專(zhuān)利名稱(chēng):掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種掃描探針顯微鏡(SPM)進(jìn)針裝置及進(jìn)針?lè)椒ā?br>背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(SPM)作為ー種高分辨率的三維形貌檢測(cè)儀器，不僅在生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)得到了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的高度重視(T. Ando, “High-speed atomicforce microscopy coming ofage”，Nanotechnology, 2012，23:06200-062028. )。SPM 在樣品表面掃描時(shí)，微懸臂梁上的探針與樣品相互作用，引起微懸臂梁偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)信號(hào)用于表征樣品表面的形貌變化，并能達(dá)到原子級(jí)高分辨率。根據(jù)探針與樣品表面作用方式的不同，SPM能實(shí)現(xiàn)表面磁場(chǎng)、載流子濃度分布、表面電容等多信息測(cè)量。隨著半導(dǎo)體エ業(yè)中加工線寬的不斷減小和高介電常數(shù)材料的大量使用，光學(xué)檢測(cè)和掃描電子顯微鏡檢測(cè)方法都遇到了技術(shù)障礙。SPM的高分辨率、多信息測(cè)量、三維成像等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在半導(dǎo)體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重·大作用。
高速、高通量的檢測(cè)是一種檢測(cè)技術(shù)能否在半導(dǎo)體エ業(yè)中實(shí)用化的關(guān)鍵。檢測(cè)速度的快慢將直接影響エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)效率，而測(cè)量速度慢恰恰是SPM的最大缺點(diǎn)。影響SPM測(cè)量速度主要包含兩方面因素其一，進(jìn)針時(shí)間，也就是探針由遠(yuǎn)離樣品表面位置(f 2_)，通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)(如步進(jìn)電機(jī))逼近至樣品表面掃描成像位置所需的時(shí)間，一般為幾十秒至數(shù)分鐘；其ニ，成像時(shí)間，也就是進(jìn)針完成后，從開(kāi)始第一點(diǎn)掃描直至完成一幅圖像顯示所需的時(shí)間，一般為幾分鐘至數(shù)十分鐘。
目前，對(duì)于縮短SPM的成像時(shí)間，已經(jīng)有很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)研究工作(B. J. Kenton, A. j. Fleming, K. K. Leang, “しompact ultra-fast vertical nanopositionerior improving scanning probe microscope scan speed，，，Review of scientificInstruments, 2011, 82 (12) : 123703-123711. ；C. Richter, M. Burri, T. Sulzbach, C.Penzkofer, B. Irmer, “Ultrashort cantilever probes for high speed atomic forcemicroscopy”，SPIE, 2011.),并有公司研制出相關(guān)產(chǎn)品(Bruker Ltd. , “Dimensionfastscan: the world’ s fastest AFM，，, 2011. http: //www. bruker~axs. com)。對(duì)亍縮短SPM的進(jìn)針時(shí)間，一般采用分段進(jìn)針的方法，即將進(jìn)針過(guò)程分為兩個(gè)部分第一部分為快速的粗進(jìn)針，步進(jìn)電機(jī)將探針從離樣品表面較遠(yuǎn)位置(Imm以上)快速逼近至較近位置(20um至200um)，逼近過(guò)程采用激光干涉儀、激光限位開(kāi)關(guān)、電容傳感器或通過(guò)攝像頭自動(dòng)聚焦完成位置判斷，中國(guó)專(zhuān)利200910220156. X采用激光限位開(kāi)關(guān)，美國(guó)專(zhuān)利U. S. Pat.No. 7, 770, 231B2.采用攝像頭自動(dòng)聚焦方法；第二部分為細(xì)進(jìn)針，在完成第一部分進(jìn)針至離樣品表面較近位置后，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，高速響應(yīng)電機(jī)或壓電陶瓷管作為驅(qū)動(dòng)器，如美國(guó)專(zhuān)利 U. S. Pat. No. 5，614，712 和 U. S. Pat. No. 2006/0230474A1.，配合一定的控制方法完成進(jìn)針過(guò)程，該過(guò)程能精確控制探針和樣品表面的距離，防止損壞，耗時(shí)較長(zhǎng)。
對(duì)于粗進(jìn)針部分，引入激光干涉儀或攝像頭自動(dòng)聚焦技術(shù)能避免探針與樣品撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。電容傳感器對(duì)電磁信號(hào)敏感，對(duì)操作環(huán)境要求高。中國(guó)專(zhuān)利200910220156. X發(fā)明的水平方向激光限位開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，但其每次變更限位開(kāi)關(guān)閾值都需要手動(dòng)調(diào)整激光器初始位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有SPM快速進(jìn)針裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、環(huán)境適應(yīng)能力低、操作不方便的不足，提供ー種新型的快速進(jìn)針裝置和方法，本發(fā)明不僅能實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)針，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能方便的集成于不同SPM結(jié)構(gòu)，適用于半導(dǎo)體エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)。
本發(fā)明掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置包括控制器、步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷掃描器、激光光源、光電傳感器和探針，還包括雙通道反射式光纖位移傳感器。所述控制器與步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷掃描器、激光光源、光電傳感器和雙通道反射式光纖位移傳感器中的激光器、接收器電連接?？刂破骱诵目刂茊卧捎们度胧街靼?，配合上位機(jī)完成數(shù)據(jù)通信，指令控制，AD數(shù)據(jù)采集，DA輸出，步進(jìn)電機(jī)控制，光電傳感器信息檢測(cè)，掃描器反饋控制，雙通道反射式光纖位移傳感器控制等。所述的控制器主要包括PC104嵌入式主板，步進(jìn)電機(jī)控制模塊，光電·傳感器信息檢測(cè)模塊，掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊。其中，PC104嵌入式主板是控制的核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，通過(guò)PC104總線實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制模塊，光電傳感器信息檢測(cè)模塊，掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊的控制；步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)被檢測(cè)樣品進(jìn)行對(duì)探針的逼近和遠(yuǎn)離動(dòng)作，用于實(shí)現(xiàn)快速粗進(jìn)針；光電傳感器信息檢測(cè)模塊用于檢測(cè)光電傳感器的輸出信號(hào)，判斷探針與樣品表面的接觸情況并為掃描器反饋控制模塊提供輸入信號(hào)；掃描器反饋控制模塊用于控制壓電陶瓷掃描器快速、高精度伸縮，從而精確控制探針與樣品表面的相互作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)損式細(xì)進(jìn)針；雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊用于控制激光器發(fā)射激光束，通過(guò)接收器接收反射回的激光并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為控制程序能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。
所述步進(jìn)電機(jī)以垂直于水平面方向固定在掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置的底座，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺桿連接壓電陶瓷掃描器。所述的壓電陶瓷掃描器能進(jìn)行X、Y、Z三軸方向微位移運(yùn)動(dòng)，壓電陶瓷掃描器上固定安裝樣品臺(tái)，樣品臺(tái)上水平固定放置樣品。探針安裝于探針座上并與掃描探針顯微鏡剛性連接，探針針尖朝下處于樣品臺(tái)正上方位置。探針上方固定安裝激光光源，激光光源以垂直于水平面方向發(fā)射激光束經(jīng)探針?lè)瓷渲廖挥谔结樞鄙戏降墓怆妭鞲衅?，光電傳感器通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整至接收探針?lè)瓷涔獍叩奈恢?，光電傳感器接收探針?lè)瓷涞墓獍呶恢眯盘?hào)，并將光斑位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入控制器，控制器通過(guò)光斑位置信號(hào)控制進(jìn)針過(guò)程并判斷進(jìn)針是否完成。雙通道反射式光纖位移傳感器用于檢測(cè)探頭與被測(cè)樣品表面之間的距離，雙通道反射式光纖位移傳感器由探頭、光纖、激光器和接收器構(gòu)成。所述的探頭頂端有三個(gè)圓孔，一個(gè)為激光發(fā)射孔，另外兩個(gè)分別為激光接收孔ー和激光接收孔ニ。所述的探頭固定在掃描探針顯微鏡探針座側(cè)面，探頭的頂端向下，垂直于被檢測(cè)樣品表面，探頭與探針的垂直距離為H，，且Hmin-hO〈H’〈Hmax-hO，其中Hmin為雙通道反射式光纖位移傳感器能夠檢測(cè)到的探頭與被測(cè)樣品表面的最小距離，Hmax為雙通道反射式光纖位移傳感器能夠檢測(cè)到的探頭與被測(cè)樣品表面的最大距離，hO為粗進(jìn)針結(jié)束時(shí)探針與樣品表面的距離。所述的光纖有三根，一根為發(fā)射光纖，另外兩根分別為第一接收光纖和第二接收光纖。發(fā)射光纖的一端固定連接激光發(fā)射孔，發(fā)射光纖的另一端固定連接激光器。第一接收光纖和第二接收光纖的一端分別固定連接第一激光接收孔和第二激光接收孔，第一接收光纖和第二接收光纖的另一端固定連接接收器。激光器和接收器分別與控制器電連接?？刂破鞯碾p通道反射式光纖位移傳感器控制模塊控制激光器發(fā)射激光束，此激光束通過(guò)所述的發(fā)射光纖傳導(dǎo)至探頭上的激光發(fā)射孔，激光束從激光發(fā)射孔垂直照射到被檢測(cè)樣品表面后，反射至探頭的兩個(gè)激光接收孔，兩個(gè)激光接收孔接收到的光信號(hào)分別通過(guò)兩根接收光纖傳導(dǎo)至接收器，接收器將兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2，雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊將兩路模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2分別轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vdl和Vd2,并將兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vd2與Vdl相除得出無(wú)量綱的數(shù)字量Vd,數(shù)字量Vd和探頭與樣品表面距離H在Hmin〈H〈Hmax范圍內(nèi)單調(diào)一致，建立數(shù)字量Vd與H——對(duì)應(yīng)的查找表。控制器雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊利用查找表通過(guò)Vd判斷探頭與樣品表面距離H，由于H=h+H’，其中h為探針與樣品表面的當(dāng)前距離，且探頭與探針的距離H’固定，則可判斷探針與樣品表面的距離h。
本發(fā)明進(jìn)針?lè)椒ò焖俚拇诌M(jìn)針和慢速的細(xì)進(jìn)針，具體為
·[0010]所述粗進(jìn)針?lè)椒òㄈ缦虏襟E
a.第一次進(jìn)針前，通過(guò)控制器設(shè)定粗進(jìn)針結(jié)束時(shí)探針與樣品表面的距離h0，控制器中的步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)被檢測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)到樣品表面與探針的距離為ho的位置，控制器的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊記錄通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器采集得到的數(shù)字量Vd，并將該數(shù)字量Vd記錄為常量VD ；
b.控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)樣品遠(yuǎn)離探針至lmnT2mm安全距離后，開(kāi)始粗進(jìn)針。
c.控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)以50um/s"l00um/s速度帶動(dòng)樣品臺(tái)上升，同時(shí)通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊檢測(cè)雙通道反射式光纖位移傳感器輸出數(shù)字量Vd，當(dāng)數(shù)字量Vd小于或等于步驟a設(shè)定的常量VD時(shí)，控制器步進(jìn)電機(jī)控制模塊停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，粗進(jìn)針完成；
所述細(xì)進(jìn)針?lè)椒òㄈ缦虏襟E
d.控制器的掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器向Z方向伸長(zhǎng)，逼近探針，同時(shí)控制器的光電傳感器信息檢測(cè)模塊檢測(cè)光電傳感器上由探針?lè)瓷浼す夤獍叩奈恢闷D(zhuǎn)信號(hào)；當(dāng)壓電陶瓷掃描器達(dá)到Z方向最大位移IunTSum時(shí)，如光電傳感器沒(méi)有輸出200mV飛OOmV突變電壓信號(hào)，則掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器在Z方向縮短到最小位移Oum位置，同時(shí)通過(guò)控制器步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)樣品向探針逼近，逼近位移量為壓電陶瓷掃描器Z方向最大位移量；
e.重復(fù)步驟d，直至光電傳感器產(chǎn)生200mV飛OOmV突變電壓信號(hào)為止，細(xì)進(jìn)針完成。
雙通道反射式光纖位移傳感器的工作原理和工作過(guò)程如下激光器發(fā)射激光束經(jīng)發(fā)射光纖傳導(dǎo)至探頭頂端的激光發(fā)射孔，激光束從激光發(fā)射孔垂直照射到被檢測(cè)樣品表面后，反射至探頭的兩個(gè)激光接收孔，激光發(fā)射孔和激光接收孔的孔徑相等，激光發(fā)射孔和激光接收孔的中心間距分別為Pl和p2，pl〈p2。兩個(gè)激光接收孔接收到的光信號(hào)分別通過(guò)兩根接收光纖傳導(dǎo)至接收器，接收器將兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)。兩路模擬電壓信號(hào)經(jīng)控制器的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊處理得出無(wú)量綱的數(shù)字量，該數(shù)字量在一定范圍內(nèi)與探頭樣品表面相對(duì)位移變化單調(diào)一致，建立該數(shù)字量與所述相對(duì)位移變化的查找表，通過(guò)查找表可得出當(dāng)前數(shù)字量對(duì)應(yīng)的探頭與被測(cè)樣品表面距離。
本發(fā)明通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器直接測(cè)量探頭與被測(cè)樣品表面的距離，從而測(cè)得探針與被測(cè)樣品表面的距離。由于探頭與探針的相對(duì)位置固定，因此能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確。雙通道反射式光纖位移傳感器采用激光反射的原理，能避免溫度、電磁等外界環(huán)境對(duì)測(cè)量效果的影響。雙通道反射式光纖位移傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，能方便地集成至SPM結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)控制器設(shè)定粗進(jìn)針位置，可通過(guò)控制程序靈活更改粗進(jìn)針位置。本發(fā)明粗、細(xì)進(jìn)針?lè)绞降穆?lián)合應(yīng)用，既能提高進(jìn)針?biāo)俣?，又能防止進(jìn)針過(guò)程探針與樣品的損壞。上述特點(diǎn)使得本發(fā)明能廣泛應(yīng)用于不同類(lèi)型的SPM，尤其適用于半導(dǎo)體エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等工作環(huán)境復(fù)雜的SPM。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說(shuō)明。·
圖I本發(fā)明進(jìn)針裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
圖3雙通道反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)圖
圖4雙通道反射式光纖位移傳感器探頭安裝至SPM探針座位置的俯視圖；
圖5是圖4的側(cè)視圖；
圖6雙通道反射式光纖位移傳感器的原理圖；
圖7兩路接收孔的“距離-數(shù)字電壓信號(hào)”曲線；
圖8兩路數(shù)字電壓信號(hào)相除后的“距離-數(shù)字量Vd，，曲線；
圖中1雙通道反射式光纖位移傳感器，2探針，3探針座，4控制器，5開(kāi)關(guān)，6反饋控制器，7掃描器，8步進(jìn)電機(jī)，9激光光源，10光電傳感器，11樣品臺(tái)，12接收光纖，13發(fā)射光纖，14接收光纖，15激光器，16接收器，17接收孔，18發(fā)射孔，19接收孔，20探頭。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明的裝置包括控制器4、步進(jìn)電機(jī)8、壓電陶瓷掃描器7、激光光源9、光電傳感器10、探針2和雙通道反射式光纖位移傳感器I。所述控制器4與步進(jìn)電機(jī)8、壓電陶瓷掃描器7、激光光源9、光電傳感器10和雙通道反射式光纖位移傳感器I電連接。所述步進(jìn)電機(jī)8以垂直于水平面的方向固定在掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置的底座，步進(jìn)電機(jī)8通過(guò)螺桿連接壓電陶瓷掃描器7。所述的壓電陶瓷掃描器7能進(jìn)行X、Y、Z三軸方向微位移運(yùn)動(dòng)。壓電陶瓷掃描器7上設(shè)置樣品臺(tái)11。探針2安裝于探針座3上并與掃描探針顯微鏡剛性連接。探針2針尖朝下位于樣品臺(tái)11的正上方。探針2上方固定安裝激光光源9。激光光源9以垂直于水平面方向發(fā)射激光束，激光束經(jīng)探針2反射至位于探針2斜上方的光電傳感器10。光電傳感器10通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整至接收探針2反射光斑的位置，光電傳感器10接收探針2反射的光斑位置信號(hào)，并將光斑位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入控制器，控制器通過(guò)光斑位置信號(hào)控制進(jìn)針過(guò)程并判斷進(jìn)針是否完成。
如圖2所示，控制器4主要包括PC104嵌入式主板，步進(jìn)電機(jī)控制模塊，光電傳感器信息檢測(cè)模塊，掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊。其中，PC104嵌入式主板是控制的核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送的指令并將采集的數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)，利用PC104總線實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制模塊、光電傳感器信息檢測(cè)模塊、掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊的控制。步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)8帶動(dòng)被檢測(cè)樣品進(jìn)行對(duì)探針2的逼近和遠(yuǎn)離動(dòng)作，用于實(shí)現(xiàn)快速粗進(jìn)針。光電傳感器信息檢測(cè)模塊用于檢測(cè)光電傳感器10的輸出信號(hào)，判斷探針2與樣品表面的接觸情況并為掃描器反饋控制模塊提供輸入信號(hào)。掃描器反饋控制模塊用于控制壓電陶瓷掃描器7快速、高精度微位移運(yùn)動(dòng)，從而精確控制探針2與樣品的相互作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)損式細(xì)進(jìn)針；雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊用于控制激光器15發(fā)射激光束，通過(guò)接收器16接收反射回的激光并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為控制程序能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。
如圖3所示，雙通道反射式光纖位移傳感器I由探頭20、發(fā)射光纖13、接收光纖12、14、激光器15和接收器16構(gòu)成。所述的探頭20的頂端有三個(gè)圓孔，一個(gè)為激光發(fā)射孔18，另外兩個(gè)為激光接收孔17、19。發(fā)射光纖13的一端固定連接激光發(fā)射孔18，發(fā)射光纖13的另一端固定連接激光器15。第一接收光纖12的一端固定連接第一激光接收孔17，第·ニ接收光纖14的一端固定連接第二激光接收孔19，第一接收光纖12和第二接收光纖14的另一端固定連接接收器16。激光器15和接收器16分別與控制器4電連接。探頭20固定在掃描探針顯微鏡探針座3的側(cè)面，如圖4所示。探頭20的頂端向下，垂直于被測(cè)樣品表面，與探針2的垂直距離H’=600 (um)，如圖5所示。控制器4雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊控制激光器15發(fā)射激光束，此激光束通過(guò)發(fā)射光纖13傳導(dǎo)至探頭上的激光發(fā)射孔18，激光從激光發(fā)射孔18垂直照射到樣品表面后，反射至探頭20的兩個(gè)激光接收孔17、19，如圖6所示。兩個(gè)激光接收孔接收到的光信號(hào)分別通過(guò)兩根接收光纖12和14傳導(dǎo)至接收器16，接收器16將兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2，控制器4雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊將兩路模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2分別轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vdl和Vd2，如圖7所示，并將兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vd2與Vdl相除得到數(shù)字量Vd,數(shù)字量Vd和探頭與樣品表面距離H在Hmin〈H〈Hmax范圍內(nèi)單調(diào)一致，且Hmin=520um, Hmax=850um,如圖8所不,建立數(shù)字量Vd與探頭樣品表面距離H 對(duì)應(yīng)的查找表；控制器4中的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊利用查找表通過(guò)數(shù)字量Vd判斷探頭20與樣品表面距離H，由于探頭20與探針2的距離H’ =600um，進(jìn)而判斷探針2與樣品表面的距離h=H_600。
本發(fā)明進(jìn)針?lè)椒ò焖俚拇诌M(jìn)針和慢速的細(xì)進(jìn)針，其實(shí)施例的操作方法為
a.第一次進(jìn)針前，通過(guò)控制器4設(shè)定粗進(jìn)針結(jié)束時(shí)探針2與樣品表面的距離h0=60um,控制器4步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)8帶動(dòng)被檢測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)到距離探針2為60um位置，控制器4雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊記錄通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器I采集得到的數(shù)字量Vd=Vd2/Vdl=0. 65/2. 23=0. 29 ；
b.控制器4通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)8帶動(dòng)樣品遠(yuǎn)離探針至Imm安全距離后，開(kāi)始粗進(jìn)針。
c.控制器4通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)8以100um/s速度帶動(dòng)樣品臺(tái)11上升，同時(shí)通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊檢測(cè)雙通道反射式光纖位移傳感器I輸出數(shù)字量Vd，當(dāng)Vd < 0. 29時(shí)，控制器步進(jìn)電機(jī)控制模塊停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，粗進(jìn)針完成，耗時(shí)約10秒；[0036]d.開(kāi)始細(xì)進(jìn)針，控制器4的掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器7向Z方向伸長(zhǎng)逼近探針2，同時(shí)控制器4的光電傳感器信息檢測(cè)模塊檢測(cè)光電傳感器10上由探針2反射激光光斑的位置偏轉(zhuǎn)信號(hào)；當(dāng)壓電陶瓷掃描器7達(dá)到Z方向最大位移4um時(shí),如光電傳感器10仍然沒(méi)有輸出變化量大于200mV的突變電壓信號(hào)，則掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器7在Z方向縮短到最小位移Oum位置，同時(shí)通過(guò)控制器4的步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)樣品向探針逼近，逼近位移量為壓電陶瓷掃描器Z方向最大位移量4um;
e.重復(fù)步驟d，直至光電傳感器10產(chǎn)生大于200mV的突變電壓信號(hào)為止，細(xì)進(jìn)針完成，耗時(shí)約14秒。
上述操作方法中，控制器4通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收上位機(jī)發(fā)送的控制參數(shù)及指令，對(duì)本發(fā)明掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置進(jìn)針過(guò)程進(jìn)行控制。·
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置，其特征在于，所述的進(jìn)針裝置包括控制器(4)、步進(jìn)電機(jī)(8)、壓電陶瓷掃描器(7)、激光光源(9)、光電傳感器(10)、探針(2)和雙通道反射式光纖位移傳感器(I);所述控制器(4)與步進(jìn)電機(jī)(8)、壓電陶瓷掃描器(7)、激光光源(9)、光電傳感器(10 )和雙通道反射式光纖位移傳感器(I)中的激光器(15 )、接收器(16 )電連接；所述步進(jìn)電機(jī)(8)以垂直于水平面方向固定在掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置的底座，步進(jìn)電機(jī)(8)連接壓電陶瓷掃描器(7);壓電陶瓷掃描器(7)上設(shè)置樣品臺(tái)(11);探針(2)針尖朝下，位于樣品臺(tái)(11)的正上方；探針(2)的上方安裝有激光光源(9);光電傳感器(10)位于探針斜上方，接收探針(2)所反射的光斑的位置信號(hào)，并將光斑位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入控制器(4 )，控制器(4 )通過(guò)光斑位置信號(hào)控制進(jìn)針過(guò)程并判斷進(jìn)針是否完成。
2.按照權(quán)利要求
I所述的掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置，其特征在于，所述的雙通道反射式光纖位移傳感器(I)由探頭(20)、發(fā)射光纖(13)、接收光纖(12、14)、激光器(15)和接收器(16)構(gòu)成；所述的探頭(20)的頂端開(kāi)有激光發(fā)射孔(18)和兩個(gè)激光接收孔(17、19);所述的探頭(20)固定在掃描探針顯微鏡探針座(3)的側(cè)面；探頭(20)的頂端向下，垂直于被檢測(cè)樣品表面；探頭(20)與探針(2)的垂直距離為H’，且Hmin-hO〈H’〈Hmax-hO，其中Hmin為雙通道反射式光纖位移傳感器(I)能夠檢測(cè)到的探頭(20)與被測(cè)樣品表面的最小距離，Hmax為雙通道反射式光纖位移傳感器(I)能夠檢測(cè)到的探頭(20)與被測(cè)樣品表面的最大距離，hO為粗進(jìn)針結(jié)束時(shí)探針(2)與樣品表面的距離；所述的發(fā)射光纖(13)的一端連接激光發(fā)射孔(18)，發(fā)射光纖(13)的另一端連接激光器(15);第一接收光纖(12)的一端連接第一激光接收孔(17)，第一接收光纖(12)的另一端連接接收器(16);第二接收光纖(14)的一端連接第二激光接收孔(19)，第二接收光纖(14)的另一端連接接收器(16)。
3.按照權(quán)利要求
I所述的掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置，其特征在于，所述的控制器(4)包括PC104嵌入式主板、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、光電傳感器信息檢測(cè)模塊、掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊；所述的PC104嵌入式主板通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送的指令并將采集的數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)，利用PC104總線實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制模塊、光電傳感器信息檢測(cè)模塊、掃描器反饋控制模塊和雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊的控制；步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)被檢測(cè)樣品進(jìn)行對(duì)探針的逼近和遠(yuǎn)離動(dòng)作；光電傳感器信息檢測(cè)模塊檢測(cè)光電傳感器(10)的輸出信號(hào)，判斷探針(2)與樣品表面的接觸情況并為掃描器反饋控制模塊提供輸入信號(hào)；掃描器反饋控制模塊用于控制壓電陶瓷掃描器(7)的微位移運(yùn)動(dòng)；雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊用于控制激光器發(fā)射激光束，通過(guò)接收器接收反射回的激光并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為控制程序能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。
4.按照權(quán)利要求
2或3所述的掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置，其特征在于，所述的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊控制激光器(15)發(fā)射激光束，此激光束通過(guò)發(fā)射光纖(13)傳導(dǎo)至探頭(20)上的激光發(fā)射孔(18);激光束從激光發(fā)射孔(18)垂直照射到被檢測(cè)樣品表面后，反射至探頭(20)的兩個(gè)激光接收孔(17、19)，兩個(gè)激光接收孔(17、19)接收到的光信號(hào)分別通過(guò)兩根接收光纖(12、14)傳導(dǎo)至接收器(16)，接收器(16)將接收光纖(12)和接收光纖(14)的兩路光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2 ;所述的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊將兩路模擬電壓信號(hào)Vsl和Vs2分別轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vdl和Vd2，并將所述的兩路數(shù)字電壓信號(hào)Vd2和Vdl相除得到數(shù)字量Vd，數(shù)字量Vd和探頭與樣品表面距離H在Hmin〈H〈Hmax范圍內(nèi)單調(diào)一致，建立數(shù)字量Vd和探頭(20)與樣品表面距離H 對(duì)應(yīng)的查找表；所述的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊利用查找表通過(guò)數(shù)字量Vd判斷探頭(20)與樣品表面距離H，根據(jù)公式H=h+H’，其中h為探針(2)與樣品表面的距離，H’為探頭(20)與探針(2)的距離，則可判斷探針(2)與樣品表面的距離h。
5.采用權(quán)利要求
I所述的掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置的進(jìn)針?lè)椒?，其特征在于，所述的進(jìn)針?lè)椒òù诌M(jìn)針和細(xì)進(jìn)針，具體操作步驟為 a.第一次進(jìn)針前，通過(guò)控制器(4)設(shè)定粗進(jìn)針結(jié)束時(shí)探針(2)與樣品表面的距離h0，控制器(4)的步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)(8)帶動(dòng)被檢測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)到樣品表面與探針(2)的距離為hO的位置，控制器(4)的雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊記錄通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器(I)采集得到的數(shù)字量Vd，并將該數(shù)字量Vd記錄為常量VD ； b.控制器(4)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)(8)帶動(dòng)樣品遠(yuǎn)離探針至lmnT2_安全距離后，開(kāi)始粗進(jìn)針； c.控制器(4)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)(8)以50um/s 100um/s速度帶動(dòng)樣品臺(tái)(11)上升，同時(shí)通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器控制模塊檢測(cè)雙通道反射式光纖位移傳感器(I)輸出數(shù)字量Vd，當(dāng)Vd < VD時(shí)，控制器步進(jìn)電機(jī)控制模塊停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，粗進(jìn)針完成； d.開(kāi)始細(xì)進(jìn)針，控制器(4)的掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器(7)向Z方向伸長(zhǎng)逼近探針(2)，同時(shí)控制器(4)的光電傳感器信息檢測(cè)模塊檢測(cè)光電傳感器(10)上由探針(2)反射激光光斑的位置偏轉(zhuǎn)信號(hào)；當(dāng)壓電陶瓷掃描器(7)達(dá)到Z方向最大位移IunTSum時(shí)，如光電傳感器(10)沒(méi)有輸出200mV飛OOmV突變電壓信號(hào)，則掃描器反饋控制模塊控制壓電陶瓷掃描器(7)在Z方向縮短到最小位移Oum位置，同時(shí)通過(guò)控制器(4)的步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)(8)帶動(dòng)樣品向探針(2)逼近，逼近位移量為壓電陶瓷掃描器Z方向最大位移量； e.重復(fù)步驟d，直至光電傳感器(10)產(chǎn)生200mV飛OOmV突變電壓信號(hào)為止，細(xì)進(jìn)針完成。
專(zhuān)利摘要
一種掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置，其步進(jìn)電機(jī)(8)以垂直于水平面方向固定在掃描探針顯微鏡進(jìn)針裝置的底座，步進(jìn)電機(jī)(8)連接壓電陶瓷掃描器(7)；壓電陶瓷掃描器(7)上設(shè)置樣品臺(tái)(11)；探針(2)針尖朝下，位于樣品臺(tái)(11)的正上方；探針(2)的上方安裝有激光光源(9)；光電傳感器(10)位于探針的斜上方，接收探針(2)所反射的光斑的位置信號(hào)，并將光斑位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入控制器(4)，通過(guò)控制器(4)控制步進(jìn)電機(jī)(8)帶動(dòng)樣品向探針(2)逼近。本發(fā)明還包括雙通道反射式光纖位移傳感器，通過(guò)雙通道反射式光纖位移傳感器檢測(cè)探針與樣品表面距離，在控制器的控制下，提高粗進(jìn)針?biāo)俣?，結(jié)合細(xì)進(jìn)針控制，實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)針。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN102788888SQ201210265549
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月27日
發(fā)明者初明璋, 林云生, 殷伯華, 陳代謝, 韓立, 高瑩瑩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan