Зонд для атомного силового микроскопа

Зонд для атомного силового микроскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к области атомных силовых микроскопов, к зондам, применяемым в указанных микроскопах, и способу управления указанными микроскопами. В частности, настоящее изобретение относится к атомному силовому микроскопу, в котором не применяется традиционное управление с обратной связью высотой зонда.

Атомный силовой микроскоп (AFM) или сканирующий силовой микроскоп (SFM) был изобретен в 1986 г. Биннингом, Квейтом и Гербером. Аналогично всем остальным сканирующим зондовым микроскопам AFM основан на принципе механического сканирования нанометрическим зондом по поверхности образца для получения «карты взаимодействия» образца. Сила взаимодействия в данном случае представляет собой просто молекулярное взаимодействие между образцом и наконечником остроконечного зонда, закрепленным на кантилеверной пружине. Когда наконечник зонда приводят в непосредственную близость с образцом, кантилевер изгибается в ответ на силу взаимодействия. Изображения получают сканированием образца относительно зонда и измерением отклонения кантилевера в зависимости от положения по горизонтали. Для измерения упомянутого изгиба обычно применяют технологию оптического плеча. Поскольку кантилевер подчиняется закону Гука для небольших перемещений, можно логически вывести силу взаимодействия между наконечником и образцом.

AFM обычно применяют в одном из двух режимов. В режиме постоянной силы обратная связь обеспечивает позиционирование пьезоэлектрического привода для перемещения образца (или зонда) вверх или вниз в ответ на любое изменение силы взаимодействия, которую регистрируют. Таким образом можно поддерживать относительно постоянную силу взаимодействия и получают довольно точное топографическое изображение образца. В качестве альтернативы, AFM можно применять в режиме постоянной высоты. Высоту по вертикали образца или зонда во время сканирования не регулируют совсем или регулируют очень несущественно. В данном контексте регулировка высоты по вертикали означает, что перемещение сообщается либо исполнительному механизму, соединенному с кантилеверным зондом, либо самому образцу. Следовательно, у наконечника зонда сохраняется степень свободы для движения вверх и вниз в то время, как изменяется величина изгиба кантилевера. В режиме с постоянной высотой топографические изменения образца невозможно отличить от изменений силы взаимодействия в том смысле, что какое-то одно из двух или оба данные изменения вызывают изгиб кантилеверной пружины.

В дополнение к двум упомянутым разным режимам обратной связи контрастность изображения обычно получают одним из трех разных способов. В контактном режиме наконечник и образец находятся в состоянии тесного контактирования, т.е. в режиме взаимного отталкивания молекул в то время, как происходит сканирование. В режиме постукивания исполнительный механизм приводит кантилевер в движение «постукивания» с резонансной частотой данного кантилевера. Поэтому наконечник зонда контактирует с поверхностью только в течение очень малой доли периода колебаний (постукивания) данного наконечника. Столь значительное сокращение времени контакта подразумевает, что поперечные силы воздействия на образец намного ослабляются, и поэтому зонд менее разрушителен для образца при выполнении сканирования. Поэтому же данный режим чаще применяют для визуализации чувствительных биологических образцов. Амплитуду колебаний обычно поддерживают постоянной с использованием механизма обратной связи. При неконтактной работе кантилевер вынуждают колебаться над образцом на таком расстоянии, что сила межмолекулярного взаимодействия больше не является отталкивающей. Однако данный режим работы очень сложно реализовать на практике.

Недавние достижения в зондовой микроскопии привели к значительному сокращению времени сбора данных. При использовании технологий ускоренного сканирования типа технологии, описанной в Международной публикации № WO 02/063368 заявки на патент согласно PCT, ограниченная чувствительность зонда все в большей степени становится фактором ограничения времени съема изображения. Зонд не будет мгновенно реагировать на изменение характеристик образца, и поэтому существует неустранимая временная задержка между, например, наталкиванием зонда на участок поверхности образца с увеличенной высотой и реакцией на это системы. Упомянутый недостаток относится к режимам как постоянной силы, так и постоянной высоты работы AFM. Такой недостаток менее выражен в режиме постоянной высоты, который, по данной причине, является предпочтительным режимом работы для технологий быстрого сканирования, но все же достаточно выражен, чтобы чрезмерно ограничить скорость сканирования в быстродействующих сканирующих зондовых микроскопах нынешнего поколения.

В режиме работы AFM с постоянной силой обычно используют механизм с электронной обратной связью для поддержания постоянной средней силы взаимодействия. Если в процессе осуществления сканирования происходит изменение силы взаимодействия (обусловленное, например, изменением высоты образца), то сначала это наблюдается по изменению отклика зонда, который регистрируется чувствительной электронной системой, вырабатывается ошибка (например, уставка минус отклонение), и используется контур обратной связи для минимизации сигнала ошибки регулированием положения зонда или образца. Контур обратной связи обладает постоянной времени, связанной с ним, которая налагает ограничение на конечную скорость, с которой можно снять полное отсканированное изображение.

Проблема не столь сильно ограничивает при работе в режиме постоянной высоты, в котором электронную обратную связь обычно не применяют в такой степени, как в AFM с постоянной силой. Однако для более точного измерения силы взаимодействия наконечник зонда должен следовать насколько возможно профилю поверхности образца. Это обеспечивается благодаря использованию противодействующей силы, возникающей при изгибе кантилевера поверхностью образца. А именно, когда сканируется высокий участок поверхности образца, кантилевер все больше изгибается вверх и энергия, накапливаемая пружиной, возрастает. Когда высота уменьшается, возвращающая сила толкает кантилевер обратно к его (прямолинейному) положению равновесия и таким образом поддерживается контакт с поверхностью. Однако если скорость сканирования слишком высока, то зонд не будет следовать по поверхности, а будет фактически подбрасываться при переходе любого выступа на поверхности и может начать резонировать или «вибрировать». Это, в свою очередь, возбуждает колебания отображаемой силы взаимодействия. Аналогично, когда высота уменьшается, восстанавливающая сила, возможно, будет недостаточно большой для обеспечения контактирования наконечника зонда с поверхностью и информация о поверхности на данном участке изображения будет утеряна.

Упомянутый выше документ WO 02/063368 раскрывает сканирующий зондовый микроскоп, в котором либо образец, либо зонд установлены на резонаторе, и посредством возбуждения резонатора на его резонансной частоте или близкой к ней частоте образец можно приводить в сканирующее движение относительно зонда. Обычно, резонатор будет иметь резонансную частоту порядка нескольких десятков кГц, которая аналогична резонансной частоте зонда. Поэтому характерный временной интервал между пикселями короче, чем 1/f_r, где f_r означает резонансную частоту зонда. С другой стороны, время (τ_res), затрачиваемое на реакцию на изменение топографии поверхности образца, зависит от эффективной массы зонда и жесткости пружины кантилевера. Если τ_res>1/f_r, то, очевидно, что сила взаимодействия не будет точно измерена от пикселя к пикселю.

Очевидна потребность в обеспечении повышенной чувствительности зонда на флуктуации рельефа образца или изменения силы взаимодействия и, следовательно, в обеспечении возможности проведения атомно-силовой (AFM) микроскопии с более высокими скоростями сканирования до того, как артефакты в изображении, например артефакты, вызванные вибрацией зонда или неточным прослеживанием поверхности, начинают ухудшать качество изображения.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается зонд для использования в атомном силовом микроскопе или для нанолитографии, при этом зонд содержит силоизмерительный элемент, соединенный с наконечником зонда с радиусом наконечника 100 нм или менее, и отличается тем, что зонд выполнен таким образом, что, когда данный зонд испытывает воздействие приложенной внешней силы, сила смещения поджимает наконечник зонда или образец, или оба друг к другу с величиной, превосходящей восстанавливающую силу, возникающую вследствие смещения наконечника зонда при зондировании им образца.

При изучении настоящего изобретения полезно рассмотреть силы, действующие, когда типичный кантилеверный зонд контактирует с поверхностью образца в известном атомном силовом микроскопе. Поэтому ниже приведено соответствующее пояснение со ссылкой на фиг.1.

На фиг.1 показан образец 1, который сканируют зондом атомного силового микроскопа (AFM). Зонд содержит подложку 2, от которой продолжается кантилевер 3, при этом кантилевер 3 содержит остроконечный зондирующий нанометрический наконечник 4 с радиусом наконечника 100 нм или менее, установленный на конце, удаленном от подложки 2. При подготовке сканирования к зонду со стороны его подложки 2 прилагается направленная вниз сила (F_external) посредством установки зонда на AFM и приведения наконечника 4 зонда в контакт с образцом 1. Для сохранения контакта во время сканирования сила F_external больше силы, которая необходима просто для приведения наконечника 4 в контакт с образцом 1. В результате кантилевер 3 изгибается вверх из его исходного положения 5 во время сканирования образца.

В упрощенной модели можно принять, что кантелевер 3 подчиняется закону Гука для малых перемещений. Соответственно, если при нажиме на образец степень изгиба такова, чтобы переместить наконечник 4 перпендикулярно на расстояние x от его исходного положения, и жесткость кантилеверной пружины равна k, то восстанавливающая сила, развиваемая кантилевером, равна kx. Следовательно, направленная вниз сила, прилагаемая наконечником 4 и удерживающая его в положении отслеживания поверхности, пропорциональна kx.

Очевидно, что чувствительность наконечника 4 зонда и, следовательно, разрешающая способность средства AFM зависят от величины силы kx, прилагаемой кантилевером 3 к образцу 1. Чем больше сила взаимодействия зонда с поверхностью, тем выше чувствительность к колебаниям поверхности. Это означает, что требуется высокая жесткость k пружины, особенно, если необходимо быстрое сканирование. С другой стороны, чем больше сила, тем выше вероятность, что зонд повредит образец. Следовательно, известный из уровня техники кантилеверный зонд AFM должен обеспечивать принципиальный компромисс между чувствительностью зонда и вероятностью повреждения образца.

Однако зонд в соответствии с настоящим изобретением выполнен так, чтобы при сканировании образца данный зонд испытывал силу смещения, которая значительно больше восстанавливающей силы kx, прилагаемой зондом к образцу. Это дает зонду возможность лучше отслеживать поверхность образца, поэтому возможно ускорение сканирования. Как будет видно из следующего ниже подробного описания, превышение восстанавливающей силы силой смещения, что требуется в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивают установкой элемента смещения, который чувствителен к приложенной извне силе, на зонд и/или уменьшением пружинной жесткости кантилеверной пластины.

В соответствии с настоящим изобретением и в отличие от традиционного AFM, в котором получение изображения может занимать свыше 30 секунд, образцы можно визуализировать за миллисекунды. Например, скорость 22,4 см·с^-1 позволяет визуализировать площадь 4,4×4,4 микрометров за 14,3 мс и площадь 1,5×1,5 микрометров за 8,3 мс с разрешением 128 на 128 пикселей. Кроме того, даже при данной скорости можно обеспечить изображения с разрешением выше 10 нм по горизонтали и 1 нм по вертикали для мягкой полимерной поверхности.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения элемент смещения может представлять собой, например, магнитный элемент, который чувствителен к приложенной извне магнитной силе, или электропроводный элемент, который должен быть подключен к одному выводу источника питания и потому обеспечивать возможность формирования напряжения между зондом и образцом. В обоих случаях имеет место такая полярность силы смещения (магнитного или электростатического), что данная сила поджимает зонд и образец друг к другу. Кроме того, величина силы смещения, которая прикладывается к зонду, не зависит от величины его отклонения. Таким образом, поскольку пластина зонда обладает очень малой пружинной жесткостью, восстанавливающая сила при изгибе/отклонении очень мала по сравнению с силой смещения и, следовательно, сила действия наконечника на поверхность фактически не зависит от отклонения.

Известные из уровня техники зонды AFM специально выполняли так, чтобы реагировать на внешнюю силу смещения. EP 872707, например, содержит описание кантилеверного зонда, который содержит пьезоэлектрический элемент. Управляющий сигнал подается в пьезоэлектрический элемент для поджима зонда вверх от образца для преодоления сил притяжения. Аналогично, патент США № 5515719 раскрывает зонд, который содержит магнитную частицу, которая в ответ на магнитное поле, управляемое соленоидом, вызывает оттягивание зонда от поверхности образца. Основная задача данного патента по-прежнему состоит в предотвращении притяжения зонда к поверхности образца и в предотвращении повреждений.

Кантилеверный зонд, описанный в Международной публикации WO 99/06793, также содержит магнитный элемент. Однако в данной системе магнитное поле используется для регулирования расстояния между зондом и образцом и изменяется в соответствии с требуемым разделительным расстоянием. Упомянутая система отличается от системы с магнитным полем, использованной в настоящем изобретении. В процессе сканирования сила, прикладываемая к наконечнику в данном примере, является постоянной и предназначена исключительно для ускорения возвращения наконечника к поверхности образца, если теряется контакт. Другая система, которая содержит зонд, который чувствителен к управляемому магнитному полю, описана в патенте США № 5670712. Величиной магнитного поля управляют посредством контура обратной связи, настроенного на поддержку отклонения кантилевера на постоянном уровне. Данное решение также отличается от зонда AFM в соответствии с настоящим изобретением, отличительной чертой которого является возможность изменения величины отклонения. Без данной степени подвижности невозможно отслеживать профиль поверхности образца и измерять силу взаимодействия, что противоречит общей цели настоящего изобретения.

В альтернативном варианте решения кантилеверная пластина выполнена с низким коэффициентом добротности (или Q-коэффициента). Данное решение по сравнению с пластинами с высоким Q-коэффициентом увеличивает скорость рассеяния механической энергии. Если зонд, расположенный на такой пластине, отталкивается от поверхности во время процесса сканирования, то любые последующие механические колебания ослабляются и зонд быстро вернется к траектории отслеживания изобретения поверхности образца. В соответствии с одним вариантом осуществления Q-коэффициент кантилеверной пластины снижают нанесением покрытия на пластину, при этом покрытие выполнено с возможностью рассеяния энергии, которая, в ином случае, накапливалась бы в механической форме в пластине посредством возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной моды. Поэтому Q-коэффициент опорной пластины снижают для, по меньшей мере, одной моды колебаний данной пластины по сравнению с Q-коэффициентом соответствующей пластины без покрытия. Покрытие выполнено предпочтительно из энергопоглощающего материала, например полимерной пленки, нанесенной на, по меньшей мере, одну сторону зонда.

Очевидно, что отслеживание образца зондом в соответствии с настоящим изобретением оптимально достигается, если данный зонд выполнен с возможностью как подвергаться действию внешней продольной силы, так и наличия низкого Q-коэффициента. Однако в некоторых обстоятельствах требуется только одно из упомянутых свойств. Когда зонд подводят в окрестность образца, то предполагают, что образуется капиллярная перетяжка, которая соединяет один с другим. В частности, если Q-коэффициент зонда достаточно мал, то, как выяснилось, усилие смещения, которое возникает за счет капиллярной перетяжки, формирует доминирующую восстанавливающую силу. Аналогично, если прилагается большая сила смещения, то Q-коэффициент пластины не должен быть таким низким. Считается, что, в данном примере, рассеяние механической энергии может также происходить через взаимодействие зонда с поверхностью образца.

Кантилеверы AFM с покрытиями известны из уровня техники, хотя ни один не несет покрытия из материала, который пригоден для ослабления механических колебаний. Вышеупомянутый патент США № 5515719 раскрывает магнитное покрытие, посредством которого можно прилагать усилие к кантилеверу. Патенты США №№ 6118124 и 6330824 содержат описания кантилеверов с покрытием для обнаружения излучения. Следовательно, покрытие подвергается воздействию излучения, при этом интенсивность излучения измеряют по количественному изменению свойств кантилевера. Данное решение отличается от материала покрытия в соответствии с настоящим изобретением, которое не реагирует на падающее излучение, но поглощает механическую энергию.

В соответствии с альтернативным аспектом настоящего изобретения предлагается атомный силовой микроскоп для визуализации образца в соответствии с силой взаимодействия между образцом и зондом, при этом микроскоп содержит средство привода, выполненное с возможностью обеспечения сканирующего движения зонда и поверхности образца относительно друг друга и способное привести образец и зонд в непосредственную близость, достаточную для создания различимого взаимодействия между ними;

чувствительный механизм зонда, выполненный с возможностью измерения отклонения и/или смещения зонда;

отличающийся тем, что микроскоп содержит вышеописанный зонд.

В качестве альтернативы микроскоп отличается тем, что он содержит средство формирования силы (F_direct), выполненное так, что в процессе работы сила (F_direct) прикладывается к образцу или зонду, или к обоим, или между образцом и зондом, при этом сила (F_direct) направлена таким образом, чтобы поджимать зонд к образцу или наоборот.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается способ сбора данных изображения с зоны сканирования образца с нанометрическими признаками, при этом данный способ содержит следующие этапы:

(a) перемещают зонд, содержащий опорную пластину с наконечником с радиусом наконечника 100 нм или менее, в непосредственной близости от образца для создания силы взаимодействия между зондом и образцом;

(b) вызывают создание силы (F_direct) между образцом и зондом таким образом, чтобы побуждать зонд для перемещения к образцу или наоборот;

(c) сканируют зондом по поверхности образца или образцом под зондом и при этом обеспечивают перемещение зонда и поверхности относительно друг друга так, чтобы расположение линий сканирования обеспечивало охват площади сканирования;

(d) измеряют отклонение и/или смещение зонда и

(e) обрабатывают данные измерений, снятые на этапе (d) для извлечения информации, относящейся к нанометрической структуре образца.

Ниже приведены описания вариантов осуществления настоящего изобретения только для примера и со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематичная иллюстрация сил, действующих при контактировании кантилеверного зонда с поверхностью образца в известном из уровня техники атомном силовом микроскопе.

Фиг.2 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд, согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - схема реализации атомного силового микроскопа, который содержит зонд согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - схематичная иллюстрация сил, действующих при контактировании зонда с поверхностью образца в AFM, представленном на фиг.2-7.

Фиг.9a и 9d - AFM-изображения двух отдельных участков поверхности кристаллического полиэтиленаоксида (PEO), полученные с использованием зонда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9b, 9c, 9e и 9f - традиционные AFM-изображения тех же самых участков поверхности, которые изображены на фиг.9a и 9d.

Фиг.10 - иллюстрации примеров специальной конструкции кантилевера для зонда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.11 и 12 - иллюстрация формирования участков специального кантилевера с низкой и регулируемой пружинной жесткостью.

На фиг.2 представлена схема реализации AFM, обозначенного в общем позицией 10, в котором используется зонд согласно первому варианту осуществления изобретения, выполненный в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Представленное устройство AFM 10 содержит пластину 12, которая выполнена с возможностью вмещения образца 14 и закреплена на одной ветви камертона 16. Камертон 16 подсоединен к пьезоэлектрическому преобразователю 18 и средству 20 грубой подачи. Пьезоэлектрический преобразователь 18 используют для подачи образца 14 (вместе с пластиной 12 и камертоном 16) в трех направлениях: направлениях x, y и z. Как традиционно установлено в этой области техники, ось z прямоугольной системы координат будет принята перпендикулярной плоскости, занимаемой образцом 14. А именно: сила взаимодействия зависит как от местоположения зонда 22 в координатах xy над образцом 14 (от пикселя, который зонд отображает), а также от высоты зонда над образцом. Система управления (не показана) камертоном выполнена с возможностью подвода синусоидального напряжения к камертону 16 и, следовательно, возбуждения резонансной или околорезонансной вибрации в плоскости xy. Опционально, пластина 12 и камертон 16 могут опираться на виброизолирующее основание 32 для изолирования вибрации камертона 16 от остальной части микроскопа. Однако на частотах съема изображения, наблюдаемого в микроскопе, использующем данный зонд, внешний шум является меньшей проблемой, чем для более низких частот съема изображения, и поэтому можно обойтись без виброизолирующего основания. Зонд 22 представляет собой малоинерционный зонд AFM, и во время сканирования сила взаимодействия создается между наконечником 22a зонда и поверхностью образца. Чувствительный механизм 28 зонда выполнен с возможностью измерения смещения наконечника 22a зонда или изгиба пластины 22b, несущей наконечник, которые характеризуют величину силы взаимодействия. Данные, собранные чувствительным механизмом 28 зонда, анализируются и выдаются на дисплей 30.

Известные из уровня техники кантилеверные зонды обычно выполняют из силикона или нитрида силикона, что позволяет несложно изготавливать их с использованием отработанной микротехнологии силикона. Однако в отличие от известных из уровня техники катилеверных зондов зонд 22 в соответствии с настоящим изобретением содержит полимерное покрытие 22c, нанесенное на опорную пластину 22b зонда. Данное покрытие 22c, как изложено ниже в подробном описании, служит для рассеяния энергии, которая, в ином случае, накапливалась бы в механической форме в зонде посредством возбуждения колебаний ряда мод, и таким образом снижает Q-коэффициент опорной пластины для, по меньше мере, одной моды ее колебаний по сравнению с такой же пластиной без покрытия 22c.

При съеме изображений с использованием микроскопа 10 образец 14 сначала приводят в контакт с зондом 22 с использованием средства 20 грубой подачи. Точные настройки высоты и исходного положения выполняют пьезоэлектрическим приводом 18, тогда как чувствительный механизм 28 зонда измеряет изгиб зонда, обусловленный силой взаимодействия между зондом 22 и образцом 14. Как только измеренный изгиб достигает заданной величины, поверхность образца приводят в сканирующее движение под зондом 22. При сканировании образца 14 под зондом 22 запускают вибрацию камертона 16 в направлении и из плоскости фигуры (по оси y). Данная вибрация создает колебания столика, на котором закреплен образец. При этом пьезоэлектрический привод 18 поступательно перемещает образец 14 в перпендикулярном (x) направлении. Колебание образца осуществляется со сравнительно большой амплитудой, порядка нескольких микрометров. Во время сканирования непрерывно снимаются отсчеты чувствительным механизмом 28 зонда, который, как общепринято в технике, может действовать по технологии оптического затвора: изгиб зонда измеряют с использованием лазерного света, отражаемого зондом. Выходной сигнал чувствительного механизма 28 зонда подается непосредственно в процессор и дисплей 30.

Как указано выше, зонд 22, показанный на фигуре, отличается от известных из уровня техники зондов тем, что предлагаемый зонд содержит покрытие из полимерного материала 22c. Покрытие 22c может быть на одной или обеих сторонах с условием, что сам по себе материал пригоден для рассеяния энергии, которая, в ином случае, накапливалась бы в зонде.

Q-коэффициент является безразмерной величиной, которую можно использовать для количественного определения рассеяния (или ослабления) для вибратора. Данный коэффициент характеризуется следующим образом:

Система с сильным затуханием, в которой накопленная энергия быстро рассеивается, характеризуется низким Q-коэффициентом, а система со слабым затуханием характеризуется высоким Q-коэффициентом. Вибраторы, выполненные из силиконовых (Si) и нитридных силиконовых (SiN) материалов, не имеют значительных внутренних потерь, и в результате большинство серийно выпускаемых кантилеверов AFM будет обладать высоким Q-коэффициентом, обычно порядка 5-500 в воздухе. Кроме того, если кантилевер предназначен для применения в режиме постукивания, то целесообразно, чтобы кантилевер имел высокий Q-коэффициент. В данном режиме возбуждается движение кантилевера в резонансе и сила взаимодействия измеряется в течение нескольких периодов колебаний. При минимизировании энергетических потерь в течение периодов колебаний высокий Q-коэффициент действует тем самым, как механический фильтр.

Механический вибратор имеет множество резонансных мод колебаний, и коэффициент добротности для каждой из данных мод может быть отличным в зависимости от частотно-зависимых характеристик материала и формы вибратора. При упоминании в настоящем описании Q-коэффициента авторы подразумевают Q-коэффициент зонда по отношению к любой из данных мод или Q-коэффициенты для набора мод.

Однако в случае настоящего изобретения целесообразно применить зонд с низким Q-коэффициентом для высокоскоростной атомно-силовой микроскопии. Если зонд имеет высокий Q-коэффициент, то данному зонду будет требоваться много времени для реагирования на изменения и он будет вибрировать на смешанных резонансных модах при получении толчка, который, например, возникает при сканировании высокого признака (элемента) на поверхности образца. Настоящий зонд сконструирован так, чтобы обладать низким Q-коэффициентом за счет покрытия 22c. Теоретически, Q-коэффициент является достаточно низким для обеспечения критического затухания любого вызванного колебания. Использование низкого коэффициента добротности означает, что в опорной пластине зонда может накапливаться немного энергии, и поэтому зонд не будет долго «вибрировать» при получении толчка, например, при сканировании высокого участка поверхности образца. Это создает возможность более быстрого возврата к поверхности образца и, следовательно, более точного ее отслеживания во время сканирования.

Покрытие на зонде обеспечивает рассеяние механической энергии, которая, в ином случае, накапливалась бы в зонде. Зонд с покрытием будет накапливать меньше механической энергии, чем зонд без покрытия, и движение зонда с покрытием в конкретный момент будет теснее связано с поверхностью под наконечником зонда в данный конкретный момент, чем это было бы в отсутствие покрытия.

В зависимости от отображаемого образца и выбранной скорости сканирования может быть так, что весьма вероятно возбуждение более высокой моды, чем первая или основная мода колебаний. В данном случае покрытие выбирают так, чтобы обеспечить существенное снижение Q-коэффициента для данной моды. Настройкой энергопоглощающих и рассеивающих характеристик покрытия можно ослабить или устранить колебания зонда, которые, по всей вероятности, должны наносить ущерб качеству изображения при минимизации изменения массы зонда.

Для обеспечения покрытия 22c можно использовать многие полимерные материалы, и возможности конкретного выбора очевидны для специалиста в данной области техники. Материал выбирают по его вязкоупругим свойствам: материал должен быть достаточно упругим для сохранения его формы, как пленки, покрывающей кантилевер, при выполнении задачи рассеяния механической энергии. Рассеяние механической энергии происходит главным образом благодаря механизмам вязкости, которые зависят на молекулярном уровне от коэффициента трения между полимерной цепью и его окружением. Идеальным покрытием является резина с низкой плотностью поперечных соединений, степень соединения которых как раз достаточна для сцепления покрытия. Поперечные связи могут быть либо химическими, как в обычной резине, либо физическими, как в термопластическом эластомере. Установлено, что блок-сополимерный материал, в котором основным компонентом является аморфная резина с температурой стеклования ниже комнатной температуры и неосновным компонентом является аморфный полимер с температурой стеклования выше комнатной температуры, нанесенный как покрытие на обе стороны опорной пластины AFM, заметно совершенствует следящие возможности данной пластины при комнатной температуре. Сополимер наносился отливкой из раствора. А именно: каплю раствора, содержащего полимер, помещают на опорную пластину при высокой температуре для удаления растворителя. Можно использовать также другие термопластические эластомеры. Установлено, что описанная система позволяет зонду отслеживать поверхность образца даже со скоростями резонансных колебаний так, как описано в Международной публикации WO 02/063368.

Выводы, касающиеся полимерного материала и принятого способа нанесения, до известной степени сужают доступный выбор. Основная идея состоит в том, чтобы нанести на опорную пластину покрытие из энергопоглощающего материала, который, теоретически, не повлияет чрезмерно на другие свойства зонда, такие как масса, заостренность наконечника и т.д. Установлено, что отливка из раствора вышеописанного полимера на опорную пластину усиливает рассеяние энергии при допустимом повышении массы. Однако можно применять другие способы для осуществления покрытия. К таким способам относятся: «перемещение» заряженного полимера на опорную пластину в электролитической ячейке; химическая маркировка полимера (например, тиоловыми группами) и использование его реакции с материалом опорной пластины или металлическое покрытие опорной пластины (например, золотом в случае с тиоловым химическим составом) для закрепления полимера на опорной пластине.

Как отмечено выше, полимерные покрытия на кантилеверах AFM известны. Однако упомянутые известные из уровня техники материалы покрытий выбирают по химическому составу для возможности обнаружения падающего излучения. А именно: материал должен содержать химические связи, которые поглощают энергию предпочтительно на конкретных частотах. Данные покрытия не пригодны для рассеяния механической энергии с эффективностью, подходящей для применения в высокоскоростной микроскопии.

Нанесение покрытия 22c на обе стороны опорной пластины, при малом размере последней, практически выполнить несколько проще, чем нанесение покрытия только на одну сторону. Однако опорную пластину целесообразно оставлять без покрытия со стороны, обращенной к образцу. Одностороннее покрытие в достаточной мере ослабляет накопление механической энергии в зонде, а также снижает вероятность какого-либо попадания материала покрытия на образец при его контакте с зондом.

Теоретически, полимерный материл, используемый для покрытия 22c, будет иметь пик в его спектре энергетических потерь при температуре предполагаемого применения зонда и в частотном интервале основных резонансных мод опорной пластины. Поэтому обычно таким материалом должен быть высокоэластичный полимер. В качестве альтернативы можно также использовать сополимер или другой композиционный материал с высоким содержанием высокоэластичного полимера.

Рассеяние энергии полимерным покрытием можно увеличить, если данное покрытие наносить с заполнением просветов в кантилевере. А именно: если тонкая полимерная пленка перекрывает отверстие в кантилевере, то пленка будет выполнять функции как внутреннего рассеяния энергии, так и увеличения площади взаимодействия с окружающей текучей средой, например воздухом. Вязкое рассеяние энергии поэтому усиливается на данном пути с одновременным снижением до минимума пружинной жесткости кантилевера.

На фиг.3 приведена схема реализации AFM, обозначенного в общем позицией 10, в котором применен зонд согласно второму варианту осуществления изобретения, выполненный в соответствии с настоящим изобретением. Устройство AFM 10 очень сходно с устройством, изображенным на фиг.2, и компоненты, общие для обеих систем, обозначены одинаковыми позициями. Как указывалось выше, пластина 12, вмещающая образец 14, закреплена на одной ветви камертона 16, который приводится в состояние резонансной или околорезонансной вибрации в плоскости xy. Образец 14 (совместно с пластиной 12 и камертоном 16) сканируют по трем координатам: x, y и z, при этом создаваемая сила взаимодействия зависит от координат xy зонда 22 над образцом 14 (от пикселя, который зонд отображает), а также от высоты зонда над образцом. Кантилеверная составная часть зонда 22 покрыта с обеих сторон полимерной пленкой и выполнена по форме так, чтобы обладать низкой пружинной жесткостью, меньше, чем 1 Н·м^-1. Однако в отличие от кантилевера, изображенного на фиг.2, зонд 22 по данному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно содержит магнитный элемент 24 (шарик, изображенный на фиг.3), закрепленный над наконечником 22a. Кроме того, в составе AFM находится магнит 26, например, под пластиной 12 для обеспечения магнитного поля достаточной напряженности для приложения силы к магнитному шарику 24. Сила может создаваться через магнитный момент, прилагаемый к зонду, или посредством градиента магнитного поля. Чувствительный механизм 28 зонда выполнен с возможностью измерения изгиба зонда 22, как в микроскопе 10, показанном на фиг.2. Данные, собранные чувствительным механизмом 28 зонда, анализируются и выдаются на дисплей 30.

При съеме изображений с использованием микроскопа 10 контактный механизм создания силы взаимодействия и технология сканирования, по существу, аналогичны описанным для устройства 10 на фиг.2. Однако, как только сила взаимодействия и, следовательно, изгиб