[發明專利]具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡

無效

• 申請號: 201110338282.2
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102384986A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 居冰峰;陳遠流;張威;朱吳樂;楊舜堯
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01Q60/14
• 分類號: G01Q60/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及掃描隧道顯微鏡技術領域，特別是涉及一種同時具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡。

背景技術

具有特定功能的微小表面拓撲形狀的大范圍、高深-寬比三維微納結構，包括：（1）微光學元件，如凹槽、微透鏡陣列、微金字塔結構等；（2）微型模具，如二維平面光柵金屬模板、微鏡頭陣列成型模具，LCD顯示屏導光板模具等，它們已經成為光電、通訊以及精密測量等領域的關鍵零部件，由此衍生出的產品如數碼相機、傳真機、掃描儀、高清晰顯示系統、光纖通訊、平面光柵定位系統等已形成了數以億計的全球市場，在航空、航天、電子、化工、生物、醫療等許多領域扮演著重要角色，有著廣闊的應用前景。這些三維微納結構的形狀將直接影響相關器件的多項性能指標，如：驅動力、工作頻率范圍、靈敏度和位移量等，因此對其進行表面形貌的超精密測量非常必要，而且測量是用來保證加工的，其精度往往至少要高于加工一個數量級。所以，如果沒有先進的測量手段和儀器去保證或檢驗加工出的三維微納結構，就會使其加工無標準可遵循，因此所謂的加工也就是盲目的。隨著現代微納加工技術的不斷進步，微電路、微光學元件、微機械以及其它各種微器件不斷出現，對大面積、高深-寬比微納結構表面形貌超精密測量的需求越發迫切。

在眾多超精密測量技術中，掃描隧道顯微鏡是依然是三維微納形貌測量最直接、最能如實反映被測試件微納結構的有效工具。它主要利用了針尖與樣品間納米間隙的量子隧道效應引起的隧道電流與間隔成指數關系，實現樣品的局域探測。雖然傳統的掃描隧道顯微鏡測量精度很高，其縱向分辨率可達到0.001-0.01nm，橫向分辨率也可大1nm,?然而二者橫向測量長度一般在幾微米或幾十微米量級。傳統的掃描隧道顯微鏡都是采用三維壓電陶瓷管驅動的掃描模式，無法實施高速、大范圍、高深-寬比的微納測量，也使得它們的使用范圍僅限于實驗室內的微納形貌和幾何量測量，不具備大范圍、高深-寬比的測量能力，無法滿足現在超精密測量領域的發展需求。因此，在這一方面，急需對原有測量儀器進行改進，發展一種新型的掃描隧道顯微檢測系統，使其同時具有大范圍和高深-寬比的測量能力。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種同時具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡。

具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡包括L型基座、第一轉接板、X軸手動平移臺、Y軸手動平移臺、X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、手動傾角臺、第二轉接板、樣品臺、第三轉接板、Z軸手動平移臺、Z軸直流電動平移臺、壓電陶瓷固定塊、壓電陶瓷、前置放大電路單元、探針夾持機構和探針；L型基座底板、第一轉接板、X軸手動平移臺、Y軸手動平移臺、X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、手動傾角臺、第二轉接板、樣品臺順次相連，L型基座側板上部設有第三轉接板，第三轉接板上順次設有Z軸手動平移臺、Z軸直流電動平移臺、壓電陶瓷固定塊，壓電陶瓷固定塊垂直設有壓電陶瓷，壓電陶瓷下端順次設有前置放大電路單元、探針夾持機構和探針。

所述的第三轉接板的材料為尼龍，探針的材料為99.999%純鎢。所述的樣品臺中間設有沉孔，沉孔內裝有圓形磁鐵。所述的手動傾角臺為具有二維角運動自由度調節的手動傾角臺。所述的X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、Z軸直流電動平移臺行程均為30?mm。所述的壓電陶瓷行程為150?μm。

本發明專利與傳統的掃描隧道顯微鏡相比主要的優勢在于：平面掃描機構由二維大范圍直流電機驅動平臺組成，縱向伺服機構由長行程壓電陶瓷組成，克服了傳統的掃描隧道顯微鏡采用單個三維壓電掃描管所帶來的測量速度低、測量范圍小、深-寬比測量能力弱等技術缺陷。而且，將平面掃描機構和縱向伺服機構分開，避免了平面掃描和縱向伺服運動之間的耦合誤差，在提高掃描隧道顯微鏡的測量范圍的同時，也提高了其測量精度。利用該新型掃描隧道顯微鏡，可以將掃描隧道顯微鏡技術的測量范圍從μm量級提升到mm量級，深寬比測量能力從小于1:1提升到50:1以上，大大提升了掃描隧道顯微技術在微納測量領域的應用能力。

附圖說明

圖1是具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡結構示意圖，

圖2是本發明的樣品臺結構示意圖；

圖3是大范圍掃描平面傾斜校正方法示意圖；

圖4是利用該新型掃描隧道顯微鏡對正弦光柵樣品的大范圍和高深-寬比掃描測量結果；