專利名稱：全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及掃描探針顯微鏡探頭及其制造方法，具體說是一種以并排站立并固定于 基座的左右或左中右壓電管作為探針支撐、樣品支撐和探針相對于樣品的XYZ三維定位裝置， 并通過匹配各壓電管的長度及其與基座的對稱性來全面抵消熱脹冷縮對探針-樣品間距的影 響，最大程度地抑制溫度漂移的掃描探針顯微鏡探頭，屬掃描探針顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(SPM)的最重要技術(shù)指標(biāo)之一是其溫度漂移(簡稱溫漂)或稱熱穩(wěn)定性。 以掃描隧道顯微鏡(STM)為例最關(guān)鍵的成像信號是隧道電流，它是按指數(shù)關(guān)系依賴于探 針-樣品間距的， 一般探針-樣品間距每改變0. 1納米，則隧道電流要相應(yīng)地改變10倍。如 果探針與樣品構(gòu)成的隧道結(jié)是由XYZ壓電掃描管、不銹鋼支架、基座一起構(gòu)成的機械環(huán)路而 支撐起來的，且假設(shè)XYZ壓電掃描管的長度為3厘米，其熱膨脹系數(shù)為5xl(T/。C，不,(真 空用1Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼)支架長度為4厘米，其熱膨脹系數(shù)為16x1(TV。C，忽略基座 的影響，那么，環(huán)境溫度變化一度就導(dǎo)致探針-樣品間距變化490納米，也即溫度漂移系數(shù) 為490納米/。C。如果一天(1440分鐘)之內(nèi)有一度的溫度變化，則相當(dāng)于每分鐘探針-樣品 間距變化0.34納米。也就是說，每分鐘隧道電流要變化超過1000倍！這是非常不穩(wěn)定的， 根本無法成像。類似情況也可發(fā)生在原子力顯微鏡身上，甚至更顯著，因為在排斥力模式(較 常見的工作模式)下工作時，原子力顯微鏡測量的原子力是非常短程的力。
現(xiàn)有的幾種減少溫度漂移的技術(shù)包括(1)減少支撐探針與樣品的機械環(huán)路(包括XYZ 壓電掃描管、外支架、基座)的長度，例如減少XYZ壓電掃描管和外支架的長度，這種方 法只能很有限地減小溫度漂移，不能消除，因為環(huán)路長度再小也不能為零，而且減小XYZ壓 電掃描管長度將直接犧牲掃描范圍和Z調(diào)節(jié)靈敏度；
(2)將一個壓電管共軸地放入另一個壓電管內(nèi)部并共同固定于基座，探針與樣品設(shè)置在
這兩個壓電管的自由端之間，這其實也不能很好地消除溫度漂移，原因是內(nèi)外壓電管共軸
嵌套結(jié)構(gòu)雖然在橫方向是同心圓結(jié)構(gòu)，如果探針和樣品設(shè)置在圓心(即對稱軸上)則探針-樣品間距的橫向分量不會因熱脹冷縮而變化，但探針-樣品間距的縱向分量受熱脹冷縮的影 響會非常大，因為外界溫度變化對應(yīng)的熱輻射被外壓電管阻擋而不能直接、快速地到達(dá)內(nèi)壓 電管，這使得內(nèi)外壓電管所受的熱輻射程度不同，所以它們縱向熱脹冷縮的程度也不同，而
且還有延遲；另外，由于外壓電管的表面積必然大于內(nèi)壓電管，這種不對等又進(jìn)一步加大了 內(nèi)外壓電管的吸熱散熱的差別，增加了內(nèi)外壓電管的縱向熱脹冷縮差距；
所以，壓電管共軸嵌套結(jié)構(gòu)不能很好地抵消內(nèi)外壓電管的縱向熱脹冷縮而獲得恒定的探 針-樣品間距；需要強調(diào)的是縱向熱脹冷縮穩(wěn)定性遠(yuǎn)比橫向熱脹冷縮穩(wěn)定性重要得多，因 為前者對成像信號的影響是指數(shù)性的、短程的；
(3) 使用熱膨脹系數(shù)小的材料制作支架，與XYZ壓電掃描管一個支撐探針一個支撐樣品， 這也不能很好地消除縱向熱漂移，因為即使該材料的熱膨脹系數(shù)為0，但由于XYZ壓電掃描 管的熱膨脹系數(shù)不為O (—般在10—V。C量級)，所以探針與樣品不能在縱向同步等量地?zé)崦?冷縮，故不能消除縱向熱漂移；
(4) 使用與XYZ壓電掃描管的縱向熱脹冷縮相同的材料制作支架，但這也是難以實現(xiàn)的， 因為這不僅要求該支架與XYZ壓電掃描管的縱向熱膨脹系數(shù)相同，而且也要求它們的導(dǎo)熱系 數(shù)和熱容量必須相同，否則它們雖處于相同的熱環(huán)境，但它們吸放熱的速度不同將導(dǎo)致它們 的溫度不相同，依然不能獲得相同的縱向熱脹冷縮；
(5) 加快掃描速度以減少成像時間，這顯然是治標(biāo)不治本,而且加快掃描速度也會大大 犧牲分辨率，因為輸出成像信號的放大電路的帶寬是非常有限的，不能很好地響應(yīng)快速變化 的探針信號；(6)減少外界溫度的變化，這是非常困難的，需要復(fù)雜昂貴的精確控溫系統(tǒng)， 而且很多情況下就是專門要在變溫過程中成像來研究溫度對某個樣品或效應(yīng)的影響。
目前還沒有一項技術(shù)能較理想地消除掃描探針顯微鏡探針-樣品間距的縱向溫度漂移。更 沒有一種在變溫過程中依然能獲得穩(wěn)定圖像的掃描探針顯微鏡。 發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描探針顯微鏡探針-樣品間距縱向分量熱穩(wěn)定性低的缺點，提供一 種抗溫度漂移掃描探針顯微鏡探頭。
本實用新型抑制溫度漂移這一技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本實用新型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，還包括分別稱 為左壓電管和右壓電管的兩個壓電管，所述左右壓電管并排站立并固定于基座，探針座設(shè)置 于其中一個壓電管的自由端，樣品座設(shè)置于另一個壓電管的自由端并對著探針座，所述左右 壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。
本實用新型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，還包括分別稱 為左壓電管、中壓電管和右壓電管的三個壓電管，所述左中右壓電管并排站立并固定于基座， 所述左壓電管和右壓電管分處中壓電管的兩側(cè)，所述左中右壓電管中至少包含一體或分體設(shè) 置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位，探針座設(shè)置在中壓電管的自由端，樣品座橫跨 中壓電管而設(shè)置于左右壓電管的自由端并對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對調(diào)。
本實用新型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的結(jié)構(gòu)特點也在于
所述中壓電管是XYZ定位壓電管而左右壓電管是兩個相同的壓電管。 所述左右壓電管或是相同的Z定位壓電管或是與中壓電管相同的XYZ定位壓電管。 所述中壓電管是XY定位壓電管而左右壓電管是兩個相同的Z定位壓電管。 所述左中右壓電管中選一個具有Z定位的壓電管在其自由端與該自由端上設(shè)置的樣品座 或探針座之間增設(shè)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊通過彈性體以彈力設(shè)置于所述自由端上。 所述左中右壓電管是等間距的。
所述左中右壓電管是等間距左右對稱排列且其對稱軸與左右對稱基座的對稱軸共軸。 本實用新型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，還包括3-20個 壓電管在旋轉(zhuǎn)對稱的基座上站立固定并排列成與基座共旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，另有一個壓 電管在基座上站立并固定于所述旋轉(zhuǎn)軸位置，探針座設(shè)置在該壓電管的自由端，樣品座橫跨 該壓電管而設(shè)置于其它壓電管的自由端并對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對調(diào)， 所述各壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。 本實用新型制造上述全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的方法為
(1) 測量出或査出所述左中右壓電管的熱膨脹系數(shù)c力:、。,,和(:4;
(2) 選定一個長度L作為所述左中右壓電管中某一壓電管的長度；
(3) 按照C左L左=C巾l^ = CSL4計算出另兩個壓電管的長度；
(4) 按上兩步給定的長度配備左中右壓電管并將它們并排固定于基座；
(5) 探針座設(shè)置在中壓電管的自由端，樣品座橫跨中壓電管而設(shè)置于左右壓電管的自由 端并對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對調(diào)。
本實用新型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的工作原理為
本實用新型的關(guān)鍵是探針支撐、樣品支撐和探針相對于樣品的XYZ三維定位三者都用壓 電管制作，且各壓電管為并排設(shè)置而非內(nèi)外嵌套，這使得三者因材料和結(jié)構(gòu)相近而在熱膨脹 系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容上的匹配變得非常容易，又因釆用了完全敞開的支撐結(jié)構(gòu)而處于熱交 換完全對等的條件，即在相同的熱環(huán)境中三者的吸熱散熱一樣快，溫度升降一致，最終因
探針與樣品縱向的熱脹冷縮相同而使得探針-樣品間距的縱向分量保持高度的熱穩(wěn)定。
具體說，分別稱為左壓電管和右壓電管的兩個壓電管并排站立并固定于基座，探針座設(shè) 置于其中一個壓電管的自由端，樣品座設(shè)置于另一個壓電管的自由端并對著探針座，所述左
右壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位以實現(xiàn)探針座 (即探針)相對于樣品座(即樣品)的三維XYZ定位。由于各壓電管之間材料和結(jié)構(gòu)相近且 沒有內(nèi)外之分(即熱環(huán)境相同)，從而只要它們的長度匹配就可以使探針座與樣品座在縱向隨 熱脹冷縮同步移動相同距離，即探針-樣品間距的縱向分量不隨溫度的變化而變化。下面具體說明如何根據(jù)熱脹冷縮原理來進(jìn)行上述長度匹配以獲得縱向穩(wěn)定性。
為了敘述方便，以下一律將某一給定自由度定位的壓電管統(tǒng)稱為定位壓電管，將不具體 給出定位方向的壓電管統(tǒng)稱為壓電管，將沒有定位電極或不能定位的壓電管稱為光壓電管，
例如XYZ壓電掃描管稱為XYZ定位壓電管，XY壓電掃描管稱為XY定位壓電管，Z方向定位壓 電管稱為Z定位壓電管。
能產(chǎn)生縱向穩(wěn)定性的左右壓電管的長度匹配方法包括(1)可將左右壓電管選為相同的 XYZ定位壓電管，則它們之間的縱向熱脹冷縮是同步且等量的，這是最容易實現(xiàn)的一種匹配。 (2)如果左右壓電管不同，例如左壓電管是XYZ定位壓電管，右壓電管是XY定位壓電管、 Z定位壓電管或光壓電管；或者左壓電管是XY定位壓電管，右壓電管是Z定位壓電管；則可 以通過實際測量或直接從產(chǎn)品數(shù)據(jù)中査得左右壓電管的熱膨脹系數(shù)C左、C右，再按下列公式 獲得使左右壓電管的縱向熱脹冷縮量AL相同所需的左右壓電管的長度L左、L右
AL左- AL右- C左L左AT - C右L右AT，其中AT為各壓電管溫度的變化(設(shè)為相同， 因為它們處于熱交換完全對等的條件)，為公因子，可約去，從而得到C左L左zC右L右， 由此可先選定一個壓電管的長度，再定出另一個壓電管的長度。這種結(jié)構(gòu)能消除縱向熱漂移， 不能消除橫向熱漂移，但橫向熱漂移可以通過使用低熱膨脹系數(shù)的材料制作基座、探針座和 樣品座來減低，雖不能完全消除，但畢竟橫向熱漂移遠(yuǎn)不如縱向熱漂移的破壞性大。
為了進(jìn)一步消除橫向熱漂移，可以把分別稱為左壓電管、中壓電管和右壓電管的三個壓 電管排列成與基座具有共同熱脹冷縮對稱軸的結(jié)構(gòu)，所述左右壓電管分處于中壓電管的兩側(cè)。 具體說，將左中右壓電管并排站立并固定于基座上，探針座設(shè)置于中壓電管的自由端，對應(yīng) 的樣品座橫跨中壓電管而設(shè)置于左右壓電管的自由端并對著探針座，探針座與樣品座的位置 可以對調(diào)。這樣，如果左中右壓電管為等間距左右對稱排列并且基座也與之同軸地左右對稱， 或者中壓電管的對稱軸與基座的熱脹冷縮對稱軸重合且左右壓電管隨基座向基座的熱脹冷縮 對稱軸產(chǎn)生的橫向(左右向)熱脹冷縮等量且反向，則探針座與樣品座都處于橫向熱脹冷縮 的對稱軸上，這時，探針-樣品間距的橫向分量不隨熱脹冷縮變化。
對于縱向，如果左中右壓電管的長度匹配得當(dāng)可以使探針座與樣品座在縱向隨熱脹冷縮 同步移動相同距離，即探針-樣品間距的縱向分量不隨溫度的變化而變化，這也是得益于各壓 電管之間沒有內(nèi)外之分，吸熱放熱一樣快，溫度升降一致。能產(chǎn)生縱向穩(wěn)定性的各壓龜管的 長度匹配方法包括(1)可將左中右壓電管選為相同的XYZ定位壓電管，則它們之間的縱向 熱脹冷縮是相同的；(2)如果左中右壓電管有所不同，例如 一個是XYZ定位壓電管，其它 的是XYZ定位壓電管、XY定位壓電管、Z定位壓電管或光壓電管；或者一個是XY定位壓電管， 一個是Z定位壓電管，剩下的是XYZ定位壓電管、XY定位壓電管、Z定位壓電管或光壓電管；
抑或是其它定位組合的左中右壓電管；都可以通過實際測量或直接從產(chǎn)品數(shù)據(jù)中査找獲得左
中右壓電管的熱膨脹系數(shù)c左、c中、c右，再按下列公式獲得使左中右壓電管的縱向熱脹冷
縮量AL相同所需的各壓電管的長度L左、L中、L右C左L左-C中L中C右L右，由此可 先選定一個壓電管的長度，再定出另兩個壓電管的長度。
為使探針與樣品之間具有XYZ三維定位功能(XY掃描定位功能和Z控制功能)，上述左 中右壓電管中應(yīng)至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位，例如 (1)左中右壓電管中有一個是集X定位、Y定位和Z定位于一體的XYZ定位壓電管(即X、 Y和Z定位為一體設(shè)置)，(2)左中右壓電管中有兩個壓電管分別為Z定位壓電管和集X定位 與Y定位于一體的XY定位壓電管(即X與Y定位為一體設(shè)置而Z定位為分體設(shè)置)，(3) 左中右壓電管一個是X定位、 一個是Y定位、 一個是Z定位壓電管，(4)左中右壓電管一個 是XZ定位， 一個是YZ定位， 一個是光壓電管，等等。也即左中右壓電管中只要至少包含了 一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位，不管它們是分處不同的壓電管還是集中在一兩個壓 電管上，皆可因其能夠獨立地進(jìn)行X、 Y和Z定位而實現(xiàn)探針相對于樣品的XYZ三維定位。
為使探針與樣品之間具有粗逼近功能，可在上述左右或左中右壓電管中選擇一個可進(jìn)行 Z定位的壓電管(例如Z定位壓電管或XYZ定位壓電管)，在其自由端和該自由端上設(shè)置的探 針座或樣品座之間增設(shè)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊通過彈性體以彈力設(shè)置于所述自由端，構(gòu)成壓電慣 性步進(jìn)器。粗逼近時，質(zhì)量塊受壓電管在Z方向周期性的慢伸長快收縮作用，質(zhì)量塊在慢伸 長時受到小于最大靜摩擦力的慣性力，導(dǎo)致質(zhì)量塊隨壓電管一同沿其伸長方向移動，帶動質(zhì) 量塊上的探針座(或樣品座)向樣品座(或探針座)逼近，質(zhì)量塊在快收縮時受到大于最大 靜摩擦力的慣性力，導(dǎo)致質(zhì)量塊在壓電管上沿其伸長方向滑移而不隨壓電管一起回縮，如此 周期往復(fù)可帶動質(zhì)量塊上的探針座(或樣品座)向樣品座(或探針座)逼近。反之，快伸長 慢收縮的周期作用可將它們倆分離。此外，還可通過在基座上在中壓電管與左右壓電管之間 安裝螺絲、壓電馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)來調(diào)節(jié)中壓電管與左右壓電管在基座上的相對高低位置從而 實現(xiàn)探針座-樣品座的粗逼近。
上述左右壓電管如果用于支撐樣品而非探針，則只能支撐較小的樣品，如果要支撐較大 樣品，例如半導(dǎo)體工業(yè)中的晶圓片，可使用更多的壓電管來支撐樣品或樣品座。此時，縱
向的熱穩(wěn)定性可由類似上面的方法對各壓電管通過長度匹配來獲得；而橫向的熱穩(wěn)定性可由 類似的對稱性匹配法來獲得，具體說將3-20個壓電管在旋轉(zhuǎn)對稱的基座上站立固定并排列 成與基座共旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，另有一個壓電管在基座上站立并固定于所述旋轉(zhuǎn)軸位置， 這樣，所有掃描管作為整體的熱脹冷縮中心軸與基座的熱脹冷縮中心軸重合且探針座(探針) 與樣品座(樣品)都設(shè)置在該中心軸上，從而因各壓電管到該中心軸的距離相等而使得各橫
向熱脹冷縮相抵消，抑制了橫向的溫度漂移。當(dāng)熱脹冷縮中心軸上的壓電管可以獨立支撐樣
品時，所述探針座與樣品座的位置可以對調(diào)。為獲得探針與樣品間的XYZ定位，上所述各壓 電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。
所以，本實用新型可在橫向與縱向同時抑制溫度漂移，也可進(jìn)行探針-樣品之間的XYZ定
位，還可實現(xiàn)探針-樣品粗逼近，是一種行之有效的高穩(wěn)定掃描探針顯微鏡探頭。 與已有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在
(1) 探針與樣品支撐體的敞開式支撐結(jié)構(gòu)使各支撐體處于熱交換完全對等條件，又由于各 支撐體都是壓電管，不存在導(dǎo)熱和熱容上的匹配困難，僅需通過各壓電管長度的匹配 就可消除縱向熱漂移；且可以很容易地把各支撐壓電管排列成與基座具有共同熱脹冷 縮對稱軸形式，以此消除橫向熱膨脹；最終同時消除探針-樣品間距在橫向與縱向的溫 度漂移，是一種更完全的抗溫度漂移技術(shù)，使得探針-樣品間距保持高度的穩(wěn)定性。
(2) 本實用新型對外界震動與聲波干擾也有一定的減緩作用，因為外震動與聲波一般同步 干擾探針與樣品，屬于共模信號，但對探針-樣品間距這一差分量的影響就相對小了。
(3) 可工作于極端物理條件(超高真空、超強磁場、超低溫、超低噪音)，因為其體積可以 小到僅包含2-3個壓電管，且所用的材料都能做到與極端物理條件兼容。


圖1是本實用新型雙壓電管型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型三壓電管全同型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號1左壓電管、2右壓電管、3基座、4探針座、5樣品座、6中壓電管、7對 稱軸。
以下通過具體實施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述具體實施方式
實施例l:雙壓電管型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
圖1是雙壓電管型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。分別稱為左 壓電管1和右壓電管2的兩個壓電管并排站立并固定于基座3上，探針座4設(shè)置于其中一個 壓電管的自由端，樣品座5設(shè)置于另一個壓電管的自由端并對著探針座4，所述左壓電管1 和右壓電管2中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。
這種完全敞開式的支撐探針座4與樣品座5的結(jié)構(gòu)使得左壓電管1和右壓電管2處于熱 交換完全對等的條件，各壓電管之間沒有內(nèi)外之分，吸熱放熱一樣快，從而只要它們的長度 按照C左L左-C右L右匹配或左壓電管1和右壓電管2選為相同的壓電管就可以使探針座4
與樣品座5在縱向隨熱脹冷縮同步移動相同距離，即探針座4與樣品座5之間間距的縱向分 量不隨溫度的變化而變化。這種結(jié)構(gòu)能消除縱詢熱漂移，不能消除橫向熱漂移，但橫向熱漂 移可以通過使用低熱膨脹系數(shù)的材料制作基座3、探針座4與樣品座5來減低，雖不能完全 消除，但畢竟橫向熱漂移遠(yuǎn)不如縱向熱漂移的破壞性大。
上述左壓電管1和右壓電管2中需至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位 和一個Z定位以使得探針座4能夠相對于樣品座5進(jìn)行XYZ三維定位。左壓電管1和右壓電 管2中如果一個選為XYZ定位壓電管，則另一個可以為任何形式的壓電管(X、 Y、 Z、 XY、 XZ、 YZ或XYZ定位壓電管，或光壓電管)，如果一個選為XY定位壓電管，則另一個必須是Z定位 壓電管。
實施例2:三壓電管全同型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
圖2是三壓電管全同型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。分別稱 為左壓電管l、中壓電管6和右壓電管2的三個壓電管為全同的XYZ定位壓電管，它們等間 隔并排站立并固定于左右對稱的基座3上，基座3的對稱軸7與中壓電管6的對稱軸7重合， 樣品座5橫跨中壓電管6而設(shè)置于左壓電管1和右壓電管2的自由端，探針座4設(shè)置于中壓 電管6的自由端并對著樣品座5。
此外，左中右壓電管1、 6、 2為全同且等間隔并排站立并固定于同軸左右對稱的基座3 上，橫向熱脹冷縮將對稱地圍繞對稱軸7進(jìn)行，而探針座4與樣品座5也位于該對稱軸7上， 當(dāng)溫度變化時，各壓電管因為是敞開排列所以同時等量地感受到該溫度變化，故而在對稱軸 7上不會產(chǎn)生橫向熱脹冷縮，所以探針座4與樣品座5之間間距的橫向分量不隨溫度而變化。 又由于在縱向上全同的左中右壓電管1、 6、 2產(chǎn)生的熱脹冷縮是同步且等量的，所以探針座 4與樣品座5因縱向熱脹冷縮而產(chǎn)生的縱向漂移也是同步且等量的，這保證了探針座4與樣 品座5之間間距的縱向分量也不隨溫度而變化。所以，本實施例的探針座-樣品座間距在橫向 與縱向都是高度穩(wěn)定的。
實施例3:三壓電管左右全同型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭 上述實施例2中的中壓電管6也可以與左右壓電管1、 2不同，只要它們至少包含一體或 分體設(shè)置的一個X定位， 一個Y定位和一個Z定位，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)探針-樣品間的XYZ定位、
以及探針座-樣品座間距的橫向與縱向的穩(wěn)定性。
例如，左右壓電管是全同的Z定位壓電管而中壓電管為XYZ定位壓電管。橫向的左右對
稱性能保證探針座-樣品座間距的橫向分量不受熱脹冷縮的影響。在縱方向，左右壓電管因為 是全同的，它們的熱脹冷縮將整體地在縱向移動樣品座，而中壓電管的熱脹冷縮也在縱向以 相同方向移動探針座，但移動的量與樣品座移動的量一般不等，導(dǎo)致探針座-樣品座間距的縱
向分量會隨溫度的變化而變化。但這種變化一般較小，是可以通過以下長度匹配法消除這種 變化實際測量或査詢產(chǎn)品數(shù)據(jù)以獲得左中右壓電管的熱膨脹系數(shù)C左、C中、C右，并根據(jù)
C左L左C中L中C右L右來計算出使得各壓電管縱向熱脹冷縮量相等所需的各壓電管長 度U我們按計算出來的、使得各壓電管縱向熱脹冷縮量相同所需的各壓電管的長度L來匹 配左中右壓電管，可確保探針座-樣品座間距在縱向不受熱脹冷縮影響。此例中因左右壓電管
1、 3為全同，所以它們的長度選為相同，設(shè)為L0,它們的熱膨脹系數(shù)也相同，設(shè)為Co,由
此推出中壓電管的長度應(yīng)選為L中-CoLo/C中。
同理，左右壓電管也可以是全同的XY定位壓電管、全同的光壓電管、全同的Y定位壓電 管、全同的YZ定位壓電管等等，而中壓電管是XYZ定位壓電管；再如左右壓電管是相同的 XYZ定位壓電管而中壓電管為任意形式的壓電管(Z定位壓電管、XY定位壓電管、XZ定位壓 電管、X定位壓電管、光壓電管等等)；或者左右壓電管是相同的Z定位壓電管而中壓電管 為XY定位壓電管；亦或是左右壓電管是相同的XY定位壓電管而中壓電管為Z定位壓電管。
橫向的對稱性保證了橫向的穩(wěn)定性?？v向可類似地通過各壓電管長度的匹配而獲得穩(wěn)定性。
實施例4:三壓電管全不同型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
上述實施例2-3中的左中右壓電管也可以沒有相同的，只要它們至少包含一體或分體設(shè) 置的一個X定位， 一個Y定位和一個Z定位，同樣能實現(xiàn)探針-樣品間的XYZ定位，以及探針 座-樣品座間距的橫向與縱向的穩(wěn)定性。橫向與縱向的熱穩(wěn)定性是通過如下方式實現(xiàn)的
(1) 橫方向雖然左中右壓電管各不相同，但橫向熱脹冷縮發(fā)生時，左右壓電管隨基座一起向 基座的熱脹冷縮對稱軸進(jìn)行熱脹冷縮，這種熱脹冷縮的方向相反，而大小是由左右壓電管到
基座熱脹冷縮對稱軸的距離決定的；如果左右壓電管與中壓電管距離相等且基座也是橫向?qū)?br> 稱的，基座對稱軸又與中壓電管對稱軸重合，則左右壓電管隨基座向中壓電管的熱脹冷縮大 小相等方向相反，這樣處于基座對稱軸上的探針座與樣品座就不受橫向熱脹冷縮的影響。
(2) 縱方向由于左中右壓電管各不相同，它們的縱向熱脹冷縮一般同向但不同量，但按照如 下方法進(jìn)行長度匹配后可獲得同向同量的縱向熱脹冷縮實際測量出或從產(chǎn)品數(shù)據(jù)中查找出
左中右壓電管的熱膨脹系數(shù)c左、c中、c右并按下列方法計算出使左中右壓電管縱向熱脹冷 縮AL相同所需的各壓電管長度L左、L中、L右C左L左-C中L中C右L右，由此選擇了一 個壓電管的長度就可定出另兩個壓電管的長度。長度匹配后的左中右壓電管將因為它們的縱 向熱脹冷縮同向同量而使得探針座-樣品座間距的縱向分量也不隨熱脹冷縮而變，成為高穩(wěn)定 的掃描探針顯微鏡探頭。
實施例5:三壓電管不對稱型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
以上實施例2-4中所述的左中右壓電管之間的間距可以不等，基座也可以不對稱，如果
這種不對稱是橫向的，不會對縱向熱脹冷縮有影響，而且只要中壓電管的對稱軸與基座的熱 脹冷縮中心軸重合且左右壓電管隨基座向基座的熱脹冷縮中心軸產(chǎn)生的橫向熱脹冷縮等量且 反向就可使探針-樣品間距的橫向分量不受熱脹冷縮的影響。
實施例6:其它類型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
以上實施例1-5中所述的探針座與樣品座的位置可以對調(diào)而不產(chǎn)生實質(zhì)性差別。 以上實施例1-5中的左右壓電管或左中右壓電管中可選一個具有Z定位的壓電管在其自
由端與該自由端上設(shè)置的探針座或樣品座之間增設(shè)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊通過彈性體以彈力設(shè)置
于所述自由端上，構(gòu)成壓電慣性步進(jìn)器以實現(xiàn)探針座與樣品座之間的粗逼近。其工作原理為
粗逼近時，質(zhì)量塊受中所述具有z定位的壓電管在z方向慢伸長快收縮的周期性作用，在慢
伸長時，質(zhì)量塊所受慣性力小于最大靜摩擦力，質(zhì)量塊隨中壓電管沿其伸長方向移動而無滑
動；在快收縮時，質(zhì)量塊所受慣性力大于最大靜摩擦力，導(dǎo)致質(zhì)量塊在中壓電管上沿其伸長 方向滑移，帶動探針座向樣品座逼近。反之，快伸長慢收縮的周期作用將帶動探針座從樣品 座撤離。這就實現(xiàn)了粗逼近功能。
探針座-樣品座的粗逼近也可使用壓電慣性步進(jìn)器以外的其它方法實現(xiàn)，即所述的質(zhì)量塊 與彈性體可以拿掉不用，而可通過在基座上在中壓電管與左右壓電管之間安裝螺絲、壓電馬
達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)來調(diào)節(jié)中壓電管與左右壓電管在基座上的相對高低位置從而實現(xiàn)探針座-樣品 座的粗逼近。
實施例7:多壓電管型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭
以上實施例1-6中的左右壓電管如果用于支撐樣品而非探針，則只能支撐較小的樣品， 如果要支撐較大樣品，例如半導(dǎo)體工業(yè)中的晶圓片，可使用更多的壓電管來支撐樣品或樣 品座。此時，縱向的熱穩(wěn)定性可對各壓電管通過類似的長度匹配來獲得；而橫向的熱穩(wěn)定性 可由類似的對稱性匹配法來獲得，具體說將3-20個壓電管在旋轉(zhuǎn)對稱的基座上站立固定并 排列成與基座共旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，另有一個壓電管在基座上站立并固定于所述旋轉(zhuǎn)軸 位置，這樣，所有掃描管作為整體的熱脹冷縮中心軸與基座的熱脹冷縮中心軸重合且探針(探 針座)與樣品(樣品座)都設(shè)置在該中心軸上，從而因各壓電管到該中心軸的距離相等而使 得各橫向熱脹冷縮相抵消，抑制了橫向的溫度漂移。當(dāng)熱脹冷縮中心軸上的壓電管可以獨立 支撐樣品時，所述探針座與樣品座的位置可以對調(diào)。為獲得掃描、反饋控制和成像功能，上 所述各壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。實施例8:三壓電管型全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭的制造方法
(1) 所需的左中右壓電管為Z定位壓電管、XYZ定位壓電管和XY定位壓電管，査出它們的 熱膨脹系數(shù)分別為C左=4. 7xlO—7。C , C中=5x10—7°C， C右=5. 2x10—7°C，
(2) 選定1中=30mm作為中壓電管的長度，
(3) 按照C左L左C中L中-C右L右計算出另兩個壓電管的長度為丄左=32咖，L右=29mm,
(4) 將32mm長的Z定位壓電管、30腿長的XYZ定位壓電管和29mm長的XY定位壓電管按左
中右位置等間距并排固定于左右對稱的基座，基座對稱軸與中壓電管對稱軸重合。
(5) 探針座設(shè)置在中壓電管的自由端，樣品座橫跨中壓電管而設(shè)置于左右壓電管的自由端并 對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對調(diào)。
權(quán)利要求1、一種全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，其特征在于還包括分別稱為左壓電管和右壓電管的兩個壓電管，所述左右壓電管并排站立并固定于基座，探針座設(shè)置于其中一個壓電管的自由端，樣品座設(shè)置于另一個壓電管的自由端并對著探針座，所述左右壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、一個Y定位和一個Z定位。
2、 一種全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，其特征在于還包括分別 稱為左壓電管、中壓電管和右壓電管的三個壓電管，所述左中右壓電管并排站立并固定于基 座，所述左壓電管和右壓電管分處中壓電管的兩側(cè)，所述左中右壓電管中至少包含一體或分 體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位，探針座設(shè)置在中壓電管的自由端，樣品座橫跨中壓電管而設(shè)置于左右壓電管的自由端并對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對 調(diào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于所述中壓電管是XYZ定位壓電管而左右壓電管是兩個相同的壓電管。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于所述左右壓電管或是相同的Z定位壓電管或是與中壓電管相同的XYZ定位壓電管。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于所述中壓電管是XY定位壓電管而左右壓電管是兩個相同的Z定位壓電管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4或5所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于在所 述左中右壓電管中選一個具有Z定位的壓電管在其自由端與該自由端上設(shè)置的樣品座或探針座之間增設(shè)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊通過彈性體以彈力設(shè)置于所述自由端上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4或5所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于所述左中右壓電管是等間距的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，其特征在于所述左中右壓電管是等間距左右對稱排列且其對稱軸與左右對稱基座的對稱軸共軸。
9、 一種全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭，包括探針座、樣品座，其特征在于3-20個壓 電管在旋轉(zhuǎn)對稱的基座上站立固定并排列成與基座共旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，另有一個壓電管在基座上站立并固定于所述旋轉(zhuǎn)軸位置，探針座設(shè)置在該壓電管的自由端，樣品座橫跨該壓電管而設(shè)置于其它壓電管的自由端并對著探針座，所述探針座與樣品座的位置可對調(diào)，所述各壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、 一個Y定位和一個Z定位。
專利摘要全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭涉及掃描探針顯微鏡，包括探針座、樣品座，還包括分別稱為左壓電管和右壓電管的兩個壓電管，所述左右壓電管并排站立并固定于基座，探針座設(shè)置于其中一個壓電管的自由端，樣品座設(shè)置于另一個壓電管的自由端并對著探針座，所述左右壓電管中至少包含一體或分體設(shè)置的一個X定位、一個Y定位和一個Z定位。本發(fā)明可有效地抑制溫度漂移，還具有對外震動和聲波的減緩、極端物理條件兼容等優(yōu)點。
文檔編號G01N13/10GK201210412SQ20072013084
公開日2009年3月18日 申請日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者陸輕鈾 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)