CN103869103B - 原子力显微镜探针装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力显微镜探针装置，包括探测针和探针座，其中探测针包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其与所述针尖相对的表面上形成有台阶孔；探针座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探测针吸附于所述吸附面；所述定位件从所述吸附面伸出插入所述台阶孔中并旋转以与所述台阶孔的台阶面抵接。本发明的原子力显微镜探针装置能够提高换针效率。

Description

原子力显微镜探针装置

技术领域

本发明涉及半导体测试技术领域，特别涉及一种原子力显微镜的探针装置。

背景技术

如今，原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM)已广泛应用于半导体样品测试中，其工作原理是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件（探测针）之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。如图1所示，通常来说，探测针11包括针尖以及微悬臂，将对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定于探针座12，微悬臂另一端的微小针尖接近样品10，当针尖与样品接触时（如图2所示），由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描时控制这种作用力恒定，带针尖的微悬臂将在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电检测系统（包括反射镜13及物镜14）对微悬臂的运动变化（偏转）进行扫描，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。

然而，由于不同类型的测试需要使用不同型号的探测针，所以原子力显微镜在使用过程中经常需要更换探测针以完成相应的测试需求。而在换针过程中，需要将想要调换的探测针取出，再将替换的探测针放入探针座中。由于探测针小而轻，给换针的过程增加了操作难度，换针过程中容易发生由于探测针错位或者中途跌落等原因使得探测针的换针失败，此时就需要工作人员暂停机台的运行，检测维护原子力显微镜机台，额外增加了时间成本。

由以上可知，现有技术中，原子力显微镜换针的不确定性很可能耽误测试进程，也会增加不必要的人力负担。因此，有必要提出一种能够提高原子力显微镜换针效率的设计。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种能够提高原子力显微镜换针效率的设计。

为达成上述目的，本发明提供一种原子力显微镜探针装置，包括探测针和探针座，其中所述探测针包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其与所述针尖相对的表面上形成有台阶孔；探针座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探测针吸附于所述吸附面；所述定位件从所述吸附面伸出插入所述台阶孔中并旋转以与所述台阶孔的台阶面抵接。

优选地，所述台阶孔为两段式台阶孔，包括小孔段和大孔段。

优选地，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述转动条的截面形状与所述小孔段的截面形状相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

优选地，所述转动杆的长度与所述小孔段的深度相同；所述转动条的长度小于所述大孔段的深度。

优选地，所述台阶孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。

本发明还提供了一种原子力显微镜探针装置，包括探测针和探针座，其中所述探测针包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂中形成有贯穿所述微悬臂的通孔；所述探针座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探测针吸附于所述吸附面；所述定位件从所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋转以与所述微悬臂设有针尖的表面抵接。

优选地，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述转动条的截面形状与所述通孔的截面形状相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

优选的，所述转动杆的长度与所述通孔的深度相同。

优选地，所述通孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。

本发明在保证原子力显微镜(AFM)的检测效果的前提下，通过改进的探针装置，在真空吸附探测针之前通过定位件将探测针定位于探针座，有效地避免了换针过程中由于探针小而轻造成的探针错位，跌落或位置不正等问题，提高了不同探测针之间交换的成功率。进一步的提高了AFM机台的换针效率，节省了因为换针不成功而造成的人力和时间的损失，也提高了AFM机台的利用率。

附图说明

图1为现有技术中原子力显微镜的结构示意图；

图2为现有技术中原子力显微镜的探测针与样品接触的示意图；

图3为本发明一实施例原子力显微镜的探测针的侧视图和后视图；

图4a和图4b为本发明一实施例原子力显微镜的探测针的局部后视图和局部剖视图；

图5为本发明一实施例原子力显微镜探针装置的结构示意图；

图6为本发明一实施例原子力显微镜探针装置中定位件的立体图；

图7a和图7b为本发明另一实施例原子力显微镜的探测针的局部后视图和局部剖视图；

图8为本发明另一实施例原子力显微镜探针装置的结构示意图；

图9为本发明另一实施例原子力显微镜探针装置中定位件的立体图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

第一实施例

请参照图3至图6，本实施例所提供的原子力显微镜探针装置包括探测针和探针座。探测针包括固定于探针座的微悬臂110以及设于该微悬臂一端的针尖120。将微悬臂110设置针尖120的表面作为正面，则其与针尖120相对的表面为背面。本实施例中，微悬臂110通过真空吸附固定于探针座中。具体的，探针座包括吸附件210，该吸附件具有一吸附面S，吸附面S上开设有导气槽220，导气槽220与抽真空部件（图未示）连通，利用抽真空部件产生负压使得微悬臂110的背面紧密吸附于吸附面S，由此将微悬臂110固定于探针座。另一方面，为了避免在换针过程中探测针错位脱落等情况的发生，本发明的探针座还包括从吸附面S向下伸出的定位件230，同时探测针上也设置有对应于定位件的台阶孔130，通过将定位件230从微悬臂的背面插入台阶孔130中并旋转以使定位件230与台阶孔130的台阶面抵接，从而达到探测针定位的目的。

以下将对本实施例的探针装置的定位方式加以详细说明。

请参考图3和图4，微悬臂110的背面形成台阶孔130。本实施中台阶孔130为两段式长方形台阶孔，包括截面尺寸较小的小孔段130a和截面尺寸较大的大孔段130b。相对应的，定位件230包括转动杆230a和转动条230b。转动杆230a的截面最大尺寸要小于小孔段130a的截面最小尺寸，如此可自由插入台阶孔中；而对于转动条230b来说，其可插入台阶孔的小孔段中，但转动条230b的截面最大尺寸要大于小孔段130a的截面最小尺寸且小于大孔段130b的截面最小尺寸，如此当定位件230插入台阶孔130一定深度之后，转动条230b全部位于大孔段130b中。转动条230b在大孔段130b中可自由转动，且转动一定角度后其截面较大尺寸处会抵接在台阶孔130的台阶面上，使得定位件卡合于台阶孔中。较佳的，转动条230b的截面形状与小孔段130a的截面形状相配合，可更方便地插入到小孔段130a中。这里所说的截面最大尺寸指的是截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，而截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。此外，为了使转动条230b恰好能卡合于台阶孔的台阶面而不会发生位移，转动杆230a的长度应与小孔段130a的深度相同；而转动条230b的长度则应小于大孔段130b的深度。

接下来将对本实施例的原子力显微镜探针装置的换针过程进行说明。

本实施例中，台阶孔130为长方形台阶孔，转动条230b为和小孔段形状配合的略小的长方形条，转动杆230a的截面为方形。首先将探测针移动至探针座定位件230的位置，将定位件230插入台阶孔130中，此时探针座与微悬臂110之间也呈一定夹角。之后，将定位件230（探针座）相对于微悬臂110转动一定角度，使探针座的导气槽220对准微悬臂110的背面，同时使得转动条230b的长边与长方形小孔段130a的长边交叉而使转动条230b抵接在台阶面上。此时，探测针与探针座的定位完成，接下来利用抽真空部件通过导气槽施加负压使微悬臂的背面紧密贴合于吸附面。

第二实施例

请参照图7a，7b及图8和图9，其所示为本发明另一实施例的原子力显微镜探针装置。该探针装置包括探测针和探针座。探测针包括固定于探针座的微悬臂110以及设于该微悬臂一端的针尖120。将微悬臂110设置针尖120的表面作为正面，则其与针尖120相对的表面为背面。微悬臂110通过真空吸附固定于探针座中。探针座包括吸附件210，该吸附件具有一吸附面S，吸附面S上开设有导气槽220，导气槽220与抽真空部件（图未示）连通，利用抽真空部件产生负压使得微悬臂110的背面紧密吸附于吸附面S，由此将微悬臂110固定于探针座。另一方面，为了避免在换针过程中探测针错位脱落等情况的发生，本发明的探针座还包括从吸附面S向下伸出的定位件230’，同时探测针的微悬臂110上也设置有对应于定位件的贯穿微悬臂的通孔130’，通过将定位件230’从微悬臂的背面插入通孔130’中并旋转以使定位件230’与微悬臂110的正面抵接，从而达到定位探测针的目的。

以下将对本实施例的探针装置的定位方式加以详细说明。

请参考图7a和图7b，微悬臂110中形成贯穿的通孔130’。相对应的，定位件230’包括转动杆230’a和转动条230’b。转动杆230’a的截面最大尺寸要小于通孔的截面最小尺寸，如此可自由插入台阶孔中；而对于转动条230’b来说，其可插入通孔130’中，但其截面最大尺寸要大于通孔130’的截面最小尺寸，如此当定位件230’插入通孔130’一定深度之后，转动条230’b全部位于微悬臂110外部，转动条230’b和转动杆230’a均可自由转动，且转动一定角度后转动条230’b截面较大尺寸处会抵接在微悬臂110正面，使得定位件230’卡合于微悬臂110。较佳的，转动条230’b的截面形状与通孔130’的截面形状相配合，可更方便地插入其中。这里所说的截面最大尺寸指的是截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，而截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。此外，为了使转动条230’b恰好能卡合于微悬臂110的正面而不会发生位移，转动杆230’a的长度应与通孔130’的深度相同。

接下来将对本实施例的原子力显微镜探针装置的换针过程进行说明。本实施例中，通孔130’为长方形孔，转动条230’b为和通孔段形状配合的略小的长方形条，转动杆230’a的截面为方形。首先将探测针移动至探针座定位件230’的位置，将定位件230’插入通孔130’中，此时探针座与微悬臂110之间也呈一定夹角。之后，将定位件230’（探针座）相对于微悬臂转动一定角度，使探针座的导气槽220对准微悬臂110的背面，同时使得转动条230’b的长边与长方形通孔130’的长边交叉且抵接在微悬臂110的正面。此时，探测针与探针座的定位完成，接下来利用抽真空部件通过导气槽施加负压使微悬臂的背面紧密贴合于吸附面。

综上所述，本发明所提出的探针装置，在保证原子力显微镜检测效果的前提下，通过在探针座上设置定位件以及在探测针上设置相应的台阶孔或通孔，确保在探针座真空吸附探测针之前可将探测针定位于探针座，如此可避免换针过程中由于探针小而轻造成的探针错位，跌落或位置不正等问题，提高了不同探测针之间交换的成功率。进一步的提高了AFM机台的换针效率，节省了因为换针不成功而造成的人力和时间的损失，也提高了AFM机台的利用率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种原子力显微镜探针装置，其特征在于，包括：

探测针，包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其远离所述针尖的另一端处、与设有所述针尖的表面相对的表面上形成有台阶孔；

探针座，包括：

吸附件，其具有吸附面，所述吸附面上开设有与抽真空部件连通的导气槽，用于使所述探测针吸附于所述吸附面；以及

定位件，从所述吸附面向下伸出插入所述台阶孔中并旋转以与所述台阶孔的台阶面抵接。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述台阶孔为两段式台阶孔，包括小孔段和大孔段。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述转动条的截面形状与所述小孔段的截面形状相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

4.根据权利要求3所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述转动杆的长度与所述小孔段的深度相同；所述转动条的长度小于所述大孔段的深度。

5.根据权利要求4所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述台阶孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。

6.一种原子力显微镜探针装置，其特征在于，包括：

探测针，包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其远离所述针尖的另一端处形成有贯穿所述微悬臂的通孔；

探针座，包括：

吸附件，其包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探测针吸附于所述吸附面；以及

定位件，从所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋转以与所述微悬臂设有所述针尖的表面抵接。

7.根据权利要求6所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述转动条的截面形状与所述通孔的截面形状相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

8.根据权利要求7所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述转动杆的长度与所述通孔的深度相同。

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜探针装置，其特征在于，所述通孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。