一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡系統(tǒng)。特別是涉及一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(huán)境下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)原位測試與加工等諸多優(yōu)點，近年來已成為許多前沿科學研宄與精密制造行業(yè)中的必備檢測儀器之一。
[0003]盡管有著其他設(shè)備難以企及的優(yōu)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(shè)備最突出的缺點。常規(guī)原子力顯微鏡的掃描行頻在IHz左右，掃描一幅512X512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(qū)域一般只有幾微米到幾十微米。為尋找樣品上的特征結(jié)構(gòu)而反復(fù)掃描不同區(qū)域又會進一步導致時間開銷的成倍增大。
[0004]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(tǒng)等各主要環(huán)節(jié)的帶寬共同決定。其中探針和掃描器是影響系統(tǒng)整體帶寬的最關(guān)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(yīng)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(guī)探針小一個數(shù)量級。絕大多數(shù)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(xiàn)的高速原子力顯微鏡系統(tǒng)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(xiàn)對光杠桿激光束的聚焦。與之相對應(yīng)的原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(qū)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，三維掃描器搭載樣品，其帶寬受樣品質(zhì)量的限制，因此只適用于很小的樣品。第二種結(jié)構(gòu)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(gòu)，而這種機構(gòu)安裝起來并不方便，且在掃描范圍較大時仍會出現(xiàn)光斑偏移現(xiàn)象。
[0005]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(shè)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(jīng)90°反射后進入測頭Z掃描器所搭載的非球面透鏡，再經(jīng)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(jīng)90°反射平行于Y軸從測頭射出并進入后續(xù)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(yīng)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(tǒng)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(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)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(tǒng)。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)，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(shè)置有對應(yīng)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。
[0008]所述的樣品固定在所述的X向掃描器上。
[0009]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(shè)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(shè)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(jīng)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。
[0010]所述的Z向掃描器的行程小于非球面透鏡的景深。
[0011]所述的非球面透鏡、熱反射鏡、Z向掃描器、探針夾持器和懸臂梁探針隨Y向掃描器一起運動，掃描過程中激光相對于懸臂梁探針的位置、入射角以及焦斑大小保持不變。
[0012]所述的光杠桿檢測模塊包括有沿二維掃描模塊中的非球面透鏡的主光軸方向依次設(shè)置的四分之一波片、極化分光鏡、準直鏡和近紅外激光器，以及依次設(shè)置在所述極化分光鏡的反射光路上的帶通濾光片和光電探測器。
[0013]所述的掃描模塊中的非球面透鏡和熱反射鏡以及光杠桿檢測模塊中的準直鏡、極化分光鏡、四分之一波片和帶通濾光片均對近紅外波段有效；非球面透鏡、準直鏡、極化分光鏡、四分之一波片和帶通濾光片的設(shè)計波長或中心波長與近紅外激光器發(fā)出的激光波長一致。
[0014]所述的光杠桿檢測模塊和掃描模塊之間傳遞的激光束為平行光束，傳播方向平行于Y軸，偏振形式為線偏光。
[0015]所述的光學顯微鏡模塊包括有依次設(shè)置在掃描模塊中的熱反射鏡正上方的物鏡、分光鏡、管鏡和相機，以及設(shè)置在所述分光鏡入射光路上的照明光源，所述照明光源同軸耦合進入物鏡，所述物鏡的焦平面位于懸臂梁探針上或位于樣品的表面。
[0016]本發(fā)明的一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)，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。具有如下效果:
[0017]1、激光聚焦光斑接近衍射極限，適用于高速超短微懸臂梁探針；
[0018]2、對于任意XY行程，皆能保持激光對懸臂梁的跟蹤，避免了掃描器運動引起的光杠桿檢測誤差；
[0019]3、XY掃描面為純平面，無彎曲畸變；
[0020]4、三個分立一維掃描器結(jié)構(gòu)簡單，負載小，帶寬大，適用于高速掃描；
[0021]5、采用獨立的光學顯微鏡觀察探針和樣品，能夠得到高質(zhì)量的光學圖像；
[0022]6、光學檢測系統(tǒng)與掃描運動機構(gòu)相互獨立，方便調(diào)試和升級。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中
[0025]1:垂直升降電機2:X向掃描器
[0026]3:Y向掃描器4:非球面透鏡
[0027]5:熱反射鏡6:Ζ向掃描器
[0028]7:探針夾持器8:懸臂梁探針
[0029]9:近紅外激光器10:準直鏡
[0030]11:極化分光鏡12:四分之一波片
[0031]13:帶通濾光片14:光電探測器
[0032]15:物鏡16:照明光源
[0033]17:分光鏡18:管鏡
[0034]19:相機20:樣品
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)做出詳細說明。
[0036]本發(fā)明的一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)，采用上下組合掃描方式，其中位于下方的樣品臺包含用于進針的垂直電機和X軸一維掃描器，樣品搭載于掃描器上做X向掃描，位于上方的測頭包含串聯(lián)的Y、Z兩個一維方向掃描器和相應(yīng)的光學檢測與觀察裝置，探針跟隨測頭做YZ向掃描。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明的一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡系統(tǒng)，包括有搭載在垂直升降電機I上的用于對樣品20進行水平方向一維掃描的X向掃描器2，所述的樣品20固定在所述的X向掃描器2上，X向掃描器2帶動樣品沿X軸做往復(fù)直線掃描運動。還設(shè)置有對應(yīng)于樣品20用于對樣品20進行Y、Z向掃描的二維掃描模塊I，以及與所述的二維掃描模塊I光路連接用于對樣品20進行光學檢測的光杠桿檢測模塊II和光學顯微鏡模塊II1
[0038]所述的二維掃描模塊I包括有對樣品20進行水平方向一維掃描的Y向掃描器3，對樣品20進行豎直方向一維掃描的Z向掃描器6，Y向掃描器3和Z向掃描器6分別為獨立的一維掃描器，所述的Z向掃描器6固定在所述Y向掃描器3的運動部上，且所述的X向掃描器2、Y向掃描器3和Z向掃描器6的運動方向相互正交，掃描區(qū)域為純平面。所述Y向掃描器3的運動部上設(shè)置有非球面透鏡4和熱反射鏡5，所述的非球面透鏡4的主光軸與Y軸平行，所述的熱反射鏡5分別與Z軸和Y軸成45°角，反射面朝向非球面透鏡4和Z向掃描器6，所述的Z向掃描器6的行程小于非球面透鏡4的景深。所述Z向掃描器6的底端通過探針夾持器7設(shè)置有用于對樣品20進行檢測的懸臂梁探針8，所述懸臂梁探針8為高速超短懸臂梁探針，所述懸臂梁探針8位于非球面透鏡4經(jīng)熱反射鏡5反射后的焦點處，所述懸臂梁探針8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。
[0039]所述的非