[发明专利]用于表征探针尖端的方法与装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2006年2月20日提交的、名称 为“CD AFM测量——纳米管表征器的发展”的美国临时专利申请第 60/743,321号的优先权，该美国临时专利申请的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜，更具体地，涉及用于确定(determine)探 针尖端的形状和用于使用获得的数据重建扩展图像(dilated image)的方法。 本发明还涉及用于监控碳纳米管完整性的方法和装置。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)，例如原子力显微镜(AFM)，是典型地使用 尖端和微小力(low force)来表征(characterize)低至原子尺寸的样品表面 的装置。通常，SPM包括具有引入样品表面以检测样品特征变化的尖端的探 针。通过提供尖端与样品之间的相对扫描运动，可以获得样品特定区域的表 面特征数据，并生成相应的样品图(map of the sample)。

原子力显微镜(AFM)是一类非常流行的SPM。典型的AFM的探针包 括一个非常小的悬臂，该悬臂固定在其底部的支架上，且通常具有连接于对 置的自由端(free end)的锋利探针尖端(tip)。引导该探针尖端而紧邻于要 检测的样品表面或与其相接触，且使用极为灵敏的偏斜检测器来检测响应探 针尖端与样品相互作用的悬臂偏斜(deflection)，通常为例如在汉斯玛 (Hansma)等人的美国专利第RE34,489号中所述的光学杆杠系统(optical lever system)，或如应变计、电容传感器等一些其他的偏斜检测器。使用高 分辨率三轴扫描仪作用于样品支架和/或探针来使探针在表面上方扫描。因 此，该设备能够在探针与样品之间引起相对移动，同时测量样品的形貌或某 些其他表面性质。例如，如下述专利中所述：汉斯玛等人的美国专利第 RE34,489号；伊琳(Elings)等人的美国专利第5,266,801号；和伊琳等人的 美国专利第5,412,980号。

AFM可被设计以各种模式(包括接触模式和振荡模式)运行。这是通过 如下实现的：当扫描过表面时，响应于探针组合件悬臂的偏斜，通过垂直于 样品表面相对地向上或向下移动样品或探针组件。以这种方式，可以储存与 垂直运动相关的数据，然后用来建立对应于被测量的样品特征的样品表面图 像，例如表面形貌(topography)。类似地，在AFM操作的另一优选模式中， 如众所周知的TappingMode^TM(TappingMode^TM是本受让人拥有的一个商 标)，尖端以探针的相关联悬臂的共振频率或接近的频率振荡。在扫描期间 使用反馈信号(其生成用来响应尖端-样品相互作用)使该振荡的幅度或相位 保持不变。与接触模式相同，这些反馈信号然后被收集、储存并用作对样品 进行表征的数据。注意本文中“SPM”和具体类型SPM的缩写可用来表示 显微镜设备或相关技术，例如“原子力显微镜”。

与操作模式无关，AFM可通过使用压电扫描器、光学杠杆偏斜检测器和 使用光刻技术制造的非常小的悬臂而对于气体、液体或真空中的各种绝缘或 导体表面获得低至原子水平的分辨率。由于它们的分辨率和多功能性，AFM 在半导体制备到生物研究的多种领域中是重要的测量装置。

尽管扫描探针显微镜为高分辨率仪器，但是由扫描探针显微镜获得的数 据的最终分辨率受探针尖端的物理特征限定。更具体地，对于尖端能被制为 多小或多尖锐是有限制的。结果，当成像精细的(例如，埃尺度)样品特征 时，尖端形状通常在已获得的数据中反映。以另一种方法陈述，获得的AFM 图像是原始表面形貌与用于获得该图像的探针的形状的结合。表面形貌图像 上探针形状的重叠被视为图像“扩展(dilation)”，并被认为是原始形貌的 失真。由于成像的表面数据包括样品表面的特征和探针形状，无疑精确度受 到了影响。对于许多应用，这种限制可以忽略。然而，对于其他应用，要求 分辨样品表面特征的精确度相当大，以致尖端形状将可察觉的误差引入所获 得的数据。例如，在半导体制造工业中，例如带有单纳米精度的线、沟槽、 和通孔(via)等成像特征期望在100纳米范围内，并且不断变小。典型的尖 端宽度在约70nm范围内，这将变得日益困难。显然，在该情况下，尖端的 形状反映在数据中，且必须被除去以精确重建(reconstruct)样品表面。