專利名稱:具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及掃描隧道顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種同時具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡。
背景技術(shù)：
具有特定功能的微小表面拓?fù)湫螤畹拇蠓秶⒏呱頮寬比三維微納結(jié)構(gòu)，包括 (1)微光學(xué)元件，如凹槽、微透鏡陣列、微金字塔結(jié)構(gòu)等；(2)微型模具，如二維平面光柵金屬模板、微鏡頭陣列成型模具，LCD顯示屏導(dǎo)光板模具等，它們已經(jīng)成為光電、通訊以及精密測量等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件，由此衍生出的產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、高清晰顯示系統(tǒng)、光纖通訊、平面光柵定位系統(tǒng)等已形成了數(shù)以億計的全球市場，在航空、航天、電子、化工、生物、醫(yī)療等許多領(lǐng)域扮演著重要角色，有著廣闊的應(yīng)用前景。這些三維微納結(jié)構(gòu)的形狀將直接影響相關(guān)器件的多項性能指標(biāo)，如驅(qū)動力、工作頻率范圍、靈敏度和位移量等，因此對其進(jìn)行表面形貌的超精密測量非常必要，而且測量是用來保證加工的，其精度往往至少要高于加工一個數(shù)量級。所以，如果沒有先進(jìn)的測量手段和儀器去保證或檢驗加工出的三維微納結(jié)構(gòu)，就會使其加工無標(biāo)準(zhǔn)可遵循，因此所謂的加工也就是盲目的。隨著現(xiàn)代微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電路、微光學(xué)元件、微機(jī)械以及其它各種微器件不斷出現(xiàn)，對大面積、高深_寬比微納結(jié)構(gòu)表面形貌超精密測量的需求越發(fā)迫切。
在眾多超精密測量技術(shù)中，掃描隧道顯微鏡是依然是三維微納形貌測量最直接、 最能如實反映被測試件微納結(jié)構(gòu)的有效工具。它主要利用了針尖與樣品間納米間隙的量子隧道效應(yīng)引起的隧道電流與間隔成指數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)樣品的局域探測。雖然傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡測量精度很高，其縱向分辨率可達(dá)到0. 001-0. Olnm，橫向分辨率也可大lnm，然而二者橫向測量長度一般在幾微米或幾十微米量級。傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡都是采用三維壓電陶瓷管驅(qū)動的掃描模式，無法實施高速、大范圍、高深-寬比的微納測量，也使得它們的使用范圍僅限于實驗室內(nèi)的微納形貌和幾何量測量，不具備大范圍、高深-寬比的測量能力，無法滿足現(xiàn)在超精密測量領(lǐng)域的發(fā)展需求。因此，在這一方面，急需對原有測量儀器進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)展一種新型的掃描隧道顯微檢測系統(tǒng)，使其同時具有大范圍和高深-寬比的測量能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同時具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡。
具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡包括L型基座、第一轉(zhuǎn)接板、 X軸手動平移臺、Y軸手動平移臺、X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、手動傾角臺、 第二轉(zhuǎn)接板、樣品臺、第三轉(zhuǎn)接板、Z軸手動平移臺、Z軸直流電動平移臺、壓電陶瓷固定塊、 壓電陶瓷、前置放大電路單元、探針夾持機(jī)構(gòu)和探針；L型基座底板、第一轉(zhuǎn)接板、X軸手動平移臺、Y軸手動平移臺、X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、手動傾角臺、第二轉(zhuǎn)接板、樣品臺順次相連，L型基座側(cè)板上部設(shè)有第三轉(zhuǎn)接板，第三轉(zhuǎn)接板上順次設(shè)有Z軸手動平移臺、Z軸直流電動平移臺、壓電陶瓷固定塊，壓電陶瓷固定塊垂直設(shè)有壓電陶瓷，壓電陶瓷下端順次設(shè)有前置放大電路單元、探針夾持機(jī)構(gòu)和探針。
所述的第三轉(zhuǎn)接板的 材料為尼龍，探針的材料為99. 999%純鎢。所述的樣品臺中間設(shè)有沉孔，沉孔內(nèi)裝有圓形磁鐵。所述的手動傾角臺為具有二維角運(yùn)動自由度調(diào)節(jié)的手動傾角臺。所述的X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、Z軸直流電動平移臺行程均為30 mm。所述的壓電陶瓷行程為150 Mm。
本發(fā)明專利與傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡相比主要的優(yōu)勢在于平面掃描機(jī)構(gòu)由二維大范圍直流電機(jī)驅(qū)動平臺組成，縱向伺服機(jī)構(gòu)由長行程壓電陶瓷組成，克服了傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡采用單個三維壓電掃描管所帶來的測量速度低、測量范圍小、深-寬比測量能力弱等技術(shù)缺陷。而且，將平面掃描機(jī)構(gòu)和縱向伺服機(jī)構(gòu)分開，避免了平面掃描和縱向伺服運(yùn)動之間的耦合誤差，在提高掃描隧道顯微鏡的測量范圍的同時，也提高了其測量精度。利用該新型掃描隧道顯微鏡，可以將掃描隧道顯微鏡技術(shù)的測量范圍從Mffl量級提升到mm量級，深寬比測量能力從小于1:1提升到50:1以上，大大提升了掃描隧道顯微技術(shù)在微納測量領(lǐng)域的應(yīng)用能力。


圖1是具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2是本發(fā)明的樣品臺結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是大范圍掃描平面傾斜校正方法示意圖；
圖4是利用該新型掃描隧道顯微鏡對正弦光柵樣品的大范圍和高深-寬比掃描測量結(jié)
果；
圖中，L型大理石基座1、第一轉(zhuǎn)接板2、X軸手動平移臺3、Y軸手動平移臺4、X軸直流電動平移臺5、Y軸直流電動平移臺6、手動傾角臺7、第二轉(zhuǎn)接板8、樣品臺9、待測樣品10、 第三轉(zhuǎn)接板11、Z軸手動平移臺12、Z軸直流電動平移臺13、壓電陶瓷固定塊14、壓電陶瓷 15、前置放大電路單元16、探針夾持機(jī)構(gòu)17、探針18。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本專利進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
如附圖1所示，具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡包括L型基座1、第一轉(zhuǎn)接板2、X軸手動平移臺3、Y軸手動平移臺4、X軸直流電動平移臺5、Y軸直流電動平移臺6、手動傾角臺7、第二轉(zhuǎn)接板8、樣品臺9、第三轉(zhuǎn)接板11、Z軸手動平移臺12、 Z軸直流電動平移臺13、壓電陶瓷固定塊14、壓電陶瓷15、前置放大電路單元16、探針夾持機(jī)構(gòu)17和探針18 ；L型基座1底板、第一轉(zhuǎn)接板2、X軸手動平移臺3、Y軸手動平移臺4、X 軸直流電動平移臺5、Υ軸直流電動平移臺6、手動傾角臺7、第二轉(zhuǎn)接板8、樣品臺9順次相連，L型基座1側(cè)板上部設(shè)有第三轉(zhuǎn)接板11，第三轉(zhuǎn)接板11上順次設(shè)有動平移臺12、Ζ軸直流電動平移臺13、壓電陶瓷固定塊14，壓電陶瓷固定塊14垂直設(shè)有壓電陶瓷15，壓電陶瓷 15下端順次設(shè)有前置放大電路單元16、探針夾持機(jī)構(gòu)17和探針18。
所述的第三轉(zhuǎn)接板11的材料為尼龍，探針18的材料為99. 999%純鎢。如圖2所示，所述的樣品臺9中間設(shè)有沉孔，沉孔內(nèi)裝有圓形磁鐵。所述的手動傾角臺7為具有二維角運(yùn)動自由度調(diào)節(jié)的手動傾角臺。所述的X軸直流電動平移臺5、Y軸直流電動平移臺6、Ζ 軸直流電動平移臺13行程均為30 mm。所述的壓電陶瓷15行程為150 Mm。 實際實施中，對待測樣品-測量大平面、高深-寬比三維正弦光柵表面進(jìn)行掃描隧道顯微測量。為了實現(xiàn)對三維正弦光柵的大范圍、高深-寬比掃描，需要進(jìn)行平面傾斜校正，以確保在整個大范圍掃描范圍之內(nèi)，掃描探針與待測樣品都能夠相互作用在隧道電流區(qū)域，即整個掃描范圍都在壓電陶瓷的伺服行程范圍之內(nèi)。如圖3所示，平面傾斜校正的步驟為1. X軸直流電動平移臺移動1.2 _檢測到壓電陶瓷的伸長量為5 Mm，則調(diào)節(jié)手動傾角臺的偏擺角度為arctan (0.005 /1.2) ；2. Y軸直流電動平移臺移動1. 2 mm,檢測壓電陶瓷的伸縮量4. 5 Mm,調(diào)節(jié)手動傾角臺的俯仰角度為arctan (0.0045/1. 2)。進(jìn)行平面傾斜校正之后，用運(yùn)用該新型掃描隧道顯微鏡可對大范圍、高深-寬比的測量樣品正弦光柵進(jìn)行大范圍、高深-寬比表面形貌的超精密測量，掃描測量結(jié)果如圖4所示。從掃描結(jié)果可以看出，利用該發(fā)明專利，可 以準(zhǔn)確獲取大范圍、高深-寬比微納結(jié)構(gòu)的表面形貌的測量信肩、ο
權(quán)利要求
1.一種具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡，其特征在于包括L型基座(1)、第一轉(zhuǎn)接板(2)、X軸手動平移臺(3)、Y軸手動平移臺(4)、X軸直流電動平移臺(5)、 Y軸直流電動平移臺(6)、手動傾角臺(7)、第二轉(zhuǎn)接板(8)、樣品臺(9)、第三轉(zhuǎn)接板(11)、Z 軸手動平移臺(12)、Z軸直流電動平移臺(13)、壓電陶瓷固定塊(14)、壓電陶瓷(15)、前置放大電路單元(16)、探針夾持機(jī)構(gòu)(17)和探針(18) ；L型基座(1)底板、第一轉(zhuǎn)接板(2)、X 軸手動平移臺(3)、Y軸手動平移臺(4)、Χ軸直流電動平移臺(5)、Υ軸直流電動平移臺(6)、 手動傾角臺(7)、第二轉(zhuǎn)接板(8)、樣品臺(9)順次相連，L型基座(1)側(cè)板上部設(shè)有第三轉(zhuǎn)接板(11)，第三轉(zhuǎn)接板(11)上順次設(shè)有Z軸手動平移臺(12)、Ζ軸直流電動平移臺(13)、壓電陶瓷固定塊(14)，壓電陶瓷固定塊(14)垂直設(shè)有壓電陶瓷(15)，壓電陶瓷(15)下端順次設(shè)有前置放大電路單元(16 )、探針夾持機(jī)構(gòu)(17 )和探針(18 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡， 其特征在于所述的第三轉(zhuǎn)接板(11)的材料為尼龍，探針(18)的材料為99. 999%純鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡， 其特征在于所述的樣品臺(9)中間設(shè)有沉孔，沉孔內(nèi)裝有圓形磁鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡， 其特征在于所述的手動傾角臺(7)為具有二維角運(yùn)動自由度調(diào)節(jié)的手動傾角臺。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡， 其特征在于所述的X軸直流電動平移臺(5)、Υ軸直流電動平移臺(6)、Ζ軸直流電動平移臺 (13)行程均為30 mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有大范圍和高深_寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡， 其特征在于所述的壓電陶瓷(15)行程為150 Mm。
專利摘要
本發(fā)明公開一種具有大范圍和高深-寬比測量能力的掃描隧道顯微鏡。L型基座底板、第一轉(zhuǎn)接板、X軸手動平移臺、Y軸手動平移臺、X軸直流電動平移臺、Y軸直流電動平移臺、手動傾角臺、第二轉(zhuǎn)接板、樣品臺順次相連，L型基座側(cè)板上部設(shè)有第三轉(zhuǎn)接板，第三轉(zhuǎn)接板上順次設(shè)有動平移臺、Z軸直流電動平移臺、壓電陶瓷固定塊，壓電陶瓷固定塊垂直設(shè)有壓電陶瓷，壓電陶瓷下端順次設(shè)有前置放大電路單元、探針夾持機(jī)構(gòu)和探針。本發(fā)明通過本發(fā)明將掃描隧道顯微鏡技術(shù)的測量范圍從微米量級提升到毫米兩級，深寬比測量能力從小于1:1提升到50:1以上，從而提高了掃描隧道顯微技術(shù)在微納測量領(lǐng)域的應(yīng)用能力。
文檔編號G01Q60/14GKCN102384986SQ201110338282
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月1日
發(fā)明者居冰峰, 張威, 朱吳樂, 楊舜堯, 陳遠(yuǎn)流 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan