Система обнаружения для динамического зонда

Система обнаружения для динамического зонда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Принцип, лежащий в основе работы сканирующего зондового микроскопа (SPM), заключается в осуществлении механического сканирования по поверхности образца с помощью нанометровой зондовой иглы с формированием изображения образца. Особенности изображения возникают в результате вариаций взаимодействия между иглой и образцом.

Конкретный пример SPM - атомный силовой микроскоп (AFM), в котором отслеживается силовое взаимодействие между образцом и острой иглой зонда. Зонд обычного AFM включает в себя очень маленький кантилевер (консоль), который прикреплен к держателю своим основанием, и имеет иглу на его противоположном (свободном) конце. Когда игла зонда приводится в непосредственную близость с образцом, между образцом и иглой возникает силовое взаимодействие. Если игла перемещается, например колеблется, то силовое взаимодействие в определенном смысле модифицирует это перемещение. Если игла статична, то взаимодействие переместит иглу относительно поверхности образца.

Во время сканирования силовое взаимодействие между иглой и поверхностью образца изменяется, если изменяются характеристики поверхности под зондовой иглой. Трехосный сканер с высокой разрешающей способностью обычно создает относительное перемещение между образцом и зондом, управляя образцом и/или держателем зонда. Влияние силы взаимодействия на положение и/или на перемещение зондовой иглы отслеживается во время сканирования. При обычной работе AFM уровень силового взаимодействия поддерживается постоянным. То есть его воздействие на зонд контролируется, и система обратной связи работает для коррекции разделения образца и основания зонда в ответ на любое изменение, чтобы вернуть контролируемый параметр до заданного значения - заданной точки. Данные, связанные с этой регулировкой (обычно вертикальное или "z"-перемещение) собираются и могут быть использованы для создания изображения образца в пределах некоторой области его поверхности.

Интерпретация изображения, сформированного AFM, до некоторой степени будет зависеть от характера исследуемой поверхности. Поверхностная топография обычно дает наибольший вклад в изображение, поскольку при сканировании зондом отслеживается высота образца, но другие параметры, например поверхностная гидрофобность и гидрофильность, вязкоупругость и т.д., также могут давать вклад. Зонд и микроскоп дополнительно могут быть приспособлены для измерения других свойств образца, например магнитных или электрических полей, посредством соответствующих силовых взаимодействий.

Системы AFM могут быть сконструированы для работы в разнообразных режимах отображения. В контактном режиме зонд находится по существу в непрерывном контакте с образцом. В динамическом режиме зонд колеблется, периодически приводя его в непосредственную близость или контакт, с образцом.

Если для зондирования поверхности используется статическая игла, то ее положение при сканировании отслеживают, используя эффект, заключающийся в том, что силовое взаимодействие проявляется в изгибе или отклонении кантилевера. Когда силовое взаимодействие между иглой и поверхностью изменяется, игла или смещается к поверхности, или отодвигается от поверхности. Это перемещение иглы передается кантилеверной части зонда, которая соответственно изгибается или прогибается по своей длине. Система AFM конструируется так, чтобы измерить отклонение кантилевера с помощью позиционно-чувствительного детектора, например, с помощью системы с оптическом рычагом, или с помощью другого детектора отклонения, как это известно в данной области техники. Отклонение, в данном случае, относится к наклону верхней поверхности зонда, которая используется AFM для обеспечения индикации изгиба кантилевера.

В качестве альтернативы, AFM может работать в динамическом режиме. Зонд колеблется на одной из его резонансных частот или близко к ней. Вариации взаимодействия образец-зонд воздействуют на перемещение зонда. В частности, можно отслеживать амплитуду, фазу и частоту этих колебаний и корректировать разделение зонд-образец, чтобы поддержать постоянным среднее взаимодействие.

Системы AFM могут быть сконфигурированы для использования во многих различных режимах. Следует иметь ввиду, что вышеприведенное описание контактного и динамического режимов призвано дать общее введение в область атомной силовой микроскопии и никоим образом не означает какое-либо ограничение области применения настоящего изобретения.

Независимо от своего режима работы, системы AFM могут использоваться для формирования изображения большого разнообразия образцов в атомном масштабе в различных средах (воздух, жидкость или вакуум). Как правило, они используют пьезоэлектрические возбудители, детекторы отклонения с оптическим рычагом и очень маленькие кантилеверы, произведенные с использованием кремниевых технологий. Высокое разрешение и универсальность обуславливают их применение в самых различных областях, например, для промышленного контроля, в полупроводниковом производстве, в биологических исследованиях, в материаловедении и в нанолитографии.

При этом игла (или игла зонда) является трехмерной, часто имеет коническую или пирамидальную форму и располагается на свободном конце балки кантилевера. Игла сужается к точке, которая является ближайшей точкой взаимодействия с поверхностью при сканировании. Сам кантилевер представляет собой балку, исключая иглу, которая поддерживает иглу на одном конце, а другой поддерживается механизмом микроскопа. Кантилевер и игла совместно обозначаются как зонд.

Зонд (для AFM) обычно изготавливается из кремния или нитрида кремния. Как правило, кантилевер имеет протяженность приблизительно 50-200 мкм, ширину 20-50 мкм и толщину приблизительно 0,2-2 мкм, но эти размеры, конечно, могут варьироваться в соответствии с применением. Форма также может быть различной: обычно она прямоугольная или треугольная, причем в последнем случае игла находится вблизи вершины треугольника. Игла обычно имеет размеры 5 мкм у ее основания, высоту 3-10 мкм, и радиус закругления конца составляет 10-20 нм. При работе заостренный конец иглы ориентирован к образцу.

Типичные системы AFM содержат подвижный столик, на котором устанавливается исследуемый зондом образец. Зонд содержит балку кантилевера и иглу, которая сужается до заострения и которая расположена у одного конца балки кантилевера. Другой конец балки кантилевера зафиксирован креплением. Система z-позиционирования, содержащая пьезоэлектрические приводы, действующие для перемещения столика и зонда друг относительно друга (z-направление), присоединяется соответственно. Когда система AFM работает в динамическом режиме, с зондом также соединяется генератор колебаний, который управляет им по вертикали, чтобы установить периодический контакт с поверхностью образца. Дополнительные приводы соединены или с креплением, или со столиком, или с обоими, и действуют, чтобы обеспечить относительное перемещение образца и зонда в плоскости (x,y) образца. Источник света размещается так, чтобы направить лазерный луч на верхнюю поверхность (задняя часть) в том конце балки кантилевера, на котором монтируется игла. Свет, отраженный от задней части кантилевера, проходит к позиционно-чувствительному детектору (PSD), обычно разделенному фотодиоду, который создает выходной сигнал, отображающий отклонение кантилевера. Выходной сигнал детектора соединен через контроллер обратной связи с системой z-позиционирования.

Выходной сигнал от PSD может быть обработан, чтобы извлечь количественную информацию, например, отклонение зонда, амплитуду, фазу или другие параметры. Контроллер обратной связи корректирует систему z-позиционирования в соответствии с одной из извлеченных величин.

Это изобретение связано с режимами работы AFM, в котором зонд колеблется в направлении к поверхности образца. Динамический режим работы AFM, в котором зонд колеблется на резонансной частоте, или вблизи резонансной частоты, является, поэтому, одним из примеров. Использование подвижного зонда, чтобы установить периодический контакт, уменьшает поперечные силы между зондовой иглой и образцом. Такие поперечные силы могут быть разрушительными для мягких образцов или для хрупкой зондовой иглы. Примером хрупкой иглы может быть игла с высоким характеристическим отношением, то есть игла с относительно большой длиной, которая используется для зондирования узких впадин на поверхностях образцов. Кроме того, AFM, работающий в динамическом режиме, часто оказывается пригодным для формирования более характерной для материала информации.

При формировании изображения образца AFM из уровня техники работает в динамическом режиме следующим образом. Игла колеблется преимущественно в вертикальном направлении и затем, используя систему z-позиционирования, перемещается к образцу, пока смещение иглы не установится на заданном уровне. Этот уровень может быть определен по измеряемой фазе, амплитуде или частоте, но независимо от используемой величины ее заданное значение является заданной точкой для управления с обратной связью. Колебание кантилевера отслеживают с использованием лазерного луча и детектора.

Затем игла сканирует поверхность образца, обычно с последующим формированием растровой картины. Когда игла сталкивается с частью поверхности с увеличенной высотой, например, ее перемещение изменяется, и отслеживаемый параметр, например амплитуда, смещается от своей заданной точки. Контроллер обратной связи устанавливается для коррекции вертикального положения держателя зонда, чтобы отодвигать его от образца и, таким образом, восстановить принятый от детектора сигнал до его заданной точки. Зонд, соответственно, поддерживается в положении, в котором он имеет постоянное среднее (по множеству колебаний) взаимодействие с поверхностью.

Таким образом, обратная связь системы микроскопа гарантирует, что отслеживаемый параметр, в этом примере - амплитуда вертикальных колебаний зонда, поддерживается по существу постоянной в течение сканирования. По мере выполнения сканирования вертикальное положение держателя, установленное системой z-позиционирования, отслеживается и используется для создания изображения. Как правило, изображение предоставляет индикацию относительно высоты поверхности образца.

Недавние усовершенствования в зондовой микроскопии предоставили намного более быстрые методики сканирования при меньших временах сбора данных. Однако становится все более и более очевидно, что с этим новым поколением микроскопов, как описано в публикациях WO 02/063368 и WO 2004/005844, имеются ограничения времен сбора данных для формирования изображения, налагаемые самими компонентами AFM.

В описанных выше AFM из уровня техники игла перемещается непрерывно по поверхности образца, покрывая заданное число пикселей в секунду. Колебание кантилевера отслеживается, и система с обратной связью выполняет непрерывные коррекции вертикального разделения зонда и образца, чтобы поддержать зонд на его заданном уровне колебаний. Скорость, с которой изменение колебаний может быть обнаружено и, соответственно, вертикальное разделение, откорректированное в ответ, по существу устанавливает верхнее ограничение скорости сканирования для прецизионной работы AFM. Для сбора точной информации взаимодействие зонд-образец должно быть постоянным по всем пиксельным положениям. Как следствие, разделение зонд-образец должно быть откорректировано системой с обратной связью за время, меньшее времени, требуемого для сбора зондом данных изображения, соответствующих отдельному положению пикселя. Таким образом, коррекция высоты должна быть выполнена прежде, чем зонд переместится в новое пиксельное положение в пределах растровой развертки.

Если скорость сканирования увеличивается, то время, затрачиваемое зондом в каждом пиксельном положении, оказывается меньше. В некоторый момент будет достигнута скорость, при которой зонд не может быть возвращен до заданного уровня его колебаний прежде, чем он перейдет к следующей пиксельной области. Система не имеет времени, чтобы возвратиться к устойчивому состоянию с обратной связью. Обратная связь, соответственно, будет запаздывать относительно системы сбора данных, и информация о высоте (формируемая из вертикальной коррекции) не будет отражать истинную высоту образца в пиксельном положении. Скорость считывания пикселя должна быть уменьшена либо посредством увеличения размера каждого пикселя, что снижает разрешение изображения, либо посредством замедления сканирования, с соответственным увеличением времени сбора данных.

Чтобы снизить влияние этого ограничения, предпринимались попытки повысить скорость системы с обратной связью. Один подход, описанный в US 6189374, использует два привода, чтобы обеспечить перемещение кантилевера в z-направлении. Первый привод управляет зондовой сборкой, и второй привод, который является неотъемлемой частью зонда, действует для перемещения только зонда. Пределы перемещения, обеспечиваемые этим вторым приводом, меньше, чем те, что обеспечиваются первым, но, поскольку он используется для управления только зондом, его время отклика меньше. Таким образом, начальная регулировка высоты иглы может быть выполнена через быстрый привод с последующей более медленной, большей и надлежащей регулировкой. Однако такое использование вложенных петель обратной связи с интегральным вторым приводом имело ограниченный успех. Частично это обусловлено трудностью интерпретации отклика комбинированной системы с обратной связью и, таким образом, трудностью определения высоты иглы. Без этой информации не может быть точно сформирована поверхностная топография (или другая характеристика образца).

В описанном выше динамическом режиме зонд обычно возбуждается на изгибном колебании. То есть зонд закрепляется вблизи его основания и кантилевер изгибается вокруг поперечной оси через его неподвижную точку. Это приводит к тому, что игла описывает дугообразную траекторию с центром на неподвижной точке, и, таким образом, между иглой и поверхностью образца устанавливается периодический контакт. Вследствие малого угла колебаний перемещение иглы можно рассматривать как фактически вертикальное.

Альтернативные реализации AFM основаны на возбуждении зонда на различных колебательных модах, чтобы получить измерения различных характеристик образца. Например, при формировании изображения со сдвиговой силой, зонд колеблется поперек поверхности, чтобы извлечь информацию, связанную с поперечными силами, возникающими между зондом и образцом, например, со сдвиговой силой, или для измерений градиента силы, которые влияют на поверхностное трение.

Крутильные колебания зонда описаны в US 6945099 и US 7168301. Крутильные колебания означают, что кантилевер колеблется вокруг своей продольной оси, производя крутильное перемещение. Игла поэтому выполняет по существу (вследствие относительно небольшого размера дугообразной траектории) поперечное перемещение по поверхности образца. Как и с формированием изображения со сдвиговой силой, поперечные силовые взаимодействия, возникающие при крутильном перемещении, могут использоваться для формирования связанных с материалом данных, являющихся дополнительными к данным, измеренным с использованием изгибных колебаний.

Описанные выше системы AFM предшествующего уровня техники представляют собой обнуляющие системы. То есть требуется только гарантировать, что колебательное перемещение зонда поддерживается постоянным. Информацию о высоте зонда получают от приводов, которые управляют системой с обратной связью, а не непосредственно от зонда. Это привносит дополнительный потенциальный источник ошибки: если нулевое значение по каким-либо причинам не поддерживается постоянным, то его вариация приведет к ошибкам в получаемых измерениях и, следовательно, в изображении.

Альтернативный подход заключается в непосредственном измерении высоты зондовой иглы, когда она перемещается по поверхности образца. Этот подход избегает зависимости от корректности функционирования системы с обратной связью для обеспечения косвенного измерения высоты поверхности (или другого параметра), но он совсем не прост для реализации этого с достаточной точностью. Как следствие, этот подход широко не используется. Примеры прямого измерения высоты описаны в US 5144150 (Yoshizumi), EP 1892727 (Mitutoyo) и EP 2017599. Все описанные в этих документах микроскопы используют интерферометр, чтобы извлечь относящуюся к высоте зонда информацию.

В US 5144150 описывается использование контактного зонда для измерения конфигурации искривленной поверхности, например, такой как у сферической линзы, линзы Френеля или у литографического рисунка на полупроводнике. Проблема в измерении таких поверхностей заключается в том, что на поверхность образца может быть произведено недопустимое давление, когда, например, балка кантилевера изгибается при прохождении зондом области возвышений на поверхности. Решение состоит в том, чтобы гарантировать, что изгиб балки кантилевера при сканировании поверхности поддерживается по существу постоянным. Это достигается подключением основания кантилевера к так называемому оптическому зонду. Оптический зонд фокусируется на задней части балки кантилевера выше иглы. Если балка изгибается, то игла смещается от фокуса оптического зонда. Оптический зонд затем физически перемещается так, чтобы возвратить иглу к ее фокусу и, таким образом, сохранить разделение игла-оптический зонд, которое, в свою очередь, гарантирует, что кантилевер вернется к своей исходной изгибной конфигурации. Иначе говоря, как и в предварительно описанной технике предшествующего уровня, для поддержания кантилевера, при, по существу, постоянном отклонении, используется система с обратной связью. Однако различие заключается в том, что информация о высоте образца не выводится из этой системы с обратной связью. Таким образом, эта конфигурация выгодна потому, что она устраняет необходимость в интерпретации и получении измерения высоты из системы с обратной связью и поэтому устраняет соответствующий потенциальный источник ошибок.

Конфигурация, описанная в US 5144150, ограничена сканированиями, использующими относительно медленно перемещающийся зонд. Система обратной связи для поддержания отклонения кантилевера не может немедленно реагировать на изменение. Поэтому скорость сканирования ограничивается, чтобы затраченное на поэлементный сбор изображения время было больше, чем время отклика системы с обратной связью с автофокусировкой. Кроме того, хотя интерферометрическое измерение основано на Доплеровском сдвиге частоты от перемещающегося зонда, эта информация полезна только для извлечения информации о высоте, поскольку скорость может предоставить указание относительно положения поверхности образца. Таким образом, высота измеряется в установленных интервалах времени относительно последнего известного положения зонда, чтобы могло быть оценено проходимое расстояние. Это ограничивает ее применение системой, в которой между пикселями случаются малые изменения высоты образца. Это не подходит для контроля зонда, колебательное перемещение которого приводит к быстро варьирующейся высоте.

Две публикации Mitutoyo, EP 1892727 и EP 2017599, посвящены улучшению точности, с которой зондовые микроскопы могут работать, а следовательно и улучшению разрешения изображения. Это достигается получением прямого измерения высоты зонда относительно неподвижной опорной точки, используя интерферометрию. В одном варианте выполнения луч, отраженный от задней части зонда, интерферирует с опорным лучом, и при этом извлекается разность хода. Это преодолевает проблему ошибок движения, привносимых сканерами: перемещение в z направлении зондовой иглы возникает исключительно от формы поверхности образца. Любая ошибка сканера заставит зонд изгибаться, что не может повлиять на прямое измерение высоты.

Система, описанная в EP 1892727, не использует никакой системы с обратной связью. То есть никакая регулировка не выполняется для предотвращения чрезмерного изгиба зонда. Соответственно, система ограничивается сканированием очень плоских поверхностей.

EP 2017599, опубликованный 21 января 2009 г., после даты приоритета этой заявки описывает развитие устройства, описанного ранее в документе Mitutoyo, в котором обратная связь реализуется. Эта система с обратной связью упрощена относительно предварительно описанных систем AFM с обратной связью предшествующего уровня техники в том, что используется единственный датчик для обнаружения и постоянной силы (сигнал обратной связи) и смещения (высоты) зонда. При сканировании зонду передается малое вертикальное высокочастотное колебание (дрожание). Амплитуда этой вибрации предоставляет информацию относительно уровня силового взаимодействия. Прямой сигнал высоты, измеренный интерферометром, соответственно имеет низкочастотную компоненту, которая соответствует вариации высоты образца, суммированной с высокочастотной компонентой, которая возникает из-за дрожания. При последующей обработке сигналов используются фильтры, чтобы отделить эти две компоненты. Высота основания зонда регулируется, чтобы поддержать амплитуду высокочастотной компоненты на постоянном значении. Однако скорость этой конфигурации все же ограничивается тем фактом, что системе с обратной связью необходимо достаточное время для отклика на любые изменения высоты поверхности. То есть амплитуда дрожания должна быть возвращена к своему заданному значению между точками сбора данных изображения. Данные не могут быть собраны быстрее, поскольку, во-первых, измерение амплитуды требует контроля колебаний по большому числу циклов (5-10 в данном случае) и, во-вторых, z-приводной системе необходимо время для коррекции положения зонда, чтобы восстановить амплитуду до ее установленного значения. Кроме того, информация о высоте зонда формируется посредством фильтрации обнаруженного сигнала для удаления компоненты, обусловленной дрожанием, при которой остается сигнал, указывающий среднюю высоту зонда. Поэтому, если высота зонда изменяется во времени быстрее, чем колебание зонда, это привносит ошибку в получаемое измерение высоты. Аналогично фильтр будет иметь конечное время отклика, которое является запаздыванием по времени между вариациями входного сигнала, переносящимися в выходной сигнал. Вариации высоты зонда по времени меньше, чем те, что являются не обнаруживаемыми, и приведут к ошибке в получаемом измерении высоты.

US 6952952 и US 7152462 описывают распознающий микроскоп, в котором колеблющийся зонд контролируется и используется для обнаружения специальных добавок на поверхности образца. Антитело, которое должно прикрепляться к определенным местам на поверхности образца, располагается на зондовой игле. Отслеживают колебание зонда по направлению к поверхности и от поверхности. Самая низкая точка в каждый период колебаний предоставляет информацию относительно положения поверхности, и самая высокая точка определяет одно из двух состояний: соединяется зонд с поверхностью вследствие прикрепления антитела или нет. Однако это устройство не измеряет непосредственно высоту, но измеряет отклонение или наклон задней части кантилевера. Нижняя точка отклонения используется не только для предоставления информации о поверхности образца, но также и для ввода в систему обратной связи, чтобы поддерживать среднее отклонение. Поэтому получаемые данные о топографии представляют собой свертку положения основания зонда, которое непрерывно корректируется системой обратной связи, и отклонения зонда. Использование системы с обратной связью опять-таки ограничивает полезную скорость сканирования этого устройства.

Таким образом, AFM системы предшествующего уровня техники полагаются на систему с обратной связью, чтобы косвенно получить изображение из системы позиционирования зонда, которая, поэтому, ограничивает скорость сканирования, и которая представляет собой потенциальный источник ошибок. Использование прямого измерения высоты предоставляет возможность получить информацию о высоте независимо от положения приводов. Однако до настоящего времени AFM системы получения изображения, которые используют колеблющийся зонд, имеют ограничение по точности или скорости сбора данных изображения вследствие специфических требований системы с обратной связью.

Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении альтернативной системы обнаружения для использования со сканирующим зондовым микроскопом, которая пригодна для получения информации, относящейся к высоте поверхности образца, когда она сканируется зондовой иглой, которая колеблется над поверхностью, тем самым изменяя разделение между иглой и поверхностью, с улучшенной точностью и/или скоростью, чем это доступно в данной области техники предшествующего уровня.

Соответственно настоящее изобретение предоставляет систему обнаружения для использования со сканирующим зондовым микроскопом, причем система содержит:

источник света для создания луча, чтобы подсветить колеблющийся зонд, который периодически приближается к поверхности образца, причем зонд содержит кантилевер с основанием и свободными концами, причем свободный конец поддерживает острую иглу;

интерферометр, выполненный с возможностью обнаружения разности хода между светом, отраженным от зонда, и опорным лучом высоты, и вывода сигнала высоты, указывающего эту разность хода; и

устройство обработки сигналов, выполненное с возможностью отслеживания сигнала высоты и получения измерения для каждого цикла колебаний, которое указывает высоту зонда.

Поэтому система обнаружения в соответствии с настоящим изобретением пригодна для измерения высоты зонда непосредственно (посредством интерферометрии), когда он сканирует поверхность образца. Это выгодно потому, что при этом отпадает необходимость реализации системы с обратной связью. Обнаруженный сигнал высоты дискретизируется с частотой, которая гарантирует, что на цикл колебаний зонда извлекается больше чем одна измерительная точка. Эта дополнительная частота дискретизации, которая предпочтительно в 10 раз больше частоты колебаний зонда и более предпочтительно - в 100 раз больше, допускает получение измерения, которое отображает высоту образца, не прибегая к усреднению или фильтрации. Усреднение и фильтрация, как описано в EP 2017599, замедляют скорость сбора данных, что, в свою очередь, ограничивает скорость сканирования или разрешающую способность отображающей системы. Например, система, описанная в EP 2017599, полагается на амплитуду колебаний, поддерживаемую неизменной для фильтруемого сигнала, чтобы предоставить точное отображение высоты образца. Амплитуда колебаний поддерживается постоянной с помощью обратной связи, которая соответственно устанавливает предел скорости сканирования. Если скорость сканирования слишком высока, в получаемых данных измерения возникают ошибки, снижая точность отображения.

Устройство обработки сигналов предпочтительно устанавливается для извлечения данных из положения в пределах каждого цикла колебаний, который удовлетворяет заданным критериям измерения. Это может быть тогда, когда цикл указывает экстремальную разность хода, минимальную частоту изменения разности хода или другой подходящий указатель. Это гарантирует, что точка измерения извлекается в положении, наиболее вероятном для отражения истинной высоты образца. Например, при минимуме (или максимуме) разности хода можно заключить, что зонд находится в контакте с поверхностью образца. Это улучшает точность информации, извлекаемой системой обнаружения, которая может затем использоваться для создания изображения поверхности образца. Это изображение может отобразить поверхностную высоту или другое материальное свойство поверхности.

Хотя нет необходимости в реализации системы с обратной связью с данным изобретением, желательно, чтобы поддерживалась средняя высота зонда относительно образца. Это не означает, что ограничения техники предшествующего уровня должны быть перенесены в эту систему. Обратная связь не должна отвечать за возвращение выбранного параметра обратной связи до его заданного значения. Просто полезно поддерживать среднее разделение зонд-образец, при котором снижается вероятность больших сил, возникающих в случае быстрого изменения топографии образца и, соответственно, вероятность повреждения зонда и/или образца. Обратная связь может быть введена различным образом. Устройство обработки сигналов также может быть выполнено с возможностью извлечения сигнала обратной связи из сигнала высоты. Этот сигнал обратной связи может быть основанным на амплитуде, фазе или частоте колебаний зонда. В качестве альтернативы, система может включать в себя второй детектор, выполненный с возможностью приема компоненты света, отраженного от зонда, и извлечь сигнал обратной связи из нее.

Как отмечено выше, в этом варианте выполнения изобретения на обратную связь не полагаются для каждой точки измерения. Данные изображения извлекаются из интерферометрического измерения высоты, независимо от отклонения/наклона кантилевера. Это не только увеличивает скорость и доступное разрешение отображающей системы, но, по сравнению с обычными AFM, освобождает систему от ограничений, характерных для использования z-привода. Обычная система AFM извлекает измеренную точку данных, полученную из положения z-привода, когда высота зонда откорректирована системой обратной связи. Этот способ требует механизма z-позиционирования, который может быть точно откалиброван. Имеется немало возможностей для регулировки высоты зонда без необходимости в калибровке системы позиционирования. Этот вариант выполнения изобретения особенно хорошо подходит для использования зондов с интегрированным возбудителем. Такие зонды практически трудно откалибровать, и калибровка должна быть выполнена повторно при замене зонда. Например, это может быть реализовано посредством пьезорезистивного покрытия, или нагреванием теплового биморфного зонда удаленным источником света, или электрическим подключением резистивного нагревателя. Система обнаружения настоящего изобретения также идеальна для реализации с вложенными петлями обратной связи, описанными в US 6189374, поскольку это избавляет от необходимости калибровки множества отдельных возбудителей.

Система предпочтительно включает в себя светоделитель, выполненный с возможностью разделения отраженного от зонда света на две компоненты, одна из которых вводится в интерферометр, а вторая - на второй детектор.

В реализации обратной связи второй детектор может быть интерферометром, выполненным с возможностью обнаружения разности хода между светом, отраженным от зонда, и вторым опорным лучом высоты, и для вывода второго сигнала высоты, указывающего эту разность хода. Поэтому устройство обработки сигналов или второе устройство обработки сигналов выполнено с возможностью извлечения сигнала обратной связи из этого второго сигнала высоты, причем сигнал обратной связи основан на информации относительно амплитуды, фазы или частоты колебаний зонда.

В качестве альтернативы, второй детектор может быть детектором отклонения, выходной сигнал которого обрабатывается первым или вторым устройством обработки сигналов для извлечения сигнала обратной связи. Сигнал обратной связи может быть основанным на информации, относящейся к амплитуде, фазе или частоте колебаний зонда.

Интерферометр может быть гомодинным интерферометром и может включать в себя средство для создания пары интерферограмм с квадратурными фазами. Устройство счета интерференционных полос, идеально включающее в себя устройство подразделения интерференционных полос, предпочтительно устанавливается для производства выходного сигнала в зависимости от числа интерференционных полос, обнаруженных в каждой интерферограмме.

В качестве альтернативы, интерферометр может быть гетеродинным интерферометром.

Для любой интерферометрической системы опорный луч высоты предпочтительно образуется отражением от неподвижной опорной точки. Опорная точка может иметь известное, но переменное, соотношение с положением образца, или может быть зафиксирована относительно образца.

Идеально устройство обработки сигналов включает в себя FPGA (программируемую пользователем вентильную матрицу), которая способна обработать большой объем данных, полученных при наиболее эффективной работе микроскопа, посредством дополнительной дискретизации каждый цикл колебаний зонда. В качестве альтернативы, устройство обработки сигналов включает в себя схему дискретизации и хранения.

В альтернативном аспекте настоящее изобретение предусматривает сканирующий зондовый микроскоп для формирования изображения образца в соответствии с взаимодействием между образцом и зондом, причем микроскоп содержит приводное средство, выполненное с возможностью обеспечения относительного перемещения между зондом и поверхностью образца, генератор колебаний для возбуждения колебаний зонда в направлении, по существу перпендикулярном поверхности образца, и систему обнаружения зонда, как описано выше.

Предпочтительно, зонд имеет участок кантилевера с коэффициентом жесткости в пределах от 0,5 до 2 Нм^-1.

Генератор колебаний может быть выполнен с возможностью приведения зонда в изгибное перемещение, чтобы обеспечить прерывистый контакт с поверхностью. В качестве альтернативы, игла может быть смещена от продольной оси зонда, и генератор колебаний может быть выполнен с возможностью приведения зонда в крутильные колебания вокруг его продольной оси. Эта последняя конфигурация особенно выгодна для работы с высокоскоростным сканированием: она допускает более высокочастотные колебания при низком изгибном коэффициенте жесткости, что снижает силу, с которой зонд действует на поверхность в случае больших ошибочных сигналов обратной связи (возникающих, например, от внезапного изменения высоты поверхности). Предпочтительно, для работы с крутильными колебаниями зонд является T-образным со смещением иглы от продольной оси на расстояние по меньшей мере 3 мкм.

Микроскоп предпочтительно содержит xy-сканер, сконфигурированный для обеспечения относительного перемещения между зондом и поверхностью образца в плоскости, по существу параллельной поверхности образца, и z-привод, выполненный с возможностью обеспечения относительного перемещения в направлении, по существу перпендикулярном поверхности образца. Система обратной связи может включать в себя z-привод и может функционировать на основе информации, формируемой системой обнаружения.

Z-привод в идеальном случае выполнен с возможностью перемещения основания зонда. Он может включать в себя объединенный или частично объединенный с зондом исполнительный механизм. Генератор колебаний может быть исполнительным механизмом или множеством исполнительных механизмов, и также может быть объединен или частично объединен с зондом.

Ниже исключительно в качестве примера описаны варианты выполнения изобретения в связи с сопровождающими чертежами.

Фиг.1 изображает схематическую иллюстрацию компонентов атомного силового микроскопа с системой обнаружения зонда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схематическая иллюстрация компонентов атомного силового микроскопа со вторым вариантом выполнения системы обнаружения зонда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематическая иллюстрация интерференционной системы обнаружения высоты для использования с настоящим изобретением.

Фиг.4 - схематическое изображение колебательного движения зонда в динамическом режиме работы AFM в соответствии с данным изобретением.

Фиг.5(a) и 5(b) - соответственно, виды сверху