扫描力显微镜中的点衍射干涉现象及其应用

　　1　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细结构信息。由于它具有亚纳米量级的纵向分辨率和纳米量级的横向分辨率,近年来它在纳米测试技术领域得到越来越广泛的应用。目前,扫描力显微镜已包括原子力〔2〕〔3〕、静电力〔4〕、磁力〔5〕及热力〔6〕等力扫描显微镜,除了测量样品的微细轮廓信息外,还可用来研究样品表面的磁学与电学性质。

　　微探针变位或振幅变化的测量方法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〔7〕以及各种光干涉探针。光杠杆法,由于结构简单,调整方便而被广泛采用,目前商品化的原子力显微镜大多采用这种方法,但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,虽有很高的纵向及横向分辨率,但测量精度较低。而光干涉探针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,因此测量结果有较高的精度〔8〕。为达到高精度高稳定度的测量,各种光干涉法往往采用共路或准共路干涉的设计,如利用Nomarski原理制成的干涉光探针〔9〕和利用衍射光栅分光的双通道干涉光探针〔10〕,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〔11〕和光纤干涉光探针。这些方法已被证实了有较高的测量精度和稳定性。但是这些干涉方法对于光学元件的质量要求较高,系统较为复杂。

　　下面我们将介绍一种新型的干涉光探针,它直接利用扫描力显微镜中硅微探针作为一个反射型的点衍射板,其干涉信号由微探针表面的几何反射波与后向点衍射波形成,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。且无需任何参考表面,与前面提到的几种干涉光探针相比,结构更为简单紧凑,更为稳定可靠,更易使整个系统小型化。

　　2　微探针的点衍射干涉现象

　　2.1　微探针的结构特征

　　图1示出扫描力显微镜中最常用的微探针的结构参数,在硅单晶(111)的基片上通过特种刻蚀工艺制出来的空心三角形微悬臂(Cantilever),在它的下表面靠近针端处,采用微细制造技术,产生一金字塔形的非常锐利的微小针尖,其针尖的直径达到纳米量级。被测样品就置于这一针尖的下方。空心三角形微悬臂的上表面,镀有Au/Cr镀层。典型的硅(111)微探针的结构特性如表1所示

　　2.2光在微探针上的点衍射干涉

　　当入射平行激光束通过一显微物镜会聚在微悬臂表面的端部上,其光轴与微悬臂表面垂直(如图2(a)所示)。会聚光斑为一直径几微米的弥散斑,会聚弥散斑一部分覆盖了空心针尖处。由于微悬臂上表面镀有Au/Cr反射层,因此会聚光束的一部分被微悬臂表面直接后向反射原路返回,形成反射波面。另一部分光在微悬臂的空心针尖处被后向衍射,形成衍射波面。这两个波面均来自微悬臂表面,因此将形成共路干涉。干涉条纹的间隔与几何反射点S1和衍射点S2间的间隔有关。当两点靠近时,条纹变宽,反之条纹变细。条纹的形状及方向则与反射点和衍射点的相对位置有关。当反射点相对微悬臂表面有离焦时,条纹将表现为弯曲或圆环。干涉条纹的对比度与反射光相对于衍射光的光强比有关。通过适当的调焦及平移微悬臂,可调节光强比,以获得最佳的条纹对比度。以上分析可见,与传统的透射型点衍射板〔12〕相比,空心三角形微悬臂由于其结构特征实际上已形成一种天然的反射型点衍射板。它起着共路干涉分束器的作用。图2(b)为会聚激光束在微探针上的点衍射干涉条纹。