專利名稱:雙元原子力顯微鏡檢測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡檢測頭，用于微/納米材料和器件的納米檢測及計(jì)量，尤其涉及一種雙元原子力顯微鏡檢測頭。
背景技術(shù)：
隨著掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，在人類科學(xué)研究領(lǐng)域中誕生了一門以0.1～100納米長度為研究對象的前沿科技，這就是納米科技。目前，世界很多國家都在興起對納米技術(shù)的研究。以掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)和納米檢測技術(shù)，以空前的分辨率為人類揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，為納米技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。而在SPM家族中，又以AFM的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，因?yàn)榇蠖鄶?shù)納米材料均為非導(dǎo)體樣品?，F(xiàn)在，國際上AFM儀器的應(yīng)用較為普及，但大多數(shù)只能用于定性分析，而可以用于計(jì)量用的雙元STM(DIU-STM)的使用又極大的受限于被測樣品的電導(dǎo)率，且因這類儀器的昂貴價(jià)格、嚴(yán)格的操作要求，以及對某些關(guān)鍵進(jìn)口部件的依賴，很大程度上制約了我國納米科技的發(fā)展普及。為此我們開發(fā)了雙元原子力顯微鏡(DIU-AFM)，以解決這一問題，并根據(jù)國情盡可能提高儀器的性能/價(jià)格比。近年來，我們在STM和AFM的研制及實(shí)用化方面做了大量的工作。特別是在AFM的研究中形成了自身的特色，先后開發(fā)出了臥式、液相和雙元原子力顯微鏡，儀器的性能/價(jià)格比具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)在國內(nèi)科研院所的物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、微電子學(xué)、微型機(jī)械和光電子學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為促進(jìn)我國納米技術(shù)的發(fā)展和普及作出了貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙元原子力顯微鏡檢測頭。
它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射鏡、微懸臂探針和Z向壓電陶瓷組成的光電檢測與反饋參考單元和測量單元以及由XY壓電陶瓷、樣品臺、參考樣品和待測樣品組成的掃描控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的雙元原子力顯微鏡檢測頭，組合了兩個(gè)光電檢測與反饋單元，其中一個(gè)作為參考單元，另一個(gè)作為測量單元。兩個(gè)單元的Z方向的壓電陶瓷上分別固定探針，陶瓷水平并且平行的置于同一高度，以減小阿貝誤差。將參考樣品和待測樣品固定于同一個(gè)XY掃描臺上，利用針尖與樣品之間的微弱原子力，使微懸臂產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，通過光電檢測方法檢測偏轉(zhuǎn)量的大小，從而在針尖與樣品作相對掃描的過程中獲取參考樣品和待測樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)形貌。這樣得到的兩幅圖具有相同的橫向尺度，因此，待測樣品圖中任意兩點(diǎn)的距離，可以通過計(jì)算與之相對應(yīng)的參考樣品的周期數(shù)得到。我們設(shè)計(jì)的雙元原子力顯微鏡可以很好的消除壓電陶瓷的非線性和滯后效應(yīng)帶來的掃描誤差且不受樣品導(dǎo)電性能的影響，最大測量范圍達(dá)到5μm。使用不同的參考樣品，雙元原子力顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對任何電導(dǎo)率樣品的納米和亞微米精度的長度計(jì)量，可望在眾多科技與工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。



圖1是雙元原子力顯微鏡的工作原理示意圖；圖2是雙元原子力顯微鏡的計(jì)量示意圖；圖3是I型雙元原子力顯微鏡檢測頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是II型雙元原子力顯微鏡檢測頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
原子力顯微鏡的核心部件是由掃描與反饋控制器和光電檢測系統(tǒng)組成的探頭，它直接影響原子力顯微鏡的檢測分辨率、檢測精度、掃描范圍及信噪比等性能。本發(fā)明的目的，在于發(fā)明一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，使原子力顯微鏡系統(tǒng)獲得更好的納米計(jì)量及檢測性能。
如圖1所示，本發(fā)明的雙元原子力顯微鏡檢測頭，包括由激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射鏡、微懸臂探針和Z向壓電陶瓷組成的光電檢測與反饋參考單元1和測量單元2以及由XY壓電陶瓷、樣品臺、參考樣品和待測樣品組成的掃描控制系統(tǒng)3三大部分。參考單元與測量單元的工作原理是一樣的，均采用對微弱力極其敏感的微懸臂作為力傳感器——微探針。微懸臂一端固定，另一端置有一與微懸臂平面垂直的金字塔狀微針尖。當(dāng)針尖與樣品之間的距離逼近到一定程度時(shí)，兩者間將產(chǎn)生相互作用的原子力，推動微懸臂偏轉(zhuǎn)。微懸臂的偏轉(zhuǎn)量十分微小，無法進(jìn)行直接檢測，需要采用光束偏轉(zhuǎn)法進(jìn)行間接測量。其原理是，一束激光投射到微懸臂的外端后被反射，反射光束被位置敏感元件接收。顯然，位置敏感元件光敏面上的光斑的偏轉(zhuǎn)位移量，與微懸臂的偏轉(zhuǎn)量成正比，但前者比后者放大了一千至數(shù)千倍，放大后的位移量可以直接通過檢測位置敏感元件的輸出光電流的大小而精確測定。由于原子力的大小與針尖—一樣品間距成一定的對應(yīng)關(guān)系，即與樣品表面的起伏具有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)樣品相對于針尖作橫向掃描時(shí)，作用于針尖上的原子力隨樣品表面的起伏而變化，檢測位置敏感元件輸出光電流的大小，即可推知微懸臂偏轉(zhuǎn)量(對應(yīng)于原子力)的大小，最終獲得樣品表面的納米級微觀形貌。
樣品相對于針尖的橫向掃描，由X和Y軸壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在壓電陶瓷的電極上施加正負(fù)電壓時(shí)，壓電陶瓷將在軸向作伸縮。由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的具有一定頻率、幅值和波形的掃描電壓信號，經(jīng)過計(jì)算機(jī)接口輸出，并經(jīng)XY掃描電路放大后，施加到X和Y軸壓電陶瓷上，使壓電陶瓷作伸縮運(yùn)動，從而使樣品隨樣品臺在橫向作掃描運(yùn)動。
另一方面，針尖與樣品之間在Z向(圖中水平方向)也需要保持一定的距離。距離太遠(yuǎn)時(shí)，針尖與樣品之間沒有原子力作用；距離太近時(shí)，針尖可能被折斷。采用了Z向反饋控制電路使針尖與樣品之間保持適當(dāng)距離。Z向反饋控制電路根據(jù)微懸臂偏轉(zhuǎn)量的大小，調(diào)整施加在Z軸壓電陶瓷上的電壓大小。當(dāng)針尖與樣品間距離較遠(yuǎn)時(shí)，施加正電壓使此壓電陶瓷伸長，即讓樣品適當(dāng)靠近針尖，反之則使壓電陶瓷收縮，從而始終將針尖與樣品控制在適當(dāng)距離。
如圖2所示，位置敏感元件輸出的光電流信號(對應(yīng)于樣品的表面形貌信息)，經(jīng)過信號檢測與處理電路的放大處理后，通過計(jì)算機(jī)接口輸入到計(jì)算機(jī)，由此繪制出樣品表面的三維微觀形貌。這樣得到的兩幅圖具有相同的橫向尺度，因此，待測樣品圖中任意兩點(diǎn)a、b之間的距離(圖2(b))，可以通過計(jì)算與之相對應(yīng)的參考樣品的周期數(shù)得到(圖2(a))。
如圖3所示，雙元檢測頭由激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射鏡、微懸臂探針和Z向壓電陶瓷組成的光電檢測與反饋參考單元1和測量單元2以及由XY壓電陶瓷、樣品臺、參考樣品和待測樣品組成的掃描控制系統(tǒng)3三大部分組成。光電檢測與反饋參考單元1包括移動平臺4，激光器5，位置敏感元件6，半透半反射鏡7，含針尖微懸臂8，探針座9，固定塊10及Z向壓電陶瓷11。光電檢測與反饋測試單元2同樣包括移動平臺12，激光器13，位置敏感元件14，半透半反射鏡15，含針尖微懸臂16，探針座17，固定塊18及Z向壓電陶瓷19。以上這些元器件分別固定安裝在兩個(gè)移動平臺上。掃描控制系統(tǒng)3包括X軸壓電陶瓷20，Y軸壓電陶瓷21，樣品臺22，參考樣品23及待測樣品24。X、Y軸壓電陶瓷二者互相垂直，它們的一端均與樣品臺粘合，另一端分別固定，參考樣品與待測樣品粘合固定在樣品臺上。激光器發(fā)射的激光束從微懸臂的外端反射后，投射到位置敏感元件的光敏面上，位置敏感元件輸出一個(gè)與反射光斑在光敏面上的位置相對應(yīng)的光電流信號。調(diào)節(jié)移動平臺4、12可使光電檢測與反饋單元1、2向掃描控制系統(tǒng)3移動，也就是可使微懸臂與針尖向樣品表面逼近。當(dāng)微懸臂與針尖向樣品表面逼近到一定距離時(shí)，兩者之間將產(chǎn)生微弱的原子力(沿圖3中水平方向)，推動微懸臂作微量偏轉(zhuǎn)。由于從微懸臂到位置敏感元件的光路長度(約7.5厘米)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微懸臂的長度(100μm或200μm)，根據(jù)杠桿原理，在位置敏感元件的光敏面上的光斑偏移量將是微懸臂偏轉(zhuǎn)量的數(shù)千倍，因此可檢測到可觀的輸出光電流變化。當(dāng)控制X和Y軸壓電陶瓷作伸縮運(yùn)動，即控制樣品相對于針尖作XY掃描運(yùn)動時(shí)，位置敏感元件的輸出光電流大小隨樣品表面的起伏而變化，利用圖1所示的信號檢測與處理電路檢測記錄光電流的變化，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可分別繪制出參考樣品表面和待測樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)形貌。因兩幅圖具有完全相同的橫向尺度，因此，待測樣品圖中任意兩點(diǎn)之間的距離可以通過計(jì)算與之相對應(yīng)的參考樣品的周期數(shù)得到，從而達(dá)到納米計(jì)量的目的。
原子力顯微鏡的I型雙元檢測頭，將掃描控制器和光電檢測與反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)成臥式結(jié)構(gòu)，使原子力方向與微懸臂及針尖的重力方向垂直，從而避免了兩種微弱力之間的相互干擾，提高了原子力的作用效率和精度。同時(shí)，在該型檢測頭中，兩個(gè)單元的Z方向的壓電陶瓷上分別固定探針，兩陶瓷水平并平行地置于同一高度，阿貝誤差小，且懸臂與針尖、光電檢測系統(tǒng)等以水平排列的方式展現(xiàn)在操作者眼前，易于探頭的操作，特別是易于對針尖——樣品間距的監(jiān)控，因此具有更好的可操作性。
如圖4所示，光電檢測與反饋參考單元1包括移動平臺4，激光器5，位置敏感元件6，半透半反射鏡7，含針尖微懸臂8，探針座9，固定塊10及Z向壓電陶瓷11。光電檢測與反饋測試單元2同樣包括移動平臺12，激光器13，位置敏感元件14，半透半反射鏡15，含針尖微懸臂16，探針座17，固定塊18及Z向壓電陶瓷19。掃描控制器3由管狀壓電陶瓷25，固定塊26，基座27，樣品臺22，參考樣品23及待測樣品24組成。管狀壓電陶瓷外表面和內(nèi)表面均鍍有金屬電極，外表面沿長度方向均勻分割成四等分，每一等分為一個(gè)電極，依次為X+、Y+、X-、Y-電極。在X+和X-電極上分別施加正電壓和負(fù)電壓，可使樣品沿X軸正方向作掃描運(yùn)動，反之，在X+和X-電極上分別施加負(fù)電壓和正電壓，則使樣品沿X軸負(fù)方向作掃描運(yùn)動；同樣，在Y+和Y-電極上分別施加正電壓和負(fù)電壓，可使樣品沿Y軸正方向作掃描運(yùn)動，反之則使樣品沿Y軸負(fù)方向作掃描運(yùn)動。圖3所示的原子力顯微鏡的II型雙元檢測頭，其工作原理與I型雙元檢測頭相同，只是實(shí)現(xiàn)XY掃描的壓電陶瓷采用管狀壓電陶瓷。II型臥式檢測頭也具備I型雙元檢測頭的主要特點(diǎn)，而且，由于采用了管狀壓電陶瓷，使掃描控制器結(jié)構(gòu)更簡潔，易于檢測頭小型化。
權(quán)利要求
1.一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，其特征在于它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射鏡、微懸臂探針和Z向壓電陶瓷組成的光電檢測與反饋參考單元(1)和測量單元(2)以及由XY壓電陶瓷、樣品臺、參考樣品和待測樣品組成的掃描控制系統(tǒng)(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，其特征在于所說的光電檢測與反饋參考單元(1)具有移動平臺(4)、激光器(5)、位置敏感元件(6)、半透半反射鏡(7)、含針尖微懸臂(8)、探針座(9)、固定塊(10)及Z向壓電陶瓷(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，其特征在于所說的光電檢測與反饋測試單元(2)具有移動平臺(12)、激光器(13)、位置敏感元件(14)、半透半反射鏡(15)、含針尖微懸臂(16)、探針座(17)、固定塊(18)及Z向壓電陶瓷(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，其特征在于所說的掃描控制系統(tǒng)(3)具有X軸壓電陶瓷(20)、Y軸壓電陶瓷(21)、樣品臺(22)、參考樣品(23)及待測樣品(24)，X、Y軸壓電陶瓷二者互相垂直，它們的一端均與樣品臺粘合，另一端分別固定，參考樣品與待測樣品粘合固定在樣品臺上。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種雙元原子力顯微鏡檢測頭，其特征在于所說的掃描控制系統(tǒng)(3)具有管狀壓電陶瓷(25)、固定塊(26)、基座(27)、樣品臺(22)、，參考樣品(23)及待測樣品(24)。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種雙元原子力顯微鏡檢測頭。它具有激光器、位置敏感元件(PSD)、半透半反射鏡、微懸臂探針和Z向壓電陶瓷組成的光電檢測與反饋參考單元和測量單元以及由XY壓電陶瓷、樣品臺、參考樣品和待測樣品組成的掃描控制系統(tǒng)。本發(fā)明的雙元原子力顯微鏡檢測頭可以很好的消除壓電陶瓷的非線性和滯后效應(yīng)帶來的掃描誤差且不受樣品導(dǎo)電性能的影響，最大測量范圍達(dá)到5μm。使用不同的參考樣品，雙元原子力顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對任何電導(dǎo)率樣品的納米和亞微米精度的長度計(jì)量，可望在眾多科技與工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
文檔編號G01Q60/24GKCN1445525SQ03116770
公開日2003年10月1日 申請日期2003年4月29日
發(fā)明者章海軍, 林曉峰, 張冬仙 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan