專利名稱：掃描探針顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope；SPM)。
背景技術：
掃描探針顯微鏡，是利用微小探針(probe)掃描樣品表面，并且檢測與樣品間的相互作用，由此可檢測該樣品表面的形狀或物理量以將其圖像畫，且具有掃描隧道技術顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope；STM)，其利用探針與樣品間流動的電流作為上述相互作用，或原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope；AFM)，其利用作用于探針與樣品間的原子力作為上述相互作用。
圖3表示先前所知的原子力顯微鏡的主要部件的結(jié)構(gòu)(參照如日本專利早期公開第特開2000-338027號公報( ， ，圖7)等)。原子力顯微鏡具有懸臂34，在其前端具備尖銳的探針33；位移檢測系統(tǒng)，用以檢測該懸臂34的位移；三維掃描儀31，用以在其上面載置樣品32，以使該樣品32在X-Y-Z軸方向上移動，且當探針33的前端非常接近(數(shù)nm以下的間隙)載置于三維掃描儀31上的樣品32時，探針33的前端與樣品32的原子之間產(chǎn)生原子力(引力或斥力)的作用。于此狀態(tài)下，一面由掃描儀31掃描，以使探針33與樣品32在X-Y平面內(nèi)沿樣品表面相對移動，一面反饋控制探針33與樣品32間的距離(Z軸方向的高度)，以使上述原子力保持為固定。此時，由于Z軸方向的反饋量是相應于樣品32的表面凹凸情況，所以基于此可獲得樣品表面的三維圖像。
位移檢測系統(tǒng)是用以檢測上述懸臂34于Z軸方向的位移，且具有激光光源35，用以在懸臂34的前端附近照射激光；以及光檢測器36等，用以檢測由懸臂34反射的該激光，并利用光學杠桿原理檢測懸臂34的撓曲角度，由此可檢測懸臂34的上下運動。
而且，在掃描探針顯微鏡中，除了在如上所述的三維掃描儀上載置樣品，并通過此三維掃描儀使樣品移動而進行觀察之外，也可如圖4所示，在懸臂34上安裝三維掃描儀30，并通過此三維掃描儀30使探針33移動而進行觀察。此情形下，也可根據(jù)來自位移檢測系統(tǒng)的信號，一面反饋控制三維掃描儀30在Z軸方向上的位移，一面通過X-Y平面內(nèi)的掃描，取得樣品表面的三維圖像，以使作用于探針33與樣品32之間的原子力固定。
掃描儀是包含壓電元件(piezo元件)的大致圓筒狀體，其通過由外部施加的電壓，在特定范圍內(nèi)分別于X軸、Y軸、及Z軸方向上自由地位移。掃描探針顯微鏡可觀察的范圍，由該掃描儀在X-Y軸方向上的可動范圍(即最大掃描范圍)而定，最大掃描范圍較大的掃描儀，可確保更大的觀察范圍。為擴大掃描儀的最大掃描范圍，故然可以增大掃描儀的尺寸，但是另一方面，為獲取高分辨率的圖像，以提高裝置整體的剛性，必需減小掃描儀的尺寸。即，一般地，最大掃描范圍較大的掃描儀難以獲得高分辨率的圖像，從而難以同時實現(xiàn)確保較大的觀察范圍與以高分辨率進行觀察。
因此，在掃描探針顯微鏡中，必需根據(jù)觀察對象或觀察目的，分開使用最大掃描范圍不同的掃描儀，但會出現(xiàn)這樣的問題掃描儀的交換或其后的設定變更等需花費時間。
而且，近年來為修正由壓電元件的非線形性引起的尺度誤差，并入有位置檢測器的掃描儀得以實用。即可由位置檢測器檢測掃描儀的位移，并通過將此位移信號反饋至掃描儀的驅(qū)動機構(gòu)，在維持線形性的狀態(tài)下，獲取較大范圍的觀察圖像。然而，這種情形下，通過并入位置檢測器，使裝置進一步大型化，產(chǎn)生難以高分辨率觀察的問題。
而且，通過掃描探針顯微鏡中樣品的熱漂移等，使觀察視野隨時間而移動。由此，通常是以所獲取的觀察圖像為基礎，檢測由熱漂移等產(chǎn)生的視野移動量，并通過掃描儀修正，以此可在同一視野內(nèi)繼續(xù)觀察。然而，可進行高分辨率觀察的小型掃描儀中，由于最大掃描范圍較小，長時間觀察時，無法完全修正觀察視野的移動，有時會出現(xiàn)欲觀察的區(qū)域向視野外移動的情形。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明所欲解決的課題，是提供一種掃描探針顯微鏡，其可在微小范圍直至廣域內(nèi)進行觀察，而無需交換掃描儀。此外，本發(fā)明所欲解決的課題，是提供一種掃描探針顯微鏡，其在維持高分辨率的狀態(tài)下，可實現(xiàn)廣域內(nèi)的觀察或維持線形性的觀察、以及在同一視野內(nèi)的長時間觀察等。
為解決上述課題而完成的本發(fā)明的掃描探針顯微鏡，是通過微小探針掃描樣品表面，以此檢測樣品表面的三維形狀或物理量，其特征在于具有a)探針移動機構(gòu)，其使探針在X-Y-Z軸方向上移動；以及b)樣品移動機構(gòu)，其使樣品在X-Y-Z軸方向上移動。
另外，此處，最理想的是，使上述樣品移動機構(gòu)在X-Y軸方向上的可動范圍，大于上述探針移動機構(gòu)在X-Y軸方向上的可動范圍。
而且，本發(fā)明的掃描顯微鏡的第1形態(tài)特征在于具有
c)微小范圍觀察機構(gòu)，其利用上述探針移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)；以及d)廣域觀察機構(gòu)，其利用上述樣品移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)，且通過掉換上述微小范圍觀察機構(gòu)與上述廣域觀察機構(gòu)，而使觀察視野的廣度改變。
本發(fā)明的掃描顯微鏡的第2形態(tài)特征在于具有c)微小范圍觀察機構(gòu)，其利用上述探針移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)；以及d)觀察視野移動機構(gòu)，其利用上述樣品移動機構(gòu)使觀察視野移動，且通過上述觀察視野移動機構(gòu)使觀察視野移動，并通過上述微小范圍觀察機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的掃描顯微鏡的第3形態(tài)如上述第1或第2形態(tài)，其特征在于進一步具有e)位置檢測器，其檢測上述樣品移動機構(gòu)的位置；以及f)非線形性修正機構(gòu)，其根據(jù)上述位置檢測器所檢測的上述樣品移動機構(gòu)的位置信息，修正該樣品移動機構(gòu)的非線形性。
本發(fā)明的掃描顯微鏡的第4形態(tài)如上述任一形態(tài)，其特征在于進一步具有g)漂移檢測機構(gòu)，其檢測因熱漂移產(chǎn)生的觀察視野的移動方向及移動量；以及h)漂移修正機構(gòu)，其根據(jù)上述漂移檢測機構(gòu)所檢測的觀察視野的移動方向與移動量，控制上述樣品移動機構(gòu)，由此進行熱漂移的修正。
根據(jù)具有如上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明掃描探針顯微鏡，通過上述樣品移動機構(gòu)及上述探針移動機構(gòu)，可使樣品與探針分別在X-Y-Z軸方向上移動，從而可實現(xiàn)此前難以進行的各種觀察。
例如，上述本發(fā)明掃描探針顯微鏡的第1形態(tài)，可替換使用X-Y軸方向上可動范圍較小(即最大掃描范圍較小)的探針移動機構(gòu)、與X-Y軸方向上可動范圍較大(即最大掃描范圍較大)的樣品移動機構(gòu)，當進行微小范圍觀察時使用前者，而進行廣域觀察時使用后者，因此無須像先前那樣根據(jù)觀察對象或觀察目的而交換掃描儀，從而可節(jié)省掃描儀交換或設定變更時所花費的時間。
而且，根據(jù)上述本發(fā)明掃描探針顯微鏡的第2形態(tài)，將X-Y軸方向上可動范圍較小的探針移動機構(gòu)與X-Y軸方向上可動范圍較大的樣品移動機構(gòu)并用，利用探針移動機構(gòu)進行微小范圍的掃描，并且利用樣品移動機構(gòu)使觀察視野移動，從而在維持高分辨率的狀態(tài)下進行自微小范圍到廣域的觀察成為可能。
而且，本發(fā)明掃描探針顯微鏡的第3形態(tài)中，設有位置檢測器，用以檢測X-Y軸方向上可動范圍較大的樣品移動機構(gòu)的位置，并根據(jù)該樣品移動機構(gòu)的位置信息反饋控制樣品移動機構(gòu)，由此補償掃描儀的非線形性，從而在廣域掃描時獲取維持線形性的圖像成為可能。
進而，本發(fā)明掃描探針顯微鏡的第4形態(tài)中，設有漂移檢測機構(gòu)，其檢測熱漂移產(chǎn)生的觀察視野移動方向及移動量；以及漂移修正機構(gòu)，其使樣品移動機構(gòu)移動，以便通過樣品移動機構(gòu)消除該觀察視野內(nèi)的移動，由此，可利用微小范圍掃描用探針移動機構(gòu)進行觀察，并且通過樣品移動機構(gòu)修正漂移，從而在高分辨率觀察時，長時間維持同一視野也成為可能。


圖1表示本發(fā)明第1實施例的原子力顯微鏡的大致結(jié)構(gòu)圖。
圖2表示本發(fā)明第2實施例的原子力顯微鏡的大致結(jié)構(gòu)圖。
圖3表示先前的原子力顯微鏡一個示例的模式圖。
圖4表示先前的原子力顯微鏡其它示例的模式圖。
10探針側(cè)掃描儀10a，11a壓電元件11樣品側(cè)掃描儀12，32樣品13，33探針14，34懸臂15，35激光光源16，36光檢測器17探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部 18樣品側(cè)掃描儀驅(qū)動部19位移量計算部20掃描儀控制部21控制/處理部 22監(jiān)視器23輸入部 24位置檢測器30，31三維掃描儀 32樣品具體實施方式
以下，使用實施例，對用以實施本發(fā)明掃描探針顯微鏡的最佳形態(tài)進行說明。
圖1表示本發(fā)明掃描探針顯微鏡的一實施例，即原子力顯微鏡的大致結(jié)構(gòu)。本實施例的原子力顯微鏡，具備樣品側(cè)掃描儀11，在上面保持有樣品12，可在X-Y軸方向上掃描該樣品12，并且使它在Z軸方向上位移；以及探針側(cè)掃描儀10，其裝在具有探針13的懸臂14上，可在X-Y軸方向上掃描探針13，并且使它在Z軸方向上位移。
探針側(cè)掃描儀10與樣品側(cè)掃描儀11，其最大掃描范圍不同，此處，使用最大掃描范圍較大的掃描儀(廣域掃描用掃描儀)作為樣品側(cè)掃描儀11，并使用最大掃描范圍較小的掃描儀(微小范圍掃描用掃描儀)作為探針側(cè)掃描儀10。
探針側(cè)掃描儀10與樣品側(cè)掃描儀11，分別連接于探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部17以及樣品側(cè)掃描儀驅(qū)動部18，各掃描儀驅(qū)動部按照來自掃描儀控制部20的信號，對構(gòu)成各掃描儀的壓電元件10a、11a施加適當?shù)碾妷?，由此可使各掃描儀在X-Y-Z軸方向上驅(qū)動。
而且，本實施例的原子力顯微鏡具備位移量計算部19，其根據(jù)來自位移檢測系統(tǒng)的光檢測器16的信號，計算出懸臂14的位移量，并將根據(jù)該位移量計算部19所計算出的懸臂14的位移量，輸入掃描控制部20。掃描控制部20根據(jù)該位移量，以使探針13與樣品表面之間的原子力總是固定的方式，即探針13與樣品表面之間的距離總是固定的方式，計算出用以使探針側(cè)掃描儀10或樣品側(cè)掃描儀11在Z軸方向上位移的電壓值，并且通過探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部17或樣品側(cè)掃描儀驅(qū)動部18，使探針側(cè)掃描儀10或樣品側(cè)掃描儀11在Z軸方向上微動。
而且，掃描控制部20按照預先決定的掃描圖案計算出X軸、Y軸方向的電壓值，以使樣品12在X-Y平面內(nèi)對于探針13作相對移動，并且通過探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部17或樣品側(cè)掃描儀驅(qū)動部18，使掃描儀在X軸與Y軸方向上微動。
反映Z軸方向反饋量(掃描儀電壓)的信號也被送入控制/處理部21，控制/處理部21在X、Y軸方向的各位置處通過處理此信號而再現(xiàn)樣品表面的三維圖像，并將此在監(jiān)視器22上描繪出。另外，控制/處理部21可通過搭載于通用計算機上的專用軟件等實現(xiàn)，并通過連接于該通用計算機的鍵盤或鼠標等輸入部23，將操作者的指令輸入控制/處理部21。
利用本實施例的原子力顯微鏡進行樣品觀察時，首先操作者通過輸入部23進行特定的操作，由此而選擇與欲觀察的區(qū)域大小相應的適宜掃描儀。此處，當選擇探針側(cè)掃描儀10時，將來自掃描儀控制部20的驅(qū)動信號送入探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部17，并將對應此驅(qū)動信號的電壓施加至探針側(cè)掃描儀10的各壓電元件10a。而且，當選擇樣品側(cè)掃描儀11時，將驅(qū)動信號送入樣品側(cè)掃描儀驅(qū)動部18，并將對應此驅(qū)動信號的電壓施加至樣品側(cè)掃描儀11的各壓電元件11a。進行微小范圍觀察時，使用最大掃描范圍較小的探針側(cè)掃描儀10進行掃描而取得圖像，此時未使用樣品側(cè)掃描儀11。并且進行廣域觀察時，使用最大掃描范圍較大的樣品側(cè)掃描儀11而取得圖像，此時未使用探針側(cè)掃描儀10。
另外，此時操作者也可不選擇如上使用的掃描儀，而是根據(jù)操作者所輸入的觀察范圍之大小，控制/處理部21自動判斷使用哪一個掃描儀，并向掃描儀控制部20發(fā)送指令。
而且，如上所述，對應于欲觀察的區(qū)域?qū)挾?，不僅可分開使用探針側(cè)掃描儀10與樣品側(cè)掃描儀11，也可兩者并用，通過探針側(cè)掃描儀10在微小范圍內(nèi)掃描而取得圖像，并且通過樣品側(cè)掃描儀11使觀察視野移動，由此可一面維持高分辨率，一面進行較大范圍的觀察。如此情形下，自掃描控制部20對探針側(cè)掃描儀驅(qū)動部17輸出有驅(qū)動信號，用以掃描樣品表面而取得圖像，同時對樣品側(cè)掃描驅(qū)動部18輸出有驅(qū)動信號，用以使樣品12向任意位置移動。此時，通過樣品側(cè)掃描儀而使樣品12移動的量，根據(jù)操作者使用輸入部23所作的設定，由控制/處理部21計算出，并送至掃描儀控制部20。
而且，觀察視野由于熱漂移等移動時，通過控制/處理部21，從連續(xù)取得的兩張觀察圖像中抽出相同部位，自動計算出該部位的移動量與方向。此外，控制/處理部21從這些信息計算出使樣品12向該視野移動修正方向的移動量，并將此結(jié)果通過掃描儀控制部20送至樣品側(cè)掃描儀11。由此，下一個觀察圖像中，為使樣品12向相反方向僅移動漂移量，在監(jiān)視器22上以樣品12不移動的方式進行觀察。以此方式，在本實施例的原子力顯微鏡中，可一面使用最大掃描范圍較小的探針側(cè)掃描儀10進行高解像度觀察，一面使用最大掃描范圍較大的樣品側(cè)掃描儀11進行漂移修正，從而在維持同一視野的狀態(tài)下，進行長時間高解像度的觀察成為可能。
本實施例的原子力顯微鏡，設有位置檢測器24，用以檢測樣品側(cè)掃描儀11在上述實施例1的原子力顯微鏡中的位置。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，可將來自位置檢測器24的信號反饋至掃描儀控制部20，以補償因壓電元件的非線形性產(chǎn)生的尺度誤差。因此，根據(jù)本實施例的原子力顯微鏡，如上所述，將樣品側(cè)掃描儀11與探針側(cè)掃描儀10并用，以高解像度進行較大范圍的觀察時，也可在維持線形性的狀態(tài)下，使樣品12在較大范圍移動，從而使先前難以對樣品正確定位并且進行高分辨率的觀察成為可能。
以上，使用實施例對用以實施本發(fā)明的最佳形態(tài)進行了說明，但本發(fā)明并非限定于上述實施例，在本發(fā)明范圍內(nèi)允許各種變更。例如，本發(fā)明的構(gòu)成，不限于如上述實施例的原子力顯微鏡，也可適用于掃描隧道技術顯微鏡等各種掃描探針顯微鏡。而且，與上述實施例相反，也可以最大掃描范圍較小的掃描儀作為樣品側(cè)掃描儀，并以最大掃描范圍較大的掃描儀作為探針側(cè)掃描儀。于此情形下，如上述進行漂移修正等而視野移動時，使用探針側(cè)掃描儀。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡，其通過微小探針掃描樣品表面，以此檢測樣品表面的三維形狀或物理量，其特征在于具有a)探針移動機構(gòu)，其使探針在X-Y-Z軸方向上移動；以及b)樣品移動機構(gòu)，其使樣品在X-Y-Z軸方向上移動。
2.如權(quán)利要求1所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于上述樣品移動機構(gòu)在X-Y軸方向上的可動范圍，大于上述探針移動機構(gòu)在X-Y軸方向上的可動范圍。
3.如權(quán)利要求2所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有c)微小范圍觀察機構(gòu)，其利用上述探針移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)；以及d)廣域觀察機構(gòu)，其利用上述樣品移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)，且通過掉換上述微小范圍觀察機構(gòu)與上述廣域觀察機構(gòu)，而使觀察視野的廣度改變。
4.如權(quán)利要求3所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有g)漂移檢測機構(gòu)，其檢測因熱漂移產(chǎn)生的觀察視野的移動方向及移動量；以及h)漂移修正機構(gòu)，其根據(jù)上述漂移檢測機構(gòu)所檢測的觀察視野的移動方向與移動量，控制上述樣品移動機構(gòu)，由此進行熱漂移的修正。
5.如權(quán)利要求2所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有c)微小范圍觀察機構(gòu)，其利用上述探針移動機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)；以及d)觀察視野移動機構(gòu)，其利用上述樣品移動機構(gòu)使觀察視野移動，且通過上述觀察視野移動機構(gòu)使觀察視野移動，并通過上述微小范圍觀察機構(gòu)取得樣品表面的數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有g)漂移檢測機構(gòu)，其檢測因熱漂移產(chǎn)生的觀察視野的移動方向及移動量；以及h)漂移修正機構(gòu)，其根據(jù)上述漂移檢測機構(gòu)所檢測的觀察視野的移動方向與移動量，控制上述樣品移動機構(gòu)，由此進行熱漂移的修正。
7.如權(quán)利要求3或4所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有e)位置檢測器，其檢測上述樣品移動機構(gòu)的位置；以及f)非線形性修正機構(gòu)，其根據(jù)上述位置檢測器所檢測的上述樣品移動機構(gòu)的位置信息，修正該樣品移動機構(gòu)的非線形性。
8.如權(quán)利要求7所述之掃描探針顯微鏡，其特征在于進一步具有g)漂移檢測機構(gòu)，其檢測因熱漂移產(chǎn)生的觀察視野的移動方向及移動量；以及h)漂移修正機構(gòu)，其根據(jù)上述漂移檢測機構(gòu)所檢測的觀察視野的移動方向與移動量，控制上述樣品移動機構(gòu)，由此進行熱漂移的修正。
全文摘要
本發(fā)明提供一種掃描探針顯微鏡，它根據(jù)觀察對象或觀察目的，無需交換掃描儀，在維持高分辨率的狀態(tài)下，可進行微小范圍至廣域的觀察。該掃描探針顯微鏡中，設有使探針13在X－Y－Z軸方向上移動的探針側(cè)掃描儀10與使樣品12在X－Y－Z軸方向上移動的樣品側(cè)掃描儀11這兩個掃描儀。使用最大掃描范圍較小的掃描儀作為探針側(cè)掃描儀10，使用最大掃描范圍較大的掃描儀作為樣品側(cè)掃描儀11，并根據(jù)觀察對象或觀察目的掉換二者而使用?；蛘撸锰结槀?cè)掃描儀10進行微小范圍的掃描，并且通過樣品側(cè)掃描儀11使觀察視野移動。
文檔編號G01B21/30GK1831513SQ20061005836
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者大田昌弘 申請人:株式會社島津制作所