專利名稱：激光掃描力顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用納米測(cè)試技術(shù)計(jì)量表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)的計(jì)量設(shè)備，特別涉及一種激光掃描力顯微鏡。
掃描力顯微鏡，包括原子力掃描顯微鏡，靜電力掃描顯微鏡，磁力掃描顯微鏡及熱力掃描顯微鏡，是通過(guò)微探針與被測(cè)樣品之間的作用力來(lái)獲得樣品表面微細(xì)結(jié)構(gòu)信息，還可用于研究樣品表面的的磁學(xué)與電學(xué)性質(zhì)。掃描力顯微鏡的工作模式可分為接觸模式和非接觸模式兩種，接觸模式是通過(guò)測(cè)量微探針的變位來(lái)確定樣品與微探針相互作用力的變化，進(jìn)而確定樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，它具有原子量級(jí)的橫向分辨率，其缺陷是測(cè)量薄軟樣品時(shí)會(huì)損傷樣品表面。采用光學(xué)方法測(cè)量微探針變位或者振幅變化，常用的方法為光杠桿法及各種光干涉法，如已商品化的原子力顯微鏡，測(cè)量樣品表面的形貌是微探針與樣品之間縱向力和切向力共同作用的結(jié)果，雖有很高的縱向分辨率和橫向分辨率，但測(cè)量精度較低。而光干涉法僅對(duì)縱向力產(chǎn)生的微探針變位靈敏，而對(duì)切向力的作用不靈敏，因而測(cè)量精度較高，各種光干涉探針?lè)ㄍǔ２捎霉猜坊驕?zhǔn)共路設(shè)計(jì)，如利用Nomarski原理制成的干涉光探針和利用衍射光柵分光的雙通道干涉光探針，形成干涉信號(hào)的兩束光分別從微探針的頭部和尾部反射，此外還有雙焦共路干涉光探針和光纖干涉光探針等，光干涉探針?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)是具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，其缺陷是對(duì)光學(xué)元件的質(zhì)量要求較高，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)新穎的激光掃描力顯微鏡，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，其縱向分辨率為0.01nm，橫向分辨率為5nm。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)措施(1)率先發(fā)現(xiàn)并利用了光在微探針上的點(diǎn)衍射干涉現(xiàn)象，

圖1為常見(jiàn)的微探針結(jié)構(gòu)圖，基片91為(111)型硅單晶基片，微懸臂92厚度為0.4μm，長(zhǎng)度為200μm或100μm，諧振頻率為13KHz或40KHz，彈性系數(shù)為0.02N/m或0.09N/m，其表面上鍍有Au/Cr反射層，(111)型硅微探針93固定在微懸臂92上，其尖端直徑小于納米量級(jí)，當(dāng)入射平行激光束通過(guò)顯微物鏡會(huì)聚在微懸臂端部上表面時(shí)，其光軸與微懸臂表面垂直，會(huì)聚光斑為直徑幾微米的彌散斑，會(huì)聚彌散斑一部份覆蓋了空心針尖處，于是會(huì)聚光束的一部份被微懸臂表面反射從原路返回，形成反射波面，另一部份被微懸臂空心針尖處后向衍射返回，形成衍射波面，圖中實(shí)線為反射波面，虛線為衍射波面，這兩個(gè)波面形成共路干涉；干涉條紋的間隔與幾何反射點(diǎn)S1和衍射點(diǎn)S2的相對(duì)位置有關(guān)，當(dāng)反射點(diǎn)相對(duì)于微懸臂表面有離焦時(shí)，條紋為彎曲或圓環(huán)，干涉條紋的對(duì)比度同反射光相對(duì)于衍射光的光強(qiáng)比有關(guān)，通過(guò)調(diào)焦及平移微懸臂可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)比，以獲得最佳的條紋對(duì)比度。可見(jiàn)空心三角微懸臂由于結(jié)構(gòu)特征實(shí)際上是相當(dāng)于一種天然的反射型點(diǎn)衍射板，起共路干涉分束器的作用。(2)利用點(diǎn)衍射干涉作為精確測(cè)量微懸臂的變位，即微探針變位時(shí)場(chǎng)點(diǎn)P相位差發(fā)生變化，如圖2所示，用實(shí)線表示微探針變位前的位置，虛線表示變位后的位置，設(shè)變位量為h，圖2顯示出反射型點(diǎn)衍射干涉的瞳窗關(guān)系，在微懸臂表面上的反射點(diǎn)S1和衍射點(diǎn)S2實(shí)際上可視為干涉系統(tǒng)的兩個(gè)出瞳，產(chǎn)生干涉條紋的觀察屏就是出窗，P為出窗B上的任意點(diǎn)，當(dāng)微懸臂探針不動(dòng)時(shí)，S1和S2點(diǎn)相對(duì)于P點(diǎn)的相位差是固定的；當(dāng)微懸臂探針產(chǎn)生變位時(shí)，幾何會(huì)聚點(diǎn)S1的位置保持不動(dòng)，但其象點(diǎn)在S1′，而衍射點(diǎn)S2的位置將隨微懸臂的變化而變位，由S2移至S2′。此時(shí)P點(diǎn)的相位差的變化量Δφ=4πh/λ，可見(jiàn)干涉條紋將隨微懸臂的變位而變位。通過(guò)對(duì)干涉條紋的相位檢測(cè)就能精確地測(cè)出相位差的變化，從而精確地測(cè)出微懸臂的變位大小，而微探針變位是由于微探針與被測(cè)樣品之間的近場(chǎng)作用力(原子力或范德華力)的變化引起的，這一近場(chǎng)力變化是由于樣品在二維掃描時(shí)表面的微觀結(jié)構(gòu)引起的，因此精確測(cè)出微懸臂的變位大小，就可測(cè)出樣品表面的三維微觀結(jié)構(gòu)。
以下結(jié)合附圖3詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體內(nèi)容。
一種激光掃描力顯微鏡，包括光源，準(zhǔn)直擴(kuò)束器，顯微物鏡，微探針，壓電掃描臺(tái)，被測(cè)樣品置于壓電掃描臺(tái)上，鎖相放大器，帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的計(jì)算機(jī)，其特征在于該激光掃描顯微鏡由光源1、準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、半反半透鏡3、顯微物鏡4、聚焦物鏡5、帶有光電二極管的前置放大器6、鎖相放大器7、壓電疊堆8、微探針9、壓電掃描臺(tái)10、帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的計(jì)算機(jī)11構(gòu)成，其中光源1采用半導(dǎo)體激光器，激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、半反半透鏡3、顯微物鏡4后聚焦在微探針9表面上，其反射光與后向衍射光形成干涉，干涉光束復(fù)經(jīng)顯微物鏡4、半反半透鏡3后由聚焦透鏡5聚焦在光電二極管上，帶該光電二極管的前置放大器6的輸出端與鎖相放大器7的輸入端連接，鎖相放大器7的一個(gè)輸出端接壓電疊堆8，微探針9的硅基片固定在壓電疊堆8上，壓電掃描臺(tái)10位于微探針9的下方，鎖相放大器7的另一個(gè)輸出端通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)11連接，計(jì)算機(jī)11通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器向壓電掃描臺(tái)10輸出控制電壓UX、UY、UZ；所述的顯微物鏡4為10倍或20倍顯微物鏡。
同現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點(diǎn)(1)位于樣品上方的微探針直徑為納米量級(jí)，掃描時(shí)微探針的變位又是由樣品表面的原子與微探針尖端原子間相互作用力的變化引起的，所以這種測(cè)量具有超衍射極限的橫向分辨率，在非接觸模式下，具有幾納米的橫向分辨率，在接觸模式下，可達(dá)到亞納米量級(jí)的橫向分辨率，這是傳統(tǒng)的純光學(xué)方法無(wú)法達(dá)到的；(2)本儀器是一種完全共路的干涉光探針，隔絕了大氣漂移和外界振動(dòng)的影響，信號(hào)異常穩(wěn)定，本激光掃描力顯微鏡具有0.01nm的縱向分辨率和5nm左右的橫向分辨率；(3)對(duì)光源要求不高，可采用半導(dǎo)體激光器；(4)與現(xiàn)有的各種干涉光探針?lè)ū容^，本激光掃描力顯微鏡結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單、緊湊，性能更為穩(wěn)定可靠，有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化。
圖1為會(huì)聚光在微探針上的點(diǎn)衍射原理圖。
圖2為微探針變位時(shí)場(chǎng)點(diǎn)P相位差發(fā)生變化的示意圖。
圖3為本發(fā)明的激光掃描力顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為測(cè)得的超光滑玻璃表面三維微細(xì)結(jié)構(gòu)圖(單位nm)。
圖5為測(cè)得的液晶薄膜表面三維微細(xì)結(jié)構(gòu)圖(單位nn)。
實(shí)施例1一種激光掃描力顯微鏡，采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用該激光掃描力顯微鏡測(cè)量超光滑玻璃的表面，光源1采用10mw半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為650nm，鎖相放大器采用SR830DSP，微探針的諧振頻率為40KHz(非接觸模式)，彈性系數(shù)為0.09N/m，掃描范圍為80×80nm，測(cè)出超光滑玻璃的表面最大起伏不大于5nm。
實(shí)例2應(yīng)用本激光掃描力顯微鏡測(cè)量液晶薄膜的表面，工作模式與實(shí)施例1相同，掃描范圍為1500×1500nm，可以看到液晶表面顆粒尺寸是95～105nm。
權(quán)利要求
1.一種激光掃描力顯微鏡，包括光源，準(zhǔn)直擴(kuò)束器，顯微物鏡，微探針，壓電掃描臺(tái)，被測(cè)樣品置于壓電掃描臺(tái)上，鎖相放大器，帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的計(jì)算機(jī)，其特征在于該激光掃描顯微鏡由光源(1)、準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、半反半透鏡(3)、顯微物鏡(4)、聚焦物鏡(5)、帶有光電二極管的前置放大器(6)、鎖相放大器(7)、壓電疊堆(8)、微探針(9)、壓電掃描臺(tái)(10)、帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的計(jì)算機(jī)(11)構(gòu)成，其中光源(1)采用半導(dǎo)體激光器，激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、半反半透鏡(3)、顯微物鏡(4)后聚焦在微探針(9)表面上，其反射光與后向衍射光形成干涉，干涉光束復(fù)經(jīng)顯微物鏡(4)、半反半透鏡(3)后由聚焦透鏡(5)聚焦在光電二極管上，帶該光電二極管的前置放大器(6)的輸出端與鎖相放大器(7)的輸入端連接，鎖相放大器(7)的一個(gè)輸出端接壓電疊堆(8)，微探針(9)的硅基片固定在壓電疊堆(8)上，壓電掃描臺(tái)(10)位于微探針(9)的下方，鎖相放大器(7)的另一個(gè)輸出端通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)(11)連接，計(jì)算機(jī)(11)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器向壓電掃描臺(tái)(10)輸出控制電壓(UX、UY、UZ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光掃描力顯微鏡，其特征在于所述的顯微物鏡(4)為10倍或20倍顯微物鏡。
全文摘要
一種激光掃描力顯微鏡,其特征是該激光掃描力顯微鏡由光源1、準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、半反半透鏡3、顯微物鏡4、聚焦物鏡5、帶有光電二極管的前置放大器6、鎖相放大器7、壓電疊堆8、微探針9、壓電掃描臺(tái)10、帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的計(jì)算機(jī)11構(gòu)成,光源1采用半導(dǎo)體激光器,入射平行激光束通過(guò)的顯微物鏡會(huì)聚在微探針的微懸臂端部上,形成反射光和衍射光共路干涉,通過(guò)信號(hào)處理測(cè)得樣品表面微細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。同現(xiàn)有技術(shù)比較,本方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,性能穩(wěn)定可靠,有利于實(shí)現(xiàn)小型化等優(yōu)點(diǎn),縱向分辨率為0.01nm橫向分辨率為5nm。
文檔編號(hào)G01B9/04GK1222672SQ9812288
公開(kāi)日1999年7月14日 申請(qǐng)日期1998年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月27日
發(fā)明者卓永模, 牟旭東, 楊甬英, 游藝鋒 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器研究所