專利名稱：大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大樣品大范圍高分辨原子力顯微顯微檢測(cè)方法及裝置。用 于超精密工件、大型光學(xué)部件、大鏡頭、大口徑衍射光學(xué)器件、大型光柵等大 樣品的微納米檢測(cè)。
背景技術(shù)：
微納米技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際上飛速發(fā)展的前沿學(xué)科領(lǐng)域，而以原子力顯微鏡
(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)等掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)為主要代表 的微納米檢測(cè)技術(shù)，是微納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和前提。尤其是AFM因其不 受樣品導(dǎo)電性能的限制而有更大的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，世界上絕大多數(shù)AFM，或 稱之為常規(guī)AFM，其探頭都是采用微探針固定、用壓電陶瓷掃描器對(duì)樣品進(jìn)行 掃描的形式。這些AFM儀器可以很好地實(shí)現(xiàn)小尺寸、小質(zhì)量的微納米測(cè)試樣品 的小范圍掃描測(cè)量，如小塊光柵、多孔氧化鋁模板、光學(xué)薄膜、金屬片、硅片 以及其他納米材料；而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺寸、大質(zhì)量樣品的大范圍掃描測(cè)量，如超 精密工件、大型光學(xué)部件、大鏡頭、大口徑衍射光學(xué)器件、大型光柵等。
對(duì)于大尺寸、大質(zhì)量的樣品而言，AFM探頭必須采用樣品固定、微探針掃 描的方式。而常規(guī)AFM的探頭，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)微探針的掃描，例如，在作大范 圍掃描時(shí)，由于探測(cè)光路中的激光器和PSD等是保持不動(dòng)的(原因是掃描器無(wú) 法帶動(dòng)它們作快速掃描)，掃描過(guò)程中探測(cè)光路可能會(huì)偏離甚至脫離微探針(微 懸臂)，為此，需要研究設(shè)計(jì)全新的AFM探頭。本發(fā)明提出了一種大尺寸大范 圍高分辨AFM新技術(shù)，建立大尺寸大范圍高分辨AFM技術(shù)裝備。采用壓電陶 瓷探頭掃描(高分辨、100umxl00um掃描范圍)和步進(jìn)電機(jī)大范圍(30cmx30 cm)移動(dòng)相結(jié)合的方法，打破常規(guī)小范圍AFM的局限性，實(shí)現(xiàn)超精密工件、大 型光學(xué)部件、大鏡頭、大口徑衍射光學(xué)器件、大型光柵等大樣品的微納米檢測(cè)， 滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)及國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大樣品大范圍高分辨原子 力顯微檢測(cè)方法及裝置。
大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)方法是采用樣品固定、微探針掃描的 方法，引入一個(gè)隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY掃描移動(dòng)量與微探針始 終一樣，即微探針始終位于小透鏡的焦點(diǎn)處，在大范圍掃描過(guò)程中，通過(guò)小透鏡聚焦而成的激光光斑也始終對(duì)準(zhǔn)微懸臂，從而有效地實(shí)現(xiàn)了光路的跟蹤，在 光電探測(cè)器前的另一小透鏡，既避免了 Z向反饋造成的系統(tǒng)誤差，又同時(shí)保持
了光束偏轉(zhuǎn)法的高靈敏度及高分辨率，從而實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的z向反饋控制
和大范圍高分辨率的XY掃描成像，采用開放式的樣品臺(tái)和二維步進(jìn)電機(jī)，實(shí) 現(xiàn)大型超精密工件樣品的任意區(qū)域大范圍掃描檢測(cè)。
大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)裝置包括壓電瓷掃描探頭、光學(xué)平臺(tái)、 Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)、樣品臺(tái)、待測(cè)樣品、第一固定塊、第二固定塊、第一支 撐柱、第二支撐柱、支撐梁、X向步進(jìn)電控平移臺(tái)、滑動(dòng)塊、L形固定塊；在 光學(xué)平臺(tái)上兩側(cè)分別設(shè)有第一固定塊、第二固定塊，在光學(xué)平臺(tái)上設(shè)有Y向步 進(jìn)電控平移臺(tái)，第一固定塊上設(shè)有第一支撐柱，第二固定塊上設(shè)有第二支撐柱， Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)上設(shè)有樣品臺(tái)，第一支撐柱、第二支撐柱上端設(shè)有支撐梁， 在支撐梁上方安裝X向步進(jìn)電控平移臺(tái)，滑動(dòng)塊安裝在X向步進(jìn)電控平移臺(tái)上， 滑動(dòng)塊下方設(shè)有L形固定塊，L形固定塊上安裝有壓電瓷掃描探頭。
所述的壓電陶瓷掃描探頭包括位置敏感元件、第一小透鏡、光電探測(cè)筒、 半導(dǎo)體激光器、X軸壓電陶瓷、Y軸壓電陶瓷、Z軸壓電陶瓷、橫梁、第三固 定塊、第二小透鏡、方形固定塊、第四固定塊、微懸臂一探針；第三固定塊上 垂直固定有橫梁，在橫梁上從右到左依次安裝有位置敏感元件和第一小透鏡構(gòu) 成的光電探測(cè)筒，半導(dǎo)體激光器以及三根相互垂直的X軸壓電陶瓷、Y軸壓電 陶瓷和Z軸壓電陶瓷，第二小透鏡固定在方形固定塊右側(cè)，固定塊的后側(cè)、左 側(cè)及上側(cè)分別與X軸壓電陶瓷、Y軸壓電陶瓷和Z軸壓電陶瓷相連，固定塊的 下側(cè)與第四固定塊連接，固定塊下面安裝微懸臂一探針。
本發(fā)明的大范圍大尺寸高分辨AFM技術(shù)及系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，技術(shù) 條件易于實(shí)現(xiàn)?？朔顺Ｒ?guī)樣品掃描式AFM僅適用于小樣品的小范圍檢測(cè)的局 限性，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用的透鏡系統(tǒng)解決探針大范圍掃描時(shí)的光路跟蹤問題，實(shí) 現(xiàn)大范圍高精度的Z向反饋控制和大范圍高分辨率的XY掃描成像，采用開放 式的樣品臺(tái)和二維步進(jìn)電機(jī)，可對(duì)大型超精密工件樣品，在保持AFM的超高分 辨率下實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域大范圍掃描檢測(cè)。可望在微納米檢測(cè)、微納米加工制備及 微納米操控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。


圖1是大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的壓電陶瓷掃描探頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3 (a)是掃描器未掃描時(shí)激光光路示意圖；圖3 (b)是掃描器在橫向掃描時(shí)激光光路示意圖3 (C)是無(wú)論有無(wú)橫向掃描，激光始終會(huì)聚在微懸臂探針上的示意圖； 圖4 (a)是無(wú)Z向反饋時(shí)激光光路示意圖； 圖4 (b)是有Z向反饋時(shí)激光光路示意圖中壓電瓷掃描探頭1、光學(xué)平臺(tái)2、 Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)3、樣品臺(tái)4、 待測(cè)樣品5、第一固定塊6、第二固定塊7、第一支撐柱8、第二支撐柱9、支撐 梁10、 X向步進(jìn)電控平移臺(tái)11、滑動(dòng)塊12、 L形固定塊13、位置敏感元件 14、第一小透鏡15、光電探測(cè)筒16、半導(dǎo)體激光器17、 X軸壓電陶瓷18、 Y 軸壓電陶瓷19、 Z軸壓電陶瓷20、橫梁21、第三固定塊22、第二小透鏡23、 方形固定塊24、第四固定塊25、微懸臂一探針26。
具體實(shí)施例方式
大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)方法是采用樣品固定、微探針掃描的 方法，引入一個(gè)隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY掃描移動(dòng)量與微探針始 終一樣，即微探針始終位于小透鏡的焦點(diǎn)處，在大范圍掃描過(guò)程中，通過(guò)小透 鏡聚焦而成的激光光斑也始終對(duì)準(zhǔn)微懸臂，從而有效地實(shí)現(xiàn)了光路的跟蹤，在 光電探測(cè)器前的另一小透鏡，既避免了 Z向反饋造成的系統(tǒng)誤差，又同時(shí)保持 了光束偏轉(zhuǎn)法的高靈敏度及高分辨率，從而實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的Z向反饋控制 和大范圍高分辨率的XY掃描成像(橫向0.2 11111，縱向0.1nm)，采用開放式的 樣品臺(tái)和二維步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)大型超精密工件樣品的任意區(qū)域大范圍掃描檢測(cè)。
如圖1所示，大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)裝置包括壓電瓷掃描探 頭1、光學(xué)平臺(tái)2、 Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)3、樣品臺(tái)4、待測(cè)樣品5、第一固定 塊6、第二固定塊7、第一支撐柱8、第二支撐柱9、支撐梁IO、 X向步進(jìn)電控 平移臺(tái)11、滑動(dòng)塊12、 L形固定塊13;在光學(xué)平臺(tái)2上兩側(cè)分別設(shè)有第一固 定塊6、第二固定塊7，在光學(xué)平臺(tái)2上設(shè)有Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)3，第一固定 塊6上設(shè)有第一支撐柱8，第二固定塊7上設(shè)有第二支撐柱9， Y向步進(jìn)電控平 移臺(tái)3上設(shè)有樣品臺(tái)4，第一支撐柱8、第二支撐柱9上端設(shè)有支撐梁10，在支 撐梁IO上方安裝X向步進(jìn)電控平移臺(tái)11，滑動(dòng)塊12安裝在X向步進(jìn)電控平移 臺(tái)11上，滑動(dòng)塊12下方設(shè)有L形固定塊13， L形固定塊13上安裝有壓電瓷掃 描探頭l。
如圖2所示，壓電陶瓷掃描探頭1包括位置敏感元件14、第一小透鏡15、 光電探測(cè)筒16、半導(dǎo)體激光器17、 X軸壓電陶瓷18、 Y軸壓電陶瓷19、 Z軸 壓電陶瓷20、橫梁21、第三固定塊22、第二小透鏡23、方形固定塊24、第四200910100818.X
說(shuō)明書第4/4頁(yè)
固定塊25、微懸臂一探針26;第三固定塊22上垂直固定有橫梁21，在橫梁21 上從右到左依次安裝有位置敏感元件14和第一小透鏡15構(gòu)成的光電探測(cè)筒16， 半導(dǎo)體激光器17以及三根相互垂直的X軸壓電陶瓷18、 Y軸壓電陶瓷19和Z 軸壓電陶瓷20，第二小透鏡23固定在方形固定塊24右側(cè)，固定塊24的后側(cè)、 左側(cè)及上側(cè)分別與X軸壓電陶瓷18、Y軸壓電陶瓷19和Z軸壓電陶瓷20相連， 固定塊24的下側(cè)與第四固定塊25連接，固定塊25下面安裝微懸臂一探針26。 如圖3所示，在照射光路中引入一個(gè)隨掃描器一起掃描的小透鏡，其XY 掃描移動(dòng)量與微探針始終一樣，即微探針(微懸臂)始終位于小透鏡的焦點(diǎn)處， 半導(dǎo)體激光器出射的平行光經(jīng)過(guò)小透鏡后聚焦在微探針上，這樣，在大范圍掃 描過(guò)程中，通過(guò)小透鏡聚焦而成的激光光斑也始終對(duì)準(zhǔn)微懸臂，從而有效地實(shí) 現(xiàn)了光路的跟蹤。
如圖4所示，在位置敏感元件(PSD)的前面，離微探針一倍焦距的地方放 置一小透鏡，從微探針上反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)小透鏡后平行照射到PSD中心，當(dāng) Z向有反饋時(shí)，由于小透鏡的存在，從微探針上反射回來(lái)的光依然照射到PSD 中心，保證反饋時(shí)光路的跟蹤。
本發(fā)明采用壓電陶瓷掃描器驅(qū)動(dòng)微探針進(jìn)行大范圍(lOOumxlOOum)的掃 描，在照射光路中引入一個(gè)隨掃描器一起掃描的小透鏡，其XY掃描移動(dòng)量與微 探針始終一樣，即微探針(微懸臂)始終位于小透鏡的焦點(diǎn)處。這樣，在大范 圍掃描過(guò)程中，通過(guò)小透鏡聚焦而成的激光光斑也始終對(duì)準(zhǔn)微懸臂，從而有效 地實(shí)現(xiàn)了光路的跟蹤。同樣，在光電探測(cè)器前設(shè)計(jì)的一個(gè)小透鏡，既避免了 Z 向反饋造成的系統(tǒng)誤差，又同時(shí)保持了光束偏轉(zhuǎn)法的高靈敏度及高分辨率；從 而實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的Z向反饋控制和大范圍高分辨率的XY掃描成像。利用 針尖與樣品之間的微弱原子力，使微懸臂產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)光電檢測(cè)方法檢測(cè)偏 轉(zhuǎn)量的大小，從而在針尖與樣品作相對(duì)掃描的過(guò)程中獲取樣品表面的三維高分 辨納米結(jié)構(gòu)形貌；采用開放式的樣品臺(tái)和X、 Y步進(jìn)移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸 (最大可達(dá)60cmxl00cm)、大重量(0-20kg)樣品任意區(qū)域表面進(jìn)行微納米掃 描檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)方法，其特征在于采用樣品固定、微探針掃描的方法，引入一個(gè)隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY掃描移動(dòng)量與微探針始終一樣，即微探針始終位于小透鏡的焦點(diǎn)處，在大范圍掃描過(guò)程中，通過(guò)小透鏡聚焦而成的激光光斑也始終對(duì)準(zhǔn)微懸臂，從而有效地實(shí)現(xiàn)了光路的跟蹤，在光電探測(cè)器前的另一小透鏡，既避免了Z向反饋造成的系統(tǒng)誤差，又同時(shí)保持了光束偏轉(zhuǎn)法的高靈敏度及高分辨率，從而實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的Z向反饋控制和大范圍高分辨率的XY掃描成像，采用開放式的樣品臺(tái)和二維步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)大型超精密工件樣品的任意區(qū)域大范圍掃描檢測(cè)。
2. —種大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)裝置，其特征在于包括壓電瓷掃描探頭(1)、光學(xué)平臺(tái)(2)、 Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)(3)、樣品臺(tái)(4)、待測(cè)樣品(5)、第一固定塊(6)、第二固定塊(7)、第一支撐柱(8)、第二支撐柱(9) 、支撐梁(10)、 X向步進(jìn)電控平移臺(tái)(11)、滑動(dòng)塊(12)、 L形固定塊(13);在光學(xué)平臺(tái)(2)上兩側(cè)分別設(shè)有第一固定塊(6)、第二固定塊(7)，在光學(xué)平臺(tái)(2)上設(shè)有Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)(3)，第一固定塊(6)上設(shè)有第一支撐柱(8)，第二固定塊(7)上設(shè)有第二支撐柱(9)， Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)(3)上設(shè)有樣品臺(tái)(4)，第一支撐柱(8)、第二支撐柱(9)上端設(shè)有支撐梁(10) ，在支撐梁(10)上方安裝X向步進(jìn)電控平移臺(tái)(11)，滑動(dòng)塊(12)安裝在X向步進(jìn)電控平移臺(tái)(11)上，滑動(dòng)塊(12)下方設(shè)有L形固定塊(13)，L形固定塊(13)上安裝有壓電瓷掃描探頭(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)裝置，其特征在于所述的壓電陶瓷掃描探頭(1)包括位置敏感元件(14)、第一小透鏡(15)、光電探測(cè)筒(16)、半導(dǎo)體激光器(17)、 X軸壓電陶瓷(18)、 Y軸壓電陶瓷(19)、 Z軸壓電陶瓷(20)、橫梁(21)、第三固定塊(22)、第二小透鏡(23)、方形固定塊(24)、第四固定塊(25)、微懸臂—探針(26);第三固定塊(22)上垂直固定有橫梁(21)，在橫梁(21)上從右到左依次安裝有位置敏感元件(14)和第一小透鏡(15)構(gòu)成的光電探測(cè)筒(16)，半導(dǎo)體激光器(17)以及三根相互垂直的X軸壓電陶瓷(18)、 Y軸壓電陶瓷(19)和Z軸壓電陶瓷(20)，第二小透鏡(23)固定在方形固定塊(24)右側(cè)，固定塊(24)的后側(cè)、左側(cè)及上側(cè)分別與X軸壓電陶瓷(18)、Y軸壓電陶瓷(19)和Z軸壓電陶瓷(20)相連，固定塊(24)的下側(cè)與第四固定塊(25)連接，固定塊(25)下面安裝微懸臂一探針(26)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大樣品大范圍高分辨原子力顯微檢測(cè)方法及裝置。采用壓電陶瓷探頭掃描和步進(jìn)電機(jī)大范圍移動(dòng)相結(jié)合的方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了開放式的樣品臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大型超精密工件的微納米檢測(cè)。它具有激光器、光路跟蹤透鏡、壓電陶瓷、微懸臂探針及光電探測(cè)元件組成的大范圍高分辨掃描探頭系統(tǒng)和對(duì)大尺寸樣品進(jìn)行大范圍移動(dòng)的X、Y向步進(jìn)電控平移臺(tái)以及光學(xué)平臺(tái)、掃描成像及反饋控制系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是克服了常規(guī)AFM僅適用于小樣品的小范圍檢測(cè)的局限性，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用的透鏡系統(tǒng)解決探針大范圍掃描時(shí)的光路跟蹤問題，采用開放式的樣品臺(tái)和二維步進(jìn)電機(jī)，可對(duì)大型超精密工件樣品，在保持AFM的超高分辨率下實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域大范圍掃描檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N13/16GK101603911SQ200910100818
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者張冬仙, 章海軍, 謝志剛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)