用于扫描探针显微镜的探针组件的制作方法

专利名称：用于扫描探针显微镜的探针组件的制作方法
用于扫描探针显微镜的探针组件
本发明涉及扫描探针显賴:镜领域，具体而言，涉及用于这样的显微镜 中的探针。本发明特别地但不是唯一地适合用于原子力显微镜。
扫描探针显微术领域始于20世纪80年代早期扫描隧Ca微镜的发 展。从那时起各种探针显微镜得以;Ol，虽然它们都基于相同的基;$*作 原理单独的纳米尺度的探针在样本表面之上机械地扫描以俊jyf样本空 间的"相互作用图"。每个不同类型的扫描探针显微镜(SPM)由局部探 针的性质及其与样本表面的相互作用来表征。
一些探测技术，比如扫描近场光学显微术(SNOM )，检测由于探针 与被照亮的样本的相互作用而产生的光子或监测其它相关特性，比如吸 附、极化、波长等等。其它探测技术基于对探针-样^目互作用力的变化 的检测。这后一组中的技术一般被称为扫描力显微术(SFM)。相互作用 力例如可以是原子间的(原子力显微术或"AFM")、磁性的(磁力显微 术或"MFM")、电的(电力显微术或"EFM")。
原子力显微术(AFM)是最常使用的扫描探针显微技术。在以接触 模式操作的典型AFM的情况下，探针是悬臂端部上的锐利末端，当与样 本恢为接近时，其响应于末端和样本之间的原子间相互作用力而弯曲。通 常使用光杠杆技术以测量悬臂相对于悬臂座或相对于在没有力作用在末 端上的情况下的零位置的弯曲(偏转)。AFM可以在两种状况之一下操作 恒定力或恒定高度。 一般地，AFM在恒定力状况下操作，其中使用反馈 环路，以通过响应于悬臂的偏转的任何变化而向上或向下移动样本(或末 端)来保持恒定的相互作用力。
典型的操作模式是接触和动态操作。在接触模式中，在扫描进行时末 端和样本保持紧密接触，即，处于原子间相互作用的排斥状态。普通的动
态操作模式是间歇接触模式，其中致动器以其谐振频率驱动悬臂，使得探 针末端仅在其振荡周期的很小部分期间接触样本表面。动态操作的另一形 式是非接触模式，其中悬臂在样本上方一定距离振动，使得原子间相互作 用力不再是排斥的。
探针显微术的最新进展导致更快的数据收集时间。在WO2005/008679中描述了"&计用于高速扫描的探针显^t镜的示例。在该文献 中，显微镜的探4W改进为使得当受到外部施加的力时，偏置力以比由探 针末端在探测样本时的移位引起的恢复力更大的量值使探针末端和样本 之一或两者彼此相向地推进。这使得探针能够比常规的扫描探针显微镜更 快地扫描样本表面。
最新的i^艮力求提高扫描速度，但是在扫描i4;变不断提高的情况下， 由于磨损、污染或损耗等等，每个探针末端需要以更短的时间间隔被更换。 显微镜效率的进一步提高因此受限于替换磨损或损坏的探针或在不同类 型的探针之间进行交换所需要的时间。
使扫描速率加快的一种方法涉及使用探针阵列以在大样本表面区域 之上同时扫描。可在US 6,423,967和US 2004/0256552中发现以这种方式 使用探针阵列的示例。尽管探针阵列可使得较大表面区域能够同时被扫 描，但是在需要更换探针时经历相同的延迟。
在US 5,705,814中描述了一种扫描^针显^L镜，其中可通过这些过程 的自动化来交换或替换探针。因此，显微镜的探针座结合有夹紧装置，所 述夹紧装置^L机械地、电磁地或靠空气作用地致动，以便拾取并保持各个 悬臂探针。各个悬臂探针存放在保持器中，保持器在新的探针要被安絲 显微镜中时取代样本台上的样本，并且利用来自探针检测系统的信号自动 进行探针座与位于保持器中的各个悬臂探针的对准。
另外，在US 2004/0256552中描述了 一种扫描探针显祸L镜，其包括用 于将多个单独探针存放在保持器中并用于将探针单独地在探针保持器与 探针座之间自动转移而不需要样本移位的装置。
虽然以上提到的现有技术通过使用于在显微镜中安装探针的过程至 少部分自动化来^:供效率上的一些改进，但是现有技术解决方案增加了显 微镜、尤其;l探针座的i殳计的复杂度，这是不期望的。
本发明因此力求提供一种适合用于扫描^4h显賴t镜中的改进探针，其 系统对准。
本发明因此4C供一种用于扫描探针显^t镜中的探针组件，所述探针组 件包括具有第一组至少三个探针的托架，每个探针具有末端，所述末端位 于该组探针末端所共有的平面上并且能够移动离开该平面，其特征在于， 所述探针基本相同，并且所述组件还包括寻址装置，所述寻址装置适于选择所述组探针中的一个探针以用于相对于探针中的大多数其余探针的相 对移动。
优选地，探针组件还包括第二组至少三个基本相同的探针。此外，寻 址装置可被布置为从第 一组中选择一个探针和/或从第二组中选择一个探 针。第二组中的探针与第一组中的探针相比可以是不同类型的探针。
理想情况下，寻址装置包括到每个探针的相应电连接装置。在一个实
施例中，所^目应电连接装置可包括用于在探针和i^巨离电极之间施加电 势的装置。在另一个实施例中，每个探针包括弹性支撑梁，寻址装置还包 括与相应电连接装置相连以便使支撑梁弯曲的压电材料。在又一个实施例 中，每个探针包括弹性支撑梁，寻址装置包括施加到支撑梁的至少一个附 加层，所述附加层由与支撑梁的材料不同的材料形成，由此形成多层结构， 所述多层结构包括具有不同热膨胀率的至少两层。优选地，通it^目应的电 阻加热器或i^巨离光源来加热所述多层材料。
探针组件还可包括一体基板，在一体基板上提供所述探针， 一体^SL 安^t托架上。
可选地，所述探针中的每个探针可具有相应的M，所述探针通# 应的M安装到托架上。
优选地，所述组至少三个探针^1从以下一组探针类型中选择的类型的
探针接触模式探针；动态模式探针；纳米光刻探针；适于电容测量的探 针；响应于局部磁场和/或电场的探针；适于光近场显微术的探针；标准 纵横比^针；高纵横比探针；具有不同的末端半径的探针。
此外，期望探针中的至少一个探针具有曲率半径为100mn或更小的 末端。优选地，探针中的至少一个探针具有小于2 Nm"的弹性常数。探 针可被布置为彼此基本平行。
在一个实施例中，托架具有限定延伸贯穿托架的至少一个槽的内边 缘，其中沿着一个或更多个所述内边缘安装探针。优选地，在探针支架的 相应的相对内边缘上4^供至少一个第一探针和至少一个第二探针。此外， 所述至少一个第一^4f和至少一个第二探针可以彼此交叠，使得它们的末 端被布置排成一行。
优选地，托架还包括用于将所述托架附连到显微镜上的座的装置。用 于附连的装置可以包括用于存储每个:^针的信息的装置。此外，用于附连 的装置也可以包括用于选择探针的多路复用器。在一个实施例中，探针末端基本均匀地分布在共有平面内。替选地， 与探针中的其余探针相比，至少两个探针可在共有平面内被不同地间隔 开。
在另一实施例中，在第一探针支架上提供探针，在第二探针支架上提 供第二探针，在第一和第二探针的末端之间的间距是固定的。替选地，探
针可以具有在共有平面内能够调整的间距。
在又一实施例中，在第一探针支架上提供第一排探针，在第二揭:针支 架上提供第二排探针，第一和第二排探针的末端之间的间距是能够调整 的。优选地，第一和第二探针支架中的至少一个^Mt支架包括用于改变两 个探针支架的相对位置的可调整隔离器。在相应的第一和第二探针支架的 相应的相对边缘上提供至少一个第一探针排和至少一个第二探针排。在这 种情况下，第一探针排和第二探针排可以彼此交叠，使得探针末端被排列 一行。优选地，每个探针排位于与其它探针排共有的平面上，所述探针排 中的每个探针末端位于与所述探针排中的其余探针末端共有的平面上，每 个^针排具有相应的寻址装置。在一个优选实施例中，寻址装置适于选择
至少一个探针排以用于相对于探针中的不在所选探针排中的其余探针中 的大多数探针的相对移动，并且还适于从所选探针排中选择探针之一以用 于相对于该探针排中的探针中的大多数其余探针的相对移动，所选探针是
多数探针最远的探针。
优选地，所述共有平面基本平行于样本台。
本发明还提供一种扫描探针显微装置，包括样本台；座；检测系统 以及如在此处描述的附连到座的探针组件。所U^L镜还可以包括用于将 选中的^#与检测系统对准的装置。这使得能够用组件中的另 一探针自动 替换探针，这在需要替换探针的情况下在进一步改善总的数据收集时间方 面是有利的。
在另 一方面，本发明提供一种利用具有样本盘和检测系统的扫描探针 显^it镜来研究样本表面的方法，所述方法包括以下步骤将样本安装在扫 描探针显微镜的样本盘上；将这里描述的探针组件安装在扫描^针显微镜 中；对一个或更多个^#进行寻址，以使寻址到的探针的^针末端相对于 探针中的其余探针移动到共有平面之外，由此选择一个或更多个用于扫描 样本表面的探针；将选中的探针定位在样本表面之上；将扫描探针显微镜 的检测系统与一个或更多个选中的探针对准；产生在一个或更多个选中探针与样本表面之间的相对移动；以及利用检测系统监测一个或更多个探针 对其与样本的相互作用的响应。可利用探针的轮流选择来重复该过程，可
自动执行与检测系统对准的过程。


图1示意性地示出一种适于与本发明的改进探针一起使用的常规原 子力显樹:镜；
图2示出根据本发明的用于扫描探针显微术的探针组件的第一实施
例；
图3示出根据本发明的用于扫描探针显微术的探针组件的替选实施
例；
图4示出根据本发明的探针组件上的具有两个探针的悬臂的结构；以
及
图5a、5b、5c以及5d示出根据本发明的探针组件的四个替选实施例。
图1示出总体上由IO表示的原子力显微镜(AFM)，作为一种可采 用本发明的改进探针的AFM的示例。然而，应当理解本发明不限于该 AFM具体设计。相反，本发明适合总体上与扫描探针显微镜一起使用， 然而也可以想到具体的应用。举例来说，本发明适合与用以扫描半导体晶 片的表面以便帮助定位和识别缺陷的AFM (即，晶片检查工具) 一起使 用。
AFM装置一般包括适于容纳样本14的盘形样本台12;具有悬臂 18和纳米尺度的探针末端20的探针16 (其将在下面更详细地描述)；以 及用于对悬臂18相对于它的座的偏转进行监测的检测系统22。纳米尺度 末端20的尖端具有100nm或更小的曲率半径，不同尺寸和形状的末端可 被用于不同类型的扫描或图像采集。在扫描期间，在探针末端20和样本 表面之间逐渐产生相互作用力，悬臂18的相对偏转或高度指示样本表面 状况和相互作用力的强度。
探针16安装在位置控制装置(例如压电换能器)26和粗驱动装置27 上。位置控制装置26用于在三个维度上驱动探针，所述三个维度是x、 y 以及z方向。作为该领域中的常规情况，笛卡尔坐标系的z轴被选取为与 样本14所占用的平面垂直。也就是说，相互作用力既依赖于探针16在样 本14之上的xy位置(探针正在描绘的像素)，也依赖于探针16在样本 14上方的高度。
在使用中，粗驱动装置27用来使探针相对于样本14定位，检测系统22与探针16的背面对准，使得可以监测探针的偏转。然后在检测系统22 测量由于探针-样^t目互作用力而引起的探针16的偏转时进行精细的高 度和初始启动位置调整。 一旦确定了期望水平的相互作用力、并因此确定 了探针悬臂的偏转，则利用位置控制装置26使探针16在样本14的表面 之上扫描，同时检测系统22监测和/或记录探针的高度、偏转或偏转校正。
在图1中，为了便于参照，示出单个探针16。在图2、图3以及图5 中示出根据本发明的探针组件31、 60。探针组件31，此处可称作探针坯 (probe biscuit )，具有安M—体基板33上的多个单独探针32 (图2 )。 由于各个探针32安装在一体基板33上，因此可在制造期间非常精确地控 制每个探针相对于彼此的空间位置。基板33安装在所有探针所共有的托 架34上。
托架34包括用于将托架34紧固到显#*置的探针座(未示出)的装 置，例如，安装插脚35或其它常规装置。
托架34还包括在该实施例中为电连接装置形式的寻址装置36，其为 每个探针32提供到外部电源(未示出)的单独连接。在图2的情况下， 电源连接装置36中的每个可被单独连接到外部电源。然而，如图3所示， 对于大量的探针，单独的电源连接装置36可以有选择地与多路复用器37 连通，多路复用器37适于选择性地将各个电源连接装置36连接到外部电 源38。虽然每个探针32都具有相应的电连接装置36，但是探针的末端 20与连接装置36相隔离以保证不影响末端-样本的相互作用。
在图3的替选实施例中，各个探针32每个都^L提供在相应的14133， 上，每个^41被安装在共有托架34上。虽然在图2中沿着托架34的外边 缘安装^针，然而在图3的情况下可见托架34可包括一个或更多个槽39 (在图3中仅示出一个槽)，沿着槽的内边缘安装探针32。 il^涉及大量 探针的情况下特别有用。理想情况下，探针32相对于托架34并相对于彼 此以预定的空间位置被布置。当然，槽可以是任何形状并且仅需要l^供内 边缘，各个探针安装到所述内边缘上。
在探针32布置在图3所示的探针坯31上的情况下，每对相对的探针， 即在槽39的相对边缘上的探针，处于互补的角度，即它们相对于样本盘 的角度和是180° 。这导致在槽39的相对边缘上的探针在不同方向上反 射来自检测系统的入射光。因此，在图3的探针坯的情况下，检测系统优 选地包括用于收集来自槽39的两侧的探针的反射光的收集装置。例如， 收集系统可以是位置可变的，或可以包括专用于收集从槽的一侧的探针反射的光的附加光学部件。替选地，扫描显微术装置可被调整为包括两个检 测系统，槽的每侧有一个检测系统。
尽管图2和图3的探针坯总体上是矩形的，应该理解托架34可以具 有适合安装在显M置中的任何形状。而且，在图3实施例中不必以补角 安装相对的一对探针，这仅是便利的布置。类似地，电连接装置36的构 造不是要被限制于此处示出的构造。
尽管用于将探针坯附连到显微装置的装置可以是任何常规装置，然而 优选的实施例(未示出)使托架34固定在外罩单元比如筒或盒内以保护 探针。外罩本身适于安装在设置有探针坯的显微装置上，以便使用。外革 包括盖和/或基座，盖和/或基座可被移动或移除以便使探针暴露于样本和 检测系统，以备使用。对于外罩包括盖和基座的情况，盖和基座可分别或 一起被移动或移除。可在安装之前或作为安装过程的一部分移动或移除盖 和/或基座。然而，优选的是在安装外罩之后移动或移除盖和/或基座，使 得外罩在安装过程中保持密闭以保护探针。
除了保护之外，外罩也可协助探针与显微镜系统的对准。探针坯可被 准确定位在外軍中，使得将外罩手动定位在显微镜系统上的设定位置(其 可由槽、沟等表示)中使探针坯至少接近准备好被使用。
此外，外罩也可用来存放包含与各个探针有关或与组件本身有关的校 准或其它信息的芯片。如下面更详细描述的，这样的信息可用于探针坯的 自动重新对准以选W换探针。所述芯片也可用于监测每个探针的使用， 并且在使用单独的探针时被更新。这样的信息可用来将探针用途限制于例 如期望探针按照要求的规范操作的大量扫描。
探针坯31起到用于扫描探针显微术的各个探针32的贮藏器的作用 这不是要同时使用探针坯31上的所有探针。相反，借助寻址装置36来选 择探针坯上的探针32，以便单独或成批使用。通过降低选中的探针以便 使所述探针接触或接近样本的表面，或通过提升所有未选中的探针，来执 行选择。因此，当没有探4W选中时，每个探针的探针末端位于共有平面 中。当探针中的一个或更多个探针被选中时，使选中的探针或所有未选中 的探针的探针末端相对于探针中的其余探针移出共有平面。
为了实现探针选择，可在样本14下方布置下电极(未示出)，探针坯 31上的探针32都适于被选择以起到第二电极的作用。例如，通过在样本 14下方的下电极和探针32中的单个探针之间施加电势差来选择探针32。这产生推动选中的探针32向下电极、并因此向样本14弯曲的吸引力。对 于扫描探针显微镜用于晶片检查的情况，晶片自身可用作下电极。
如图3所示，可在探针坯31之上、在探针坯与样本14相对的一侧上 提供上电极40 (用虚线表示)。在显微装置中正使用竖直检测系统的情况 下，上电极可以是涂有例如Ti02的导电材料的玻璃层的形式，以便保证 光跨越玻璃层及其涂层向和从探针32传输。当然，如果在显微装置中采 用非竖直的光学检测系统或非光学检测系统，则不需要上电极透光。在这 种情况下，通it^探针和上电极40的涂层之间施加电势，探针将被吸向 上电极40,因此远离样本14。因此，在该实施例中，向除了电极中除了 选中电极之外的所有电极施加电势。
在第三实施例中，提供了在样本14下方的下电极和在探针坯31上方 的上电极。通过该实施例，下电极通过电源电连接到上电极40，使得能 够在样本14和托架31上建立起电磁场。通过借助各个电连接装置36向 选中的探针32施加电势，可以使一个或更多个揮:针根据施加到其上的电 势而朝向或远离下电极、并因此朝向或远离样本14移动。
另一替选方式涉及4吏用^巨离寻址装置，所述间接寻址装置用于例如 通过在选中的探针上吹送惰性气体或空气来相对于选中的探针产生压力 梯度，以使选中的探针向样本偏转。
为了使推动寻址到的探针脱离探针末端的共有平面所必需的场强最 小，每个探针的支撑梁可被调整为例如通过至少加宽支撑梁的基座(见图 4)来增大其表面积，由此增大支撑梁在由所施加的电势引起的电场中经 受的力。这在具有一般用于动态模式操作中的高弹性常数悬臂的探针的情 况下是特别理想的.
对于这里所描述的揮:针组件，探针的悬臂中的一个或更多个悬臂可设 计为被机械地减振和/或包括用于施加外力的装置，这在某些成^象技术中 是有利的。
上电极和下电极可由比如压电材料的电致动材料替代，电致动材料单
独提供在每个探针上以使得探针能够朝向或远离样本14而弯曲。在另一 替选方式中，可通过在每个探针上提供双层(或更多层)的条带来实现各 个探针的选择以及由此各个探针朝向或远离样本的移动。每层由具有不同
膨胀系数的材料制成。这样，条带在受热时弯曲，这将移动探针。这些层 可以是金属、硅或氮化硅，或呈现不同膨胀系数特性的其它材料。硅或氮化硅的优点在于它们是用于探针制造的通用材料，因此探针自身可形成一
层条带。每个双层条带可借助连接到局部电连接装置36的电阻加热器被单独加热，或者可以例如借助来自激光器的光被i^巨离加热，在这种情况下可省略电连接装置36。
为了清ft^见，在图2、图3和图5中仅示出少量的探针32,在实践中，可设想每个多探针坯31可以具有更多的探针。例如，各个探针可彼此分开从小到几微米直到几十微米，或更大距离。这使得能够在5cm的探针坯的单个边缘上提供数百个探针。如图3所示，每个探针玆可包括多个边缘，从而进一步增加提供在每个探针坯上的探针的总数。
对于每个探针坯31， 一旦一个探针磨损或损坏，显M置仅需要重新对准到同一探针坯上的第二^4f以i更继续扫描。此外，显微装置的重新对准所消耗的时间可保持为最小，这是由于探针坯上的每个探针具有与所有其它探针的已知空间关系。这另外意味着显微装置的重新对准可被自动进行。例如，显微装置的检测系统可用于对准同一探针坯上的替代探针。替选地，可结合模式识别程序来使用探针的光学成像，以使检测系统与新选中的探针自动对准。在又一实施例中，探针坯的每个探针可被分配唯一的识别码以及所存储的探针相对于同 一探针坯上的其它探针的空间位置。这使得能够对显微装置的检测系统与同一探针坯上的新探针的对准以及通过将选中的探针连接到电源来选择新的探针进行计算机化控制。此外，在探针彼此替换的顺序是预定的情况下，可以进4亍自动化的重新对准而无需各个探针识别码。
还应该注意，探针坯31可包括多个不同类型的探针，所述不同类型的探针可被单独选择并使得能够进行不同类型的样本分析而无需在扫描当中移除或替换探针座。例如，可孩:供在单个探针坯上的不同类型的探针为 一般具有低弹性常数(例如<2N/m)的接触模式探针;一般具有较高弹性常数(例如>10N/m， 一般是40N/m，有时更高)的动态模式探针；具有硬化涂层比如钻石的纳米光刻探针；以及具有特定用于3D成像的凹形末端的探针。在一些情况下，在单个基仗33上制造不同类型的探针是困难的。在这些情况下，探针可被提供在各个^Ji，然后各个141被安装到共有托架上，如图3所示。
具体而言，探针坯31可以包括可被单独选择的多个具有不同纵横比的探针和/或具有不同锐利度的探针。纵横比和锐利度是探针的通常令人困惑的不同特征，因此有必要说明区别。探针的锐利度由探针末端的尖端的曲率半径限定。曲率半径越小，探针末端越锐利。另一方面，纵横比是探针末端的长度相对其基座的宽度的比率。也就是说，纵横比是在探针到
其末端的尖端逐渐变细时对梯度的测量。标准的探针一般具有纵橫比<5:1的末端；高纵横比探针一般具有纵橫比>10:1的末端。高纵横比探针更适合对样本表面的内部结构成像。更锐利的末端提供改进的分辨率。
因此，利用具有多个不同类型探针的探针坯，可以对样本区域执行初始的高速检查以便识别感兴趣的位置，然后对识别出的位置执行较慢的、更精细的或补充的扫描，而无需改变探针坯。这是特别有利的，因为利用常规的扫描显微装置，在识别出样本位置的初始扫描之后，^J^利用不同的探针准确地返回到样本位置。另夕卜，与采用本发明的探针坯相比，常规的扫描显微方法是非常费时的。
使用多探针配置以提供不同特征的扫描的应用在半导体工业中特别有益。在对半导体晶片进行评估的情况下， 一旦利用标准的探针末端定位出感兴趣的区域，就可以从同一探针坯中选出更锐利的探针末端来对感兴趣的位置执行较慢的扫描，以提供该选中区域的更详细图像。替选地，可利用具有高纵横比和/或凹形的探针末端来重新扫描感兴趣的区域。更锐利的探针提供对表面的WI程度的更高分辨率的测量，而高纵横比的探针末端可t、晶片表面中的孔和沟槽中。
替选地，利用探针坯，可以在探针坯上的各个探针之间切换，所述各个探针已被优化用于接触操作模式或动态操作模式。也可以在用于对样本表面成像的探针和用于对该同 一表面进行纳米光刻的探针之间进行切换，而无需更换探针坯。
下面将会清楚，上述的探针坯与它的可单独选择的探针一起使得安装替选的探针或替换损坏的、污染的或磨损的探针所需的时间能够被最小化。利用本发明的探针坯，只需JH吏检测系统与同一^4f坯上的新^4j"重新对准，而不是^针的手动或自动移除或替换。此外，对于替换磨损探针的常规方法，相对于旧探针的位置，产生新探针相对于样本表面的位置的不确定性。然而，由于探针坯上的每个探针的相对位置是已知的，可避免样本位置的这种不确定性。
图5a、 5b、 5c以及5d示出探针坯的设计的替选实施例60。探针坯60具有可安M—体^L 61上(图5b和图5d)的多个单独探针32。基板61安装在托架(未示出)上，托架为全部探针所共有，并包括如前所述的安装装置。替选地，托架可被省略而一体基板可被调整用于附连到探针座。由于各个探针32被安装在共有的一体基&61上，因此在制造期间每个探针相对于彼此的空间位置被非常准确地控制。
基板61包括寻址装置62，寻址装置62在该实施例中是电连接装置的形式，所述电连接装置为每个探针32提供到外部电源(未示出)的单独连接装置。每个电源连接装置62可单独连接到外部电源，或者，对于大量探针，各个电源连接装置62可以有选择地与多路复用器63连通，多路复用器63适于选择性地将各个电源连接装置62连接到外部电源。尽管每个探针32具有相应的电连接装置62,然而探针的末端与连接装置62相隔离以保证末端—样本表面相互作用不受影响。
不考虑用于优先于另 一个探针而选择一个探针的选择机制，选择过程自身也可被改变。例如，可响应于第一选择信号而部分地偏转一排探针，然后通过第二选择信号进一步偏转该排中的特定探针。替选地，可响应于
第一信号、通过部分偏转来选择第一子组^:针，并响应于第二信号、通过
部分偏转来选择第二子组。如果仅有一个探针为两个子组所共有，则该探针将是唯一一个被完全偏转的探针，因此被选中以探测样本。
虽然在图5b中沿着基板61的外边缘安装探针32，但是可以看到在图5d的情况下，基fel61可以包括一个或更多个槽64 (在图5d中仅示出一个槽)，沿着槽的内边缘安装探针32。这在涉及大量探针的情况下特别有用。理想情况下，探针32相对于基板61和相对于彼此以预定空间位置被布置。当然，槽可以是任何形状并仅需要提供内边缘，单独的探针安装在内边缘上。
对于前述实施例，尽管图5a、 5b、 5c以及5d的探针坯60—fcl矩形的，但是应该理解^jfeSL 61可以是适合安装在显微镜上的任何形状。类似地，用于将探针坯附连到显微镜的装置可以是任何常规装置，并且电连接装置62的构造不是要被限制于il^示出的构造。
探针坯60起到用于局部探测仪器的各个探针32的贮藏器的作用。这不是要同时使用探针坯60上的所有探针。相反，借助寻址装置36来选择探针坯上的探针32，以便单独或成批使用。对于所有的实施例，通过降低选中的探针以便使所述探针接触或接近样本表面，或通过提升所有未选中的探针，来执行选择。因此，当没有探针被选中时，每个探针的探针末端位于共有平面中。当探针中的一个或更多个探##:选中时，使选中的探
面在半导体产业中需要检查半导体晶片的缺陷。在该应用中，可使用具有已知间距的成对探针，以使得显桷t镜能够同时扫描同一晶片的两个不同区域。因此，由于单个晶片上具有很多相同的特征，探针对可以被选择为使得其对同 一晶片上的两个单独位置的相同设备特征单独成像。在两个探针的测量结果之间发现的任何差别，包括在表面高度方面差别，允许有效的缺陷定位和/或分类。
当然，应当清楚在4吏用两个或更多探针的情况下，可以顺序地或同时采集图像。在将执行同时图像采集的情况下，可为每个探针提供相应的检测系统。替选地，可使用单个检测系统，在这种情况下，通it^探针扫描和图像数据的适当同步，探针之一的各个高度测量结果可与由第二探针记录的测量结果和由探针控制器(未示出)提取的图像相交错。两个图像的同时采集是特别有利的，这是由于两个探针高度测量都经受相同的噪声，因此在对两个探针的真实高度测量结果进行的任何比较分析中，噪声被抵
消。由于高的环境噪声和振动，这在显樹:镜用于半导体晶片产品线上的情况下特别适宜。
在图5b和图5d所示的探针坯的情况下，在制造时预定各个探针32的间距。然而在图5a和图5c所示的探针坯的情况下，探针的间距能够借助可调整隔离器65来调整。可调整隔离器65优选地包括才艮据所施加的电压而膨胀或收缩的压电材料。因此，在图5a的情况下，第二探针坯61，经由可变隔离器65连接到第一探针坯61。因此两个探针坯61、 61，的间距可被调整，由此第一探针坯61上的探针和笫二探针坯61，上的探针之间的间距可以类似地被调整。对于图5c中的探针组件的实施例，两个分开的探针坯上的各个探针彼此面对，它们的末端至少部分交叠。第一探针坯61永久地附连到托架杆66而第二^:针坯61，借助可调整隔离器65而附连到同一托架杆66。在这里，也可通过对可调整隔离器65的厚度进行调整来改变两个探针坯中每个^针坯上的相应探针的间距70。
对于图5a和5c所示的探针组件，例如可以调整探针的间距以适应半导体晶片上的不同特征重复。此外，尽管未示出，可提供比如附加隔离器的装置以使得能够在基本上与晶片或样本表面平行的平面中的一个或两个维度上调整探针间距。
对于图5d所示的探针坯60上的探针32的布置，每对相对的探州即，在槽64的相对边缘上的探针)处于互补的角度，即，它们相对子样本台的角度之和是180。。前面已结合图3描述了这样的效果。如前面所述地实现探针选择。用于选择单个探针的机制和方法同样适 用于选择用于同时扫描的一对探针。
探针坯可用于具有谐振扫描仪的显微镜，而不是常规的AFM。在这 种情况下，^^针坯将被安^t谐振器比如一股音叉上。
替选地，探针坯31可与WO 2005/008679中描述的探针显微镜一起 使用，该文献的内容通过引用结合于此。对于特别高速的探针显微镜，探 针16被选择为具有低的弹性常数(例如小于1 Nm1 )并具有聚合物涂层， 所述聚合物涂层被施加到探针的悬臂18的一侧或两侧，这保证探针16 具有低的Q因子。优选的涂层是具有低交联密度的橡胶，交联密度的程 度刚好足以保持涂层的一致性。交联可以是化学的(如在常,胶中)或 物理的(如在热塑性弹性体中)。替选地，可通过其它方法例如电控制来 控制探针的Q因子，在这种情况下样本和探针位于密闭的粘性环境中。 由于探针暴露于液态环境可以充分保证所需的低Q因子，因此聚合物涂 层可被省略。
应注意，上述装置仅说明了本发明对快速扫描4支术的适用性。当然应 该理解，如前所述，本发明的显微探针同样可适用于较慢扫描方法以及多 种不同的扫描探针显微镜。
在使用该探针显微镜采集图像时，提供独立于偏转的偏置力，其将探 针末端和样4^L此相向地推进。所述偏置力可由施加在样本和探针之间的 静电势产生，并且该电势可以是用于选择探针坯中的一个或更多个探针的 同一电势。当然可通过其它手段(例如，在适当的情况下为压力梯度或磁 性方法)产生偏置力。
可通过许多不同的方法来测量探针偏转，这些方法包括但不限于光杠 杆技术、干涉测量法和压电涂覆的探针、以及受热探针的辐射输出的热变 化检测。此外，尽管优选使用用于控制探针或样本盘移动的压电致动器， 但是可以设想涉及例如控制杆或音團的热膨胀的其它致动器。
探针坯也可用于被设计为监测探针与样本之间的其它相互作用的探 针显微装置中。其它相互作用的示例可包括光学的、电容性的、电磁的、 磁性的、电的、侧向的、剪切力或热的相互作用。
权利要求
1.一种用于在扫描探针显微镜中使用的探针组件，所述探针组件包括具有第一组至少三个探针的托架，每个探针具有末端，所述末端位于该组探针末端所共有的平面上并且能够移动离开该平面，其特征在于，所述探针基本相同，并且所述组件还包括寻址装置，所述寻址装置适于选择所述组探针中的一个探针以用于相对于所述探针中的大多数其余探针的相对移动。
2. 根据权利要求1所述的探针组件，其中，所述托架还包括第二组 至少三个基^目同的^4t。
3. 根据权利要求2所述的探针组件，其中，所述寻址装置被布置为 从所述第 一组中选择一个探针和/或从所述第二组中选择一个揮:针。
4. 根据权利要求2或3所述的探针组件，其中，所述第二组中的探 针与所述第 一组中的探针相比是不同类型的探针.
5. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述寻址装置包 括到每个探针的相应电连接装置。
6. 根据权利要求5所述的探针组件，其中，所W目应电连接装置包 括用于在所述探针和i^巨离电极之间施加电势的装置。
7. 根据权利要求5所迷的探针組件，其中，每个探针包括弹性支撑 梁，所述寻址装置还包括与所勤目应电连接装置相连以便使所述支撑梁弯 曲的压电材料。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的探针组件，其中，每个探针 包括弹性支撑梁，所述寻址装置包括施加到所述支撑梁的至少一个附加 层，所述附加层由与所述支撑梁的材料不同的材料形成，由此形成多层结 构，所述多层结构包括具有不同热膨胀率的至少两层。
9. 根据权利要求8所述的探针组件，其中，通it^目应的电阻加热器 或远距离光源来加热所述多层材料。
10. 根据任一前a利要求所述的探针组件，还包括一体^，在所述一体M上提供所述探针，所述一体a安装在所i^托架上。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的探针组件，其中，所述探针 中的每个探针具有相应的基敗，所述探针通过所W目应的^1安装到所述Jl。
12. 根据任一前a利要求所述的探针组件，其中，所述组至少三个 探针是从以下一组探针类型中选择的类型的探针接触模式探针；动态模 式探针；纳米光刻探针；适于电容测量的探针；响应于局部磁场和/或电 场的探针；适于光近场显微术的探针；标准纵横比探针；高纵横比探针； 具有不同的末端半径的^针。
13. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述探针中的至 少一个探针具有100 nm或更小的末端曲率半径。
14. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述探针中的至 少一个探针具有小于2 NnT1的弹性常数。
15. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述探，布置 为彼此基本平行。
16. 根据权利要求15所述的探针组件，其中，所述托架具有限定延 伸贯穿所述托架的至少一个槽的内边缘，并且其中沿着一个或更多个所述 内边缘安装所述探针。
17. 根据权利要求16所述的探针组件，其中，在所述探针支架的相 应的相对内边缘上提供至少 一个第 一探针和至少 一个第二探针。
18. 根据权利要求17所述的探针组件，其中，所述至少一个第一探 针和至少一个第二探针彼此交叠，使得它们的末端被布置排成一行。
19. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述托架还包括 用于将所述托架附连到显^t镜上的座的装置。
20. 根据权利要求19所述的探针组件，其中，所述用于附连的装置 包括用于存储每个探针的信息的装置。
21. 根据权利要求19或20所述的探针组件，其中，所述用于附连的 装置包括用于选择探针的多路复用器。
22. 根据任一前述权利要求所述的探针组件，其中，所述探针末端基 本均匀地分布在所述共有平面内。
23. 根据权利要求1至21中任一项所述的探针组件，其中，与所述 探针中的其余探针相比，至少两个探针在所述共有平面内被不同地间隔 开。
24. 根据权利要求1至21中任一项所述的探针组件，其中，至少两 个探针具有在所述共有平面内能够调整的间距。
25. 根据权利要求22或23所述的探针组件，其中，在第一探针支架 上提供探针，在第二探针支架上提供第二探针，并且其中在所述第一和第 二探针的末端之间的间距是固定的。
26. 根据权利要求24所述的探针组件，其中，在第一探针支架上提 供第一朝淋针，在第二探针支架上提供第二湘淋针，并且其中所述第一和 第二排探针的末端之间的间距是能够调整的。
27. 根据权利要求26所述的探针组件，其中，所述笫一和第二探针 支架中的至少一个探针支架包括用于改变所述两个探针支架的相对位置 的可调整隔离器。
28. 根据权利要求26或27所述的探针组件，其中，在相应的第一和 第二探针支架的相应的相对边缘上提供至少 一个第 一探针排和至少 一个 第二探针排。
29. 根据权利要求28所述的探针组件，其中，所述笫一和第二探针 排彼此交叠，使得所述探针末端被排列成一行。
30. 根据权利要求29所述的探针组件，其中，每个探针排位于与其 它探针排共有的平面上，探针排中的每个探针末端位于与所述探针排中的 其余探针末端共有的平面上，每个探针排具有相应的寻址装置。
31. 根据权利要求30所述的探针组件，其中，所述寻址装置适于选 择至少一个探针排以用于相对于所述探针中的不在所选探针排中的其余 探针中的大多数探针的相对移动，并且还适于从所选探针排中选择所述探 针之一以用于相对于所述探针中的在所述探针排中的其余探针中的大多 数探针的相对移动，所选探针是在所选探针排中被移动为距与不在所选探 针排中的其余探针中的大多数探针最远的探针。
32. 根据任一前i^5L利要求所述的探针组件，其中，所述共有平面基 本平行于样本台。
33. —种扫描探针显微装置，包括样本台；座；检测系统以及根据 权利要求1至32中任一项的探针组件，所述探针组件附连到所述座。
34. 根据权利要求33所述的扫描探针显微装置，其中，所述显微镜 还包括用于将选中的探针与所述检测系统对准的装置。
35. —种利用具有样本盘和检测系统的扫描探针显微镜来研究样本表 面的方法，所述方法包括以下步骤将样本安装在所述扫描探针显微镜的样本盘上；将根据权利要求1至32中任一项的探针组件安装在所述扫描探针显 微镜中；对一个或更多个^4i"进行寻址，以使寻址到的探针的探针末端相对于 所述探针中的其余探针移动到所述共有平面之外，由此选择一个或更多个 用于扫描所述样本表面的探针；将选中的探针定位在所述样本表面之上；将所述扫描探针显微镜的检测系统与所述一个或更多个选中的探针 对准；产生在所述一个或更多个选中探针与所述样本表面之间的相对移动；以及利用所述检测系统监测所述一个或更多个探针对其与所述样本的相 互作用的响应。
36. —种根据权利要求35所述的方法，还包括以下步骤 对第二批一个或更多个探针寻址，以使寻址到的探针的探针末端相对于所述探针中的其余^:针移动到所述共有平面之外，由此选择一个或更多个用于扫描所述样本表面的探针；将所述第二批选中的探针定位在所述样本表面之上；将所述扫描探针显微镜的检测系统与所述第二批选中的探针对准；产生在所述第二批选中探针和所述样本表面之间的相对移动；以及利用所述检测系统监测所述一个或更多个探针对其与所述样本的相 互作用的响应。
37. 根据权利要求36所述的方法，其中，所述对准所述检测系统的 步骤被自动执行。
全文摘要
本发明公开了一种用于扫描探针显微镜中的探针组件。所述探针组件包括具有一组至少三个基本相同的探针的托架，每个探针具有位于该组探针末端所共有的平面上、并且可移动离开该平面的末端。所述组件还包括寻址装置，该寻址装置适于选择该组探针中的一个探针以用于相对于探针中的大多数其余探针的相对移动。这样的组件具有便于快速地、可能自动地替换使用过的探针的潜力，适合用于高速扫描设备中。
文档编号G01N13/10GK101601100SQ200780045194
公开日2009年12月9日 申请日期2007年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者大卫·卡托, 安德鲁·汉弗里斯 申请人:因菲尼泰西马有限公司