TWI708948B - 於動態模式原子力顯微鏡之成像期間確定交互作用力 - Google Patents

Abstract

一種用於動態模式原子力顯微鏡(AFM)中校正作用力(F12)之方法以及系統。一原子力顯微鏡針尖(11)係設置於一第一懸臂(12)上。致動第一懸臂(12)以於動態模式下振盪原子力顯微鏡針尖(11)。一第一感測器(16)用以測量振盪的原子力顯微鏡針尖(11)之一第一參數(A1)。一第二感測器(26)用以測量一彈性元件(22)之一第二參數(A2)。當測量原子力顯微鏡針尖(11)之第一參數(A1)以及彈性元件(22)之第二參數(A2)時，將原子力顯微鏡針尖(11)移動接近彈性元件(22)。根據彈性元件(22)之測量到的第二參數(A2)以及一校正過的作用力常數(K2)計算振動的原子力顯微鏡針尖(11)以及彈性元件(22)之間之作用力(F12)。

Description

於動態模式原子力顯微鏡之成像期間確定交互作用力

本發明係有關於一種動態模式原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)，本發明特別係有關於一種校正動態模式原子力顯微鏡中之作用力、確定動態模式原子力顯微鏡測量中之作用力、以及利用動態模式原子力顯微鏡來以向樣品表面施加既定作用力之方法。

於動態模式原子力顯微鏡(例如輕敲模式(tapping mode)原子力顯微鏡或者非接觸模式(non-contact mode)原子力顯微鏡)中，原子力顯微鏡針尖週期性地與一樣品表面接近、作用以及縮回，並經歷例如長距離吸引力和/或短距離排斥力。針尖以及樣品表面之間之接觸面積通常位於奈米等級之範圍內，這意味著位於納米牛頓附近之針尖-樣品作用力可產生巨大之應力，並容易損壞樣品表面或者針尖本身。因此，期望於靈敏且脆弱之樣品之成像期間確定改變奈米機械作用力(nano-mechanical force)之時間，並同時增加作為操作之較佳模式之輕敲模式原子力顯微鏡中針尖之壽命。

於動態模式原子力顯微鏡中，懸臂振盪之頻率、 振幅以及相位係為系統之主要可觀察參數。舉例來說，於振盪器元件上施加正弦波，且以與振盪器相同之頻率將懸臂驅動進入振盪狀態、將激光束引導至懸臂上以及監測激光束之反射以確定振盪頻率、振幅以及相位。然而，傳統上，探針針尖以及樣品表面之間之非線性相互作用力並無法自正弦信號之可觀察參數中擷取，而僅可監測能量之消耗。請參閱例如J.P.Cleveland et al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.72,No.20,1998。

有各種方法可確定針尖樣品相互作用力。舉例來說，F.L.Degertekin et al.(Rev.of Sci.Instr.Vol.77,2006)係描述利用具有集成位移感測器之微加工膜(micro-machined membrane)擷取針尖樣品相互作用力。另一範例為O.Sahin et al.(Nature Nanotechnology,Vol.2,2007)，其描述一種扭轉諧波懸臂，其中懸臂之結構被修改為放置自懸臂之長軸偏移之針尖。懸臂之扭轉運動用以擷取針尖樣品相互作用力。另一範例為A.F.Sarioglu et al.(Journal of Microelectromechanical Systems,Vol.20,2011)，其描述一種集成高頻作用力感測器(high bandwidth force sensor)，其中懸臂具有干涉作用力感測器，用以解析針尖樣品相互作用力。於懸臂梁末端之繞射光柵用以作為作用力感測器，以擷取針尖樣品相互作用力。可惜的是，習知方法需要微加工元件之訂製構造和/或探針形狀之適應。

因此，期望可提供減少現有技術之缺點之用於確定動態模式原子力顯微鏡中作用力之方法以及系統。舉例來說，期望可測量具有不同幾何形狀(例如三角形、矩形或特殊 設計)之所有類型之原子力顯微鏡懸臂之針尖樣品相互作用力。此外，期望可於靜態、動態或者準靜態狀態(regime)下測量所有類型之操作模式之針尖樣品相互作用力。此外，期望可監測不同表面情況之針尖樣品相互作用力之變化。

本發明一實施例提供了一種於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法。方法包括提供設置於第一懸臂上之原子力顯微鏡針尖。致動第一懸臂以於動態模式中以所選之頻率或者複數頻率振盪原子力顯微鏡針尖。第一感測器用以測量振盪的原子力顯微鏡針尖之(第一)可觀察參數，例如振盪之(相對)振幅、頻率或者相位。此外，提供一彈性元件，以及第二感測器用以測量彈性元件之(第二)可觀察參數，例如彈性元件之偏轉(deflection)和/或位移。彈性元件具有可被校正作為第二參數之函數之作用力常數(亦稱為彈性常數(spring constant))。根據上述方法，於測量原子力顯微鏡針尖之第一參數以及彈性元件之第二參數時，振盪的原子力顯微鏡針尖係移動接近彈性元件。因此，可根據彈性元件之測量到的第二參數以及校正過的作用力常數計算振盪的原子力顯微鏡針尖以及彈性元件之間之作用力。經計算的作用力以及振盪的原子力顯微鏡針尖之測量到的第一參數之間之相關性可儲存作為作用力之校正。

必須理解的是，彈性元件之第二測量參數之變化係由原子力顯微鏡針尖以及彈性元件之間之相互作用力產生。校正過的彈性元件之測量到的第二參數係提供用以計算相 互作用力之大小之測量。同時，由於亦測量到原子力顯微鏡針尖之第一參數，且第一參數被相互作用力所影響，因此作用力可作為第一參數(例如振盪幅度和/或頻率)之函數進行校正。這可量測具有不同幾何形狀之所有類型之原子力顯微鏡懸臂以及於靜態、動態或者準靜態狀態下之不同種類之操作模式之針尖樣品相互作用力。此外，可模擬不同表面情況下針尖樣品相互作用力之變化。基於下述之這些以及其它優點，可得到用以確定動態模式原子力顯微鏡中之作用力之改進方法以及系統。

較佳地，彈性元件係由第二懸臂所形成。第二懸臂之作用力常數(例如作為懸臂上之作用力之函數之彎曲量)可為已知的或者校正過的。舉例來說，作用力常數可透過施加已知作用力以及測量表示偏轉之第二參數進行校正。用以校正第二懸臂作用力常數之其它方法包括根據懸臂之尺寸和/或材料之理論計算、因附加質量所引起之重力偏移之測量、因已知作用力(彈簧)常數之懸臂所引起之偏移之測量、因圍繞懸臂之介質之粘度所引起之偏轉之測量、”Cleveland”附加質量法(Cleveland added-mass method)以及熱雜訊法(Thermal Noise method)。作為懸臂之其它選擇，亦可使用其它彈性元件，例如膜(membrane)或雙懸臂樑(double clamped beam)。

透過提供相對於輕敲(第一)懸臂之基頻(最低諧振頻率)具有相對較高之基頻(最低諧振頻率)之彈性元件(例如第二懸臂)，彈性元件可快速地響應於由輕敲原子力顯微鏡針尖之周期性接近所引起之相互作用力以及運動。舉例來 說，彈性元件較佳地具有比第一懸臂之基頻高至少十倍之基頻，例如二十倍、三十倍或者甚至一百倍。舉例來說，第一懸臂可具有通常高於四十千赫(例如介於四十至一百五十千赫之間)之基頻之標準輕敲模式懸臂。舉例來說，彈性元件可為具有高於百千赫(較佳為高於一兆赫茲)(例如介於一個半至十兆赫之間)之基頻之超高頻懸臂。舉例來說，彈性元件可為比第一懸臂短至少兩倍之超短懸臂(ultra short cantilever,USC)。

第一和/或第二感測器可包括用以確定原子力顯微鏡懸臂和/或彈性元件之時間相關運動之任何裝置。舉例來說，感測器包括位置靈敏感測器(position sensitive detector,PSD)，用以測量懸臂和/或彈性元件反射至位置靈敏感測器上之相應光束之位置。因此，光點之位置為第一和/或第二參數之函數。舉例來說，第一參數為原子力顯微鏡針尖之振盪之振幅、頻率和/或相位中之一個或者多個之函數。舉例來說，第二參數可為彈性元件之偏轉和/或位移之函數。

彈性元件之校正過的作用力常數可包括例如作為彈性元件上之作用力之函數之第二參數之特徵。較佳地，彈性元件之作用力常數(於與探針針尖相互作用之位置)比第一懸臂之作用力常數(於探針針尖之位置)高至少十倍。舉例來說，彈性元件之作用力常數為至少10、30、100、200，例如可高達500牛頓/米。當然，作用力常數可與諧振頻率相關。最大期望作用力常數之實際限制可透過以下事實來確定：對於較高的作用力常數而言，偏轉量相對較低，因此更難以測量。舉例來說，第一懸臂之作用力常數可為任意值，其中第一懸臂因吸引力 (例如毛細現象或者靜電力)而未固定於彈性元件上，並繼續振盪。

本發明另一實施例提供了一種確定動態模式原子力顯微鏡測量中之作用力之方法。方法包括如前述之校正動態模式原子力顯微鏡，以及於測量第一參數時，將振盪的原子力顯微鏡針尖移動至樣品表面上。因此，可根據校正期間儲存作為振盪的原子力顯微鏡針尖之測量到的第一參數之函數之作用力計算振盪的原子力顯微鏡針尖以及樣品表面之間之作用力。

本發明另一實施例提供了一種使用動態模式原子力顯微鏡向樣品表面施加既定作用力之方法。方法包括於振盪週期期間改變平均原子力顯微鏡針尖以及樣品表面距離之間之距離時，確定如前述之作用力直到實現既定作用力為止。

本發明另一實施例提供了一種動態模式原子力顯微鏡，例如用以執行本發明所述之方法。原子力顯微鏡包括設置於第一懸臂上之原子力顯微鏡針尖以及用以致動第一懸臂以於動態模式下振盪原子力顯微鏡針尖之致動器。原子力顯微鏡包括用以測量振盪的原子力顯微鏡針尖之第一參數之第一感測器，或者與第一感測器相互作用。原子力顯微鏡可包括光束偏轉(optical beam deflection,OBD)系統，或者與光束偏轉系統相互作用。光束偏轉可包括具有一既定作用力常數之彈性元件以及用以測量彈性元件之第二參數之第二感測器。較佳地，彈性元件包括第二懸臂。舉例來說，第一懸臂相對於第二懸臂設置，並以第一懸臂之原子力顯微鏡針尖動態地輕敲第二 懸臂之表面。

該系統可包括控制器，控制器係配置以及編程為用以根據第二參數的函數校正彈性元件之作用力常數。或者，彈性元件之作用力常數可為已知的或者透過其它方法確定。控制器可進一步地配置以及編程為用以於測量原子力顯微鏡針尖之第一參數以及彈性元件之第二參數時，將振盪的原子力顯微鏡針尖移動接近彈性元件。振盪的原子力顯微鏡針尖以及彈性元件之間之作用力可透過例如控制器或者其它處理器根據彈性元件之測量到的第二參數以及校正過的作用力常數進行計算。經計算的作用力可作為振盪的原子力顯微鏡針尖之量測到的第一參數的函數以儲存於例如記憶體或者電腦可寫入媒體中。

系統可另外包括用以將相應之光束引導至第一和/或第二懸臂上之光源，或者與上述光源相互作用。舉例來說，第一和/或第二光束可為源自不同或者相同光源之雷射光。舉例來說，每個感測器包括位置靈敏感測器，用於測量由各個懸臂之移動所產生之相應光束之偏轉。感測器數據可由用以自感測器接收數據並計算第一或者第二參數之測量模組進行處理。較佳地，反饋控制器用以於振盪週期期間控制原子力顯微鏡針尖以及彈性元件距離之間之相對(平均)距離。舉例來說，反饋控制器用以根據第一參數之測量結果控制相對距離。

11:原子力顯微鏡針尖、探針針尖、懸臂針尖、針尖

12:第一懸臂

13:致動器

15:光源

16:第一感測器

17:測量模組

18:位移台

22:彈性元件、第二懸臂

25:光源

26:第二感測器

27:反饋控制器

29:讀取裝置

30:數據擷取模組

40:校正模組

50:處理器

A1(t):第一參數

A2(t):第二參數

AFM:動態模式原子力顯微鏡

F12:作用力

K1:懸臂彈性常數

K2:作用力常數

L1:第一光束

L2:第二光束

OBD:光束偏轉系統

X12:位置

Z12:距離

Z2:高度

通過以下之描述、後附之申請專利範圍以及附圖將可更好地理解本發明之裝置、系統以及方法之這些以及其它 特徵、實施例以及優點，其中：第1A圖示意性地顯示與用於相互作用力之校正之光束偏轉設置結合之原子力顯微鏡系統之實施例。

第1B圖示意性地顯示與樣品相互作用之原子力顯微鏡系統之一部分。

第2A圖示意性地顯示於動態模式中原子力顯微鏡針尖以及第二懸臂之間之相互作用之特寫。

第2B圖顯示第一以及第二參數之測量結果。

第3A~3C圖示意性地顯示校正原子力顯微鏡懸臂以及於樣品介面上使用懸臂之步驟。

第4A圖顯示光束偏轉之俯視圖。

第4B圖顯示頂部具有原子力顯微鏡之光束偏轉之側視圖照片。

以下將參照附圖更充分地描述本發明，附圖中係顯示本發明之實施例。然而，本發明可以許多不同之形式實施，且不應被解釋為受限於本文中所述之實施例。相反地，透過提供這些實施例使本發明為全面的以及完整的，且將向本領域技術人員充分地傳達本發明之範圍。於附圖中，為了清楚說明，系統、部件、層以及區域之絕對以及相對尺寸可能被誇大。可參閱本發明之可能理想化之實施例以及中間結構之示意性和/或橫截面圖示以描述複數實施例。於說明書以及附圖中，相同之標號表示相同之元件。相關之術語以及其衍生詞應被解釋為代表隨後之描述或者所討論之附圖中所示之取向。於一些 情況下，將省略公知設備以及方法之詳細描述以避免混淆本發明之系統以及方法之描述。如本文中所使用，除非上下文另有明確說明，否則單數形式”一個(a/an)”以及”上述(the)”亦可包括複數形式。術語”和/或”包括一個或者多個相關所列項目之任何以及所有組合。將理解的是，術語”包括(comprises/comprising)”係指示上述特徵之存在，但並不排除可存在或者增加一個或者多個其它之特徵。

第1A圖示意性地顯示與用於相互作用力之校正之光束偏轉(OBD)設置結合之原子力顯微鏡(AFM)系統之實施例。

於所示之實施例中，原子力顯微鏡系統包括探針針尖(probe tip)，即原子力顯微鏡針尖11。原子力顯微鏡針尖11係設置於第一懸臂12上。舉例來說，第一懸臂12為一輕敲模式懸臂。

於一實施例中，致動器13用以於一動態模式(例如輕敲模式)中致動第一懸臂12以振盪原子力顯微鏡針尖11。舉例來說，致動器13包括壓電元件(piezo element)。第一感測器16用以測量振盪的原子力顯微鏡針尖11之參數”A1”。舉例來說，參數”A1”可為作為振盪的第一懸臂12之角度或者位移(時間相依(time dependent))之函數之任何可觀測參數。於一實施例中，第一感測器16包括位置靈敏感測器(PSD)，其用以測量由第一懸臂之振盪表面反射至位置靈敏感測器PSD上之第一光束L1之位置。舉例來說，檢測器上之位置為振盪的原子力顯微鏡針尖11之懸臂之角度之測量結果。更具體地，懸臂帶 12之移動或者彎曲可能造成光束L1之偏轉。於一實施例中，系統包括用以將第一光束L1引導至第一懸臂12上之光源15。

於一實施例中，系統包括一測量模組17，用以自第一感測器16接收第一參數A1(t)之時間相依測量結果，並計算第一推導參數(derived parameter)”M1”，例如振盪之振幅、振盪之頻率和/或振盪之相位。於另一實施例中，原子力顯微鏡包括反饋控制器27，其用以控制原子力顯微鏡針尖11以及彈性元件22之間之相對距離。舉例來說，距離可透過控制位移台(translation stage)18之高度”Z2”確定，例如利用位移感測器28(例如震動儀(vibrometer))進行校正。除了移動彈性元件之外，亦可選擇性地移動懸臂12。於一實施例中，反饋可用以控制位移台18之高度”Z2”，例如以取得與測量到的參數A1(t)相關或者可自測量參數A1(t)推導之一特定幅度、頻率和/或相位。

於一實施例中，系統包括彈性元件22。如實施例中所示，第二感測器26用以測量彈性元件22之第二參數”A2”。舉例來說，第二參數A2可為作為彈性元件22之偏轉、角度和/或位移之函數之任何可觀察參數。於一實施例中，第二感測器26包括另一(或同一)位置靈敏感測器，用以測量由第一懸臂反射至位置靈敏感測器上之第二光束L2之時間相依位置。因此，光束之位置為彈性元件22之時間相依參數A2(t)之函數，例如彈性元件22之移動。於一實施例中，系統包括一光源25，其用以將第二光束L2引導至彈性元件22上。舉例來說，第一和/或第二光束L1、L2可為其可源自不同或者相同光源15和/或25 之雷射。於一實施例中，系統包括測量模組27，其用以自第二感測器26接收第二參數A2(t)之時間相依測量結果，並計算推導出的第二參數M2。舉例來說，參數M2可包括彈性元件之最大偏轉。

於一較佳實施例中，如圖所示，彈性元件22包括一第二懸臂。於另一實施例中，第一懸臂12係相對於第二懸臂22設置以使第一懸臂12之原子力顯微鏡針尖11與第二懸臂22之表面動態地相互作用(例如輕敲)。亦可使用另一彈性元件替代第二懸臂，另一彈性元件較佳地為具有已知或者可測量的作用力(彈簧)常數。舉例來說，可使用一彈性膜(未顯示)或者一雙懸臂樑或其它彈性偏轉表面。

於一實施例中，系統包括數據擷取模組30，其用以收集來自相應感測器16、26之測量參數A1、A2和/或自上述測量結果所推導出之參數M1、M2(例如透過測量模組17、27進行計算)。參數可由校正模組40進行處理。舉例來說，透過使用彈性元件22之已知作用力常數K2以及測量到的彎曲幅度M2可計算出作用力”F12”(施加於原子力顯微鏡針尖11以及彈性元件22之間之作用力)。於一實施例中，經計算的作用力F12儲存作為測量到的第一參數A1或者推導出的參數M1之函數。舉例來說，校正可包括與原子力顯微鏡針尖11之相對或者絕對振幅M1以及施加於原子力顯微鏡針尖11與彈性元件22之間之作用力F12相關之查找表或功能描述。除了使作用力F12與振盪之振幅(亦可為例如相對相位)相關之外，亦可使用相對於致動器13之驅動力D1(t)。

第1B圖示意性地顯示與樣品31相互作用之原子力顯微鏡系統之一部分。圖中並未顯示與光束偏轉(OBD)測量相關之部分。舉例來說，於校正作用力後，係將第1A圖之彈性元件替換為樣品31。於一實施例中，相同之系統係使用於第一配置(如第1A圖所示)中以進行作為振盪的懸臂12之可觀測參數M1之函數之作用力F12之校正；以及第二配置(如第1B圖所示)係用以利用振盪的原子力顯微鏡針尖11之相同測量參數M1計算探針針尖11與樣品31之間之作用力F13。舉例來說，系統包括處理器50，用以根據作為M1之函數之測量結果M1以及作用力F12之校正計算作用力F13。控制器24可透過利用控制信號Z3控制位移台18以控制相對於第一懸臂12之樣品表面31之位置。

第2A圖示意性地顯示第1A圖所示原子力顯微鏡針尖11以及第二懸臂22之間之相互作用之特寫。

根據一個實施例，於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力F12之方法可包括以下一個或者多個步驟。原子力顯微鏡針尖11係設置於第一懸臂12上。致動第一懸臂12以於動態模式下振盪原子力顯微鏡針尖11。舉例來說，動態模式為輕敲模式。第一感測器(未顯示)用以測量振盪的原子力顯微鏡針尖11之第一參數A1。提供具有作用力常數K2之彈性元件22。第二感測器(未顯示)用以測量彈性元件22之第二參數A2。於測量原子力顯微鏡針尖11之第一參數A1以及彈性元件22之第二參數A2時，將振盪的原子力顯微鏡針尖11移動靠近彈性元件22。根據彈性元件22之測量到的第二參數A2以及校正作用力常 數K2計算振盪的原子力顯微鏡針尖11與彈性元件22之間之作用力F12。將經計算的作用力F12儲存作為振盪的原子力顯微鏡針尖11之測量到的第一參數A1之函數。

於一實施例中，作用力常數K2包括作為彈性元件22上作用力F12之函數之第二參數A2之特徵。於一實施例中，彈性元件22之作用力常數K2為已知的，例如根據出廠規格和/或理論計算得知。然而，通常無法使用出廠規格，因為它們可能僅提供一範圍，而該範圍僅其邊緣之數據為有效的。此外，由於製造過程中之缺陷，因此工廠可能僅提供一範圍。可替代地或者另外地，作用力常數K2可作為第二參數A2之函數進行校正，例如透過第1A圖所示之系統。舉例來說，校正可包括使用熱雜訊法或其它校正方法先校正第一(輕敲)懸臂彈性常數K1。於校正後，第一懸臂以接觸模式(靜態模式)落於彈性元件上。例如使用位移感測器28(例如振盪儀)以及提供反饋信號Z2m之對應讀出裝置29進行校正以將階梯函數(step function)施加於(例如透過控制器24)位移台18上，其中由於過渡階段運動，第一懸臂係與第二懸臂一起偏轉。使用過渡階段之校正過的位移以即具有第一(輕敲)懸臂彈性常數K1之懸臂之偏轉可計算彈性元件於接觸點K2之彈性常數。亦可使用校正作用力常數K2之其它方法，例如根據已知標準進行校正。

一般而言，用於輕敲模式之原子力顯微鏡懸臂具有位於0.1~50牛頓/米範圍內之彈性常數。原則上，作用力常數亦可為第一懸臂因例如毛細現象或者靜電力之吸引力而未固 定於彈性元件上並繼續振盪之任意其它值。於一實施例中，彈性元件22之作用力或者彈性常數K2(位於與探針針尖11相互作用之位置X12)至少比第一懸臂12之作用力常數K1(位於探針針尖11之位置X12)高十倍。於另一實施例中，彈性元件22之作用力常數K2為至少十牛頓/米，例如30,100,200或500N/m。較佳地，彈性常數夠高足以像表面一樣起作用，並且夠低以使每個敲擊(tap)偏轉。於一實施例中，第二懸臂22可選擇性地比第一懸臂12短至少兩倍。

第2B圖示出作為時間”t”(以秒為單位)之函數之第一以及第二參數A1、A2(以任意單位)之測量圖。第一參數A1係顯示第一懸臂12之諧波振盪之正弦圖案。第二參數A2係顯示懸臂針尖11於彈性元件22之表面上施加作用力時所觸發之更不穩定之圖案。於圖中係以長劃點線(dash-dotted line)22s表示彈性元件之相對位置。

懸臂12通常透過致動器13以基頻R1(即最低諧振頻率)或者其基頻R1附近之頻率進行驅動。頻率R1通常與指示為~1/R1之振盪週期互逆。於一實施例中，第一懸臂12具有通常為40~500千赫之間之基頻R1。於另一實施例中，彈性元件22之基頻R2為第一懸臂12之基頻R1之至少十倍。舉例來說，第二懸臂22具有高於一兆赫之基頻，例如1~20MHz。

使用測量作為時間函數之參數A1以及A2，可推導出另外的參數，例如振盪或者偏轉之幅度或者幅度M1以及M2。亦可測量相對相移△φ，例如透過比較具有相互作用以及無相互作用之振盪之相位。相互作用力可例如引起振盪之相位 中之延遲和/或振盪之振幅M1之減小。

第3A-3C圖示意性地顯示校正以及使用懸臂12之步驟。具有探針針尖11之懸臂12由致動器(未顯示)於動態模式中驅動以與彈性元件22相距距離Z12。

如第3A圖所示，首先以頻率F0驅動懸臂12，而不與彈性元件22相互作用。這將使得懸臂以頻率F0之第一幅度M0振盪。舉例來說，原子力顯微鏡懸臂因熱雜訊而振盪。可使用熱振盪譜(thermal vibration spectra)以擷取懸臂之基本模式諧振頻率以及品質因數(Q)。透過使用諧振頻率以及品質因數可校正懸臂之彈性常數，例如使用Sader法(Sader’s method)。透過使用校正過的第一懸臂12，可於彈性元件(例如第二懸臂22)上施加已知作用力以進行校正。

如第3B圖所示，當距離Z12縮短時，至少於原子力顯微鏡針尖11施加相互作用力F12於彈性元件22上時，將使得振盪懸臂12之振幅M1減小以及彈性元件22之彎曲。彈性元件22之最大偏轉M2(例如與彈性元件22之作用力常數K2相關)可計算作用力F12。

如第3C圖所示，於校正後，相同之懸臂12可使用相同之致動器配置以成像樣品31。由於現在已知第一懸臂12之振幅M1以及驅動頻率F0與特定作用力F12相關，此知識亦可用以計算或者估算原子力顯微鏡針尖11與樣品31之間之作用力F13。此可用以例如對樣品施加特定作用力，或者避免施加過大之作用力。

於一實施例中，確定動態模式原子力顯微鏡測量 中之作用力之方法包括校正如前述之原子力顯微鏡、於測量第一參數時將振盪的針尖11移動經過樣品表面31、以及根據作為量測到的第一參數A1之函數之所儲存之作用力F12或者振盪的原子力顯微鏡針尖11之推導出的參數M1計算振盪的原子力顯微鏡針尖11與樣品表面之間之作用力F13。於另一實施例中，動態模式原子力顯微鏡用以將既定作用力施加至樣品表面31。舉例來說，方法包括於改變原子力顯微鏡針尖11與樣品表面31之間之距離時，確定前述之作用力F13直到實現既定之作用力。亦可利用來自配置之資訊以進行光刻。舉例來說，首先測量相對於振盪頻率以及振幅設定點之作用力，以及根據測量結果作出2D圖。透過使用該測量結果(例如透過調諧頻率以及幅度設定點)可確定何時施加高作用力以及低作用力。

第4A圖顯示如前述之光束偏轉(OBD)系統之實驗配置之俯視圖照片。

第4B圖顯示頂部具有原子力顯微鏡系統之光束偏轉之側視圖照片。

為了清楚以及簡單描述之目的，在此將特徵描述為相同或者單獨之實施例之一部分，然而，必須理解的是，該範圍可包括具有所描述之實施例之全部或一些特徵之組合。於所示之實施例中，高共振頻率懸臂用以作為較低共振頻率輕敲懸臂之作用力感測器。然而，亦可使用其它彈性元件和/或頻率。於所示之實施例中，使用光束偏轉(OBD)設置用以作為讀出技術以測量感測懸臂之偏轉。然而，本領域技術人員亦可使用其它讀出技術以測量具有本發明之優點之感測懸臂運 動，進而實現類似之功能以及結果。

組件可選擇性地組合或者分成一個或者多個可選的組件。所討論以及顯示之實施例之各種元件提供某些優點，例如防止樣品或者針尖損壞、更高的測量精準度、以及能夠擷取量化之物理以及機械特性。當然，必須理解的是，上述實施例或者程序中之任一者可與一個或者多個其它實施例或者程序組合，以提供查找以及匹配設計以及優點之更進一步之改進。必須理解的是，本發明所提供之特定優點可用於例如需要作用力之量化知識之工業應用(例如半導體、量測和/或生物醫學領域)之原子力顯微鏡系統中，且通常可應用於任何原子力顯微鏡系統。

最後，上述討論僅用以說明本系統和/或方法，並且不應被解釋為將所附權利要求限制於任何特定實施例或者一組實施例。因此，說明書以及附圖僅用以作為示範實施例，並非用以限制所附權利要求之範圍。於解釋所附權利要求時，必須理解的是，詞語”包括”不排除與權利要求中所列出之元件或動作不同之元件或動作；元件之前之詞語”一個”不排除存在複數個該元件；權利要求中之任何標號不限制其範圍；一些”裝置”可由相同或者不同之項目或者實現結構或者功能表示；任何所公開之裝置或者其部分可組合在一起或分開為另外之部分，除非另有特別說明。彼此不同之權利要求中所陳述之一些方法並不表示這些方法之組合不能被有利地使用。特別地，在此係公開權利要求之所有組合。

11:原子力顯微鏡針尖、探針針尖、懸臂針尖、針尖

12:第一懸臂

13:致動器

22:彈性元件、第二懸臂

25:光源

A1(t):第一參數

A2(t):第二參數

AFM:動態模式原子力顯微鏡

F12:作用力

K1:懸臂彈性常數

K2:作用力常數

OBD:光束偏轉系統

X12:位置

Z12:距離

Z2:高度

Claims (14)

1. 一種於一動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，包括：提供設置於一第一懸臂上之一原子力顯微鏡針尖；致動上述第一懸臂以於一動態模式下振盪上述原子力顯微鏡針尖；提供一第一感測器，上述第一感測器用以測量上述振盪原子力顯微鏡針尖之一第一參數；提供具有一作用力常數之一彈性元件，其中上述彈性元件之一基頻比上述第一懸臂之一基頻高至少十倍；提供一第二感測器，上述第二感測器用以測量上述彈性元件之一第二參數；當測量上述原子力顯微鏡針尖之上述第一參數以及上述彈性元件之上述第二參數時，將振盪的上述原子力顯微鏡針尖移動接近上述彈性元件；根據上述彈性元件之測量到的上述第二參數以及校正的上述作用力常數以計算上述振盪原子力顯微鏡針尖以及上述彈性元件之間之一作用力；以及儲存經計算的上述作用力以及振盪的上述原子力顯微鏡針尖之測量到的上述第一參數之間之一相關性。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，其中上述彈性元件包括一第二懸臂。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，其中上述第一參數為上述原子力顯 微鏡針尖之上述振盪之一振幅、頻率和/或相位中之一個或者多個之一函數。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，其中上述第二參數為上述彈性元件之一偏轉和/或位移之一函數。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，其中上述第一感測器包括一位置靈敏感測器，上述位置靈敏感測器用以測量上述第一懸臂位置反射至上述位置靈敏感測器上之一第一光束的一位置，其中上述位置為振盪的上述原子力顯微鏡針尖之上述第一參數之一函數。
6. 根據申請專利範圍第1~5項中任一項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，其中上述第二感測器包括一位置靈敏感測器，上述位置靈敏感測器用以測量上述第一懸臂反射至上述位置靈敏感測器上之一第二光束的一位置，其中上述位置為上述彈性元件之上述第二參數之一函數。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之於動態模式原子力顯微鏡中校正作用力之方法，更包括：根據上述第二參數的上述函數校正上述彈性元件之上述作用力常數。
8. 一種於一動態模式原子力顯微鏡測量中確定一作用力之方法，包括：根據申請專利範圍第1~7項中任一項所述之於動態模式原 子力顯微鏡中校正作用力之方法校正上述動態模式原子力顯微鏡；當測量上述第一參數時，將振盪的上述原子力顯微鏡針尖移動至一樣品表面上；根據經計算的上述作用力以及振盪的上述原子力顯微鏡針尖之測量到的上述第一參數之間之所儲存的上述相關性計算振盪的上述原子力顯微鏡針尖以及上述樣品表面之間之一作用力。
9. 一種使用一動態模式原子力顯微鏡以向一樣品表面施加既定的一作用力之方法，包括：於改變一原子力顯微鏡針尖以及上述樣品表面之間之一距離時，根據申請專利範圍第8項所述之方法確定上述力直到實現既定的上述作用力為止。
10. 一種動態模式原子力顯微鏡系統，包括：一原子力顯微鏡針尖，設置於一第一懸臂上；一致動器，用以致動上述第一懸臂以於一動態模式下振盪上述原子力顯微鏡針尖；一第一感測器，用以測量振盪的上述原子力顯微鏡針尖之一第一參數；一彈性元件，具有一作用力常數，其中上述彈性元件之一基頻比上述第一懸臂之一基頻高至少十倍；一第二感測器，用以測量上述彈性元件之一第二參數；一控制器，用以及編程以：當測量上述原子力顯微鏡針尖之上述第一參數以及上述彈 性元件之上述第二參數時，將振盪的上述原子力顯微鏡針尖移動接近上述彈性元件；根據上述彈性元件之測量到的上述第二參數以及校正過的上述作用力常數計算振盪的上述原子力顯微鏡針尖以及上述彈性元件之間之一作用力；以及儲存經計算的上述作用力以及振盪的上述原子力顯微鏡針尖之測量到的上述第一參數之間之一相關性。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之動態模式原子力顯微鏡系統，其中上述彈性元件包括一第二懸臂，其中上述第一懸臂係相對於上述第二懸臂設置，並以上述第一懸臂之上述原子力顯微鏡針尖輕敲上述第二懸臂之一表面。
12. 根據申請專利範圍第10項所述之動態模式原子力顯微鏡系統，更包括一光源，用以將一第一光束引導至上述第一懸臂上，其中上述第一感測器包括一位置靈敏感測器，用以測量由上述第一懸臂之移動所產生之上述第一光束之一偏轉。
13. 根據申請專利範圍第10項所述之動態模式原子力顯微鏡系統，更包括一反饋控制器，用以根據測量到的上述第一參數控制上述原子力顯微鏡針尖以及上述彈性元件之間之一相對距離。
14. 根據申請專利範圍第10~13項中任一項所述之動態模式原子力顯微鏡系統，更包括一光源，用以將一第二光束引導至上述彈性元件上，其中上述第二感測器包括一位置靈敏感測器，用於測量由上述彈性元件之移動所產生之上述第 二光束之一偏轉。

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