CN102384986A - 具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜。L型基座底板、第一转接板、X轴手动平移台、Y轴手动平移台、X轴直流电动平移台、Y轴直流电动平移台、手动倾角台、第二转接板、样品台顺次相连，L型基座侧板上部设有第三转接板，第三转接板上顺次设有动平移台、Z轴直流电动平移台、压电陶瓷固定块，压电陶瓷固定块垂直设有压电陶瓷，压电陶瓷下端顺次设有前置放大电路单元、探针夹持机构和探针。本发明通过本发明将扫描隧道显微镜技术的测量范围从微米量级提升到毫米两级，深宽比测量能力从小于1:1提升到50:1以上，从而提高了扫描隧道显微技术在微纳测量领域的应用能力。
Description
技术领域
本发明涉及扫描隧道显微镜技术领域，特别是涉及一种同时具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜。
背景技术
具有特定功能的微小表面拓扑形状的大范围、高深-宽比三维微纳结构，包括：（1）微光学元件，如凹槽、微透镜阵列、微金字塔结构等；（2）微型模具，如二维平面光栅金属模板、微镜头阵列成型模具，LCD显示屏导光板模具等，它们已经成为光电、通讯以及精密测量等领域的关键零部件，由此衍生出的产品如数码相机、传真机、扫描仪、高清晰显示系统、光纤通讯、平面光栅定位系统等已形成了数以亿计的全球市场，在航空、航天、电子、化工、生物、医疗等许多领域扮演着重要角色，有着广阔的应用前景。这些三维微纳结构的形状将直接影响相关器件的多项性能指标，如：驱动力、工作频率范围、灵敏度和位移量等，因此对其进行表面形貌的超精密测量非常必要，而且测量是用来保证加工的，其精度往往至少要高于加工一个数量级。所以，如果没有先进的测量手段和仪器去保证或检验加工出的三维微纳结构，就会使其加工无标准可遵循，因此所谓的加工也就是盲目的。随着现代微纳加工技术的不断进步，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微器件不断出现，对大面积、高深-宽比微纳结构表面形貌超精密测量的需求越发迫切。
在众多超精密测量技术中，扫描隧道显微镜是依然是三维微纳形貌测量最直接、最能如实反映被测试件微纳结构的有效工具。它主要利用了针尖与样品间纳米间隙的量子隧道效应引起的隧道电流与间隔成指数关系，实现样品的局域探测。虽然传统的扫描隧道显微镜测量精度很高，其纵向分辨率可达到0.001-0.01nm，横向分辨率也可大1nm, 然而二者横向测量长度一般在几微米或几十微米量级。传统的扫描隧道显微镜都是采用三维压电陶瓷管驱动的扫描模式，无法实施高速、大范围、高深-宽比的微纳测量，也使得它们的使用范围仅限于实验室内的微纳形貌和几何量测量，不具备大范围、高深-宽比的测量能力，无法满足现在超精密测量领域的发展需求。因此，在这一方面，急需对原有测量仪器进行改进，发展一种新型的扫描隧道显微检测系统，使其同时具有大范围和高深-宽比的测量能力。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜。
具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜包括L型基座、第一转接板、X轴手动平移台、Y轴手动平移台、X轴直流电动平移台、Y轴直流电动平移台、手动倾角台、第二转接板、样品台、第三转接板、Z轴手动平移台、Z轴直流电动平移台、压电陶瓷固定块、压电陶瓷、前置放大电路单元、探针夹持机构和探针；L型基座底板、第一转接板、X轴手动平移台、Y轴手动平移台、X轴直流电动平移台、Y轴直流电动平移台、手动倾角台、第二转接板、样品台顺次相连，L型基座侧板上部设有第三转接板，第三转接板上顺次设有Z轴手动平移台、Z轴直流电动平移台、压电陶瓷固定块，压电陶瓷固定块垂直设有压电陶瓷，压电陶瓷下端顺次设有前置放大电路单元、探针夹持机构和探针。
所述的第三转接板的材料为尼龙，探针的材料为99.999%纯钨。所述的样品台中间设有沉孔，沉孔内装有圆形磁铁。所述的手动倾角台为具有二维角运动自由度调节的手动倾角台。所述的X轴直流电动平移台、Y轴直流电动平移台、Z轴直流电动平移台行程均为30 mm。所述的压电陶瓷行程为150 μm。
本发明专利与传统的扫描隧道显微镜相比主要的优势在于：平面扫描机构由二维大范围直流电机驱动平台组成，纵向伺服机构由长行程压电陶瓷组成，克服了传统的扫描隧道显微镜采用单个三维压电扫描管所带来的测量速度低、测量范围小、深-宽比测量能力弱等技术缺陷。而且，将平面扫描机构和纵向伺服机构分开，避免了平面扫描和纵向伺服运动之间的耦合误差，在提高扫描隧道显微镜的测量范围的同时，也提高了其测量精度。利用该新型扫描隧道显微镜，可以将扫描隧道显微镜技术的测量范围从μm量级提升到mm量级，深宽比测量能力从小于1:1提升到50:1以上，大大提升了扫描隧道显微技术在微纳测量领域的应用能力。
附图说明
图1是具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜结构示意图，
图2是本发明的样品台结构示意图；
图3是大范围扫描平面倾斜校正方法示意图；
图4是利用该新型扫描隧道显微镜对正弦光栅样品的大范围和高深-宽比扫描测量结果；
图中，L型大理石基座1、第一转接板2、X轴手动平移台3、Y轴手动平移台4、X轴直流电动平移台5、Y轴直流电动平移台6、手动倾角台7、第二转接板8、样品台9、待测样品10、第三转接板11、Z轴手动平移台12、Z轴直流电动平移台13、压电陶瓷固定块14、压电陶瓷15、前置放大电路单元16、探针夹持机构17、探针18。
具体实施方式
下面结合附图，对本专利进行进一步的说明。
如附图1所示，具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜包括L型基座1、第一转接板2、X轴手动平移台3、Y轴手动平移台4、X轴直流电动平移台5、Y轴直流电动平移台6、手动倾角台7、第二转接板8、样品台9、第三转接板11、Z轴手动平移台12、Z轴直流电动平移台13、压电陶瓷固定块14、压电陶瓷15、前置放大电路单元16、探针夹持机构17和探针18；L型基座1底板、第一转接板2、X轴手动平移台3、Y轴手动平移台4、X轴直流电动平移台5、Y轴直流电动平移台6、手动倾角台7、第二转接板8、样品台9顺次相连，L型基座1侧板上部设有第三转接板11，第三转接板11上顺次设有动平移台12、Z轴直流电动平移台13、压电陶瓷固定块14，压电陶瓷固定块14垂直设有压电陶瓷15，压电陶瓷15下端顺次设有前置放大电路单元16、探针夹持机构17和探针18。
所述的第三转接板11的材料为尼龙，探针18的材料为99.999%纯钨。如图2所示，所述的样品台9中间设有沉孔，沉孔内装有圆形磁铁。所述的手动倾角台7为具有二维角运动自由度调节的手动倾角台。所述的X轴直流电动平移台5、Y轴直流电动平移台6、Z轴直流电动平移台13行程均为30 mm。所述的压电陶瓷15行程为150 μm。
实际实施中，对待测样品-测量大平面、高深-宽比三维正弦光栅表面进行扫描隧道显微测量。为了实现对三维正弦光栅的大范围、高深-宽比扫描，需要进行平面倾斜校正，以确保在整个大范围扫描范围之内，扫描探针与待测样品都能够相互作用在隧道电流区域，即整个扫描范围都在压电陶瓷的伺服行程范围之内。如图3所示，平面倾斜校正的步骤为：1. X轴直流电动平移台移动1.2 mm,检测到压电陶瓷的伸长量为5 μm, 则调节手动倾角台的偏摆角度为arctan(0.005 /1.2)；2. Y轴直流电动平移台移动1.2 mm,检测压电陶瓷的伸缩量4.5 μm, 调节手动倾角台的俯仰角度为arctan(0.0045/1.2)。进行平面倾斜校正之后，用运用该新型扫描隧道显微镜可对大范围、高深-宽比的测量样品正弦光栅进行大范围、高深-宽比表面形貌的超精密测量，扫描测量结果如图4所示。从扫描结果可以看出，利用该发明专利，可以准确获取大范围、高深-宽比微纳结构的表面形貌的测量信息。
Claims (6)
1.一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于包括L型基座（1）、第一转接板（2）、X轴手动平移台（3）、Y轴手动平移台（4）、X轴直流电动平移台（5）、Y轴直流电动平移台（6）、手动倾角台（7）、第二转接板（8）、样品台（9）、第三转接板（11）、Z轴手动平移台（12）、Z轴直流电动平移台（13）、压电陶瓷固定块（14）、压电陶瓷（15）、前置放大电路单元（16）、探针夹持机构（17）和探针（18）；L型基座（1）底板、第一转接板（2）、X轴手动平移台（3）、Y轴手动平移台（4）、X轴直流电动平移台（5）、Y轴直流电动平移台（6）、手动倾角台（7）、第二转接板（8）、样品台（9）顺次相连，L型基座（1）侧板上部设有第三转接板（11），第三转接板（11）上顺次设有Z轴手动平移台（12）、Z轴直流电动平移台（13）、压电陶瓷固定块（14），压电陶瓷固定块（14）垂直设有压电陶瓷（15），压电陶瓷（15）下端顺次设有前置放大电路单元（16）、探针夹持机构（17）和探针（18）。
2.根据权利要求1所述的一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于所述的第三转接板（11）的材料为尼龙，探针（18）的材料为99.999%纯钨。
3.根据权利要求1所述的一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于所述的样品台（9）中间设有沉孔，沉孔内装有圆形磁铁。
4.根据权利要求1所述的一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于所述的手动倾角台（7）为具有二维角运动自由度调节的手动倾角台。
5.根据权利要求1所述的一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于所述的X轴直流电动平移台（5）、Y轴直流电动平移台（6）、Z轴直流电动平移台（13）行程均为30 mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有大范围和高深-宽比测量能力的扫描隧道显微镜，其特征在于所述的压电陶瓷（15）行程为150 μm。
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