Veeco Dimension 3100 Bedienungsanleitung

Andere Handbücher für Dimension 3100

Dieses Handbuch passt für folgende Modelle

Inhaltsverzeichnis

Andere Veeco Mikroskop Handbücher

Veeco

Veeco 004-210-000 Bedienungsanleitung

Beliebte Mikroskop Handbücher anderer Marken

Thermo Scientific

Thermo Scientific Nicolet iN10 Leitfaden

National

National DC3-163 Bedienungsanleitung

KERN Optics

KERN Optics OPE-1 Bedienungsanleitung

OPTIKA MICROSCOPES

OPTIKA MICROSCOPES B-150D Bedienungsanleitung

Prior

Prior Lux POL Bedienungsanleitung

Opitec

Opitec Smartscoop 115615 Bedienungsanleitung

KERN

KERN OPO-1 Bedienungsanleitung

Topcon

Topcon SP-1P Bedienungsanleitung

Motic

Motic PA43 Bedienungsanleitung

Leica

Leica DVM5000 Benutzerhandbuch

MshOt

MshOt MZ62 Bedienungsanleitung

KERN Optics

KERN Optics OZR-5 Bedienungsanleitung

VWR

VWR VisiScope 384 Series Bedienungsanleitung

Nikon

Nikon ECLIPSE E200 POL Bedienungsanleitung

Leica

Leica DI C800 Handbuch

ThermoFisher Scientific

ThermoFisher Scientific Continuµm Bedienungsanleitung

ThermoFisher Scientific

ThermoFisher Scientific Continuµm Bedienungsanleitung

Olympus

Olympus SZ61 Bedienungsanleitung

Document Revision History: DImension 3100 Manual

Revision Date Section(s) Affected Ref.

DCR Approval

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:

The information in this document is subject to change without notice. NO WARRANTY OF ANY KIND IS MADE WITH REGARD TO

THIS MATERIAL, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A

PARTICULAR PURPOSE. No liability is assumed for errors contained herein or for incidental or consequential damages in connection with the

furnishing, performance, or use of this material. This document contains proprietary information which is protected by copyright. No part of this

document may be photocopied, reproduced, or translated into another language without prior written consent.

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