專利名稱:一種真空原子力顯微鏡及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微鏡裝置，尤其涉及一種應(yīng)用于真空環(huán)境下的原子力顯微鏡系統(tǒng)，屬于微觀形貌檢測設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡可以對導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體表面進(jìn)行微納米精度的成像，是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等研究中的一種強(qiáng)有力的表征手段。原子力顯微鏡的工作原理是基于原子與原子之間的相互作用力。當(dāng)懸臂梁前端一根十分尖銳的微探針在縱向充分逼近樣品表面至數(shù)納米甚至更小間距時，微探針尖端的原子和樣品表面的原子之間將產(chǎn)生相互作用的原子力。原子力的大小與間距之間存在一定的曲線關(guān)系，通過檢測原子間的作用力可以獲得樣品表面的微觀形貌。
目前國內(nèi)外廠商所生產(chǎn)的原子力顯微鏡均是通過激光和四象限光電檢測器來檢測原子間的作用力，從而獲得被測物體的表面信息。當(dāng)激光打到懸臂梁上時，由于微探針不斷趨近樣品表面，使得懸臂梁受原子間作用力而發(fā)生微小的彎曲形變，從而引起反射光的偏轉(zhuǎn)，使四象限光電探測器上的光點位置發(fā)生變化，通過檢測光點位置的變化量，得到微懸臂彎曲形變的變化量，進(jìn)而得到測力變化量和樣品表面形貌。
常規(guī)原子力顯微鏡系統(tǒng)由于需要光學(xué)系統(tǒng)檢測懸臂梁形變，當(dāng)應(yīng)用于真空環(huán)境時，由于常規(guī)光路系統(tǒng)的元件和材料性質(zhì)的限制，對實現(xiàn)高真空度有較大的影響，因此對其設(shè)計提出了非常苛刻的要求。此外由于真空的阻隔，光路的聚焦、對準(zhǔn)等操作也非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有原子力顯微鏡在真空環(huán)境下利用激光定位在設(shè)計及使用上的不便， 本發(fā)明的目的旨在設(shè)計一種真空原子力顯微鏡，以其特有的工作方式對各種材料的表面形貌進(jìn)行從微米到納米級精度的連續(xù)探測，解決顯微鏡掃描范圍較小、難以選區(qū)掃描的問題。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
—種真空原子力顯微鏡，包括反饋控制器、底部防震器以及與防震器相連的真空腔室，其特征在于所述真空腔室內(nèi)包括用于承放樣品的壓電陶瓷掃描器、用于縱向接近樣品的帶懸臂梁的探針、用于檢測探針懸臂梁形變的二次電子探測器，以及置于真空腔室內(nèi)側(cè)頂端的電子束發(fā)射裝置；所述反饋控制器與二次電子探測器前向相連，并與探針及壓電陶瓷掃描器后向相連。
進(jìn)一步地，所述電子束發(fā)射裝置包括用于產(chǎn)生電子束的電子槍、用于對電子束斑進(jìn)行聚焦、位置調(diào)整的電磁透鏡及掃描線圈；所述探針包括由反饋控制器進(jìn)行位置控制的本體、從本體延伸而出的懸臂梁，以及設(shè)于懸臂梁一端的微型針尖；所述反饋控制器包括信號處理單元和掃描控制器，其中所述信號處理單元與探針及二次電子探測器信號相連，所述掃描控制器與壓電陶瓷掃描器信號相連；所述反饋控制器還連接有計算機(jī)主機(jī)以及附件形式的顯示、存儲、輸入模塊。[0009]該真空原子力顯微鏡的工作實現(xiàn)方式是首先將樣品放置于壓電陶瓷掃描器上， 關(guān)閉真空腔室后抽成真空環(huán)境；然后由電子束發(fā)射裝置產(chǎn)生并控制電子束，照射到探針懸臂梁上并產(chǎn)生二次電子信號；接著控制探針的針尖縱向接近樣品表面，當(dāng)針尖與樣品間距足夠小而產(chǎn)生原子力作用時，二次電子探測器將會探測到懸臂梁的彎曲，啟動反饋控制系統(tǒng)；壓電陶瓷掃描器改變樣品的空間位置，反饋系統(tǒng)實時改變針尖高度，使針尖與樣品表面保持一恒定的原子作用力；針尖相對于樣品各點的高度信號傳送至信號處理單元，進(jìn)行樣品表面形貌的成像和顯示。
本發(fā)明所闡述的一種真空原子力顯微鏡及其使用方法，其應(yīng)用實施的有益效果體現(xiàn)在
(1)采用電子束發(fā)射系統(tǒng)檢測懸臂梁的形變，無需引入目前常用的光杠桿系統(tǒng)，克服了常規(guī)原子力顯微鏡應(yīng)用于真空環(huán)境下帶來的設(shè)計困難；
(2)電子束發(fā)射裝置和二次電子探測器可以對半導(dǎo)體、導(dǎo)體樣品進(jìn)行較大范圍成像，實現(xiàn)選區(qū)掃描；然后掃描探針對所選的區(qū)域進(jìn)行更加細(xì)致的探測成像，綜合兩種納米材料表征手段即原子力顯微鏡和電子顯微鏡的優(yōu)勢，實現(xiàn)對材料從毫米尺度到亞納米尺度精度的連續(xù)測量，具有選區(qū)方便，掃描范圍大，且分辨率高的特點。
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明真空原子力顯微鏡的設(shè)計核心作進(jìn)一步非限制性的詳細(xì)說明


圖1是本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的電器信號結(jié)構(gòu)框圖；
圖3是本發(fā)明真空原子力顯微鏡的工作流程圖。
圖示中各附圖標(biāo)記的含義為
1-電子束發(fā)射裝置、11-電子槍、12-電磁透鏡、13-掃描線圈、2-探針、21-懸臂梁、22-針尖、3 二次電子探測器、4-壓電陶瓷掃描器、5-真空腔室、6-防震器、7-樣品。
具體實施方式
如圖1本發(fā)明真空原子力顯微鏡系統(tǒng)的一具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖所示，該原子力顯微鏡主要包括反饋控制器、底部的防震器6、與防震器6相連的真空腔室5，以及設(shè)置于真空腔室5內(nèi)的電子束發(fā)射裝置1、探針2、二次電子接收器3及壓電陶瓷掃描器4，其中
該電子束發(fā)射裝置由電子槍11、電磁透鏡12和掃描線圈13組成。該電子槍11用來產(chǎn)生電子束；電磁透鏡12主要起到會聚作用，可以對電子束斑進(jìn)行逐級聚焦縮?。粧呙杈€圈13可用來控制電子束照射的位置。
該二次電子探測器3用來探測電子束作用到懸臂梁上以后產(chǎn)生的二次電子信號。 二次電子探測器可以用閃爍計數(shù)器來實現(xiàn)，其包括閃爍晶體、光導(dǎo)管、光電倍增管等部分。
該壓電陶瓷掃描器9用于放置待檢測表面形貌的樣品，并可以使樣品產(chǎn)生X、Y、Z 三維位移；為了增加二次電子產(chǎn)額，可使樣品臺傾斜一定角度。
該探針2由探針本體、懸臂梁21及懸臂梁一端的針尖22構(gòu)成，其作用是接近樣品 7表面并產(chǎn)生相互作用力，懸臂梁22的形變可以反映作用力的大小。[0024]該真空腔室5用來提供高真空工作環(huán)境；而防震器6的作用是減小和消除外界環(huán)境的震動對原子力顯微鏡檢測準(zhǔn)確率的影響。
如圖2本發(fā)明真空原子力顯微鏡系統(tǒng)的一具體實施例的電氣結(jié)構(gòu)框圖所示，本發(fā)明原子力顯微鏡系統(tǒng)的電氣連接關(guān)系如下該反饋控制器包括信號處理單元和掃描控制器兩個部分，一方面該反饋控制器的信號處理單元與探針2及二次電子探測器3相連。從信號流向來看，信號處理單元與二次電子探測器3為前向相連，即接收來自探測器3的二次電子信號；而與探針2為后向相連，即向探針2輸出控制信號，控制針尖23相對于樣品7表面的高度。另一方面，該掃描控制器與壓電陶瓷掃描器4在信號流的連接關(guān)系上為后向相連，亦即向壓電陶瓷掃描器4輸出掃描位移控制信號，實現(xiàn)對樣品7表面選區(qū)下的逐點掃描。此外，該反饋控制器還向外連接有計算機(jī)主機(jī)及附件形式的顯示、存儲、輸入模塊。用于試驗人員對反饋控制器進(jìn)行操作及向試驗人員顯現(xiàn)掃描所得的樣品表面形貌圖像。
如圖3本發(fā)明真空原子力顯微鏡系統(tǒng)的工作流程圖所示。其實現(xiàn)樣品表面形貌檢測的工作過程是
首先要做的是常規(guī)的實驗準(zhǔn)備階段，即將樣品7放置于壓電陶瓷掃描器4上，關(guān)閉真空腔室5后抽成真空環(huán)境；然后由電子束發(fā)射裝置1產(chǎn)生并控制電子束，照射到探針懸臂梁22上產(chǎn)生二次電子信號；控制探針的針尖縱向接近樣品表面。
掃描器控制器使樣品表面被逐點掃描，由于樣品表面不同區(qū)域的高度起伏不同， 使得針尖23與樣品7之間相互作用力的大小發(fā)生改變，引起懸臂梁22的形變，導(dǎo)致二次電子信號大小也發(fā)生改變；
接著由反饋控制器對二次電子信號進(jìn)行處理機(jī)反饋，控制探針的針尖縱向接近或遠(yuǎn)離樣品表面，實時改變針尖高度，使針尖與樣品表面保持一恒定的原子作用力；
通過反饋系統(tǒng)得到針尖相對于樣品各點的高度起伏的變化，并將信號傳送至信號處理單元，進(jìn)行樣品表面三維形貌的成像和顯示。
特別地，本發(fā)明的一個重要的應(yīng)用方式是進(jìn)行選區(qū)掃描，可實現(xiàn)對導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料從毫米尺度到亞納米尺度精度的連續(xù)測量。其實現(xiàn)方式是首先二次電子直接對樣品表面成像，用于選定探針掃描的區(qū)域；然后探針對所選擇的特定區(qū)域進(jìn)行掃描成像。其應(yīng)用實施的有益效果體現(xiàn)在(1)、采用電子束發(fā)射系統(tǒng)檢測懸臂梁的形變，無需引入目前常用的光杠桿系統(tǒng)，克服了常規(guī)原子力顯微鏡應(yīng)用于真空環(huán)境下帶來的設(shè)計困難；(2)、電子束發(fā)射裝置和二次電子探測器可以對半導(dǎo)體、導(dǎo)體樣品進(jìn)行較大范圍成像，實現(xiàn)選區(qū)掃描；然后掃描探針對所選的區(qū)域進(jìn)行更加細(xì)致的探測成像，綜合兩種納米材料表征手段即原子力顯微鏡和電子顯微鏡的優(yōu)勢，具有選區(qū)方便，掃描范圍大，且分辨率高的特點。
綜上所述，對本發(fā)明一種真空原子力顯微鏡及其工作方式的示例性詳細(xì)介紹。旨在加深對本發(fā)明實質(zhì)及有益效果的理解。并非以此限制其多樣性的實施方式及申請保護(hù)范圍，因此但凡對于上述實施例進(jìn)行的簡單修改及等效替換，能夠?qū)崿F(xiàn)與本發(fā)明相同的創(chuàng)作目的的技術(shù)方案，均應(yīng)歸入本專利請求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種真空原子力顯微鏡的使用方法，所用的真空原子力顯微鏡包括反饋控制器、底部防震器以及與防震器相連接的真空腔室，所述真空腔室內(nèi)包括用于承放樣品的壓電陶瓷掃描器、用于縱向接近樣品的探針、用于檢測探針懸臂梁形變的二次電子探測器，以及置于真空腔室內(nèi)側(cè)頂端的電子束發(fā)射裝置；其中所述反饋控制器包括信號處理單元和掃描控制器，所述信號處理單元與二次電子探測器前向相連，并與探針后向相連，所述掃描控制器與壓電陶瓷掃描器后向相連，且所述反饋控制器連接有計算機(jī)主機(jī)以及附件形式的顯示、存儲、輸入模塊；所述電子束發(fā)射裝置包括用于產(chǎn)生電子束的電子槍、用于對電子束斑進(jìn)行聚焦、位置調(diào)整的電磁透鏡及掃描線圈；所述探針包括由反饋控制器進(jìn)行位置控制的本體、從本體延伸而出的懸臂梁，以及設(shè)于懸臂梁一端的微型針尖，其特征在于51、將樣品放置于壓電陶瓷掃描器上，關(guān)閉真空腔室后抽成真空環(huán)境；52、由電子束發(fā)射裝置產(chǎn)生并控制電子束，照射到探針懸臂梁上并產(chǎn)生二次電子信號；53、控制探針的針尖縱向接近樣品表面，當(dāng)針尖與樣品間距足夠小而產(chǎn)生原子力作用時，二次電子探測器將會探測到懸臂梁的彎曲，啟動反饋控制系統(tǒng)；54、控制壓電陶瓷掃描器改變樣品的空間位置，實時改變針尖高度，使針尖與樣品表面保持一恒定的原子作用力；55、通過反饋控制器得到針尖相對于樣品各點的高度，并將信號傳送至信號處理單元， 進(jìn)行樣品表面形貌的成像和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種真空原子力顯微鏡的使用方法，其特征在于步驟S4中所述壓電陶瓷掃描器改變樣品空間位置由反饋控制器進(jìn)行控制，并且步驟S5中的成像結(jié)果由計算機(jī)主機(jī)外接的存儲及顯示模塊向外界顯現(xiàn)。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種真空原子力顯微鏡及其使用方法，屬于微觀形貌檢測設(shè)備領(lǐng)域，其包括電子束發(fā)射裝置、二次電子探測器、帶懸臂梁的探針、壓電陶瓷掃描器和反饋控制器。工作時，將電子束照射于探針懸臂梁上，由于探針與樣品原子之間的作用力而引起懸臂梁的形變，將產(chǎn)生二次電子信號的變化，通過對該信號進(jìn)行反饋可控制針尖和樣品之間處于恒定作用力，針尖在樣品表面逐點掃描，可對樣品表面形貌成像。本發(fā)明無需引入目前常用的光杠桿系統(tǒng)，克服了常規(guī)原子力顯微鏡應(yīng)用于真空環(huán)境下帶來的設(shè)計困難，綜合兩種納米材料表征手段即原子力顯微鏡和電子顯微鏡的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對材料從毫米尺度到亞納米尺度精度的連續(xù)測量。
文檔編號GKCN101625303 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910030522
公開日2012年6月6日 申請日期2009年4月14日
發(fā)明者劉爭暉, 徐科, 樊英民, 秦華, 鐘海艦 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (2),