CN107576822B - 一种扫描探针检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫描探针检测装置，包括沿光路依次设置的激光光源、分光棱镜、小孔光阑、透镜组以及微悬臂，所述透镜组与所述微悬臂组成半共心谐振腔，所述透镜组朝向所述微悬臂的表面为凹球面，所述凹球面镀有高反射率的部分透射膜，所述凹球面的球心落在所述微悬臂上，所述微悬臂表面具有反射层，所述分光棱镜的一侧还设有用于接收由所述半共心谐振腔出射的干涉光的光电探测器。本发明采用一组透镜组与微悬臂组成的半共心谐振腔，通过对光束进行多光束干涉，可以对小尺寸、表面反射率不高的微悬臂的偏移进行探测。

Description

一种扫描探针检测装置

技术领域

本发明涉及偏移检测转置，尤其涉及一种扫描探针检测装置。

背景技术

扫描探针显微技术凭借其超高分辨率、实时成像、对样品无损伤，对样品无特殊要求（不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制）、可在大气、常温环境甚至是溶液中成像、等优势，已经被广泛应用于表面探测以及纳米加工等领域。扫描探针显微镜通过感知探针与样品之间的原子力的变化获得样品的表面形貌，精确探测微悬臂的偏移是扫描探针显微镜对样品真实成像的需求。

目前，国内外研究人员已提出并发展了多种检测微悬臂形变的方法，这些检测方法在灵敏度、稳定性、适用微悬臂类型等方面各有优缺点。光束偏转法是最常用的方法，它要求微悬臂的背面有较高的反射率，能够将从光源发射的光反射到位置敏感探测器中。但是一些新型的扫描探针显微镜因为探测不同种类的力而采用的微悬臂的材料不同，有些微悬臂不能对光束高效反射，而且微悬臂的尺寸越来越小，对照射在其表面的大尺寸光斑同样不能有效反射，从而影响位置敏感探测器对反射光束位置的探测。针对这种情况，本文采用Fabry-Perot光束干涉的检测方法来检测微悬臂的偏移，以弥补光束偏转法在某些情况下不能应用的不足，扩大扫描探针显微技术的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描探针检测装置，旨在用于解决现有的偏移检测装置无法对尺寸越来越小以及表面反射效率不高的微悬臂的微小偏移进行检测的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种扫描探针检测装置，包括沿光路依次设置的激光光源、分光棱镜、小孔光阑、透镜组以及微悬臂，所述透镜组与所述微悬臂组成半共心谐振腔，所述透镜组朝向所述微悬臂的表面为凹球面，所述凹球面镀有高反射率的部分透射膜，所述凹球面的球心落在所述微悬臂上，所述微悬臂表面具有反射层，所述分光棱镜的一侧还设有用于接收由所述半共心谐振腔出射的干涉光的光电探测器。

进一步地，所述透镜组由单个或多个透镜组成。

进一步地，所述透镜组包括一个凹透镜，所述凹透镜朝向所述微悬臂的表面为凹球面，所述凹透镜背向所述微悬臂的表面为凸球面，所述凹球面的曲率半径大于所述凸球面的曲率半径。

进一步地，所述微悬臂与所述半共心谐振腔的光轴的垂线之间具有初始偏转角。

进一步地，所述初始偏转角满足：

上式中θ为初始偏转角，Δα为微悬臂跟随样品偏移的偏转角的最大值，d为凹球面的直径，r为凹球面的半径。

进一步地，所述激光光源为单频可见光源。

进一步地，所述小孔光阑的通光孔径与激光光源所发出的激光光束的直径相同。

进一步地，所述激光光源的输出波长为488 nm，输出光束的光谱宽度小于1.5MHz。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种扫描探针检测装置，应用于扫描探针显微镜中，对微悬臂的偏移进行检测。采用一组透镜组与微悬臂组成的半共心谐振腔，通过对光束进行多光束干涉，可以对小尺寸、表面反射率不高的微悬臂的偏移进行探测；半共心谐振腔由透镜组与微悬臂组成，透镜组将平行激光聚焦到球凹面的球心处，聚焦光束的波前与凹面平行，同时半共心谐振腔的光轴垂线与微悬臂有一定的初始偏转角，可以避免微悬臂在很小偏转时的检测盲区。

附图说明

图1为本发明实施例提供的扫描探针检测装置的原理图；

图2为本发明实施例提供的微悬臂偏移示意图；

图3为本发明实施例提供的微悬臂与谐振腔光轴的垂线平行时的半共心谐振腔示意图；

图4为本发明实施例提供的微悬臂与谐振腔光轴的垂线有初始偏转角时的半共心谐振腔示意图；

图5为本发明实施例提供的腔长与干涉光的光强变化曲线图。

附图标记说明：1-样品、2-微悬臂、3-激光光源、4-分光棱镜、5-小孔光阑、6-透镜组、7-通光孔、8-探针、9-光电探测器、10-凸球面、11-凹球面、12-光轴干涉光束、13-微悬臂无初始偏转角时的非光轴干涉光束、14-微悬臂有初始偏转角时的非光轴干涉光束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种扫描探针检测装置，包括沿入射光路依次设置的激光光源3、分光棱镜4、小孔光阑5、透镜组6以及微悬臂2，所述透镜组6与所述微悬臂2组成半共心谐振腔，所述透镜组6由单个或多个透镜组成，所述透镜组6朝向所述微悬臂2的表面为凹球面11，平行光经过所述透镜组6后，出射光束的波前与凹球面11平行，且聚焦于所述凹球面11的球心，所述凹球面11镀有高反射率的部分透射膜，对半共心谐振腔中的光束进行部分反射与部分透射。所述凹球面11的球心落在所述微悬臂2上，所述微悬臂2表面具有反射层，该反射层具有一定的反射率，对半共心谐振腔中的光束进行反射。所述分光棱镜4为轴向和纵向分光比为一比一的棱镜，一方面供从激光光源3发出的激光通过，一方面对半共心谐振腔出射的干涉光进行反射，从而将激光光源3发出的激光与半共心谐振腔出射的干涉光分开。所述分光棱镜4的一侧还设有用于接收由所述半共心谐振腔出射的干涉光的光电探测器9，所述光电探测器9用于检测干涉光束的光强。

作为优选地，所述微悬臂2与所述半共心谐振腔的光轴的垂线之间具有初始偏转角。初始偏转角的作用为：微悬臂2在进行很小偏移时，偏转角度很小，非光轴方向的光束会与光轴方向的光束重合，小孔光阑5不能将其消除，影响多光束干涉光强。设定初始偏转角，微悬臂2可以在很小偏移时将光轴方向光束与其他方向的的光束分开，避免两者重合干扰多光束干涉。

进一步地，所述激光光源3为单频可见光源。所述小孔光阑5的通光孔7径与激光光源3所发出的激光光束的直径相同，其作用是将半共心谐振腔光轴方向的光束与其他方向的光束分开，避免非光轴方向的光束参与光束干涉造成干涉光强不准。

如图2所示，微悬臂2一端固定，有探针8的一端可以移动。在探针8扫描样品1时，样品1向右移动，微悬臂2随着样品1表面的凹凸发生偏移，偏移包含上下位移和角度偏转Δα，微悬臂2上下位移与角度偏转两者都与微悬臂2偏移对应，所以测出两者中的一个即可测出微悬臂2偏移的量，本发明是检测微悬臂2上下位移量来检测微悬臂2的偏移量。

如图1所示，激光光源3发出的光束经过所述分光棱镜4和所述小孔光阑5后进入由透镜组6和微悬臂2组成的半共心谐振腔，经过透镜组6出射的光束的波前与镀膜凹球面11平行，光束聚焦于位于球心的微悬臂2上，光束经过微悬臂2反射，由于微悬臂2位于球心，反射光束的波前依然与镀膜凹球面11平行，反射光有部分光透过透镜组6，有部分光原路返回微悬臂2上，光束再次经过微悬臂2反射，反射光沿光轴方向，反射光束部分透射出透镜组6，部分沿原路返回至微悬臂2上，就这样经过多次反射和透射，透射出透镜组6的光束发生多光束干涉。干涉光可以分为两种，一种为光轴方向的光束，另一种为非光轴方向的干涉光束。随着微悬臂2的偏转，非光轴方向的干涉光束有多个方向，比较杂散，不易接受探测。干涉光束的光强反映了半共心谐振腔的腔长，为了可以准确探测到干涉光束的光强，本发明只对光轴方向的干涉光强进行检测。使用小孔光阑5对其他方向的光束进行滤光，有效干涉光束通过小孔光阑5后经过分光棱镜4分光，将干涉光与激光光源3发射的初始激光分开，最后干涉光进入光电探测器9对光强进行探测。

当微悬臂2位移量在0.02mm范围内，微悬臂2与透镜组6组成的仍为半共心谐振腔，微悬臂2的偏转角度对光束的光程没有影响，微悬臂2偏转角度不会影响干涉。干涉微悬臂2偏移改变半共心谐振腔的腔长，改变光束干涉强度。使用半共心谐振腔探测微悬臂2只用考虑微悬臂2偏移时引起的腔长变化，测出腔长变化即可获得微悬臂2的偏移状态。半共心谐振腔的干涉光强与腔长的关系曲线为光强随着腔长周期性变化，选取适当的腔长范围来保证干涉光强与腔长之间具有一一对应的值。将工作范围选择在半个周期之内，在此区间光强-腔长曲线是单调的，可以保证光强与腔长之间的值的单一性，在曲线斜率最大的位置，光强信号的线性最好，可以看做为线性。微悬臂2是微偏移，其偏移引起的腔长变化范围在曲线斜率最大位置附近的一小部分。

图3为透镜组6与微悬臂2组成的半共心谐振腔示意图，微悬臂2是平行于谐振腔光轴的垂线放置的，即微悬臂与谐振腔光轴的垂线无初始偏转角。可以看到当微悬臂2偏移比较小时，从半共心谐振腔出射的非光轴干涉光束13与光轴干涉光束12重叠，非光轴干涉光束13可以通过小孔光阑5参与光束干涉，对所需的光轴光干涉造成影响。为了消除这种现象，本发明提出将微悬臂2设置一个初始偏转角，如图4，微悬臂2与谐振腔光轴的垂线有一个初始偏转角，微悬臂2不工作发生偏转时，此时的非光轴干涉光束14都可以被小孔光阑5挡住，消除了非光轴出射光对所需光轴方向光束干涉的影响。初始偏转角大小的设定可由下列条件限定：

为保证微悬臂2在偏转角很小时，探测到的光轴方向的干涉光束12的光强不受其他方向光束影响，初始偏转角必须满足：

（1）

上式中θ为初始偏转角，Δα为微悬臂2跟随样品1偏移的偏转角的最大值，同时在微悬臂2偏转的过程中，需要保证光线不被反射到球面反射镜之外，初始偏转角必须满足：

（2）

上式中d为凹球面11的直径，r为凹球面11的半径。根据式（1）与式（2）可以算得

（3）

初始偏转角在此区间取值，可以保证探测到的干涉光束的光强均为光轴方向的干涉光束12光强。

经过上面分析，光束经过半共心谐振腔后会发生多光束干涉，我们选取半共心谐振腔光轴方向的干涉光进行探测光强。微悬臂2随着样品1上的凹凸结构进行偏移，改变谐振腔的腔长。腔长的改变会引起干涉光的光强变化。作为其中一个具体实施例，本装置采用美国相干（Coherent）公司的单频激光器作为激光光源3。激光器的输出波长为488 nm，属于绿光的波长范围，输出功率可调。输出光束的光谱宽度小于1.5 MHz，功率稳定性较高，光功率的变化小于2%。半共心谐振腔的参数：腔长为8mm，透镜组6使用一个有聚焦作用的凹透镜实现，所述凹透镜朝向所述微悬臂2的表面为凹球面11，所述凹透镜背向所述微悬臂2的表面为凸球面10，所述凹球面11的曲率半径大于所述凸球面10的曲率半径，保证透镜为聚焦透镜。凸球面10的曲率半径为3.447mm，凹球面11的曲率半径为8mm，透镜材料使用玻璃材料BK7，凹球面11上镀有百分之五十反射率的部分透射膜。微悬臂2参数：材料为氮化硅，尺寸为长100μm，宽50μm，厚度2um。图5为腔长与干涉光的光强变化曲线图。可以看出光强随着腔长周期性变化，为了保证光强与腔长之间的值的单一性，将腔长变化范围选择在半个周期之内，在此区间光强-腔长曲线是单调的。在信号曲线斜率最大的位置，光强信号的线性最好，此时系统的灵敏度也最高，因此使微悬臂2的偏移引起的腔长改变范围在图中的Q区。可以看出在Q区中，可以将光强与腔长之间的关系视为线性，微悬臂2的位移量与半共心谐振腔的腔长呈线性关系。腔长与干涉光的光强变化曲线中的每个周期的腔长为λ/2，λ为激光光源3波长。该装置可测得的有效腔长变化范围为λ/6，因此装置可以测得的微悬臂2位移范围为λ/6，约为80nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种扫描探针检测装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的激光光源、分光棱镜、小孔光阑、透镜组以及微悬臂，所述透镜组与所述微悬臂组成半共心谐振腔，所述透镜组朝向所述微悬臂的表面为凹球面，所述凹球面镀有高反射率的部分透射膜，所述凹球面的球心落在所述微悬臂上，所述微悬臂表面具有反射层，所述分光棱镜的一侧还设有用于接收由所述半共心谐振腔出射的干涉光的光电探测器，所述微悬臂与所述半共心谐振腔的光轴的垂线之间具有初始偏转角。

2.如权利要求1所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述透镜组由单个或多个透镜组成。

3.如权利要求2所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述透镜组包括一个凹透镜，所述凹透镜朝向所述微悬臂的表面为凹球面，所述凹透镜背向所述微悬臂的表面为凸球面，所述凹球面的曲率半径大于所述凸球面的曲率半径。

4.如权利要求1所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述初始偏转角满足：

上式中θ为初始偏转角，Δα为微悬臂跟随样品偏移的偏转角的最大值，d为凹球面的直径，r为凹球面的半径。

5.如权利要求1所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述激光光源为单频可见光源。

6.如权利要求1所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述小孔光阑的通光孔径与激光光源所发出的激光光束的直径相同。

7.如权利要求1所述的扫描探针检测装置，其特征在于：所述激光光源的输出波长为488 nm，输出光束的光谱宽度小于1.5 MHz。