专利名称:快速扫描的扫描探针显微镜以及对其进行操作的方法
技术领域：
本发明涉及扫描探针显微镜(SPM)，更具体而言，涉及能够以高采集速率来采集高质量图像的SPM以及对这种SPM进行操作的方法。
背景技术：
扫描探针显微镜(SPM)，比如原子力显微镜(AFM)等，是通常使用针尖以及较低的针尖-样品的相互作用力来表征小至原子尺寸的样品的表面的设备。一般来说，SPM包括具有针尖的探针，该针尖被引至样品的表面以探测样品特性的改变。通过在针尖与样品之间提供相对的扫描移动，能够在样品的特定区域上采集特性数据并能够生成样品相应的图。
原子力显微镜(AFM)是一种很常见类型的SPM。图1中示意性地示出了典型的 AFM0 AFM 10采用具有悬臂14和针尖16的探针12。扫描器M在针尖-样品的相互作用被监测的同时生成探针12与样品22之间的相对运动。以此方式，可获得样品的图像或其它测量。扫描器M通常包括一般生成在三个正交方向(XYZ)上的运动的一个或更多个致动器。扫描器M可以是使样品或探针在全部的三个轴上移动的比如压电管致动器的单个集成单元。在示出的实例中其使探针12移动。或者，扫描器可以是多个单独致动器的组合。有的AFM将扫描器分成多个部件，例如使样品移动的xy致动器以及使探针移动的单独的ζ-致动器。探针12常常被连接到用于以或以接近于悬臂14的共振频率来驱动探针12 的振动致动器或驱动器15。有多种可选方案测量悬臂14的偏转、扭转或其它的运动。探针 12常常由具有集成针尖16的微加工悬臂14形成。
如果针对操作的振动模式来配置AFM，则从在探针-样品的相互作用的控制下的交流(AC)信号源18施加的电子信号通常由控制器20通过力控制反馈对其进行控制。通过将感测光束从感测光源(比如激光器等，未示出)射向悬臂14的背面来监测悬臂14的运动。光束随后被反映给探测器26(比如四象限光电探测器等)。随着光束穿过探测器沈， 适当的信号被传输给控制器20，该控制器20对所述信号进行处理以确定探针14的振动上的变化。
控制器20生成控制信号以维持针尖16与样品之间相对恒定的相互作用或者悬臂 14恒定的偏转。测量涉及在反馈下控制扫描器M使样品或探针(本实例中的探针12)与样品22的表面相对垂直地上下移动。控制扫描器M通过引起在至少大致上平行于样品22 的表面的“x-y”平面内的相对的针尖-样品的移动来执行扫描操作。(注意，因为许多样品具有偏离平坦平面的粗糙部分、弯曲部分和倾斜部分，所以使用了用语“大致上平行”。这里也可以使用用语“平行”且应当将其解释成同样意指“大致上平行”。)扫描通常采取光栅扫描的形式，在所述光栅扫描中沿在y方向上紧密排列的χ方向上的线获取数据。χ方向上的线的最大长度被称作“扫描范围”。以此方式，与这种竖直运动相关联的数据可被存储并随后被用来构造与正在测量的样品特性(例如表面形貌)对应的样品表面的图像。
所测量的针尖-样品的相互作用的特性将会部分地取决于AFM的预设的操作模式。即，AFM可被设计成在包括接触模式和振动模式的多种模式下进行操作。在接触模式下，将探针12降低到与样品22相互作用，监测悬臂偏转或相关的特性并将其控制至设定值。在振动模式(比如叫做“轻敲模式”(TappingModeTMCTappingMode 是为本受让人所有的商标))的常见模式等)下，探针振动器15以或以接近于悬臂14的共振频率经由AC信号源18来振动探针。力控制环路试图维持此振动的振幅在期望的设定值，以使“针压”(即， 针尖/样品的相互作用所引起的力)最小化。(有多种可选的反馈方案保持相位和/或振动频率或者它们的组合恒定。如在接触模式中，这些反馈信号随后被收集、存储并被用作表征样品的数据。)
无论AFM的操作模式如何，通过使用压电扫描器、光杠杆偏转探测器和用光刻技术制造的非常小的悬臂，AFM能够在空气、液体或真空中在很多种绝缘的或导电的表面上获得低至原子级的分辨率。由于AFM的分辨率和多功能性，在从半导体制造到生物学研究的许多领域中AFM都是重要的测量设备。
最广泛采用的商用SPM通常需要几分钟的总扫描时间来以高分辨率(例如 512X512像素)、低针压和高图像质量覆盖几平方微米的面积。一般来说，SPM扫描速度的实际限制是如下所述的最大速度的结果SPM能够在被以该速度扫描的同时维持足够低而不会对针尖和/或样品造成损伤或者至少将对针尖和/或样品的损伤限制在可接受的水平的针压。
如今很多组织都进行了对高速SPM的研发，所述组织包括例如，加利福尼亚大学的Paul Hansma、金泽大学的iToshio Ando、布里斯托尔大学的Mervyn Miles、莱顿大学的 Frenken Group等研究小组以及比如Olympus和hfinitesima等商业公司。
要获得高质量、高速度的AFM图像需要AFM的每个及各个主要的子系统都具有出色的性能。正如链条的强度是由最弱的链决定的，高速AFM的性能常常由其最弱或最慢的子系统决定。不能提供必要的范围、速度、带宽、回转速率、线性等的AFM子系统将会导致整个系统的性能下降和/或图像质量上无法接受的缺陷。尽管有一些良好的进展，但早期的 SPM系统尚未获得为广泛实现可应用的高速AFM所需要的成套可同时存在的性能量度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种能够对任意特性的较大样品进行快速扫描以获得高质量高分辨率的图像的方法。该方法包括在SPM的探针与样品之间产生相对扫描移动，以按至少30行/秒的速率将探针扫描通过至少4微米的扫描范围；以及用至少1毫米/秒(mm/sec)的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。
为了使噪声对所采集的信号的影响最小化，采取了一些手段以相比于在等于约七倍的扫描频率的扫描带宽内的位置传感器所呈现的噪声，减小致动器位置的噪声。这些手段优选地在所有三个主要方向上采取前馈控制和反馈控制的组合。前馈控制可以包括使用反演控制算法，该反演控制算法使用与致动器相关联的传递函数。[0016]可以使用根据本发明配置的SPM扫描很多种导电的或非导电的样品，包括图案化的晶片、生物学样品、聚合物、薄膜以及数据存储装置部件。本发明实施例可以扫描RMS粗糙度大于5nm的样品、扫描长宽比> 5 1的样品以及扫描具有高度上大于50nm的很陡峭的阶状结构的高度波浪状的样品，比如沟槽和通孔等。
可以在力反馈下进行扫描，以防止或减小针尖或样品的磨损或损伤。
为了有利于此方法的性能，SPM可以具有具有高的基本共振频率的相对较刚性、 重量相对较轻的针尖扫描器。该针尖扫描器具有大于5kHz、优选地大于7kHz以及更优选地大于IOkHz的最低基本共振频率。它优选地与致动器可或不可移动的光学物镜(最优选为扫描物镜)相结合。该物镜将感测或照明光聚焦在SPM的探针上。物镜在扫描头内可以竖直移动，以扩大激光器或其它感测光源的聚焦范围，从而允许使用具有相应高的共振频率的相对高的悬臂。可移动的物镜还允许将照明光聚焦在明显分开的物体上，比如探针和远在探针下的样品。物镜还可以是在x_y平面中随扫描器移动的“跟踪物镜”，以允许感测光束的聚焦点在扫描过程中至少大体上跟随探针的扫描运动。可提供光学系统，以允许以一个整体的形式对集成光学显微镜的照明光束以及感测光束进行摇摄。此摇摄允许在对聚焦的照明光束的直接或间接视觉观察下在悬臂上对聚焦的感测光束进行对准或瞄准。此对准或瞄准允许使用具有相应较小的共振频率的更加小的悬臂。
探针可以包括具有集成针尖的高带宽微加工悬臂。可以使用电化学蚀刻进行微加工以限定悬臂长度。探针可具有大于30kHz的力探测带宽，在振动模式下被启动时施加到样品的力小于10纳牛(nN)，并具有约10 μ s的阶跃响应时间。
根据本发明的另一方面，提供了一种SPM，包括探针；按至少30行/秒的速率、在至少4 μ m的扫描范围上在探针与样品之间产生相对运动的扫描器；以及在闭环反馈下控制探针/样品的相互作用的力控制器，该力控制器具有至少5kHz的力控制带宽。力反馈控制器可以通过组合ζ致动器、控制器以及探测器来形成。
通过以下的详细描述和附图，本发明的这些及其它特征和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而应当理解，虽然指出了本发明的优选实施例，但这些详细描述和具体实例是以示例性而非限制性的方式给出的。在不脱离本发明精神的情况下，可在本发明的范围内做出多种改变和修改，且本发明包括所有这样的修改。
附图中图示了本发明的优选示例性实施例，其中，相同的附图标记始终代表相同的部分，以及其中
图1示意性地图示了现有技术的AFM并适当地标注了现有技术；
图2示意性地图示了本发明的AFM的实施例的简化概念图；
图3A是通过适当地标注为“现有技术”的现有技术的AFM所获得的示例性图像；
图!3B-3G是通过根据本发明构造的AFM的实施例所获得的示例性图像。
图4A和图4B是图示了 AFM的z_致动器的回转速率的图。
图5A和图5B示意性地图示了本发明的AFM的实施例的高带宽z_致动器的简化图；
图6A-6C是图示了图5A和图5B的z_致动器的响应特性的图。[0030]图7示意性地图示了本发明的AFM的实施例的物镜透镜和高带宽ζ-致动器的简化图；
图8示意性地图示了根据本发明优选实施例构造的SPM扫描头的一部分；
图9是图示了图8中图示的ζ-致动器的响应的图；
图10示意性地图示了根据本发明另一优选实施例构造的SPM扫描头的一部分；
图11是可用于本发明优选实施例的SPM扫描头的透视图；
图12示意性地图示了图11的扫描头的针尖扫描器；
图13是图11的扫描头的立剖图；
图14是包括x-y致动器和物镜和相关联的支撑结构的图11和图13的扫描头的一部分的顶部平面图；
图15是图11和图13的扫描头的物镜的立剖图；
图16是根据本发明实施例的SPM系统的一部分(包括扫描控制系统)的简化示意图；
图17是根据本发明实施例的SPM系统的一部分(包括力/ζ-轴控制系统)的简化示意图；
图18A-18G示意性地图示了用于生产可用于本发明优选实施例的微加工悬臂的过程；
图19Α和图19Β分别是使用图19Α-20Ε中示意性地图示出的过程生产的悬臂的底部平面图和侧视图；
图20Α和图20Β分别是本发明优选实施例中使用的悬臂和现有技术的悬臂的力响应曲线；
图21是可用于监测图12-15的针尖扫描器的操作的应变式传感器装置的透视图；
图22Α和22Β是图21的应变式传感器装置的一部分的顶部平面图；
图23是包括图21的应变式传感器装置的针尖扫描器的一部分的透视图并图示了被用来在各种应变计与读出电子部件之间提供电连接的弹性电缆设备；以及
图M示意性地图示了可用于本发明优选实施例的前馈-反馈控制环路的部件。
具体实施方式
如以上“
发明内容
”部分所讨论的，本发明涉及快速反应型扫描探针显微镜(SPM) (比如原子力显微镜(AFM)等)并涉及其操作方法。优选的SPM具有在以较高速度扫描较大样品的同时还能获得高质量图像的能力。
现在将对实现了这些以及许多其它的目标的、AFM形式的SPM的优选实施例进行描述，理解的是，可以提供落在本发明范围的AFM和其它SPM。
1.系统概述
相比于现有技术的AFM，这里图示和描述的优选AFM包含多个改进的部件，即
·能够以达到IOOkHz的带宽进行操作的力控制环路(第2部分)；
·具有高的基本共振频率且具有便于探针瞄准和跟踪的集成光学系统的针尖扫描器(见下面的第3部分)。[0054]·支持对较大样品进行高速扫描的AFM系统架构(见下面的第4部分)；
·高带宽探针(见下面的第5部分)；
监测针尖扫描器的致动器的操作以允许对扫描器的所有致动器的精确反馈控制的小型应变式传感器(见下面的第6部分)；以及
采用前馈反馈控制以获得无正弦失真或者无需对正弦失真进行校正的线性图像的扫描控制器(见下面的第7部分)。
如之前所提到的，现有的SPM受到参数的限制，这些参数包括它们的xy和ζ范围、 它们的力控制带宽和回转速率以及xy扫描速度。现在将描述相比于现有的AFM，本发明的创新是如何实现突破性的性能的。将首先参照简化概念图来描述关键部件，然后转到对关键部件的更详细的描述。
参照图2，使用高共振扫描器224、相对于样品112对高带宽AFM探针215进行扫描。高带宽探针215通常包括悬臂216以及安装在悬臂216的自由端部上的针尖218。可替选地，高带宽探针215可以包括用于支撑针尖的膜或者允许探针的一部分弯曲或伸缩以允许针尖218的运动的任意复杂的几何形状。高带宽探针215的悬臂216(或者其它针尖支撑部件)具有优选地大于IOkHz和更优选地大于50kHz的响应带宽。高带宽扫描器2 移动探针215以在针尖218与样品112之间产生相对运动。在这种方案中，由于扫描器2M 的动态特性不受样品尺寸和重量的影响，所以系统能够对甚至较大和/或较重的样品进行扫描。扫描器2M具有优选地大于5kHz且更优选地大于IOkHz的加载的基本共振频率，并可以被用来以大于30行/秒、更优选地大于100行/秒和最优选地大于1000行/秒的扫描速率来产生扫描运动。扫描控制器82生成控制信号以允许针尖扫描器2M的高速运动。在示例出的实施例中，扫描器2M对探针215进行扫描，但通过物理扫描样品而非探针，或者通过物理扫描样品和探针，也能够获得本说明书中所描述的快速扫描优点中的许多优点。
可以振动探针针尖218以用于TappingMode 、非接触模式、扭转共振模式 (TR-Mode )、扭转谐振模式、(Harmonix )和/或其它的振动针尖模式。在此情况下，通常以或者以接近于悬臂216(或另一针尖支撑部件，比如膜)的共振来振动针尖。这种悬臂或膜或类似的针尖支撑部件具有优选地大于800kHz、更优选地大于IMHz和更加优选地大于 5MHz的共振频率。可替选地，可以按接触模式操作探针针尖218。
探针针尖218与样品112的表面的相互作用导致探针针尖218的运动上的改变。 可以通过多种技术(包括公知的光杠杆技术)，通过光学干涉仪、多普勒测振仪，或者通过电容式、压电式或压阻式探测来探测该运动。也可采用产生表示探针的运动和/或位置的信号的其它技术。在光学探测技术的情况下，光束穿过扫描透镜264和266并随后被悬臂反映或在悬臂处散射开并且被探测器230接收到。扫描器2M可移动扫描透镜264和沈6， 以使得它们的运动与针尖的运动同步。以此方式，透镜所产生的聚焦点跟踪移动的悬臂。探测器230具有足以探测探针针尖218的运动的带宽。通常，这意味着，探测器具有大于探针针尖218的振动频率的带宽，和/或具有高于在样品上对针尖进行扫描时作为针尖-样品的相互作用的结果而探测到的运动的频率的带宽。
高带宽/高回转速率的力控制器408被用来使针尖-表面的相互作用最小化或者对针尖-表面的相互作用进行控制。在这些高扫描速度的过程中，常常采用力控制器使针尖和样品的损伤最小化。力控制器还可被用来使AFM维持在特定的相互作用级别和/或特定的针尖-样品的距离。力控制器408向用于对相对的针尖-样品的距离进行调节的高带宽/高回转速率致动器2 发送控制信号。力控制器408具有优选大于10kHz、更优选地大于50kHz、最优选地大于IOOkHz的闭环力控制带宽。此外，力控制器408连同ζ-致动器226 具有优选地大于lmm/sec、更优选地大于4mm/sec和最优选地大于7mm/sec的回转速率。
表1中概括了根据本发明构造的系统的优选性能特性
表1.关键的品质参数
优选的性能更优选的性能最优选的性能XY扫描范围> 4um> IOum> 20umXY扫描器基本共振> 5kHz> 7kHz> IOkHzXY扫描速率> 30行/秒> 100行/秒> 1000行/秒力控制带宽> IOkHz> 50kHz> IOOkHz力控制回转速率lmm/sec4mm/sec7mm/secAFM探针带宽> IOkHz> 20kHz> 50kHz悬臂共振频率> 800kHz> IMHz> 5MHz
就掌握的来看，没有任何现有技术的SPM获得包括即使是第一列即“优选的性能” 列的性能特性组合。然而，发明人使用本说明书中所描述的技术已获得了超过“更优选的性能”列的性能特性组合。此外，发明人已设计出并成功测试了达到“最优选的性能”列的性能的子系统。相信本文中所提供的信息已然实现了构造获得“最优选的性能”列中所列出的特性的系统。性能特性的这些组合实现了扫描速度、扫描范围、图像质量和力控制的前所未有的组合。下面将对各种子系统另外的突破性的性能进行描述。
发明人已经使用本文中所描述的AFM获得了具有特别好的结果的各种样品的高质量AFM图像。图!3B-3G示出了在本发明的一个实施例上得到的一些代表性的图像。图3A 和图:3B示出了对使用传统AFM(图3A)和使用根据本发明构造的高速AFM(图3B)所得到的共聚物样品的轻敲模式相图(使用例如美国专利No. RE36488中所描述的技术采集的) 的比较。两个图像都是在以79行/秒进行扫描时获得的。传统AFM通常以低于每秒若干行的速率来测量这些样品。从图3A注意到，当以高速使用传统AFM时，来自其的图像呈现出许多力控制差的伪影(白点和条纹，(用“PQ”标注出了一个例子))以及分辨率和对比度的损失。对比之下图3G的高速AFM图像呈现出非常清楚的高分辨率图像。
图3C和3E分别示出了 C6tlH122的有机单分子层、钛薄膜以及多晶硅膜的示例性的高速图像。这些图像中的每个图像都是从按大于30行/秒的速度的扫描获得的。这些样品被选择来测试对样品(在柔性有机单分子层的情况下)和针尖(在钛和多晶硅膜的情况下)的损伤。在延长的时间段内、用本发明的AFM的优选实施例，所有的样品均可以被成像而对针尖和/或样品没有明显的损伤。
图3F和图3G示出了 Celgard 聚合物膜的图像。图3F示出了用4000X4000
的像素分辨率按60行/秒成像的4um的区域。以约1行/秒的传统扫描速度，采集此图像将会需要1小时以上。以60行/秒，采集3F中的图像只需要1分钟以上。图3G示出了按 488行/秒采集的Celgard样品的图像。
以下部分将对实现上述性能所需要的关键改进中的一些进行概述。
2.力控制
悬臂探针、力控制器和ζ致动器一起形成力控制环路的一部分。(力控制环路还可以包含连接这些主要部件的光学的、光电的、模拟的和/或电子的多种变型。)如之前所提到的，AFM或其它SPM的扫描速度的实际限制是如下所述的最大速度的结果SPM能够在被以该速度扫描的同时维持足够低而使得对针尖和/或样品的损伤最小或者无损伤的针压。 使用力控制环路来调节AFM探针的相对位置，以跟踪样品表面的变化并试图将针尖-样品的相互作用力维持在可接受的损伤阈值以下。力控制环路的性能部分由三个关键的品质参数决定力控制带宽、回转速率以及范围。
将首先讨论力控制带宽。在具有直流(DC)响应和高频截止的系统的情况下，力控制带宽可以被表示成与DC响应相比小振幅输入信号衰减3dB时的频率。随着AFM针尖在样品表面上进行扫描，样品表面的空间变化变成所测量的悬臂响应中的时间变化。例如，考虑AFM探针在周期为IOOnm的正弦表面上进行扫描的情况。如果在IOum的扫描范围上以每秒100行的速率对此样品进行扫描，则AFM探针所探测到的结果信号会具有由下式给出的频率fs
fs = 2 (100 行 / 秒)X (IOum/IOOnm) = 20kHz
(此示例性的实例中的因数2来自在两个方向(所谓的“跟踪和回扫”(“trace and retrace"))上对样品进行扫描的通常的(而不是必需的)做法。)
如果力控制反馈环路为20kHz，则正弦特征的振幅在力控制器输出端处将会减小 3dB。使用本说明书中所描述的部件，本发明人开发出了具有针对接触模式AFM超过IOOkHz 和针对轻敲模式或其它振动针尖成像模式超过15kHz的带宽的力控制环路。然而，注意，通过记录“误差信号”(即代表悬臂的实际运动与力控制器的设定值之间的差别的信号)，仍可以按高于力控制器的带宽的频率得到样品特征的信息。在一优选实施例中，使用误差信号和ζ-致动器的运动这两者来重新构造对样品形貌的精确测量。
如之前所提到的，SPM性能的一个限制是如下所述的速度能够以该速度在样品上扫描针尖而不对针尖和/或样品引起无法接受的损伤。如果样品形貌的变化比力反馈环路能够响应的更快，则在扫描过程中可能发生对针尖和/或样品的损伤。在此情况下，力误差将会累积。当力误差引起的应力大于针尖和/或样品所能够承受的时，可能发生损伤。使用弹性常数足够低的悬臂以使得未补偿的力的变化小，能够减轻此问题。虽然屈服应力对于不同的针尖和样品材料是不同的，但仍期望创建力控制带宽尽可能高的系统。
下一个品质参数是力控制回转速率或者简称为“回转速率”。力控制环路的回转速率是控制环路能够驱动致动器移动针尖攀爬陡峭边缘的速率，并以用语“距离/单位时间” 来描述。与攀爬这种边缘关联的挑战可以参照图4A理解，图4A示出了具有公共最大高度hmx的第一和竖直的第二侧壁902和904的任意横截面形状的样品特征900。沿着这些侧壁的任何点将具有0(假定该特征的底部在高度为0的参考平面内)与hMax之间的某个高度hACT。没有完美成像该特征的SPM将生成用图4A中虚线902’和904’表示的图像，在该图像中所确定的高度hDET中至少有一些将偏离对应的实际高度hACT。任意给定点的所得误差的大小是差hACT-hDET。最大的这种误差(通常出现在第一壁902的前缘以及第二壁904 的后缘)是在图4B的曲线906中的点908和910处所见的峰值误差，为％ 。对系统而言所期望的系统回转速率是这种回转速率在将误差维持在可接受的限度之内的同时避免损伤针尖和/或样品。
在实践中，具体系统所需的回转速率由xy扫描速度和针尖的角度给出。更具体地，ζ方向上的所需回转速率Vz由下等式给出
权利要求
1.一种用于操作扫描探针显微镜SPM的方法，包括使压电致动器组件活动以移动所述SPM的探针，使所述探针在xy平面中按照至少为 4 μ m的扫描范围、按至少30行/秒的速率扫描过样品，并在压电ζ致动器的控制下在ζ方向上移动所述探针；使用感测光束和探测器来测量所述探针的运动；移动至少一个透镜，以使得所述感测光束至少大体上跟随所述探针的扫描运动； 用至少lmm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用；以及对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一种，进行存储、传输和显示中的至少一种。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为4mm/sec。
3.根据权利要求
1所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为7mm/sec。
4.根据权利要求
1所述的方法，其中，以至少100行/秒的速率执行所述扫描。
5.根据权利要求
4所述的方法，其中，以至少1000行/秒的速率执行所述扫描。
6.根据权利要求
1所述的方法，其中，所述扫描包括按照至少为10μ m的扫描范围来扫描。
7.根据权利要求
6所述的方法，其中，所述扫描包括按照至少为20μ m的扫描范围来扫描。
8.根据权利要求
1所述的方法，其中，用至少IOkHz的力控制带宽来执行所述扫描。
9.根据权利要求
1所述的方法，其中，移动所述SPM的探针还使得所述样品以与所述探针的移动成嵌套控制关系的方式在所述xy平面内移动。
10.根据权利要求
1所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用还包括以与所述探针的移动成嵌套控制关系的方式在所述ζ方向上移动所述样品。
11.根据权利要求
1所述的方法，还包括振动所述探针。
12.根据权利要求
11所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用包括维持所述探针的振动振幅恒定。
13.根据权利要求
11所述的方法，其中，控制所述探针-样品的相互作用包括维持所述探针的振动相位恒定。
14.根据权利要求
1所述的方法，其中，所述样品是图案化的晶片、生物学样品、数据存储装置部件、聚合物以及薄膜中的一种。
15.一种用于操作扫描探针显微镜SPM的方法，包括使压电致动器组件活动，以使所述SPM的探针移动而经过样品，以使所述探针相对于所述样品按照至少4 μ m的扫描范围、按至少30行/秒的速率来扫描，并在压电ζ致动器的控制下在ζ方向上移动所述探针；使用感测光束和探测器来测量所述探针的运动；移动至少一个透镜，以使得所述感测光束至少大体上跟随所述探针的扫描运动； 用至少IOkHz的力控制带宽来控制探针-样品的相互作用；以及对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一种，进行存储、传输和显示中的至少一种。
16.根据权利要求
15所述的方法，其中，用至少20kHz的力控制带宽来执行所述扫描。
17.根据权利要求
15所述的方法，其中，用至少50kHz的力控制带宽来执行所述扫描。
18.根据权利要求
15所述的方法，还包括用至少lmm/sec的力控制回转速率来控制所述探针-样品的相互作用。
19.根据权利要求
18所述的方法，其中，所述力控制回转速率至少为4mm/sec。
20.一种扫描探针显微镜SPM，包括扫描器，该扫描器包括压电致动器组件，所述压电致动器组件使所述SPM的探针移动而经过样品，以使所述探针按照至少4微米的扫描范围、按至少30行/秒的速率来扫描；感测光束和探测器，用于测量所述探针的运动；被置于所述感测光束与所述样品之间的至少一个透镜，该透镜是能够移动的，使得所述感测光束跟随所述探针的扫描运动；以及控制器，该控制器用至少为lmm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。
21.根据权利要求
20所述的SPM，还包括用于对从所述测量所得到的测量结果和信息中的至少一个进行存储、传输以及显示中的至少一种的装置。
22.根据权利要求
20所述的SPM，其中，所述探针具有大于30kHz的力探测带宽，并且在以振动模式被启动时向所述样品施加小于IOnN的力。
23.根据权利要求
20所述的SPM，其中，所述探针具有大于IOOkHz的力探测带宽，并且在以振动模式被启动时向所述样品施加小于5nN的力。
24.根据权利要求
20所述的SPM，其中，所述探针具有约为IOys的阶跃响应时间。
专利摘要
提供了一种能够在力控制反馈下对任意特性的较大样品进行迅速扫描以获得高分辨率图像的方法和装置。该方法包括在扫描探针显微镜(SPM)的探针(215)与样品(112)之间产生相对扫描移动，以至少30行/秒的速率将探针扫描通过至少4微米的扫描范围；以及用至少1mm/sec的力控制回转速率来控制探针-样品的相互作用。能够获得这些结果的优选SPM具有至少具有闭环带宽的力控制带宽的力控制器，所述闭环带宽至少为10kHz。
文档编号G01Q20/02GKCN101960287 B发布类型授权 专利申请号CN 200880110612
公开日2012年7月18日 申请日期2008年8月4日
发明者克雷格·库斯沃西, 克雷格·普拉特, 史建, 史蒂文·内格尔, 恩吉·方, 杰弗里·马卡基斯, 樊文峻, 约翰尼斯·金特, 苏全民 申请人:布鲁克纳米公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (5),