一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统

摘要

一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，包括有搭载在垂直升降电机上的用于对样品进行水平方向一维扫描的X向扫描器，还设置有对应于样品用于对样品进行Y、Z向扫描的二维扫描模块，以及与所述的二维扫描模块光路连接用于对样品进行光学检测的光杠杆检测模块和光学显微镜模块。所述的样品固定在所述的X向扫描器上。本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，能够在保证较小的激光光斑尺寸与较大范围的光束跟踪能力的同时，获得更高的扫描器带宽和更好的光学观察效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子力显微镜系统。特别是涉及一种适用于高速扫描的原子力显微镜系 统。

背景技术

原子力显微镜是微纳米尺度形貌表征和物理特性测试的重要工具，在半导体、纳米材料、 新能源、生命科学等领域有着广泛的应用。原子力显微镜具有分辨率高，对样品无导电性要 求，可在大气、液相、真空等多种环境下工作，能够实现原位测试与加工等诸多优点，近年 来已成为许多前沿科学研究与精密制造行业中的必备检测仪器之一。

尽管有着其他设备难以企及的优势，但原子力显微镜亦存在一些明显的不足。工作效率 低下是目前此类设备最突出的缺点。常规原子力显微镜的扫描行频在1Hz左右，扫描一幅 512×512像素的图像须耗时八分半钟以上。而原子力显微镜的扫描范围通常都比较小，一幅 图像所覆盖的区域一般只有几微米到几十微米。为寻找样品上的特征结构而反复扫描不同区 域又会进一步导致时间开销的成倍增大。

原子力显微镜的最大扫描速度由探针、扫描器、控制器、电子系统等各主要环节的带宽 共同决定。其中探针和扫描器是影响系统整体带宽的最关键因素。为了在不增大针尖样品作 用力的前提下提高探针的响应速度，必须使用尺寸更小的悬臂梁探针。此类探针的梁长仅为 几微米到二三十微米，比常规探针小一个数量级。绝大多数原子力显微镜均采用光杠杆方法 检测探针悬臂梁的变形，探针尺寸的减小意味着照射于梁上的激光光斑必须更小。为了获得 合适的激光光斑，近年出现的高速原子力显微镜系统均采用了光杠杆与光学显微镜同轴的检 测光路，即借助光学显微镜的高倍物镜在观察样品的同时实现对光杠杆激光束的聚焦。与之 相对应的原子力显微镜结构有两种，一种以Asylum Research公司的Cypher系列原子力显微 镜为代表，此类系统中测头部分只包含探针夹持装置和检测光路，工作时测头固定，样品在 扫描器驱动下做XYZ扫描；另一种是以Bruker公司的FastScan系列原子力显微镜为代表的 结构，该结构中测头本身集成了扫描器，工作时样品不动，测头做XYZ扫描。在第一种结构 中，三维扫描器搭载样品，其带宽受样品质量的限制，因此只适用于很小的样品。第二种结 构中，为保证探针随扫描器移动时激光光斑相对悬臂梁的位置不变，必须引入跟踪透镜机构， 而这种机构安装起来并不方便，且在扫描范围较大时仍会出现光斑偏移现象。

本专利申请人于2013年提出了一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头设计方案 (201310514419.4)，该方案采用了测头-样品组合扫描方式，其中测头做YZ向扫描，样品做 X向扫描。光杠杆激光束平行于Y轴射入测头Y扫描器所搭载的直角棱镜，经90°反射后进 入测头Z扫描器所搭载的非球面透镜，再经非球面透镜聚焦在探针悬臂梁上；悬臂梁反射光 回到非球面透镜变成平行光束射向直角棱镜，再经90°反射平行于Y轴从测头射出并进入后 续光学检测模块。因Y、Z扫描器的运动方向分别平行于激光束在相应位置的传播方向，因 此无论扫描器行程多大均不会改变聚焦光斑在探针悬臂梁上的相对位置。该测头中的非球面 透镜既用来聚焦激光束，又兼作物镜用于观察样品、定位探针。由于单片非球面透镜无法消 除色差，该系统对样品的光学观察效果并不理想。另一方面，因非球面透镜搭载在Z扫描器 上，导致Z扫描器的带宽减小，限制了扫描速度的进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在保证较小的激光光斑尺寸与较大范围的 光束跟踪能力的同时，获得更高的扫描器带宽和更好的光学观察效果的适用于高速扫描的原 子力显微镜系统。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，包括有搭载在 垂直升降电机上的用于对样品进行水平方向一维扫描的X向扫描器，还设置有对应于样品用 于对样品进行Y、Z向扫描的二维扫描模块，以及与所述的二维扫描模块光路连接用于对样 品进行光学检测的光杠杆检测模块和光学显微镜模块。

所述的样品固定在所述的X向扫描器上。

所述的二维扫描模块包括有对样品进行水平方向一维扫描的Y向扫描器，对样品进行竖 直方向一维扫描的Z向扫描器，所述的Z向扫描器固定在所述Y向扫描器的运动部上，且所 述的X向扫描器、Y向扫描器和Z向扫描器的运动方向相互正交，所述Y向扫描器的运动部 上设置有非球面透镜和热反射镜，所述的非球面透镜的主光轴与Y轴平行，所述的热反射镜 分别与Z轴和Y轴成45°角，反射面朝向非球面透镜和Z向扫描器，所述Z向扫描器的底端 通过探针夹持器设置有用于对样品进行检测的悬臂梁探针，所述悬臂梁探针位于非球面透镜 经热反射镜反射后的焦点处，所述悬臂梁探针的宽度方向与Y轴平行，长度方向与X轴成8°～ 12°夹角，且探针针尖位于最低点。

所述的Z向扫描器的行程小于非球面透镜的景深。

所述的非球面透镜、热反射镜、Z向扫描器、探针夹持器和悬臂梁探针随Y向扫描器一 起运动，扫描过程中激光相对于悬臂梁探针的位置、入射角以及焦斑大小保持不变。

所述的光杠杆检测模块包括有沿二维扫描模块中的非球面透镜的主光轴方向依次设置的 四分之一波片、极化分光镜、准直镜和近红外激光器，以及依次设置在所述极化分光镜的反 射光路上的带通滤光片和光电探测器。

所述的扫描模块中的非球面透镜和热反射镜以及光杠杆检测模块中的准直镜、极化分光 镜、四分之一波片和带通滤光片均对近红外波段有效；非球面透镜、准直镜、极化分光镜、 四分之一波片和带通滤光片的设计波长或中心波长与近红外激光器发出的激光波长一致。

所述的光杠杆检测模块和扫描模块之间传递的激光束为平行光束，传播方向平行于Y轴， 偏振形式为线偏光。

所述的光学显微镜模块包括有依次设置在扫描模块中的热反射镜正上方的物镜、分光镜、 管镜和相机，以及设置在所述分光镜入射光路上的照明光源，所述照明光源同轴耦合进入物 镜，所述物镜的焦平面位于悬臂梁探针上或位于样品的表面。

本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，能够在保证较小的激光光斑尺寸与 较大范围的光束跟踪能力的同时，获得更高的扫描器带宽和更好的光学观察效果。具有如下 效果：

1、激光聚焦光斑接近衍射极限，适用于高速超短微悬臂梁探针；

2、对于任意XY行程，皆能保持激光对悬臂梁的跟踪，避免了扫描器运动引起的光杠杆 检测误差；

3、XY扫描面为纯平面，无弯曲畸变；

4、三个分立一维扫描器结构简单，负载小，带宽大，适用于高速扫描；

5、采用独立的光学显微镜观察探针和样品，能够得到高质量的光学图像；

6、光学检测系统与扫描运动机构相互独立，方便调试和升级。

附图说明

图1是本发明一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统的整体结构示意图。

图中

1：垂直升降电机  2：X向扫描器

3：Y向扫描器     4：非球面透镜

5：热反射镜      6：Z向扫描器

7：探针夹持器    8：悬臂梁探针

9：近红外激光器  10：准直镜

11：极化分光镜   12：四分之一波片

13：带通滤光片   14：光电探测器

15：物镜         16：照明光源

17：分光镜       18：管镜

19：相机         20：样品

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统做出详细说 明。

本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，采用上下组合扫描方式，其中位于 下方的样品台包含用于进针的垂直电机和X轴一维扫描器，样品搭载于扫描器上做X向扫描， 位于上方的测头包含串联的Y、Z两个一维方向扫描器和相应的光学检测与观察装置，探针 跟随测头做YZ向扫描。

如图1所示，本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，包括有搭载在垂直升 降电机1上的用于对样品20进行水平方向一维扫描的X向扫描器2，所述的样品20固定在 所述的X向扫描器2上，X向扫描器2带动样品沿X轴做往复直线扫描运动。还设置有对应 于样品20用于对样品20进行Y、Z向扫描的二维扫描模块I，以及与所述的二维扫描模块I 光路连接用于对样品20进行光学检测的光杠杆检测模块II和光学显微镜模块III。

所述的二维扫描模块I包括有对样品20进行水平方向一维扫描的Y向扫描器3，对样品 20进行竖直方向一维扫描的Z向扫描器6，Y向扫描器3和Z向扫描器6分别为独立的一维 扫描器，所述的Z向扫描器6固定在所述Y向扫描器3的运动部上，且所述的X向扫描器2、 Y向扫描器3和Z向扫描器6的运动方向相互正交，扫描区域为纯平面。所述Y向扫描器3 的运动部上设置有非球面透镜4和热反射镜5，所述的非球面透镜4的主光轴与Y轴平行， 所述的热反射镜5分别与Z轴和Y轴成45°角，反射面朝向非球面透镜4和Z向扫描器6， 所述的Z向扫描器6的行程小于非球面透镜4的景深。所述Z向扫描器6的底端通过探针夹 持器7设置有用于对样品20进行检测的悬臂梁探针8，所述悬臂梁探针8为高速超短悬臂梁 探针，所述悬臂梁探针8位于非球面透镜4经热反射镜5反射后的焦点处，所述悬臂梁探针 8的宽度方向与Y轴平行，长度方向与X轴成8°～12°夹角，且探针针尖位于最低点。

所述的非球面透镜4、热反射镜5、Z向扫描器6、探针夹持器7和悬臂梁探针8随Y向 扫描器3一起运动，即整体在3驱动下做Y向扫描运动。扫描过程中激光相对于悬臂梁探针 8的位置、入射角以及焦斑大小保持不变。

非球面透镜4的设计波长与本系统所用激光波长一致，镜体经裁剪仅保留激光通过的部 分，安装于热反射镜5前，其主光轴平行于Y轴且与光杠杆检测模块II射出的激光束重合， 其焦点经热反射镜转移后位于悬臂梁探针8的悬臂梁自由端，其景深大于Z扫描器6的行程。

所述的光杠杆检测模块II包括有沿二维扫描模块I中的非球面透镜4的主光轴方向依次 设置的四分之一波片12、极化分光镜11、准直镜10和近红外激光器9，以及依次设置在所 述极化分光镜11的反射光路上的带通滤光片13和光电探测器14。所述带通滤光片13紧邻 光电探测器14的感光面安装。

近红外激光器9发出的近红外激光束方向平行于Y轴，激光束依次经准直镜10准直后 平行于Y轴进入极化分光镜11并分解成偏振态相互垂直的两束线偏光(图中只画出实际使 用的一束)，其中沿原传播方向出射的偏振光穿过四分之一波片12射向二维扫描模块I中的 非球面透镜4。进入非球面透镜4的平行激光束经非球面透镜4和热反射镜5后垂直向下聚 焦于悬臂梁探针8上，悬臂梁探针8的反射光束经热反射镜5返回非球面透镜4，并由非球 面透镜4转换成平行光束射回光杠杆检测模块II。返回光杠杆检测模块II的激光束再次穿过 四分之一波片12进入极化分光镜11。由于两次经过四分之一波片12，回到极化分光镜11的 激光束偏振角旋转了90°，因而垂直于Y轴出射。由极化分光镜11反射出的激光束经带通滤 光片13(通带频率与激光频率一致)投射在光电探测器14上。扫描模块I和光杠杆检测模块 II中的上述光路即构成完整的光杠杆系统，悬臂梁探针8的微小偏转将导致反射光束回到极 化分光镜11时相对于入射光束在X轴方向出现平移，最终引起光电探测器14感光面上光斑 的位移。光学显微镜模块III中的物镜15、照明光源16、分光镜17、管镜18以及相机19组 成了一套典型的无限共轭光学显微镜系统，物镜15焦平面与非球面透镜4经热反射镜5转换 后的焦平面重合，借助光学显微镜模块III可直接观察样品及悬臂梁上的激光焦斑情况。

所述的扫描模块I中的非球面透镜4和热反射镜5，以及光杠杆检测模块II中的准直镜 10、极化分光镜11、四分之一波片12和带通滤光片13均对近红外波段有效；非球面透镜4、 准直镜10、极化分光镜11、四分之一波片12和带通滤光片13的设计波长或中心波长与近红 外激光器9发出的激光波长一致。

所述的光杠杆检测模块II和扫描模块I之间传递的激光束为平行光束，传播方向平行于 Y轴，偏振形式为线偏光。

所述的光学显微镜模块III包括有依次设置在扫描模块I中的热反射镜5正上方的物镜 15、分光镜17、管镜18和相机19，以及设置在所述分光镜17入射光路上的照明光源16， 所述照明光源16同轴耦合进入物镜15，所述物镜15的焦平面位于悬臂梁探针8上或位于样 品20的表面。

光杠杆检测模块II和光学显微镜模块III可分别装在三维微动台上，通过微动台调整这 两个模块相对于扫描模块I的位置以确保激光束与非球面透镜4主光轴重合且光学显微镜模 块III能够对欲观察位置清晰成像。在安装悬臂梁探针8时，可通过光杠杆检测模块II中的 微调机构调整探针夹持器7的水平位置以及非球面透镜4沿Y向的位置以确保非球面透镜焦 点在悬臂梁探针8上的指定区域。扫描开始前，可借助光学显微镜模块III观察并调整样品 20位置，使待测点位于悬臂梁探针8针尖下方。该原子力显微镜系统的进针过程由垂直升降 电机1带动X向扫描器2及样品20整体上移实现。

本发明的一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统，由于X向扫描器2、Y向扫描器3 和Z向扫描器6相互正交，扫描区域为纯平面，不存在传统的管式三维扫描器的固有面型畸 变。由于各扫描器均为独立一维运动结构，较之集成的二维或三维扫描器，具有更简单的机 械结构和更优的动态性能。由于X向扫描器2和Y向扫描器3的运动均不改变光束传播方向， 因此理论上对于任意大小的X向扫描器2和Y向扫描器3的行程都不会影响激光在悬臂梁探 针8的悬臂梁上的反射位置和角度。另一方面，由于Z向扫描器6的行程小于非球面透镜的 景深范围，因此可认为悬臂梁探针8的悬臂梁上的激光焦斑尺寸不变。本发明中光路设计实 现了扫描过程中激光对悬臂梁探针8的跟踪，可保证光电探测器接收到的光斑不因扫描动作 本身而移位；仅当悬臂梁探针8因样品的形貌起伏而发生偏转变形时才会引起光电探测器上 光斑位置的改变。测头中的非球面透镜设计波长与所用激光波长一致，能够将激光会聚至接 近衍射极限尺寸，可满足各类超短微悬臂梁探针的检测需求。Z向扫描器6仅搭载质量很小 的悬臂梁探针8及探针夹持器7，带宽较之现有扫描器可大幅提高。本发明的一种适用于高 速扫描的原子力显微镜系统在进行高速扫描时，应以X向为快轴，Y向为慢轴。