Система обнаружения зонда

Иллюстрации

Показать все

Система обнаружения зонда (74) для использования со сканирующим зондовым микроскопом содержит систему обнаружения высоты (88) и систему обнаружения отклонения (28). Когда сканируется поверхность образца, свет, отраженный от зонда (16) микроскопа, разделяется на две составляющие. Первая составляющая (84) анализируется системой обнаружения отклонения (28) и используется в системе обратной связи, которая поддерживает среднее отклонение зонда по существу постоянным во время сканирования. Вторая составляющая (86) анализируется системой обнаружения высоты (88), от которой получается указание высоты зонда над фиксированной контрольной точкой и посредством этого изображение поверхности образца. Технический результат - повышение функциональности, улучшение качества изображения. 7 н.з. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

Реферат

Данное изобретение относится к области зондовой микроскопии и, в частности, к системе обнаружения, используемой для контроля положения зонда микроскопа относительно поверхности образца.

Принцип сканирующего зондового микроскопа (SPM) состоит в осуществлении механического сканирования по поверхности образца с помощью нанометрового наконечника зонда, чтобы сформировать изображение образца. Элементы в изображении получаются в результате изменений во взаимодействии между наконечником и образцом.

Конкретным примером SPM является атомно-силовой микроскоп (AFM), в котором контролируется силовое взаимодействие между образцом и острым наконечником зонда. Зонд в типичном AFM включает в себя очень маленький кантилевер, который прикрепляется к опоре в своем основании и имеет наконечник на противоположном (свободном) конце. Когда наконечник зонда приводится в непосредственную близость с образцом, возникает сила взаимодействия между образцом и наконечником. Если наконечник находится в движении, например колеблется, то сила взаимодействия модифицирует это движение некоторым образом. Если наконечник неподвижен, то указанная сила переместит наконечник относительно поверхности образца.

В ходе сканирования интенсивность взаимодействия между наконечником и поверхностью образца будет меняться, так как меняются характеристики поверхности под наконечником зонда. Трехкоординатный сканер высокого разрешения обычно создает относительное движение между образцом и зондом, приводя в движение либо образец и/или опору зонда. Влияние силы взаимодействия либо на положение и/или на движение наконечника зонда контролируется в ходе сканирования. При стандартной работе AFM интенсивность силы взаимодействия поддерживается постоянной. То есть наблюдается ее влияние на зонд и работает система обратной связи для регулирования расстояния между образцом и основанием зонда в ответ на любое изменение, чтобы привести наблюдаемый параметр в заранее установленное значение, заданное значение. Данные, ассоциированные с этой регулировкой (традиционно, вертикальное или "z"-перемещение), накапливаются и могут использоваться для построения изображения образца по участку его поверхности.

Как указано выше, регулировки, выполненные для расстояния основание - образец, традиционно считаются проходящими в вертикальном или _z_ направлении, при этом поверхность образца сканируется в плоскости x, y. Это правило будет соблюдаться в этом раскрытии, хотя следует учитывать, что микроскоп может располагаться так, что образец не ориентирован на горизонтальную поверхность, и поэтому регулировка по обратной связи не происходит в вертикальном направлении. То есть термин "вертикальный" нужно понимать как означающий просто "перпендикулярный" плоскости образца, или то же самое, что перпендикулярный плоскости, в которой сканируется поверхность образца. Традиционно это обозначается z-направлением, как указано осями прямоугольной системы координат, показанной на фиг.1.

Интерпретация изображения, сформированного AFM, в некоторой степени будет зависеть от характера исследуемой поверхности. Топография поверхности обычно вносит самый значимый вклад в изображение, причем высота образца тщательно прослеживается зондом, когда он осуществляет сканирование, но другие характеристики, например гидрофобность и гидрофильность поверхности, вязкоупругость и т.д., также могут вносить свой вклад. Зонд и микроскоп могут быть дополнительно приспособлены для измерения других свойств образца, например магнитных или электрических полей, посредством подходящих сил взаимодействия.

AFM могут быть спроектированы для работы в ряде режимов формирования изображений. При контактном режиме зонд пребывает практически в постоянном контакте с образцом. При динамическом режиме зонд колеблется, не образуя или образуя прерывистый контакт с образцом.

Если используется неподвижный наконечник для зондирования поверхности, то его положение в ходе сканирования контролируется с использованием влияния, которое сила взаимодействия оказывает на изгиб или отклонение кантилевера. Поскольку сила взаимодействия между наконечником и поверхностью изменяется, то наконечник либо притягивается, либо отталкивается от поверхности. Это перемещение наконечника сообщается части кантилевера в зонде, который соответственно отклоняется или изгибается вдоль своей длины. AFM в этой компоновке предписывается измерять отклонение кантилевера с помощью измерительного детектора, например системы с оптическим затвором или другого детектора отклонения, который хорошо известен в данной области техники. Отклонение в этом контексте относится к наклону верхней поверхности зонда, которая обычно используется для предоставления указания изгиба кантилевера.

В качестве альтернативы зонд может колебаться вертикально на одной из его резонансных частот или около них. Изменения во взаимодействии образца-зонда влияют на движение зонда. В частности, можно контролировать амплитуду, фазу и резонансную частоту этих колебаний, и расстояние зонд-образец может регулироваться, чтобы поддерживать постоянное среднее взаимодействие.

Независимо от режима работы, AFM могут использоваться для получения изображений на атомной шкале у широкого спектра образцов в ряде сред (воздух, жидкость или вакуум). Как правило, они применяют пьезоэлектрические приводы, детекторы отклонения с оптическим затвором и очень маленькие кантилеверы, произведенные с использованием методик производства кремния. Их высокое разрешение и универсальность привели к применению в различных областях, например в промышленном надзоре, производстве полупроводников, биологическом исследовании, материаловедении и нанолитографии.

Термины "зонд", "наконечник" и "кантилевер" часто используются взаимозаменяемо в этой области, но для целей этого описания термины требуют более строгого определения. Наконечник (или, если это лучше подходит к контексту, наконечник зонда) относится к трехмерной, часто конической или пирамидальной структуре, которая располагается на свободном конце балки кантилевера. Наконечник сходится в точку, которая является ближайшей точкой взаимодействия с опрашиваемой поверхностью. Кантилевер является самой балкой, за исключением наконечника, которая поддерживает наконечник на одном конце, а на другом удерживается микроскопом. Кантилевер и наконечник вместе называются зондом.

Фиг.1 иллюстрирует основные компоненты традиционного AFM 10. Этот AFM 10 известного уровня техники содержит перемещаемый столик 12, на котором устанавливается образец 14, который нужно исследовать с помощью зонда 16. Зонд 16 содержит балку 18 кантилевера и наконечник 20, который сходится в элементарную точку 20a и который располагается в направлении одного конца балки 18 кантилевера. Другой конец балки 18 кантилевера закрепляется в держателе 22. Система 24 z-позиционирования, содержащая пьезоэлектрические приводы, которые функционируют для перемещения столика 12 по направлению к зонду 16 и от него (z-направление), подсоединяется к столику 12. Дополнительные приводные средства (не показаны) подключаются либо к держателю 22, столику 12, либо к обоим и функционируют для обеспечения относительного движения между образцом 14 и зондом 16 в плоскости (x, y) образца. Источник 26 света выполнен с возможностью излучения луча L, который направляется на верхнюю поверхность 18b (оборотную сторону) балки 18 кантилевера в положении, в котором устанавливается наконечник 20. Свет, отраженный от обратной стороны 18b кантилевера, распространяется в измерительный детектор положения (PSD), обычно расщепленный фотодиод 28, и формируется сигнал обратной связи. Выход детектора 28 соединяется посредством контроллера 30 обратной связи с системой 24 z-позиционирования.

Сигнал обратной связи от PSD может обрабатываться для извлечения таких величин, как отклонение зонда, амплитуда, фаза или другие параметры. Для простоты этот AFM известного уровня техники будет описываться как работающий в контактном режиме с использованием обратной связи на основе отклонения зонда.

Зонд 16 обычно изготавливается (для AFM) из кремния или нитрида кремния. Как правило, кантилевер 18 составляет примерно 100-200 мкм в длину, 20-50 мкм в ширину и около 0,5 мкм в толщину, но этот размер, конечно, может меняться в соответствии с применением. Форма также может меняться: как правило, она прямоугольная или треугольная с наконечником 20 в его вершине в последнем случае. Наконечник 20 обычно составляет 5 мкм в его основании, 3-10 мкм в высоту и радиусом кривизны на конце в 10-20 нм. При использовании элементарная точка 20a на конце наконечника 20 направлена на образец.

При получении изображения образца AFM 10 известного уровня техники работает следующим образом. Используя систему 24 z-позиционирования, наконечник 20 сначала перемещается в направлении образца 14, пока кантилевер 18 не отклонится на предварительно установленный уровень. Эта предварительно установленная степень отклонения кантилевера 18, например, указанная на фиг.1 с помощью контура P1 зонда, является заданным значением для контроллера 30 обратной связи.

Отклонение кантилевера 18 контролируется с использованием светового луча L и детектора 28. Детектор 28 разделен по его длине на независимые области A и B детектора. Выходной сигнал от детектора является разностью между силой света, освещающего область A, и света, освещающего область B. Поэтому разность силы, выведенная из детектора, представляет отклонение кантилевера. Детектор 28 располагается так, что когда кантилевер 18 изгибается в положение P1 (заданное значение), то световой луч L, падающий на обратную сторону 18b кантилевера, отражается по траектории D1 и попадает практически одинаково на области A и B. То есть IA-IB~0, где IA и IB представляют силу света, освещающего области A и B соответственно. Точное значение IA-IB может регулироваться, и это значение используется для выявления положения заданного значения отклонения.

Наконечник 20 теперь осуществляет сканирование вдоль поверхности образца 14, обычно следуя растровой картине. Когда наконечник 20 встречает часть поверхности с увеличенной высотой, наконечник 20, который следует по поверхности, дополнительно подталкивается вверх. Это, в свою очередь, заставляет зонд 16 увеличивать свой изгиб, например, до положения P2. При нахождении зонда 16 в этом положении меняется угол падения между световым лучом L и поверхностью, заданной обратной стороной 18b кантилевера. Световой луч L соответственно отражается по другой траектории D2 и поэтому попадает в большей степени на область A детектора, чем на область B. То есть разность силы IA-IB света между светом, падающим на две части детектора 28, изменилась с его предыдущего значения (заданного значения). Поэтому можно увидеть, что значение разности силы света обеспечивает указание отклонения кантилевера и, что важно, указание того, насколько он отклонился от заданного значения. Контроллер 30 обратной связи настроен для регулирования вертикального положения держателя 22 зонда, чтобы удалять его от образца 14 и, таким образом, возвращать сигнал отклонения, принятый от детектора 28, в заданное значение (IA-IB~0 в приведенном примере). Зонд 16 соответственно поддерживается в ориентации, показанной как P1.

Наоборот, когда наконечник 20 встречает часть поверхности с уменьшенной высотой, отклонение на балке 18 кантилевера, которое происходит в результате изгибания от заданного значения, толкает наконечник 20 вниз. Зонд 16 поэтому уменьшит свой изгиб и примет ориентацию, например показанную с помощью P0. В этой ориентации угол падения светового луча L на обратную сторону 18b кантилевера является таким, что луч L отражается по траектории D0. Область B детектора соответственно освещается полнее, чем область A. Контроллер 30 обратной связи снова регулирует вертикальное положение держателя 22 зонда, чтобы переместить его к образцу 14 и, таким образом, сохранить сигнал отклонения в заданном значении. Зонд 16 соответственно поддерживается в ориентации, показанной как P1.

Таким образом, обратная связь системы микроскопа гарантирует, что отклонение зонда 16, которое определяется углом наклона обратной стороны 18b кантилевера над наконечником, поддерживается практически постоянным в ходе сканирования. Это, в свою очередь, гарантирует, что сила взаимодействия между наконечником 20 зонда и образцом 14, которая служит для притяжения или отталкивания наконечника от поверхности, также поддерживается практически постоянной. Когда сканирование продолжается, вертикальное положение держателя, заданное системой z-позиционирования, измеряется для предоставления указания высоты поверхности образца. Регулировки, выполненные системой 24 z-позиционирования в ходе сканирования, используются для построения изображения.

Последние достижения в зондовой микроскопии привели к более скоростным методикам сканирования с меньшим временем сбора данных. С помощью этого нового поколения микроскопа, например, которое описано в заявках на патент PCT, а именно публикациях WO 02/063368 и WO 2004/005844, становится все более очевидным, что ограничения, налагаемые самими компонентами AFM, ограничивают время сбора изображений.

Со ссылкой на возможности AFM известного уровня техники, описанного выше, когда скорость сканирования увеличивается, можно установить три отдельных режима работы AFM.

В AFM известного уровня техники, описанном выше, наконечник 20 постоянно перемещается вдоль поверхности образца, чтобы охватить установленное количество пикселей в секунду. Отклонение кантилевера контролируется, и система обратной связи выполняет постоянные регулировки в вертикальном расстоянии между зондом 16 и образцом 14, чтобы удерживать зонд 16 в заданной ориентации P1 изгиба. Скорость, с которой изменение в отклонении может обнаруживаться, а затем вертикальное расстояние может ответно регулироваться, по существу устанавливает верхний предел скорости сканирования для первого (самого медленного) режима. Чтобы собрать точную информацию, взаимодействие зонда-образца должно быть постоянным во всех положениях пикселей. То есть расстояние зонд-образец должно регулироваться системой обратной связи по временной шкале, которая короче, чем используется зондом для сбора данных изображения, соответствующих одному положению пикселя. То есть до того, как растровое сканирование переместит зонд в новое положение пикселя.

Однако, когда скорость сканирования увеличивается, AFM входит во второй режим, в котором у системы обратной связи нет достаточного времени, чтобы возвращать зонд в установленное отклонение в пределах одной области пикселя. Система обратной связи соответственно будет отставать от системы сбора данных, и информация о высоте (полученная из вертикальной регулировки) не будет отражать истинную высоту наконечника зонда (а отсюда и высоту образца) в положении пикселя. Число пикселей должно быть уменьшено либо путем увеличения размера каждого пикселя, что уменьшает разрешение изображения, либо путем замедления сканирования с последующим увеличением времени сбора данных.

Чтобы уменьшить влияние этого ограничения, данное исследование концентрируется на повышении скорости системы обратной связи: то есть эффективном расширении диапазона первого режима. Один подход использует два исполнительных механизма для обеспечения перемещения кантилевера в z-направлении. Первый исполнительный механизм приводит в движение узел зонда с последующим ограниченным откликом обратной связи. Тем не менее предоставляется второй исполнительный механизм, который составляет одно целое с зондом и поэтому может быть задействован для перемещения только зонда. Диапазон перемещения, обеспечиваемый этим дополнительным исполнительным механизмом, меньше, чем обеспечиваемый первым механизмом, но так как он используется для воздействия только на зонд, его время отклика короче. Таким образом, начальная регулировка в высоте наконечника может быть выполнена посредством быстрого исполнительного механизма с более медленной, серьезной регулировкой, следующей в установленном порядке. Однако это использование вложенных систем обратной связи с интегрированным дополнительным исполнительным механизмом столкнулось с ограниченным успехом. Частично это обусловлено сложностью в интерпретации отклика систем обратной связи и, соответственно, в определении высоты наконечника. Без этой информации нельзя сделать точный вывод о топографии поверхности (или другой характеристике образца).

Альтернативным подходом является управление AFM в режиме, допускающем некоторое изменение в отклонении кантилевера. В этом режиме измеряется отклонение кантилевера и данные, ассоциированные с этим отклонением, собираются и используются для построения изображения. Поэтому работа в этом режиме неизбежно влечет за собой усовершенствованные методики измерения для извлечения полезной информации из отклонения зонда. Как будет подробнее объясняться ниже, система обнаружения из известного уровня техники, которая показана на фиг.1, может быть приспособлена для работы в этом режиме, но такая адаптация может привести к потере измерительной информации, что для многих применений не является удовлетворительным.

Если скорость сканирования увеличивается еще больше, то происходит переход в третий режим, в котором AFM из известного уровня техники полностью непригоден для работы. Выше определенной скорости сканирования можно вызвать неустановившееся движение кантилевера 18. То есть если в ходе сканирования наконечник встречает, например, более высокую область на поверхности образца, то наконечник 20 подаст импульс, который может вызвать неустановившееся движение балки кантилевера. Если это неустановившееся движение происходит, когда зонд следует по профилю поверхности, то оно нарушит ориентацию зонда в любом заданном положении поверхности и поэтому ограничит информацию, доступную из слежения за отклонением зонда. Отклонение уже никоим образом не относится к высоте зонда. Это описывается J.P. Howard-Knight и J.K. Hobbs в "Video rate atomic force microscopy using low stiffness, low resonant frequency cantilevers", Appl. Phys. Lett 93 104101 (2008) и также будет подробнее объясняться ниже.

Обращаясь теперь снова к системе из известного уровня техники, показанной на фиг.1, понятно, что когда наконечник 20 зонда следует по поверхности образца 14, его вертикальное положение в каждой точке на линии сканирования предоставляет прямое указание на топографию образца 14. Строго поэтому измерение высоты точки 20a наконечника выше контрольного уровня, например поверхности столика 12, дало бы истинное указание высоты образца.

В первом режиме скорости сканирования система из известного уровня техники из фиг.1 просто контролирует разность между силой света, падающего на область A и падающего на область B. Никакого специального измерения отклонения не производится; AFM из известного уровня техники является обнуляющей системой, в которой необходимо только поддерживать отклонение постоянным. Информация о высоте зонда получается от приводных механизмов, которые управляют системой обратной связи для обеспечения постоянного отклонения.

Переходя теперь ко второму режиму скорости сканирования, понятно, что система из известного уровня техники могла бы использоваться для измерения разности между силой света, падающего на область A и падающего на область B. То есть AFM может быть задействован не как обнуляющая система, но и как система, которая извлекает данные (разность силы) света непосредственно в результате исследования образца. Такие данные, конечно, полезны лишь в случае, если информацию, относящуюся к высоте зонда над контрольной точкой, например поверхностью столика, можно извлечь из измеренных данных отклонения.

Измерение разности силы света между двумя частями детектора ясно предоставляет указание направления, в котором свет отражается от обратной стороны 18b кантилевера. Направление отражения, в свою очередь, зависит от угла, под которым наклонена обратная сторона 18b кантилевера. Для небольших углов изменение наклона равно углу, на который поворачивается балка 18 кантилевера, и поэтому пропорционально изменению высоты в наконечнике 20. Нужно отметить, что положения P0, P1 и P2, проиллюстрированные на фиг.1, значительно увеличены в целях наглядности, и во многих ситуациях балка 18 кантилевера не изгибается значительно, и это небольшое приближение угла является приемлемым. Также очевидно, что положение, в котором измеряется отклонение, является положением на обратной стороне 18b балки кантилевера, а не положением точки 20a наконечника. Эти две точки разнесены на величину, равную перпендикулярной высоте наконечника 20. Для небольших отклонений она может допускаться постоянной в ходе сканирования.

Независимо от этих приближений измерение высоты наконечника 20 через его отклонение имеет предубеждение в своем основании в том, что его [измерение] относительно несложно реализовать. В первом режиме сканирования не нужно измерять колебание в отклонении зонда; оно поддерживается постоянным в обнуляющей системе. Даже во втором режиме сканирования работа сканирующего зондового микроскопа на сегодняшний день находилась в условиях, для которых вышеупомянутые допущения действительны.

Несмотря на несомненно всеобщее доверие к измерению высоты зонда через его отклонение, примеры прямого измерения высоты описываются в патентах US 5144150 (Yoshizumi), EP 1892727 (Mitutoyo) и EP 2017599 (Mitutoyo). Микроскопы, описанные в этих документах, используют интерферометр для получения информации, относящейся к высоте зонда.

US 5144150 описывает использование контактного зонда для измерения конфигурации искривленной поверхности, например поверхности сферической линзы, или линзы Френеля, или рельефа на полупроводнике. Проблема в измерении таких поверхностей состоит в том, что может оказываться неприемлемое давление на поверхность образца, когда, например, балка кантилевера изгибается, когда зонд следует по особенно высокой области поверхности. Решение состоит в обеспечении того, что изгибание балки кантилевера поддерживается практически постоянным, когда сканируется поверхность образца. Это достигается путем присоединения основания кантилевера к так называемому оптическому зонду. Оптический зонд фокусируется на обратной стороне балки кантилевера выше наконечника. Если наконечник перемещается относительно основания (то есть балка изгибается), то наконечник смещается от фокальной точки оптического зонда. Оптический зонд затем физически перемещается, чтобы вернуть наконечник в фокальную точку и, таким образом, сохранить расстояние наконечник - оптический зонд. Посредством соединения между оптическим зондом и основанием кантилевера эта так называемая "система с автоматической фокусировкой" гарантирует, в свою очередь, что кантилевер возвращается в исходную конфигурацию изгиба. Другими словами, оптическая система обратной связи используется для поддержания кантилевера в практически постоянном отклонении. При этом эта компоновка аналогична системам AFM из известного уровня техники, которые работают в режиме постоянного взаимодействия, описанном выше.

В отличие от AFM постоянного взаимодействия, которые просто получают z-положение зонда из расстояния по вертикали, необходимого для перемещения основания кантилевера для сохранения положения отклонения, микроскоп по US 5144150 непосредственно измеряет скорость обратной стороны наконечника, используя интерферометрию. Из этой информации о скорости можно получить высоту зонда в конкретной точке при сканировании. Скорость зонда измеряется по интерференции лазерного луча, отраженного от обратной стороны наконечника, с опорным лучом. Луч подвергается доплеровскому сдвигу по частоте при отражении от движущегося зонда. Это использование интерферометрии обеспечивает указание высоты зонда независимо от его отклонения или отклонения связанной балки кантилевера.

Однако компоновка, описанная в US 5144150, не преодолевает никакие ограничения, налагаемые на скорость сканирования. Ее можно задействовать только в первом режиме. Система обратной связи для поддержания отклонения кантилевера не может немедленно реагировать на изменение отклонения, и соответственно скорость сканирования ограничивается таким образом, что время, необходимое на сбор пикселей изображения, превышает время отклика системы обратной связи с автофокусировкой. Следует отметить, что эта система из известного уровня техники включает в себя дополнительную систему обратной связи, которая обеспечивает отражение лазерного луча интерферометрической системы от обратной стороны зонда по траектории его падения, независимо от наклона зонда. То есть скорость сканирования ограничивается временем отклика более медленной из этих двух систем.

Две заявки Mitutoyo, EP 1892727 и EP 2017599, имеют отношение к повышению точности, с которой зондовые микроскопы могут работать, а отсюда и повышению разрешения изображения. Это достигается путем получения прямого измерения высоты зонда относительно фиксированной контрольной точки с использованием интерферометрии. В одном варианте осуществления луч, отраженный от обратной стороны зонда, интерферирует с опорным лучом и извлекается разность хода. Это решает проблему ошибок движения, вносимых сканерами: движение в z-направлении наконечника зонда возникает исключительно из формы поверхности образца. Любая ошибка сканера заставит зонд изогнуться, что не может не повлиять на прямое измерение высоты.

Система, описанная в EP 1892727, не использует никакой системы обратной связи. То есть никакой регулировки не выполняется для предотвращения чрезмерного изгибания зонда, что соответственно ограничивается сканированием очень плоских поверхностей.

EP 2017599 описывает разработку устройства, описанного в ранней заявке Mitutoyo, в котором осуществляется обратная связь. Эта система обратной связи упрощается относительно ранее описанного AFM из известного уровня техники с обратной связью в том, что используется одиночный датчик для обнаружения как контактного усилия (сигнала обратной связи), так и перемещения (высоты) зонда. Небольшое вертикальное высокочастотное колебание (дрожание) сообщается зонду, когда он осуществляет сканирование. Амплитуда этой вибрации предоставляет информацию в отношении интенсивности силы взаимодействия. Прямой сигнал высоты, измеренный интерферометром, соответственно обладает низкочастотной составляющей, которая соответствует изменению высоты образца, с привнесенной высокочастотной составляющей, которая получается в результате дрожания. Используются фильтры для разделения двух составляющих при обработке сигналов. Высота основания зонда регулируется, чтобы сохранить постоянной амплитуду высокочастотной составляющей. Эта компоновка однако не преодолевает никакого из ограничений, накладываемых на скорость сканирования. Результаты с точными данными могут быть получены, только если у системы обратной связи есть достаточно времени для отклика на любые изменения в высоте поверхности, то есть если амплитуда дрожания поддерживается постоянной между моментами сбора данных изображения. Данные не могут собираться на большей скорости, так как в первом случае измерение амплитуды требует контроля колебания в течение некоторого количества циклов (5-10 в этом случае) и, во-вторых, приводящей в направлении z системе необходимо время для регулировки положения зонда, чтобы восстановить амплитуду в ее установленное значение. Это устройство поэтому можно задействовать только в первом режиме сканирования.

Таким образом, зондовые микроскопы из известного уровня техники являются либо непригодными для работы вне первого (медленного) режима сканирования, определенного выше, либо ограничиваются в своем применении относительно плоскими образцами.

Недостатки, присущие зондовым микроскопам из известного уровня техники, дополнительно подчеркиваются путем рассмотрения дополнительных сложностей, встречающихся при попытке сканирования на очень высоких скоростях в третьем режиме сканирования, то есть если скорость достаточна для возбуждения неустановившегося движения кантилевера. Такая ситуация возникает, если кантилевер реагирует на импульс, выданный, например, при обнаружении более высокой области поверхности образца, который превышает частоту его первого ограниченного резонанса. При этих обстоятельствах не только наклон кантилевера в его наконечнике будет, вероятно, иметь другую величину по отношению к его установившемуся (заданному) наклону, но он также может быть в противоположном направлении. Неустановившееся движение будет менять угол кантилевера в положении и во времени. Проблема иллюстрируется со ссылкой на фиг.2.

Отметим, что существуют два возможных механических состояния кантилевера: наконечник может ограничиваться при контакте с поверхностью образца или он может быть свободным. Условия резонанса кантилевера в этих состояниях называются ограниченными и неограниченными резонансами соответственно.

Фиг.2a, b, с, d иллюстрируют различные ситуации, в которых наконечник 20 зонда получил импульс от поверхности образца 14. Как и раньше, зонд 16 содержит наконечник 20, соединенный с балкой 18 кантилевера. Указывается точка 20a зонда, ближайшая к образцу и обратной стороне 18b кантилевера, которая используется для измерения отклонения. Устойчивое состояние, т.е. номинальное положение обратной стороны 18b кантилевера, показано пунктирной линией 40. Под "номинальным" подразумевается, что если бы работала обратная связь, то это было бы положением, в котором нужно удерживать обратную сторону 18b. То есть это эквивалентно ориентации P1 зонда на фиг.1. Входящий световой луч L показан справа от каждой фигуры, а слева - предполагаемое направление 42 отражения, показанное в виде пунктирной линии, для зонда в номинальном положении. То есть пунктирная линия 42 соответствует D1 на фиг.1.

На фиг.2а и 2b положение поверхности образца указывается сплошной линией 44. Это положение 44 поверхности фактически является минимумом, и для ясности этого примера наконечник 20 следует по поверхности и притягивается вниз от номинального положения. Фиг.2a иллюстрирует ситуацию, в которой полученный от образца импульс, который вызывает это перемещение, является относительно медленным в масштабе времени и который продолжительнее времени установки кантилевера 18. То есть любое неустановившееся движение угаснет за время, которое требуется зонду для отклика на профиль поверхности. Когда наконечник 20 опускается для контакта с поверхностью 44, балка 18 кантилевера изгибается вниз и обратная сторона 18b кантилевера отклоняется влево от чертежа. Соответственно, световой луч L измерения отражается от обратной стороны 18b кантилевера по траектории 46. Траектория выхода луча соответственно обнаруживается как сдвигающаяся против часовой стрелки, что показано стрелкой 48. Для контраста фиг.2b иллюстрирует пример мгновенного положения зонда 16, когда импульс, полученный от образца 14, находится в масштабе времени, который короче времени установления кантилевера 18. Как и раньше, наконечник 20 притягивается вниз к уровню 44 поверхности, но неустановившееся колебание кантилевера 18 означает, что будет наблюдаться пульсация по всей его длине. Мгновенное расположение зонда поэтому может быть таким, как показано на фиг.2b. Соответственно, обратная сторона 18b кантилевера будет колебаться около точки 20a контакта зонда с образцом, так как распространяется пульсация. Мгновенное положение, в котором обратная сторона 18b кантилевера отклонена вправо, показано на фиг.2b. В этом случае световой луч L отражается по траектории 50. Траектория выхода луча соответственно наблюдается смещенной по часовой стрелке, как указано стрелкой 52.

Таким образом, видно, что несмотря на следование по одному и тому же положению поверхности мгновенное измерение отклонения зонда дало бы противоположные результаты в отличающихся ситуациях, показанных на фиг.2a и 2b.

На фиг.2c и 2d положение поверхности образца было поднято, как указано сплошной линией 54. Это положение 54 поверхности поэтому соответствует максимуму, и наконечник 20, следующий по поверхности, поднимается вверх от номинального положения. Фиг.2c иллюстрирует ситуацию, в которой полученный от образца импульс, который вызывает это перемещение, является относительно медленным в масштабе времени, который продолжительнее по времени установления кантилевера 18. То есть любое неустановившееся движение угаснет за время, которое требуется зонду для отклика на профиль поверхности. Когда наконечник 20 поднимается вместе с поверхностью 54, балка 18 кантилевера изгибается вверх, и обратная сторона 18b кантилевера отклоняется вправо от чертежа. Соответственно, опрашивающий световой луч L отражается от обратной стороны 18b кантилевера по траектории 56. Траектория выхода луча соответственно наблюдается смещенной по часовой стрелке, как указано стрелкой 58. Аналогично показанному на фиг.2b фиг.2d иллюстрирует пример мгновенного положения зонда 16, когда импульс, полученный от образца 14, находится в масштабе времени, который короче времени установления кантилевера 18. Как и на фиг.2c, наконечник 20a зонда поднимается вместе с уровнем 44 поверхности, но неустановившееся колебание кантилевера 18 означает, что будет наблюдаться пульсация, так как переходные режимы распространяются по всей длине. То есть обратная сторона 18b кантилевера будет колебаться около точки 20a контакта зонда с поверхностью. Ее мгновенное расположение может быть, например, таким, как показано. В примере фиг.2d обратная сторона 18b кантилевера отклоняется влево. В этом случае световой луч L отражается по траектории 60. Траектория выхода луча соответственно наблюдается смещенной против часовой стрелки, как указано стрелкой 62.

Снова наблюдается измерение того же положения 54 поверхности для создания значительно отличающихся результатов, если вызывается неустановившееся движение. То есть, если скорость, на которой зонд осуществляет сканирование по всей поверхности, заставляет зонд реагировать на особенности поверхности в период времени, который короче времени установления кантилевера, ограничение, которое задает начало третьего режима скорости, может быть переформулировано в виде: период сбора пикселей (среднее время, затраченное на формирование изображения той части поверхности, которая соответствует одному пикселю в изображении) становится меньше времени установления кантилевера.

Следует понимать, что положения зонда 16, показанные на фиг.2b и 2d, являются мгновенными. Переходные режимы будут распространяться по балке 18 кантилевера, и если их не подавить, то наблюдаются в виде качания обратной стороны 18b кантилевера и последующего быстрого колебания направления отраженного луча. Если переходные режимы подавляются, например, с использованием балки кантилевера с низкой добротностью Q, то исходное отклоняющее перемещение обратной стороны 18b установится значительно быстрее.

В заявке на патент PCT WO 2005/008679 описывается гибридная система, которая лучше приспособлена для измерения топографии неровных поверхностей образцов. Усовершенствованная механическая система для слежения за наконечником на поверхности образца реализуется в сочетании с электронным механизмом обратной связи. Электронный механизм обратной связи используется для проведения регулировок в вертикальном расстоянии основания зонда и опоры образца, хотя и в масштабе времени, большем скорости сбора пикселей. Вообще эти регулировки по обратной связи выполняются в течение периода, охватывающего несколько линий сканирования, но в пределах каждой линии сканирования должны измеряться колебания высоты наконечника над поверхностью образца. Предполагается, что в масштабе линии сканирования поверхность образца достаточно плоская, чтобы ограничения системы обнаружения не были слишком строгими. Измеренные колебания высоты допускают формирование изображения колебаний топографии поверхности по каждой линии сканирования, и электронные сигналы обратной связи использу