顯微鏡的掃描速度的方法。

掃描探針顯微鏡使用量測探針來掃描樣品或其表面，並因而獲得量測資料用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類型係根據量測探針的量測尖端與樣品表面之間的互動類型而有所不同。

在稱作原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)或掃描力顯微鏡(scanning force microscope，SFM)的顯微鏡中，量測探針的量測尖端由樣品表面的原子力所偏轉，一般為吸引的凡得瓦力及/或交換互動的排斥力。量測尖端的偏轉與在量測尖端與樣品表面之間作用的力成比例，且 此力用以決定樣品的表面拓樸(surface topography)。

除了AFM，還有用於特定應用領域的許多其他裝置類型，例如掃描穿隧顯微鏡、磁力顯微鏡或光學及聲學近場掃描顯微鏡(near-field scanning microscope)。

掃描探針顯微鏡可在不同的操作模式下使用。在第一接觸模式中，量測探針的量測尖端被放置於樣品表面上並在此狀態下掃描樣品表面。在此處，量測探針(其載有量測尖端)的懸臂或彈簧樑的偏轉可被量測並用以成像樣品表面。在第二接觸模式中，懸臂的偏轉在封閉控制迴路中保持固定，且SPM的距離追蹤樣品表面的輪廓。在這兩個操作模式中，首先量測尖端受到很大的磨損，其次敏感的樣品可能因與量測尖端的接觸而受損或甚至被破壞。

在第三操作模式中(非接觸模式)，量測尖端被帶到與樣品表面相距一定義距離處，且量測探針的懸臂被激發而振盪，其一般以懸臂的共振頻率或接近其共振頻率振盪。量測探針接著掃描樣品的表面。由於量測尖端在此操作模式中並不接觸樣品，其磨損為低。然而，SPM的空間解析度(spatial resolution)在此操作模式中比在接觸操作模式中為低，此外由於作用在樣品表面的力的短範圍而難以決定表面輪廓。

在第四操作模式中，即間歇模式(輕拍模式(tapping mode^TM))，懸臂也同樣地進行一強制振盪，但SPM與樣品表面之間的距離係選擇使得量測尖端只有在振盪週期的一小部分期間會到達樣品表面。樣品表面的輪廓由強制振盪的頻率、振幅或相位的變化導出，該變化是由量測探針與樣品表面的互動所引起的。間歇模式代表了上述三種操作模式之間的折衷。

作者L.Maning、B.Rogers、M.Jones、J.D.Adams、J.L.Fuste、及S C Minne於Rev.Scien.Instr.、第72卷、第9號、第4220-4222頁提出的出版物「自振盪輕拍模式原子力顯微鏡(Self-oscillating tapping mode atomic force microscopy)」中描述了用於間歇操作模式(或輕拍模式(tapping mode^TM))的壓電微懸臂感測器。

類似於前段所指出的出版物，由B.Rogers、L.Manning、T.Sulchek、J.D.Adams在Ultramicroscopy 100(2004)、第267-276頁中提出文章「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)」也描述了用於間歇操作模式的壓電微懸臂感測器(piezoelectric micro-cantilever sensor)。

作者N.Nikolov、N.Kenarov,P.Popov、T.Gotszalk及I.Rangelow於Sensors & Transducers Journal、第98卷、第11期、2008年11月、第45-53頁、ISSN 1726-5479中提出的文章「用於具有積體雙壓電晶片致動器和壓阻式讀出單元的微懸臂的自振盪模式的全數位PLL系統(All-digital PLL system for self-oscillation mode of microcantilevers with integrated bimorph actuator and piezoresistive readout)」描述了用於具有積體雙壓電晶片致動器和壓阻式讀出單元的微懸臂的自振盪系統。

在第五操作模式(步進操作模式或僅為步進模式)中，垂直於樣品表面及平行於樣品表面的運動係依序地實施。為此，量測探針的量測尖端降低至樣品表面且同時量測樣品表面與量測尖端之間的互動。接著，量測尖端再次實質地被帶回其初始的位置。接著，量測尖端平行於樣品表面移動一定義區段，且進行另一下降過程繼續分析程序。圖1示意地顯示這些關係。

作者H.Koyabu、K.Murayama、Y.Kembo及S.Hosaka於Hitachi Review、第51(2002)卷、第4號、第130-135頁中提出的文章「用於半導體製程評估的線上原子力顯微鏡(In-line atomic force microscope for semiconductor process evaluation)」描述了在AFM的操作模式中的步驟。圖1係取自最後提到的出版物。

美國專利US 7129486 B2描述類似於步進掃描模式或步進操作模式的脈衝力模式(PFM)操作模式的時間-力曲線的量測及分析。

美國專利US 7631548 B2考慮掃描探針顯微鏡的步進操作模式並描述所偵測的偏轉信號的時間曲線如何可用以分析樣品表面。

圖2係取自最後提到的專利申請案，其再現了將量測探針的懸臂的量測尖端降低到樣品表面上及將量測尖端從探針撤回的時間曲線。步進操作模式的特有特徵為量測探針的懸臂的振盪的非故意激發，該振盪例如由樣品表面與量測尖端之間的黏著力所引起。在從樣品表面撤回量測探針的過程中，當量測探針的量測尖端從樣品表面抬起，這些力將激發在量測探針的共振頻率下的振盪或其自然振盪。根據量測探針的彈簧常數的大小及掃描探針顯微鏡的量測探針操作的環境條件，此振盪的阻尼可能明顯低於圖2所示。圖3顯示了由量測探針從樣品表面抬起而激發的振盪的第二個衰減曲線。此圖係取自美國專利US 8650660 B2。

只要懸臂的振盪具有顯著的振幅，就無法開始進一步的掃描過程。具有量測探針的衰減振盪重疊於其上的量測將難以分析。離開樣品表面時所激發的量測探針的振盪的衰減時間將因此限制了掃描探針顯微鏡的掃描速率。

前文已提到的美國專利US 8650660 B2描述了AFM的峰值力輕拍(PFT)操作模式。首先，PFT操作模式簡化了AFM的自動調整，其次PFT操作模式避免了在可開始新的量測週期之前需要等待懸臂的振盪(其在當量測尖端離開樣品表面時被激發)的衰減。為此，在與樣品或其表面的所有互動週期中記錄量測探針的量測資料。一互動週期被細分為量測探針與樣品互動的一互動部分、以及樣品表面與量測探針之間沒有互動的一部分。從互動部分來決定樣品與量測探針之間互動力，並從沒有互動的部分計算量測尖端的偏轉的零點。

此專利文件要求精確記錄每一步進掃描週期的大量資料、 自動或手動放置標記以決定在每一步進掃描週期內的互動部分或互動區、以及大的計算能力以從量測資料中確定量測探針的量測尖端與樣品表面之間的互動。

因此，本發明解決的問題為提供了可用以至少部分地避免上述SPM的步進掃描模式的問題區域或先前解決方案的複雜性的裝置及方法。

根據本發明的一範例具體實施例，此問題由申請專利範圍第1項所述的裝置來解決。在一具體實施例中，裝置包含掃描探針顯微鏡，該掃描探針顯微鏡具有：(a)一掃描單元，其實施以在步進掃描模式中於一樣品表面上掃描一量測探針；以及(b)一自振盪電路配置，其實施以在步進掃描模式期間激發量測探針至一自然振盪。

由於量測探針從樣品表面抬起，非常寬的頻譜激發量測探針，且該量測探針接著以其自然頻率或共振頻率進行弛緩振盪。根據本發明的掃描探針顯微鏡的自振盪電路配置在步進操作模式期間激發量測探針以準確地在量測探針的自然頻率或共振頻率下振盪。透過在其自然頻率下操作的量測探針，由量測探針與樣品表面之間的黏著力而引起的量測探針的衰減振盪有助於在量測探針的量測尖端已從樣品表面分離後即時地建立在量測探針的預定振幅下的自然振盪。在量測探針從樣品表面抬起後，在可開始新的掃描週期或步進週期之前，只需等待由抬起所引起的振盪的振幅達到自然振盪的預定振幅。這有助於顯著增加掃描探針顯微鏡在步進掃描模式下的掃描速度。

自振盪電路配置可包含一相位偏移器，其實施以設定相對量測探針的自然振盪的激發的一相位。

為了在量測探針離開樣品表面後能夠盡可能快地重新建立 量測探針在其自然頻率下的振盪，激發或激發信號及量測探針的自然振盪較佳為相互之間具有一定義的相位差。若激發信號及自然振盪具有實質為90°的相位差，則達成量測探針的自然振盪的最佳可能激發。

本申請案的此處及其它地方，表述「實質上」表示當根據現有技術使用量測儀器來量測量測變數時，量測變數在其誤差容許度內的指示。

相位偏移器可實施以設定激發具有範圍在±30°、較佳在±20°、更佳在±10°且最佳在±5°的相對量測探針的自然振盪的最佳可能激發的一相位差。

自振盪電路配置可包含一自動增益封閉迴路控制(automatic gain closed-loop control)，其實施以設定量測探針的自然振盪的一振幅。

自動增益封閉迴路控制可包含至少一放大器、一掃描保持電路配置(scan-hold circuit arrangement)及一控制單元，其中控制單元實施以在掃描模式及保持模式之間切換掃描保持電路配置。

自振盪電路配置可實施為一數位電路。自振盪電路配置可實施為一現場可程式化閘陣列(field-programmable gate array，FPGA)或為一專用積體電路(application-specific integrated circuit，ASIC)。

此外，掃描探針顯微鏡可具有實施以將自振盪電路配置的激發轉移至量測探針的懸臂的第一致動器、以及可具有實施以將來自自動增益封閉迴路控制的控制單元的一信號轉移至量測探針的懸臂的第二致動器。

掃描探針顯微鏡可具有實施以將自振盪電路配置的激發轉移至第一致動器的第一雷射系統、以及實施以將來自控制單元的信號轉移至第二致動器的第二雷射系統。

第一致動器及第二致動器可實施為一雙壓電晶片致動器(bimorph actuator)。量測探針的懸臂可包含一雙壓電晶片致動器。

此外，掃描探針顯微鏡可具有實施以偵測量測探針的懸臂的偏轉的一偵測器，且可具有實施以偵測量測探針的懸臂的自由端的一垂直位置的一偵測單元。

偵測器可包含一光偵測器及/或干涉儀，且偵測單元可包含一光偵測器及/或干涉儀。自振盪電路配置的控制單元可實施以從量測探針的自然振盪的頻率變化的量測來決定量測探針的量測尖端與樣品表面之間的一互動。

此外，掃描探針顯微鏡可具有包含掃描單元及激發單元的一控制裝置，其中激發單元實施以控制自振盪電路配置。

量測探針的自然振盪可包含1kHz至20MHz、較佳為5kHz至10MHz、更佳為10kHz至5MHz且最佳為20kHz至2MHz的一頻率範圍。量測探針的自然振盪的振幅可包含1nm到2000nm、較佳為1nm到1000nm、更佳為5nm到500nm、且最佳為20nm到200nm的一範圍。

自振盪電路配置可具有一連接器，其實施以提供由自振盪電路配置使用以監視量測探針的自然振盪的振幅的一控制信號。

根據本發明的另一範例具體實施例，問題由申請專利範圍第15項所述的方法來解決。在一具體實施例中，用以增加在一步進掃描模式中操作的一掃描探針顯微鏡的掃描速度的方法包含以下步驟：(a)在步進掃描模式中於一樣品表面上掃描一量測探針；以及(b)經由一自振盪電路配置在步進掃描模式期間激發量測探針以實施一自然振盪。

步驟(a)及步驟(b)可包含：(c)在步驟(b)中，啟動第一致動器，其係實施以將量測探針轉移至在自振盪電路配置激發的情況下的量測探針；(d)在步驟(a)中，啟動第二致動器，其實施以改變量測探針的量測尖端與樣品表面之間的距離；以及(e)在步驟(a)中，偵測量測探針的量測尖端與樣品表面之間的一接觸。

步驟(a)及步驟(b)可包含：(f)在步驟(b)中，啟動第二致動 器；(g)在步驟(b)中，藉由將一掃描保持電路配置從掃描模式切換到保持模式而停用一振幅封閉迴路控制；(h)在步驟(b)中，若自然振盪的振幅下降至低於一預定臨界值，則停用第一致動器；(i)在步驟(a)中，在偵測量測尖端與樣品表面的一接觸後，決定量測探針的量測尖端的一垂直位置；(j)在步驟(a)中，停用第二致動器並等待一預定的持續時間，直到量測探針的量測尖端與樣品表面之間失去接觸；(k)在步驟(b)中，同相地(in phase)啟動第一致動器；以及(l)在步驟(b)中，藉由將掃描保持電路配置從保持模式切換到掃描模式而啟動振幅封閉迴路控制。

偵測量測探針與量測表面之間的一接觸可包含決定量測探測的量測尖端在此點的一垂直位置。

方法可更包含步驟：從量測探針的自然振盪的一衰減曲線決定第一致動器的同相啟動的一開通時間，而不啟動第一致動器。

一電腦程式可包含指令，當該指令由一電腦系統執行時將促使電腦系統執行前文所述之各態樣的方法步驟。

400‧‧‧量測探針

410‧‧‧懸臂

420‧‧‧第一層

430‧‧‧第二層

440‧‧‧雙壓電晶片致動器

450‧‧‧自由端

460‧‧‧量測尖端

470‧‧‧保持裝置

480‧‧‧第一致動器

490‧‧‧第二致動器

500‧‧‧顯微鏡

510‧‧‧樣品

515‧‧‧樣品表面

520‧‧‧樣品台

525‧‧‧定位裝置

527‧‧‧連接

530‧‧‧雷射系統

531‧‧‧連接控制

532‧‧‧雷射光束

535‧‧‧組合元件

537‧‧‧光束

540‧‧‧雷射系統

541‧‧‧連接

542‧‧‧光束

545‧‧‧偵測器

547‧‧‧光束

548‧‧‧連接

550‧‧‧控制裝置

555‧‧‧掃描單元

560‧‧‧激發單元

570‧‧‧第二雷射系統

571‧‧‧連接

572‧‧‧光束

580‧‧‧連接

582‧‧‧連接

585‧‧‧偵測單元

586‧‧‧連接

590‧‧‧自振盪電路配置

600‧‧‧圖表

610‧‧‧控制單元

615‧‧‧量測信號

620‧‧‧放大器

625‧‧‧量測信號

630‧‧‧雷射系統

640‧‧‧掃描保持電路配置

650‧‧‧結合單元

660‧‧‧開關

670‧‧‧自動增益封閉迴路控制

675‧‧‧激發信號

680‧‧‧相位偏移器

700‧‧‧圖表

710‧‧‧類比數位轉換器

715‧‧‧數位信號

720‧‧‧濾波器

725‧‧‧濾波器

730‧‧‧控制器

732‧‧‧開關

735‧‧‧信號

740‧‧‧掃描保持電路配置

745‧‧‧比較器

750‧‧‧延遲構件

755‧‧‧乘法單元

760‧‧‧時脈產生器

765‧‧‧斜坡產生器

767‧‧‧信號

770‧‧‧加總元件

775‧‧‧記憶體

780‧‧‧信號

785‧‧‧數位激發信號

790‧‧‧自振盪電路配置

795‧‧‧數位類比轉換器

950‧‧‧跳動

1050‧‧‧自然振盪

1100‧‧‧流程圖

下文的詳細描述參照圖式描述本發明目前較佳的範例具體實施例，其中：圖1示意地說明根據習知技術的掃描探針顯微鏡的步進掃描模式；圖2在上半圖中顯示了量測探針接近樣品表面的方式及量測探針的懸臂的偏轉信號，且在下半圖中顯示了量測探針的量測尖端對樣品表面的接近、量測尖端與樣品表面的接觸、以及量測探針的量測尖端從樣品表面抬起；圖3顯示根據習知技術之具有相關弛緩振盪的掃描探針顯微鏡的步進操作模式或步進掃描模式的兩個週期； 圖4顯示具有雙壓電晶片致動器的量測探針的示意圖；圖5以示意的方式再現掃描探針顯微鏡的某些組件；圖6再現自振盪電路配置的某些組件；圖7顯示以FPGA形式實施的自振盪電路配置的某些組件；圖8顯示步進掃描模式的一週期的示意圖；圖9顯示步進掃描模式的一週期，其中量測探針的激發頻率沒有對應至量測探針的共振頻率；圖10顯示步進掃描模式的一週期，其中量測探針的激發頻率對應至其共振頻率；以及圖11顯示用以增加在步進掃描模式下操作的掃描探針顯微鏡的掃描速度的方法流程圖。

圖1到圖3用以簡短地解釋在掃描操作模式、掃描模式或步進掃描模式下操作的掃描探針顯微鏡的困難。接著，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目前較佳的具體實施例。

圖1的圖表示意地顯示如何由在步進掃描模式下操作的掃描探針顯微鏡來記錄量測資料。在步驟(i)，量測探針放置於樣品的表面上。在量測探針及樣品表面之間接近的最後階段，量測探針的量測尖端受到樣品表面的吸引力(其主要為凡得瓦力)的影響而下降，且該量測尖端被樣品表面吸引。在圖3中，此區域由字母A及B表示。在點B處，量測探針接觸樣品表面。在此狀態中，量測量測探針在z方向或在垂直方向(即垂直於樣品表面)上相對一參考點或一參考平面的距離。

接著，在圖1的步驟(ii)中，量測探針從樣品表面撤回。為了克服量測探針的量測尖端與樣品表面之間的黏著力，在量測尖端與樣品表面之間的接觸被破壞之前，量測探針的懸臂具有相當大的應力。量測尖端 與樣品表面之間的接觸在圖3的D點處放開。儲存於量測探針的懸臂中的能量經由量測探針在其共振頻率下以最大振幅E所進行的振盪而消散。

在步驟(iii)中，量測探針在其從樣品表面撤回的狀態下橫向地位移一預定距離。一旦從樣品表面抬起量測探針的量測尖端所引起的振盪已經衰減，便可開始新的下降步驟(i)。

圖2在其上半圖中再次地顯示量測探針相對樣品表面的下降及撤回、以及量測探針從樣品表面釋放所造成的量測探針的懸臂的振盪。由於對施加至量測探針的z-致動器的控制信號的反應而發生量測探針的下降及撤回，該控制信號在圖2中顯示於量測探針的量測尖端的偏轉信號曲線之下。在圖2的下半圖中，左側顯示樣品表面的遠距離吸引力的距離範圍，中間顯示量測探針的量測尖端與樣品表面接觸的狀態，以及右側顯示量測尖端與樣品表面分離的時刻。

將量測尖端從樣品表面抬起所造成之量測探針的懸臂的振盪取決於多個因素。量測尖端的形式及材料、及樣品的材料組成和表面狀況都有影響。量測探針的彈簧常數對所激發的共振振盪的振幅最大尺寸及衰減行為非常重要。最後，量測探針所操作的環境條件對量測探針的弛緩振盪的阻尼特性具有決定性的重要性。

圖4示意地顯示量測探針400的一區段。量測探針400包含彎曲杆410，其在下文中如本領域在傳統上一樣稱作懸臂410。在圖4所示的範例中，懸臂410包含第一層420，其可例如由半導體材料(例如矽)製造。此外，懸臂410具有第二層430，其可例如包含金屬。兩層懸臂410的材料較佳為根據其剛性或彈性、其熱膨脹及/或其可生產性來選擇。

在圖4的範例中，懸臂410滿足雙壓電晶片致動器(bimorph actuator)440的功能。藉由啟動雙壓電晶片致動器440，量測探針400的懸臂410可被激發以首先在預定頻率及振幅下振盪並接著在量測探針400的自然頻率下振盪。因此，雙壓電晶片致動器440滿足第一致動器480的功能。此 外，雙壓電晶片致動器440可經由適當的激發而向下(即在量測尖端460的方向)彎曲。量測探針400的懸臂410的雙壓電晶片致動器440因此可執行第二致動器490的功能。

量測尖端460附接至懸臂410的自由端450。量測探針400的量測尖端460與樣品表面相互作用。懸臂410的相對端或懸臂410的基部連接至保持裝置470。保持裝置470可以例如保持板的形式實施且用以例如經由夾具(未示於圖4)而將量測探針400附接於掃描探針顯微鏡中。

圖5示意地顯示掃描探針顯微鏡500的某些組件，其中的SPM量測頭具有用以將量測探針400併入SPM 500的一架座(為清楚起見而未示於圖5中)。掃描探針顯微鏡係根據用以檢查樣品510的量測變數而區分。掃描穿隧顯微鏡(STM)使用樣品510及量測尖端460之間的穿隧電流以分析樣品510的樣品表面515的拓樸，其中當施加一電壓於樣品510及量測尖端40之間時將發生穿隧電流。原子力顯微鏡(AFM)從樣品510所造成之量測尖端460的偏轉來決定樣品510的表面輪廓。磁力顯微鏡(MFM)量測樣品510與量測尖端460之間的磁力。掃描近場光學顯微鏡(SNOM)使用漸消型(evanescent)電磁波作為樣品510與量測尖端460之間的互動。掃描近場聲學顯微鏡(SNAM)使用近場聲學互動來掃描樣品510的表面拓樸。這並非掃描探針顯微鏡的完整列舉。

激發量測探針400的懸臂410的自然振盪以加速掃描探針顯微鏡500在步進掃描模式下的掃描速率或掃描速度的原理(如本申請案所揭露)可應用至具有懸臂410(即可彈性彎曲的槓桿臂或簡稱彈簧樑)的所有類型的掃描探針顯微鏡的量測探針。

原子力顯微鏡(AFM)500在下文將解釋作為掃描探針顯微鏡500的一範例。圖5所示的原子力顯微鏡500可在環境條件或真空腔(未示於圖5中)中操作。待分析的樣品510配置於樣品台520上。樣品台520可由定位裝置525在三個空間方向中定位。定位裝置525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5中)。

量測探針400經由原子力顯微鏡(AFM)500的AFM量測頭中的固定裝置(未示於圖4中)而緊固。量測探針400的保持裝置470可經由壓電致動器(未示於圖5中)連接至AFM 500的量測頭。連接量測探針400至AFM量測頭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，有可能將樣品表面515與量測探針400的量測尖端460之間的相對運動在定位裝置525及壓電致動器(其將保持裝置470連接至AFM量測頭)之間分開。舉例來說，定位裝置525執行樣品510在樣品平面(xy平面)中的運動且前文所提到的壓電致動器實現量測探針400的量測尖端460在垂直於樣品的方向(z方向)中的運動。

然而，較佳地，樣品台520以固定的方式實現，且量測尖端460由微位移元件(未示於圖5中)帶到樣品510的待分析區域。

量測探針400可在複數個操作模式下操作。首先，量測探針400可在樣品510的表面515上的固定高度處掃描。或者，量測探針400可在封閉控制迴路中以恆定力在樣品表面515上導引。此外，在一調節方法的協助下，有可能使懸臂400垂直於樣品表面515振盪並由此而在封閉控制迴路中掃描樣品510的表面515。

然而，量測探針400較佳操作在掃描模式或步進操作模式中。在此操作模式中，量測探針400的懸臂410被激發而在量測探針400的自然或共振頻率下振盪。在圖5所示的範例中，使用第一雷射系統530，以激發量測探針400的懸臂410在量測探針400的自然頻率下振盪。雷射系統530產生時間變化輸出功率，其由雷射光束532導向至量測探針400的雙壓電晶片致動器440並控制雙壓電晶片致動器440的第一致動器480的功能。在圖5所示的範例中，第一雷射系統530包含雷射二極體，其發射在電磁頻譜的紅外線範圍中的光，特別是在800nm範圍的光。下文將在有關圖6及圖7的討論中解釋用以在雷射系統530中產生變化輸出功率或相應雷射脈衝的電路 配置的細節。

第二雷射系統570用以使懸臂410的自由端450在樣品表面515的方向彎曲。為此，在圖5的範例中，第二雷射系統570的光束572與第一雷射系統530的光束532在組合元件535的協助下聯合形成兩雷射系統530及570的共同光束537。組合元件535可包含極化光束分光立方體。結合光束537較佳導向至量測探針400的懸臂410的基部。第二雷射系統570發射光束572，其光功率在時間上為恆定或僅隨著時間緩慢變化。在圖5的範例中，第二雷射系統570同樣包含發射在紅外線波長範圍的雷射二極體。因此，第二雷射系統570控制雙壓電晶片致動器440的第二致動器490的功能。第一雷射系統530及第二雷射系統570可具有相同的發射波長或可產生具有不同波長的光。第一雷射系統530及第二雷射系統570可經由一共同光學單元(其為清楚起見而未示於圖5中)而聚焦於量測探針400的懸臂410上。也有可能為兩個雷射系統530及570分別具有專屬的光學單元並分別聚焦於懸臂410的不同點上。

此外，也有可能使用單一雷射系統來執行兩個功能(未示於圖5)。在此情況下，單一雷射系統的雷射光束按時供應能量給雙壓電晶片致動器440，使得雙壓電晶片致動器440(如同第一致動器480)激發懸臂410在其自然頻率下振盪並(如同第二致動器490)以一定義方式使懸臂410的自由端450在樣品表面515的方向上彎曲。此組態是有利的，因此首先這降低了掃描探針顯微鏡500及控制裝置550的複雜度，其次這有利於僅使用一個光束537工作，簡化了SPM 500的調整。

對雷射系統530及570沒有特別的要求，其波長可依所需來選擇。然而，在電磁頻譜的可見光範圍的波長有助於雷射光束532或572的調整。然而，選擇雷射輻射的波長使得在雙壓電晶片致動器440中的吸收輻射的部分盡可能大是有利的，亦即，使懸臂410與一或多個雷射系統530及570的材料互相匹配。數mW的輸出功率足以加熱雙壓電晶片致動器440或懸 臂410。聚焦至小於10μm的焦點對加熱懸臂410及對激發量測探針400的自然振盪是必要的。特別地，焦點應小於懸臂410的寬度，以使只有很少的雷射輻射537通過懸臂410到達樣品510。量測探針400的共振頻率落在數kHz到數MHz的頻率範圍。這些需求對現代雷射系統530並沒有造成任何問題。

由於量測探針400的量測尖端460與樣品510的表面515的相互作用而造成的量測尖端460的偏轉或其變化可使用一光指示器系統來偵測。光指示器系統係顯示於圖5中。光指示器系統包含第三雷射系統540及偵測器545為主要組件。第三雷射系統540輻射通過偵測單元585並將雷射光束542導向至懸臂410的自由端450。由懸臂410所反射雷射光束547由偵測器545接收。在圖5所示的範例中，第三雷射系統540包含一固態雷射，其發射在電磁頻譜的可見光範圍的光，特別是綠光。第三雷射系統540經由連接541而由控制裝置550控制。光指示器系統的偵測器545通常以四象限光二極體的形式實施。也有可能使用兩段式光二極體(未示於圖5及圖6)。偵測器545可藉由用以將量測尖端460降低至樣品表面515上的第二致動器490來偵測懸臂410在量測探針400的自然頻率下的振盪以及懸臂410的自由端450的可調式彎曲。

偵測單元585安裝至圖5的掃描探針顯微鏡500中。舉例來說，偵測單元585可包含光干涉器，例如雷射干涉器及/或光二極體。在圖5所示的範例中，偵測單元585包含一干涉器，其光源由第三雷射系統540形成。在圖5所示的範例中，偵測單元585用以量測當量測尖端460接觸樣品510的表面515時的量測探針400的量測尖端460的垂直位置的z位置。為此，當量測尖端460接觸樣品表面515時，干涉器585分析已由懸臂的自由端450反射之第三雷射系統540的光束542的光。此外，有可能使用偵測單元585，以確定量測尖端460在z方向(即垂直於樣品表面515)的運動。

此外，補充地或替代地，可在懸臂410的壓阻式元件或感測器(未示於圖5)的協助下偵測懸臂410的自由端450的偏轉。此外，也有可能 從光指示器系統及/或偵測單元585的光學信號及壓阻式元件(同樣未示於圖5)的量測資料的組合來決定懸臂410的自由端450相對樣品表面515及參考點或參考平面的距離。

此外，原子力顯微鏡500包含控制裝置550。控制裝置550包含掃描單元555及激發單元560。控制裝置550、掃描單元555及激發單元560可實施為硬體、軟體、韌體或其結合。

經由連接527及580，掃描單元555提供定位單元525及/或壓電致動器(其連接量測探針400與AFM量測頭)的運動的開放迴路及/或封閉迴路控制。此外，控制裝置550的掃描單元555經由連接541控制第三雷射系統540。經由連接582，激發單元560控制產生激發或激發信號的自振盪電路配置590，透過該激發或激發信號，量測探針400將被激發而產生自然振盪。

自振盪電路配置590經由連接548接收來自偵測器545的量測資料。此外，自振盪電路配置590同樣可經由連接587獲得來自偵測單元585的量測資料。偵測單元585將其量測資料經由連接586提供給控制裝置550的掃描單元555。自振盪電路配置590經由連接控制531控制第一雷射系統530，該第一雷射系統轉而藉由雷射光束532控制雙壓電晶片致動器440的第一致動器480。此外，自振盪電路配置590經由連接571控制第二雷射系統570。如前文所解釋，第二雷射系統570的雷射光束572控制雙壓電晶片致動器440的第二致動器490並因此控制量測探針400的懸臂410的量測尖端460在樣品表面515的方向上的彎曲。為此，所結合的雷射光束537(同樣如前文所解釋)被導向至懸臂410的基部附近的量測探針400的懸臂410上(亦即，在其上附接有保持裝置470的懸臂410的端部)。

在另一具體實施例中，雙壓電晶片致動器440在一或多個電阻器元件(而非雷射系統570)的協助下被加熱。舉例來說，可使用第一電阻器元件取代第一雷射系統530，並可使用第二電阻器元件取代第二雷射系統570(圖5中未顯示)。在另一具體實施例中，量測探針410在壓電元件(未顯示 於圖5)的協助下被激發而以其自然頻率振盪。同樣有可能使用上述具體實施例的混合形式。

量測尖端460與樣品表面515的相互作用可藉由已被激發而振盪的量測探針400的振幅變化來偵測。或者，當量測尖端460接近樣品表面515時，有可能從自然振盪的頻率變化來確定量測尖端460與樣品表面515之間的相互作用。

圖6的圖表600顯示圖5中自振盪電路配置590的主要組件，其可用以產生激發或激發信號以產生量測探針400的自然振盪。在圖6所示的範例中，第一雷射系統530及第二雷射系統570結合於雷射系統630中。自振盪電路配置590的控制單元610連接至SPM 500的控制裝置550的激發單元560(未示於圖6)。自振盪電路配置590具有形式為放大器620、掃描保持電路配置640及控制單元610的自動增益封閉迴路控制670。此外，自振盪電路配置590包含開關660，控制單元610可藉此開關660在掃描保持電路配置640的掃描模式及保持模式之間切換。相位偏移器680將提供給雷射系統630的激發或提供給雷射系統630的控制信號的相位角調整為量測探針400的自然振盪的相位。此外，自動增益封閉迴路控制670具有結合單元650，其結合相位偏移器680、掃描保持電路配置640及控制單元610的信號。舉例來說，結合單元650可具有一乘法單元(未顯示於圖6)，其將相位偏移器680及掃描保持電路配置640的信號相乘。此外，結合單元650可包含一加總單元(未顯示於圖6)，其將相位偏移器680及掃描保持電路配置640的相乘信號加至控制單元610的信號。

此外，控制單元610包含用以產生一電壓斜坡的一產生器部件。產生器部件產生一電壓信號，其為用於雷射系統630的激發信號675的部分。控制單元610的產生器部件的電壓斜坡經由雷射系統630來控制懸臂410的第二致動器490並因此而控制量測探針400的量測尖端460與樣品表面515的距離。

藉由自振盪電路配置590將偵測器545的量測信號615同相的部分與放大的量測信號625相乘，結合單元650產生具有正反饋的激發675或激發信號675用於量測探針400的自然振盪。為了量測探針400的自然振盪的理想激發675，激發675相對量測探針400的自然振盪的相位具有90°的相位差。激發信號675的相位超前量測探針的自然振盪的相位π/2。與最佳可能相位差π/2偏離±30°的範圍是可容許的，而不會嚴重限制量測探針的自然振盪的相位封閉迴路控制的工作範圍。

自動增益封閉迴路控制670調節激發信號675的振幅至一預定數值，即激發的增益係設定使得量測探針400的自然振盪在振盪期間的耗損剛好被補償。當懸臂410的量測尖端460接近樣品表面515，控制單元610啟動開關660並將掃描保持電路配置640從掃描模式(其中量測探針400的自然振盪的振幅被調節)切換到保持模式(其中自然振盪的振幅不再被調節而是由一固定激發信號675激發)。從調節振幅到固定激發的切換係藉由試圖維持量測探針400的自然振盪的預定振盪振幅的封閉迴路控制，而在量測尖端460與樣品表面515的互動期間且最晚在量測尖端與樣品表面515接觸時避免自然振盪的振幅封閉迴路控制損壞敏感的樣品或量測探針400。

在已經偵測量測探針400的量測尖端460與樣品表面515之間的接觸後，控制單元610關閉第一雷射系統530。在圖6所示的組合雷射系統630中，當雷射系統630繼續以其輸出功率的直接光分量啟動懸臂410的第二致動器490時，第一致動器480的正弦激發中斷(未示於圖6)。控制單元610從量測探針400的自然振盪的振幅降低至低於預定臨界值來決定量測尖端460與樣品表面515之間的接觸。為此，控制單元610繼續評估來自偵測器545的信號。在偵測量測探針400的量測尖端460與樣品表面515之間的接觸之後，掃描單元555立即從偵測單元585的量測資料確定量測探針400的量測尖端460的垂直位置。隨後，自振盪電路配置590的控制單元610關閉第二雷射系統570。在圖6所示的範例中，雷射系統630被關閉。

在等待確定量測尖端460已與樣品表面515失去接觸後的一預定時段之後，控制單元610以激發信號675再次開啟第一雷射系統530或啟動雷射系統630。掃描保持電路配置640藉由啟動開關660而從保持模式切換到掃描模式(與其平行)。因此，重新啟動了量測探針400的自然振盪的振幅封閉迴路控制。同時，激發信號675與量測探針400的自然振盪之間的相位控制迴路將由開啟第一雷射系統530而再次關閉。

當第一雷射系統530在雷射系統630由激發信號675啟動時再次開啟，重新開啟的時間係選擇使得激發信號675與量測探針400的自然振盪(其由量測尖端460從樣品表面515抬起所啟動)之間的相位差在最佳可能程度上互相配合。

有很多選擇來決定此時間。首先，在第二雷射系統570的關閉時間及再次開啟第一雷射系統530之間(或在關閉雷射系統630及由激發信號675將其啟動之間)等待一固定時間間隔。由於在各個步進量測週期內的時間非常相似，所以再次開啟的時間可憑經驗來確定。

其次，有可能在一步進週期期間量測一次量測尖端460的整個偏轉曲線，並確定圖3中的點D或E。因此，在點B(關閉第一雷射系統530)及點D(量測尖端460抬起離開樣品表面515)之間的時間間隔為已知。舉例來說，則仍有可能在第一雷射系統530再次開啟之前等待量測探針400的一個或多個弛緩振盪週期。此外，有可能僅量測量測探針400的弛緩振盪(其由量測尖端460抬起離開樣品表面而開始)，並從這些量測資料計算第一雷射系統530或雷射系統630的開啟時間。

在另一替代方案中，第一雷射系統530在量測尖端460與樣品表面515之間接觸期間不需關閉。然而，取決於量測探針400的剛性或彈簧常數，此程序存在過度驅動自振盪電路配置590的電子器件的風險。

自振盪電路配置590可以類比或數位形式來實施。此外，自振盪電路配置590可實施為硬體、軟體、韌體或其組合。

圖7中的圖表700顯示自振盪電路配置790的一範例具體實施例，其實施為形式為FPGA(現場可程式化閘陣列)的數位電路配置。類比數位轉換器710(ADC)接收來自偵測器545之類比形式的量測信號615，並將其轉換為數位信號715。數位信號715被提供至自振盪電路配置790的FIR(有限脈衝響應)濾波器720。濾波器720移除了量測信號615的慢斜坡部分，其由將量測探針400的量測尖端460降低至樣品表面515而產生且其疊加在量測探針400的自然振盪上。過濾的數位資料被提供至第二RMS(均方根)濾波器725，其決定量測探針400的自然振盪的振幅的有效值。濾波器725平均量測探針400的自然振盪的複數個週期。RMS濾波器725的輸出饋入至PID(比例微積分)控制器730。控制器730表示用於振幅封閉迴路控制的反饋元件。在開關732的協助下，時脈產生器760的時脈信號在振幅封閉迴路控制不作用的時段內不會施加到PID控制器730。PID控制器730的輸出信號735包含數位激發信號785的振幅分量A並施加至掃描保持電路配置S&H 740的輸入。

RMS濾波器725的輸出信號的第二部分被施加至比較器CMP 745的輸入。比較器745比較此信號與施加至第二輸入的一臨界值Thrs。若量測探針400的自然振盪的振幅落在預定臨界值以下，則比較器745的輸出為有效，亦即該比較器實現了功能A<B。比較器745將其輸出信號提供至FIFO(先進先出)記憶體775、及經由延遲構件DLY 750提供至掃描保持電路配置740、及其次提供至斜坡產生器765。

舉例來說，斜坡產生器765可以計數器的形式來實施。延遲構件750實現在再次進行量測探針400的自然振盪的振幅封閉迴路控制之前的等待。在量測尖端460從樣品表面515抬起後，濾波器720及725需要一些時間來恢復。因此，延遲構件750將量測探針400的自然振盪的振幅封閉迴路控制的開通延遲了數個弛緩振盪週期。在圖7的範例中，以1位元信號的形式實現一固定等待。

數位化輸入信號715的第二部分被提供至自振盪電路配置 790的FIFO記憶體775。記憶體775實現相位偏移器的功能。FIFO記憶體775的延遲由記憶體深度(例如10個記憶體胞)與自振盪電路配置790的時脈頻率的商來決定。FIFO記憶體775的輸出信號780表示數位激發信號785的相位分量φ且該輸出信號被提供至乘法單元755。

由時脈產生器CLK 760產生的時脈速率被提供至斜坡產生器765、至FIFO記憶體775，且在振幅封閉控制啟動的時段內被提供至PID控制器730。懸臂410的自然振盪的振盪振幅的設定點數值在信號Sp(設定點)的協助下於PID控制器730設定。

斜坡產生器765產生信號767，用以藉由啟動懸臂410的第二致動器490將懸臂410朝樣品表面彎曲。斜坡產生器765的計數器透過重設信號res由比較器745停止，且在斜坡產生器765的輸出處的電壓斜坡767重設為初始值。因此，雷射系統630關閉且量測探針400的量測尖端460從樣品表面515撤回。

乘法單元755將記憶體775的輸出信號(即相位分量φ)與掃描保持電路配置740的輸出信號(即量測探針400的自然振盪的激發信號的振幅分量A)相乘。加總元件Σ 770將斜坡產生器765的輸出信號767與乘法單元755的輸出信號相加。

自振盪電路配置790的輸出信號785由數位類比轉換器DAC 795轉換為類比激發信號665，該類比激發信號被提供至雷射系統630。若如圖5所示使用第一雷射系統530以激發量測探針400的自然振盪以及使用第二雷射系統570以彎曲懸臂410，則乘法單元755的輸出信號在數位對類比的轉換後被提供至第一雷射系統530。斜坡產生器765的輸出信號767在適當的數位對類比轉換後控制第二雷射系統570。在此具體實施例中，自振盪電路配置790不需要加總元件770。

圖8顯示掃描探針顯微鏡500的掃描模式或步進掃描模式的一個週期。示意圖的解釋從左上角開始。在初始狀態下，量測探針400被激 發而在其自然頻率下振盪。在此狀態中，圖5的第一雷射系統530開啟並啟動量測探針400的懸臂410的第一致動器480。在第一步驟中，雷射系統(例如雷射系統630)的連續波輸出功率增加，或第二雷射系統570開啟以藉由彎曲懸臂410(由懸臂410的第二致動器490所引起)而將量測探針400的量測尖端460降低至樣品表面515。

在下一方塊或步驟中，等待直到量測探針400的自然振盪的振幅降至預定臨界值以下。如在圖7的上下文中所解釋，這藉由在偵測器545的協助下連續量測量測探針400的自然振盪的振幅以及藉由與預定臨界值的比較而達成。

若量測探針400的量測尖端460與樣品表面515接觸，則在第三方塊中，量測探針400的自然振盪的激發將經由關閉第一雷射系統530而終止。正弦激發信號停止於圖6及圖7所示的雷射系統630中。

在下一步驟中，在第四方塊中，在第三雷射系統540及偵測單元585的協助下量測量測尖端460的垂直位置。在偵測器545的量測信號幫助決定量測尖端460及樣品表面515之間的接觸後，立即由第二偵測單元585量測量測尖端460的垂直位置。因此，步進量測週期的時間間隔可保持為較短。在決定量測尖端460的位置後，藉由關閉第二雷射系統570來停止第二致動器490所造成的懸臂410的彎曲。在圖6及圖7中，雷射系統630關閉。

接著，在第五步驟或方塊中，等待直到量測尖端460從樣品510抬起。在圖6的討論上下文中，指定了三種替代方法，在此基礎上有可能決定這種情況發生的時間、或如何可確定第一雷射系統530再次開啟的時間、或如何可確定將正弦激發信號施加至雷射系統630的時間。在激發單元560的控制下，自振盪電路配置590、790產生在量測探針400的共振頻率下的激發675或激發信號675並將其同相地疊加於由量測尖端460的抬起所產生的量測探針400的振盪。為此，雷射系統530或630啟動懸臂410的第一致動器480。

接著，在第六步驟中，掃描保持電路配置640、740從掃描模式切換到保持模式。如前文所解釋，這在量測尖端460接近樣品表面515時，避免了量測探針400的自然振盪的振幅封閉迴路控制損害樣品510、懸臂410及/或量測探針400的量測尖端460。接著，SPM 500準備下一掃描週期。

如前文已作的解釋，圖2及圖3顯示經由懸臂410的量測尖端460從樣品表面515抬起而激發的量測探針400的懸臂410在其共振頻率下的振盪。圖9顯示當量測探針460從樣品表面515抬起時的懸臂410的振盪激發的一範例。如圖3所示，由量測尖端460從樣品表面515抬起所激發的懸臂410的振盪僅具有微弱的阻尼。舉例來說，若懸臂410的彈簧常數為小且量測探針400在真空環境下操作(亦即量測探針400所經歷的環境壓力落在一帕斯卡的範圍內或明顯較低)，將可能發生此情況。

在圖9及圖10中，時間沿橫坐標以任意單位繪製。兩圖式的縱座標以奈米為單位顯示量測尖端460與樣品表面515的距離。在最初的情況下，量測尖端460與樣品表面515具有100nm的平均距離。量測探針400的懸臂410以約10nm的振幅振盪。第二雷射系統570在時間T₁開啟，且懸臂410的第二致動器490降低量測尖端460與樣品表面515之間的平均距離。在時間T₂，控制單元610偵測量測探針400的振盪振幅已經下降至預定臨界值之下並關閉第一雷射系統530。在時間T₃，量測量測尖端460的垂直位置。在時間T₄，控制單元610關閉第二雷射系統570。

在圖9中，在量測探針400的量測尖端460降低至樣品表面515的過程中，懸臂410的激發頻率接近懸臂410的共振頻率，但與其並不完全相同。在量測尖端460與樣品表面515分離後，懸臂410呈現一跳動950，其由頻率不同於自然頻率的一激發與在量測探針400的自然頻率下的一激發(其由量測尖端460從樣品表面抬起所引起)的疊加所造成。此跳動950將持續直到量測探針400的自然振盪已實質地衰減，並阻止了在此時間之前開始新的步進週期。因此，步進掃描模式的掃描速率為低，導致樣品表面515的 檢查時間為長。

圖10顯示圖9的組態，其差異在於量測探針400的激發675正好在其共振或自然頻率下完成。在此情況下，由量測尖端460從樣品表面515抬起所激發的量測探針400的自然振盪1050將有助於盡可能快地恢復當降低量測尖端460至樣品表面515上時所出現的自然振盪1050。僅需要等待直到量測探針400的自然振盪1050的振幅降低至當量測尖端460接近樣品表面515時所見的等級。

圖9的跳動950直接包含在決定量測尖端460的垂直位置時的量測誤差中。因此，在下一步進量測週期之前，需要等待直到自然振盪的振幅已衰減至可容忍的量測誤差以下。可容忍量測誤差一般明顯小於1nm。在圖10所描述的自振盪的情況中，僅需要等待直到自然振盪的振幅達到自然振盪1050的振幅的設定點數值。這些差異應使用一簡單的例子來說明。

舉例來說，量測探針400具有品質因子Q=1000。自然振盪1050的最大振幅為300nm。在圖9中所解釋的跳動950的例子中，在可開始新的步進量測週期之前，自然振盪的振幅需已衰減至0.5nm。圖10所示的自然振盪1050的振幅為50nm。在沒有激發下，量測探針400的自然振盪的振幅將指數地降低。針對下降至50nm的自然振盪的振幅，需要約150個振盪週期的持續時間，而振幅降低至0.5nm需要約500個振盪週期的持續時間。因此，藉由將量測探針400於其自然頻率下激發，步進量測週期的持續時間可降低約三分之一。

最後，圖11再現可用以增加掃描探針顯微鏡500在步進掃描模式期間的掃描速度的方法的流程圖1100。方法開始於1110。在步驟1120，量測探針400在步進掃描模式中於樣品表面515上掃描。在步驟1130，量測探針400在步進掃描模式期間由自振盪電路配置激發至自然振盪。方法結束於步驟1140。

Claims (19)

1. 一種掃描探針顯微鏡，包含：a.一掃描單元，其實施以在一步進掃描模式中於一樣品表面上掃描一量測探針；b.一自振盪電路配置，其實施以在該步進掃描模式期間激發該量測探針至一自然振盪；以及c.其中該自振盪電路配置包含一相位偏移器，其實施以設定上述激發相對於該量測探針的該自然振盪的一相位，且其中該相位偏移器實施以設定上述激發具有相對於該量測探針的該自然振盪的一最佳可能激發的一相位差，其範圍在±30°。
2. 如申請專利範圍第1項所述之掃描探針顯微鏡，其中上述激發被實施以設定而具有相對於該量測探針的該自然振盪的該最佳可能激發的該相位差其範圍在±20°、較佳在±10°且最佳在±5°。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之掃描探針顯微鏡，其中該自振盪電路配置包含一自動增益封閉迴路控制，其實施以設定該量測探針的該自然振盪的一振幅。
4. 如申請專利範圍第3項所述的掃描探針顯微鏡，其中該自動增益封閉迴路控制包含至少一放大器、一掃描保持電路配置及一控制單元，其中該控制單元實施以在一掃描模式及一保持模式之間切換該掃描保持電路配置。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的掃描探針顯微鏡，其中該自振盪電路配置實施為一數位電路。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的掃描探針顯微鏡，其中該自振盪電路配置實施為一現場可程式化閘陣列(FPGA)或為一專用積體電路(ASIC)。
7. 如申請專利範圍第4項所述的掃描探針顯微鏡，更具有實施以將該自振盪電路配置的該激發轉移至該量測探針的一懸臂的一第一致動器、以及實施以將來自該自動增益封閉迴路控制的該控制單元的一信號轉移至該量測探針的該懸臂的一第二致動器。
8. 如申請專利範圍之第7項所述的掃描探針顯微鏡，更具有實施以將該自振盪電路配置的該激發轉移至該第一致動器的一第一雷射系統、以及實施以將來自該控制單元的該信號轉移至該第二致動器的一第二雷射系統。
9. 如申請專利範圍第7項所述之掃描探針顯微鏡，其中該第一致動器及該第二致動器實施為一雙壓電晶片致動器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之掃描探針顯微鏡，其中該量測探針的該懸臂包含該雙壓電晶片致動器。
11. 如申請專利範圍第7項所述的掃描探針顯微鏡，更具有實施以偵測該量測探針的該懸臂的一偏轉的一偵測器、以及實施以偵測該量測探針的該懸臂的一自由端的一垂直位置的一偵測單元。
12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的掃描探針顯微鏡，更具有包含該掃描單元及一激發單元的一控制裝置，其中該激發單元實施以控制該自振盪電路配置。
13. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的掃描探針顯微鏡，其中該量測探針的該自然振盪的該振幅包含1nm到1000nm、較佳為5nm到700nm、更佳為10nm到500nm、且最佳為20nm到200nm的一範圍。
14. 一種用以增加在一步進掃描模式中操作的一掃描探針顯微鏡的一掃描速度的方法，包含以下步驟：a.在一步進掃描模式中於一樣品表面上掃描一量測探針；b.經由一自振盪電路配置在該步進掃描模式期間激發該量測探針以實施一自然振盪；以及c.經由該自振盪電路配置的一相位偏移器設定上述激發相對於該量測探針的該自然振盪的一相位，其中上述激發被設定具有相對於該量測探針的該自然振盪的一最佳可能激發的一相位差，其範圍在±30°。
15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中步驟a及步驟b包含：d.在步驟b：啟動實施以將該自振盪電路配置的該激發轉移至該量測探針的該第一致動器；e.在步驟a：啟動實施以改變該量測探針的一量測尖端與一樣品表面之間的一距離的一第二致動器；以及f.在步驟a：偵測該量測探針的該量測尖端與該樣品表面之間的一接觸。
16. 如申請專利範圍第14項或第15項所述之方法，其中步驟a及步驟b更包含一系列步驟：g.在步驟b：啟動該第二致動器；h.在步驟b：藉由將一掃描保持電路配置從一掃描模式切換到一保持模式而停用一振幅封閉迴路控制；i.在步驟b：若該量測探針的該自然振盪的一振幅下降至低於一預定臨界值，則停用該第一致動器；j.在步驟a：在偵測該量測尖端與該樣品表面的一接觸後，決定該量測探針的該量測尖端的一垂直位置；k.在步驟a：停用該第二致動器並等待一預定的持續時間，直到該量測探針的該量測尖端與該樣品表面之間失去接觸；l.在步驟b：同相地啟動該第一致動器；以及m.在步驟b：藉由將該掃描保持電路配置從該保持模式切換到該掃描模式而啟動該振幅封閉迴路控制。
17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中偵測該量測探針的該量測尖端與該量測表面之間的一接觸包含決定該量測探測的該量測尖端在此點的一垂直位置。
18. 如申請專利範圍第14項、第15項與第17項之其中任一項所述的方法，更包含以下步驟：從該量測探針的該自然振盪的一衰減曲線決定該第一致動器的同相啟動的一開通時間，而不啟動該第一致動器。
19. 一種包含指令的電腦程式，當該等指令由一電腦系統執行時將促使該電腦系統執行申請專利範圍第14項到第18項之其中一項所述的方法步驟。