[發明專利]掃描探針顯微鏡進針裝置及方法

無效

• 申請號: 201210265549.4
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102788888A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 陳代謝;殷伯華;韓立;林云生;初明璋;高瑩瑩
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01Q10/00
• 分類號: G01Q10/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種掃描探針顯微鏡（SPM）進針裝置及進針方法。

背景技術

掃描探針顯微鏡（SPM）作為一種高分辨率的三維形貌檢測儀器，不僅在生物學領域得到了廣泛應用，同時得到了半導體產業界的高度重視（T.Ando,“High-speed?atomic?force?microscopy?coming?ofage”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。SPM在樣品表面掃描時，微懸臂梁上的探針與樣品相互作用，引起微懸臂梁偏轉，該偏轉信號用于表征樣品表面的形貌變化，并能達到原子級高分辨率。根據探針與樣品表面作用方式的不同，SPM能實現表面磁場、載流子濃度分布、表面電容等多信息測量。隨著半導體工業中加工線寬的不斷減小和高介電常數材料的大量使用，光學檢測和掃描電子顯微鏡檢測方法都遇到了技術障礙。SPM的高分辨率、多信息測量、三維成像等優點將會在半導體檢測領域發揮重大作用。

高速、高通量的檢測是一種檢測技術能否在半導體工業中實用化的關鍵。檢測速度的快慢將直接影響工業現場的檢測效率，而測量速度慢恰恰是SPM的最大缺點。影響SPM測量速度主要包含兩方面因素：其一，進針時間，也就是探針由遠離樣品表面位置（1~2mm），通過進給機構（如步進電機）逼近至樣品表面掃描成像位置所需的時間，一般為幾十秒至數分鐘；其二，成像時間，也就是進針完成后，從開始第一點掃描直至完成一幅圖像顯示所需的時間，一般為幾分鐘至數十分鐘。

目前，對于縮短SPM的成像時間，已經有很多研究機構開展了相關研究工作（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.），并有公司研制出相關產品（Bruker?Ltd.,“Dimension?fastscan:the?world’s?fastest?AFM”,2011.http://www.bruker-axs.com）。對于縮短SPM的進針時間，一般采用分段進針的方法，即將進針過程分為兩個部分：第一部分為快速的粗進針，步進電機將探針從離樣品表面較遠位置（1mm以上）快速逼近至較近位置（20um至200um），逼近過程采用激光干涉儀、激光限位開關、電容傳感器或通過攝像頭自動聚焦完成位置判斷，中國專利200910220156.X采用激光限位開關，美國專利U.S.Pat.No.7,770,231B2.采用攝像頭自動聚焦方法；第二部分為細進針，在完成第一部分進針至離樣品表面較近位置后，步進電機停止運動，高速響應電機或壓電陶瓷管作為驅動器，如美國專利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進針過程，該過程能精確控制探針和樣品表面的距離，防止損壞，耗時較長。

對于粗進針部分，引入激光干涉儀或攝像頭自動聚焦技術能避免探針與樣品撞擊的風險，但其結構復雜，成本高。電容傳感器對電磁信號敏感，對操作環境要求高。中國專利200910220156.X發明的水平方向激光限位開關具有結構簡單、成本低等特點，但其每次變更限位開關閾值都需要手動調整激光器初始位置。

發明內容

本發明的目的是克服現有SPM快速進針裝置結構復雜、成本高、環境適應能力低、操作不方便的不足，提供一種新型的快速進針裝置和方法，本發明不僅能實現快速進針，而且具有結構簡單、成本低、適應性強、操作簡便等特點，能方便的集成于不同SPM結構，適用于半導體工業現場自動檢測。