[發明專利]一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統

有效

• 申請號: 201510089015.4
• 申請日: 2015-02-27
• 公開（公告）號: CN104634997B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 吳森;胡曉東;徐臨燕;胡小唐;劉璐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種原子力顯微鏡系統。特別是涉及一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統。

背景技術

原子力顯微鏡是微納米尺度形貌表征和物理特性測試的重要工具，在半導體、納米材料、新能源、生命科學等領域有著廣泛的應用。原子力顯微鏡具有分辨率高，對樣品無導電性要求，可在大氣、液相、真空等多種環境下工作，能夠實現原位測試與加工等諸多優點，近年來已成為許多前沿科學研究與精密制造行業中的必備檢測儀器之一。

盡管有著其他設備難以企及的優勢，但原子力顯微鏡亦存在一些明顯的不足。工作效率低下是目前此類設備最突出的缺點。常規原子力顯微鏡的掃描行頻在1Hz左右，掃描一幅512×512像素的圖像須耗時八分半鐘以上。而原子力顯微鏡的掃描范圍通常都比較小，一幅圖像所覆蓋的區域一般只有幾微米到幾十微米。為尋找樣品上的特征結構而反復掃描不同區域又會進一步導致時間開銷的成倍增大。

原子力顯微鏡的最大掃描速度由探針、掃描器、控制器、電子系統等各主要環節的帶寬共同決定。其中探針和掃描器是影響系統整體帶寬的最關鍵因素。為了在不增大針尖樣品作用力的前提下提高探針的響應速度，必須使用尺寸更小的懸臂梁探針。此類探針的梁長僅為幾微米到二三十微米，比常規探針小一個數量級。絕大多數原子力顯微鏡均采用光杠桿方法檢測探針懸臂梁的變形，探針尺寸的減小意味著照射于梁上的激光光斑必須更小。為了獲得合適的激光光斑，近年出現的高速原子力顯微鏡系統均采用了光杠桿與光學顯微鏡同軸的檢測光路，即借助光學顯微鏡的高倍物鏡在觀察樣品的同時實現對光杠桿激光束的聚焦。與之相對應的原子力顯微鏡結構有兩種，一種以Asylum Research公司的Cypher系列原子力顯微鏡為代表，此類系統中測頭部分只包含探針夾持裝置和檢測光路，工作時測頭固定，樣品在掃描器驅動下做XYZ掃描；另一種是以Bruker公司的FastScan系列原子力顯微鏡為代表的結構，該結構中測頭本身集成了掃描器，工作時樣品不動，測頭做XYZ掃描。在第一種結構中，三維掃描器搭載樣品，其帶寬受樣品質量的限制，因此只適用于很小的樣品。第二種結構中，為保證探針隨掃描器移動時激光光斑相對懸臂梁的位置不變，必須引入跟蹤透鏡機構，而這種機構安裝起來并不方便，且在掃描范圍較大時仍會出現光斑偏移現象。

本專利申請人于2013年提出了一種光束跟蹤式原子力顯微鏡掃描測頭設計方案(201310514419.4)，該方案采用了測頭-樣品組合掃描方式，其中測頭做YZ向掃描，樣品做X向掃描。光杠桿激光束平行于Y軸射入測頭Y掃描器所搭載的直角棱鏡，經90°反射后進入測頭Z掃描器所搭載的非球面透鏡，再經非球面透鏡聚焦在探針懸臂梁上；懸臂梁反射光回到非球面透鏡變成平行光束射向直角棱鏡，再經90°反射平行于Y軸從測頭射出并進入后續光學檢測模塊。因Y、Z掃描器的運動方向分別平行于激光束在相應位置的傳播方向，因此無論掃描器行程多大均不會改變聚焦光斑在探針懸臂梁上的相對位置。該測頭中的非球面透鏡既用來聚焦激光束，又兼作物鏡用于觀察樣品、定位探針。由于單片非球面透鏡無法消除色差，該系統對樣品的光學觀察效果并不理想。另一方面，因非球面透鏡搭載在Z掃描器上，導致Z掃描器的帶寬減小，限制了掃描速度的進一步提高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在保證較小的激光光斑尺寸與較大范圍的光束跟蹤能力的同時，獲得更高的掃描器帶寬和更好的光學觀察效果的適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統。

本發明所采用的技術方案是：一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統，包括有搭載在垂直升降電機上的用于對樣品進行水平方向一維掃描的X向掃描器，還設置有對應于樣品用于對樣品進行Y、Z向掃描的二維掃描模塊，以及與所述的二維掃描模塊光路連接用于對樣品進行光學檢測的光杠桿檢測模塊和光學顯微鏡模塊。

所述的樣品固定在所述的X向掃描器上。

所述的二維掃描模塊包括有對樣品進行水平方向一維掃描的Y向掃描器，對樣品進行豎直方向一維掃描的Z向掃描器，所述的Z向掃描器固定在所述Y向掃描器的運動部上，且所述的X向掃描器、Y向掃描器和Z向掃描器的運動方向相互正交，所述Y向掃描器的運動部上設置有非球面透鏡和熱反射鏡，所述的非球面透鏡的主光軸與Y軸平行，所述的熱反射鏡分別與Z軸和Y軸成45°角，反射面朝向非球面透鏡和Z向掃描器，所述Z向掃描器的底端通過探針夾持器設置有用于對樣品進行檢測的懸臂梁探針，所述懸臂梁探針位于非球面透鏡經熱反射鏡反射后的焦點處，所述懸臂梁探針的寬度方向與Y軸平行，長度方向與X軸成8°～12°夾角，且探針針尖位于最低點。