CN1322323C - 一种多模式原子力探针扫描系统 - Google Patents
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Abstract
一种多模式原子力探针扫描系统，属于纳米表面检测技术领域。为了能同时满足高分辨率和大范围检测的要求，本发明公开了一种多模式原子力探针扫描系统，包括光学测量单元、扫描探测单元和伺服控制单元三个部分，所述扫描探测单元包括承载样品的受伺服控制单元驱动的扫描台、微调机构、设在所述微调机构之上的压电双晶片，以及末端固定在压电双晶片上、探测端对应样品设置的微悬臂探针；所述微悬臂探针背面处于所述光学测量单元的光探针会聚点处，并与光探针轴线相垂直；所述压电双晶片由伺服控制单元控制，驱动微悬臂探针以接触式、非接触式或轻敲式三种模式之一进行探测。本发明可以实现大视场、纳米尺度超精表面缺陷检测。
Description
技术领域
本发明属于纳米表面检测技术领域，特别涉及一种能进行高分辨率大范围纳米级表面粗糙度、波纹度和表面损伤检测的多模式原子力探针扫描系统。
背景技术
电子产品的高集成度和高性能化的发展趋势，对部件表面检测提出了前所未有的特殊要求，如要求盘片或晶片表面检测能达到纳米级面型精度，埃级表面波纹度和粗糙度，同时又能对整个盘片进行检测。传统的光学检测技术对于粗糙度检测已能达到埃级分辨率。这些检测技术有激光干涉法、椭偏法、散射法等。但是，由于受瑞利衍射极限限制，横向分辨率是限制传统光探针进行纳米量级超精表面检测的瓶颈。另一方面，扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)对表面检测的纵向、横向分辨率都能达到纳米级精度。但是，它们的测量范围很小，一般只有几个微米到几十个微米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模式原子力探针扫描系统，实现高分辨率大范围纳米尺度表面粗糙度、波纹度和表面损伤检测。
为了能同时满足高分辨率和大范围检测的要求，本发明所述的多模式原子力探针扫描系统，采用固体微悬臂探针进行表面检测，使得横向分辨率达到纳米级；并且通过低频差双频激光干涉仪检测微悬臂探针的轴向偏转量，使纵向分辨率能达到埃级精度。另一方面，采用大范围扫描台和图像拼接与识别技术，实现了对整个光盘、磁盘或晶片的表面检测。
本发明的技术方案如下：
一种多模式原子力探针扫描系统，其特征在于：所述系统包括光学测量单元、扫描探测单元和伺服控制单元三个部分，所述扫描探测单元包括承载样品的受伺服控制单元驱动的扫描台、微调机构、设在所述微调机构之上的压电双晶片，以及末端固定在压电双晶片上、探测端对应样品设置的微悬臂探针；所述微悬臂探针背面处于所述光学测量单元的光探针会聚点处，并与光探针轴线相垂直；所述压电双晶片由伺服控制单元控制，驱动微悬臂探针以接触式、非接触式或轻敲式三种模式之一进行探测。
在本发明中：所述光学测量单元包括横向塞曼激光器、沿光轴方向依次位于所述横向塞曼激光器前端的分束器、负透镜、双折射透镜、无穷筒长显微物镜、参考镜，以及与所述分束器对应、沿光轴方向垂直布置，并且接收横向塞曼激光器尾部输出的参考信号的的光电探测器。
在本发明中，所述微调机构包括支承底座、下端与支承底座固定连接，上端与连接板固定连接的倾斜支架、分别从两侧连接支承底座和连接板的右倾斜调整螺丝和左倾斜调整螺丝、固定于连接板上的俯仰支架、连接俯仰支架和连接板的俯仰调整螺丝，以及将楔块、压电双晶片和微悬臂探针固定在俯仰支架前端凹槽内的弹簧片；倾斜支架和俯仰支架采用柔性铰链机构，实现微悬臂探针倾斜度与俯仰度调整。
本发明采用双频外差干涉技术，检测微悬臂探针受微弱原子力作用而发生的轴向偏转量，并使微悬臂探针固定不动，扫描台驱动样品作相对扫描，从而得到样品表面的三维形貌，并进而得到表面粗糙度、波纹度和表面损伤的计量值。采用双频外差干涉技术的优点是其对于切向力引起的微悬臂横向扭转不灵敏，因而消除了微悬臂横向扭转带来的误差。因此，相对于传统的原子力显微镜，本发明测试分辨率和精度提高了一个数量级。本发明能工作于接触式、非接触式和轻敲式三种模式下。此外，本发明采取卧式结构，能有效地避免了微悬臂探针自重力对原子力的影响。本发明针对于超精表面粗糙度、波纹度和表面损伤检测而设计，同时也适用于导体、半导体和绝缘体样品表面精密检测。
附图说明
图1是本发明所述的多模式原子力探针扫描系统的结构示意图。
图2a是微悬臂探针的微调机构的主视图。
图2b是图2a的左视图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
如图1所示，本发明包括光学测量单元100、扫描探测单元200和伺服控制单元300。其中光学测量单元100包括横向塞曼激光器1、沿光轴方向依次位于横向塞曼激光器1前端的分束器5、负透镜6、双折射透镜7、无穷筒长显微物镜8、参考镜9，以及与分束器5对应、沿光轴方向垂直布置，并且接收横向塞曼激光器1尾部输出的参考信号的光电探测器10；光学测量单元100的横向塞曼激光器1真空波长为632.99nm，光束直径为6mm，激光器输出为两束正交线偏振光(即o光和e光)。在本实施例中，在横向塞曼激光器1和分束器5之间，沿光轴方向还依次设有小透镜2、针孔3和双胶合透镜4，增强光学信号的信噪比，更有效地实现光路调节和滤波。
光学测量单元100中的负透镜6前后曲率半径分别为252.73和79.32mm，厚度2.3mm，材料为ZF1，用于扩大测量范围、提高测量精度；双折射透镜7材料分别为ZF1和方解石晶体，厚度为1.6mm，用于激光光束空间整形，改变透射率函数。
工作过程中，横向塞曼激光器1输出的正交线偏振光，垂直入射到小透镜2，会聚于针孔3上，经针孔3滤波后由双胶合透镜4将光束扩成平行光束；平行光束通过分束器5、负透镜6，入射到双折射透镜7上，双折射透镜7对偏振方向与其光轴方向平行的光有会聚作用，对偏振方向与光轴垂直的光焦距为无穷大。因为双折射透镜7光轴方向与e光偏振方向相同，因此经过双折射透镜7后，o光仍为平行光，e光变为会聚光；然后，两束光通过无穷筒长显微物镜8。无穷筒长显微物镜8前焦点与e光焦点重合，于是原来平行的o光变成会聚光，形成光探针，聚焦在扫描探测单元200的微悬臂探针21(在下文描述)的背面，作为光学测量单元的测量光；原来会聚的e光，变为平行光，以圆光斑照在参考镜9上，作为光学测量单元的参考光。测量光和参考光分别被微悬臂探针和参考镜反射后，依次通过物镜8、双折射透镜7、负透镜6，又变成相互重合的平行光束，被分束器5反射到光电探测器10，产生光学测量相位信号，与横向塞曼激光器1尾部输出的参考信号进行比相，通过伺服控制单元300的模数转换电路(A/D)33(在下文描述)，将相位数据输入到微机31(在下文描述)中，经过数据处理便可以获得微悬臂探针轴向偏转量(沿图1中光路的光轴方向)。
扫描探测单元200由承载样品的受伺服控制单元300驱动的扫描台24、微调机构23、设在所述微调机构23之上的压电双晶片22，以及末端固定在压电双晶片22上、探测端对应样品设置的微悬臂探针21组成；其中微悬臂探针21背面处于所述光学测量单元100的光探针会聚点处，并与光探针轴线相垂直；压电双晶片22由伺服控制单元300控制，驱动微悬臂探针21以接触式、非接触式或轻敲式三种模式之一进行探测。扫描台24由伺服控制单元300中的数模转换电路32(在下文描述)控制，实现样品与微悬臂探针(21)的纵向间距调整及横向扫描。
扫描过程中，保持微悬臂探针21固定不动，首先通过伺服控制单元300的数模转换电路(A/D)32控制扫描台24，使样品沿光学测量单元100的光轴方向逼近微悬臂探针21，直至两者间将产生微弱原子力，并使微悬臂探针21产生轴向偏转量。接着，由伺服控制单元300控制扫描台24，并驱动样品在水平面内(横向扫描，包括X向和Y向)移动扫描。光学测量单元100获取扫描过程中微悬臂探针21形成的轴向偏转量信息，以及扫描台24横向扫描产生的样品水平位置信息，并将上述信息反馈到伺服控制单元300的微机31中进行数据处理，从而得到样品表面三维形貌以及表面粗糙度、波纹度、微划痕、微裂纹等性能指标。
扫描探测单元200的微悬臂探针21对样品测量，有接触式、非接触式与轻敲式三种模式。接触模式测量时，微悬臂探针21针尖始终同样品接触并简单地在表面上滑动。微悬臂探针由于受样品表面库仑排斥力作用而发生偏转，轴向偏转量即是表面起伏变化量。非接触模式测量时，微悬臂探针21与样品表面分离，并受压电双晶片22的激励产生振动。激励振动的振幅随微悬臂探针21针尖与样品间距而变，并由伺服控制单元300的伺服反馈电路35控制，从而保持微悬臂探针21与样品间距的恒定不变。振幅的变化量即为待检测样品的表面起伏变化量，即表面形貌。轻敲模式测量时，微悬臂探针21轻敲样品表面，并通过伺服控制单元300的伺服反馈电路35控制，保持轻敲力处于最小值，即微悬臂探针21与样品刚接触但相互撞击力几乎没有。微悬臂探针21受样品表面原子力作用后振幅发生改变，振幅的变化量即是表面起伏的变化量。
伺服控制单元300与现有技术中的伺服控制部分类似，包括微机31、驱动扫描台24的数模转换电路(D/A)32、连接锁相电路34和所述光电探测器10的模数转换电路(A/D)33，以及输入与锁相电路34相连，输出控制压电双晶片22的伺服反馈电路35。伺服控制单元300用于采集光学测量单元100产生的相位信号，并伺服控制扫描探测单元200的微悬臂探针21和扫描台24。
图2a和图2b显示了微调机构23的组成结构。微调机构23包括支承底座401、倾斜支架402、连接板403、右倾斜调整螺丝404、左倾斜调整螺丝405、连接螺丝406、俯仰支架407、俯仰调整螺丝408、弹簧片409和楔块410。支承底座401用于将微调机构23与光学测量单元100固定于同一平台上。左、右倾斜调整螺丝405和404从左、右两侧对连接板403和支承底座401进行连接；倾斜支架402中间采用柔性铰链机构，将连接板403和支承底座401连接，左、右倾斜调整螺丝的调整可以实现微悬臂探针21倾斜度调整。俯仰调整螺丝408通过螺纹对俯仰支架407和连接板403进行连接；俯仰支架407采用柔性铰链机构，调整俯仰调整螺丝408可以驱动俯仰支架407前端转动，从而带动微悬臂探针21实现俯仰度调整。微悬臂探针21、楔块410、压电双晶片22通过弹簧片409被一起固定在俯仰支架407的前端凹槽内。微调机构23通过对微悬臂探针21倾斜度与俯仰度调整，使光学测量单元100所形成的光探针会聚，并垂直于微悬臂探针21背面，保证反射光原光路返回。
Claims (2)
1.一种多模式原子力探针扫描系统，其特征在于：所述系统包括光学测量单元(100)、扫描探测单元(200)和伺服控制单元(300)三个部分，所述扫描探测单元(200)包括承载样品的受伺服控制单元(300)驱动的扫描台(24)、微调机构(23)、设在所述微调机构(23)之上的压电双晶片(22)，以及末端固定在压电双晶片(22)上、探测端对应样品设置的微悬臂探针(21)；所述微悬臂探针(21)背面处于所述光学测量单元(100)的光探针会聚点处，并与光探针轴线相垂直；所述压电双晶片(22)由伺服控制单元(300)控制，驱动微悬臂探针(21)以接触式、非接触式或轻敲式三种模式之一进行探测；所述微调机构(23)包括支承底座(401)、下端与支承底座(401)固定连接，上端与连接板(403)固定连接的倾斜支架(402)、分别从两侧连接支承底座(401)和连接板(403)的右倾斜调整螺丝(404)和左倾斜调整螺丝(405)、固定于连接板(403)上的俯仰支架(407)、连接俯仰支架(407)和连接板(403)的俯仰调整螺丝(408)，以及将楔块(410)、压电双晶片(22)和微悬臂探针(21)固定在俯仰支架(407)前端凹槽内的弹簧片(409)；倾斜支架(402)和俯仰支架(407)采用柔性铰链机构，实现微悬臂探针(21)倾斜度与俯仰度调整。
2.根据权利要求1所述的多模式原子力探针扫描系统，其特征在于：所述光学测量单元(100)包括横向塞曼激光器(1)、沿光轴方向依次位于所述横向塞曼激光器(1)前端的分束器(5)、负透镜(6)、双折射透镜(7)、无穷筒长显微物镜(8)、参考镜(9)，以及与所述分束器(5)对应、沿光轴方向垂直布置，并且接收横向塞曼激光器(1)尾部输出的参考信号的光电探测器(10)。
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