[发明专利]用于扫描隧道显微镜控制系统设计的方法、装置和系统

说明书

提供了一种用于控制扫描隧道显微镜系统的方法，装置和系统。在一些实施例中，本公开的方法，装置和系统利用包括在扫描隧道显微镜(STM)中或附加在扫描隧道显微镜(STM)上的控制系统接收表征扫描隧道显微镜系统的尖端和样品之间隧道电流的数据，实时估计与扫描隧道显微镜系统相关的功函数，以及通过控制系统基于估计的功函数调节尖端的位置。本文描述相关系统。

技术领域

本公开涉及用于形成原子级精确结构和具有原子精度的表面成像的方法、装置和系统。在一些实施例中，本公开的方法、装置和系统提供了控制系统，以改善与目标表面相互作用以表征表面和/或形成原子级精确结构的扫描隧道显微镜(STM)的应用。

背景技术

以原子级精确水平对表面成像的能力源于STM的能力。虽然自1982年它的发明以来已有许多不同的实施方式，但是STM的基本工作原理如下。制备导电尖端——经常是钨或铂-铱——以具有尖端的纳米级部分，其允许电子隧穿至或隧穿自尖端和样品。尖端与样品表面紧密接近(例如，在几纳米以内)。由于量子电子隧道效应原理，当在尖端和样品之间施加偏置电压时，电流流过尖端和样品之间的间隙。施加在尖端和样品之间的偏置电压可以是任意极性的。如果样品相对尖端是负偏置的，那么电子从表面上的填充电子态流入尖端。如果样品是正偏置的，那么电子从尖端流入表面上的空电子态。偏置电压的幅度决定了可以隧穿进或出的表面态。因此，STM提供关于电子态以及样品表面形貌的信息。

基于施加的偏置电压，尖端和样品之间产生的电流相对尖端和样品表面之间的距离呈指数变化。原子尺度表面特征引起尖端-样品距离的变化从而引起电流的变化。控制系统测量通过电流前置放大器的电流并调节Z-轴尖端位置以补偿电流变化。因此，尖端的垂直动作与原子尺度表面特征的高度成比例，并且控制器产生表征表面的形貌信息。经常地，控制系统驱动压电元件以控制尖端向上和向下(即，z-方向)的移动，直至测量的隧道电流与设定点值匹配，该设定点值在约0.01至约100nA的范围内。压电元件也常用于侧向(即，x-y方向)移动尖端跨过样品的表面。结果，表面的形貌图像可以通过对表面的部分进行光栅扫描而产生。

在实践中，控制系统的控制性能差，特别在z-方向上，会导致尖端-样品间隙的不安全减小，甚至尖端-样品碰撞。这种尖端和样品之间的碰撞会引起对尖端和样品的不可逆的损坏，增加运行成本。即使较小影响的碰撞也会危害收集的形貌信息的完整性或在STM用于纳米光刻应用时导致图案化错误。在光刻应用中，STM运行在更高的电流，更高的偏置电压下，并且在一些情况下运行在更小的尖端-样品间隙下，从而尖端碰撞的可能性可能更大，并且碰撞的结果可能比表面表征应用中更加严重。由于其一般的鲁棒性和相对容易的实施方式，比例积分(PI)控制器已应用在商用STM的控制系统中。然而，目前的控制器还没有在所有方面都令人满意。

附图说明

将参考附图描述本公开的说明性实施例，其中：

图1A、1B和1C是根据本公开的实施例的STM系统的示意图。

图2是根据本公开的实施例的示例性Z-轴控制系统的框图。

图3是根据本公开的实施例的可用在STM系统中的示例性的当前的定位系统。

图4A和4B描绘根据本公开的实施例的示例性得到的波特图，该波特图描述STM系统的设备和控制器。

图5是根据本公开的实施例的G(s)的模型。

图6是包括相互作用或碰撞之前和之后的传递函数模型的低频(例如，ω40Hz)波特图。

图7是根据本公开的实施例的显示参数空间的图，该参数空间由模型的稳定性、带宽和限定的超调标准确定。

图8是根据本公开的实施例的另一显示参数空间的图，该参数空间由模型的稳定性、带宽和限定的超调标准确定。

图9A，9B和9C分别包括根据本公开的实施例的闭环输出灵敏度函数、闭环成像函数和闭环系统对形貌阶跃输入的模拟时间响应的波特图。