1285273 九、發明說明： 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明是-種掃針式軒力顯微鏡之光路設計，制是_ 一種掃針式 原子力顯微鏡之光束追m本發明制適用在掃針式原子力顯微鏡，用以量 測在二度空間中快速移動之顯微鏡探針之撓曲並消除其假性撓曲（版 deflection)，獲得正確之量測結果。 二、 【先前技術】 原子力顯微鏡（atomic f0rce mic臟〇pe，AFM)可以用來產生一表面之奈米 _級三度空間影像。在習知之原子力顯微鏡中，乃是使用所謂「掃樣品式」 (sca_g_sample)設計。在探針掃描樣品表面之過程巾，顯微鏡之探針位置保 持固疋’而移動樣品供其掃描。這種設計方式在樣品體積較大或較重時，移動及 疋位均k成困難。此外，在掃描過程中對樣品之溫控（升溫及降溫）也將影響通 常置於樣如下方之壓電元件掃描·動之精確度。再者，如果所掃描的物品是浸泡 在液體⑷兄内’例如生物分子，則移動樣品將造成不正確的影像。 鲁 掃針式（scannmg-probe type或stati〇nary sample _)原子力顯微鏡的設計 乃疋用來解決上述掃樣品式顯微鏡的缺點。掃針式顯微鏡在掃描過程中，樣品為 固疋不動’由楝針在樣品表面來回掃描移動。掃針式顯微鏡的設計主要有兩種， 一種是令整體光學偵_統與探針—起軸。不過，由於碰光學祕包括雷射 和體光學偵測器、對準機構及框架等，不但體積龐大且重量不輕。移動整體 冓來制田的作法’會抑制壓電材料的驅動速度，並不理想。過去曾有數種設計， 用以減輕其機構f量，試_決這個問題。 種作法乃疋追$示鏡片法（the tracki啤匕仍meth〇d )。在此方法僅有少數質 輕的光學耕㈣在掃描器上，其他絲_與對準系統顧定在掃描器外。然 而在這種設計下，追踪誤差（ticking _)會限咖微鏡的解析度。理想的光 學追踪系統應設計成：由不動的雷射光騎出之雷射光，能正確追踪探針之挽 曲，而由光學所擷取之鎌，廳含有探針之撓曲成分，而不包含掃描位 移成分。如果在精掃描_針縣撓曲，但由光學伽⑺所得之健卻產生變 化，則將產生所狀假性撓曲（falsedeflection)或追踪誤差（trackingerr〇r)。 為減少假性撓曲，曾有人提出利用一種一維光束追踪方法，使該光學制器 與該探制步师。也有人提出__凸透鏡置於光學_㈣方，以抵銷假性 撓曲的作/套$過’這種作法只對水平方向之假性撓曲有效，對垂直方向的假性 撓曲，難侧。另有人提出-種三_光束追踪裝置，_追踪反射鏡來補償 假性撓曲。在這_統中，由·二極·探針之撓曲點關距，在掃描過程中 為可變。獨，這種方式下，如果f射光因對焦不準而逸出探針範圍之外，則其 反射光束之強度^號將發生變化，結果使反射至光學偵測器之光束發生變形 (warp)，因而·絲_器位置鎌的正確性。 此外’也有人提出-種扭曲探針（twist__〇系統，並利用面積較大的反 射知來/肖除縣。不過由於其扭曲探針設計，對於掃鄉像當巾之_維之掃描範 圍將產生限制另-種缺點則是探針與光學偵測器之間距在掃描過程中會有變 動，無法確保探針之變形與光學偵·棘信賴之蚊關係。 三、【發明内容】 本發月的目的乃在提供_種购的掃針式原子力顯微鏡之光路系統。 本發明的目的也在提供_種新穎的掃針式原子力顯微鏡之光束追踪系統。 本發月的目❺也在提供_槪降低水平及垂直追麟差之掃針式原子力顯 1285273 微鏡之光路系統。 根據本發明，掃針式原子力顯微鏡之探針，在掃描過程中會有水平方向之位 移垂直方白之運動，而樣品則固定不動。因掃描運動對探針產生之假性撓曲， 應設法加以補償。理想上，由光學_器所擷取的信號，應只包括探針之懸臂 —eO撓曲成分，而歸描運誠分，或财少量掃描運動成分。本發明 利用如下之設計，以達成此目的，一者乃纽法使該聚焦雷射光點在掃描過程之 三度空間運動中，始終能追踪該探針之懸臂上之同_點。另—者贱，如果樣品
與抓針間距離太遠，且無法產生撓曲。此時應使雷射光束由運動巾之懸臂所反射 回來之雷射光束射中光學偵測器上—定點（即中央部份）。雖不欲為任何理論所 限制，本發明之主要設計乃在提出—種能符合上述要求的掃針式軒力顯微鏡。 依據本發明所設計之光路機構，可將水平方向及垂直方向之追踪誤差限制在小於 〇3nm 4^m af) 12nm 1〇〇//m } 〇 四、【實施方式】 第 圖顯示本發明之原子力顯微鏡
發明之掃針式原子力顯微鏡之絲追K統包括 份及回授部份。其巾，雷射光源⑴是用以產生 之光束追踪系統之系統圖。如圖所示， 本 :機台部份、光源部份、光學部 雷射光束。光束經由準直透鏡 ⑵’極化鏡片⑴進入分光鏡⑷，部份反射後經四分之—波長透鏡⑴行 至接物鏡（6)，經聚焦後，抵達探針（19)。 由探針⑼反射之雷射光束帶有探針〇9)之撓曲資訊成分循接物鏡⑹、 四分之-波長透鏡⑴、分光鏡⑷而抵達反射鏡組⑼⑼⑼，經反射 後，由校峨⑺達到綱《⑻。絲她⑼拾取該雷射光中 所合之資訊，輸入資料處理模組（未圖示）中，用以進_處理，_描之 1285273 、、·α果。該資料處理模組含有假性撓曲計算手段，用以計算該探針之假性撓曲資 訊，據以校正該掃描結果。 該光學_器（15)通常包括4個光二極體，用以感測入射光之強度。依據 各一極體所感測之入射光偵測信號強度，即可判斷該探針（19)與該入射雷射光 束投射點在三度空L對位置。此種判斷結果即作為探針撓曲運動的參考資 訊。 此外（21)代表機座，其上為掃描樣品（2〇)。目中顯示樣品表面有凹凸形 狀探針（19)與樣品（2〇)表面間存在微小間距。於兩者相對運動時會依該凹 凸形狀產生相對應之位移。在本發明中因採用掃針式掃描，故以垂直掃描驅動器 (8)與壓電震盡器（bimolph) (17)驅動探針〇9)之垂直掃描。並以水平掃 描驅動器（9)驅動其水平掃描。 在機台（21)上設置有趨近機構〇6)。其上架設水平掃描固定部⑽），透 過撓曲導件（11) (11)調整水平掃描驅動器（9)之位移。此外，_鏡架⑴） 支樓該探針（19)，以維持其與物鏡⑷之相對位置關係。 以下說明本發明進行垂直方向追縱及水平方向追縱之方式。 重直追踪 探針（19)係設置於接物鏡⑷之焦點處。該探針（19)與該接物鏡⑷ 之相對位置係以金屬製（例如銘製）鏡架〇8)，保持於一定。該鏡架⑴）則 是設於該z平面細咖⑼之底部。平行光束（eGmmatedbeam)由雷射二 極體⑴發出，經過4軸雷射座（未圖示）調校後，可與該垂直方向掃相器之 上下移位達成平仃。其方式可藉雛反射鏡㈣度達成調整。由探針（19)所反 1285273 射之光束經以同一接物鏡（6)平行化後，經由反射鏡組（12) (13) (14)調校， 投射至4分光偵測二極體（position sensitive detector) ( 15)。其光學機構在z方 向位移過程巾鋪m定不變。換言之，垂直方向之贼魏乃是親使該整體光 束追踪系統與該接物鏡（6)同步運動，加以達成。如圖中所示，凸透鏡（6)會 將由上方射下來的平行光聚t、在焦點上，且探舰f (19)置於點上，並使 凸透鏡與探㈣臂同步運動，故可達成使聚鱗射光祕終追賴探針懸臂上同 一點之功能。此外，也_-壓電減器(bimG_ (17)以進行原子力顯微鏡之 輕敲模式（tappingmode)操作。 理論上，垂直追踪誤差應不存在。不過，由於光學元件製作上之誤差以及機 械上之對準不精確，仍會有縣存在。透過適當之檢驗及校正程序，可以校正垂 直追踪誤差。 水平追踪 本發明之掃概針式軒力顯微鏡光束追⑽統之資喊賴組巾，提供一 假性撓曲計算手段，用以計算該探針之假性撓曲。 在進行X軸或Y軸掃描時，光學系統可能發生如第2圖所示之位移。第2 圖顯示本發日猶描探針式原子力顯微鏡光束追踪系統進行χ轴掃描時之位移狀 況示意圖。如圖所示，當探針（19)移動距離Χρ時，人射光束及反射光束即不 再維持共軸（眶⑷。兩光束巾，距_為光束婦（b_shift)，以知表 不。XB大約是乂!>之二倍。第3圖顯示探針及其週邊元件之光學系統圖。圖切C 表為探針之傾斜角度，用以確㈣探針最低位置為其針尖。_般而言，心通常 可為10 -15 ’而在本發明某些實例中，係取12。。圖中[表接物鏡之焦距，在本 9 1285273 發明某些實例中，係取9mm，而R則表探針之原位置，亦即入射光束與反射光 束維持共轴時之位置。 如圖所示，當探針（19)由位置R位移至R，（位移量χρ)時，反射光束由p 移至ρ’（位移量xB)°xB與Χρ之數學關係表如下式： W/W / ta 哄)2— · ⑴ 其中，
θ；? (Α) = + tan 1 - tan )， (^p ^~~2^ ~tan 1 ~ tan Gc) 因此，——(2) 式中，c為常數，x0為機構組裝誤差。 設雷射光束與探針之位移量相同（亦即，Xb=Xp),則不需要使用矯正鏡片 (C0⑽_ lens)。此時光學偵之同步位移可以自動消除假性撓曲。不過， 知只是大約XP之兩倍。所幸，兩者的關係趨近於線性，可以利用這個特質加以 修正。現設水平掃描區域為觸_，而機構組裝誤差（懸臂前緣未必能確切放 _ 在光軸上）Xg 5又為lmm (亦即，χρ介於G.95mm至l.G5mm之間）。導入線性趨 近函式⑵取代函式⑴，可以得知，將矯正鏡片⑺裝置在光學偵測器上方 距離fc/C (fe為矯正透鏡之焦距，以定義壯）之位置，即可達成線性補償。 楝針撓曲VP與雷射光束位移知之關係係如第4圖所示。為探針受力 撓曲後反射光束之位移量，可㈣來計算假性撓曲^，其公式如下式所示： Α〇Ρ = 37Δ^---(3) 其中，L表探針之懸臂長度，在本實例中為仏衫誦。該式也可用來描述其光 1285273 效應（_仙顧吟在上述输，所彳㈣平假性撓編。第$圏 所示。第5 _林發明掃針絲力子顯微鏡之光學追㈣統—實施例之水平追 踪誤差與探針水平位移關係圖。圖中顯示，在陶_描距離下，水平追踪誤 差為12nm。 簡而言之，水平掃描時，實際的非線性誤差由⑴搞描述。加裝橋正鏡片 ⑺可靖此雜性縣做雜補償，其行為由⑵。此補償方法可 補償絕大部分的假性撓曲，所殘存的小部分△〜以實驗方法量測，顯示於第$圖。 • 依據上述說明，本發明之假性撓曲計算手段乃依據上述（3)式，計算出該探 針織假性撓曲Λ心，提供·訊處職組校正掃描所得之資料，麟正確之結果。 此外，由於光學元件之精確度以及機械組裝精度，Χ_γ平面掃描之非平面位 移等，都可能增加掃描結果之誤差。不過，這種誤差可以預先加以測量，於對掃 描影像進行處理加以減除。即可獲得正確的結果。 第6圖顯示本發明掃針式原子力顯微鏡之光束追踪系統之掃描結果。其中， 第6 (a) ®表示以習知掃樣品或原子力顯微鏡驅動一吨鋼塊（模擬重物）且及 籲其上之樣品之掃描結果。該樣品為一組格線速度為。第6⑻圖為同一 顯微鏡掃描同-樣品之結果，但速度為5〇//m/s。第6 (c)及6⑷圖分別為以 本發明掃針式原子力顯微鏡之光束追踪系統掃描相同樣品，速度分別為 及50//m/s之掃描結果。如圖所#，習知之顯微鏡無論在高速或低速，均無法滿 足樣品表面高低變化的要求，因而產生高度上之誤差。而本發明之顯微鏡則顯示 優異之掃描結果’即使在高速掃描時，也不會產生誤差。 以上是對本發明掃針式原子力顯微鏡之光束追踪系統之說明，習於斯藝之人 1285273 士不難由上述之說明’明瞭本發明之精神進而作出不同的衍伸與變化，唯只要不 超出本發明之精神，均縣含於其t請專機_。 、 五、【圖式簡單說明】 第1圖顯7F本發明之原子力顯微鏡之光束追踪祕之系統圖。 第2圖顯林發日物贿針切、子力_鏡絲追㈣統進行Μ掃描時之 位移狀況示意圖。 第3圖顯示探針及其週遭元件之光學系統圖。 第4圖顯示探針撓曲Vp與雷射光束位移ΧΒ之關細。 第5圖顯示本發明掃針式原力子顯微鏡之光速追踪系統_實施例之水平追踪 誤差與探針水平位移關係圖。 第6圖顯示本發明掃針式原子力顯微鏡之光束追踪系统之掃描結果示咅圖。 1 雷射光源 2 準直透鏡 3 極化鏡片 4 分光鏡 5 透鏡 6 接物鏡 7 校正透鏡 8 垂直掃描驅動器 9 查土驅動器 10 水平掃描固定部 11 撓曲導件 12 、 13 、 Η 反射鏡組 15 光學偵測器 16 趨近機構 17 壓電震盪器 12 1285273
18 鏡架 19 探針 20 掃描樣品 21 機座 13