CN2356314Y - 激光扫描力显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种激光扫描力显微镜，其特征是该激光扫描力显微镜由光源1、准直扩束器2、半反半透镜3、显微物镜4、聚焦物镜5、带有光电二极管的前置放大器6、锁相放大器7、压电叠堆8、微探针9、压电扫描台10、带有A/D及D/A转换器的计算机11构成，光源1采用半导体激光器，入射平行激光束通过的显微物镜会聚在微探针的微悬臂端部上，形成反射光和衍射光共路干涉，通过信号处理测得样品表面微细结构数据。同现有技术比较，本方案具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，有利于实现小型化等优点，纵向分辨率为0.01nm横向分辨率为5nm。
Description
本实用新型涉及一种采用纳米测试技术计量表面的微细结构的计量设备，特别涉及一种激光扫描力显微镜。
扫描力显微镜，包括原子力扫描显微镜，静电力扫描显微镜，磁力扫描显微镜及热力扫描显微镜，是通过微探针与被测样品之间的作用力来获得样品表面微细结构信息，还可用于研究样品表面的的磁学与电学性质。扫描力显微镜的工作模式可分为接触模式和非接触模式两种，接触模式是通过测量微探针的变位来确定样品与微探针相互作用力的变化，进而确定样品表面的微观结构，它具有原子量级的横向分辨率，其缺陷是测量薄软样品时会损伤样品表面。采用光学方法测量微探针变位或者振幅变化，常用的方法为光杠杆法及各种光干涉法，如已商品化的原子力显微镜，测量样品表面的形貌是微探针与样品之间纵向力和切向力共同作用的结果，虽有很高的纵向分辨率和横向分辨率，但测量精度较低。而光干涉法仅对纵向力产生的微探针变位灵敏，而对切向力的作用不灵敏，因而测量精度较高，各种光干涉探针法通常采用共路或准共路设计，如利用Nomarski原理制成的干涉光探针和利用衍射光栅分光的双通道干涉光探针，形成干涉信号的两束光分别从微探针的头部和尾部反射，此外还有双焦共路干涉光探针和光纤干涉光探针等，光干涉探针法的优点是具有较高的测量精度和稳定性，其缺陷是对光学元件的质量要求较高，其光学系统结构较为复杂。
本实用新型的目的在于提供一种结构新颖的激光扫描力显微镜，它具有结构紧凑、体积小、抗干扰能力强、性能稳定可靠等优点，其纵向分辨率为0.01nm，横向分辨率为5nm。实现本实用新型目的而采用的技术措施：(1)率先发现并利用了光在微探针上的点衍射干涉现象，图1为常见的微探针结构图，基片91为(111)型硅单晶基片，微悬臂92厚度为0.4μm，长度为200μm或100μn，谐振频率为13KHz或40KHz，弹性系数为0.02N/m或0.09N/m，其表面上镀有Au/Cr反射层，(111)型硅微探针93固定在微悬臂92上，其尖端直径小于纳米量级，当入射平行激光束通过显微物镜会聚在微悬臂端部上表面时，其光轴与微悬臂表面垂直，会聚光斑为直径几微米的弥散斑，会聚弥散斑一部份覆盖了空心针尖处，于是会聚光束的一部份被微悬臂表面反射从原路返回，形成反射波面，另一部份被微悬臂空心针尖处后向衍射返回，形成衍射波面，图中实线为反射波面，虚线为衍射波面，这两个波面形成共路干涉；干涉条纹的间隔与几何反射点S1和衍射点S2的相对位置有关，当反射点相对于微悬臂表面有离焦时，条纹为弯曲或圆环，干涉条纹的对比度同反射光相对于衍射光的光强比有关，通过调焦及平移微悬臂可以调节光强比，以获得最佳的条纹对比度。可见空心三角微悬臂由于结构特征实际上是相当于一种天然的反射型点衍射板，起共路干涉分束器的作用。(2)利用点衍射干涉作为精确测量微悬臂的变位，即微探针变位时场点P相位差发生变化，如图2所示，用实线表示微探针变位前的位置，虚线表示变位后的位置，设变位量为h，图2显示出反射型点衍射干涉的瞳窗关系，在微悬臂表面上的反射点S1和衍射点S2实际上可视为干涉系统的两个出瞳，产生干涉条纹的观察屏就是出窗，P为出窗B上的任意点，当微悬臂探针不动时，S1和S2点相对于P点的相位差是固定的；当微悬臂探针产生变位时，几何会聚点S1的位置保持不动，但其象点在S1′，而衍射点S2的位置将随微悬臂的变化而变位，由S2移至S2′。此时P点的相位差的变化量Δφ＝47πh/λ，可见干涉条纹将随微悬臂的变位而变位。通过对干涉条纹的相位检测就能精确地测出相位差的变化，从而精确地测出微悬臂的变位大小，而微探针变位是由于微探针与被测样品之间的近场作用力(原子力或范德华力)的变化引起的，这一近场力变化是由于样品在二维扫描时表面的微观结构引起的，因此精确测出微悬臂的变位大小，就可测出样品表面的三维微观结构。
以下结合附图3详细叙述本实用新型的具体内容。
一种激光扫描力显微镜，包括光源，准直扩束器，显微物镜，微探针，压电扫描台，被测样品置于压电扫描台上，锁相放大器，带有A/D及D/A转换器的计算机，其特征在于：该激光扫描显微镜由光源1、准直扩束器2、半反半透镜3、显微物镜4、聚焦物镜5、带有光电二极管的前置放大器6、锁相放大器7、压电叠堆8、微探针9、压电扫描台10、带有A/D及D/A转换器的计算机11构成，其中光源1采用半导体激光器，激光经准直扩束器2、半反半透镜3、显微物镜4后聚焦在微探针9表面上，其反射光与后向衍射光形成干涉，干涉光束复经显微物镜4、半反半透镜3后由聚焦透镜5聚焦在光电二极管上，带该光电二极管的前置放大器6的输出端与锁相放大器7的输入端连接，锁相放大器7的一个输出端接压电叠堆8，微探针9的硅基片固定在压电叠堆8上，压电扫描台10位于微探针9的下方，锁相放大器7的另一个输出端通过A/D转换器与计算机11连接，计算机11通过D/A转换器向压电扫描台10输出控制电压UX、UY、UZ；所述的显微物镜4为10倍或20倍显微物镜。
同现有技术比较，本实用新型具有如下突出优点：(1)位于样品上方的微探针直径为纳米量级，扫描时微探针的变位又是由样品表面的原子与微探针尖端原子间相互作用力的变化引起的，所以这种测量具有超衍射极限的横向分辨率，在非接触模式下，具有几纳米的横向分辨率，在接触模式下，可达到亚纳米量级的横向分辨率，这是传统的纯光学方法无法达到的；(2)本仪器是一种完全共路的干涉光探针，隔绝了大气漂移和外界振动的影响，信号异常稳定，本激光扫描力显微镜具有0.01nm的纵向分辨率和5nm左右的横向分辨率；(3)对光源要求不高，可采用半导体激光器；(4)与现有的各种干涉光探针法比较，本激光扫描力显微镜结构最为简单、紧凑，性能更为稳定可靠，有利于系统实现小型化。
图1为会聚光在微探针上的点衍射原理图。
图2为微探针变位时场点P相位差发生变化的示意图。
图3为本实用新型的激光扫描力显微镜结构示意图。
图4为测得的超光滑玻璃表面三维微细结构图(单位nm)。
图5为测得的液晶薄膜表面三维微细结构图(单位nm)。
实施例1：
一种激光扫描力显微镜，采用如图3所示的结构，应用该激光扫描力显微镜测量超光滑玻璃的表面，光源1采用10mw半导体激光器，波长为650nm，锁相放大器采用SR830DSP，微探针的谐振频率为40KHz(非接触模式)，弹性系数为0.09N/m，扫描范围为80×80nm，测出超光滑玻璃的表面最大起伏不大于5nm。
实例2：
应用本激光扫描力显微镜测量液晶薄膜的表面，工作模式与实施例1相同，扫描范围为1500×1500nm，可以看到液晶表面颗粒尺寸是95～105nm。
Claims (2)
1、一种激光扫描力显微镜，包括光源，准直扩束器，显微物镜，微探针，压电扫描台，被测样品置于压电扫描台上，锁相放大器，带有A/D及D/A转换器的计算机，其特征在于：该激光扫描显微镜由光源(1)、准直扩束器(2)、半反半透镜(3)、显微物镜(4)、聚焦物镜(5)、带有光电二极管的前置放大器(6)、锁相放大器(7)、压电叠堆(8)、微探针(9)、压电扫描台(10)、带有A/D及D/A转换器的计算机(11)构成，其中光源(1)采用半导体激光器，激光经准直扩束器(2)、半反半透镜(3)、显微物镜(4)后聚焦在微探针(9)表面上，其反射光与后向衍射光形成干涉，干涉光束复经显微物镜(4)、半反半透镜(3)后由聚焦透镜(5)聚焦在光电二极管上，带该光电二极管的前置放大器(6)的输出端与锁相放大器(7)的输入端连接，锁相放大器(7)的一个输出端接压电叠堆(8)，微探针(9)的硅基片固定在压电叠堆(8)上，压电扫描台(10)位于微探针(9)的下方，锁相放大器(7)的另一个输出端通过A/D转换器与计算机(11)连接，计算机(11)通过D/A转换器向压电扫描台(10)输出控制电压(UX、UY、UZ)。
2、根据权利要求1的激光扫描力显微镜，其特征在于：所述的显微物镜(4)为10倍或20倍显微物镜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 98247446 CN2356314Y (zh) | 1998-12-27 | 1998-12-27 | 激光扫描力显微镜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 98247446 CN2356314Y (zh) | 1998-12-27 | 1998-12-27 | 激光扫描力显微镜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN2356314Y true CN2356314Y (zh) | 1999-12-29 |
Family
ID=33992685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 98247446 Expired - Fee Related CN2356314Y (zh) | 1998-12-27 | 1998-12-27 | 激光扫描力显微镜 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN2356314Y (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100440244C (zh) * | 1997-09-30 | 2008-12-03 | 富士通株式会社 | 用于扫描装置的光源模块和具有光源模块的扫描装置 |
| CN102818521A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-12-12 | 哈尔滨工业大学 | 基于椭球反射照明共焦测量装置 |
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1998
- 1998-12-27 CN CN 98247446 patent/CN2356314Y/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN100440244C (zh) * | 1997-09-30 | 2008-12-03 | 富士通株式会社 | 用于扫描装置的光源模块和具有光源模块的扫描装置 |
| CN102818521A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-12-12 | 哈尔滨工业大学 | 基于椭球反射照明共焦测量装置 |
| CN102818521B (zh) * | 2012-07-05 | 2015-09-16 | 哈尔滨工业大学 | 基于椭球反射照明共焦测量装置 |
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