自动扫描探针成像的方法和设备技术

一种操作扫描探针显微镜（ＳＰＭ）（１０）的方法，包括在所述ＳＰＭ（１０）的探针（１４）与样品（２２）相互作用时扫描所述样品（２２），以及收集响应于所述扫描步骤（３６）的样品表面数据。所述方法从所述样品表面数据识别（３８）所述样品（２２）的特征，并且基于所述识别步骤（３８）以自动执行所述特征的放大扫描（４２）。所述方法操作为快速识别和确认目的特征如纳米微刺（ａｓｐｅｒｉｔｙ）的位置，以有助于执行所述特征的定向高分辨率成像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
优选实施方案涉及利用扫描探针显微镜(SPN)使样品成像的方法，更具体而言， 涉及利用SPN以高图像分辨率和扫描速率自动识别和检验小尺寸样品特征如纳米微刺 (nano-asperities)的力^去。现有技术讨论扫描探针显微镜如原子力显微镜(AFM)通过提供测量探针与样品之间的相对扫 描移动并同时测量样品的一种或更多种特性来工作。典型的AFM系统示意性示于图I中。 显示了采用探针装置12的AFM 10，探针装置12包括具有悬臂15的探针14。扫描器24在 探针14和样品22之间产生相对运动，同时测量探针-样品相互作用。这样，可以获得样品 的图像或其他度量。扫描器24通常由一个或更多个通过在三个正交方向上(XYZ)产生移 动的促动器构成。扫描器24往往是包括使样品或探针在所有三个轴上移动的一个或更多 个驱动器的单个集成单元，例如压电管促动器。或者，扫描器24可以是多个独立的促动器 的组合装置。一些AFM将扫描器分成多个部件，例如使样品移动的XY扫描器和使探针移动 的独立的Z促动器。在常见的配置中，经常将探针14连接至用于以悬臂15的振动频率或接近的频率 驱动探针14的振动促动器或驱动器16。另一种布置测量悬臂15的偏转、扭转或其他移动。 探针14经常是具有集成的尖端17的微制造悬臂。通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电信号，以使促动器16 (或 者扫描器24)驱动探针14振荡。探针-样品相互作用通常通过反馈由控制器20来控制。 值得注意的是，促动器16可以连接至扫描器24和探针14，但是也可以作为自驱动悬臂/探 针的一部分与探针14的悬臂15整体成形。经常，当通过检测探针14振荡的一种或多种特性的变化来监测样品特征时，使选 定的探针14振荡并与样品22接触，如上文所述。在这一点上，通常采用偏转检测装置25将 光束导至探针14的背侧，然后使所述光束反射至探测器26，例如四象限光电探测器。注意， 装置25的感测光源通常是激光，经常为可见或红外激光二极管。感测光束也可以通过其 他光源产生，所述其他光源例如为He-Ne或其他激光源、超发光二极管(superluminescent diode, SLD)、LED、光纤或可以被聚焦至小点的任何其他光源。当光束经过检测器26时，合 适的信号被传送到控制器20，后者对信号进行处理以确定探针14振荡的变化。一般地，控 制器20产生控制信号以保持尖端与样品之间相对恒定的相互作用(或者操纵杆15的偏 转)，典型地，以保持探针14之摆动的设定点(setpoint)特征。例如，控制器20经常用于 将摆动幅度保持在设定点值As，以确保尖端与样品之间大致恒定的力。或者，可以使用设定点相位或频率。在控制器20中和/或单独的控制器中或连接或独立控制器的系统中还提供工作 站，该工作站接收来自控制器的收集数据并处理扫描期间获得的数据，以执行选点、曲线拟 合和距离测定操作。该工作站可以将所得信息存储在存储器中，利用它进行其他计算，和/ 或将其显示在合适的显示器上，和/或通过有线或无线将其传输到其他计算机或装置。存 储器可以包括任何计算机可读数据存储介质，其例子包括但不限于计算机RAM、硬盘、网络 存储、闪存驱动器或CD ROM。值得注意的是，扫描器24经常包括压电堆或压电管，其用于在 测量探针与样品表面之间产生相对运动。压电堆是基于施加到设置在该堆上的电极的电压 而在一个或更多个方向上运动的装置。压电堆经常与用于引导、约束和/或放大压电堆运 动的机械挠曲件联合使用。另外，使用挠曲件来提高驱动器在一个或更多个轴上的刚性，如 在 2007 年 3 月 16 日提交的题为Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的共同未决的申请No. 11/687, 304中描述的。驱动器可以连接至探针、样品或两者。 最典型地，驱动器组件以以下形式提供在水平或XY平面内驱动探针或样品的XY驱动器以 及使探针或样品在垂直或Z方向上运动的Z驱动器。随着对SPM效用的继续开发，需要以更高的速度对不同类型样品成像以提高样品 测量的通过量，包括对更大的样品区域成像。虽然AFM内在地具有由探针尖确定的分辨率 (通常为几个纳米)，但是AFM图像中的精细度水平取决于扫描尺寸。例如，如果扫描尺寸 为lym，则常规的512X512像素图像具有2nm的精细度，但如果扫描尺寸分别为lOym禾口 100 ym，则每个像素为20nm和200nm。显然，高分辨率和大扫描尺寸是以通过量为代价的。 利用相同的例子，如果lOiim图像尺寸需要2nm的精细度，则像素密度需要为5000X5000， 而不是512X512。因为AFM使用更快的扫描来获取图像，则在每条扫描线上增加10倍的 数据将需要快10倍的Z反馈回路来获得每个像素的数据。获得图像的扫描时间也将变长 10倍，其原因是顺序获得5000条数据线，使获得正常图像的时间从8分钟/帧增加至多于 1个小时/帧。其它因素也可限制成像速度，包括悬臂响应时间，X、Y和Z方向上可用的扫描器带 宽，驱动扫描器的高压放大器的转换速率和带宽，悬臂的力传感速度以及解调系统和扫描 力反馈系统。SPM图像通常由在样品不同位置上所记录测量值的阵列构成。例如，图像可以包含 在样品上一系列不同XY位置范围上测量的相对样品高度的局部值。其他测量值可以包括 悬臂的幅度、相位和频率响应以及样品的电力和磁力、摩擦和刚度等。所测量的数据对于样 品表面的具有代表性。除了上述速度限制之外，通常逐步获得大区域样品中的高分辨率成像。特别地，大 区域中的调查扫描(survey scan)经常用于确定样品是否包括感兴趣的特征。如果识别出 特征，则AFM会允许使用者在该特征上放大数倍，直至获得期望的分辨率或达到尖端半径 的极限。对特征是否应该被进一步成像(更高的分辨率)的判断是由熟练操作人员提供的， 放大扫描可以利用大多数AFM工具手动启动。纳米特征检测和测量的具体应用是数据存储中使用的磁盘的微刺测量。纳米微刺 是硬盘介质上高度为几个纳米且直径为20-40nm的凹陷特征。在数据读/写过程中，读/ 写头的磁极尖端与磁盘介质之间的距离也在纳米范围内。如果纳米微刺的高度超过读/写头的运行高度的话，则纳米微刺可以永久性损伤或“撞伤”磁盘的读/写头。因此，例行地 检查磁盘以监测纳米微刺的出现，优选利用AFM检查。在这点上，一个问题是，考虑到要识别的缺陷的尺寸，待分析的磁盘面积相对大。 光学技术能够在相对短的时间内测量大的区域；然而，这类技术不能够识别纳米微刺。AFM 在这点上提供理想的解决方案。然而，代价是AFM扫描耗费相对长的时间，扫描速度为约 1Hz，使得以10微米扫描尺寸对高数据密度位置处进行成像变得极其耗时。而且，相关的问题是，由于纳米微刺1-2纳米的高度，需要大于1埃的精度。为了 获得这种水平的精度，必须以相对低的速率操作AFM以产生可用的数据。目前实践中采用 的折中方案是对于相对大的取样覆盖率以512X 512线/图像扫描10 y mX 10 y m面积，其 耗费8. 5分钟来完成一张图像，并且耗费多于一个小时来研究样品的小部分，例如选定的 磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作扫描探针显微镜（ＳＰＭ）（１０）以识别一个或更多个样品特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括：在所述ＳＰＭ（１０）的探针（１４）与样品（２２）相互作用时以第一分辨率（３６）扫描所述样品（２２）；收集响应于所述扫描步骤（２２）的样品表面数据；和在收集所述样品表面数据期间，利用至少两个识别参数（３８），基于所述样品表面数据识别所述样品的包括所检测特征的子部；和自动在所述ＳＰＭ（１０）的探针（１４）与所述样品（２２）的所述子部相互作用时以第二分辨率（４２）扫描所述样品的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-9-12 60/971,828一种操作扫描探针显微镜(SPM)(10)以识别一个或更多个样品特征并提供更高分辨率的方法，所述方法包括在所述SPM(10)的探针(14)与样品(22)相互作用时以第一分辨率(36)扫描所述样品(22)；收集响应于所述扫描步骤(22)的样品表面数据；和在收集所述样品表面数据期间，利用至少两个识别参数(38)，基于所述样品表面数据识别所述样品的包括所检测特征的子部；和自动在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率(42)扫描所述样品的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。2.权利要求1所述的方法，其中所述识别步骤(38)包括确认所述特征的真实性(50)。3.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括分析所述样品表面数据的描记 和回描数据集。4.权利要求3所述的方法，其中所述数据集包括对应于以下的至少一种信号特征高 度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端(17)延伸部与所述样品 (22)之间的摩擦、电响应和磁响应。5.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)是基于神经网络的主元分析进行的。6.权利要求2所述的方法，其中所述确认步骤(50)包括利用图案识别分析(72)将已 知图案与所述特征进行比较。7.权利要求1所述的方法，还包括在以所述第二分辨率(42)进行扫描之前，基于所检 测特征的一个或更多个特性改变所述SPM(IO)操作的一个或更多个参数。8.权利要求1所述的方法，其中识别所述样品(22)的子部包括识别所述样品(22)的 包括纳米微刺的子部。9.权利要求1所述的方法，其中所述第二分辨率是基于所述检测特征的一个或更多个 特性来确定的。10.权利要求1所述的方法，其中识别所述样品(22)的子部包括执行回描操作以消除 基于噪声的检测特征。11.一种用于识别一个或更多个样品(22)特征并提供更高分辨率的基于探针的仪器 (10)，所述仪器(10)包括扫描探针显微镜(SPM) (10)，所述SPM(IO)包括探针(14)，所述探针(14)具有带有尖 端(17)的悬臂(15)；配置为识别(38)所述样品(22)的子部的特征识别引擎(20)，所述子部包括利用至少 两个识别参数基于所述样品表面数据检测的特征；和特征扫描控制器(20)，所述特征扫描控制器(20)配置为向所述SPM(IO)提供控制信号 以在所述SPM(10)的探针(14)与所述样品(22)的所述子部相互作用时以第二分辨率扫描 (42)所述样品(22)的所述子部，所述第二分辨率高于所述第一分辨率。12.权利要求11所述的仪器(10)，其中识别(38)所述样品(22)的子部包括确认(50) 所述特征的真实性。13.权利要求12所述的仪器(10)，其中确认(50)所述特征的真实性包括分析所述样 品表面数据的描记和回描数据集。14.权利要求13所述的仪器(10)，其中所述数据集包括对应于以下的至少一种信号 特征高度、探针幅度、探针相位、探针谐波响应、探针偏转以及探针尖端(17)延伸部与所述 样品(22)之间的摩擦、电响应和磁响应。15.权利要求12所述的仪器(10)，其中确认所述特征的真实性是基于神经网络的主元 分析进行的。16.权利要求12所述的仪器，其中确认(50)所述特征的真实性包括利用图案识别分析 将已知图案与所述特征进行比较。17.权利要求11所述的仪器，其中所述特征扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏全民，谢尔盖别利科夫，
申请(专利权)人：威科仪器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]