[发明专利]使用峰值力轻敲模式来测量样本的物理特性的方法和设备

说明书

对相关申请的交叉引用

该申请根据35USC§1.119(e)（美国专利法典第35条第1.119款第（e）项）要求2010年11月29日提交的、题为Method and Apparatus of Using Peak Force Tapping Mode to Measure Physical Properties of a Sample的、序列号为61/417,837的美国临时专利申请的优先权，并且也是2009年11月13日提交的、题为Method and Apparatus of Operating a Scanning Probe Microscope的、序列号为12/618,641的美国专利申请的部分继续案，该美国专利申请又根据35USC§1.119(e)要求2008年11月13日提交的序列号为60/114,399的美国临时专利申请的优先权。这些申请的主题的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及包括原子力显微镜（AFM）的扫描探针显微镜（SPM），更具体地，涉及如在上述申请中所描述的使用AFM操作的峰值力轻敲模式（Peak Force Tapping mode），以使用PFT模式和例如电、热、微波和光学样本激励中的至少一个来测量样本特性。

背景技术

诸如原子力显微镜（AFM）的扫描探针显微镜（SPM）是如下装置：其通常采用具有尖端的探针，并且使得尖端以小的力与样本的表面相互作用，从而以低至原子尺度来表征该表面。通常，探针被引入到样本的表面以检测样本特征的改变。通过在尖端与样本之间提供相对扫描移动，可以在样本的特定区域之上获取表面特征数据，并且可以生成样本的相应图。

在图1中示意性地示出了典型的AFM系统。AFM10采用探针装置12，该探针装置12包括具有悬臂15的探针12。扫描器24产生探针12与样本22之间的相对运动，同时测量探针-样本相互作用。以此方式，可以获得样本的图像或其它测量结果。扫描器24通常包括通常产生在三个相互正交的方向（XYZ）上的运动的一个或多个致动器。通常，扫描器24是包括用于在全部三个轴上移动样本或探针的一个或多个致动器的单个集成单元（例如，压电管致动器）。替选地，扫描器可以是多个单独致动器的概念或物理组合。一些AFM将扫描器分成多个部件，例如，移动样本的XY致动器和移动探针的单独Z致动器。如在Hansma等人的美国专利第RE34,489号、Elings等人的美国专利第5,266,801号以及Elings等人的美国专利第5,412,980号中所描述的，仪器因此能够产生探针与样本之间的相对运动、同时测量样本的形貌（topography）或某种其它特性。

应注意，扫描器24通常包括用于产生测量探针与样本表面之间的相对运动的压电堆（在这里通常称为“压电堆”）或压电管。压电堆是基于施加于该堆上所布置的电极的电压而在一个或多个方向上移动的装置。压电堆通常与用于对压电堆的运动进行引导、限制和/或放大的机械挠曲相结合使用。另外，如在2007年3月16日提交的、题为“Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的、序列号为11/687,304的申请中所描述的，挠曲用于增加一个或多个轴中的致动器的刚性。致动器可耦合到探针、样本或这两者。最常见的是，致动器组件以在水平或XY平面内驱动探针或样本的XY致动器以及在垂直或Z方向上移动探针或样本的Z致动器的形式来提供。

在常见配置中，探针17通常耦合到振荡致动器或驱动器16，该振荡致动器或驱动器16用于驱动探针12以悬臂15的谐振频率或接近该谐振频率而振荡。替选布置测量悬臂15的偏转、扭矩或其它特征。探针17通常是具有集成尖端17的微制造悬臂。

通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电子信号，以使得致动器16（或者替选地，扫描器24）驱动探针12振荡。探针-样本相互作用通常由控制器20经由反馈来控制。应注意，致动器16可耦合到扫描器24和探针12，但是可作为自致动悬臂/探针的一部分而与探针12的悬臂15一体地形成。