基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置及该装置的成像方法制造方法及图纸

基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置及该装置的成像方法，涉及采用AFM对微纳米结构侧壁表面进行扫描成像的技术。它为了解决传统AFM很难实现对微纳米结构侧壁表面进行扫描成像的问题。本发明专利技术在原有的原子力显微镜的基础上增加了探针架，使探针能够绕X轴方向旋转，此外还增加了样品台在XZ扫描平面内的距离伺服控制程序，使样品台能够沿Y方向上接近探针针尖，并达到用户所设定的距离。本发明专利技术能够根据不同的样品选择合适的探针旋转角，在不破坏样品的前提下，实现对样品侧壁表面进行扫描成像和表征度，从而实现对不同的样品侧壁表面精确表征。本发明专利技术适用于微纳米结构表面表征，亦可用于微纳制造及测试领域。

【技术实现步骤摘要】
基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置及该装 置的成像方法
本专利技术涉及采用原子力显微镜（AFM)对微纳米结构侧壁表面进行扫描成像的技 术。
技术介绍
对微纳米结构侧壁表面进行表征是检测微纳米结构加工性能的重要手段，如何实 现对微纳米结构侧壁表面表征是提高微纳米结构检测技术的关键。传统的原子力显微镜 (AFM)采用Top-Down方式观测样品表面形貌，这种操作方式能够有效地观测到微纳米结 构中与基底面平行的表面及与基底面成小角度外斜表面的形貌，但对于微纳米结构中出现 的与基底面成大锐角表面、垂直侧壁表面及大倾角内斜表面则很难实现对其进行有效的观 测，即很难实现对微纳米结构大角度侧壁表面进行扫描成像、检测、分析和度量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统原子力显微镜（AFM)很难实现对微纳米结构侧壁 表面进行扫描成像的问题，提供一种基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置及 该装置的成像方法。 本专利技术所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，包括原子力显 微镜和探针架3,所述探针架3包括基座3-1和旋转臂3-3,旋转臂3-3设置在基座3-1上， 且该旋转臂3-3能够绕其中心轴旋转，基座3-1用于将探针架3固定在原子力显微镜的探 针手4上，原子力显微镜的探针固定在探针架3的旋转臂3-3上，且该探针的横截面为圆形 或椭圆形。 所述的原子力显微镜包括光学显微镜、上位机11、激光力学子系统、探针手4、XY 微米定位台5、XYZ纳米定位台6、样品台7和XYZ微米定位台9、探针控制器13、采集卡12、 压电控制器8、一号切换器10和二号切换器14 ; 所述激光力学子系统用于测量探针与样品表面间的相互作用力信号或谐振信号， 所述激光力学子系统包括激光器1和四象限位置检测器2 ; 所述ΧΥ微米定位台5固定在光学显微镜的底座上，所述底座为平板结构，ΧΥ平面 与光学显微镜的底座平行，ΧΥΖ纳米定位台6固定在ΧΥ微米定位台5上，样品台7固定在 ΧΥΖ纳米定位台6上，探针手4固定在所述ΧΥΖ微米定位台9上； 所述的激光力学子系统中，激光器1发出的激光入射到探针上，经所述探针反射 后的激光入射至四象限位置检测器2的检测面上； 上位机11的ΧΥΖ微米控制信号输出端连接ΧΥΖ微米定位台9的控制信号输入端， 上位机11的ΧΥ微米控制信号输出端连接ΧΥ微米定位台5的控制信号输入端，上位机11 的X纳米控制信号输出端通过压电控制器8连接ΧΥΖ纳米定位台6的X控制信号输入端， 上位机11的Υ纳米控制信号输出端和探针控制器13的Υ纳米控制信号输出端分别连接二 号切换器14的两个信号输入端，该二号切换器14的信号输出端通过压电控制器8连接XYZ 纳米定位台6的Υ控制信号输入端，上位机11的Ζ纳米控制信号输出端和探针控制器13 的Ζ纳米控制信号输出端分别连接一号切换器10的两个信号输入端，该一号切换器10的 信号输出端通过压电控制器8连接ΧΥΖ纳米定位台6的Ζ控制信号输入端，探针控制器13 的振动控制信号输出端连接探针手4的振动控制信号输入端，四象限位置检测器2的法向 检测信号输出端同时连接探针控制器13的法向检测信号输入端和采集卡12的法向检测信 号输入端，该四象限位置检测器2的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采 集卡12的侧向检测信号输入端和总检测信号输入端，采集卡12的信号输出端连接上位机 11的采集卡信号输入端。 所述的探针架3还包括传动装置3-2和旋钮，所述传动装置3-2设置在基座3-1 与旋转臂3-3之间，旋钮用于调节传动装置3-2,进而带动旋转臂3-3转动。 上述基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置的成像方法通过以下步 骤实现： 步骤一、将待测样品底面固定在样品台7上，使待测样品的待成像侧壁表面与X轴 平行，调整旋转臂3-3的角度，使探针的针尖朝向待成像侧壁表面； 步骤二、通过上位机11控制ΧΥΖ微米定位台9移动，同时结合光学显微镜的上下 调焦系统，使探针位于光学显微镜的视场中心； 步骤三、调节激光力学子系统，使激光光斑位于探针的悬臂梁的前端中心，选择扫 描模式，所述扫描模式为接触模式、轻敲模式或非接触模式； 步骤四、通过上位机11控制ΧΥ微米定位台5移动，使待测样品的待成像侧壁表面 进入视场，并位于探针下方； 步骤五、通过上位机11控制ΧΥΖ纳米定位台6移动，使探针的针尖与待测样品顶 部表面接近； 步骤六、开启上位机11在Ζ方向的距离伺服控制，使ΧΥΖ纳米定位台6沿Ζ方向 上接近探针针尖，并控制ΧΥΖ纳米定位台6和探针针尖在Ζ方向上的距离为用户设定的值； 步骤七、通过上位机11控制ΧΥΖ纳米定位台6沿Υ方向上移动，使待测样品侧壁 表面接近探针针尖； 步骤八、通过上位机11控制ΧΥΖ纳米定位台6沿Ζ方向移动，使待测样品的待成 像侧壁表面沿Ζ方向上移至起始扫描位置；设置扫描区域和扫描步距； 步骤九、启动扫描过程： 通过上位机11控制ΧΥΖ纳米定位台6在Χ、Υ、Ζ三个方向上移动，实现探针对待成 像侧壁表面的扫描，并保存扫描数据，扫描结束后，ΧΥΖ纳米定位台6再沿Υ方向移动，使探 针的针尖与待成像侧壁表面分离。 本专利技术所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置在原有的原子 力显微镜的基础上增加了探针架3,如图1所示，该探针架3位于探针手与探针之间。图2 给出了探针架3的结构，该探针架3的旋转臂3-3能够旋转。图3给出了两平面的夹角的定 义，由图4能够看出，传统探针安装方式，对待成像侧壁表面角度Θ 5的测量范围取决于所 设定的扫描步距及待测表面倾斜程度，由图5能够看出，本专利技术的探针对待成像侧壁表面 角度Θ 6的测量范围取决于探针的装载角度，本专利技术装置使得探针在ΥΖ平面内不再局限于 垂直光学显微镜的底座平面，而是可与该底面在-90° - 90°范围内成任意角度。使用时， 调节探针的旋转角度，使针尖朝向待测表面，利用探针对待测表面进行扫描成像，根据扫描 数据即可对待测表面进行表征。本专利技术所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成 像装置突破了传统AFM探针装载方向固定的缺点，从而能够在不破坏样品的前提下，实现 对样品侧壁表面进行扫描成像和表征；能够根据不同的样品选择合适的探针旋转角度，从 而实现对不同的样品侧壁表面精确表征。本实施方式在微纳米结构表面表征、以及微纳制 造、测试领域中具有更高的可用性和操作性，具有很高的实用价值。 上述装置的成像方法与传统的原子力显微镜扫描平面的方法相比，能够根据不同 的待测表面来调整探针的旋转角度，实现对微纳米结构大角度侧壁表面进行扫描成像、检 测、分析和度量，能够对含有深沟侧壁表面进行扫描成像；增加了样品台在XZ扫描平面内 的距离伺服控制程序，使样品台能够沿Y正或Y负方向上接近探针针尖，并达到用户所设定 的距离，实现对其距离伺服控制。本实施方式能够在不破坏样品的前提下，实现对样品侧壁 表面进行扫描成像和表征；能够根据不同的样品选择合适的探针旋转角度，从而实现对不 同的样品侧壁表面精确表征；与传统的AFM相比，在微纳米结构表面表征本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，包括原子力显微镜，其特征在于：它还包括探针架(3)，所述探针架(3)包括基座(3‑1)和旋转臂(3‑3)，旋转臂(3‑3)设置在基座(3‑1)上，且该旋转臂(3‑3)能够绕其中心轴旋转，基座(3‑1)用于将探针架(3)固定在原子力显微镜的探针手(4)上，原子力显微镜的探针固定在探针架(3)的旋转臂(3‑3)上，且该探针的横截面为圆形或椭圆形。

【技术特征摘要】
1. 基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，包括原子力显微镜，其特征在 于：它还包括探针架（3)，所述探针架（3)包括基座（3-1)和旋转臂（3-3)，旋转臂（3-3) 设置在基座（3-1)上，且该旋转臂（3-3)能够绕其中心轴旋转，基座（3-1)用于将探针架 (3)固定在原子力显微镜的探针手（4)上，原子力显微镜的探针固定在探针架（3)的旋转臂 (3-3)上，且该探针的横截面为圆形或椭圆形。2. 根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，其特征 在于：所述的原子力显微镜包括光学显微镜、上位机（11)、激光力学子系统、探针手（4)、XY 微米定位台（5)、ΧΥΖ纳米定位台（6)、样品台（7)和ΧΥΖ微米定位台（9)、探针控制器（13)、 米集卡（12)、压电控制器（8)、一号切换器（10)和二号切换器（14); 所述激光力学子系统用于测量探针与样品表面间的相互作用力信号或谐振信号，所述 激光力学子系统包括激光器（1)和四象限位置检测器（2); 所述ΧΥ微米定位台（5)固定在光学显微镜的底座上，所述底座为平板结构，ΧΥ平面与 光学显微镜的底座平行，ΧΥΖ纳米定位台（6)固定在ΧΥ微米定位台（5)上，样品台（7)固 定在ΧΥΖ纳米定位台（6)上，探针手（4)固定在所述ΧΥΖ微米定位台（9)上； 所述的激光力学子系统中，激光器（1)发出的激光入射到探针上，经所述探针反射后 的激光入射至四象限位置检测器（2)的检测面上； 上位机（11)的ΧΥΖ微米控制信号输出端连接ΧΥΖ微米定位台（9)的控制信号输入端， 上位机（11)的ΧΥ微米控制信号输出端连接ΧΥ微米定位台（5)的控制信号输入端，上位机 (11)的X纳米控制信号输出端通过压电控制器⑶连接ΧΥΖ纳米定位台（6)的X控制信号 输入端，上位机（11)的Υ纳米控制信号输出端和探针控制器（13)的Υ纳米控制信号输出 端分别连接二号切换器（14)的两个信号输入端，该二号切换器（14)的信号输出端通过压 电控制器（8)连接ΧΥΖ纳米定位台（6)的Υ控制信号输入端，上位机（11)的Ζ纳米控制信 号输出端和探针控制器（13)的Ζ纳米控制信号输出端分别连接一号切换器（10)的两个信 号输入端，该一号切换器（10)的信号输出端通过压电控制器（8)连接ΧΥΖ纳米定位台（6) 的Ζ控制信号输入端，探针控制器（13)的振动控制信号输出端连接探针手（4)的振动控制 信号输入端，四象限位置检测器（2)的法向检测信号输出端同时连接探针控制器（13)的法 向检测信号输入端和采集卡（12)的法向检测信号输入端，该四象限位置检测器（2)的侧向 检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡（12)的侧向检测信号输入端和总检 测信号输入端，采集卡（12)的信号输出端连接上位机（11)的采集卡信号输入端。3. 根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，其特征 在于：所述的探针架（3)还包括传动装置（3-2)和旋钮，所述传动装置（3-2)设置在基座 (3-1)与旋转臂（3-3)之间，旋钮用于调节传动装置（3-2)，进而带动旋转臂（3-3)转动。4. 根据权利要求3所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，其特征 在于：所述的传动装置（3-2)通过齿轮传动实现。5. 根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置，其特征 在于：所述的探针控制器（13)采用0C4探针动态控制器实现。6. 权利要求2所述的基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置的成像方法， 其特征在于，该方法通过以下步骤实现： 步骤一、将待测样品底面固定在样品台（7)上，使待测样品的待成像侧壁表面与X轴平 行，调整旋转臂（3-3)的角度，使探针...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晖，杨锋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23