[发明专利]激光扫描力显微镜

说明书

本发明涉及一种采用纳米测试技术计量表面的微细结构的计量设备，特别涉及一种激光扫描力显微镜。

扫描力显微镜，包括原子力扫描显微镜，静电力扫描显微镜，磁力扫描显微镜及热力扫描显微镜，是通过微探针与被测样品之间的作用力来获得样品表面微细结构信息，还可用于研究样品表面的的磁学与电学性质。扫描力显微镜的工作模式可分为接触模式和非接触模式两种，接触模式是通过测量微探针的变位来确定样品与微探针相互作用力的变化，进而确定样品表面的微观结构，它具有原子量级的横向分辨率，其缺陷是测量薄软样品时会损伤样品表面。采用光学方法测量微探针变位或者振幅变化，常用的方法为光杠杆法及各种光干涉法，如已商品化的原子力显微镜，测量样品表面的形貌是微探针与样品之间纵向力和切向力共同作用的结果，虽有很高的纵向分辨率和横向分辨率，但测量精度较低。而光干涉法仅对纵向力产生的微探针变位灵敏，而对切向力的作用不灵敏，因而测量精度较高，各种光干涉探针法通常采用共路或准共路设计，如利用Nomarski原理制成的干涉光探针和利用衍射光栅分光的双通道干涉光探针，形成干涉信号的两束光分别从微探针的头部和尾部反射，此外还有双焦共路干涉光探针和光纤干涉光探针等，光干涉探针法的优点是具有较高的测量精度和稳定性，其缺陷是对光学元件的质量要求较高，其光学系统结构较为复杂。

本发明的目的在于提供一种结构新颖的激光扫描力显微镜，它具有结构紧凑、体积小、抗干扰能力强、性能稳定可靠等优点，其纵向分辨率为0.01nm，横向分辨率为5nm。实现本发明目的而采用的技术措施：(1)率先发现并利用了光在微探针上的点衍射干涉现象，图1为常见的微探针结构图，基片91为(111)型硅单晶基片，微悬臂92厚度为0.4μm，长度为200μm或100μm，谐振频率为13KHz或40KHz，弹性系数为0.02N/m或0.09N/m，其表面上镀有Au/Cr反射层，(111)型硅微探针93固定在微悬臂92上，其尖端直径小于纳米量级，当入射平行激光束通过显微物镜会聚在微悬臂端部上表面时，其光轴与微悬臂表面垂直，会聚光斑为直径几微米的弥散斑，会聚弥散斑一部份覆盖了空心针尖处，于是会聚光束的一部份被微悬臂表面反射从原路返回，形成反射波面，另一部份被微悬臂空心针尖处后向衍射返回，形成衍射波面，图中实线为反射波面，虚线为衍射波面，这两个波面形成共路干涉；干涉条纹的间隔与几何反射点S₁和衍射点S₂的相对位置有关，当反射点相对于微悬臂表面有离焦时，条纹为弯曲或圆环，干涉条纹的对比度同反射光相对于衍射光的光强比有关，通过调焦及平移微悬臂可以调节光强比，以获得最佳的条纹对比度。可见空心三角微悬臂由于结构特征实际上是相当于一种天然的反射型点衍射板，起共路干涉分束器的作用。(2)利用点衍射干涉作为精确测量微悬臂的变位，即微探针变位时场点P相位差发生变化，如图2所示，用实线表示微探针变位前的位置，虚线表示变位后的位置，设变位量为h，图2显示出反射型点衍射干涉的瞳窗关系，在微悬臂表面上的反射点S₁和衍射点S₂实际上可视为干涉系统的两个出瞳，产生干涉条纹的观察屏就是出窗，P为出窗B上的任意点，当微悬臂探针不动时，S₁和S₂点相对于P点的相位差是固定的；当微悬臂探针产生变位时，几何会聚点S₁的位置保持不动，但其象点在S₁′，而衍射点S₂的位置将随微悬臂的变化而变位，由S₂移至S₂′。此时P点的相位差的变化量Δφ=4πh/λ，可见干涉条纹将随微悬臂的变位而变位。通过对干涉条纹的相位检测就能精确地测出相位差的变化，从而精确地测出微悬臂的变位大小，而微探针变位是由于微探针与被测样品之间的近场作用力(原子力或范德华力)的变化引起的，这一近场力变化是由于样品在二维扫描时表面的微观结构引起的，因此精确测出微悬臂的变位大小，就可测出样品表面的三维微观结构。

以下结合附图3详细叙述本发明的具体内容。