Veeco Dimension 3100 Manuale utente

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Document Revision History: DImension 3100 Manual

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D 03/09/04 All. N/A C. Kowalski

C 05/15/03 Fluid Cell N/A L. Burrows

B06/01/00 All. 313 A. Varbel

A 08/25/97 Released. N/A M. Leilani

Dimension 3100 Manual

NanoScope Software Version 5

004-320-000 (standard)

004-320-100 (cleanroom)

Notices:

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Trademark Acknowledgments:

The following are registered trademarks of Veeco Instruments Inc. All other trademarks are the property of their

respective owners.

Product Names:

NanoScope®

MultiMode™

Dimension™

BioScope™

Atomic Force Proﬁler™ (AFP™)

Dektak®

Software Modes:

TappingMode™

Tapping™

TappingMode+™

LiftMode™

AutoTune™

TurboScan™

Fast HSG™

PhaseImaging™

DekMap 2™

HyperScan™

StepFinder™

SoftScan™

Hardware Designs:

TrakScan™

StiffStage™

Hardware Options:

TipX®

Signal Access Module™ and SAM™

Extender™

TipView™

Interleave™

LookAhead™

Quadrex™

Software Options:

NanoScript™

Navigator™

FeatureFind™

Miscellaneous:

NanoProbe®

Rev. D Dimension 3100 Manual iii

Table of Contents

Chapter 1 System Overview 1

1.1 System Overview

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1 Dimension 3100 SPM Features

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Control Station Overview

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Input and Display Devices

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.2 Computer

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3 NanoScope IIIa Controller

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.4 Dimension 3100 Controller

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Dimension 3100 SPM Overview

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1 Dimension 3100 Microscope Electronics Box

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.2 Optics and Motors Overview

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.3 Stage System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.4 Dimension SPM Head

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.5 Cantilever Holder

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.6 Video Zoom Microscope

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4 Sample Size & Handling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5 Facilities Specifications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6 Applications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7 Maintenance and Troubleshooting

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Chapter 2 Safety 17

2.1 Safety Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Safety Precautions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.1 General Operator Safety

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.2 Microscope

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.3 Sample Safeguards

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Ergonomics

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4 Environmental Conditions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Equipment Safety Applications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5.1 Dimension 3100 SPM Facility Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6 Power-up Sequence (Installation and Service Only)

. . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6.1 Pre Power-up Checklist

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

iv Dimension 3100 Manual Rev. D

2.6.2 Turn on the Dimension 3100 SPM (Service and Installation Only)

. . . . . . . 30

2.6.3 Power-up Checklist (Service and Installation Only)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.7 Power-Up Sequence (Normal Usage)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.7.1 Prepare the System for Power-up (Normal Usage)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.7.2 Power-up Checklist (Normal Usage)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8 Software Power-up

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8.1 Log into Windows NT

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8.2 Log On

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.8.3 Start the NanoScope Software

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8.4 Select Realtime

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8.5 Begin Stage Initialization

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.8.6 Software Power-up Checklist

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.9 Hazard Labels

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.9.1 Laser Warning Labels

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Chapter 3 Facilities Requirements 37

3.1 Optional Configurations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.1 VT-103-3K with ELCON

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.2 VT-102

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.3 IS3K-2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Facilities Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Acoustic/Vibration Isolation Systems

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3.1 IS3K-2 Dimensions, Utilities, and Clearance

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3.2 VT-103-3K Dimensions, Utilities and Clearance

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.3 VT-102 Dimensions and Utilities

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3.4 Computer/Controller Facility Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.5 ELCON Console

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Facilities Requirements Summary

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.5 Acoustic/Vibration Specifications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.6 General Facilities Guidelines

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Chapter 4 Installation 53

4.1 Shipping and Receiving

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1.1 Equipment Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2 Uncrating the System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.2.1 Uncrate the Dimension 3100 SPM System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3 Installing the Dimension 3100 System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3.1 Install the Dimension 3100 SPM Unit

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3.2 Install the Control Station

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.4 Connecting the Dimension 3100 System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4.1 Dimension 3100 Control Station Connections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4.2 Dimension 3100 Microscope External Components Connections

. . . . . . . . 66

4.5 System Power-up

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Rev. D Dimension 3100 Manual v

Chapter 5 Stage System 69

5.1 Mounting of Samples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.1.1 Vacuum Chucks

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.1.2 Magnetic Pucks

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.1.3 Axis Orientation Motorized X-Y Stages

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.2 Stage Menu Commands

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.1 Load New Sample

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.2 Locate Tip

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2.3 Focus Surface

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.2.4 Move To (X,Y)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.2.5 Set Reference

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.2.6 Programmed Move

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.2.7 Initialize

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2.8 SPM Parameters

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Chapter 6 Cantilever Preparation 87

6.1 Silicon Cantilever Substrates

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.1.1 Wafer Tool Kit

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.1.2 Cantilever Preparation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.1.3 Tip Shape of Etched Silicon Probes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.2 Silicon Nitride Cantilever Substrates

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2.1 Tip Shape of Silicon Nitride Probes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Chapter 7 Head, Probe, & Sample Preparation 99

7.1 System Information

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.1.1 Mouse versus Trackball

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.1.2 Motor Interlock

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.1.3 Laser Requirements

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.2 Basic AFM Operation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.1 Select the Microscope

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.2 Select Mode of Operation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.3 Prepare the Cantilever Holder

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.4 Load the Cantilever Holder

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.2.5 Remove the Dimension SPM Head

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.2.6 Install the Cantilever Holder

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.2.7 Replace the Dimension SPM Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.2.8 Connect the Dimension Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.2.9 Align Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.2.10 Adjust Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.2.11 Locate Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.2.12 Load the Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

7.2.13 Focus Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.2.14 Cantilever Tune (TappingMode only) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.2.15 Set Initial Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.2.16 Engage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.2.17 Withdraw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

vi Dimension 3100 Manual Rev. D

7.3 Advanced AFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

7.3.1 Stage Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Chapter 8 Contact AFM 119

8.1 Basic Contact Mode AFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1.1 Select the Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1.2 Select Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1.3 Head, Cantilever and Sample Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1.4 Align Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1.5 Adjust Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

8.1.6 Locate Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

8.1.7 Focus Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

8.1.8 Show All Items . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8.1.9 Set Initial Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

8.1.10 Engage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8.2 Advanced Atomic Force Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8.2.1 Cantilever Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8.3 Optimization of Scanning Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.3.1 Data Type. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.3.2 Gain Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

8.3.3 Scan Size and Scan Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

8.3.4 Setpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

8.3.5 Lowpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

8.3.6 Highpass Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

8.4 Force Calibration Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapter 9 TappingMode AFM 131

9.1 Principles of TappingMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

9.2 Basic TappingMode AFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

9.2.1 Select Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

9.2.2 Head, Cantilever and Sample Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9.2.3 Align Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9.2.4 Adjust Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9.2.5 Locate Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9.2.6 Focus Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

9.2.7 Cantilever Tune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

9.2.8 Show All Items . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9.2.9 Set Initial Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

9.2.10 Engage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9.2.11 Optimize Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

9.3 Withdraw the Tip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

9.4 Advanced TappingMode AFM Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

9.4.1 Resonating Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

9.4.2 Cantilever Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

9.4.3 Decreasing the Cantilever Drive Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

9.4.4 Optimization of Scanning Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Rev. D Dimension 3100 Manual vii

9.4.5 Data Type. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

9.4.6 Gain Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

9.4.7 Scan Size, Scan Rate, and Setpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

9.4.8 Surface Tune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

9.5 Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

9.5.1 Frequency Response Plot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

9.5.2 Engaging the Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

9.5.3 Cantilever Will Not Tune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Chapter 10 Fluid Imaging 149

10.1 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

10.1.1 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

10.2 Fluid Operation Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

10.2.1 Fluid Tip Holder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

10.2.2 Tip Suggestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

10.2.3 Rubber Protective Skirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

10.3 Sample Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

10.3.1 General Notes on Sample Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

10.3.2 Larger Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

10.3.3 Smaller Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

10.4 Precautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.4.1 Spillage Precautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.5 Operating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

10.5.1 Clean Fluid Cell and Protective Skirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

10.5.2 Select Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

10.5.3 Load the Probe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

10.5.4 Install the Fluid Tip Holder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

10.5.5 Install the Protective Skirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

10.5.6 Align Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

10.5.7 False Reflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.5.8 Load Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.5.9 Lower Probe into Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

10.5.10 Readjust Laser Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

10.5.11 Adjust Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

10.5.12 Locate Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.5.13 Focus Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.5.14 Cantilever Tune (TappingMode Only). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

10.5.15 Show All Items . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

10.5.16 Set Initial Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

10.5.17 Engage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

10.5.18 Adjust Scan Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

10.5.19 Clean Cell and Protective Skirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

10.6 Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

10.6.1 Cantilever Tune Plot Looks Poor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

10.6.2 Laser Sum Signal Absent or Weak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

10.6.3 Poor Image Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

10.6.4 Unable to Locate Particulate Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

viii Dimension 3100 Manual Rev. D

Chapter 11 Scanning Tunneling Microscopy (STM) 175

11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

11.1.1 Overview of STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

11.2 Basic STM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

11.2.1 Imaging Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

11.3 STM-Specific Information and Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

11.3.1 STM Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

11.3.2 Fine Points of STM Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

11.3.3 STM Operating Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

11.3.4 STM-Specific Menu Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

11.4 Spectroscopy with the STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

11.4.1 Operation of STS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

11.5 Troubleshooting Operation of STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

11.5.1 Head and Microscope-Related Problems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

11.5.2 Head Engages Immediately . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

11.6 Etching Tungsten Tips. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

11.6.1 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Chapter 12 Lateral Force Mode 195

12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

12.2 Basic LFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

12.3 Advanced LFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

12.3.1 Scan Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

12.3.2 Tip selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

12.3.3 Understanding the LFM Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

12.3.4 Understanding the Color Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

12.3.5 Using TMR Voltage to Measure Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

12.3.6 Enhancing the LFM Data by Subtracting Two Images . . . . . . . . . . . . . . . 200

12.3.7 Height Artifacts in the Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Chapter 13 Force Imaging 203

13.1 Force Plots—An Analogy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

13.2 Force Calibration Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

13.2.1 Example Force Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

13.3 Force Calibration Control Panels and Menus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

13.3.1 Main Controls (Ramp Controls) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

13.3.2 Main Controls Panel (Display) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

13.3.3 Channel 1, 2, 3 Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

13.3.4 Feedback Controls Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

13.3.5 Scan Mode Panel (Advanced Mode Only) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

13.3.6 Menu Bar Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

13.4 Force Calibration (Contact Mode AFM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

13.4.1 Obtaining a Good Force Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Rev. D Dimension 3100 Manual ix

13.4.2 Helpful Suggestions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

13.4.3 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

13.4.4 Interpreting Force Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

13.5 Force Calibration (TappingMode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

13.5.1 Force Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

13.5.2 Obtaining a Force Plot (TappingMode). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

13.5.3 High Contact Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

13.5.4 Tip Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

13.6 Force Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

13.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

13.6.2 Selecting a Force Modulation Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

13.6.3 Operating Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

13.6.4 Force Modulation Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

13.6.5 Notes About Artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

13.7 Force Modulation with Negative LiftMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

13.7.1 Set Interleave Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

13.7.2 Obtain a TappingMode Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

13.7.3 Obtain a Negative LiftMode Force Modulation Image . . . . . . . . . . . . . . . 244

13.8 Force Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

Chapter 14 Interleave Scanning 247

14.1 Preface: Interleave Scanning & LiftMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

14.2 Interleave Mode Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

14.3 LiftMode Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

14.4 Operation of Interleave Scanning / LiftMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

14.5 Use of LiftMode with TappingMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

14.5.1 Main Drive Amplitude and Frequency selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

14.5.2 Setpoint Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

14.5.3 Interleave Drive Amplitude and Frequency Selection. . . . . . . . . . . . . . . . 252

14.5.4 Amplitude Data Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

14.5.5 Cantilever Oscillation Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Chapter 15 Magnetic Force Microscopy 255

15.1 Magnetic Force Microscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

15.1.1 Force Gradient Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

15.1.2 Amplitude Detection Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

15.2 Basic MFM Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

15.2.1 MFM Using LiftMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

15.2.2 Magnetic Force Microscopy Procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

15.3 Advanced MFM Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

15.3.1 Lift Scan Height and Magnetic Imaging Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

15.3.2 Fine Tuning Interleave Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

15.3.3 Drive Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

x Dimension 3100 Manual Rev. D

15.4 Installation of the Electronics Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.4.1 Phase Extender Module. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.4.2 Quadrex Extender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.4.3 NanoScope IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.5 Software Setup Configuration (Phase, Quadrex or NSIV) . . . . . . . . . 269

15.6 Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.6.1 MFM Image Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.6.2 Saturation in Amplitude Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.6.3 Optical Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Chapter 16 Electric Techniques 271

16.1 Electric Techniques Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

16.1.1 Electric Force Microscopy Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

16.1.2 Surface Potential Imaging Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

16.2 Electric Force Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

16.2.1 Electric Force Microscopy Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

16.2.2 Electric Force Microscopy Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

16.2.3 Electric Force Microscopy Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

16.2.4 Phase Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

16.2.5 Frequency Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

16.2.6 Amplitude Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

16.3 EFM Troubleshooting/Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.1 Use Low Setpoint When Tapping in Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.2 Verify Electric Field at Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.3 Fine Tune Lift Scan Height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.4 Fine Tune Interleave Drive Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.5 Optimize Tune in Vicinity of Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

16.3.6 Optimize Tune in Interleave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.3.7 If Voltage is Needed, Use Analog 2 When Possible . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.3.8 Try Uncoated Si Tip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.4 Surface Potential Detection Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

16.5 Surface Potential Detection Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

16.5.1 Applying Voltage to the Sample Directly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

16.6 Surface Potential Imaging Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

16.6.1 Troubleshooting the Surface Potential Feedback Loop. . . . . . . . . . . . . . . 304

Chapter 17 Calibration 305

17.1 SPM Calibration Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

17.1.1 Theory Behind Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

17.1.2 Calibration References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

17.2 Calibration Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

17.2.1 Check Scanner Parameter Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

17.2.2 Align Calibration Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

17.2.3 Set Realtime Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

17.2.4 Set Up Contact AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314