TWI714418B

TWI714418B - 聚焦式原子力顯微鏡

Info

Publication number: TWI714418B
Application number: TW109100255A
Authority: TW
Inventors: 鄭仲翔; 王偉珉; 廖國富
Original assignee: 精浚科技股份有限公司
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-12-21
Also published as: TW202127038A

Abstract

本發明公開一種聚焦式原子力顯微鏡，其包含有一光發射器、一聚光透鏡、一偵測件、及一光檢測裝置。所述光發射器能朝向所述聚光透鏡發出一光線，以使所述光線穿過所述聚光透鏡後聚焦於一聚焦位置。在所述光線穿過所述聚光透鏡後於所述偵測件反射，而後能被所述光檢測器接收。所述偵測件能偵測一待測物的表面輪廓，並且所述光感測裝置能在接收所述光線後產生相對應的電流值，進而使所述聚焦式原子力顯微鏡能呈現所述待測物的表面輪廓。

Description

聚焦式原子力顯微鏡

本發明涉及一種原子力顯微鏡，尤其涉及一種聚焦式原子力顯微鏡。

隨著產業之蓬勃發展，所有製程技術皆必須得以提升，因此，對於製成前端或產線後端之檢測變得格外重要。基於上述，綜多複合型或輕量型之高階量測儀器便依序誕生，原子力顯微鏡便是其一。原子力顯微鏡能偵測對待測物的表面，以使相關人員能清楚地了解待測物的表面輪廓。

一般而言，現有的原子力顯微鏡通常包含有一光發射器、一探針、及兩象限以上的一光檢測器。所述光發射器發射光線至進行分析中的所述探針，所述探針反射上述光線至兩象限以上的光檢測器，並且通過分析上述光線照射於兩象限以上的光檢測器的位置以得到所述探針的偵測結果。

然而，為能清楚地得到所述探針的偵測結果，所述探針與所述光感測器必須間隔有一定的距離，進而使現有的原子力顯微鏡(尤其是光槓桿式電子顯微鏡)的體積無法被縮小。並且，由於現有的原子力顯微鏡的體積較大，光線的光路所涵蓋的空間較大而使光路容易受環境影響。更進一步地，上述兩象限的光感測器通過計算上述光線的位移量以得到所述探針的偵測結果，由於上述計算較複雜且難度較高，因此會造成現有的原子力顯微鏡的成本較高。此外，現有的原子力顯微鏡的光發射器需使用準直光束以因避免光線位移而產生誤差，但也使得所述光線無法被縮小，進而造成漏光的缺陷。

於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。

本發明實施例在於提供一種聚焦式原子力顯微鏡，其能有效地改善現有的原子力顯微鏡所可能產生的缺陷。

本發明實施例在於提供一種聚焦式原子力顯微鏡，包括：一光發射器與一聚光透鏡，所述光發射器能朝向所述聚光透鏡發出一光線，以使所述光線穿過所述聚光透鏡後聚焦於一聚焦位置；一偵測件，包括：一懸臂樑，具有一自由端部；其中，所述自由端部包含有位於相反側的一頂面與一底面；及一探針，形成於所述自由端部的所述底面；其中，所述探針能以所述懸臂樑為支臂，而自一初始位置以一預設擺動幅度進行往復地擺動；其中，當所述探針位於所述初始位置時，所述自由端部的所述頂面位於所述聚焦位置，以使自所述光發射器發出且穿過所述聚光透鏡的所述光線能於所述頂面反射、並定義有一反射路徑；以及一光檢測裝置，設置於所述反射路徑上並能接收自所述頂面反射的至少部分所述光線；其中，當所述探針位於所述初始位置時，所述光檢測裝置能產生一最大電流值並定義為一基準電流值；當所述探針以所述預設擺動幅度往復地擺動時，所述光檢測裝置所能產生的電流值是在所述基準電流值與一預設電流值之間往復地變化，並且所述預設電流值小於所述基準電流值。

綜上所述，本發明實施例所公開的聚焦式原子力顯微鏡通過其包含有所述聚光透鏡使所述光檢測裝置能以有別於現有的原子力顯微鏡的光檢測器的方式接收反射自所述偵測件的所述光線。因此，本發明實施例所公開的聚焦式原子力顯微鏡能有效地縮小其體積、縮小光線的光路所涵蓋的空間以使光路不容易受環境影響、並且還能簡單化光檢測裝置的計算系統。

為能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。

100:聚焦式原子力顯微鏡

1:光發射器

2:聚光透鏡

3:偵測件

31:懸臂樑

311:自由端部

311a:頂面

311b:底面

32:探針

4:光檢測裝置

41:光檢測器

41a:感測區域

42:光電轉換電路

5:承載台

6:分光鏡

A:待測物

F:聚焦位置

L:光線

S:初始位置

H:縱向方向

W:橫向方向

圖1為本發明的實施例的聚焦式原子力顯微鏡的示意圖。

圖2為本發明的實施例的聚焦式原子力顯微鏡的於使用時的光線路徑拆解示意圖(一)。

圖3為本發明的實施例的聚焦式原子力顯微鏡於使用時的光線路徑拆解示意圖(二)。

圖4為本發明的實施例的聚焦式原子力顯微鏡的關係示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“聚焦式原子力顯微鏡”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參閱圖1至圖3所示，本實施例為一種聚焦式原子力顯微鏡100，其能用以呈現一待測物A的表面輪廓。所述聚焦式原子力顯微鏡100包括一光發射器1、一聚光透鏡2、偵測件3、一光檢測裝置4、一承載台5及一分光鏡6。為了方便說明，所述聚焦式原子力顯微鏡100定義有一縱向方向H及垂直於所述縱向方向H的一橫向方向W。

請參閱圖2所示，所述光發射器1能朝向所述聚光透鏡2發出一光線L，以使所述光線L穿過所述聚光透鏡2後聚焦於一聚焦位置F，並且所述光線L在穿過所述聚光透鏡2後會照射於所述偵測件3。進一步地說，所述光發射器1可以為一雷射二極體，並且所述聚光透鏡2可以為一凸透鏡，但本實施例於此不加以限制。

所述偵測件3包括一懸臂樑31及形成於所述懸臂樑31的一探針32。所述懸臂樑31包含有一自由端部311，並且所述自由端部311包含有位於相反兩側的一頂面311a與一底面311b。所述頂面311a及所述底面311b分別朝向圖1的上方與下方，並且所述探針32形成於所述自由端部311的所述底面311b。所述探針32大致平行於所述縱向方向H，所述探針32的尺寸及外形皆可以依據需求或所述待測物A而變化，且本實施例於此不加以限制。

當所述聚焦式原子力顯微鏡100未被使用時，所述探針32位於一初始位置S並且所述自由端部311大致平行於所述橫向方向W。當所述聚焦式原子力顯微鏡100被使用時，所述偵測件3的所述探針32鄰近於所述待測物A的表面以偵測所述待測物A的表面輪廓(如偵測所述待測物A的表面起伏程度)。

請參閱圖1至圖3所示，具體來說，當所述探針32位於所述初始位置S時，所述自由端部311的所述頂面311a位於所述聚焦位置F，以使自所述光發射器1發出且穿過所述聚光透鏡2的所述光線L能於所述頂面311a反射、並定義有一反射路徑。並且所述探針32能以所述懸臂樑31為支臂，而自所述初始位置S以一預設擺動幅度進行往復地擺動。

所述光檢測裝置4設置於所述反射路徑上並能接收自所述頂面311a反射的至少部分所述光線L，並且當所述探針32位於所述初始位置S時，所述光檢測裝置4能產生一基準電流值。當所述探針32以所述預設擺動幅度往復地擺動時，所述光檢測裝置4所能產生的電流值是在所述基準電流值與一預設電流值之間往復地變化，並且所述預設電流值小於所述基準電流值。

進一步地說，所述光檢測裝置4產生所述基準電流值時所接收的光強度定義為一基準光強度，並且所述光檢測裝置4產生所述預設電流值時所接收的光強度定義為一預設光強度。此外，所述光檢測裝置4所能產生的電流值是與所述探針32離開所述初始位置S的一距離呈反比，並且所述基準電流值與所述預設電流值之間是呈線性地變化。

詳細來說，所述光檢測裝置4包含有一光檢測器41及電性耦接於所述光檢測器41的一光電轉換電路42。所述光檢測裝置4的所述光檢測器41能接收至少部分的所述光線L，並且所述光電轉換電路42能依據所述光檢測器41所接收的所述光線L而產生相對應的電流值。其中，本實施例光檢測器41僅電性耦接於單個光電轉換電路42；也就是說，電性耦接於多個光電轉換電路42的光檢測器41則非為本實施例所指的光檢測器41。

所述光檢測器41包含有一感測區域41a，其能感測自所述頂面311a反射的所述光線L。並且當所述探針32位於所述初始位置S時，自所述頂面311a反射的至少部分所述光線L覆蓋整個所述感測區域41a。通過光檢測器 41的所述感測區域41a感測反射自所述頂面311a的所述光線L，電性耦接於所述光檢測器41的所述光電轉換電路42能產生相對應的電流值。

所述承載台5能相對於所述探針32移動，並且所述承載台5能用以供所述待測物A設置於所述探針32下方。也就是說，當所述聚焦式原子力顯微鏡100被使用時，所述待測物A能被放置於所述承載台5，並且通過所述承載台5的移動，所述待測物A也能相對於所述探針32移動(如：於垂直所述縱向方向H的一平面移動)，進而使所述偵測件3能連續地偵測所述待測物A的表面輪廓或偵測所述待測物A的表面的不同區域。

所述分光鏡6位於所述光發射器1與所述聚光透鏡2之間，並且自所述光發射器1發出的所述光線L能依序穿過所述分光鏡6與所述聚光透鏡2而於所述頂面311a反射，以使上述被所述頂面311a反射的所述光線L穿過所述聚光透鏡2而被所述分光鏡6反射至所述光檢測裝置4。

通過位於所述光發射器1及所聚光透鏡2之間的所述分光鏡6，能使所述光線L的光路所涵蓋的空間能被縮小，並且減少環境對所述光線L造成影響，進而減少所述聚焦式原子力顯微鏡100因所述光檢測裝置4接收的光線L的品質被影響而造成顯示所述待測物A的表面輪廓的誤差。此外，於本發明未繪示的其他實施例中，所述聚焦式原子力顯微鏡100不包含有所述分光鏡6。也就是說，所述分光鏡6能縮小所述光線L的光路所涵蓋的空間，但所述聚焦式原子力顯微鏡100不限制包含有所述分光鏡6。

於實際應用時，所述探針32能根據所述待測物A的表面起伏而自所述初始位置S移動至對應的位置以偵測所述待測物A的表面輪廓，而使所述頂面311a於上述對應的位置反射所述光線L至所述光檢測裝置4。通過所述頂面311a於上述對應的位置時所反射的所述光線L的對應的光強度，所述光檢測裝置4能將對應的光強度對應轉換為對應的電流值，進而使所述聚焦式原子力顯微鏡100能呈現所述待測物A的表面輪廓。

值得一提的是，本實施例中的所述光檢測器41並非通過量測所述光線L於所述光檢測器41上的位移量，而是通過光強度的差異以將所述探針32的偵測結果轉換為對應的電流值，進而使所述聚焦式原子力顯微鏡100能呈現所述待測物A的表面輪廓。也就是說，通過光線位移量的差異以呈現待測物A的表面輪廓的原子力顯微鏡並非本實施例的聚焦式原子力顯微鏡100。

當所述探針32以所述預設擺動幅度往復地擺動、且設置有所述待測物A的所述承載台5相對於所述探針32移動時，所述探針32能對應於所述待測物A的一基準面維持以所述預設擺動幅度往復地擺動，所述探針32能對應於低於所述基準面的所述待測物A的一凹陷面以一第一擺動幅度往復地擺動，並且所述探針32能對應於高於所述基準面的所述待測物的一凸出面以一第二擺動幅度往復地擺動。所述第一擺動幅度大於所述預設擺動幅度，且所述第二擺動幅度小於所述預設擺動幅度。也就是說，所述預設擺動幅度為介於所述第一擺動幅度及所述第二擺動幅度之間。

需要說明的是，所述待測物A的所述基準面可以被自由地定義於所述待測物A的表面上，並且所述基準面較佳地定義於所述待測物A的表面上起伏較小的區域，但本實施例於此不加以限制。

請參閱圖4所示，其顯示所述聚光透鏡2的一焦點、所述光強度、所述電流值、及所述擺動幅度四者之間的關係。圖4中包含有一曲線，並且所述曲線上定義有一位置0、一位置0’、一位置1、一位置1’、一位置2、一位置2’及一位置f。

所述位置0及所述位置0’表示當所述探針32以所述預設擺動幅度往復地擺動，所述光檢測裝置41對應接收所述預設光強度並且所述光電轉換電路42對應產生所述預設電流值。所述位置1及所述位置1’表示當所述探針32以所述第一擺動幅度往復地擺動，所述光檢測裝置41對應接收一第一光強度並且所述光電轉換電路42對應產生一第一電流值。

所述位置2及所述位置2’表示當所述探針32以所述第二擺動幅度往復地擺動，所述光檢測裝置41對應接收一第二光強度並且所述光電轉換電路42對應產生一第二電流值。所述第一光強度及所述第一電流值分別小於所述第二光強度及所述第二電流值。所述位置f表示當所述探針32位於所述初始位置S時，所述光檢測裝置41對應接收所述基準光強度並且所述光電轉換電路42對應產生所述基準電流值。

通過所述探針32於所述待測物A的表面(如所述凹陷面或所述凸出面)以對應的擺動幅度(如所述第一擺動幅度或所述第二擺動幅度)往復地擺動，所述光檢測器41能接收具有對應光強度的光線L，而使所述光電轉換線路42能產生對應的電流值且所述聚焦式原子力顯微鏡100能呈現所述待測物A的表面輪廓。

詳細來說，當所述探針32以所述第一擺動幅度往復地擺動以偵測所述待測物A的所述凹陷面時，所述光檢測器41對應接收的光強度較小，因此所述光電轉換電路42對應產生的電流值的較小且所述聚焦式原子力顯微鏡100能呈現所述待測物A的所述凹陷面；相反地，當所述探針32以所述第二擺動幅度往復地擺動以偵測所述待測物A的所述凸出面時，所述光檢測器41對應接收的光強度較大，因此所述光電轉換電路42對應產生的電流值的較大且所述聚焦式原子力顯微鏡100能呈現所述待測物A的所述凸出面。

進一步地說，通過較大及較小的擺動幅度(如所述第一擺動幅度及所述第二擺動幅度)能使所述探針32能較佳地偵測所述待測物的所述凹陷面及所述凸出面。反之，若以較大的擺動幅度偵測所述待測物A的所述凸出面，則可能因所述探針32的擺動幅度過大而碰撞所述凸出面，進而造成探針32的損傷及所述凸出面的外形改變；若以較小的擺動幅度偵測所述待測物A的所述凹陷面，則可能因所述探針32的擺動幅度不足而造成偵測所述凹陷面時的誤差。此外，本實施例中的所述聚焦式原子力顯微鏡100的可以為不同的形式。舉例來說，所述聚焦式原子力顯微鏡100可以為一振動聚焦式原子力顯微鏡，且本實施例於此不加以限制。

此外，所述探針32能以一探針擺動頻率於所述聚焦位置F的兩側往復地擺動，而使所述光線L於所述光檢測裝置4對應地以一光線擺動頻率往復地擺動，並且所述光線擺動頻率為所述探針擺動頻率的兩倍。因此，所述聚焦式原子力顯微鏡100的計算能更為快速且所述聚焦式原子力顯微鏡100運作時的雜訊能被有效地減少。

〔本發明實施例的技術效果〕

本發明的其中一有益效果在於，有別於現有的原子力顯微鏡的光檢測裝置通過計算光線於光檢測裝置上的位移量以得到探針的偵測結果，本發明實施例所公開的聚焦式原子力顯微鏡包含有所述聚光透鏡使所述光檢測裝置能通過所述光檢測裝置所接收的光線的對應的光強度以得到所述探針的偵測結果。因此，本發明實施例所公開的聚焦式原子力顯微鏡能有效地縮小其體積、縮小光線的光路所涵蓋的空間以使光路不容易受環境影響、並且還能簡單化光檢測裝置的計算系統。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的專利範圍內。