CN115032421A - 一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，该测头包含扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针，扫描模块由一个三维平板扫描机构和一个Z向扫描器组成，光杠杆检测模块将激光分成两束偏振光，一束用于检测扫描机构的位移，另一束用于检测悬臂梁的形变，将两束光的光斑位置相减可得到无偏移误差的悬臂梁形变量，有利于提高大范围扫描时的测量准确性，光学显微镜模块与光杠杆检测模块相互独立，互不干扰，并且光杠杆检测模块中的一部分元件设置在扫描模块的外部，可降低扫描机构的负载，提高扫描速度。

Description

一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头

技术领域

本发明涉及原子力显微测量领域，尤其是涉及一种可实现光束偏移补偿的探针扫描式原子力显微镜测头。

背景技术

原子力显微镜发明于上世纪80年代，由于它能够以纳米级分辨力观测到微结构表面的形貌，被广泛应用于半导体工业、纳米材料、生命科学等领域。作为一种接触式测量方法，原子力显微镜需要采用带针尖的悬臂梁探针探测样品，其中针尖用于接触样品表面，接触所产生的微弱作用力使悬臂梁发生形变，再根据悬臂梁的形变量来反映样品表面形貌。

目前，原子力显微镜多采用光杠杆光路检测悬臂梁的形变。光杠杆光路位于原子力显微镜的测头内，其原理是激光器发出激光束，经过会聚后照射在悬臂梁上，悬臂梁将光束反射至光电探测器上，由探测器上光斑的位移量来反映悬臂梁形变量。除此之外，原子力显微镜还需要配备纳米扫描机构带动探针和样品做相对运动，以得到样品的完整形貌。根据扫描运动的对象不同，原子力显微镜结构可分为样品扫描(如图1(a))、组合扫描(如图1(b))和探针扫描(如图1(c))三种。其中，探针扫描是将扫描机构设置在测头内，测量时样品静止、探针运动，可以克服被测样品在尺寸和重量方面的局限性，是搭建工业型原子力显微镜的最佳结构方案。但在探针扫描式原子力显微镜系统中，光杠杆光路和扫描机构均集成在测头内，扫描机构的运动可能会使光杠杆光路的光束产生偏移，从而影响测量的准确性。以Bruker公司的Dimension Icon原子力显微镜为代表的探针扫描结构中，三维扫描机构采用了压电陶瓷管，通过跟踪透镜确保光杠杆检测光束在扫描过程中能够聚焦到悬臂梁上，但在扫描范围较大时仍会出现光斑偏移现象，并且管状扫描器还存在弓形效应，使测量图像产生畸变。如果考虑将光杠杆检测模块完全置于扫描机构上，扫描时检测光路可以和探针联动，虽然可以解决光斑偏移的问题，但会导致扫描机构的负载过大，降低扫描速度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而设计一种新型探针扫描式原子力显微镜测头，该测头所采用的双光束检测光路可以同时检测扫描机构的运动位移和悬臂梁的形变，由于悬臂梁的形变量中包含扫描机构运动所引起的偏移，故将两个信号相减得到无偏移误差的悬臂梁形变量。在双光束检测光路结构中，光电转换装置被设置在扫描机构的外部，极大地减少了扫描机构的载荷，确保探针可以在较高速度下扫描。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头由扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针构成。

优选地，所述扫描模块包括有三维平板扫描机构和固定连接在三维平板扫描机构上的Z向扫描器。

优选地，所述光杠杆检测模块包括有激光器、沿激光器光路依次设置的准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台；射向所述第一光电探测器和第二光电探测器的光束相互平行。

优选地，所述Z向扫描器固定在四分之一波片的下方，Z向扫描器的下方装有悬臂梁探针，悬臂梁探针与水平方向成10度角。

优选地，所述悬臂梁探针的悬臂梁位于准直光束经会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后的会聚焦平面上，Z向扫描器带动悬臂梁探针运动的行程小于会聚透镜的焦深。

优选地，所述光学显微镜模块位于第四反射镜的上方，光学显微镜模块包括有物镜、分光镜、管镜、CCD相机、照明光源，它们组成了无限共轭显微光路，所述物镜的入瞳直径大于下方反射镜的尺寸。

优选地，所述激光器、准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第五反射镜标记为子结构I，所述第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、Z向扫描器、悬臂梁探针标记为子结构II，子结构I和子结构II固定在三维平板扫描机构上；所述第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台、信号处理电路标记为子结构III，所述光学显微镜模块标记为子结构IV，所述三维平板扫描机构、子结构III、子结构IV固定在一维或者二维或者三维的电动位移台上。

优选地，所述偏振分光棱镜将激光光束分成偏振方向相互垂直的P偏振光和S偏振光，其中P偏振光射向第二光电探测器，S偏振光经过第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后射向悬臂梁探针。

优选地，所述第四反射镜与水平面成40度角，经第四反射镜反射的光束可垂直于悬臂梁探针照射。

优选地，所述四分之一波片的光轴与经过它射向悬臂梁探针的S偏振光偏振方向成45度角；被悬臂梁探针反射回的光束经过四分之一波片、第四反射镜、第三反射镜、会聚透镜、第二反射镜、偏振分光棱镜、第五反射镜后射向第一光电探测器。

本发明的一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头可达到以下有益效果：

(1)当探针扫描范围小于光斑尺寸时，可完全消除扫描机构运动引起的光杠杆检测光束偏移；

(2)将光杠杆检测模块中的光电探测器和固定它们的二维位移台置于三维扫描机构外部，可减小三维扫描机构的载荷，确保探针在较高速度下扫描。

(3)悬臂梁探针的光杠杆检测模块和光学显微镜模块相互独立，互不干扰，既有利于提高测量稳定性，也可达到较好的光学观察效果。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)是原子力显微镜的三种典型扫描架构；

图2是本发明的原子力显微镜测头整体结构正视图；

图3(a)是子结构II的俯视图；图3(b)是子结构II的左视图。

图中标号：10-激光器，11-会聚透镜，12-光电探测器，13-悬臂梁探针，14-样品，15-三维扫描机构，16-一维扫描机构，17-二维扫描机构，101-激光器，102-准直镜，103-光阑，104-第一反射镜，105-偏振分光棱镜，106-第二反射镜，107-会聚透镜，201-第三反射镜，202-第四反射镜，203-四分之一波片，204-Z向扫描器，205-悬臂梁探针，301-第一光电探测器，302-第二光电探测器，303-第一小型二维位移台，304-第二小型二维位移台，305-信号处理电路，401-物镜，402-分光镜，403-照明光源，404-管镜，405-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头由扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针等组成，如图2、图3(a)、图3(b)所示，图中模块置于XYZ空间直角坐标系中，X轴垂直于面内，Y轴为水平方向，Z轴为垂直方向。

所述扫描模块包括有三维平板扫描机构和固定连接在三维平板扫描机构上的Z向扫描器204。

具体地，三维平板扫描机构可进行三维扫描运动，运动范围在百微米以上，运动速度比Z向扫描器204慢，Z向扫描器204可在垂直方向上高速反馈运动。

需要进一步说明的是，三维平板扫描机构可选用PI公司的三维纳米定位台P-517.3CL，该纳米定位台竖直安装，因此在X、Y、Z三个方向上的闭环行程分别为：20μm、100μm、100μm。Z向扫描器204可选用Noliac公司的叠堆压电陶瓷NAC2015，开环行程约3.3μm。

作为优选实施例，所述光杠杆检测模块包括有激光器101、沿激光器101光路依次设置的准直镜102、矩形光阑103、第一反射镜104、偏振分光棱镜105、第二反射镜106、会聚透镜107、第三反射镜201、第四反射镜202、四分之一波片203、第五反射镜108、第一光电探测器301、第二光电探测器302、第一小型二维位移台303、第二小型二维位移台304；射向所述第一光电探测器301和第二光电探测器302的光束相互平行。

作为优选实施例，所述Z向扫描器204固定在四分之一波片203的下方，Z向扫描器204的下方安装悬臂梁探针205，悬臂梁探针205与水平方向成10度角。

作为优选实施例，所述悬臂梁探针205的悬臂梁位于准直光束经会聚透镜107、第三反射镜201、第四反射镜202、四分之一波片203后的会聚焦平面上，Z向扫描器204带动悬臂梁探针205运动的行程小于会聚透镜107的焦深。

作为优选实施例，所述偏振分光棱镜105将激光光束分成偏振方向相互垂直的P偏振光和S偏振光，其中P偏振光射向第二光电探测器302，S偏振光经过第二反射镜106、会聚透镜107、第三反射镜201、第四反射镜202、四分之一波片203后射向悬臂梁探针205。

作为优选实施例，所述第四反射镜202与水平面成40度角，经第四反射镜202反射的光束可垂直于悬臂梁探针205照射。

作为优选实施例，所述四分之一波片203的光轴与经过它射向悬臂梁探针205的S偏振光偏振方向成45度角；被悬臂梁探针205反射回的光束经过四分之一波片203、第四反射镜202、第三反射镜201、会聚透镜107、第二反射镜106、偏振分光棱镜105、第五反射镜108后射向第一光电探测器301。

具体地，激光器101垂直放置，向下射出线偏光，经过准直镜102后形成准直光束，再经过光阑103后得到矩形光束，45度放置的第一反射镜104将垂直光束转换成水平向右传播的光束，再经过偏振分光棱镜105后分成水平向右传播的P偏振光和垂直向下传播的S偏振光，通过转动激光器101可使P偏振光和S偏振光的强度达到合适的值。其中，水平向右传播的P偏振光照射到第二光电探测器302上，通过转动光阑103使方形光斑的四个边分别平行于光电探测器302的十字分割线；垂直向下传播的S偏振光被45度角放置的第二反射镜106转换成向左传播的光束，再经过会聚透镜107后形成会聚光束。会聚光束首先被第三反射镜201转换成沿X方向传播的光束，接着被第四反射镜202转换成与Z方向成-10度角的光束，然后经过四分之一波片203后变成圆偏振光。该圆偏振光照射在与X方向成-10度角放置的悬臂梁探针205上，并在悬臂梁探针205的悬臂梁上会聚成一点。会聚光束被悬臂梁探针205反射后沿原路返回，反射的圆偏振光经四分之一波片203后变成P偏振光，然后经第四反射镜202、第三反射镜201、会聚透镜107、第二反射镜106、偏振分光棱镜105后形成垂直向上传播的光束，再被45度放置的第五反射镜108转换成水平向右传播的光束照射到第一光电探测器301上。第一光电探测器301固定在第一小型二维位移台303上，第二光电探测器302固定在第二小型二维位移台304上。第一光电探测器301、第二光电探测器302的电流信号被传给信号处理电路305。

需要进一步说明的是，当悬臂梁探针205不发生形变时，反射光和入射光在第二反射镜106、会聚透镜107、第三反射镜201、第四反射镜202、四分之一波片203中的光路完全重合，所以可采用尺寸较小的光学元件，从而减小了扫描机构的负重。第一小型二维位移台303和第二小型二维位移台304分别用于调整第一光电探测器301和第二光电探测器302的位置，使悬臂梁探针205未发生形变时光电探测器上的投射光斑位于感光面中心。信号处理电路305将第一光电探测器301和第二光电探测器302输出的电流信号转换成电压信号，并经过放大、滤波、解调等运算后传给主控箱。

需要进一步说明的是，激光器101可选用Thorlabs公司的CPS780S激光器，激光波长为780nm。第一光电探测器301和第二光电探测器302可选用Hamamatsu Photonics公司的四象限探测器S5980。第一小型二维位移台303和第二小型二维位移台304可选用西格玛光机公司的超薄XY轴位移台TSD-252。

作为优选实施例，所述光学显微镜模块位于第四反射镜202的上方，光学显微镜模块包括有物镜401、分光镜402、管镜404、CCD相机405、照明光源403，它们组成了无限共轭显微光路，所述物镜401的入瞳直径大于下方反射镜202的尺寸。

作为优选实施例，所述激光器101、准直镜102、矩形光阑103、第一反射镜104、偏振分光棱镜105、第二反射镜106、会聚透镜107、第五反射镜108标记为子结构I，所述第三反射镜201、第四反射镜202、四分之一波片203、Z向扫描器204、悬臂梁探针205标记为子结构II，子结构I和子结构II固定在三维平板扫描机构上；所述第一光电探测器301、第二光电探测器302、第一小型二维位移台303、第二小型二维位移台304、信号处理电路305标记为子结构III，所述光学显微镜模块标记为子结构IV，所述三维平板扫描机构、子结构III、子结构IV固定在一维或者二维或者三维的电动位移台上。

具体地，电动位移台可带动整个测头运动，实现探针-样品间的粗定位。完成粗定位后，便可由扫描模块带动悬臂梁探针205对样品表面形貌进行测量。

在实际测量过程中，悬臂梁探针205的针尖与样品相接触，接触力变化会使悬臂梁探针205发生形变。假设悬臂梁探针205未发生形变时，第一光电探测器301上的光斑光强、光斑在Z方向上的位置、光斑在X方向上的位置所对应的电压分别为v_s0、v_z0、v_x0，第二光电探测器302上的光斑光强、光斑在Z方向上的位置、光斑在X方向上的位置所对应的电压分别为v'_s0、v'_z0、v'_x0。进一步假设悬臂梁探针205发生形变时，第一光电探测器301上的光斑在Z方向和X方向上的位置所对应的电压分别为v_z1、v_x1，第二光电探测器302上的光斑在Z方向和X方向上的位置所对应的电压分别为v'_z1、v'_x1。则悬臂梁探针205沿Z向形变引起的电压变化Δv_d可表示成：

悬臂梁探针205沿Y方向形变引起的电压变化Δv_t可表示成：

以原子力显微镜工作在接触模式为例，主控箱将采集到的变化量Δv_d与设定值比较，如果Δv_d大于设定值就控制Z向扫描器204带动悬臂梁探针205远离样品，如果Δv_d小于设定值就控制Z向扫描器204带动悬臂梁探针205靠近样品，由此实现探针和样品间作用力的反馈控制，控制算法可采用PID算法。扫描过程中的Z向扫描器204运动轨迹可用于样品表面的形貌成像。

如果原子力显微镜工作在轻敲模式，可以不需要计算第二光电探测器302上的光斑位移，直接将第一光电探测器301上的光斑位移信号进行解调，将解调得到的振幅与设定值比较，具体的控制算法、成像方法与接触模式下相同。

由于Z向扫描器204运动范围较小，利用上述控制方法会限制该测头在垂直方向上的测量范围。如果用三维平板扫描机构的Z向运动单元替代Z向扫描器204作为反馈执行器，又会降低反馈回路的响应带宽，探针也容易损伤。因此可采用一种双反馈控制策略对样品成像，其中低速反馈环路控制三维平板扫描机构的Z向运动单元跟踪形貌变化的低频分量，高速反馈环路控制Z向扫描器204跟踪形貌变化的高频分量。

以上详细描述了本发明的一种具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，由扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针构成。

2.如权利要求1所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述扫描模块包括有三维平板扫描机构和固定连接在三维平板扫描机构上的Z向扫描器。

3.如权利要求2所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述光杠杆检测模块包括有激光器、沿激光器光路依次设置的准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台；射向所述第一光电探测器和第二光电探测器的光束相互平行。

4.如权利要求3所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述Z向扫描器固定在四分之一波片的下方，Z向扫描器的下方安装悬臂梁探针，悬臂梁探针与水平方向成10度角。

5.如权利要求4所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述悬臂梁探针的悬臂梁位于准直光束经会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后的会聚焦平面上，Z向扫描器带动悬臂梁探针运动的行程小于会聚透镜的焦深。

6.如权利要求5所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述光学显微镜模块位于第四反射镜的上方，光学显微镜模块包括有物镜、分光镜、管镜、CCD相机、照明光源，它们组成了无限共轭显微光路，所述物镜的入瞳直径大于下方反射镜的尺寸。

7.如权利要求6所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述激光器、准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第五反射镜标记为子结构I，所述第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、Z向扫描器、悬臂梁探针标记为子结构II，子结构I和子结构II固定在三维平板扫描机构上；所述第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台、信号处理电路标记为子结构III，所述光学显微镜模块标记为子结构IV，所述三维平板扫描机构、子结构III、子结构IV固定在一维或者二维或者三维的电动位移台上。

8.如权利要求7所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述偏振分光棱镜将激光光束分成偏振方向相互垂直的P偏振光和S偏振光，其中P偏振光射向第二光电探测器，S偏振光经过第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后射向悬臂梁探针。

9.如权利要求8所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述第四反射镜与水平面成40度角，经第四反射镜反射的光束可垂直于悬臂梁探针照射。

10.如权利要求9所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述四分之一波片的光轴与经过它射向悬臂梁探针的S偏振光偏振方向成45度角；被悬臂梁探针反射回的光束经过四分之一波片、第四反射镜、第三反射镜、会聚透镜、第二反射镜、偏振分光棱镜、第五反射镜后射向第一光电探测器。

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