一種快速掃描原子力顯微檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬微納米技術(shù)及顯微檢測成像技術(shù)領(lǐng)域，更特殊地，涉及一種快速掃描原子力顯微檢測方法及系統(tǒng)，用于實現(xiàn)原子力顯微鏡的高速度、高精度、無畸變的快速掃描及微納米顯微檢測成像。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，微納米技術(shù)的研宄及應(yīng)用得到飛速發(fā)展，已成為二十一世紀(jì)世界各主要國家優(yōu)先發(fā)展的重點及前沿領(lǐng)域。而光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)及掃描探針顯微鏡(SPM)等微納米顯微檢測成像技術(shù)，是微納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。SPM家族中最具代表性的是掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)，其中尤其以AFM的研宄和應(yīng)用更為廣泛，因為AFM不受微納米樣品的導(dǎo)電性、磁性及物質(zhì)態(tài)(固態(tài)、膠體、液態(tài))等的限制，因而在微納米電子學(xué)、微納米光電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料與高分子科學(xué)、生命科學(xué)及微納米技術(shù)的其他領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用，極大地推動了微納米技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步起到了重要作用。
[0003]隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，對微納米顯微檢測與成像技術(shù)也提出了新的要求，對AFM技術(shù)也不例外。此前，世界上絕大多數(shù)常規(guī)型AFM，其掃描速度都是較慢甚至很慢的，例如，某些進(jìn)口的AFM儀器系統(tǒng)，掃描一幅AFM圖像(如128\128、256父256、512父512像素)，需要用10~60分鐘時間，有的掃描時間甚至更長。這就大大限制了 AFM的顯微檢測成像的實時性，進(jìn)而影響其總體性能及推廣應(yīng)用。宄其原因，主要是絕大多數(shù)常規(guī)型AFM采用XYZ固定在一起的掃描與反饋控制器(三角架型或管狀四等分型)，或者采用XY固定在一起的掃描器，使得X方向的掃描與Y方向的掃描互相不獨立，彼此之間因存在固定連接而造成嚴(yán)重制約干擾，從而無法提高掃描速度，特別是無法提高X方向(快掃描軸)的掃描速度。而對于高速掃描而言(以每秒I幅128X128~256X256像素的掃描速度為例)，X方向需要達(dá)到每秒128 X 128-256 X 256像素點的掃描速度(Y需要達(dá)到每秒128~256像素的掃描速度)，其中的X方向的超高掃描速度，是上述常規(guī)型AFM及其掃描器無法實現(xiàn)的。同時，上述常規(guī)型AFM中，X、Y、Z方向的掃描及反饋控制彼此固定在一起，兩兩之間彼此不獨立，在掃描過程中特別是在試圖以較快速度掃描時，三個方向會存在相互耦合干擾與制約，既使掃描速度無法進(jìn)一步提升，也會使AFM圖像產(chǎn)生畸變。
[0004]為了提高AFM的掃描速度，國外研宄者曾提出一種音叉掃描型AFM，采用將樣品粘在一個可以在X方向共振的音叉上，再將音叉一端與Y方向掃描器固定在一起的方法，實現(xiàn)每幅圖像128X128像素的高速掃描成像。這一方法具有一定的新意，不過，由于音叉在X方向振動幅度的不確定性及非線性，使掃描范圍及精度難以精確控制，甚至?xí)?dǎo)致AFM圖像在X方向的扭曲或畸變；同時，由于音叉一端與Y方向掃描器固定連接在一起，也必然會與Y方向掃描器之間產(chǎn)生相互耦合干擾和制約，從而造成圖像在Y方向的失真或畸變。此外，由于樣品需要粘貼在音叉的一個臂上進(jìn)行高速共振掃描，因此樣品的大小和重量必須非常小，從而也大大限制了其性能及實用性。為此，需要克服常規(guī)型AFM及音叉掃描型AFM的局限性，研宄發(fā)展出新型的快速掃描原子力顯微檢測技術(shù)。
[0005]本發(fā)明提出了一種快速掃描原子力顯微檢測方法，發(fā)展和建立快速掃描原子力顯微檢測系統(tǒng)。采用X方向獨立地快速掃描微探針、Y方向快速掃描樣品，并且使Z向負(fù)反饋與Y方向掃描正交獨立的方法，實現(xiàn)原子力顯微檢測系統(tǒng)對微納米樣品的快速掃描及顯微檢測成像。本發(fā)明很好地克服了常規(guī)型AFM及音叉掃描型AFM的上述局限性，為實現(xiàn)微納米樣品的高速度(如1~10幅圖像/秒，而常規(guī)型AFM速度一般為10~60分鐘I幅圖像)、高精度、無畸變的快速掃描與原子力顯微檢測成像提供了新的技術(shù)方法及途徑?？蓮V泛應(yīng)用于微納米技術(shù)的各個領(lǐng)域，進(jìn)而滿足我國在科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展及國防等領(lǐng)域的國家需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服常規(guī)型AFM及音叉掃描型AFM的局限性，提供一種快速掃描原子力顯微檢測方法及系統(tǒng)。
[0007]快速掃描原子力顯微檢測方法是采用在X方向獨立地快速掃描微探針、在Y方向獨立地快速掃描樣品并且使Z向負(fù)反饋與Y方向掃描正交獨立的方法，實現(xiàn)原子力顯微檢測系統(tǒng)對微納米樣品的快速掃描及快速顯微檢測成像；利用X方向快速片狀掃描器，獨立地實現(xiàn)微探針在X方向的快速掃描，并完全避免Y方向的掃描對其造成的制約干擾；同時，利用Y方向快速掃描器，既獨立地實現(xiàn)樣品的Y方向快速掃描，又完全避免X方向掃描對其造成的制約干擾；此外，X、Y、Z方向的掃描及反饋彼此分離獨立或正交獨立，能有效地消除因兩兩耦合干擾而造成的原子力顯微圖像畸變。
[0008]快速掃描原子力顯微檢測系統(tǒng)包括快速掃描原子力顯微檢測主體探頭、光電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器、Z向負(fù)反饋控制模塊、X方向快速掃描控制模塊、Y方向快速掃描控制模塊、計算機(jī)；光電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器、Z向負(fù)反饋控制模塊、X方向快速掃描控制模塊、Y方向快速掃描控制模塊分別與快速掃描原子力顯微檢測主體探頭、計算機(jī)連接。
[0009]所述的快速掃描原子力顯微檢測主體探頭包括微探針、X方向快速片狀掃描器、樣品、Z向反饋控制器、凹形塊、Y方向快速掃描器、基塊、激光器、第一楔形反射鏡、集束透鏡、第二楔形反射鏡、光電偏轉(zhuǎn)探測器、橫架、升降主塊、導(dǎo)軌、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、立塊、底座；微探針安裝在X方向快速片狀掃描器外端，后者左端固定在升降主塊上；樣品安裝在Z向反饋控制器上，后者下沉式安裝在凹形塊上；凹形塊兩側(cè)與Y方向快速掃描器固定，后者另兩端固定在基塊上；基塊安裝在底座上；激光器、第一楔形反射鏡、集束透鏡均固定在橫架上；第二楔形塊、光電偏轉(zhuǎn)探測器、橫架安裝在升降主塊上；升降主塊通過導(dǎo)軌安裝在立塊上，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使升降主塊微調(diào)升降；立塊安裝在底座上。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是:采用X方向快速片狀掃描器掃描微探針，能夠獨立地實現(xiàn)微探針的X方向快速掃描，并完全避免Y方向的掃描對其造成的制約干擾；同時，采用Y方向快速掃描器掃描樣品，既可獨立地實現(xiàn)樣品的Y方向快速掃描，又能完全避免X方向掃描對其造成的制約干擾；此外，X、Y、Z方向的掃描及反饋彼此分離獨立或正交獨立，能有效地消除因兩兩耦合干擾而造成的AFM圖像畸變。總之，本發(fā)明的快速掃描原子力顯微檢測方法及系統(tǒng)，克服了常規(guī)型AFM與音叉掃描型AFM的局限性，可實現(xiàn)微納米樣品的高速度、高精度、無畸變的快速掃描與原子力顯微檢測成像。
【附圖說明】
[0011]圖1是快速掃描原子力顯微檢測方法及系統(tǒng)示意圖；
圖2是本發(fā)明的快速掃描原子力顯微檢測主體探頭示意圖；
圖3 Ca)是本發(fā)明的X方向快速片狀掃描器及微探針側(cè)視圖；
圖3 (b)是本發(fā)明的X方向快速片狀掃描器及微探針俯視圖；
圖4 Ca)是本發(fā)明的Y方向快速掃描器與Z向反饋控制器及樣品側(cè)視圖；
圖4 (b)是本發(fā)明的Y方向快速掃描器與Z向反饋控制器俯視圖；
圖中:快速掃描原子力顯微檢測主體探頭1、光電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器2、Z向負(fù)反饋控制模塊3、X方向快速掃描控制模塊4、Y方向快速掃描控制模塊5、計算機(jī)6、微探針7、X方向快速片狀掃描器8、樣品9、Z向反饋控制器10、凹形塊11、Y方向快速掃描器12、基塊13、激光器14、第一楔形反射鏡15、集束透鏡16、第二楔形反射鏡17、光電偏轉(zhuǎn)探測器18、橫架19、升降主塊20、導(dǎo)軌21、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)22、立塊23、底座24。
【具體實施方式】
[0012]快速掃描原子力顯微檢測方法是采用在