Способ использования полуконтактного режима с фиксированным пиком силы для измерения физических свойств образца

Способ использования полуконтактного режима с фиксированным пиком силы для измерения физических свойств образца

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), включая атомно-силовые микроскопы (АСМ), и более предпочтительно, к использованию Полуконтактного режима Пиковой Силы (Peak Force Tapping (PFT) mode) при работе АСМ, как описано в заявках США №61/417837, №.12/618641, №60/114399, для измерения свойств образцов при помощи режима PFT и, по меньшей мере, одного электрического, термического, микроволнового и оптического возбуждения образца, например.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), такие как атомно-силовые микроскопы (АСМ), представляют собой устройства, в которых обычно задействован зонд, имеющий острие, и которые приводят острие во взаимодействие с поверхностью образца при малом усилии для получения характеристик поверхности с детализацией до атомных размеров. Обычно зонд подводится к поверхности образца для определения изменений в характеристиках образца. Обеспечивая соответствующее сканирующее перемещение между острием и образцом, можно получить данные о характеристиках поверхности над конкретным регионом образца и составить соответствующую карту образца.

Стандартная система АСМ изображена схематически на Фиг. 1. АСМ 10 использует зондовое приспособление 12, включая зонд 12, имеющий кантилевер 15. Сканер 24 генерирует относительное перемещение между зондом 12 и образцом 22, пока измеряется взаимодействие зонд-образец. Таким образом, можно получить изображения или выполнить другие замеры образца. Сканер 24, как правило, состоит из одного или более приводных механизмов, которые обычно генерируют перемещение в трех взаимно ортогональных направлениях (XYZ). Часто сканер 24 является единым интегрированным блоком, который включает в себя один или более приводных механизмов для перемещения образца или зонда в трех осях, например пьезоэлектрический ламповый приводной механизм. Кроме того, сканер может являться концептуальной или физической комбинацией нескольких отдельных приводных механизмов. Некоторые АСМ разделяют сканер на несколько компонентов, например приводной механизм XY, который перемещает образец, и отдельный Z-приводной механизм, который перемещает зонд. Таким образом, измерительный прибор используется для создания относительного перемещения между зондом и образцом при измерении топографии или другого свойства образца как описано, например, в работах Хансма и др. (Hansma et. al) Патент США N1 RE 34489; Элингс и др (Elings et. al). Патент США №5,266,801; и Элингс и др. (Elings et. al) Патент США №5,412,980.

Стоит обратить внимание на то, что сканер 24 часто включает в себя пакет пьезоэлементов (часто называемый здесь «пьезопакет») или пьезоэлектрическую трубку, которая используется для генерации относительного перемещения между измерительным зондом и поверхностью образца. Пьезопакет - это устройство, которое перемещается в одном или нескольких направлениях, исходя из напряжений, подаваемых на электроды, расположенные на пакетах. Пьезопакеты часто используются в сочетании с механическими изгибами, которые служат для направления, ограничения и/или усиления движения пьезопакетов. Кроме того, изгибы используются для повышения жесткости приводного механизма в одной или более осях, как указано в заявке с серийным №11/687304, поданной 16 марта 2007 г., под названием «Сканер СЗМ быстрой развертки и метод его эксплуатации». Приводные механизмы могут быть соединены с зондом, образцом или и тем и другим. Чаще всего узел приводного механизма представлен в форме XY-приводного механизма, который приводит в движение зонд или образец в горизонтальной, или XY-плоскости, и Z-приводной механизм, который перемещает зонд или образец в вертикальном, или Z-направлении.

В общераспространенной конфигурации зонд 17 подсоединен к колеблющемуся приводному механизму или приводу 16, который используется для приведения в движение зонда 12 для колебаний на или в пределах резонансной частоты кантилевера 15. Альтернативные схемы размещения используются для измерения отклонения, скручивания или других характеристик кантилевера 15. Зонд 17 часто представляет собой кантилевер, изготовленный микротехнологическими методами, с интегрированным острием 17.

В большинстве случаев электронный сигнал передается с источника сигнала переменного тока 18 под управлением контроллера СЗМ 20, посредством чего приводной механизм 16 (или, как вариант, сканер 24) приводит зонд 12 в состояние колебания. Взаимодействие между зондом и образцом обычно управляется посредством обратной связи через контроллер 20. В частности, приводной механизм 16 может быть подсоединен к сканеру 24 и зонду 12, но может формироваться как единое целое с кантилевером 15 зонда 12 в составе самоприводного кантилевера/зонда.

Часто выбранный зонд 12 приводится в состояние колебания и контакта с образцом 22 по мере мониторинга характеристик образца в ходе обнаружения изменений в одной или нескольких характеристиках колебания зонда 12, как указано выше. В связи с этим приспособление для определения отклонения 25 обычно используется для направления луча в сторону тыльной части зонда 12, затем луч отражается в направлении детектора 26, такого как четырехквадрантный фотодетектор. Определитель отклонения часто является системой оптического рычага, подобно системе, описанной в Хансма и др. Патент США № RE 34,489, но могут быть и другие определители отклонения, такие как датчики деформации, емкостные датчики и т.д. Источником светового индикатора аппарата 25 является лазер, часто лазерный диод видимого или инфракрасного спектра. Луч светового индикатора также может генерироваться другими источниками света, например гелий-неонным или другим источником лазера, суперлюминесцентным диодом (СЛД), светодиодом, оптоволокном или любым другим источником света, который может фокусироваться на маленькой точке. Когда луч перемещается по детектору 26, соответствующие сигналы обрабатываются блоком обработки сигнала 28 (например, для того чтобы определить среднеквадратичное отклонение зонда 12). Сигнал взаимодействия (например, отклонение) затем передается контроллеру 20, который обрабатывает сигнал для определения изменений в колебании зонда 12. В целом контроллер 20 определяет ошибку в Блоке 30, затем генерирует сигналы управления (например, при использовании Блока 32 пропорционально-интегрального регулятора усиления) для поддержания относительно постоянного взаимодействия между острием и образцом (либо отклонением рычага 15), как правило, для поддержания заданных характеристик колебания зонда 12. Сигналы управления обычно усиливаются усилителем 34 высокого напряжения перед, например, приводом сканера 24. Так, контроллер 20 часто используется для поддержания амплитуды колебания на установленном значении A_s для обеспечения в целом постоянной силы между острием и образцом. В качестве альтернативы могут использоваться заданные фаза или частота. Контроллер 20 также в целом считается устройством обратной связи, когда управляющее действие заключается в поддержании постоянного целевого значения, определенного заданной точкой.

Также предусмотрена рабочая станция 40, в контроллере 20 и/или в отдельном контроллере или системе подключенных или автономных контроллеров, которая получает данные, собранные с контроллера, и управляет данными, полученными во время сканирования для выполнения управления данными, такого как выбор точки, подбор кривой, и действия по определению расстояния. Рабочая станция может хранить итоговую информацию в памяти, использовать ее для дополнительных расчетов и/или для ее отображения на подходящем мониторе, и/или ее передачи другому компьютеру или устройству по кабелю или беспроводным способом. Запоминающее устройство может состоять из любого читаемого компьютером носителя информации, примеры которого включают, но не ограничиваются этим, ОЗУ компьютера, жесткий диск, сетевой сервер для хранения информации, флеш-накопитель или компакт-диск.

АСМ могут быть предназначены для работы в разнообразных режимах, включая контактный режим и режим колебания. Работа осуществляется путем перемещения образца и/или зондового блока вверх и вниз относительно перпендикуляра к поверхности образца в ответ на отклонения кантилевера блока зонда, когда он сканируется по поверхности. Сканирование обычно происходит в плоскости «x-y», которая, по меньшей мере, в основном, параллельна поверхности образца, и вертикальное движение происходит в направлении «z», которое перпендикулярно плоскости «x-y». Обратите внимание на то, что многие образцы имеют неровности, кривизну и наклон, которые отклоняются от плоской поверхности, отсюда использование термина «в основном параллельна». При этом данные, связанные с таким вертикальным перемещением, могут храниться, а затем использоваться для построения изображения поверхности образца, относящегося к измеряемым характеристикам образца, например, топографии поверхности. В одном практическом режиме работы АСМ, известном как TappingMode™ (полуконтактный режим) АСМ (TappingMode™ является торговой маркой настоящего патентообладателя), острие приводится в состояние колебания при или в пределах резонансной частоты связанного кантилевера зонда, или его гармонического колебания. С помощью цепи обратной связи делается попытка сохранить амплитуду константы данного колебания, чтобы минимизировать «прижимную силу», т.е. силу, образующуюся в результате взаимодействия острие/образец, как правило, с помощью управления разделением острие-образец. Альтернативные схемы обратной связи сохраняют фазу и частоту колебания постоянной. Как и в контактном режиме, эти сигналы обратной связи затем собираются, сохраняются и используются как данные, характеризующие образец.

Независимо от режима работы, АСМ могут получать разрешение до атомного уровня по широкому спектру изоляционных или проводящих поверхностей в воздухе, жидкости или вакууме благодаря использованию пьезоэлектрических сканеров, детекторов отклонения оптического рычага и очень малых кантилеверов, изготовленных с помощью фотолитографических методов. Благодаря их разрешению и универсальности АСМ являются важными устройствами измерения во многих разнообразных сферах - от производства полупроводников до биологических исследований. Обратите внимание на то, что аббревиатура «СЗМ» и акронимы для конкретных типов СЗМ могут использоваться здесь для обозначения либо микроскопа, либо соответствующего метода, например, «атомно-силовая микроскопия».

Как и большинство измерительных устройств, АСМ часто требуют компромисса между разрешением и скоростью сбора данных. То есть некоторые существующие на данный момент АСМ могут сканировать поверхность с разрешением на уровне суб-ангстрем. Такие сканеры способны выполнять сканирование только относительно небольших участков образца, и даже при этом - только с очень низкой частотой развертки. Традиционно коммерческие АСМ, как правило, требуют общего времени сканирования в несколько минут, для того чтобы пройти зону в несколько микрон с высоким разрешением (например, 512×512 пикселей), и низкой прижимной силы. Практический предел скорости сканирования АСМ является максимальной скоростью, при которой AFM может быть отсканированным при сохранении прижимной силы, которая является достаточно низкой, чтобы не повредить или не причинить минимального повреждения острию и/или образцу. Были сделаны огромные шаги в этой области, где СЗМ достиг частоты развертки уровня видео с высоким разрешением для малых образцов и малых объемов сканирования.

Тем не менее, с учетом существующих ограничений, связанных с известными режимами работы, включая полуконтактный режим АСМ и контактный режим, существует потребность в улучшениях. Опять же, в контактном режиме боковое сканирование острия создает большие силы между острием и образцом, которое может исказить данные с обеих сторон. А при формировании изображения мягких образцов, таких как биологические образцы и полимеры, поверхность может быть повреждена, что лишает измерение смысла, или, по меньшей мере, сильно деформирована, тем самым значительно ухудшая разрешение. Обратите внимание на то, что термин «формирование изображения» используется здесь для указания на получение данных СЗМ в нескольких точках поверхности образца, в основном путем обеспечения относительного сканирующего движения между образцом и зондом, и соответственно взаимодействия образца и зонда.

Полуконтактный режим АСМ представляет собой метод малого усилия и является наиболее распространенным режимом работы АСМ для создания карт поверхностей образцов, особенно чувствительных образцов. Стандартное усилие на острие образца составляет около нескольких nN до десятков nN. К тому же колебание острия, в отличие от протаскивания острия, сводит к минимуму силу трения. В соответствии со сказанным выше, полуконтактный режим АСМ имеет недостаток в том, что режим характеризуется трудностью контроля нормального усилия, действующего на поверхности образца. Пользователь обычно старается выбрать заданную точку, которая является только небольшим отклонением вследствие колебаний атмосферного воздуха/амплитуды зонда, для того чтобы свести к минимуму силы взаимодействия острие-образец для получения наилучшего воспроизведения профиля образца. Дилемма, особенно для мягких образцов, состоит в том, что если сила формирования изображения будет слишком малой, то острие не будет прижиматься к образцу должным образом (т.е. поддерживать взаимодействие с образцом при сканировании), но если она будет слишком высокой, повреждение/деформирование образца может привести к тому, что изображение будет неточно отображать топографию поверхности. В целом, чем лучше контролируется это усилие (т.е. чем ниже его можно поддерживать), тем ниже вероятность повреждения образца и/или острия, и таким образом можно повысить разрешение.

Анализ сил острие-образец в каждом из этих режимов дает лучшее понимание ограничений каждого из них. Когда зонд взаимодействует с поверхностью посредством TappingMode™ (полуконтактного режима) АСМ или Jumping Mode™ (прыгающий режим) АСМ (см., например, Патенты США №5,229,606, 5,266,801 и 5,415,027, которые настоящим полностью включены посредством ссылки), острие периодически прикасается к поверхности. На Фиг. 2A изображен физический процесс в течение одного периода «Т» перемещения острия. На Фиг. 2A показана траектория острия со ссылкой на положение поверхности образца. На Фиг. 2B показана соответствующая сила взаимодействия в одно и то же время для траектории острия в разных положениях. В пиковых положениях A_max острие находится в наиболее удаленном положении от поверхности образца и не взаимодействует с образцом. Когда острие продолжает движение вниз в направлении горизонтальной оси (нулевое разделение острие-образец), оно подвергается действию ближней зоны силы Ван-дер-Ваальса F_a__vdw, что заставляет острие быстро входить в контакт с образцом вследствие притяжения Ван-дер-Ваальса. После соприкосновения с образцом острие продолжает находиться во взаимном отталкивании для временной зоны δТ. В это время острие постоянно контактирует с образцом. Положения ниже нуля показывают, что острие могло деформировать образец, что приводит к отображению его положения ниже поверхности образца.

По мере того как острие отдаляется от поверхности после δТ, сила притяжения создает капиллярный мениск, с проявлением максимальной силы адгезии F_a__max прямо перед отрывом мениска. Затем острие входит в область отсутствия взаимодействия и продвигается к положению максимального удаления.

В зоне без взаимодействия, когда зонд дальше всего от поверхности, сила взаимодействия равна нулю или достаточно близка к нулю, чтобы сформировать базовую линию, как указано на Фиг. 2B. На Фиг. 2B сила выше горизонтальной оси является отталкивающей, при том, что эти точки ниже горизонтальной оси представляют собой чистую силу притяжения или адгезии. Максимальная сила отталкивания F_r__max обычно соответствует самому нижнему или наименьшему положению острия или разделению относительно поверхности образца.

В предшествующих известных режимах, раскрытых в TappingMode™ (полуконтактном режиме) АСМ и Jumping Mode™ (прыгающем режиме) АСМ, амплитуда A_max или среднеквадратичное значение амплитуды колебания острия используется как параметр контроля обратной связи. Пример такого аппарата контроля обратной связи показан на Фиг. 1.

В традиционном контроле, обычно реализованном с помощью регулировки уровня цепи обратной связи, позиционирования приводных механизмов и определения компонента отклика кантилевера (квадрантный фотодетектор, например), АСМ использует обнаруженное отклонение зонда или сигнала среднеквадратичного значения, соответствующего перемещению кантилевера (напр., зонда), как указание на взаимодействие острие-поверхность, и использует цепь обратной связи для поддержания постоянного среднеквадратичного отклонения.

Однако основное ограничение традиционной АСМ заключается в ее неспособности собирать количественную информацию о механических свойствах одновременно с формированием изображений высокого разрешения. АСМ была предназначена в первую очередь для топографического формирования изображений. Был достигнут небольшой прогресс в создании количественных механических схем, включая эластичность, пластичность и работу адгезии.

Кроме того, в управлении TappingMode™ (полуконтактным режимом) используется амплитуда или фаза измеренного сигнала отклонения для управления взаимодействием острие-поверхность с помощью обратной связи. Примечательно, что и амплитуда, и фаза являются усредненными показателями колебания зонд/острие с использованием, по меньшей мере, одного цикла взаимодействия. В частности, среднее значение относится к взаимодействиям зонд/образец, происходящим во всех положениях траектории острия (Фиг. 2). Поэтому нет возможности для осуществления управления с обратной связью на основе фактически немедленного взаимодействия острие-образец. Обратите внимание на то, что немедленное взаимодействие относится к любой точке (например, в течение двух микросекунд) взаимодействия на Фиг. 2B (рассматривается далее).

Кроме того, важно отметить, что TappingMode™ (полуконтактный режим) АСМ был создан для преодоления явления, известного как состояние заклинивания, которое происходит, когда зонд прикасается к образцу прерывисто. Когда зонд прикасается к образцу, капиллярная сила направлена на то, чтобы захватить острие и не отпускать его. Амплитуда колебаний зонда в полуконтактном режиме упадет ниже нуля, тем самым приводя к обратному колебанию. Эта проблема была преодолена при использовании полуконтактного режима с помощью зондов, имеющих определенную жесткость, обычно от 10 Н/м (Ньютон/метр) до 60 Н/м, с номинальным значением 40 Н/м, при работе в полуконтактном режиме ACM (TappingMode AFM) с амплитудой колебаний выше, чем приблизительно 10 нм от пика до пика. В таких условиях, при прикосновении зонда к поверхности, кинетическая энергия полуконтактного зонда преобразуется в достаточное для преодоления капиллярной силы количество статической эластичной энергии, обеспечивая стабильную амплитуду в каждом цикле. Одним недостатком этого режима является то, что кинетическая энергия, накопленная в зонде, является также пропорциональной константе пружины кантилевера. При использовании кантилевера с меньшей константой пружины, такого как 1 Н/м, полуконтактный режим при измерении многих материалов невозможен, потому что кантилевер не может преодолеть силы капиллярной адгезии с помощью его собственной энергии резонансного колебания. Следовательно, большинство применений полуконтактного режима возможны только тогда, когда в нем используется жесткий кантилевер, широко известный в уровне техники как рычаг.

В попеременном режиме работы СЗМ, известном как импульсно-силовой режим или PFM (см., например, Патент США №6,880,386 и Патент США №7,129,486), амплитуда колебания зонда настроена таким образом, что острие входит и выходит из контакта во время каждого цикла. В этом режиме управление обеспечивается мониторингом сил взаимодействия острие-образец. Он работает на основе свойств, связанных с кривой силы, еще одного общего измерения, выполненного в сфере АСМ для измерения свойств материала в определенном месте. Измерения силы являются общими и могут быть распределены по всему образцу для создания того, что известно как объемно-силовое изображение.

В PFM, при анализе формы кривой сила-расстояние, и при использовании данных управления силами, действующими между острием и образцом, количество требуемых данных уменьшается по сравнению с другими режимами работы СЗМ. Важно, что режим работы PFM обычно должен соответствовать F_r__i (рассматривается ниже) или пиковой импульсной силе, которая значительно превосходит отклонение, вызванное адгезией, а также отклонения, вызванные соединениями. В результате требуется высокая сила отталкивания в качестве контрольной ссылки. Такая высокая сила может повредить образец или острие и, следовательно, помешать получению изображений высокого разрешения. Более того, PFM имеет другие ограничения, в частности касательно скорости работы и ограничений разрешения, и, таким образом, хотя она была реализована для формирования изображений мягких образцов, она не применялась шире для всех областей формирования изображения АСМ. Кроме того, формирование изображений в жидких средах представляет собой еще более трудную задачу для PFM, поскольку сила вязкости в жидкости создает большое отклонение, даже когда зонд кантилевера не взаимодействует с образцом.

В частности, основная причина ограничения скорости формирования изображения в стандарте PFM АСМ изображена на Фиг. 2C. Фиг. 2C является графиком силы взаимодействия острие-образец по отношению ко времени. Сила взаимодействия графически отображена как быстро вступающая в контактов «А», в момент чего сила отталкивания (образца от острия) инициируется в «В». Пиковая сила отталкивания наблюдается примерно в «С», поскольку силы адгезии притягивают к острию приблизительно до точки «D» - точки, на которой острие отходит от образца. Точка Е представляет пик отклонения зонда кантилевера, когда он отходит от образца. Обе точки С и Е представляются как пик сигнала отклонения. Для того чтобы удостовериться, что обратная связь управляет взаимодействием острие-образец правильно, значение С должно превышать Е. В еще одном ограничении в PFM требуется определенный период прямого вызова (циклы колебания зонда на резонансной частоте), перед тем как будет возможно определить базовую силу, необходимую для продолжения сканирования. Именно это ожидание «прямого вызова» кантилевера (процесс свободного затухания, как в полуконтактном режиме) ограничивает частоту модуляции и, следовательно, скорость сканирования. В частности, скорость модуляции значительно меньше, чем резонансная частота зонда (например, пятая часть или много ниже резонансной частоты образца).

В дополнение к вышеуказанным проблемам, монтаж и эксплуатация относительно сложного и универсального АСМ могут быть продолжительными и сложными, особенно для неопытного оператора АСМ и/или ученого или инженера, не знакомого со сложным метрологическим оборудованием. Например, значения параметров установки и эксплуатации обычно зависят от таких факторов, как тип материала образца, независимо от того, твердый он или мягкий, проводящий или непроводящий, органический, синтетический или биологический по природе, помимо всего прочего.

При других методах измерения, таких как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), образец можно легко загрузить в измерительный прибор и получить хорошее изображение при небольшой подготовке или квалификации пользователя. Однако АСМ часто является предпочтительным методом с учетом его способности выполнять широкий спектр измерений, включая многомерную топографию и замеры механических свойств (эластичность и т.д.). Несмотря на это, АСМ чаще всего требует экспертного знания инструмента и выполняемых измерений. В связи с этим пользователь должен определить интересующее его положение, подвести острие зонда к образцу (перемещая либо образец, либо зонд). Затем, после запуска режима измерительного сканирования, пользователь должен убедиться в том, что острие следует по образцу, поддерживая, согласно общим правилам, стабильность цепи обратной связи.

Более того, после выполнения измерения, часто представляет серьезную проблему интерпретация полученных данных. В целом это могут быть задачи, отнимающие много времени, очень часто требующие знаний и квалификации физика или инженера-электронщика, с ограничениями, присущими доверию человеческому суждению. Важно отметить, что поскольку АСМ имеет потенциал для широкого применения, было бы предпочтительным при проведении АСМ не полагаться на способность исполнителя выполнять операции экспертного уровня. Например, с учетом способности получать не имеющие аналогов измерения свойств материалов, включая карты образцов, биологи и эксперты материаловедения чаще использовали бы АСМ, если бы она была проще. В этом отношении простота использования повысится, если бы методика АСМ и/или метод работы могли минимизировать или исключить задачи, связанные как с а) поддержанием стабильности обратной связи при выполнении и подготовке измерений, так и b) интерпретацией полученных данных.

Для решения этих вопросов учитывались фундаментальные задачи, поставленные ACM и ее в настоящее время действующими рабочими режимами. Первоначально, с учетом поддержания стабильности в известных режимах АСМ, регулировка контроллера является критически важной. В большинстве существующих коммерческих систем пользователь должен контролировать как заданное значение, так и усиление (И (интегральное) и П (пропорциональное)). Учитывая заданное значение, управление зависит от режима. В контактном режиме прибор пытается поддерживать постоянную силу контакта между острием и образцом, который является относительно простым. Однако в большинстве распространенных режимов работы АСМ режим колебания или полуконтактный режим АСМ, описанный выше, контроль заданного значения (амплитуды или фазы полуконтактного сканирования), является сложным, потому что, по большому счету, не существует простой взаимосвязи между заданным значением и силами острие-образец. Такое же изменение заданного значения может указывать либо на высокую, либо на низкую силу взаимодействия острие-образец, с динамикой кантилевера (фундаментальная резонансная частота и т.д.), оказывающей сильное влияние, а также с учетом формирования изображения в разных средах (жидкость по сравнению с атмосферой, например).

Стабильная и оптимальная обратная связь также требует применения соответствующих усилений. В обычных условиях обратная связь станет нестабильной при высоком усилении и будет иметь пониженную способность отслеживания при низком усилении. Усиление П и И регулируются, при том что пользователь, как правило, использует метод проб и ошибок, дабы убедиться в том, что обратная связь остается стабильной, в то же самое время обеспечивая достаточную способность отслеживания. Тем не менее в полуконтактном режиме АСМ на динамику обратной связи сильно влияет заданное значение, т.е. такое же усиление уровня может демонстрировать разную стабильность обратной связи при заданном значении разной амплитуды. Поскольку усиления не работают независимо, процесс оптимизации усиления является сложным.

Стабильная обратная связь требует применения подходящего усиления при обнаружении отклонений в колебаниях от заданного значения. Усиление должно регулироваться для возврата колебания обратно к заданному значению. Усиления П и И настраиваются, при том что пользователь, как правило, использует метод проб и ошибок, для того чтобы убедиться, что обратная связь остается стабильной. И поскольку усиления работают не самостоятельно, задача является особенно сложной.

В ответ на потребность сферы метрологии в системе АСМ, которая поддерживала бы стабильную обратную связь с меньшим участием пользователя экспертного уровня, были предложены решения. Тем не менее каждое из них имеет значительные ограничения.

В работе Рифаи и Юсеф-Туми, озаглавленной «Об автоматизации атомно-силовых микроскопов: Подход адаптивного контроля», а также в работе Шниттера и др., озаглавленной «Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия контактного режима для биологического образца путем контроля на основе модели», контроллеры на основе модели более высокого порядка используются вместо стандартного П/И-контроллера. Такие контроллеры трудно проектировать и они, по сути, являются несовершенными. Важно, что такие контроллеры требуют информации, относящейся к динамике системы до начала работы. Хотя они и могут быть эффективными при эксплуатации АСМ в контактном режиме, трудности, как правило, возникают при эксплуатации АСМ с помощью полуконтактного режима, при условии что, в соответствии с предположением выше, динамика системы будет изменяться с меняющимся заданным значением.

В работе Астром и Хагглунд используется стандартный П/И-контроллер, но подстройка, необходимая для стабильной работы, автоматизирована. Астром и Хагглунд применяют простые регуляторы с использованием уточнения фазы и пределов амплитуды. В данном подходе целевая система, как правило, представляет собой крупную установку с медленным реагированием. В частности, временная шкала реагирования обычно занимает от минут до часов. Такая характеристика, по сути, прямо контрастирует с системой АМС, в которой время реагирования составляет миллисекунды, а фактор качества реагирования высок (низкое рассеивание энергии). Другими словами, автоматическая подстройка контроллера, как учат Ангстром и Хагглунд (с помощью простых регуляторов с медленным временем реагирования), не будет работать для большинства целей АСМ.

В другой системе, описанной в работе Раиса и др. (Патент США №7,513,142), система работает на определение начала состояния нестабильности, а затем осуществляет корректировку. Однако, поскольку период времени между началом состояния нестабильности и неконтролируемой нестабильности (т.е. нестабильности при мощности, требующей остановки и перезапуска процесса измерения) столь короток, трудно осуществлять управление до того, как остановлен процесс измерения. Как это понимается в уровне техники, гистерезис является первоочередной причиной состояния, при котором система не способна реагировать достаточно быстро. Более того, в данном решении система принимает решение на основе измеряемого колебания. Определяется амплитуда допустимого шума, и если эта амплитуда будет превышена, система отрегулирует усиление. Один из основных вопросов относится к тому факту, что амплитуда шума столь сложна, в частности при эксплуатации АСМ в полуконтактном режиме при измерении определенных типов образцов. В АСМ при полуконтактном режиме колебание представляет собой нелинейное представление силы взаимодействия между острием и образцом. Таким образом, контроль амплитуды полуконтактного сканирования, например, обеспечивает непрямой контроль силы взаимодействия между острием и образцом. Такой непрямой контроль силы взаимодействия является чувствительным к воздействиям переменных, таких как гармоники колебания и колебания системы, включая сам пьезопривод и механические компоненты АСМ. Именно эта динамика полуконтактного режима чрезвычайно усложняет разработку сильного алгоритма управления, в частности, если формирование изображения происходит в разных средах.

В результате, притом что данная система не требует ввода пользователем информации для принятия решения, ее способность расшифровывать измеренные колебания и изменять управление, когда система находится в состоянии угрозы потери стабильности, ограничена. Кроме того, в полуконтактном режиме АСМ динамика системы зависит как от заданного значения (например, амплитуда или фаза), так и от усиления, что сильно затрудняет возможность разработки алгоритма управления, который может устранять нестабильности.

В результате, хотя в прошлом и были предприняты усилия для автоматической регулировки усиления АСМ, этот метод также оказался не особо эффективным. Известные методы могут не справиться с выполнением ни топографии образца, ни рабочих параметров, таких как заданное значение, гистерезис приводного механизма и форма острия, которые могут непредсказуемым и негативным образом повлиять на попытки поддерживать стабильность путем регулировки усиления. В итоге автоматическая регулировка усиления в целом неэффективна.

Опять-таки, в этом нет ничего удивительного, ввиду многочисленности параметров сканирования, которые должны приниматься во внимание при установке и эксплуатации АСМ, вмести с теми параметрами, которые могут потребовать регулировки при работе АСМ. Например, пользователю может потребоваться отрегулировать такой параметр управления сканированием, как заданное значение, скорость сканирования, пропорциональное усиление, интегральное усиление, частота привода, амплитуда привода и другие параметры. Без большой аккуратности, значительного опыта, и иногда - определенного везения может произойти повреждение острия, кантилевера или образца, могут быть получены плохие или непригодные результаты и, в случаях, когда кажется, что все работает хорошо, процент рабочей неэффективности может быть настолько высоким, что время сканирования будет далеким от оптимального; это является особо проблематичными для способов применения с высокой пропускной способностью, таких как применение в полупроводниковой промышленности.

При текущем положении вещей, если значение любого из нескольких взаимно отобранных параметров управления не равно или не находится в пределах приемлемого диапазона своего оптимального уровня, в итоге, вероятнее всего, будут получены несоответствующая производительность и неприемлемые данные. При этом сравнительно сложные взаимозависимости, существующие между определенными параметрами АСМ, часто требуют выполнения процедуры проб и ошибок, даже для самых опытных операторов АСМ.

При выполнении установки АСМ значения для нескольких параметров управления должны устанавливаться с усилением цепи обратной связи для разных рабочих режимов и других случаев, когда требуется настройка такого усиления. При установке должны учитываться и конфигурироваться такие параметры, как объем сканирования, число пикселей в строке, количество отсканированных строк, частота развертки, скорость сканирования острия, цифроаналоговое (ЦА) разрешение, Z-центральное положение, т.е. Z-центральное напряжение центра пьезоэлектрического привода Z рабочего диапазона, контроль износа острия и минимизация повреждения образца.

При настройке АСМ для работы в режиме колебания, таком как TappingMode™ (полуконтактный режим), настройка должна включать в себя выбор амплитуды и заданного значения, связанные с колебанием. Более того, исходные значения интегрального усиления (I-gain) и пропорционального усиления (P-gain) также задаются вручную. Выбор значений усиления может быть сложным, поскольку это в основном зависит от таких факторов, как характер используемого режима колебаний, топография образцов, твердости и/или неровности или любые другие механические характеристики образца и среды, в которой он находится, а также других факторов. Например, там, где усиление задано слишком низким, реагирование системы имеет тенденцию к относительному ослаблению, что может привести к недостаточно точному отслеживанию острием поверхности образца. Там, где усиление задано слишком высоким, цепь обратной связи может начать колебания или посыл обратной связи на себя, что может добавить значительное количество нежелательного шума генерируемому изображению образца.

Кроме того, настройка усиления вначале может быть тонкой, но это не подходит при изменении некоторых другие факторов, таких как топография. Например, когда образец относительно неровный, усиление, как пра