專利名稱:臥式原子力顯微鏡探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種原子力顯微鏡探頭，用于微/納米材料和器件的納米檢測，尤其涉及一種臥式原子力顯微鏡探頭。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的高新科技。各發(fā)達(dá)國家都將納米技術(shù)作為二十一世紀(jì)新的產(chǎn)業(yè)革命的核心，我國也在科技發(fā)展戰(zhàn)略中將納米技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。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)，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(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。目前，國際上AFM儀器的應(yīng)用較為普及，而我國則仍基本依賴進(jìn)口。盡管進(jìn)口儀器的性能已日趨完善，但是毋庸諱言，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，大大限制了AFM在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，從而在很大程度上制約了我國納米科技的發(fā)展普及。為此迫切需要將AFM國產(chǎn)化，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。特別是在新型臥式AFM的研究中形成了自身的特色，該型AFM克服了立式AFM的某些局限性，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
本實(shí)用新型涉的目的是提供一種臥式原子力顯微鏡探頭。
它具有XYZ壓電陶瓷及樣品臺組成的掃描與反饋控制器和由微懸臂探針、激光器及位置敏感元件(PSD)組成的光電檢測系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的臥式原子力顯微鏡探頭，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樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)形貌。而探頭的臥式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔，技術(shù)條件易于實(shí)現(xiàn)。由于采用了臥式結(jié)構(gòu)，使原子力方向(圖中水平方向)與微懸臂(含針尖)的重力方向(圖中垂直方向)相互垂直，從而有效地避免了重力對原子力的影響，提高了原子力的作用效率和精度。因此，本實(shí)用新型的臥式原子力顯微鏡探頭，除了原理新穎，結(jié)構(gòu)簡潔，易于操作等特點(diǎn)外，更主要的是克服了立式原子力顯微鏡探頭的局限性。因此可獲得更好的納米檢測與成像性能。此外，針尖與任何固體樣品表面之間均可產(chǎn)生原子力作用，不受樣品的導(dǎo)電性限制，因而本實(shí)用新型的臥式原子力顯微鏡探頭廣泛適用于導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體樣品，可望在眾多科技與工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。



圖1是臥式原子力顯微鏡的工作原理示意圖；圖2是臥式原子力顯微鏡探頭的一個(gè)實(shí)施例平面示意圖(I型)；圖3是臥式原子力顯微鏡探頭的另一個(gè)實(shí)施例平面示意圖(II型)；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。本實(shí)用新型的目的，在于發(fā)明一種臥式原子力顯微鏡探頭，使原子力顯微鏡系統(tǒng)獲得更好的納米檢測性能。
圖1所示是臥式原子力顯微鏡的工作原理示意圖。本實(shí)用新型的臥式原子力顯微鏡探頭，包括由XYZ壓電陶瓷及樣品臺組成的掃描與反饋控制器1和由微懸臂探針、激光器及位置敏感元件(PSD)組成的光電檢測系統(tǒng)2兩大部分。AFM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——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。
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。
在圖2所示的原子力顯微鏡的I型臥式探頭中，臥式探頭由掃描與反饋控制器1和光電檢測系統(tǒng)2兩大部分組成。掃描與反饋控制器1包括X軸壓電陶瓷3，Y軸壓電陶瓷4，Z軸壓電陶瓷5，樣品臺6及樣品7。X、Y、Z軸壓電陶瓷三者互相垂直，它們的一端均與樣品臺粘合，另一端分別固定，樣品粘合固定在樣品臺上。光電檢測系統(tǒng)2包括微懸臂(含針尖)8，激光器9，位置敏感元件10，微調(diào)機(jī)構(gòu)11等部分。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)微調(diào)機(jī)構(gòu)可使光電檢測系統(tǒng)2向掃描與反饋控制器1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2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)干倍，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)即可繪制出樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)形貌。
原子力顯微鏡的I型臥式探頭，將掃描與反饋控制器和光電檢測系統(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)，在該形探頭中，樣品、微懸臂與針尖、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。
圖3所示的原子力顯微鏡的II型臥式探頭，也包括掃描與反饋控制器1和光電檢測系統(tǒng)2兩大部分。掃描與反饋控制器1由管狀壓電陶瓷12，固定塊13，基座14，樣品臺6和樣品7組成。光電檢測系統(tǒng)2同樣由微懸臂(含針尖)8，激光器9，位置敏感元件10和微調(diào)機(jī)構(gòu)11等部分組成。管狀壓電陶瓷外表面和內(nèi)表面均鍍有金屬電極，內(nèi)表面為Z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。在壓電陶瓷管內(nèi)表面Z電極上施加正電壓，則使陶瓷管整體伸長，使樣品更逼近針尖，反之使樣品遠(yuǎn)離針尖，據(jù)此同樣可達(dá)到對針尖——樣品間距的反饋控制的目的。圖3所示的原子力顯微鏡的II型臥式探頭，其工作原理與I型臥式探頭相同，只是實(shí)現(xiàn)XY掃描與Z向反饋控制的壓電陶瓷采用管狀壓電陶瓷。II型臥式探頭也具備I型臥式探頭的主要特點(diǎn)，而且，由于采用了管狀壓電陶瓷，使掃描與反饋控制器結(jié)構(gòu)更簡潔，易于探頭小型化。
權(quán)利要求
1.一種臥式原子力顯微鏡探頭，其特征在于它具有XYZ壓電陶瓷及樣品臺組成的掃描與反饋控制器(1)和由微懸臂探針、激光器及位置敏感元件組成的光電檢測系統(tǒng)(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種臥式原子力顯微鏡探頭，其特征在于所說的掃描與反饋控制器(1)具有X軸壓電陶瓷(3)，Y軸壓電陶瓷(4)，Z軸壓電陶瓷(5)，樣品臺(6)及樣品(7)，X、Y、Z軸壓電陶瓷三者互相垂直，它們的一端均與樣品臺粘合，另一端分別固定，樣品粘合固定在樣品臺上。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種臥式原子力顯微鏡探頭，其特征在于所說的掃描與反饋控制器(1)具有管狀壓電陶瓷(12)，固定塊(13)，基座(14)，樣品臺(6)和樣品(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種臥式原子力顯微鏡探頭，其特征在于所說的光電檢測系統(tǒng)(2)具有含針尖的微懸臂(8)，激光器(9)，位置敏感元件(10)，微調(diào)機(jī)構(gòu)(11)，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。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種臥式原子力顯微鏡探頭，其特征在于所說的光電檢測系統(tǒng)(2)具有含針尖的微懸臂(8)，激光器(9)，位置敏感元件(10)和微調(diào)機(jī)構(gòu)(11)。
專利摘要
本實(shí)用新型公開了一種臥式原子力顯微鏡探頭。它具有XYZ壓電陶瓷及樣品臺組成的掃描與反饋控制器和由微懸臂探針、激光器及位置敏感元件(PSD)組成的光電檢測系統(tǒng)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡捷，技術(shù)條件易于實(shí)現(xiàn)。由于采用了臥式結(jié)構(gòu)，使原子力方向與微懸臂的重力方向相互垂直，從而有效地避免了重力對原子力的影響，提高了原子力的作用效率和精度。因此，本實(shí)用新型除了原理新穎，結(jié)構(gòu)簡潔，易于操作等特點(diǎn)外，更主要的是克服了立式原子力顯微鏡探頭的局限性。因此可獲得更好的納米檢測與成像性能。廣泛適用于導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體樣品，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G01Q60/24GKCN2617003SQ03230262
公開日2004年5月19日 申請日期2003年4月9日
發(fā)明者張冬仙, 章海軍 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan