DE10084431B4

DE10084431B4 - Aktive Sonde für ein Rasterkraftmikroskop mit atomarer Auflösung sowie Verfahren zur Verwendung derselben

Info

Publication number: DE10084431B4
Application number: DE10084431T
Authority: DE
Inventors: Dennis M. Calif. Adderton; Stephen C. Ill. Minne
Original assignee: Veeco Instruments Inc
Current assignee: Veeco Instruments Inc
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: US6810720B2; AU3510100A; WO2000058759A3; US20050066714A1; KR100732254B1; DE10084431T5; US20030094036A1; US6189374B1; US7017398B2; WO2000058759A2; KR20020006032A; US6530266B1; JP2002540436A; JP4595041B2

Abstract

AFM zum Analysieren einer Probe mit einer vorbestimmten Abtastrate im Kontaktmodus, mit: einem selbstbetätigten Federbalken mit einem darauf angeordneten Z-Positionierungselement und einer daran angebrachten Spitze, welche die Probe im Wesentlichen kontinuierlich während einer Abtastoperation kontaktiert, einer ersten Rückkopplungsschaltung, die im Ansprechen auf eine vertikale Verschiebung des selbstbetätigten Federbalkens ein Federbalken-Steuersignal erzeugt, einer auf das Federbalken-Steuersignal ansprechenden zweiten Rückkopplungsschaltung zum Erzeugen eines Positionssteuersignals, wobei das Federbalken-Steuersignal in die zweite Rückkopplungsschaltung eingegeben wird, so dass die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist, und einem auf das Positionssteuersignal ansprechenden Z-Position-Aktuator zum Positionieren des selbstbetätigten Federbalkens oder der Probe, um den Abstand zwischen dem selbstbetätigten Federbalken und der Probe zu ändern.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft Rasterkraftmikroskope mit atomarer Auflösung (AFMs) und insbesondere ein AFM sowie ein Verfahren zur Verwendung desselben, das einen AFM-Z-Position-Aktuator mit einem selbstbetätigten Federbalken kombiniert, um Bilder hoher Qualität mit wesentlich höheren Abbildungsraten vorzusehen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Rasterkraftmikroskop mit atomarer Auflösung („AFM” = Atomic Force Microscope), wie in dem US-Patent US 34 489 E (Hansma et al., „Hansma”) beschrieben, ist ein spezieller Typ von Rastersondenmikroskop (SPM = Scanning Probe Microscope). AFMs sind hochauflösende Instrumente für die Oberflächenmessung. AFMs werden in zwei allgemeine Typen unterteilt: Kontaktmodus-AFMs (auch als Abstoßungsmodus bezeichnet) und Zyklusmodus-AFMs (gelegentlich auch als TappingMode^TM-AFMs bezeichnet). (TappingMode^TM ist eine eingetragene Marke von Veeco Instruments, Inc. in Plainview, New York.)
Das Kontaktmodus-AFM wird ausführlich in Hansma beschrieben. Allgemein ist das Kontaktmodus-AFM durch eine Sonde mit einem biegsamen Federbalken und einer Spitze gekennzeichnet. Das AFM wird betrieben, indem die Spitze direkt auf einer Probenoberfläche platziert wird und die Oberfläche dann lateral abgetastet wird. Während des Abtastens wird der Federbalken in Übereinstimmung mit Variationen in der Oberflächenhöhe gebogen, die durch ein AFM-Ablenkungs-Detektorsystem überwacht werden, um die Probenoberfläche abzubilden. Das Ablenkungs-Detektorsystem eines derartigen Kontaktmodus-AFMs ist gewöhnlich ein optisches Strahlsystem, wie in Hansma beschrieben.
Gewöhnlich wird die Höhe des fixen Endes des Federbalkens relativ zu der Probenoberfläche mittels Rückkopplungssignalen eingestellt, um eine vorbestimmte Größe der Federbalkenbiegung während des lateralen Abtastens aufrechtzuerhalten. Diese vorbestimmte Größe der Federbalkenbiegung weist einen gewünschten Wert auf, der als Sollwert bezeichnet wird. Gewöhnlich wird ein Bezugssignal zum Erzeugen der Sollwertgröße für die Federbalkenbiegung an einem Eingang einer Rückkopplungsschleife angelegt. Indem die durch die Rückkopplungsschleife erzeugten Rückkopplungssignale an einem Aktuator im System angelegt werden und dadurch die relative Höhe zwischen dem Federbalken und der Probe eingestellt wird, kann die Federbalkenablenkung konstant auf dem Sollwert gehalten werden. Durch das Auftragen der Einstellungsgröße (die durch die Beobachtung der Rückkopplungssignale zum Aufrecherhalten der Federbalkenbiegung an dem Sollwert erhalten werden) in Bezug auf die laterale Position der Federbalkenspitze kann eine Abbildung der Probenoberfläche erstellt werden.
Die zweite allgemeine Kategorie von AFMs, d. h. die Zyklusmodus- bzw. TappingMode^TM-AFMs nutzen die Oszillation eines Federbalkens, um unter anderem die Kräfte zu reduzieren, die während des Abtastens auf eine Probe einwirken. Im Gegensatz zu Kontaktmodus-AFMs stellt die Sondenspitze im Zyklusmodus einen intermittierenden Kontakt mit der Probenoberfläche her oder interagiert auf andere Weise nur intermittierend mit derselben, wenn die Spitze über die Oberfläche geführt wird. Zyklusmodus-AFMs sind in den US-Patenten US 5,266,801 A , US 5,412,980 A und US 5,415,027 A von Elings et al. beschrieben.
In dem US 5,412,980 A ist ein Zyklusmodus-AFM angegeben, in dem eine Sonde bei oder nahe einer Resonanzfrequenz des Federbalkens in Schwingung versetzt wird. Wenn im Zyklusmodus eine Abbildung vorgenommen wird, ist eine gewünschte Spitzenoszillationsamplitude mit dem speziellen verwendeten Federbalken assoziiert, ähnlich der gewünschten Größe der Federbalkenablenkung im Kontaktmodus. Diese gewünschte Amplitude der Federbalkenoszillation wird gewöhnlich konstant auf einem gewünschten Sollwert gehalten. Während des Betriebs wird dies durch die Verwendung einer Rückkopplungsschleife erreicht, die eine Sollwerteingabe zum Empfangen eines Signals in Übereinstimmung mit der gewünschten Oszillationsamplitude aufweist. Die Rückkopplungsschaltung stellt die vertikale Position von entweder der Federbalkenhalterung oder der Probe ein, indem sie ein Rückkopplungssignal an einem Z-Aktuator anlegt, um zu veranlassen, dass die Sonde der Topographie der Probenoberfläche folgt.
Gewöhnlich ist die Oszillationsamplitude der Spitze größer als 20 nm von Spitze zu Spitze, um die Energie in dem Federbalken auf einem viel höheren Wert zu halten als die Energie, die der Federbalken in jedem Zyklus verliert, wenn er gegen die Probenoberfläche stößt oder auf andere Weise mit derselben interagiert. Dies sieht den zusätzlichen Vorteil vor, dass verhindert wird, dass die Sondenspitze an der Probenoberfläche hängen bleibt. Um schließlich Probenhöhendaten zu erhalten, überwachen Zyklusmodus-AFMs das Z-Aktuator-Rückkopplungssteuersignal, das erzeugt wird, um den festgelegten Sollwert zu erhalten. Eine festgestellte Änderung in der Oszillationsamplitude der Spitze und des resultierenden Rückkopplungssteuersignals geben eine besondere Eigenschaft der Oberflächentopographie wieder. Indem diese Änderungen in Bezug auf die laterale Position des Federbalkens aufgetragen werden, kann eine Abbildung der Oberfläche der Probe erstellt werden.
AFMs haben sich insbesondere als nützliche Messwerkzeuge in Herstellungsumgebungen der IC- und Datenspeicherbranche etabliert. Ein beschränkender Faktor für die ausgebreitetere Nutzung von AFMs ist der begrenzte Durchsatz pro Gerät, der auf die langsamen Abbildungsraten von AFMs relativ zu konkurrierenden Technologien zurückzuführen ist. Obwohl es häufig vorteilhaft wäre, ein AFM zum Messen der Oberflächentopographie einer Probe zu verwenden, ist die Geschwindigkeit des AFMs gewöhnlich viel zu langsam für Produktionsanwendungen. Beispielsweise erfordert die AFM-Technologie in den meisten Fällen eine größere Anzahl von Geräten, um mit gewöhnlichen Produktionsraten Schritt halten zu können. Daraus resultiert, dass die Verwendung der AFM-Technologie für die Oberflächenmessung gewöhnlich ein System ergibt, das hohen Kosten pro Messung vorsieht. Eine Anzahl von Faktoren ist für diesen mit der AFM-Technologie assoziierten Nachteil verantwortlich. Diese werden im Folgenden allgemein erörtert.
Die AFM-Abbildung ist im Wesentlichen eine mechanische Messung der Oberflächentopographie einer Probe, so dass die Bandbreitengrenzen der Messung mechanische Grenzen sind. Ein Bild wird aus einer Rasterabtastung der Sonde über dem abzubildenden Bereich erstellt. Sowohl im Kontakt- als auch im Zyklusmodus wird die Spitze der Sonde mit einer Geschwindigkeit über die Probenoberfläche geführt, die gleich dem Produkt aus der Abtastgröße und der Abtastfrequenz ist. Wie weiter oben erläutert, kann die Höhe des festen Endes des Federbalkens relativ zu der Probenoberfläche während des Abtastens mit einer Rate eingestellt werden, die gewöhnlich viel größer als die Abtastrate ist, um eine konstante Kraft (Kontaktmodus) oder eine konstante Oszillationsamplitude (Zyklusmodus) relativ zu der Probenoberfläche aufrechtzuerhalten.
Die Bandbreitenanforderung für eine besondere Anwendung eines ausgewählten Federbalkens ist allgemein vorbestimmt. Deshalb ist die Bandbreite der Höheneinstellung (im Folgenden als Z-Achsen- oder Z-Position-Bandbreite bezeichnet) von der Geschwindigkeit der Spitze sowie von der Topographie der Probe abhängig, wobei die erforderliche Z-Position-Bandbreite gewöhnlich die maximale Abtastraste für eine bestimmte Probentopographie begrenzt.
Weiterhin ist die Bandbreite der AFMs in diesen Rückkopplungssystemen gewöhnlich niedriger als die Bandbreite ohne Rückkopplung von einer der Komponenten des Systems. Wenn insbesondere die 3dB-Abfallfrequenz einer Komponente erreicht wird, wird die Reaktionsphase vor einem Verlust in der Reaktionsantwort wesentlich verlangsamt. Die Frequenz, bei der die Gesamtphasenverzögerung aller Komponenten des Systems ausreichend groß ist, so dass die Schleife instabil wird, ist die maximale Bandbreitengrenze der Schleife. Wenn ein AFM entwickelt wird, erhöht eine Reduktion der Phasenverzögerung in einem Teil der Schleife gewöhnlich die Bandbreite des AFMs als ganze, obwohl die Komponente der Schleife, welche die niedrigste Reaktionsbandbreite aufweist, gewöhnlich im Fokus der Entwicklungsverbesserungen steht.
Insbesondere bei dem Kontaktmodus-AFM ist die Bandbreite der Federbalkenablenkungs-Detektorvorrichtung durch eine mechanische Resonanz des Federbalkens aufgrund der Interaktion der Spitze mit der Probe beschränkt. Diese Bandbreite nimmt mit der Steifheit des Federbalkens zu. Die Steifheit kann ausreichend hoch vorgesehen werden, so dass die mechanische Resonanz des Federbalkens kein begrenzender Faktor für die Bandbreite der Ablenkungs-Detektorvorrichtung ist, wobei jedoch höhere Abbildungskräfte beeinträchtigt werden können.
Trotzdem beschränkt der Z-Position-Aktuator im Kontaktmodus weiterhin die Z-Position-Bandbreite. Insbesondere sind Z-Position-Aktuatoren für AFMs gewöhnlich Piezo-Röhren- oder Piezo-Stapel-Aktuatoren, die aufgrund ihres großen Dynamikbereichs und ihrer hohen Empfindlichkeit gewählt werden. Derartige Einrichtungen weisen allgemein eine mechanische Resonanz auf, die weit unter derjenigen des in Kontakt mit der Probe gebrachten AFM-Federbalkens liegt, die gewöhnlich bei ungefähr 1 kHz liegt, wodurch die Z-Position-Bandbreite beschränkt wird.
Manalis et al. (Manalis, Minne und Quate „Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with an integrated actuator and sensor”, Appl. Phys. Lett.; 68(6) 871–873 (1996)) zeigt, dass die Kontaktmodus-Bilderzeugung beschleunigt werden kann, indem der Z-Position-Aktuator in den Federbalken integriert wird. Ein piezoelektrischer Film aus etwa ZnO wird auf der Spitzenseite des Federbalkens aufgetragen. Der Film veranlasst, dass der Federbalken als Bimorph agiert, so dass der Federbalken bei Anlegen einer spannungsabhängigen Beanspruchung gebogen wird. Dieses Biegen des Federbalkens um einen Winkel von einem Grad oder weniger resultiert in Mikrometerbewegungen im Z-Positionierungs-Bereich. Weiterhin erhöht die Implementierung des Z-Position-Aktuators in dem Federbalken die Z-Position-Bandbreite des Kontaktmodus-AFMs um mehr als eine Größenordnung.
Trotzdem weist ein derartiger AFM neuartige Probleme bei der Z-Positionierung auf, die bei anderen bekannten AFMs nicht auftreten. Beispielsweise ist der Bereich des im Federbalken integrierten Z-Aktuators kleiner als für die Abbildung von vielen AFM-Proben erforderlich ist. Weil außerdem die Positionierungsempfindlichkeit jedes Federbalkens unterschiedlich ist, erfordert das AFM eine Neukalibrierung, wenn die Sonde aufgrund von Verschleiß oder einer gebrochenen Spitze ausgewechselt wird. Weiterhin weist die Empfindlichkeit in einigen Fällen eine unerwünschte Nichtlinearität bei niedrigen Frequenzen auf. Diese Probleme können den im Federbalken integrierten Z-Aktuator für die allgemeine Verwendung als Z-Aktuator für kommerziell genutzte AFMs ungeeignet machen.
Ungeachtet des vorstehenden ist bei vielen AFM-Abbildungsanwendungen die Verwendung eines Kontaktmodus-Betriebs nicht annehmbar. Die Reibung zwischen der Spitze und der Probenoberfläche kann die abzubildenden Bereiche beschädigen und die Schärfe der Spitze zerstören. Deshalb ist der bevorzugte Betriebsmodus für viele der Anwendungen der vorliegenden Erfindung der Zyklusmodus, d. h. der TappingMode^TM. Die mit der Zyklusmodus-Detektion assoziierten Bandbreiteneinschränkungen sind jedoch gewöhnlich viel größer als im Kontaktmodus-Betrieb.
Bei einem Betrieb mit einem zyklischen oder nichtkontinuierlichen Kontaktmodus wird veranlasst, dass der AFM-Federbalken als Resonanzbalken in einer ständigen Oszillation agiert. Wenn eine Kraft auf den Federbalken wirkt, kann die Kraft als Änderung in entweder der Oszillationsamplitude oder der Oszillationsfrequenz gemessen werden. Ein potenzielles Problem, das mit dem Betrieb im Zyklusmodus assoziiert ist, besteht darin, dass die Bandbreite der Reaktion auf diese Kraft proportional zu 1/Q ist (wobei Q der „Qualitätsfaktor” der natürlichen Resonanzspitze ist. Weil bei vielen Abbildungsanwendungen die Bandbreite der primär begrenzende Faktor für die Abtastrate ist, ist Q niedrig vorgesehen, um höhere Abbildungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Wenn jedoch der Qualitätsfaktor Q des Federbalkens entsprechend reduziert wird, wird dadurch die Kraftablenkungsempfindlichkeit reduziert, wodurch ein Rauschen in das AFM-Bild eingeführt wird.
Ein weiterer Faktor, der dazu beiträgt, dass die Abtastraten beim Betrieb im Zyklusmodus nicht optimal sind, besteht darin, dass das Amplitudenfehlersignal eine maximale Größe aufweist. Bei bestimmten topographischen Merkmalen geht eine abtastende AFM-Spitze über eine abfallende Kante. Wenn dies auftritt, erhöht sich die Oszillationsamplitude des Federbalkens zur Freiluft-Amplitude, die nicht durch ein Aufschlagen auf die Oberfläche begrenzt wird. Das Fehlersignal der Steuerschleife ist dann die Differenz zwischen der Freiluft-Amplitude und der Sollwert-Amplitude. In diesem Fall ist das Fehlersignal bei einem Maximum und erhöht sich nicht, wenn eine weitere Zunahme in der Distanz zwischen der Spitze und der Probenoberfläche gegeben ist. Die Topographieabbildung wird dementsprechend verzerrt.
Schließlich wird die maximale Verstärkung der Steuerschleife im Zyklusmodus durch Phasenverschiebungen begrenzt, was die Bandbreite der Schleife weiterhin beschränkt. Angesichts dieser Nachteile ist die Z-Position-Messung für ein Rasterkraftmikroskop mit atomarer Auflösung gewöhnlich als eine Schreibgeschwindigkeit gekennzeichnet, die durch das Produkt aus dem maximalen Fehlersignal und der maximalen Verstärkung begrenzt ist.
Daraus resultiert, dass die AFM-Technologie ein herausforderndes Problem stellt, wenn die Abtastrate im Zyklusmodus entsprechend erhöht werden soll. Eine allgemeine Lösung, die von Mertz et al. (Mertz, Marti und Mlynek, „Regulation of a microcantilever response by force feedback,” Appl. Phys. Lett. 62(19) auf den Seiten 2344–2346 (1993)) (im Folgenden „Mertz”) vorgeschlagen ist, aber sich nicht auf bestehende Zyklusmodus-AFMs bezieht, umfasst ein Verfahren zum Herabsetzen des effektiven Qualitätsfaktors Q eines Federbalkens, während die Empfindlichkeit der natürlichen Resonanz beibehalten wird. Bei diesem Verfahren wird eine Rückkopplungsschleife auf das Federbalkenreaktionssteuersignal derart angewandet, dass die Amplitude des Steuersignals zu dem Federbalken auf der Basis der gemessenen Reaktion des Federbalkens modifiziert wird. Diese Technik dient dazu, den effektiven Qualitätsfaktor Q des resonierenden Federbalkens zu modifizieren, und wird im Folgenden als „aktive Dämpfung” bezeichnet. Mertz erreicht eine aktive Dämpfung durch eine thermische Erregung des Federbalkens, indem der Federbalken mit einer Metallschicht beschichtet wird, die einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Federbalken selbst. Dann moduliert Mertz in Reaktion auf die Rückkopplungssignale einen Laser, der auf dem Federbalken einfällt, um eine modifizierte Antriebskraft anzuwenden.
Leider ist dieses Schema nicht praktisch für die Implementierung in bestehenden Zyklusmodus-AFMs. Bei einem typischen AFM dieses Typs erstreckt sich der Federbalken von einem Substrat, das mechanisch auf einen Piezokristall montiert ist, der zur Steuerung des Federbalkens mit seiner Resonanz verwendet wird. Der Federbalken wird bei seiner Resonanz betrieben, indem entweder das Substrat mit dem Piezokristall in Schwingung versetzt wird oder indem das Substrat durch einen mechanischen Halteaufbau ersetzt wird, der den Piezokristall integriert, wobei der Piezokristall dann zur Steuerung des Federbalkens angeregt wird. Wenn eine aktive Dämpfung auf einen derartigen Aufbau angewendet wird, werden andere mechanische Resonanzen als diejenigen des Federbalkens angeregt, wobei die Verstärkung der aktiven Dämpfungsrückkopplung nicht ausreichend erhöht werden kann, um den effektiven Qualitätsfaktor Q des Federbalkens wesentlich zu modifizieren. Weiterhin ist der Aufbau von Mertz zu komplex und unflexibel für die Systeme der vorliegenden Erfindung, weil beispielsweise der Modulationslaser den Federbalken in nur einer Richtung ablenkt. Dies führt einen Frequenzverdoppelungseffekt ein, der bei der Verarbeitung der Ausgabe berücksichtigt werden muss. Das System von Mertz ist also nur auf Kontaktmodus-AFMs ausgerichtet und zudem komplex, wobei es nur wenig zuverlässige Messungen bei unvorteilhaft niedrigen Geschwindigkeiten zulässt.
Auf dem Gebiet der AFM-Bilderzeugung besteht also ein Bedarf für ein System, das sowohl im Kontakt- als auch im Zyklusmodus betrieben werden kann und Bilder hoher Qualität bei schnellen Abbildungsgeschwindigkeiten vorsieht. Insbesondere besteht für Zyklusmodus-AFMs ein Bedarf für ein System, welches den effektiven Qualitätsfaktor Q eines resonierenden Federbalkens mit einer aktiven Dämpfung modifizieren kann, ohne dass andere mechanische Resonanzen als diejenigen des Federbalkens angeregt werden. Das System sollte also die Z-Position-Bandbreite der Federbalkenreaktion optimieren, um Abtast-/Abbildungsgeschwindigkeiten zu maximieren, wobei gleichzeitig die Empfindlichkeit des Instruments aufrechterhalten werden soll.
In Dokument US 5 883 705 A liefert ein Wandler ein Messsignal vom Federbalken. Dieses Messsignal wird als Eingangssignal einer ersten Steuereinrichtung und einer zweiten Steuereinrichtung zugeführt. Das durch die erste Steuereinrichtung am Ausgang eines Verstärkers erzeugte Federbalken-Steuersignal wird ausschließlich dem Federbalken zugeführt. Weitere Eingangssignale der zweiten Steuereinrichtung sind ein Messsignal, des Wandlers und ein Sollwert.
Weitere Dokumente zum Stand der Technik sind: D. Lange et al.: „Parallel scanning AFM with on-chip circuitry in CMOS technology”, Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1999 (MEMS, 99), pp. 447–452 (Jan. 99), C. Lee et al.: „Self excited piezoelectric PZT microcantilevers for dynamic SFM-with inherent sensing and actuating capabilities”, Sensors and Actuators A72, pp. 179–188 (Jan. 1999), Lee et al.: „Development of a piezoelectric self excitation and self detection mechanism in PZT microcantilevers for dynamic scanning force microscopy in liquid”, J. Vac. Sci. Technol. B 15, pp. 1559–1563 (1997), F. J. Giessibl and M. Tortonese: „Self-oscillating mode for frequency modulation noncontact atomic force microscopy”, Appl. Phys. Lett. 70, pp. 2529–2531 (1997), US 5 723 775 A , EP 0 890 820 A1 , US 5 631 410 A und US 5 537 863 A .
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung kombiniert einen AFM-Z-Position-Aktuator mit einem selbstbetätigten Z-Position-Federbalken (beide können sowohl im Zyklusmodus als auch im Kontaktmodus betrieben werden) bei einer entsprechend verschachtelten Rückkopplungssteuerschaltung, um eine Bilderzeugung mit Hochgeschwindigkeit und genaue Z-Position-Messungen zu ermöglichen. Ganz allgemein können die Rückkopplungssignale, die an jedem der Aktuatoren angelegt werden, voneinander unabhängig überwacht werden, um die Topographie der Probenoberfläche in Abhängigkeit von der Abtastrate und der Probentopographie anzugeben.
Genauer gesagt wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 12, 18, 24, 25, 33, 36, 37, 39, 40 und 41 gelöst.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Topographiemerkmale einer Probe mit niedrigerer Frequenz, einschließlich der Steigung der Probenoberfläche, durch einen Standard-Z-Aktuator verfolgt, während die Komponenten der Oberflächentopographie mit hoher Frequenz durch den selbstbetätigten Federbalken verfolgt werden. Vorzugsweise werden zwei Rückkopplungsschleifen verwendet. Die erste Rückkopplungsschleife steuert den selbstbetätigten Federbalken, um eine relativ konstante Kraft zwischen der Spitze des Federbalkens und der Probenoberfläche aufrechtzuerhalten. Die zweite Rückkopplungsschleife steuert den Standard-Z-Aktuator mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als die erste Rückkopplungsschleife und dient entweder dazu den selbstbetätigten Federbalken innerhalb seines Betriebs-Z-Bereichs zu halten oder die Linearität der Positionierungsempfindlichkeit des Federbalkens aufrechtzuerhalten, wenn dieser der Topographie mit niedriger Frequenz folgt. Diese Ausführungsform gestattet es auch, dass der Standard-Z-Aktuator ausschließlich für genaue Höhenmessungen verwendet wird, wenn die Abtastrate ausreichend herabgesetzt wird (gewöhnlich auf weniger als 500 μm/s).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kombiniert ein AFM, der in einem Zyklusmodus (d. h. TappingMode^TM) betrieben wird, den AFM-Z-Aktuator mit dem selbstbetätigten Federbalken bei einer entsprechenden Rückkopplungssteuerung in einem System, das den selbstbetätigten Aktuator schwingen lässt, ohne andere mechanische Resonanzen als diejenigen des Federbalkens einzuführen. Insbesondere wird der selbstbetätigte Federbalken nicht mittels eines Piezokristalls in Schwingung versetzt, der mechanisch mit dem Federbalken verbunden ist, sondern wird direkt mit seiner Resonanz in Schwingung versetzt, indem das auf ihm aufgetragene Piezomaterial angeregt wird. Dadurch werden mechanische Resonanzen in dem Kopplungspfad beseitigt, die ansonsten vorhanden wären.
Wie oben angegeben, wird die Geschwindigkeit eines Standard-AFMs im Zyklusmodus allgemein durch die Schleifenbandbreite der Kraft-Detektorschaltung und der Z-Positionierungsvorrichtung beschränkt. Ein weiterer Beschränkungsfaktor von Standard-AFMs betrifft die Phasenverschiebungsbeiträge von den verschiedenen Komponenten der Schleife, sie zusammen die Verstärkung eines ansonsten stabilen Systems begrenzen. Es ist jedoch wichtig, dass der selbstbetätigte Federbalken der vorliegenden Erfindung keine wesentlichen Phasenverschiebungsbeiträge bei Standard-Betriebsfrequenzen vorsieht, obwohl die Feststellungsbandbreite des AFMs im Zyklusmodus weiterhin durch die Breite der Resonanzspitze des Federbalkens beschränkt wird. Deshalb ist die Rückkopplungsschleife für den selbstbetätigten Federbalken schneller als die Rückkopplungsschleife für den AFM-Z-Position-Aktuator, wenn beide durch dieselbe Feststellungsbandbreite begrenzt werden. Insbesondere erhöht die vorliegende Ausführungsform auch die Geschwindigkeit der Rückkopplungsschleife für den AFM-Z-Aktuator, indem sie ein größeres Fehlersignal vorsieht als das, das durch den Amplitudenablenkungs-Detektor im Zyklusmodus erzeugt wird.
Außerdem erlaubt die Kombination aus dem Standard-AFM-Z-Aktuator und dem selbstbetätigten Federbalken eine größere Flexibilität im Schnellabtast-Zyklusmodus. Wenn die Rückkopplungsschleife für den Z-Aktuator deaktiviert wird oder mit einer geringen Verstärkung betrieben wird, erscheint die Topographie als das Steuersignal für den selbstbetätigten Federbalken. Dieses Steuersignal dient vorzugsweise auch als Fehlersignal für die Rückkopplungsschleife für den AFM-Z-Aktuator. Wenn die Verstärkung der zweiten Rückkopplungsschleife optimiert wird, d. h. wenn der Z-Aktuator so schnell wie möglich betrieben wird, ohne eine unzuverlässige Ausgabe vorzusehen, erscheint die Topographie als das Steuersignal für den AFM-Z-Position-Aktuator. Indem also der selbstbetätigte Federbalken in die Steuerschleife integriert wird, kann die Geschwindigkeit zum Erhalten von sehr genauen Messungen erhöht werden. Wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann weiterhin der Standard-Z-Aktuator verwendet werden, um eine Steigung oder Nichtlinearitäten aus der Abtastung zu entfernen, wenn der selbstbetätigte Federbalken der Topographie der Probenoberfläche folgt. Als Alternative zu einem Standard-Z-Aktuator wie etwa einem Piezo-Stapel-Aktuator kann auch ein thermischer Aktuator auf dem selbstbetätigten Federbalken verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das integrierte piezoelektrische Element eines selbstbetätigten Federbalkens, um den Qualitätsfaktor Q der mechanischen Resonanz des Federbalkens zu modifizieren. Während des Betriebs wird wie bei der vorhergehenden Ausführungsform die Federbalkenresonanz durch das integrierte piezoelektrische Element angeregt und nicht durch einen mechanisch verbundenen Steuer-Piezokristall. Die Schaltung, die das Federbalken-Steuersignal vorsieht, modifiziert den Qualitätsfaktor Q des Federbalkens mit einer Rückkopplung von dem festgestellten Ablenkungssignal. Insbesondere wird das Ablenkungssignal in seiner Phase um vorzugsweise 90 Grad verschoben und zurück zu dem Federbalken-Steuersignal addiert. Die Rückkopplungskomponente des Steuersignals modifiziert die Dämpfung der Federbalkenresonanz (d. h. die aktive Dämpfung) und erhöht bzw. vermindert dadurch steuerbar den Qualitätsfaktor Q. Wenn die Modifikation des Federbalken-Qualitätsfaktors mit dem Aufbau der zuvor beschriebenen Ausführungsform kombiniert wird, wobei der selbstbetätigte Federbalken für die Z-Positionierung synchron zu dem AFM-Z-Position-Aktuator verwendet wird, kann die Abtastgeschwindigkeit des AFMs im Zyklusmodus um eine oder mehrere Größenordnungen erhöht werden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann durch die folgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreiben, wobei sie die Erfindung beispielhaft darstellen, aber keineswegs beschränken. Es können viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne dass dadurch der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird, der alle derartigen Modifikationen umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen eine bevorzugte und beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der gleiche Bezugszeichen identische Teile wiedergeben:
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein AFM gemäß der vorliegenden Erfindung und mit einem selbstbetätigten Federbalken und einer Rückkopplungsschaltung zum Steuern des Federbalkens im Kontaktmodus-Betrieb darstellt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein AFM gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem selbstbetätigten Federbalken und einer Rückkopplungsschaltung zum Steuern des Federbalkens im Zyklusmodus-Betrieb darstellt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen selbstbetätigten AFM-Federbalken gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Federbalken-Steuerschaltung zeigt, welche den Qualitätsfaktor („Q”) des Federbalkens modifiziert.
4 ist ein schematisches Diagramm, das ein AFM gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich eines selbstbetätigten Federbalkens und einer Rückkopplungsschaltung zum Steuern des Federbalkens im Zyklusmodus sowie eine Federbalken-Steuerschaltung zum Modifizieren des Qualitätsfaktors („Q”) des Federbalkens darstellt.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Sondenanordnung mit einem selbsttätigen Federbalken, in dem ein thermischer Aktuator integriert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein AFM 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, das für den Kontaktmodus-Betrieb konfiguriert ist. Das AFM 10 umfasst zwei Rückkopplungsschleifen 12 und 14, die jeweils einen AFM-Z-Position-Aktuator 16 und eine Sondenanordnung 18 steuern. Die Sondenanordnung 18 umfasst einen selbstbetätigten Federbalken 20 mit einer Spitze 26, die während des Abtastens mit einer Probe interagiert. Wenn im Kontaktmodus abgetastet wird, kontaktiert die Spitze 26 allgemein kontinuierlich die Probe, wobei sie nur gelegentlich von der Probe entfernt wird, wenn überhaupt. Beispielsweise kann die Spitze 26 am Ende einer Abtastzeile von der Probenoberfläche entfernt werden. Während er die Oberfläche der Probe abtastet, reagiert der Federbalken 20 auf die Ausgabe der Rückkopplungsschleife 12, um die Topographie der Oberfläche der Probe aufzuzeichnen, was weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Der Federbalken 20 umfasst ein festes Ende 22, das vorzugsweise an einer AFM-Halterung (nicht gezeigt) befestigt ist, sowie ein freies entferntes Ende 24, das allgemein dem festen Ende 22 gegenüberliegt und die Spitze 26 aufnimmt. Während des Betriebs verursacht die Interaktion zwischen der Spitze 26 und der Probenoberfläche 28 eine Ablenkung des Federbalkens 20. Um diese Ablenkung zu messen, umfasst das AFM 10 einen Ablenkungs-Detektor 30, der vorzugsweise ein optisches Detektorsystem zum Messen der Federbalken-Ablenkung mittels eines der folgenden Verfahren ist: (1) einer Optikstrahl-Sprungtechnik (siehe z. B. Meyer und Amer, „Novel Optical Approach to Atomic Force Microscopy,” Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988); Alexander, Hellemans, Marti, Schneir, Elings, Hansma, Longmire und Gurley, „An Atomic-Resolution Atomic-Force Microscope Implemented Using an Optical Lever,” Appl. Phys. Lett. 65, 164 (1989)); (2) einer interdigitalen Beugungsgitter-Technik (Manalis, Minne, Atalar und Quate „Interdigital Cantilevers for Atomic Force Microscopy,” Appl. Phys. Lett. 69 (25) 3944–3946. (1996); Yoralioglu, Atalar, Manalis und Quate „Analysis and design of an interdigital cantilever as a displacement sensor,” 83(12) 7405 (Juni 1998)); oder (3) eines anderen bekannten optischen Detektionsverfahrens. Diese Optik-basierten Systeme umfassen gewöhnlich einen Laser und einen Photodetektor (beide nicht gezeigt), die in Übereinstimmung mit einer der oben genannten Techniken interagieren. Wenn sie in Verbindung mit sehr kleinen, mikrofabrizierten Federbalken und piezoelektrischen Positionierungselementen als laterale und vertikale Abtaster verwendet werden, können AFMs des Typs der vorliegenden Erfindung eine Auflösung bis auf die Molekularebene vorsehen, wobei sie mit steuerbaren Kräften betrieben werden können, die ausreichend klein sind, um biologischen Substanzen abzubilden.
Der Ablenkungs-Detektor 30 kann auch ein Piezowiderstand sein, der in dem Federbalken integriert ist und eine assoziierte Brückenschaltung aufweist, um den Widerstand des Piezowiderstands zu messen (Tortonese, Barrett und Quate „Atomic Resolution With an Atomic Force Microscope Using Piezoresistive Detection,” Appl. Phys. Lett., 62(8), 834–836 (1993)). Alternativ dazu kann der Ablenkungs-Detektor 30 auch eine Schaltung zum Messen der Impedanz des piezoelektrischen Elements des selbstbetätigten Federbalkens 20 oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung sein.
Wie weiterhin in 1 gezeigt, wird das AFM 10 mit einer Kraft betrieben, die durch eine Kombination aus einem ersten Signal mit einem Sollwert und einem durch den Ablenkungs-Detektor 30 erzeugten Federbalken-Detektorsignal betrieben. Insbesondere umfasst das AFM 10 einen Differenzverstärker 32, der das Sollwertsignal empfängt und von dem Federbalken-Ablenkungssignal subtrahiert, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Der Differenzverstärker 32 überträgt das Fehlersignal zu einer Steuereinrichtung 34, die vorzugsweise eine PID-Steuereinrichtung ist (PID: proportional – integral – derivativ) ist, in einer Rückkopplungsschleife 12. Die Steuereinrichtung 34 kann entweder analog oder digital implementiert werden und kann entweder eine lineare Verstärkung oder eine Verstärkung aufweisen, die durch eine komplexere Berechnung gekennzeichnet ist. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 34 eine Verstärkung auf das Fehlersignal anwenden, die durch eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung definiert ist.
Die Steuereinrichtung 34 erzeugt dann in Reaktion auf das Fehlersignal ein Steuersignal und überträgt das Steuersignal zu einem piezoelektrischen Element 36, das auf dem selbstbetätigten Federbalken 20 vorgesehen ist. Durch das Steuern der Z- bzw. vertikalen Position des piezoelektrischen Elements 36 des Federbalkens 20 mit Rückkopplungssteuersignalen von der Steuereinrichtung 34 wird ein AFM 10 idealerweise betrieben, um das durch den Differenzverstärker 32 erzeugte Fehlersignal zu aufzuheben. Wenn das Fehlersignal aufgehoben wird, wird die Kraft zwischen der Spitze 26 und der Probenoberfläche 28 auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gleich dem Sollwert gehalten. Dabei ist zu beachten, dass optional ein Hochspannungsverstärker (nicht gezeigt) verwendet werden kann, um die Spannung des an den Federbalken 20 übertragenen Steuersignals zu erhöhen, was jedoch für die meisten Anwendungen nicht erforderlich ist.
Das durch die Steuereinrichtung 34 der Rückkopplungsschaltung 12 am Federbalken 20 angelegte Steuersignal wird vorzugsweise als ein Fehlersignal auch in eine zweite Rückkopplungsschaltung 14 eingegeben, wobei die erste Rückkopplungsschaltung 12 in der zweiten Rückkopplungsschaltung 14 verschachtelt ist. Die Rückkopplungsschaltung 14 umfasst eine zweite Steuereinrichtung 38, die wie die Steuereinrichtung 34 analog oder digital implementiert werden kann und entweder eine lineare Verstärkung oder eine Verstärkung mit einer komplexeren Berechnung anwenden kann. Die Steuereinrichtung 38 weist einen zweiten Eingang auf, an dem ein Vergleichssignal mit einem zweiten Sollwert angelegt wird, der gleich dem Z-Mittelpunkt des gesteuerten Aktuators, z. B. des AFM-Z-Position-Aktuators 16, ist. Vorzugsweise ist dieser Sollwert ein Nullkoordinatenwert, so dass das Federbalken-Steuersignal (die Ausgabe der Steuereinrichtung 34) selbst das Fehlersignal ist. Ähnlich wie die Steuereinrichtung 34 bedingt die Steuereinrichtung 38 (die ebenfalls vorzugsweise eine PID-Steuereinrichtung ist) das Fehlersignal (d. h. die Differenz ihrer Eingangssignale) mit einer Verstärkung, die durch eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung gekennzeichnet ist. Die Steuereinrichtung 38 erzeugt ein zweites Rückkopplungssteuersignal, das schließlich an einem Z-Position-Aktuator 16 angelegt wird, um die niederfrequenten Komponenten des durch die Rückkopplungsschaltung 12 erzeugten Steuersignals effektiv aufzuheben. Ein Hochspannungsverstärker 40 kann verwendet werden, um die Spannung des durch die Steuereinrichtung 38 an den Z-Position-Aktuator 16 ausgegebenen Steuersignals zu erhöhen, wobei ein derartiger Verstärker 40 für die meisten Positions-Transducer der Größenordnung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Um mit einer maximalen Abtastrate betrieben werden zu können, wird die Verstärkung der zweiten Rückkopplungsschleife 14, die den Z-Position-Aktuator 16 steuert, auf null oder einen kleinen Wert reduziert. Daraus resultiert, dass die Topographie der Probenoberfläche 28 bei einer Abtastrate von mehr als 500 μm/s als das Rückkopplungssteuersignal erscheint, das durch die erste Rückkopplungsschleife 12 an dem selbstbetätigten Federbalken 20 angelegt wird. In diesem Fall kann der Z-Position-Aktuator 16 auf vorprogrammierte Weise gesteuert werden, um der Steigung der Probenoberfläche 28 zu folgen oder eine Kopplung aufgrund des lateralen Abtastens der Spitze 26 zu beseitigen.
Weiterhin kann in dieser Ausführungsform die Empfindlichkeit des selbstbetätigten Federbalkens 20 mit dem Standard-Z-Position-Aktuator 16 kalibriert werden. Die Empfindlichkeitskalibrierung wird bewerkstelligt, indem die zwei Aktuatoren 16 und 36 in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden, um eine Null-Nettobewegung der Spitze 26 zu erreichen, was durch den Kraftablenkungs-Detektor 30 gemessen wird, und die entsprechenden Nicht-Null-Steuersignale verglichen werden, die erforderlich sind, um diese Null-Nettobewegung zu erreichen.
2 zeigt ein AFM 50 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für den TappingMode^TM bzw. Zyklusmodus-Betrieb ausgebildet ist. Das AFM 50 umfasst wie in der Ausführungsform von 1 zwei Rückkopplungsschaltungen (Schleifen) 52 und 54, die jeweils den selbstbetätigten Federbalken 20 der Sondenanordnung 18 und den AFM-Z-Position-Aktuator 16 steuern. Das AFM 50 umfasst weiterhin einen Oszillator 56, der den selbstbetätigten Federbalken 20 in Schwingung versetzt, indem er eine Oszillationsspannung direkt an dem piezoelektrischen Element 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20 anlegt. Die resultierende Schwingung des Federbalkens 20 kann durch besondere Amplituden-, Frequenz- und Phasenparameter gekennzeichnet sein. Dabei ist zu beachten, dass der AFM-Z-Position-Aktuator 16 vorzugsweise ein Piezoröhren-Aktuator ist, wobei eine zu analysierende Probe auf dem Piezoröhren-Aktuator derart angeordnet ist, dass die Bewegung des Aktuators 16 im wesentlichen normal zu der Abtastoberfläche 28 der Probe erfolgt.
Wenn die Spitze 26 in nächster Nähe zu der Probenoberfläche 28 ist, modifiziert die Kraftinteraktion zwischen der Spitze 26 und der Probenoberfläche 28 die Amplitude der Schwingung in dem Federbalken 20. Ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Kontaktmodus-Ausführungsform misst der Ablenkungs-Detektor 30 die Ablenkung des Federbalkens 20 mit Hilfe einer Optikstrahl-Sprungtechnik, einer interdigitalen Beugungsgitter-Technik oder eines anderen optischen Detektionsverfahrens aus dem Stand der Technik.
Wenn der Detektor 30 während des Betriebs Daten zu der Federbalken-Ablenkung erfasst, erzeugt der Detektor 30 ein Ablenkungssignal, das danach für die weitere Verarbeitung in der Schleife 52 durch einen RMS-zu-DC-Umwandler 58 zu einem RMS-Amplitudensignal umgewandelt wird. Dabei kann jedoch alternativ zu dem RMS-zu-DC-Umwandler 58 auch eine Lock-in-Detektion oder eine andere Amplituden-, Phasen- oder Frequenz-Detektionstechnik verwendet werden.
Die Betriebs-RMS-Amplitude der Federbalkenschwingung wird wenigstens zum Teil durch den Sollwert bestimmt. Ein Differenzverstärker 32 subtrahiert ein dem Sollwert entsprechendes Signal von dem Federbalken-Ablenkungssignal, das durch den Umwandler 58 ausgegeben wird. Das als Ergebnis dieser Operation durch den Differenzverstärker 32 erzeugte Fehlersignal wird in die Steuereinrichtung 34 eingegeben. Die Steuereinrichtung 34 (wiederum vorzugsweise eine PID-Steuereinrichtung) wendet eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung auf das Fehlersignal an und gibt ein entsprechendes Steuersignal aus. Die Steuereinrichtung 34 wendet dieses Steuersignal dann auf das piezoelektrische Element 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20 an, um die Z-Position des Federbalkens 20 zu steuern, wenn der Federbalken über variierende topographische Merkmale der Probenoberfläche geführt wird. Indem das Rückkopplungssteuersignal wie beschrieben angelegt wird, hebt die Rückkopplungsschleife 52 schließlich das Fehlersignal auf, so dass beispielsweise die Oszillationsamplitude des Federbalkens 20 auf dem Sollwert gehalten wird.
Ein Summierverstärker 60 summiert dann das durch die Steuereinrichtung 34 ausgegebene Rückkopplungssteuersignal mit der Ausgabe des Steueroszillators 56, um das Rückkopplungs-Federbalken-Steuersignal an dem Element 36 anzulegen. Dabei kann ein Hochspannungsverstärker (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Spannung des summierten Signals zu erhöhen, das durch den Verstärker 60 ausgegeben und an dem piezoelektrischen Element 36 des Federbalkens 20 angelegt wird, wobei dies jedoch nicht erforderlich ist.
Das an dem Summierverstärker 60 von der Steuereinrichtung 34 angelegte Steuersignal wird auch als Fehlersignal der zweiten Rückkopplungsschleife 54 in die Steuereinrichtung 38 eingegeben, so dass die erste Rückkopplungsschleife 52 (ähnlich der Rückkopplungsschleife 12 der Kontaktmodus-Ausführungsform von 1) innerhalb der zweiten Rückkopplungsschleife 54 verschachtelt ist. Die Steuereinrichtung 38 weist einen zweiten Eingang auf, der ein Vergleichssignal mit einem zweiten Sollwert empfängt, der gleich dem Z-Mittenpunkt des gesteuerten Aktuators, d. h. des AFM-Z-Aktuators 16 ist. Vorzugsweise ist dieser Sollwert ein Nullkoordinatenwert, so dass das Federbalken-Steuersignal selbst das Fehlersignal ist. Die Steuereinrichtung 38 wendet eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung auf das Fehlersignal an und gibt ein entsprechendes Steuersignal aus, um den Z-Position-Aktuator 16 und damit die Z-Position der Probe zu steuern. Diese Steuerung der Z-Position der Probe bewirkt, dass die niederfrequenten Komponenten des durch die Rückkopplungsschaltung 52 erzeugten Steuersignals für den selbstbetätigten Federbalken effektiv aufgehoben werden. Dabei kann ein Hochspannungsverstärker 40 zwischen dem Ausgang der Steuereinrichtung 38 und dem Eingang des Z-Position-Aktuators 16 verwendet werden, um die Spannung des Steuersignals zu erhöhen, das durch die Steuereinrichtung 38 an dem Z-Position-Aktuator 16 angelegt wird, was für die meisten Positions-Transducer in der Größenordnung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Während einer Abtastoperation wird wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Verstärkung einer zweiten Rückkopplungsschleife 54, die den Z-Position-Aktuator 16 steuert, vorzugsweise auf null oder einen kleinen Wert reduziert. In dieser Zyklusmodus-Ausführungsform kann der Z-Position-Aktuator 16 beispielsweise vorprogrammiert gesteuert werden, so dass er entweder der Steigung der Probenoberfläche 28 folgt oder eine Kopplung aufgrund des lateralen Abtastens der Spitze 26 beseitigt. Wenn die Verstärkung der zweiten Rückkopplungsschleife 54 optimiert wird, gibt das durch die Schleife 54 ausgegebene Steuersignal die Topographie der Probe wieder. Daraus resultiert, dass die durch die Schleife 52 ausgegebenen Rückkopplungssteuersignale für den Federbalken je nach der Abtastrate und in Entsprechung zu bestimmen lateralen Koordinaten die Topographie der Probenoberfläche 28 wiedergeben. Diese Signale können dann weiter verarbeitet werden, um ein Bild der Probenoberfläche zu erstellen.
Die Bandbreite der Amplitudendetektion des Federbalkens im Zyklusmodus oder im Nicht-Kontaktmodus wird durch die Frequenzbreite der mechanischen Resonanzspitze des Federbalkens begrenzt, die durch die 3dB-Roll-off-Frequenzen definiert wird. Insbesondere ist das 3dB-Roll-off gleich f/2Q, wobei f die zentrale Frequenz der Resonanzspitze ist und Q der Qualitätsfaktor der Federbalken-Resonanzspitze ist. Als solche ist die Breite der Resonanzspitze proportional zu dem Qualitätsfaktor Q der Resonanzspitze.
3 zeigt auf schematische Weise, wie der Qualitätsfaktor Q der Federbalken-Resonanzspitze des selbstbetätigten Federbalkens 20 unter Verwendung einer Ablenkungs-Rückkopplungstechnik modifiziert werden kann. Allgemein modifiziert eine Aktivdämpfungsrückkopplung oder eine Federbalken-Steuerschaltung 62 die durch einen Steueroszillator 66 ausgegebene (und direkt an dem piezoelektrischen Element 36 des Federbalkens 20 angelegte) oszillierende Spannung, um die Bandbreite der Amplitudendetektion zu optimieren. Die Aktivdämpfungsschaltung 62 verwendet einen Ablenkungs-Detektor 30, der wie oben mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben vorzugsweise ein optisches Detektionssystem mit einem Laser und einem Photodetektor ist und die Federbalken-Ablenkung mittels einer Optikstrahl-Sprungtechnik usw. misst. Alternativ hierzu kann der Ablenkungs-Detektor 30 wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform (1) ein in dem Federbalken 20 integrierter Piezowiderstand mit einer assoziierten Brückenschaltung zum Messen des Widerstands des Piezowiderstands oder (2) eine Schaltung zum Messen der Impedanz des piezoelektrischen Elements 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20 sein.
Wenn der Ablenkungs-Detektor 30 eine Ablenkung des Federbalkens 18 feststellt, überträgt er ein entsprechendes Ablenkungssignal zu einem Phasenverschieber 64 der Aktivdämpfungsschaltung 62. Vorzugsweise beschleunigt oder verzögert der Phasenverschieber 64 die Phase des festgestellten Ablenkungssignals um 90 Grad. Diese Phasenverschiebung wirkt als eine Dämpfungskomponente der oszillierenden Bewegung des Federbalkens 20, um den Qualitätsfaktor Q der mechanischen Resonanz des Federbalkens zu modifizieren. Das phasenverschobene Ablenkungssignal wird dann durch einen Summierverstärker 68 mit der Ausgabe eines Steueroszillators 66 summiert. Vor dem Anlegen der modifizierten Oszillationsspannung an dem Federbalken 20 verstärkt ein Verstärker 70 die Ausgabe des Summierverstärkers 68 auf eine geeignete Spannung zum Steuern des piezoelektrischen Elements 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20. Während des Betriebs steuert die Ausgabe des Verstärkers 70 den selbstbetätigten Federbalken 20 mit der mechanischen Resonanz des Federbalkens 18.
Die relative Verstärkung der Oszillatorsignalamplitude zu dem phasenverschobenen Ablenkungssignal bestimmt den Grad, mit dem der Qualitätsfaktor Q der Federbalken-Resonanz modifiziert wird, so dass er die verfügbare Bandbreite angibt. Dabei kann das Verhältnis der zwei summierten Signale im Summierverstärker 68 skaliert werden, um zu bestimmen, wie sehr die Federbalken-Resonanz modifiziert wird. Alternativ hierzu kann eine Verstärkungsstufe 65 zwischen dem Phasenverschieber 64 und dem Summierverstärker 68 eingefügt werden, um das phasenverschobene Signal zu skalieren und die Resonanz-Modifikationsdaten zu erhalten.
Durch das oben beschriebene aktive Dämpfen der Oszillationsspannung zum Modifizieren des Qualitätsfaktors Q optimiert die Dämpfungsschaltung 62 idealerweise die Bandbreite der Reaktion des Federbalkens 20. Daraus resultiert, dass das AFM die Abtastrate maximieren und gleichzeitig einen annehmbaren Grad von Kraftfeststellungsempfindlichkeit aufrechterhalten kann.
4 zeigt ein AFM 80 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die Merkmale des AFMs 50 (Zyklusmodus-Konfiguration von 2) mit zwei verschachtelten Rückkopplungsschleifen 82 und 54 mit den Merkmalen der Aktivdämpfungsschaltung 62 (3) kombiniert, um den Qualitätsfaktor Q des Federbalkens 20 im Schnellabtastungs-Zyklusmodusbetrieb zu modifizieren. Indem die Resonanz des Federbalkens 20 aktiv mit Rückkopplungssignalen aus der Schaltung 62 gedämpft wird, steigt die Kraftfeststellungsbandbreite proportional zu einer entsprechenden Verminderung des Qualitätsfaktors Q. Indem eine Verminderung des Qualitätsfaktors Q mit den Steuermerkmalen des AFMs 50 (2) kombiniert wird, realisiert das AFM 80 eine viel größere Schleifenbandbreite im Zyklusmodus, so dass es einen viel höheren (und damit kommerziell interessanteren) Durchsatz pro Gerät erreicht.
Allgemein wird das AFM 80 wie folgt betrieben. Zu Beginn wird das durch den Ablenkungs-Detektor 30 während einer Abtastoperation erhaltene Ablenkungssignal durch den Phasenverschieber 64 der Aktivdämpfungsschaltung 62 phasenverschoben. Die Phase des Ablenkungssignals wird wie weiter oben genannt vorzugsweise um 90 Grad beschleunigt oder verzögert, so dass sie als Dämpfungskomponente für die oszillierende Bewegung des Federbalkens 20 dient und damit den Qualitätsfaktor Q des Federbalkens modifiziert. Das phasenverschobene Ablenkungssignal wird dann durch den Summierverstärker 68 mit der Ausgabe des Oszillators 66 summiert.
Das Verhältnis der zwei summierten Signale kann in dem Summierverstärker 68 skaliert werden, um zu bestimmen, wie weit die Federbalken-Resonanz modifiziert wird. Alternativ dazu kann wie in Verbindung mit 3 beschrieben eine Verstärkungsstufe 65 zwischen dem Phasenverschieber und dem Summierverstärker eingefügt werden, um das phasenverschobene Signal zu skalieren. Die Ausgabe des Summierverstärkers 68 wird dann weiter (durch den Verstärker 70) auf eine geeignete Spannung zum Steuern des piezoelektrischen Elements 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20 verstärkt.
Im Folgenden wird weiterhin auf 4 Bezug genommen. Der spezifische Betrieb des AFMs 80 sieht vor, dass die Ausgabe des Verstärkers 70 den selbstbetätigten Federbalken 20 mit einer Frequenz gleich derjenigen der natürlichen Resonanz des Federbalkens 20 steuert, wobei der Qualitätsfaktor Q der Steuerfrequenz durch die Aktivdämpfungsschaltung 62 modifiziert wird, um die gesamte Schleifenbandbreite zu erhöhen und dadurch die Abtast-/Abbildungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Weil das auf dem Federbalken 20 angeordnete piezoelektrische Elemente 36 in dieser Ausführungsform verwendet wird, um den Federbalken 20 mit seiner Resonanzfrequenz zu steuern, kann die oszillierende Spannung direkt an den Federbalken 20 angelegt werden, ohne dass fremde mechanische Resonanzen in das System eingeführt werden.
Wenn die Spitze 26 in nächster Nähe zu der Probenoberfläche 28 ist, modifiziert die Kraftinteraktion zwischen der Spitze 26 und der Probenoberfläche 28 die Schwingungsamplitude in dem Federbalken 20. Das in Reaktion auf eine festgestellte Änderung in der Schwingungsamplitude durch den Ablenkungs-Detektor 30 erzeugte Ablenkungssignal wird dann durch den RMS-zu-DC-Umwandler 58 zu einem RMS-Amplitudensignal umgewandelt. Dabei kann eine Lock-in-Detektion oder eine andere Amplituden-, Phasen- oder Frequenz-Detektionstechnik anstelle des RMS-zu-DC-Umwandlers 58 verwendet werden.
Ähnlich wie bei dem AFM 50 wird die Betriebs-RMS-Amplitude der Federbalken-Schwingung (wenigstens zum Teil) durch den Sollwert bestimmt, der durch den Differenzverstärker 32 von dem Federbalken-Ablenkungsignal subtrahiert wird. Das durch den Differenzverstärker 32 erzeugte Fehlersignal wird in die Steuereinrichtung 34 eingegeben. Die Steuereinrichtung 34 wendet eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung auf das Fehlersignal an und steuert das piezoelektrische Element 36 des selbstbetätigten Federbalkens 20, um das Fehlersignal aufzuheben und sicherzustellen, dass die Amplitude der Federbalken-Oszillation im wesentlichen konstant auf einem Wert gleich dem Sollwert gehalten wird. Ein Hochspannungsverstärker (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Spannung des Signals für den Federbalken 20 zu erhöhen, was jedoch nicht erforderlich ist.
Das von der Steuereinrichtung 34 zu dem Federbalken 20 übertragene Steuersignal wird auch in die Steuereinrichtung 38 der zweiten Rückkopplungsschleife 54 eingeben, wobei die erste Rückkopplungsschaltung 82 innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung 54 verschachtelt ist. Vorzugsweise ist der in die Steuereinrichtung 38 eingegebene zweite Sollwert ein Wert, der mit dem AFM-Aktuator 16 assoziiert ist, wobei in diesem Fall das Federbalken-Steuersignal selbst das durch die Steuereinrichtung 38 bedingte Fehlersignal ist. Wiederum wendet die PID-Steuereinrichtung 38 eine proportionale, integrale und/oder differentiale Verstärkung auf das Fehlersignal an, um schließlich den Z-Position-Aktuator 16 derart zu steuern, dass die niederfrequenten Komponenten des am selbstbetätigten Federbalken angelegten Steuersignals aufgehoben werden, wenn mit einer optimalen Rate abgetastet wird. Weiterhin kann wie oben genannt ein Hochspannungsverstärker 40 verwendet werden, um die Spannung des am Z-Position-Aktuator 16 angelegten Steuersignals zu erhöhen, was für die meisten Transducer der Größenordnung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Das AMF 80 kombiniert einen AFM-Z-Aktuator 16 mit einem selbstbetätigten Federbalken 20 derart, dass sowohl eine Bilderzeugung mit hoher Geschwindigkeit als auch eine genaue Z-Positionsmessung möglich ist, indem der effektive Qualitätsfaktor Q des Federbalkens durch die Dämpfungsschaltung 62 herabgesetzt wird. Die Dämpfungsschaltung 62 modifiziert aktiv das vom Oszillator 66 ausgegebene oszillierende Spannungssignal, wobei sie die Empfindlichkeit der natürlichen Resonanz beibehält, um sicherzustellen, dass die Bandbreite der Federbalken-Reaktion optimiert wird. Weiterhin kann die Topographie in Abhängigkeit von der besonderen Probentopographie und der Abtastrate wiedergegeben werden, indem eines der Rückkopplungssteuersignale unabhängig von dem anderen beobachtet wird.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Standard-AFM-Z-Position-Aktuator 16 (z. B. einem Piezoröhren-Aktuator) der vorstehenden Ausführungsformen durch einen thermisch reagierenden Aktuator ersetzt ist, der in dem selbstbetätigten Federbalken integriert ist. Insbesondere umfasst die alternative Ausführungsform eine Sondenanordnung 90 einschließlich von (1) einem selbstbetätigten Federbalken 92 mit einem ersten Ende 94, das beispielsweise an einem AFM-Substrat 107 befestigt ist, (2) einem verlängerten Teil 96 und (3) einem zweiten entfernten Ende 97, das eine Spitze 98 zum Abtasten der Oberfläche 28 (siehe z. B. 4) einer Probe umfasst. Der selbstbetätigte Federbalken 92 umfasst weiterhin ein Z-Positionierungselement 100, das auf demselben vorgesehen ist.
Der Betrieb dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Prinzip der ungleichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Federbalken 92, der vorzugsweise aus einem Siliziummaterial besteht, und dem Z-Positionierungselement 100, das vorzugsweise aus Zinkoxid besteht. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein thermischer Aktuator wie beispielsweise ein Widerstandsheizer 104 mittels eine Dotierungsprozesses in dem Federbalken integriert.
Wenn der thermische Aktuator (d. h. der Widerstandsheizer 104) während des Betriebs erwärmt wird, verhält sich der selbstbetätigte Federbalken 92 wie ein Bimorph. Insbesondere veranlassen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Federbalkens 92 aus Silizium und des Z-Positionierungselements 100 aus Zinkoxid, dass sich der Federbalken 92 bei einer Erwärmung wie ein Bimorph verhält. Dieser Effekt macht sich am stärksten im Bereich 106 des Federbalkens 92 bemerkbar. Dabei kann die Probenanordnung 90 (und insbesondere der thermische Aktuator) ähnlich wie der Z-Position-Aktuator 16 (der Piezoröhren-Z-Aktuator) der vorhergehenden Ausführungsformen eine sehr genaue Bilderzeugung bei relativ niedrigen Abtastraten vorsehen. Bei niedrigeren Bilderzeugungsraten (z. B. weniger als 500 μm/s) wird das Zinkoxidelement 100 als Bezug für den thermischen Aktuator verwendet, wobei der thermische Aktuator durch das Rückkopplungssignal von z. B. der Rückkopplungsschleife 54 (4) gesteuert wird. Weiterhin sieht der piezoelektrische Effekt des Z-Positionierungselements 100 aus Zinkoxid eine schnelle Betätigung des Federbalkens für schnellere Bilderzeugungsraten vor.
Indem also der thermische Aktuator anstelle des Standard-AFM-Piezoröhren-Z-Aktuators verwendet wird, kann der vertikale Betriebsbereich des selbstbetätigten Federbalkens erhöht werden, wodurch sich eine effektive Alternative für das Abbilden von Proben mit einer Topographie ergibt, die einen höheren Betriebsbereich in der Vertikalen erfordern. Während der Aktuator des selbstbetätigten Federbalkens der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorzugsweise eine Bewegung des Federbalkens über einen Bereich von ungefähr 2 bis 5 μm in der Z-Richtung vorsehen kann und ein Standard-Pizeoröhren-Aktuator gewöhnlich über einen Bereich von 5 bis 10 μm operiert, können die thermischen Aktuatoren von 5 eine Bewegung des Federbalkens über einen Bereich von ungefähr 10–100 μm veranlassen. Diese alternative Ausführungsform wurde mit einer vorzugsweisen Verwendung von Zinkoxid für das piezoelektrische Element beschrieben, wobei jedoch auch ein beliebiges anderes Material mit geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften verwendet werden kann, um eine wie oben beschriebene Z-Positionierung des selbstbetätigten Federbalkens 92 vorzusehen.
Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die vorliegende, Erfindung jedoch nicht auf dieselben beschränkt ist. Es können verschiedene Zusätze, Modifikationen und Umordnungen bei den Merkmalen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne dass dadurch der Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims

AFM zum Analysieren einer Probe mit einer vorbestimmten Abtastrate im Kontaktmodus, mit: einem selbstbetätigten Federbalken mit einem darauf angeordneten Z-Positionierungselement und einer daran angebrachten Spitze, welche die Probe im Wesentlichen kontinuierlich während einer Abtastoperation kontaktiert, einer ersten Rückkopplungsschaltung, die im Ansprechen auf eine vertikale Verschiebung des selbstbetätigten Federbalkens ein Federbalken-Steuersignal erzeugt, einer auf das Federbalken-Steuersignal ansprechenden zweiten Rückkopplungsschaltung zum Erzeugen eines Positionssteuersignals, wobei das Federbalken-Steuersignal in die zweite Rückkopplungsschaltung eingegeben wird, so dass die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist, und einem auf das Positionssteuersignal ansprechenden Z-Position-Aktuator zum Positionieren des selbstbetätigten Federbalkens oder der Probe, um den Abstand zwischen dem selbstbetätigten Federbalken und der Probe zu ändern.
AFM nach Anspruch 1, wobei das Z-Positionierungselement aus einem piezoelektrischen Material ist.
AFM nach Anspruch 2, wobei die erste Rückkopplungsschaltung einen Ablenkungs-Detektor umfasst, der die vertikale Verschiebung des selbstbetätigten Federbalkens feststellt und ein entsprechendes Ablenkungssignal erzeugt.
AFM nach Anspruch 3, wobei die erste Rückkopplungsschaltung weiterhin einen Differentialverstärker umfasst, der im Ansprechen auf das Ablenkungssignal ein Fehlersignal erzeugt.
AFM nach Anspruch 4, wobei die erste Rückkopplungsschaltung weiterhin eine Steuereinrichtung umfasst, die eine Verstärkung auf das Fehlersignal anwendet, um das Federbalken-Steuersignal zu erzeugen.
AFM nach Anspruch 5, wobei die Verstärkung durch eine proportionale, eine integrale und/oder eine differentiale Verstärkung gekennzeichnet ist.
AFM nach Anspruch 4, wobei das Z-Positionierungselement auf das Federbalken-Steuersignal reagiert, indem es eine vertikale Verschiebung des selbstbetätigten Federbalkens verursacht, um das Fehlersignal im Wesentlichen aufzuheben.
AFM nach Anspruch 3, wobei der Ablenkungs-Detektor einen Photodetektor und einen Laser umfasst.
AFM Anspruch 1, wobei das AFM eine Halterung umfasst und wobei der selbstbetätigte Federbalken ein erstes mit der Halterung befestigtes Ende und ein zweites entferntes Ende aufweist, welches die Spitze hält.
AFM nach Anspruch 9, wobei der selbstbetätigte Federbalken auf das Federbalken-Steuersignal reagiert, um eine im Wesentlichen konstante Kraft zwischen der Spitze und einer Oberfläche der Probe aufrechtzuerhalten.
AFM nach Anspruch 1, wobei das Federbalken-Steuersignal die Topographie der Probe wiedergibt.
Verfahren zum Abbilden einer Probe mit einem Sonden-basierten AFM, das einen selbstbetätigten Federbalken und einen Z-Position-Aktuator umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abtasten einer Oberfläche der Probe durch den selbstbetätigten Federbalken mit einer vorbestimmten Abtastrate, Feststellen einer Ablenkung des Federbalkens im Ansprechen auf den Abtastschritt und Erzeugen eines entsprechenden Ablenkungssignals, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals durch eine erste Rückkopplungsschaltung im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Anlegen des Federbalken-Steuersignals an dem selbstbetätigten Federbalken, um während des Abtastschrittes eine im Wesentlichen konstante Kraft zwischen dem selbstbetätigten Federbalken und der Oberfläche aufrechtzuerhalten, Erzeugen eines Positionssteuersignals durch eine zweite Rückkopplungsschaltung im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, wobei das Federbalken-Steuersignal in die zweite Rückkopplungsschaltung eingegeben wird, so dass die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist, und Anlegen des Positionssteuersignals an dem Z-Position-Aktuator, um die Probe während des Abtastschrittes zu positionieren.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 12, wobei das Federbalken-Steuersignal ein topographisches Merkmal der Oberfläche mit einer hohen Frequenz wiedergibt.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der Feststellungsschritt unter Verwendung eines Photodetektors und eines Lasers durchgeführt wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 14, wobei der Feststellungsschritt unter Verwendung einer Optikstrahlen-Sprungtechnik oder einer interdigitalen Beugungsgitter-Technik durchgeführt wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 13, wobei das Positionssteuersignal alleine die Topographie der Probe wiedergibt, wenn die Abtastrate kleiner als 500 μm/s ist.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 13, das weiterhin einen Schritt zum Kalibrieren des selbstbetätigten Federbalkens mit dem Z-Position-Aktuator umfasst, indem das Federbalken-Steuersignal verwendet wird, um den selbstbetätigten Federbalken in einer ersten Richtung zu bewegen, und indem das Positionssteuersignal verwendet wird, um den Z-Position-Aktuator in einer zweiten Richtung zu bewegen, die der ersten Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt ist, um eine Null-Nettobewegung des selbstbetätigten Federbalkens zu erreichen und um dann das Federbalken-Steuersignal mit dem Positionssteuersignal zu vergleichen.
AFM zum Analysieren der Oberfläche einer Probe im Zyklusmodus, wobei das AFM umfasst: einen selbstbetätigten Federbalken mit einem darin integrierten Z-Positionierungselement, einen Oszillator, der den selbstbetätigten Federbalken in Schwingung versetzt, eine ersten Rückkopplungsschaltung, die im Ansprechen auf eine vertikale Verschiebung des selbstbetätigten Federbalkens während einer Abtastoperation ein Federbalken-Steuersignal erzeugt, eine auf das Federbalken-Steuersignal ansprechende, zweite Rückkopplungsschaltung zum Erzeugen eines Positionssteuersignals, wobei das Federbalken-Steuersignal in die zweite Rückkopplungsschaltung eingegeben wird, so dass die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist, einen auf das Positionssteuersignal ansprechenden Z-Position-Aktuator zum Positionieren des selbstbetätigten Federbalke oder der Probe, um den Abstand zwischen dem selbstbetätigten Federbalken und der Probe zu ändern, wobei der selbstbetätigte Federbalken auf das Federbalken-Steuersignal reagiert, um einen Parameter der Sondenoszillation im Wesentlichen konstant zu halten.
AFM nach Anspruch 18, wobei der Oszillator eine oszillierende Spannung direkt an dem Z-Positionierungselement anlegt, um den selbstbetätigten Federbalken in Schwingung zu versetzen.
AFM nach Anspruch 19, wobei das Z-Positionierungselement ein piezoelektrisches Material umfasst.
AFM nach Anspruch 18, wobei das Positionssteuersignal eine niederfrequente Komponente der Topographie der Oberfläche angibt, und das Federbalken-Steuersignal eine hochfrequente Komponente der Topographie der Oberfläche angibt.
AFM nach Anspruch 21, wobei die niederfrequente Komponente die Steigung der Oberflächentopographie umfasst.
AFM nach Anspruch 18, wobei das Federbalken-Steuersignal verwendet wird, um die Topographie der Oberfläche wiederzugeben.
AFM mit: einer ersten Rückkopplungsschleife, die ein erstes Rückkopplungssignal ausgibt, einem selbstbetätigten Federbalken, der durch das erste Rückkopplungssignal gesteuert wird, und einem Z-Position-Aktuator, der durch eine zweite Rückkopplungsschleife gesteuert wird, wobei die erste Rückkopplungsschleife innerhalb der zweiten Rückkopplungsschleife verschachtelt ist, um zu gestatten, dass die zweite Rückkopplungsschleife das erste Rückkopplungssignal als ein Fehlersignal verwendet.
Verfahren zum Abbilden einer Probe im Zyklusmodus mit einem Sonden-basierten AFM, das einen selbstbetätigten Federbalken und einen Z-Position-Aktuator umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abtasten einer Oberfläche der Probe durch den selbstbetätigten Federbalken, wobei der selbstbetätigte Federbalken ein darin integriertes Z-Positionierungselement umfasst, Erzeugen eines Ablenkungssignals im Ansprechen auf eine Ablenkung des selbstbetätigten Federbalkens während des Abtastschritts, Anlegen einer oszillierenden Steuerspannung an dem Z-Positionierungselement, um den selbstbetätigten Federbalken in Schwingung zu versetzen, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Halten eines mit der Oszillation des selbstbetätigten Federbalkens assoziierten Parameters auf einem konstanten Wert, indem die Position des selbstbetätigten Federbalkens im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal relativ zu der Probe gesteuert wird, Erzeugen eines Positionssteuersignals im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, und Steuern des Z-Position-Aktuators im Ansprechen auf das Positionssteuersignal.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 25, wobei das Federbalken-Steuersignal durch eine erste Rückkopplungsschaltung erzeugt wird und wobei das Positionssteuersignal durch eine zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, wobei die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist und wobei die zweite Rückkopplungsschaltung mit einer langsameren Geschwindigkeit betrieben wird als die erste Rückkopplungsschaltung.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 25, wobei der Z-Position-Aktuator ein Piezoröhren-Aktuator ist, der die Z-Position der Probe steuert.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 25, wobei der Z-Position-Aktuator ein thermischer Aktuator ist.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 28, wobei das Z-Positionierungselement Zinkoxid umfasst und wobei der selbstbetätigte Federbalken ein längliches Glied aus Silizium umfasst.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 29, das weiterhin einen Schritt zum Erwärmen des selbstbetätigten Federbalkens umfasst, um zu veranlassen, dass das längliche Glied im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung gebogen wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 30, wobei der Erwärmungsschritt unter Verwendung eines auf dem selbstbetätigten Federbalken angeordneten Heizelements durchgeführt wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 25, das weiterhin einen Schritt zum Verwenden des Federbalken-Steuersignals umfasst, um die Topographie der Oberfläche wiederzugeben.
Verfahren zum Abbilden einer Probe im Zyklusmodus mit einem Sonden-basierten AFM, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines selbstbetätigten Federbalkens und eines Piezoröhren-Z-Position-Aktuators, wobei der selbstbetätigte Federbalken ein darin integriertes Z-Positionierungselement umfasst, Oszillieren des selbstbetätigten Federbalkens mit Hilfe des Z-Positionierungselements mit einer Federbalken-Resonanzfrequenz und einer vorbestimmten Oszillationsamplitude, Abtasten einer Oberfläche der Probe mit dem selbstbetätigten Federbalken, Erzeugen eines Ablenkungssignals im Ansprechen auf den Abtastschritt, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals durch eine erste Rückkopplungsschleife im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Halten der Oszillationsamplitude auf einem konstanten Wert im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, und Verwenden des Federbalken-Steuersignals als ein Fehlersignal in einer zweiten Rückkopplungsschleife, um den Z-Position-Aktuator zu steuern, wobei die erste Rückkopplungsschleife innerhalb der zweiten Rückkopplungsschleife verschachtelt ist.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 33, wobei der Schwingungsschritt durchgeführt wird, indem eine oszillierende Spannung direkt an dem Z-Positionierungselement angelegt wird.
Abbildungsverfahren nach Anspruch 33, wobei das Federbalken-Steuersignal die Topographie der Probe wiedergibt, wenn der Abtastschritt mit einer Geschwindigkeit von im Wesentlichen mehr als 500 μm/s durchgeführt wird.
Verfahren zum Analysieren der Oberfläche einer Probe mit einem Sonden-basierten AFM, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines selbstbetätigten Federbalkens mit einem länglichen Glied aus Silizium und einem Z-Positionierungselement aus Zinkoxid, Oszillieren des selbstbetätigten Federbalkens mit einer Federbalken-Resonanzfrequenz und einer vorbestimmten Oszillationsamplitude, Abtasten der Oberfläche mit dem selbstbetätigten Federbalken, Erzeugen eines Ablenkungssignals im Ansprechen auf den Abtastschritt, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals durch eine erste Rückkopplungsschleife im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Halten der Oszillationsamplitude auf einem im Wesentlichen konstanten Wert im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, Verwenden des Federbalken-Steuersignals als ein Fehlersignal in einer zweiten Rückkopplungsschleife, um ein Positionssteuersignal zu erzeugen, wobei die erste Rückkopplungsschleife innerhalb der zweiten Rückkopplungsschleife verschachtelt ist, und Erwärmen des selbstbetätigten Federbalkens im Ansprechen auf das Positionssteuersignal, um die Z-Position des selbstbetätigten Federbalkens zu steuern.
Verfahren zum Analysieren einer Probe im Zyklusmodus mit einem Sonden-basierten AFM, das einen selbstbetätigten Federbalken und einen Z-Position-Aktuator umfasst, wobei der selbstbetätigte Federbalken ein darin integriertes Z-Positionierungselement umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritt umfasst: Anlegen einer oszillierenden Steuerspannung an dem Z-Positionierungselement, um den selbstbetätigten Federbalken in eine Schwingung zu versetzen und um zu veranlassen, dass die Spitze des Federbalkens eine Oberfläche der Probe intermittierend kontaktiert, Erzeugen eines Ablenkungssignals im Ansprechen auf eine Ablenkung des selbstbetätigten Federbalkens, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Halten eines mit der Oszillation des selbstbetätigten Federbalkens assoziierten Parameters auf einem konstanten Wert, indem die Position des selbstbetätigten Federbalkens im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignals relativ zu der Probe gesteuert wird, Erzeugen eines Positionssteuersignals im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, und Steuern des Z-Position-Aktuators im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Anlegeschritt veranlasst, dass die Spitze intermittierend einen Punkt auf der Oberfläche der Probe kontaktiert.
Verfahren zum Analysieren einer Probe im Zyklusmodus mit einem Sonden-basierten AFM, das einen selbstbetätigten Federbalken und einen Z-Position-Aktuator umfasst, wobei der selbstbetätigte Federbalken ein darin integriertes Z-Positionierungselement umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Ablenkungssignals im Ansprechen auf eine Ablenkung des selbstbetätigten Federbalkens wahrend des Abtastschrittes, Anlegen einer oszillierenden Steuerspannung an dem Z-Positionierungselement, um den selbstbetätigten Federbalken in Schwingung zu versetzen, Erzeugen eines Federbalken-Steuersignals im Ansprechen auf das Ablenkungssignal, Halten eines mit der Oszillation des selbstbetätigten Federbalkens assoziierten Parameters auf einem konstanten Wert, indem die Position des selbstbetätigten Federbalkens im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal relativ zu der Probe gesteuert wird, Erzeugen eines Positionssteuersignals im Ansprechen auf das Federbalken-Steuersignal, und Steuern des Z-Position-Aktuators im Ansprechen auf das Positionssteuersignal
AFM mit einem Federbalken, wobei das AFM umfasst: eine erste Rückkopplungsschaltung, die ein erstes Rückkopplungssignal ausgibt, um einen mit der Operation des Federbalkens assoziierten Parameter auf einem Sollwert zu halten, und eine zweite Rückkopplungsschaltung, wobei die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung integriert ist, um zu gestatten, dass die zweite Rückkopplungsschaltung das erste Rückkopplungssignal als ein Fehlersignal verwendet.
AFM zum Analysieren der Oberfläche einer Probe, wobei das AFM umfasst: einen Federbalken, eine erste Rückkopplungsschaltung, die im Ansprechen auf eine vertikale Verschiebung des Federbalkens während einer Abtastoperation ein Federbalken-Steuersignal erzeugt, eine zweite Rückkopplungsschaltung, die auf das Federbalken-Steuersignal anspricht, zum Erzeugen eines Positionssteuersignals, wobei das Federbalken-Steuersignal in die zweite Rückkopplungsschaltung eingegeben wird, so dass die erste Rückkopplungsschaltung innerhalb der zweiten Rückkopplungsschaltung verschachtelt ist, und einen Z-Position-Aktuator, der auf das Positionssteuersignal anspricht, zum Positionieren des Federbalkens oder der Probe, um den Abstand zwischen dem Federbalken und der Probe zu ändern, wobei der selbstbetätigte Federbalken auf das Federbalken-Steuersignal anspricht, um einen Parameter der Federbalkenoperation im Wesentlichen konstant zu halten, wobei das Positionssteuersignal eine niederfrequente Komponente der Topographie der Oberfläche wiedergibt und wobei das Federbalken-Steuersignal eine hochfrequente Komponente der Topographie der Oberfläche wiedergibt, wobei die niederfrequente Komponente die Steigung der Oberflächentopographie enthält.
AFM nach Anspruch 41, wobei der Parameter die Federbalkenoszillation während des Betriebs des AFMs im Zyklusmodus ist.
AFM nach Anspruch 41, wobei der Parameter die Federbalken-Ablenkung während des Betriebs des AFMs im Kontaktmodus ist.