公开了扫描探针显微镜和扫描方法，其能减小或避免因探针尖与样品碰撞而造成的损害，缩短测量时间，提高生产力和测量精确度，不受粘附水层的影响收集样品表面的观测数据，如形貌数据。显微镜具有振动探针尖的振动单元、探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元、探针尖与样品表面接近或接触时检测探针尖振动状态变化的检测单元和控制探针尖在平行于样品表面的Ｘ和Ｙ方向上及在垂直于样品表面的Ｚ方向上移动的控制单元。在收集观测数据以后，控制单元在平行于样品表面的方向上扫描探针尖，直到达到在Ｘ或Ｙ方向上的下一观测位置。在扫描中，若检测到探针尖振动状态变化，控制单元就在Ｚ方向上远离样品表面移动探针尖。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，其在振动探针尖的同时通过扫描样品表面上的探针尖而获得所述表面特性的信息，例如样品的表面形貌。
技术介绍
如本领域中熟知的，扫描探针显微镜如原子力显微镜和扫描隧道显微镜作为一种已知的测量仪器，用于测量例如显微镜区域内的电子材料的样品以及成像所述样品的表面形貌或测量表面特性信息。不同的仪器都被提供作为这种类型的扫描探针显微镜。一个公知的仪器是超低力原子力显微镜(AFM)，其用于在振动垂直于样片表面的探针尖的同时通过扫描平行于样品表面的探针尖而检测样品表面形貌(例如，见专利参考文献1)。这种超低力AFM装配有探针，所述探针设置在杠杆臂的前端。可以平行于样品表面扫描该探针。而且，可以以其共振频率或接近其共振频率振动所述探针尖。在该超低力AFM中，当测量所述样品的表面形貌时，在通过上面所述振动的探针反复地轻触所述样品表面的同时执行扫描。因此，所述探针尖的振幅相应于所述被轻触的样品表面的形貌(如粗糙度)变化。所述超低力AFM通过测量振幅变化来测量所述样品的表面形貌。所述探针尖的振幅被设定为充分大的值(例如，100到200nm)，以阻止所述探针尖由于下述原因而粘附到样品表面上。在大气条件下，由于空气中的湿气，薄液体层即粘附水层存在于物质的表面上。就是说，如图10中所示，粘附水层还存在于样品表面上。因此，当所述探针尖与所述样品接近或接触时，由于作用于探针尖和样品之间的力，如范德瓦尔斯力的影响，所述振幅逐渐减小而画出由图11中Cl所表示的平滑曲线。另一方面，当所述探针尖从所述样品离开时，所述探针尖被所述粘附水层的表面张力俘获并被拖拉。因此，所述探针尖画出了不同于曲线Cl 的不规则曲线C2。由于这个原因，用小振幅很难从所述粘附水层分离所述探针尖。所述探针尖以如前面提到的大振幅振动，以解决这个问题。而且，当通过所述超低力AFM测量深形貌的样品时，如前面起到的，必须将所述振幅设大(超过IOOnm)，以使所述探针尖可以容易地追踪所述形貌(例如，见非专利参考文献 1)，这是公知的。另外，在所述样片形貌具有陡坡的地方，如果轻触所述陡坡的力增大，则在陡坡上产生的滑动增加(例如，见非专利参考文献幻。还有，从陡坡遭受的侧力使所述探针和悬臂 (杠杆臂)的弯曲增加。在另一个公知的扫描探针显微镜中，当平行于样品表面扫描所述探针尖时，所述探针尖与样品表面保持一个距离，该距离比测量样品物理特性所必需的距离充分的大(例如，见专利参考文献2)。该扫描探针显微镜配置有Z压电元件，用于垂直所述样品表面移动所述探针，所述探针能平行于所述样品表面扫描。通过给其施加电压，所述Z压电元件被伸长或收缩。从而，可以调整所述探针与样品表面之间的距离(或高度)。通常，当所述探针尖在离所述样品表面充分远的位置时，如前面提到的，所述Z压电元件收缩。该位置设为初始状态。在该扫描探针显微镜中，在测量样品表面形貌的情形下，扫描所述探针尖。当所述探针尖到达测量点时，扫描停止，同时，给Z压电元件施加电压。从而，所述Z压电元件伸长， 以使所述探针尖向着样品表面移动。当所述探针尖接近所述样品表面并进入隧道(tunnel) 区域时，隧道电流在所述探针尖和样品之间流动。所述显微镜测量所述电流。测量之后，施加给所述Z压电元件的电压设为0V。然后所述Z压电元件收缩回其初始状态。就是说，所述探针尖在一个位置，该位置离所述样品比提供测量所必需的距离的位置充分远。返回到初始位置后，再一次扫描所述探针尖。然后，所述显微镜重复到此为止的所述步骤。所述扫描探针显微镜通过在每个测量位置测量所述隧道电流而测量所述样品的表面形貌专利参考文献1 日本专利号2732771 (0015-0037段；图1-11)专利参考文献2 日本专利号四36545 (第2页左栏倒数第16行至右栏第5行)非专利参考文献 1 :B. Anczykowski 等人，《How to measure energy dissipation in dynamic mode atomic force microscopy(如何测量动态模式原子力显微方法中的能量消耗)》，Appl. Surf. Sci.，140 (1990)，376 (379 页 1646 行)非专禾Ij 参考文献 2 :T. Morimoto 等人，《Atomic Force Microscopy for High Aspect Ratio Structure Metrology (用于高纵横比结构计量的原子力显微方法)》，Jpn. J. Appl. Phys.，卷 41 Q002) 4238 0240 页，左栏 9-17 行及图 8)在上面引用的专利参考文献1的超低力AFM中，在反复轻触样品表面同时以大振幅执行扫描，以使所述探针在样品表面上的粘附水层中不被俘获。然而在这时，如在非专利参考文献1中所述的，通过探针的方式轻触所述样品表面而产生的能量消耗与振幅的平方成比例。因此，如果振幅增加，则就存在所述探针与样品之间发生碰撞，产生损害的危险。此外，如非专利参考文献2中所述的，如果轻触陡坡的力增加，则发生在陡坡上的滑动增加。另外，由于从陡坡遭受侧力，所述探针和悬臂的弯曲会增加。因此，很难精确地测量陡坡的形貌。为了消除该问题，如果减小所述探针的振幅，所述探针就会粘附到所述样品表面。 就是说，所述探针被俘获在所述粘附水层中。这就导致了不能精确测量的问题。此外，如果增加扫描速度，所述探针就不能跟随所述样品表面的形貌，因此很难精确进行测量。因此，在扫描速度上具有局限性。这使生产力变差。另外，进行测量花费了很长的时间。尤其在扫描区域增加的地方，测量时间增加。另外，在控制所述探针与样品之间距离中用作参数的伺服增益增加的地方，发生搜索摆动(hunting oscillation)，使执行精确测量变得困难。在上面引用的专利参考文献2中描述的扫描探针显微镜中，当扫描所述探针尖时，施加到Z压电元件的电压设为0V。在所述探针尖返回到其初始位置后，例如所述探针尖放置在离所述样品表面充分远，执行扫描。因此，所述探针尖在探针尖与样品表面之间来回必须移动很长的距离。因此，进行移动花费了很长的时间。因而执行测量花费了很长的时间。这就产生了生产力恶化的缺点。尤其，因为不管所述表面的形貌，所述探针都被如此设置以致其总是返回到相同的位置(初始位置)，所以依照所述样品表面的形貌，其花费了较长的时间。结果，其也花费了较长的时间来执行测量，生产力恶化。
技术实现思路
考虑到前述的情况，进行了本专利技术。本专利技术的一个目的是提供一种扫描探针显微镜和扫描方法，其能减小或避免由于探针和样品之间的碰撞造成的损害，缩短测量时间，提高生产力，提高测量精确度，且不受粘附水层的影响收集关于样品表面的观测数据，例如形貌数据。依照本专利技术的扫描探针显微镜达到了前述的目的，其具有探针尖，所述探针尖相对于样品表面能平行于样品表面在X和Y方向上扫描，并能垂直于样品表面在Z方向上移动。所述扫描探针显微镜进一步包括以与所述探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动所述探针尖的振动单元；当所述探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元；当所述探针尖与样品表面接近或接触时检测所述探针尖振动状态变化的检测单元；和在X和Y方向上控制扫描和Z方向本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种装配有探针尖的扫描探针显微镜，所述探针尖相对于样品表面能平行于样品表面在Ｘ和Ｙ方向上扫描，并能垂直于样品表面在Ｚ方向上移动，所述扫描探针显微镜包括： 以与所述探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动所述探针尖的振动单元； 当所述探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元； 当所述探针尖与样品表面接近或接触时检测所述探针尖振动状态变化的检测单元；和 控制在Ｘ和Ｙ方向上的扫描和Ｚ方向上移动的控制单元； 其中在收集所述观测数据以后，所述控制单元在平行于样品表面的方向上扫描所述探针尖，直到达到在Ｘ或Ｙ方向上的下一个观测位置为止；和 其中当在扫描过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，控制单元在Ｚ方向上远离样品表面移动所述探针尖。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：北岛周，渡边和俊，胁山茂，安武正敏，井上明，
申请(专利权)人：精工电子纳米科技术有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。