專利名稱：原子力顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子力顯微鏡以及操作原子力顯微鏡的方法。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡(AFM)是一種用來產(chǎn)生樣本表面的掃描圖象的高分辨率部件。一種類型的AFM具有帶有窄尖的彈性懸臂、偏轉(zhuǎn)檢測器，樣本臺以及懸臂和樣本臺反饋/驅(qū)動系統(tǒng)。通過在樣本表面上方機械掃描該懸臂的尖，AFM產(chǎn)生圖象。在掃描期間該偏轉(zhuǎn)檢測器測量懸臂的彎曲量。該彎曲量和樣本對懸臂尖施加的垂直力，即樣本-懸臂力相關(guān)。在掃描期間，反饋/驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生移動以恢復(fù)該樣本-懸臂力到初始狀態(tài)。通過記錄掃描期間把該樣本-懸臂力保持在預(yù)選的設(shè)定值上所需的尖位移，AFM生成樣本表面的地形圖象。
在一些AFM中，該反饋系統(tǒng)按嵌套配置具有一個主動(active)電子懸臂控制器和一個主動電子樣本臺控制器。在該嵌套配置下，該懸臂控制器響應(yīng)來自該偏轉(zhuǎn)檢測器的誤差信號。該誤差信號大致與樣本對該尖施加的力和該預(yù)選設(shè)定值之間的差成比例。這樣，該誤差信號大體與該懸臂的彎曲量成比例。響應(yīng)該誤差電壓，該懸臂控制器生成大致的比例電壓以便驅(qū)動一個壓電部件從而產(chǎn)生該懸臂的恢復(fù)位移。在該嵌套反饋系統(tǒng)中，該樣本臺控制器接收該懸臂控制器產(chǎn)生的驅(qū)動電壓。響應(yīng)該驅(qū)動電壓，該樣本臺控制器生成驅(qū)動另一個壓電部件的電壓以產(chǎn)生該樣本臺的恢復(fù)位移。懸臂和樣本臺的恢復(fù)位移一起把樣本表面對該尖施加的力恢復(fù)到該預(yù)選的設(shè)定值上。
許多AFM產(chǎn)生的樣本表面圖象在和樣本垂直的方向上分辨率非常高，例如好于1納米(nm)或者甚至好于0.1nm。為了達(dá)到這樣高的分辨率，AFM的安裝典型地必須限制環(huán)境振動噪聲。這種噪聲的一個來源是安裝AFM的房間中地板的振蕩，即建筑物噪聲。AFM安裝通常包括機械隔離以阻尼建筑物噪聲以及消除聲音噪聲的隔聲室。在許多情況中，環(huán)境噪聲限制AFM能達(dá)到的掃描上限速度和/或深度分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明各實施例提供對低頻環(huán)境操作不那么敏感的原子力顯微鏡(AFM)。這些AFM具有懸臂反饋控制器和樣本臺反饋控制器。這些反饋控制器按并聯(lián)配置連接，從而二個控制器都接收指示樣本在懸臂上施加的力中的誤差的電壓信號。和典型嵌套反饋配置相比，這種并聯(lián)配置更有效地抑制低頻電和機械噪聲對樣本臺的影響。這種并聯(lián)配置尤其在樣本臺中降低和建筑物以及聲音噪聲關(guān)聯(lián)的低頻的諧振機械振動模式的激勵。這樣，它能采用較少的對低頻環(huán)境噪聲的屏蔽，并且從而提供更容易達(dá)到的AFM安裝。
一個實施例包括樣本臺、懸臂架、懸臂力檢測器、懸臂反饋系統(tǒng)以及樣本臺反饋系統(tǒng)。該樣本臺配置成保持樣本。該懸臂架配置成機械固定帶有掃描尖的機械懸臂。該懸臂力檢測器配置成產(chǎn)生懸臂力誤差電信號。該懸臂反饋系統(tǒng)配置成以響應(yīng)該懸臂力誤差信號的方式機電地驅(qū)動該機械懸臂。該樣本臺反饋系統(tǒng)配置成以響應(yīng)該懸臂力誤差信號的方式機電地移動該樣本臺。該懸臂反饋系統(tǒng)和樣本臺反饋系統(tǒng)連接成并聯(lián)接收該懸臂力誤差信號。
另一實施例以是一種用于原子力顯微鏡的設(shè)備。該設(shè)備包括樣本臺、懸臂架、懸臂力檢測器、懸臂反饋系統(tǒng)、高通濾波器以及機電驅(qū)動器。該樣本臺配置成支持樣本。該懸臂架配置成機械固定帶有掃描尖的懸臂。該懸臂力檢測器配置成產(chǎn)生基本上代表樣本對該尖施加的力的誤差電信號。該懸臂反饋系統(tǒng)配置成接收該誤差信號并且響應(yīng)該接收的誤差信號機電地驅(qū)動該尖。該高通濾波器被配置成響應(yīng)于該誤差信號產(chǎn)生濾過波的驅(qū)動信號。該機電驅(qū)動器配置成接收濾過波的驅(qū)動信號并且響應(yīng)所述濾過波的驅(qū)動信號移動該懸臂的一部分。
一個實施例是一種操作原子力顯微鏡的方法。該方法包括在樣本表面上方橫向掃描彈性機械懸臂的尖。在進(jìn)行掃描的同時，該方法包括產(chǎn)生基本上代表樣本對懸臂施加的力的誤差信號。在進(jìn)行掃描的同時，該方法包括利用機電驅(qū)動器以響應(yīng)該誤差信號的方式驅(qū)動該機械懸臂。由該機電驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動步驟在大約不帶有零頻率分量的情況下產(chǎn)生該懸臂的位移。


圖1提供AFM的示意圖；圖2是圖1中示出的AFM的樣本臺的頂視圖；圖3是圖2中示出的樣本臺的壓電驅(qū)動器之一的剖視圖；圖4提供AFM另一實施例的示意圖；圖5A和5B示出基于振動音叉的AFM的另外的實施例的示意圖；圖6-9示出一系列響應(yīng)于懸臂尖和樣本表面上的臺階之間的碰撞產(chǎn)生的機械狀態(tài)序列；以及圖10是流程圖，說明操作AFM，例如圖1、4和5A-5B的AFM的方法。
在附圖和正文中，相似的參照數(shù)字表示功能類似的元件。
在附圖中，為了更好地說明各實施例，可能在尺寸上擴(kuò)大或縮小不同特征的相對尺寸。
通過詳細(xì)說明和附圖來描述不同的實施例。但是，可以以不同形式和不受附圖和詳細(xì)說明中所描述的實施例的限制來實現(xiàn)本發(fā)明。
具體實施例方式
圖1所示為配置成對樣本12的表面10成象的AFM 8。AFM 8包括彈性機械懸臂14、懸臂力檢測系統(tǒng)16、樣本臺18、主動懸臂反饋系統(tǒng)20、主動樣本臺反饋系統(tǒng)22以及圖象處理器24。
機械懸臂14包括一個細(xì)尖26。在掃描期間，細(xì)尖26或者和樣本表面10接觸或者在表面10上方振蕩，例如規(guī)律地輕打表面10。在掃描的接觸方式以及振蕩方式下，樣本12的表面在尖26上施加垂直力，即沿著 方向，并且從而在機械懸臂14的自由端施加垂直力。在掃描的接觸方式下，該垂直力影響機械懸臂14的彎曲量。在掃描的振蕩方式下，表面10對尖26施加的垂直力影響尖26的振蕩振幅。尖26在表面10的臺階、隆起或凹陷上的掃描在掃描的接觸方式下改變懸臂的彎曲量并且改變尖26的振蕩振幅。
在振蕩方式下，一個加法器位于高通濾波器46和放大器48之間。該加法器求和AC驅(qū)動信號和用來控制壓電驅(qū)動器50的信號。另外，在振蕩方式下，二極管檢測器包括一個整流器例如電壓平方器，后面跟著一個去掉該AC驅(qū)動信號的低通濾出器，以在輸出端口36上產(chǎn)生懸臂力誤差電壓信號。
懸臂力檢測系統(tǒng)16測量樣本12的表面10對尖26上施加的垂直力。由于該施加的力決定懸臂彎曲量，懸臂力檢測系統(tǒng)16還測量懸臂14的彎曲量。懸臂力檢測系統(tǒng)16配置成在輸出端口36生成懸臂力誤差電壓。本文中，如果某輸出電壓基本代表對懸臂尖26施加的實際垂直力和垂直力預(yù)定值之間的差，則把該輸出電壓稱為懸臂力誤差電壓。特別是，懸臂力誤差電壓在該力的可用范圍是該差的單調(diào)函數(shù)。另外，對于固定的設(shè)定點電壓，當(dāng)施加在尖26上的垂直樣本力小時懸臂力誤差電壓小，而當(dāng)施加到尖26上的垂直樣本力大時該誤差電壓大。例如，一旦減掉設(shè)定點電壓，該懸臂力誤差電壓可以大約與樣本表面10對尖26施加的力成比例。
類似地，對懸臂彎曲的可使用范圍即在設(shè)定值內(nèi)，該懸臂力誤差電壓在懸臂彎曲量上是單調(diào)的。懸臂力誤差電壓在懸臂彎曲量小時也為小，并且當(dāng)懸臂彎曲量大時為大。這樣，懸臂力誤差電壓也可以稱為懸臂偏轉(zhuǎn)誤差電壓。
懸臂力檢測系統(tǒng)16包括激光器28、一對反射鏡30、31、陣列式光電二極管檢測器32以及電壓減法器34。激光器28產(chǎn)生光束，該光束在反射鏡30上反射以聚焦在懸臂14的反射背面上。該光束在懸臂14的反射背面上反射并通過反射鏡31被改向到光電二極管檢測器32上。光電二極管檢測器32在空間上是分段從而檢測接收到的光束的位置。從光束的位置，光電二極管檢測器32配置成產(chǎn)生表示接收到的光束的角偏差的輸出電壓。這樣，光電二極管檢測器32產(chǎn)生測量懸臂14的彎曲量的輸出電壓，即懸臂偏轉(zhuǎn)誤差電壓或力誤差電壓。電子減法器34從光電二極管檢測器32的輸出電壓減去設(shè)定點電壓Vs，以在輸出端口36生成適當(dāng)調(diào)零的誤差電壓。這樣，在輸出端口36，該電壓信號大致代表表面10對尖26實際施加的力與若懸臂14處于預(yù)定彎曲狀態(tài)時表面10會對尖26施加的力之間的差。
替代實施例可以具有基于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它技術(shù)的懸臂力檢測系統(tǒng)。
參照圖1-2，樣本臺18包括樣本平臺38、壓電驅(qū)動器40和金屬連接器41。樣本平臺38在三維上對樣本10的保持和移動提供剛性支持。壓電驅(qū)動器40和彈性金屬連接器41以及固定支承42機械連接。壓電驅(qū)動器40以及金屬連接器共同地把樣本平臺38機械連接到固定支承42上。響應(yīng)于適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，壓電驅(qū)動器40產(chǎn)生沿x軸和z軸的橫向掃描運動，例如產(chǎn)生樣本12的表面10的光柵掃描。響應(yīng)于其它適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，壓電驅(qū)動器40還產(chǎn)生樣本平臺38以及樣本臺18沿y軸的垂直恢復(fù)位移。
參照圖3，每個壓電驅(qū)動器40包括一個壓電柱43和四對控制電極A、B、C、D?？刂齐姌O對A-D定位成環(huán)繞壓電柱43的圓周。響應(yīng)于在柱43的相對側(cè)的電極對，即對(A，B)或?qū)?C，D)，上施加適當(dāng)?shù)碾妷?，壓電?3沿連接這些對的方向彎曲。通過協(xié)調(diào)彎曲運動，圖2中的面對的壓電驅(qū)動器40對產(chǎn)生橫向掃描以及樣本平臺38和樣本12的垂直恢復(fù)位移。
再次參照圖1，主動懸臂反饋系統(tǒng)20包括主動電子懸臂控制器44、高通濾波器46、放大器48和壓電驅(qū)動器50。主動電子懸臂控制器44是帶有可調(diào)放大倍數(shù)的比例式或比例加微分式電壓放大器。主動電子懸臂控制器44產(chǎn)生大致和從懸臂力檢測系統(tǒng)16的輸出端口36接收的偏轉(zhuǎn)誤差電壓成比例的輸出電壓。高通濾波器46去掉由主動電子懸臂控制器44產(chǎn)生的電壓的低頻以及零頻率部分。把高通濾波器46調(diào)成使它的低頻截止頻率低于樣本臺18的機械諧振頻率。示例高通濾波器46例如可以具有30-500赫茲或更低的低頻截止。放大器48是一個高電壓比例放大器，其把高通濾波器46的輸出電壓放大到適于驅(qū)動壓電驅(qū)動器50的適當(dāng)范圍，例如100-300伏。壓電驅(qū)動器50例如為板式或疊層壓電結(jié)構(gòu)，它的垂直或y方向高度響應(yīng)于從放大器48接收的驅(qū)動電壓伸長和收縮。由于是相對剛性的板式和疊層部件，壓電驅(qū)動器50不具有機械諧振，至少對由主動電子懸臂控制器44典型地產(chǎn)生的電壓信號的低頻是如此。這樣，壓電驅(qū)動器50對該驅(qū)動電壓具有基本線性的和瞬時的響應(yīng)。壓電驅(qū)動器50形成機械懸臂14的一端和懸臂架52之間的一個機械支承，它把壓電驅(qū)動器/機械懸臂組件固定到一個固定支承上。由于這個原因，壓電驅(qū)動器50的高度變化調(diào)整機械懸臂14的附著端的垂直位置，從而調(diào)整樣本12的表面10對尖26施加的力。
主動樣本臺反饋系統(tǒng)22包括主動電子樣本臺控制器54、放大器56以及壓電驅(qū)動器40。主動電子樣本臺控制器54產(chǎn)生造成樣本臺18沿y軸的恢復(fù)位移的和造成樣本臺沿x軸和z軸的掃描運動的輸出電壓信號。對于恢復(fù)位移，主動電子樣本臺控制器54包括一個積分放大器或者一個積分加比例放大器。該放大器連接成從懸臂力檢測系統(tǒng)16的輸出端口36接收力誤差電壓。響應(yīng)于該誤差電壓，主動電子樣本臺控制器54產(chǎn)生大致為該誤差電壓的時間積分的輸出電壓。該輸出電壓通過樣本平臺38并且從而通過樣本臺18驅(qū)動y軸垂直位移。這些y軸位移設(shè)計成把施加到懸臂14上的時間平均力恢復(fù)到零，即，使時間平均力誤差電壓接近零。對于掃描運動，主動電子樣本臺控制器54產(chǎn)生輸出電壓以造成壓電驅(qū)動器產(chǎn)生通過樣本臺18的橫向x軸和z軸掃描運動，例如光柵掃描運動。放大器56是一個高電壓放大器，它把主動電子樣本臺控制器54的輸出電壓比例地放大到適用于驅(qū)動壓電驅(qū)動器40的范圍。
圖象處理器24從掃描期間主動電子樣本臺控制器54的驅(qū)動電壓的測量值產(chǎn)生樣本12的表面10的地形圖象。圖象處理器24利用x方向和z方向驅(qū)動電壓確定掃描期間樣本臺18的頂表面或樣本平臺38的橫向位置。在一些實施例中，圖象處理器24利用y方向驅(qū)動電壓確定樣本12的表面10上的特征的垂直高度，即離樣本臺18的頂表面的垂直位置的距離。替代地，圖象處理器24從懸臂14和樣本臺18兩者的驅(qū)動電壓確定表面10上特征的垂直高度。在此實施例中，圖象處理器24應(yīng)從樣本臺18的頂表面的垂直高度減掉尖26的垂直高度，其中這些高度是分別從由主動電子樣本臺控制器54和主動電子懸臂控制器44產(chǎn)生的驅(qū)動電壓確定的。通過利用這二個電子控制器54、44的驅(qū)動電壓，能更快地確定樣本特征的高度。和如后面圖7-8示出那樣把懸臂的壓電驅(qū)動器50完全恢復(fù)到它的初始高度D所需的時間相比，這種方法能使掃描時間更快。
可從市場上得到機械懸臂架52、懸臂力檢測系統(tǒng)16、壓電驅(qū)動器40、50以及樣本臺18的示例結(jié)構(gòu)。例如Nanonics Imaging Limited ofManhat Technology Park，Maleha，Jerusalem 91487 Isreal(www.nanonics.co.il)以產(chǎn)品名“NSOM 100”出售一種含有這些部件的單元。該Nanonics部件包括一個用來產(chǎn)生懸臂尖的掃描的振蕩方式的壓電驅(qū)動器。該壓電驅(qū)動器能起圖1的AFM 8中的壓電驅(qū)動器50的作用。
圖4示出一種替代實施例AFM 8’，除了配置成減去設(shè)定點值外，它基本類似圖1的AFM 8。在該AFM 8’中，電壓減法器34只從對主動電子樣本臺控制器54施加的電壓信號中減掉固定的設(shè)定點電壓Vs。由于高通濾波器46，這種電壓減法設(shè)置不影響懸臂反饋電路20的操作。另外，主動懸臂反饋系統(tǒng)20以及包含減法器34的主動樣本臺反饋系統(tǒng)22仍并聯(lián)地接收來自懸臂力檢測系統(tǒng)16的力誤差電壓。
圖5A-5B示出類似于圖1的AFM 8但基于音叉的替代AFM 8”、AFM 8。在AFM 8”、AFM 8中，機械懸臂14是壓電音叉，其固定到壓電驅(qū)動器50并且因此還固定到懸臂架52。壓電驅(qū)動器50隨后固定到懸臂架52。壓電驅(qū)動器50產(chǎn)生用于把音叉14驅(qū)動到預(yù)定穩(wěn)定狀態(tài)的垂直位移。
驅(qū)動電路49和電壓振蕩器47把壓電音叉14驅(qū)動到近諧振狀態(tài)。接著，尖26和樣本12的表面10之間的交互作用會通過改變音叉14的阻抗來影響該音叉的振蕩的振幅和相位。通過測量該音叉的阻抗，力檢測系統(tǒng)16電子地測量掃描期間由樣本10在振蕩的音叉14上施加的力。例如可以通過測量驅(qū)動電路49的電阻R上的電流得到該阻抗。懸臂力檢測系統(tǒng)16的其它實施例可以利用音叉的驅(qū)動電壓與該電流的相位之比來測量樣本10在音叉14上施加的力。
力檢測系統(tǒng)16還包括鄰近減法器34的輸入端的整流器和低通濾波器。整流器和低通濾波器的組合把測到的AC電流或電壓轉(zhuǎn)換成懸臂力誤差電壓。在減掉設(shè)定值后，并聯(lián)地向懸臂控制系統(tǒng)20以及樣本臺控制系統(tǒng)22發(fā)送懸臂力誤差電壓。
圖6-9示出一機械狀態(tài)序列，它們描述響應(yīng)于尖26和樣本12的表面10上的臺階60之間的碰撞懸臂14和樣本臺18的運動。該序列包括如圖6-7示出的臺階60造成的懸臂14的機械偏轉(zhuǎn)。該序列還包括把該機械系統(tǒng)恢復(fù)到它的初始狀態(tài)的快速和慢速恢復(fù)運動。最初的快速運動造成壓電驅(qū)動器50的伸長。該快速伸長幾乎把表面10對尖26施加的力恢復(fù)到碰到臺階60之前表面10對尖26施加的力。該較慢的運動移動懸臂14和樣本臺18的頂表面，從而壓電驅(qū)動器50恢復(fù)到它的初始高度并且尖26上的垂直力被恢復(fù)到碰到臺階60之前在其上施加的力上。
圖6示出碰到表面10的臺階60之前尖26、懸臂14以及壓電驅(qū)動器50的初始機械狀態(tài)。在該初始機械狀態(tài)下，表面10對尖26施加垂直力。該施加的力使懸臂14具有預(yù)選形狀。在此形狀下，反射鏡30按方向α指向懸臂14的末端背面上的激光會被懸臂14按方向β反射。在此初始機械狀態(tài)下，壓電驅(qū)動器50具有高度D。對于該選定的初始機械狀態(tài)，偏轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)16配置成在輸出端口36產(chǎn)生變?yōu)榱愕牧φ`差電壓。這樣，懸臂的壓電驅(qū)動器50初始處于松弛狀態(tài)。
圖7示出尖26和臺階60碰撞極短后尖26、懸臂14和壓電驅(qū)動器50的機械狀態(tài)?，F(xiàn)在，樣本12的表面10對尖26施加相對大的垂直力。尖26承受表面10施加的較大的力，這造成懸臂14比圖6的狀態(tài)更加彎曲。因此，按方向α入射到懸臂末端背面上的光按新方向β’反射。這樣，反射光束的角偏轉(zhuǎn)即β’-β不等于零，從而偏轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)16在輸出端口36產(chǎn)生非零的偏轉(zhuǎn)誤差電壓。但是，壓電驅(qū)動器50仍具有高度D，因為碰到臺階60后經(jīng)過的時間不足以使壓電部件50做出機械反應(yīng)。
圖8示出尖26和臺階60碰撞經(jīng)過較長時間后尖26、懸臂14以及壓電驅(qū)動器50的機械狀態(tài)。具體地，該經(jīng)過的時間長到足以使主動懸臂反饋系統(tǒng)20產(chǎn)生實質(zhì)性的機械恢復(fù)反應(yīng)，但是尚不足以使主動樣本臺反饋系統(tǒng)22產(chǎn)生實質(zhì)性的機械恢復(fù)反應(yīng)。由于懸臂14和壓電驅(qū)動器50比樣本臺18輕得多并且由于壓電驅(qū)動器50比壓電驅(qū)動器40更具有剛性，主動懸臂反饋系統(tǒng)20產(chǎn)生比主動樣本臺反饋系統(tǒng)22快的機械反應(yīng)。壓電驅(qū)動器50垂直伸長到高度E從而造成懸臂14的附著端的位移，該位移幾乎足以使懸臂恢復(fù)到尖26和臺階60相碰前的形狀。壓電驅(qū)動器50的該機械狀態(tài)的改變是由主動電子懸臂控制器44響應(yīng)來自懸臂力檢測系統(tǒng)16的誤差電壓所產(chǎn)生的驅(qū)動電壓而造成的。由于懸臂14的機械狀態(tài)的改變，從反射鏡30入射到懸臂14的背面上的光束現(xiàn)在幾乎按圖6中所示的方向β反射。這樣，在懸臂14的固定端的恢復(fù)移動的短時間后，懸臂力檢測系統(tǒng)16會重新只檢測出懸臂14的很小偏轉(zhuǎn)并從而會在輸出端口36輸出幅值小且變化慢的偏轉(zhuǎn)或力誤差電壓。
圖9示出尖26和臺階60相撞后經(jīng)過長得多的時間后尖26、懸臂14以及壓電驅(qū)動器40的機械配置。具體地，該經(jīng)過時間長到足以使主動樣本臺反饋系統(tǒng)22產(chǎn)生通過較重的樣本臺18的實質(zhì)性機械恢復(fù)反應(yīng)。在該較長的時間期間，懸臂的壓電驅(qū)動器50按其驅(qū)動電壓中不存在零頻率和低頻率分量的要求，即，因為高通濾波器46，逐漸松馳到它的初始狀態(tài)。當(dāng)壓電驅(qū)動器50由于它的驅(qū)動電壓的交流特性緩慢松弛時，主動電子樣本臺控制器50驅(qū)動壓電驅(qū)動器40上升到樣本臺18的頂表面或樣本平臺38的高度。樣本臺18的反應(yīng)在該較長的經(jīng)過時間中趕上懸臂14的反應(yīng)以及懸臂的壓電驅(qū)動器50的反應(yīng)。實質(zhì)上積分偏轉(zhuǎn)誤差電壓的樣本臺控制器54驅(qū)動壓電部件40。為此，當(dāng)懸臂14處于圖6中所示的原始偏轉(zhuǎn)時，主動樣本臺反饋系統(tǒng)22停止垂直移動樣本臺18的頂表面。
在圖1、4、5A和5B的各個AFM 8、8’、8”、8中，懸臂以及樣本臺反饋系統(tǒng)20、22連接成為并聯(lián)的電路件。由此，這二個反饋系統(tǒng)20、22由相同的通過力檢測系統(tǒng)16生成的力誤差電壓驅(qū)動。如圖6-9所示，除了AFM 8、8’、8”、8機械擾動后的短時間之外該力誤差電壓的非零頻率頻譜典型地是小的。這種機械擾動是由于尖26和表面10上的臺階、隆起或凹陷相遇造成的，或者是由于振動某個AFM構(gòu)件例如樣本臺18的環(huán)境噪聲造成的。具體地，主動懸臂反饋控制系統(tǒng)20通過使懸臂14的彎曲狀態(tài)返回到這種機械擾動之前懸臂的彎曲狀態(tài)附近的值產(chǎn)生對該機械撓動的快速機械反應(yīng)。該快速機械反應(yīng)降低誤差電壓的非零頻率分量的后續(xù)的幅值，即，使誤差電壓接近固定的設(shè)定點值。這樣，除短的反應(yīng)時間段之外，非零頻率下的較小誤差電壓會驅(qū)動主動樣本臺反饋系統(tǒng)22。
對于各種掃描頻率，尖26和表面10上的隆起、凹陷和臺階相遇產(chǎn)生的力誤差電壓的大部分功率譜被阻尼掉。具體地，主動懸臂反饋系統(tǒng)20的反應(yīng)應(yīng)當(dāng)阻尼該譜的低頻部分，即，樣本臺18的機械諧振頻率附近的部分。為此，在樣本臺18響應(yīng)這樣的機械擾動實際上進(jìn)行恢復(fù)移動期間，還應(yīng)明顯地阻尼掉偏轉(zhuǎn)誤差電壓的這部分頻譜。這樣，和不具有懸臂壓電驅(qū)動器或者具有嵌套式懸臂和樣本臺反饋回路的AFM中的樣本臺控制器的功率譜相比，主動電子樣本臺控制器54應(yīng)產(chǎn)生其功率譜在樣本臺18的機械諧振頻率上更衰減的輸出電壓。
類似地，樣本臺的機械諧振上的力誤差電壓的衰減還應(yīng)減小和環(huán)境振動噪聲關(guān)聯(lián)的不希望效應(yīng)。否則，主動樣本臺反饋系統(tǒng)22會放大環(huán)境振動噪聲從而造成樣本臺18的運動。在諧振頻率上，這種運動應(yīng)減小測到的驅(qū)動電壓和樣本臺18頂表面的實際運動之間的關(guān)聯(lián)。這會降低地形圖象的精確性，該精確性基于對AFM 8、8’、8”、8的樣本臺18頂表面的y方向位置的確定。
參照圖1、4、5A和5B，AFM 8、8’、8”、8的一些實施例數(shù)字地在軟件控制的硬件中實現(xiàn)減法器34、懸臂控制器44、高通濾波器46、圖象處理器24和/或樣本臺控制器54。
圖10示出操作AFM，例如圖1、4、5A或5B的AFM 8、8’、8”、8的方法。
方法70包括在樣本表面上方橫向掃描彈性機械懸臂的尖(步驟72)。該尖例如可以是圖1、4、5A或5B的懸臂14的尖26。該掃描步驟可涉及驅(qū)動壓電驅(qū)動器從而樣本臺完成和掃描關(guān)聯(lián)的橫向移動，例如，如壓電驅(qū)動器40以及主動電子樣本臺控制器54驅(qū)動樣本臺18或樣本平臺38那樣。實現(xiàn)掃描步驟的示例方式包括尖保持和樣本接觸的方式，尖規(guī)律地沿x方向或z方向在樣本上方振蕩的方式，以及尖規(guī)律地輕擊樣本表面的方式。
方法70包括掃描期間產(chǎn)生實質(zhì)上代表樣本對懸臂施加的垂直力的誤差信號(步驟74)。示例偏轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)16在輸出端口36產(chǎn)生這種誤差信號。
方法70包括掃描期間利用機電驅(qū)動器以響應(yīng)于該誤差信號的方式機電地驅(qū)動機械懸臂(步驟76)。該驅(qū)動運動產(chǎn)生不帶有零頻率分量的移動。例如，主動電子懸臂控制器44、高通濾波器46、放大器48以及壓電驅(qū)動器50一起產(chǎn)生不帶有零頻率分量的移動。特別地，因為已經(jīng)過濾對壓電驅(qū)動器50施加的電壓從而去掉它的零頻率分量，該移動不具有零頻率分量。
方法70包括在掃描期間垂直移動支持樣本的樣本臺從而對懸臂施加恢復(fù)運動的低頻分量(步驟78)。例如，主動樣本臺反饋系統(tǒng)22產(chǎn)生樣本平臺38的頂表面的帶有零頻率分量的垂直移動。
從本公開、附圖以及權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚本發(fā)明的其它實施例。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括用于支持樣本的樣本臺；機械地固定帶有掃描尖的機械懸臂的懸臂架；產(chǎn)生電子懸臂力誤差信號的懸臂力檢測器；懸臂反饋系統(tǒng)，其被配置成按響應(yīng)于該懸臂力誤差信號的方式機電地驅(qū)動該機械懸臂；以及樣本臺反饋系統(tǒng)，其被配置成按響應(yīng)于該懸臂力誤差信號的方式機電地移動該樣本臺，該懸臂反饋系統(tǒng)和該樣本臺反饋系統(tǒng)連接成并聯(lián)地接收該懸臂力誤差信號。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，所述反饋系統(tǒng)被配置成把該懸臂恢復(fù)到預(yù)選定的彎曲狀態(tài)。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該懸臂反饋系統(tǒng)包括電子高通濾波器，用于響應(yīng)于接收該懸臂力誤差信號產(chǎn)生濾過波的電驅(qū)動信號；以及機電驅(qū)動器，其固定在該懸臂架上并且連接成機械地響應(yīng)該濾過波的驅(qū)動信號。
4.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，該高通濾波器的低頻截止低于該樣本臺在垂直于該原子力顯微鏡的二個掃描方向的方向上機械振蕩的諧振頻率。
5.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，該樣本臺控制系統(tǒng)包括主動電子樣本臺控制器，用于響應(yīng)于接收該誤差信號產(chǎn)生另一個電驅(qū)動信號；以及機電驅(qū)動器，其被配置成響應(yīng)于所述另一個驅(qū)動信號使得該樣本臺移動。
6.一種用于原子力顯微鏡的設(shè)備，包括支持樣本的樣本平臺；機械固定帶有掃描尖的懸臂的懸臂架；產(chǎn)生實質(zhì)上代表該樣本在該尖上施加的力的電子誤差信號的懸臂力檢測器；配置成接收該誤差信號并且響于應(yīng)該接收的誤差信號機電驅(qū)動該尖的懸臂反饋系統(tǒng)；配置成響應(yīng)于該誤差信號產(chǎn)生濾波后的驅(qū)動信號的高通濾波器；以及配置成接收該濾波后的驅(qū)動信號并且響應(yīng)于所述濾波后的驅(qū)動信號移動一部分懸臂的機電驅(qū)動器。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，該高通濾波器的低頻截止低于該樣本平臺在垂直于顯微鏡二個掃描方向的方向上機械振蕩的諧振頻率。
8.一種操作原子力顯微鏡的方法，包括在樣本表面上方橫向掃描彈性機械懸臂的尖；在進(jìn)行掃描時，產(chǎn)生實質(zhì)上代表樣本在該懸臂上施加的力的誤差信號；在進(jìn)行掃描時，利用機電驅(qū)動器以響應(yīng)于該誤差信號的方式驅(qū)動該機械懸臂；以及其中，該機電驅(qū)動器的驅(qū)動產(chǎn)生不帶有實質(zhì)零頻率分量的懸臂的移動。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，該驅(qū)動配置成向一預(yù)選值松弛該懸臂的偏轉(zhuǎn)。
10.權(quán)利要求8的方法，還包括當(dāng)進(jìn)行掃描時，用另一個機電驅(qū)動器驅(qū)動所述樣本平臺，從而該平臺經(jīng)歷響應(yīng)于該誤差信號的運動，該運動具有零頻率分量并且位于垂直于該樣本的平均表面的方向上。
全文摘要
一種設(shè)備，包括樣本臺、懸臂架、懸臂力檢測器、懸臂反饋系統(tǒng)以及樣本臺反饋系統(tǒng)。樣本臺配置成保持樣本。懸臂架配置成機械固定帶有掃描尖的機械懸臂。懸臂力檢測器配置成產(chǎn)生懸臂力電誤差信號。懸臂反饋系統(tǒng)配置成響應(yīng)于該懸臂力誤差信號驅(qū)動該機械懸臂。樣本臺反饋系統(tǒng)配置成響應(yīng)于該懸臂力誤差信號機電移動該樣本臺。該懸臂反饋系統(tǒng)和該樣本臺反饋系統(tǒng)連接成并聯(lián)地接收懸臂力誤差信號。
文檔編號B81B7/02GK1755346SQ20051010712
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者吉爾施·布魯姆博格, 卡爾·J.·斯故克爾曼 申請人:朗迅科技公司