CN101603911B - 大样品大范围高分辨原子力显微检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大样品大范围高分辨原子力显微检测方法及装置。采用压电陶瓷探头扫描和步进电机大范围移动相结合的方法，同时设计了开放式的样品台，实现大型超精密工件的微纳米检测。它具有激光器、光路跟踪透镜、压电陶瓷、微悬臂探针及光电探测元件组成的大范围高分辨扫描探头系统和对大尺寸样品进行大范围移动的X、Y向步进电控平移台以及光学平台、扫描成像及反馈控制系统。本发明的优点是克服了常规AFM仅适用于小样品的小范围检测的局限性，设计了简单实用的透镜系统解决探针大范围扫描时的光路跟踪问题，采用开放式的样品台和二维步进电机，可对大型超精密工件样品，在保持AFM的超高分辨率下实现任意区域大范围扫描检测。

Description

大样品大范围高分辨原子力显微检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种大样品大范围高分辨原子力显微显微检测方法及装置。用于超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等大样品的微纳米检测。
背景技术
微纳米技术是近年来国际上飞速发展的前沿学科领域，而以原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等扫描探针显微镜(SPM)技术为主要代表的微纳米检测技术，是微纳米技术发展的重要基础和前提。尤其是AFM因其不受样品导电性能的限制而有更大的应用领域。目前，世界上绝大多数AFM，或称之为常规AFM，其探头都是采用微探针固定、用压电陶瓷扫描器对样品进行扫描的形式。这些AFM仪器可以很好地实现小尺寸、小质量的微纳米测试样品的小范围扫描测量，如小块光栅、多孔氧化铝模板、光学薄膜、金属片、硅片以及其他纳米材料；而无法实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量，如超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等。
对于大尺寸、大质量的样品而言，AFM探头必须采用样品固定、微探针扫描的方式。而常规AFM的探头，显然无法实现微探针的扫描，例如，在作大范围扫描时，由于探测光路中的激光器和PSD等是保持不动的(原因是扫描器无法带动它们作快速扫描)，扫描过程中探测光路可能会偏离甚至脱离微探针(微悬臂)，为此，需要研究设计全新的AFM探头。本发明提出了一种大尺寸大范围高分辨AFM新技术，建立大尺寸大范围高分辨AFM技术装备。采用压电陶瓷探头扫描(高分辨、100um×100um扫描范围)和步进电机大范围(30cm×30cm)移动相结合的方法，打破常规小范围AFM的局限性，实现超精密工件、大型光学部件、大镜头、大口径衍射光学器件、大型光栅等大样品的微纳米检测，满足我国国民经济和社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种大样品大范围高分辨原子力显微检测方法及装置。
大样品大范围高分辨原子力显微检测方法是采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针始终位于小透镜的焦点处，在大范围扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑也始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，既避免了Z向反馈造成的系统误差，又同时保持了光束偏转法的高灵敏度及高分辨率，从而实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像，采用开放式的样品台和二维步进电机，实现大型超精密工件样品的任意区域大范围扫描检测。
大样品大范围高分辨原子力显微检测装置包括压电瓷扫描探头、光学平台、Y向步进电控平移台、样品台、待测样品、第一固定块、第二固定块、第一支撑柱、第二支撑柱、支撑梁、X向步进电控平移台、滑动块、L形固定块；在光学平台上两侧分别设有第一固定块、第二固定块，在光学平台上设有Y向步进电控平移台，第一固定块上设有第一支撑柱，第二固定块上设有第二支撑柱，Y向步进电控平移台上设有样品台，第一支撑柱、第二支撑柱上端设有支撑梁，在支撑梁上方安装X向步进电控平移台，滑动块安装在X向步进电控平移台上，滑动块下方设有L形固定块，L形固定块上安装有压电瓷扫描探头。
所述的压电陶瓷扫描探头包括位置敏感元件、第一小透镜、光电探测筒、半导体激光器、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、横梁、第三固定块、第二小透镜、方形固定块、第四固定块、微悬臂-探针；第三固定块上垂直固定有横梁，在横梁上从右到左依次安装有位置敏感元件和第一小透镜构成的光电探测筒，半导体激光器以及三根相互垂直的X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷，第二小透镜固定在方形固定块右侧，固定块的后侧、左侧及上侧分别与X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷相连，固定块的下侧与第四固定块连接，固定块下面安装微悬臂-探针。
本发明的大范围大尺寸高分辨AFM技术及系统，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。克服了常规样品扫描式AFM仅适用于小样品的小范围检测的局限性，设计了简单实用的透镜系统解决探针大范围扫描时的光路跟踪问题，实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像，采用开放式的样品台和二维步进电机，可对大型超精密工件样品，在保持AFM的超高分辨率下实现任意区域大范围扫描检测。可望在微纳米检测、微纳米加工制备及微纳米操控等领域得到广泛应用。
附图说明
图1是大样品大范围高分辨原子力显微检测装置结构示意图；
图2是本发明的压电陶瓷扫描探头结构示意图；
图3(a)是扫描器未扫描时激光光路示意图；
图3(b)是扫描器在横向扫描时激光光路示意图；
图3(c)是无论有无横向扫描，激光始终会聚在微悬臂探针上的示意图；
图4(a)是无Z向反馈时激光光路示意图；
图4(b)是有Z向反馈时激光光路示意图；
图中：压电瓷扫描探头1、光学平台2、Y向步进电控平移台3、样品台4、待测样品5、第一固定块6、第二固定块7、第一支撑柱8、第二支撑柱9、支撑梁10、X向步进电控平移台11、滑动块12、L形固定块13、位置敏感元件14、第一小透镜15、光电探测筒16、半导体激光器17、X轴压电陶瓷18、Y轴压电陶瓷19、Z轴压电陶瓷20、横梁21、第三固定块22、第二小透镜23、方形固定块24、第四固定块25、微悬臂-探针26。
具体实施方式
大样品大范围高分辨原子力显微检测方法是采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针始终位于小透镜的焦点处，在大范围扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑也始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，既避免了Z向反馈造成的系统误差，又同时保持了光束偏转法的高灵敏度及高分辨率，从而实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像(横向0.2nm，纵向0.1nm)，采用开放式的样品台和二维步进电机，实现大型超精密工件样品的任意区域大范围扫描检测。
如图1所示，大样品大范围高分辨原子力显微检测装置包括压电瓷扫描探头1、光学平台2、Y向步进电控平移台3、样品台4、待测样品5、第一固定块6、第二固定块7、第一支撑柱8、第二支撑柱9、支撑梁10、X向步进电控平移台11、滑动块12、L形固定块13；在光学平台2上两侧分别设有第一固定块6、第二固定块7，在光学平台2上设有Y向步进电控平移台3，第一固定块6上设有第一支撑柱8，第二固定块7上设有第二支撑柱9，Y向步进电控平移台3上设有样品台4，第一支撑柱8、第二支撑柱9上端设有支撑梁10，在支撑梁10上方安装X向步进电控平移台11，滑动块12安装在X向步进电控平移台11上，滑动块12下方设有L形固定块13，L形固定块13上安装有压电瓷扫描探头1。
如图2所示，压电陶瓷扫描探头1包括位置敏感元件14、第一小透镜15、光电探测筒16、半导体激光器17、X轴压电陶瓷18、Y轴压电陶瓷19、Z轴压电陶瓷20、横梁21、第三固定块22、第二小透镜23、方形固定块24、第四固定块25、微悬臂-探针26；第三固定块22上垂直固定有横梁21，在横梁21上从右到左依次安装有位置敏感元件14和第一小透镜15构成的光电探测筒16，半导体激光器17以及三根相互垂直的X轴压电陶瓷18、Y轴压电陶瓷19和Z轴压电陶瓷20，第二小透镜23固定在方形固定块24右侧，固定块24的后侧、左侧及上侧分别与X轴压电陶瓷18、Y轴压电陶瓷19和Z轴压电陶瓷20相连，固定块24的下侧与第四固定块25连接，固定块25下面安装微悬臂-探针26。
如图3所示，在照射光路中引入一个随扫描器一起扫描的小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针(微悬臂)始终位于小透镜的焦点处，半导体激光器出射的平行光经过小透镜后聚焦在微探针上，这样，在大范围扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑也始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪。
如图4所示，在位置敏感元件(PSD)的前面，离微探针一倍焦距的地方放置一小透镜，从微探针上反射回来的光经过小透镜后平行照射到PSD中心，当Z向有反馈时，由于小透镜的存在，从微探针上反射回来的光依然照射到PSD中心，保证反馈时光路的跟踪。
本发明采用压电陶瓷扫描器驱动微探针进行大范围(100um×100um)的扫描，在照射光路中引入一个随扫描器一起扫描的小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针(微悬臂)始终位于小透镜的焦点处。这样，在大范围扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑也始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪。同样，在光电探测器前设计的一个小透镜，既避免了Z向反馈造成的系统误差，又同时保持了光束偏转法的高灵敏度及高分辨率；从而实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像。利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌；采用开放式的样品台和X、Y步进移动平台，实现对大尺寸(最大可达60cm×100cm)、大重量(0-20kg)样品任意区域表面进行微纳米扫描检测。

Claims (2)

1.一种大样品大范围高分辨原子力显微检测方法，其特征在于采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针始终位于小透镜的焦点处，在大范围扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑也始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，既避免了Z向反馈造成的系统误差，又同时保持了光束偏转法的高灵敏度及高分辨率，从而实现大范围高精度的Z向反馈控制和大范围高分辨率的XY扫描成像，采用开放式的样品台和二维步进电机，实现大型超精密工件样品的任意区域大范围扫描检测。
2.一种大样品大范围高分辨原子力显微检测装置，其特征在于包括压电陶瓷扫描探头(1)、光学平台(2)、Y向步进电控平移台(3)、样品台(4)、待测样品(5)、第一固定块(6)、第二固定块(7)、第一支撑柱(8)、第二支撑柱(9)、支撑梁(10)、X向步进电控平移台(11)、滑动块(12)、L形固定块(13)；在光学平台(2)上两侧分别设有第一固定块(6)、第二固定块(7)，在光学平台(2)上设有Y向步进电控平移台(3)，第一固定块(6)上设有第一支撑柱(8)，第二固定块(7)上设有第二支撑柱(9)，Y向步进电控平移台(3)上设有样品台(4)，第一支撑柱(8)、第二支撑柱(9)上端设有支撑梁(10)，在支撑梁(10)上方安装X向步进电控平移台(11)，滑动块(12)安装在X向步进电控平移台(11)上，滑动块(12)下方设有L形固定块(13)，L形固定块(13)上安装有压电陶瓷扫描探头(1)；所述的压电陶瓷扫描探头(1)包括位置敏感元件(14)、第一小透镜(15)、光电探测筒(16)、半导体激光器(17)、X轴压电陶瓷(18)、Y轴压电陶瓷(19)、Z轴压电陶瓷(20)、横梁(21)、第三固定块(22)、第二小透镜(23)、方形固定块(24)、第四固定块(25)、微悬臂-探针(26)；第三固定块(22)上垂直固定有横梁(21)，在横梁(21)上从右到左依次安装有位置敏感元件(14)和第一小透镜(15)构成的光电探测筒(16)，半导体激光器(17)以及三根相互垂直的X轴压电陶瓷(18)、Y轴压电陶瓷(19)和Z轴压电陶瓷(20)，第二小透镜(23)固定在方形固定块(24)右侧，方形固定块(24)的后侧、左侧及上侧分别与X轴压电陶瓷(18)、Y轴压电陶瓷(19)和Z轴压电陶瓷(20)相连，方形固定块(24)的下侧与第四固定块(25)连接，第四固定块(25)下面安装微悬臂-探针(26)。
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