一种用于扫描力显微镜的微型干涉光探针

　　引　言

　　扫描力显微镜[1]是通过测量样品与微探针之间的作用力来获取样品的表面微观结构信息。近年来它的应用领域和范围越来越广泛,最初是原子力显微镜[2],后来根据样品与微探针之间作用力的不同,又发展了用于范德瓦尔斯力、静电力、磁力测量的扫描力显微镜,除了测量样品的表面轮廓信息以外,还用来研究样品表面的磁学与电学性质。

　　扫描力显微镜的工作模式可分为接触模式和非接触模式。在接触模式下,通过测量微探针的静态形变来决定相互作用力的大小,这种工作模式能够达到原子量级的横向分辨率,但在实际工作中常常会破坏样品表面,尤其是对于一些较薄较软的样品。在非接触模式下,微探什在它的谐振频率附近以5nm左右的振幅振动,当微探针逼近样品表面到约为10nm的距离时,表面附近的力梯度使微探针的谐振频率发生变化,从而改变微探针的振幅。通过测量微探针振幅的变化,可以获取样品的表面信息,但分辨率较接触模式低。

　　微探针形变测量一般采用光学或电学方法,其中光学方法最为普遍,常用的有光杠杆法[3]以及各种光干涉法。光杠杆法,由于它的结构简单、调整方便而被广泛采用,但是用这种方法探测到的样品表面形貌,是微探针与样品之间纵向力和切向力共同作用的结果,因此精度较低;光干涉法测得的仅仅是微探针与样品之间作用力所引起的微探针纵向形变,因此其精度比光杠杆法高[4]。为了达到高测量精度,尽可能地避免大气漂移和外界振动的影响,各种光干涉法往往采用共路或准共路设计,如利用Nomarski原理制成的干涉光探针[5]和利用衍射光栅分光的双通道干涉光探针[6],形成干涉信号的两束光分别从微探针的头部和尾部反射,以及利用双焦透镜制成的双焦干涉光探针[7],其参考光从微探针附近的一个参考面上反射,而测量光则会聚在探针上。这些干涉测量方法已证实有较高的测量精度,但是它们对于光学元件的质量要求较高,系统较为复杂。

　　本文方法是利用目前最常用的三角形氮化硅微探针作为一个反射型的点衍射板,是一种完全共路的干涉探测方法,信号非常稳定,具有极强的抗干扰能力,并且系统非常容易小型化,克服了上述系统的缺点。

　　1　干涉探测原理

　　点衍射干涉仪作为波面象差检测的一种典型干涉仪为大家所熟悉。常用的点衍射板上有一小孔,当入射光会聚到点衍射板上时,通过小孔衍射的波面可以看成由小孔处发出的理想球面波,而带有象差的波面直接透过点衍射板,波面象差可通过小孔衍射波和直接透过波之间的干涉来进行检测。事实上,在点衍射干涉仪中,点衍射板的移动会引起干涉场上的条纹移动,因此也可以通过条纹的移动来测量点衍射板的位置变化。下面我们将证明,在扫描力显微镜中使用的三角形氮化硅微探针可以作为一个反射型的点衍射板,并且,当微探针振动时,通过微探针表面的几何反射波以两倍于微探针上的点衍射波的速度运动,而微探针的振动可以通过这两者之间的干涉来进行测量。