[发明专利]探针位置控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在扫描探针显微镜(SPM)或者原子机械手中控制探针位置的方法和系统。特别地，本发明涉及一种通过校正探针和样品相对位置的变化来改善样品观察或者处理精度的方法和系统，该相对位置的变化是由于在观察或者处理期间的发热、温度或者其他因素引起的。

背景技术

在扫描探针显微镜或者SPMs领域，悬臂具有一个探针，当原子级以其机械谐振频率进行振荡时，该探针位于距样品表面微小距离处，探测探针和样品表面之间的相互作用。当改变样品与探针的相对位置时，通过探测前述的相互作用能够获得样品表面的原子级图像。原子机械手也使用置于靠近样品表面的探针。将该探针放置在距样品特定距离后，在样品表面上的一个原子上执行预定的操作。

在SPM或者类似设备中，所要探测的样品与探针之间相互作用的已知的例子包括隧道电流、原子之间的相互作用力(化学键力、范德瓦尔斯力、共价键力、离子键力、金属键力、静电力、磁力、交换力等)、电容和近场光。通常，通过探测这些相互作用的其中之一来获取一幅图像需要花费几分钟到十分钟或者更长时间。

在记录样品图像的时候，如果在测量设备与周围环境之间有热交换，样品会膨胀或者收缩(即热漂移)。在室温条件下，甚至在能够控制温度的空间里，都不可能将测量设备的总体温度完全维持在同一水平，所以热漂移是不可避免的。另外一个问题存在于：由于用于改变样品与探针之间相对位置的压电元件的蠕变，样品和探针之间的相对位置会变化。由于测量是在原子级执行的，由热漂移或者蠕变引起的测量位置的变化显著影响测量的结果。例如，如在图12(d)中所示的图像结果会变形为如图12(c)所示。热漂移或者类似变化的这种影响不仅会发生在与样品表面(XY平面)平行的方向上，还会发生在与该表面垂直的方向上(Z-方向)。

如果要测量的样品为固体，其表面高度对称(symmetrical)、结构清晰，那么图像的任何变形会立即通过视觉识别，这样就不存在严重问题。然而，在测量生物样品或者类似物的情况下，其表面几何结构是相当不对称(asymmetrical)的，如果在图像上出现热漂移、移动或者其他变化的影响，不可能识别和/或区别出该影响。因此，正确测量表面几何结构在实际上是不可行的。对原子机械手来说，图像的变形引起图像内目标原子的移动，其妨碍该原子的正确操作。

在非专利文献1中，公开了一种补偿热漂移或者其他变化的影响的技术，以精确地安置探针和样品。被称为原子跟踪技术的该项技术通过一个反馈过程来纠正在平行于样品的方向上的热漂移。最近的研究表明，在利用原子跟踪技术(非专利文献2和3)监视探针的频率变化时，探针和样品表面上的原子之间的相互作用或者电势(potential)能够通过对探针相对于样品执行超精密三维定位来测量。

[专利文献1]日本未审查专利申请公开号2006-289542

[非专利文献1]D.W.Pohl和R.Moeller，“Tracking tunnelingmicroscopy”，Review of Scientific Instruments，vol.59(1988)，p.840

[非专利文献2]M.Abe等，“Room-temperature reproduciblespatial force spectroscopy using atom-tracking technique”，Applied Physics Letters，vol.87(2005)，p.173503

[非专利文献3]M.Abe，Y.Sugimoto，O.Custance和S.Morita，“Atom tracking for reproducible force spectroscopy at roomtemperature with non-contact atomic force microscopy”，Nanotechnology，vol.16(2005)，p.3029

因此，本发明的目的之一是，提供一种消除热漂移或者其他变化的影响的技术，通过使用该技术，改善扫描探针显微镜或者原子机械手的观测或者操作精度，校正前述的、在观测或者操作过程中由于发热或者其他因素引起的探针与样品相对位置的变化。

发明内容

为了解决前面描述的问题，本发明提供一种探针位置控制系统，以便在测量样品表面上的原子和探针尖之间相互作用的同时，对探针和样品的相对位置进行控制，获得样品表面的原子级图像，或者在该样品表面的原子上执行特定操作，其包括：