[发明专利]一种适用于高速扫描的原子力显微镜系统

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。