CN102707094A

CN102707094A - 一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置

Info

Publication number: CN102707094A
Application number: CN2012101921866A
Authority: CN
Inventors: 章海军; 桑青; 张冬仙; 李甸
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102707094B

Abstract

本发明公开了一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置。采用样品扫描和探针扫描相结合的检测方法，同时实现轻小型样品和较大较重样品的高精度微纳米检测。它具有由探针扫描与光电检测单元、样品扫描单元及二维步进扫描单元等组成的三扫描器原子力显微探测头，以及由前置放大器、PID反馈单元、XYZ控制模块一、XYZ控制模块二、步进控制模块、计算机与接口等组成的扫描与反馈控制系统。本发明的优点是：提供三种探针和样品扫描方式，保持纳米级扫描精度，对不同尺寸、不同重量的样品实现1~100μm范围的单幅图像扫描、0.1~1mm范围的图像拼接，克服了常规AFM的局限性，为实现各种尺寸与重量的微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式微纳米扫描成像提供新途径。

Description

一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置。

背景技术

微纳米技术越来越成为当今世界科技发展的前沿之一，对现代科学技术的发展和社会进步起到重大的推动作用。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）等超高分辨率仪器已经成为微纳米领域里不可缺少的重要工具，尤其是AFM因其不受样品导电性能的限制而广泛应用于物理学、化学、生物学、医学、微电子学、微机械及微纳米技术等领域。

目前，世界上大多数常规AFM，其探头都采用单一的扫描器，它们要么单纯采用微探针固定、样品扫描的形式，要么单纯采用样品固定、微探针扫描的形式。前者可以实现小尺寸、小质量样品的小范围扫描测量，后者则适用于大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量。尽管这些常规AFM具有以上特点，但是因为它们只采用单一扫描器及单一扫描方式，因此在性能和技术指标方面均存在局限性，如常规的微探针固定、样品扫描型AFM，无法同时实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量；而常规的样品固定、微探针扫描型AFM，在实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量的同时，往往需要牺牲成像分辨率或精度，即无法同时实现高分辨率扫描成像，因此需要不断发展新的AFM技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置。

三扫描器原子力显微扫描检测方法是采用样品扫描和探针扫描相结合的检测方法，引入叠层式压电陶瓷扫描器及扫描跟踪光路与反馈跟踪光路，以样品固定、微探针扫描与反馈的方式实现各种样品的0.1nm分辩率、10~100μm扫描范围的微纳米检测；引入管状压电陶瓷扫描器，以微探针固定、样品扫描与反馈的方式实现轻小样品的1~10μm扫描范围的微纳米检测；引入二维步进扫描台扫描样品，配合叠层式压电陶瓷器对微探针的Z向反馈控制及反馈跟踪光路，以微探针反馈、样品扫描的方式实现大、重样品的0.1nm分辩率、0.1~1mm范围的图像扫描及拼接。

三扫描器原子力显微扫描检测装置包括三扫描器原子力显微探测头、前置放大器、PID反馈单元、第一XYZ控制模块、第二XYZ控制模块、步进控制模块、计算机与接口；前置放大器与位置敏感元件、PID反馈单元相连，PID反馈单元与第一XYZ控制模块、第二XYZ控制模块、计算机与接口相连，第一XYZ控制模块与叠层式压电陶瓷扫描器、计算机与接口相连，第二XYZ控制模块与管状压电陶瓷扫描器、计算机与接口相连，步进控制模块与二维步进扫描台、计算机与接口相连。

所述的三扫描器原子力显微镜探测头包括探针扫描与光电检测单元、样品扫描单元及二维步进扫描单元，其中，探针扫描与光电检测单元包括半导体激光器、准直透镜、限束孔、扫描跟踪透镜、微探针、反馈跟踪透镜、PSD、弯曲支架、直支架、叠层式压电陶瓷扫描器、探针座、第一扫描器座、横梁，样品扫描单元包括样品、样品台、管状压电陶瓷扫描器、第二扫描器座，二维步进扫描单元包括二维步进扫描台、底座；安装在支柱上的横梁固定有PSD、弯曲支架、半导体激光器、叠层式压电陶瓷扫描器，弯曲支架上装有反馈跟踪透镜，准直透镜、限束孔、扫描跟踪透镜自上而下固定在直支架上，在叠层式压电陶瓷扫描器左侧固定有直支架、下端固定有探针座，微探针固定在探针座上，样品安装在样品台上，样品台固定在管状压电陶瓷扫描器上，管状压电陶瓷扫描器通过第二扫描器座安装在二维步进扫描台上，二维步进扫描台固定在底座上。

本发明首次提供了三种不同的探针和样品扫描方式，可在保持纳米级扫描精度的同时，对不同尺寸、不同重量的样品实现一微米至一百微米级范围的单幅图像扫描，以及一百微米至毫米级范围的图像拼接，克服了常规样品扫描式AFM仅适用于小样品的小范围检测和探针扫描式AFM适用于大样品的大范围检测的局限性，为实现各种尺寸与重量的微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式微纳米扫描成像提供了新途径，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是三扫描器原子力显微扫描检测装置结构示意图；

图2是本发明的三扫描器原子力显微探测头结构示意图；

图中：三扫描器原子力显微镜探测头1、探针扫描与光电检测单元2、样品扫描单元3、二维步进扫描单元4、前置放大器5、PID反馈单元6、第一XYZ控制模块7、第二XYZ控制模块8、步进控制模块9、计算机与接口10、半导体激光器11、准直透镜12、限束孔13、扫描跟踪透镜14、微探针15、反馈跟踪透镜16、PSD17、弯曲支架18、直支架19、叠层式压电陶瓷扫描器20、探针座21、第一扫描器座22、支柱23、横梁24、样品25、样品台26、管状压电陶瓷扫描器27、第二扫描器座28、二维步进扫描台29、底座30。

具体实施方式

本发明采用样品扫描和探针扫描相结合的方法，提供了三种不同的探针和样品扫描方式，既可以实现轻小型样品高精度微纳米检测，也可同时实现较大或较重样品的微纳米检测。引入叠层式压电陶瓷扫描器及独特的扫描跟踪光路与反馈跟踪光路，XY向压电陶瓷伸缩带动探针扫描，Z向压电陶瓷反馈，激光从半导体激光器发出，经过准直透镜、限束孔和扫描跟踪透镜后到达微悬臂表面，经微悬臂反射后通过反馈跟踪透镜到达PSD，根据叠层式压电陶瓷的XY扫描电压信号，以及来PSD的光电流信号或叠层式压电陶瓷的Z向反馈电压信号，获得样品的AFM图像，从而以样品固定、微探针扫描与反馈的方式实现各种样品的高精度、10~100μm扫描范围的微纳米检测；同时，引入管状压电陶瓷扫描器，XY向压电陶瓷伸缩带动样品扫描，Z向压电陶瓷反馈，根据管状压电陶瓷的XY扫描电压信号，以及来PSD的光电流信号或管状压电陶瓷的Z向反馈电压信号，获得样品的AFM图像，从而以微探针固定、样品扫描与反馈的方式实现轻小样品的高精度、1~10μm扫描范围的微纳米检测；此外，引入二维步进扫描台，XY平面的扫描由二维步进扫描台带动样品台完成，配合叠层式压电陶瓷器对微探针的Z向反馈控制及反馈跟踪光路，根据步进扫描台的XY扫描电压信号，以及来PSD的光电流信号或叠层式压电陶瓷的Z向反馈电压信号，获得样品的AFM图像，从而以微探针反馈、样品扫描的方式实现较大较重样品的高精度、0.1~1mm范围的图像扫描及拼接。

如图1所示，三扫描器原子力显微扫描检测装置包括三扫描器原子力显微探测头1、前置放大器5、PID反馈单元6、第一XYZ控制模块7、第二XYZ控制模块8、步进控制模块9、计算机与接口10；前置放大器5与位置敏感元件17、PID反馈单元6相连，PID反馈单元6与第一XYZ控制模块7、第二XYZ控制模块8、计算机与接口10相连，第一XYZ控制模块7与叠层式压电陶瓷扫描器20、计算机与接口10相连，第二XYZ控制模块8与管状压电陶瓷扫描器27、计算机与接口10相连，步进控制模块9与二维步进扫描台29、计算机与接口10相连。

如图2所示，所述的三扫描器原子力显微镜探测头1包括探针扫描与光电检测单元2、样品扫描单元3及二维步进扫描单元4，其中，探针扫描与光电检测单元2包括半导体激光器11、准直透镜12、限束孔13、扫描跟踪透镜14、微探针15、反馈跟踪透镜16、PSD17、弯曲支架18、直支架19、叠层式压电陶瓷扫描器20、探针座21、第一扫描器座22、横梁24，样品扫描单元3包括样品25、样品台26、管状压电陶瓷扫描器27、第二扫描器座28，二维步进扫描单元4包括二维步进扫描台29、底座30；安装在支柱23上的横梁24固定有PSD17、弯曲支架18、半导体激光器11、叠层式压电陶瓷扫描器20，弯曲支架18上装有反馈跟踪透镜16，准直透镜12、限束孔13、扫描跟踪透镜14自上而下固定在直支架19上，在叠层式压电陶瓷扫描器20左侧固定有直支架19、下端固定有探针座21，微探针15固定在探针座21上，样品25安装在样品台26上，样品台26固定在管状压电陶瓷扫描器27上，管状压电陶瓷扫描器27通过第二扫描器座28安装在二维步进扫描台29上，二维步进扫描台29固定在底座30上。

本发明采用样品扫描和探针扫描相结合的检测方法，可提供三种不同的探针和样品扫描方式，能在保持纳米级扫描精度的同时，对不同尺寸、不同重量的样品实现一微米至一百微米级范围的单幅图像扫描，以及一百微米至毫米级范围的图像拼接，克服了常规AFM的局限性，为实现各种尺寸与重量的微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式微纳米扫描成像提供了新途径，满足了不同条件下不同样品的微纳米测量需求，能更好的适应微纳米技术研究及应用的需要。

Claims

1.一种三扫描器原子力显微扫描检测方法，其特征在于采用样品扫描和探针扫描相结合的检测方法，引入叠层式压电陶瓷扫描器及扫描跟踪光路与反馈跟踪光路，以样品固定、微探针扫描与反馈的方式实现各种样品的0.1nm分辩率、10~100μm扫描范围的微纳米检测；引入管状压电陶瓷扫描器，以微探针固定、样品扫描与反馈的方式实现轻小样品的1~10μm扫描范围的微纳米检测；引入二维步进扫描台扫描样品，配合叠层式压电陶瓷器对微探针的Z向反馈控制及反馈跟踪光路，以微探针反馈、样品扫描的方式实现大、重样品的0.1nm分辩率、0.1~1mm范围的图像扫描及拼接。

2.一种三扫描器原子力显微扫描检测装置，其特征在于包括三扫描器原子力显微探测头（1）、前置放大器（5）、PID反馈单元（6）、第一XYZ控制模块（7）、第二XYZ控制模块（8）、步进控制模块（9）、计算机与接口（10）；前置放大器（5）与位置敏感元件（17）、PID反馈单元（6）相连，PID反馈单元（6）与第一XYZ控制模块（7）、第二XYZ控制模块（8）、计算机与接口（10）相连，第一XYZ控制模块（7）与叠层式压电陶瓷扫描器（20）、计算机与接口（10）相连，第二XYZ控制模块（8）与管状压电陶瓷扫描器（27）、计算机与接口（10）相连，步进控制模块（9）与二维步进扫描台（29）、计算机与接口（10）相连。

3.根据权利要求2所述的一种三扫描器原子力显微扫描检测装置，其特征在于所述的三扫描器原子力显微镜探测头（1）包括探针扫描与光电检测单元（2）、样品扫描单元（3）及二维步进扫描单元（4），其中，探针扫描与光电检测单元（2）包括半导体激光器（11）、准直透镜（12）、限束孔（13）、扫描跟踪透镜（14）、微探针（15）、反馈跟踪透镜（16）、PSD（17）、弯曲支架（18）、直支架（19）、叠层式压电陶瓷扫描器（20）、探针座（21）、第一扫描器座（22）、横梁（24），样品扫描单元（3）包括样品（25）、样品台（26）、管状压电陶瓷扫描器（27）、第二扫描器座（28），二维步进扫描单元（4）包括二维步进扫描台（29）、底座（30）；安装在支柱（23）上的横梁（24）固定有PSD（17）、弯曲支架（18）、半导体激光器（11）、叠层式压电陶瓷扫描器（20），弯曲支架（18）上装有反馈跟踪透镜（16），准直透镜（12）、限束孔（13）、扫描跟踪透镜（14）自上而下固定在直支架（19）上，在叠层式压电陶瓷扫描器（20）左侧固定有直支架（19）、下端固定有探针座（21），微探针（15）固定在探针座（21）上，样品(25)安装在样品台（26）上，样品台（26）固定在管状压电陶瓷扫描器（27）上，管状压电陶瓷扫描器（27）通过第二扫描器座（28）安装在二维步进扫描台（29）上，二维步进扫描台（29）固定在底座（30）上。