[发明专利]原子力显微镜及其驱动方法

说明书

本发明一般涉及原子力显微镜及其驱动方法；而更具体地涉及装有多个能在大气压力下以高分辨率高速观察样品的外形的扫描探头的原子力显微镜及其驱动方法。

已利用各种技术观察诸如半导体器件的表面等表面的外形。诸如原子力显微镜(AFM)等扫描探头显微镜为能通过用受观察的表面与设置在扫描探头上的尖端之间的原子力所生成的信号作为反馈信号，同时在受观察的表面与尖端之间保持不变的间距而不破坏该受观察的表面地以纳米或亚纳米范围的高分辨率观察表面的显微镜。

颁发给Theodore等人的名为“测定半导体器件的外形的方法与装置”的美国专利号5,338,932公开了用于执行原子力显微技术及扫描隧道显微测量的组合来提供表面外形与材料成分的精确表示的装置与方法。该装置的可变柔性探头包含参照元件、可变刚性元件、支承件、导电尖端及力元件。参照元件的第一端及可变刚性元件的第一端附着在支承件上使该参照与可变刚性元件构成从支承件伸出的两根平行悬臂。

将力元件连接在参照与可变刚性元件两者上。力元件在可变刚性元件上作用一可变力以便改变该可变刚性元件的刚性或弹性常数。虽然该可变柔性探头能执行原子力显微技术与扫描隧道显微测量的组合，但难于减小该可变柔性探头的尺寸以便构成采用多个可变柔性探头的系统，由于该可变柔性探头是用其间包含该力元件的带小间隔的互相分离的两根平行悬臂构成的。

颁发给Tohda等人的名为“扫描探头显微镜及使用这一显微镜测定表面的方法”的美国专利号5,468,959公开的装有活动悬臂的组合原子力显微技术与扫描隧道显微技术的先进功能的扫描探头显微镜及使用这一显微镜观察表面的方法。这一显微镜可在大气压力下工作，然而如果要求获得清洁样品表面的详细信息的测定则最好将这一显微镜放置在超高真空中。虽然这一显微镜具有能在大气压力下工作的优点，但由于该扫描探头具有类似于Theodore等人的那种用于改变扫描探头的刚性或弹性常数的大的结构而难于缩小用在该显微镜中的扫描探头的尺寸。

颁发给Watanabe等人的名为“调整反馈控制下的原子力显微镜”的装置专利号5,723,775公开了能通过减小包含轴向驱动致动器的悬臂的质量同时消除由这一质量减小导致的缺点而达到执行高速反馈控制的原子力显微镜(AFM)。这一AFM在扫描要观察的样品的结构的同时，保持该样品的表面与设置在扫描探头上的尖端之间的恒定间隔。然而，当尖端受到大气压力下可能在受观察的样品表面上存在的诸如尘土、水滴之类的杂质污染时，表示样品表面的外形的图像将会降低。

如上所述，上述专利中无一教导能观察样品表面的外形的带有多个扫描探头的系统及其驱动方法。当采用上术专利中所描述的技术之一构造使用多个扫描探头的系统时，将最终得出昂贵与笨重的系统。因此，为了在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形希望提供廉价及紧致尺寸的带有多个扫描探头的系统及其驱动方法。

因此，本发明的目的为提供能在大气压力下以高分辨率高速观察样品的外形的原子力显微镜及其驱动方法。

按照本发明的一个方面，提供了能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的原子力显微镜(AFM)包括：多个用于测定样品表面的扫描探头，其中各该扫描探头包含具有尖端与第一及第二致动器的悬臂；用于检测从所述各该扫描探头反射的光束以便将其转换成依赖于第二信号的第一信号的装置；以及通过生成第三与第四信号来驱动扫描探头及检测关于样品表面的外形的信息的装置，其中该第一致动器响应第三信号执行轻拍(tapping)操作，该第二致动器响应第四信号执行定位操作，且第三信号的频率高于第四信号的频率。

按照本发明的另一方面，提供了能在大气压力下以高分辨率高速观察样品表面的外形的原子力显微镜，包括具有N×M个扫描探头的扫描探头矩形阵，用于测量样品表面，其中各该扫描探头包含具有尖端与第一及第二致动器的悬臂，N与M分别为大于1的正整数；用于检测从各该扫描探头反射的光束以便将其转换成电信号的装置；以及通过生成一参照及一伺服信号来驱动这些扫描探头及检测关于样品表面的外形的信息的装置，其中该第一致动器响应参照信号执行轻拍操作，该第二致动器响应伺服信号执行定位操作，且参照信号的频率高于伺服信号的频率。