[发明专利]扫描探针显微镜进针装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜（SPM）进针装置及进针方法。

背景技术

扫描探针显微镜（SPM）作为一种高分辨率的三维形貌检测仪器，不仅在生物学领域得到了广泛应用，同时得到了半导体产业界的高度重视（T.Ando,“High-speed atomic force microscopy coming ofage”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。SPM在样品表面扫描时，微悬臂梁上的探针与样品相互作用，引起微悬臂梁偏转，该偏转信号用于表征样品表面的形貌变化，并能达到原子级高分辨率。根据探针与样品表面作用方式的不同，SPM能实现表面磁场、载流子浓度分布、表面电容等多信息测量。随着半导体工业中加工线宽的不断减小和高介电常数材料的大量使用，光学检测和扫描电子显微镜检测方法都遇到了技术障碍。SPM的高分辨率、多信息测量、三维成像等优点将会在半导体检测领域发挥重大作用。

高速、高通量的检测是一种检测技术能否在半导体工业中实用化的关键。检测速度的快慢将直接影响工业现场的检测效率，而测量速度慢恰恰是SPM的最大缺点。影响SPM测量速度主要包含两方面因素：其一，进针时间，也就是探针由远离样品表面位置（1~2mm），通过进给机构（如步进电机）逼近至样品表面扫描成像位置所需的时间，一般为几十秒至数分钟；其二，成像时间，也就是进针完成后，从开始第一点扫描直至完成一幅图像显示所需的时间，一般为几分钟至数十分钟。

目前，对于缩短SPM的成像时间，已经有很多研究机构开展了相关研究工作（B.J.Kenton,A.J.Fleming,K.K.Leang,“Compact ultra-fast vertical nanopositioner for improving scanning probe microscope scan speed”,Review of Scientific Instruments,2011,82(12):123703-123711.；C.Richter，M.Burri,T.Sulzbach,C.Penzkofer,B.Irmer,“Ultrashort cantilever probes for high speed atomic force microscopy”,SPIE,2011.），并有公司研制出相关产品（Bruker Ltd.,“Dimension fastscan:the world’s fastest AFM”,2011.http://www.bruker-axs.com）。对于缩短SPM的进针时间，一般采用分段进针的方法，即将进针过程分为两个部分：第一部分为快速的粗进针，步进电机将探针从离样品表面较远位置（1mm以上）快速逼近至较近位置（20um至200um），逼近过程采用激光干涉仪、激光限位开关、电容传感器或通过摄像头自动聚焦完成位置判断，中国专利200910220156.X采用激光限位开关，美国专利U.S.Pat.No.7,770,231B2.采用摄像头自动聚焦方法；第二部分为细进针，在完成第一部分进针至离样品表面较近位置后，步进电机停止运动，高速响应电机或压电陶瓷管作为驱动器，如美国专利U.S.Pat.No.5,614,712和U.S.Pat.No.2006/0230474A1.，配合一定的控制方法完成进针过程，该过程能精确控制探针和样品表面的距离，防止损坏，耗时较长。

对于粗进针部分，引入激光干涉仪或摄像头自动聚焦技术能避免探针与样品撞击的风险，但其结构复杂，成本高。电容传感器对电磁信号敏感，对操作环境要求高。中国专利200910220156.X发明的水平方向激光限位开关具有结构简单、成本低等特点，但其每次变更限位开关阈值都需要手动调整激光器初始位置。

发明内容

本发明的目的是克服现有SPM快速进针装置结构复杂、成本高、环境适应能力低、操作不方便的不足，提供一种新型的快速进针装置和方法，本发明不仅能实现快速进针，而且具有结构简单、成本低、适应性强、操作简便等特点，能方便的集成于不同SPM结构，适用于半导体工业现场自动检测。