CN1300564C - 基于角度测量的原子力显微镜测量方法 - Google Patents

基于角度测量的原子力显微镜测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于角度测量的原子力显微镜测量方法，属于原子力显微镜AFM的探针/悬臂梁信号的检测技术。该方法采用角度传感器，入射光垂直入射AFM的探针表面，探针转角即反射光偏转角经该传感器检测并转换成与角度变化值成比例的电信号，经信号分析处理得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。本发明的优点在于实现了Z向与XY向运动的分离，从而减小了被测样品形状、体积、重量等的限制，扩大原子力显微镜的适用范围，同时由于测量的是微悬臂梁尖端的角度变化，在恒力模式下探针固定端的位置改变不会影响转角的测量，因此该方法既可克服由于采用挠度测量方法引入的原理性误差及其后续修正问题。

Description

基于角度测量的原子力显微镜测量方法
                              技术领域
本发明涉及一种基于角度测量的原子力显微镜测量方法，属于原子力显微镜(AFM)的探针/悬臂梁信号的检测方法。
                              背景技术
当悬臂梁的端部受力时，其端部会产生两种变形，一种是挠度，另一种是转角。原子力显微镜利用微悬臂梁尖端的探针，当探针接近或接触被测物体表面时，探针与样品之间会发生力的相互作用，该作用力会使微悬臂梁产生弯曲变化，因此，微悬臂梁弯曲量的变化可以通过两种方式进行检测，即测量原子力显微镜的微悬臂梁的挠度变化，或者测量原子力显微镜的微悬臂梁的尖端转角变化。
目前以原子力显微镜为代表的通过检测微悬臂梁的弯曲变化得到被测物体表面信息的这一类仪器，均采用测量微悬臂梁的受力后的挠度变化，如美国Veeco公司的多功能原子力显微镜，日本精工的原子力显微镜等，当激光打到微悬臂梁上时，由于微悬臂梁挠度的变化，引起反射光的偏摆，使光电探测器上光点位置发生变化，通过检测光点位置的变化量，从而得到微悬臂梁的挠度变化量，进而得到测力变化量和物体表面轮廓。这种方法虽然结构上简单适于商业生产，但在此类显微镜的恒力模式下扫描过程中，由于探针固定端位置的改变，从而引入测量原理误差，要获得高精度的测量结果，必须进行误差修正或严格的校正。
                              发明内容
本发明的目的在于提供一种基于角度测量的原子力显微镜测量方法，该方法可以克服现有原子力显微镜探针挠度测量方法引入的原理性误差及其后续修正问题，又能减小现有方法对于被测样品形状、体积、重量等的限制，扩大原子力显微镜的适用范围。
本发明的目的是这样实现的：基于角度测量的AFM测量方法，实现该方法采用角度测量型原子力显微镜测量装置，原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器，所述的光学差动式角度传感器包括准直光源和会聚透镜的半导体激光器4，半导体激光器的出射光入射到偏光分光镜3，被偏光分光镜反射的光入射到1/4波片5，经过1/4波片5的透射光入射到压电陶瓷驱动器6的探针上，来自探针的反射光入射到集成了1/4波片的分光镜2，被分成的两束光分别入射到两个临界角棱镜1、8，两个临界角棱镜的出射光分别被两个光电二极管7、9接收。该方法的特征在于将入射光汇聚后垂直入射到原子力显微镜的探针表面，其反射光的偏转角度经光学差动式角度传感器检测，被反射的光携带悬臂梁的转角变化信息进入该光学差动式角度传感器；光学差动式角度传感器采用光学差动式测量方法，该方法在初始测力设定值时，光学差动式角度传感器输出信号为零，当扫描过程中测力发生变化时，悬臂梁的弯曲角度发生变化，该变化量被光学差动式角度传感器检测并转换成与角度变化值成比例的电信号；该电信号经放大后再经信号分析处理，得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。
本发明的优点在于平面内扫描(XY)驱动装置与纵向(Z)跟踪驱动装置分离，样品台与XY扫描驱动装置结合在一起，样品台只进行平面内扫描；探针经探针夹持架与Z向跟踪驱动器相结合，实现Z向与XY向运动的分离，从而减小了被测样品形状、体积、重量等的限制，扩大原子力显微镜的适用范围，同时由于测量的是微悬臂梁尖端的角度变化，在恒力模式下探针固定端的位置改变不会影响转角的测量，因此该方法既可克服由于采用挠度测量方法引入的原理性误差及其后续修正问题。
                              附图说明
图1为实现本发明方法的装置结构示意图。
图2为基于角度测量的AFM测量方法原理图
图中：1、8为临界角棱镜，2为集成了1/4波片的分光镜，3为集成了1/4波片5的偏光分光镜，4为集成了会聚透镜的半导体激光器，6为Z向跟踪用压电陶瓷驱动器PZT，它集成了AFM探针夹持器和AFM探针，7、9为光电接收器。
                            具体实施方式
基于角度测量的AFM测量方法，采用光学差动式角度传感器，检测原子力显微镜微悬臂梁的转角变化量，其过程是：半导体激光器4发出的光首先经透镜汇聚，经偏光分光镜3后，原光束被分为S偏光和P偏光，其中S偏光被反射后经1/4波片5后成为圆偏光，入射到原子力显微镜的探针6反射面上，从AFM探针表面被反射回来的圆偏光，该圆偏光携带悬臂梁的转角变化信息，通过1/4波片后成为P偏光，再经分光镜2后分成能量相等的两束互相正交的光，其偏振状态保持不变，分别入射到两个沿直角方向安置的棱镜1和8内，出射光光强分别被光电接受器9和7检测；在初始测力设定值时，可以认为光学差动式角度传感器输出信号为“零”；当扫描过程中测力发生变化时，悬臂梁的弯曲角度发生变化，反射光即相对于角度测量装置的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为微悬臂梁角度变化量的一倍，使被测量得到放大。
由于采用差动测量方法，来自悬臂梁的反射光被半透半反镜2分成两束光后，分别入射进两个棱镜，即图1中的(1)、(2)两部分，当反射光的角度有偏摆时，两个棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电二极管检测并转化为光电流，两路光电流信号经过电流-电压变换以及加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，即该变化量被光学差动式角度传感器检测并转换成与角度变化值成比例的电信号。该电信号经放大后再经信号分析处理，得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，由于AFM探针/悬臂梁尖端的角度与挠度存在确定的比例关系，根据此关系得到物体表面高低变化量，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。

Claims (1)

1.一种基于角度测量的原子力显微镜测量方法，实现该方法采用角度测量型原子力显微镜测量装置，原子力显微镜的悬臂梁位移测量装置采用光学差动式角度传感器，所述的光学差动式角度传感器包括准直光源和会聚透镜的半导体激光器(4)，半导体激光器的出射光入射到偏光分光镜(3)，被偏光分光镜反射的光入射到1/4波片(5)，经过1/4波片(5)的透射光入射到压电陶瓷驱动器(6)的探针上，来自探针的反射光入射到集成了1/4波片的分光镜(2)，被分成的两束光分别入射到两个临界角棱镜(1、8)，两个临界角棱镜的出射光分别被两个光电二极管(7、9)接收；该方法的特征在于将入射光汇聚后垂直入射到原子力显微镜的探针表面，其反射光的偏转角度经光学差动式角度传感器检测，被反射的光携带悬臂梁的转角变化信息进入该光学差动式角度传感器；光学差动式角度传感器采用光学差动式测量方法，该方法在初始测力设定值时，光学差动式角度传感器输出信号为零，当扫描过程中测力发生变化时，悬臂梁的弯曲角度发生变化，该变化量被光学差动式角度传感器检测并转换成与角度变化值成比例的电信号；该电信号经放大后再经信号分析处理，得到由于测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到探针的测力变化/物体表面形貌轮廓。
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