角度测量型原子间力显微镜

　　1　前言

　　自从1986年Binnig博士等人发明原子间力显微镜(AFM)至今,由于AFM可以用来测量扫描隧道显微镜(STM)不可能测量的绝缘物体表面有机分子,且具有纳米级的测量分辨力等特长,AFM的研究及其应用得到了很大的发展,一般说来,AFM探头的位移(即AFM信号)的检测方法有STM法〔1〕,光杠杆法〔2〕、光干涉法〔3〕等。STM法是使STM探针接近AFM探头的背面,通过检测其与AFM探头之间的隧道电流而检测出AFM探头的位移。光杠杆方法是使光照射到AFM探头的表面,利用位敏探测器(PSD)感受反射光,这时,根据光杠杆原理,探头的位移被转换为PSD光电器件上的位置变化信号。光干涉法是使光纤端面与AFM探头的背面之间的间隙成为产生干涉的要素,检测光的干涉强度变化。上述方法均为位移测量方法,即探头的固定端必须保持在同一位置。由于测量位置的变化而引起的水平两方向及被测物体表面的垂直方向等三个方向上的移动都需在被测物体一侧进行,因此,被测物体的尺寸大小、测量范围以及扫描速度等都受到限制。

　　为了解决上述问题,研究出利用角度传感器测量AFM探头角位移的测量方法〔4〕。利用这种方法,可以使被测物体表面的垂直方向上的位移检测通过探头一侧来实现,上述问题就能得到解决。本文作者基于测量AFM探头的弯曲角度变化的思想,设计了一种新型的角度传感器,制作了角度测量型AFM,并且利用它进行了实测分析。

　　2　测量原理

　　2.1　角度测量型AFM的测量原理

　　AFM通过检测在物体之间存在的微小的相互作用力的变化,从而获得物体表面形状。这个微小的力可通过一个带有曲率半径非常小的探针的微悬臂梁即AFM探头检测出来。通过检测探头弯曲量的大小,就可以测定探头和被测物体间的作用力的大小,当相对被测物体进行水平方向的扫描时,通过控制探针的移动保持这个作用力大小恒定,就可以得到物体表面的形状。

　　以往的AFM因采用探头线位移(挠度,即弯曲量)检测方法,XYZ的微动机构都被安装在被测物体一侧,如图1所示。即使由于扫描平台的移动引起了被测物体的测量位置改变、即被测物体的形状发生变化,在整个测量过程中,探头支点也必须保持在同一位置。如果探头的支点发生变动,由于信号检测系统对探头的支点位移和探头尖端的线位移变化不能区分,从而会引入测量误差。这样,XYZ三个方向(扫描用微动平台XY方向和使探头的弯曲程度保持一定的微动机构Z方向)的微动机构都必须安装在被测物体一侧。因此就带来了前言中所述的问题。在本研究中,为了克服此缺陷,采用了测量角位移的方法,如图2所示,此AFM利用了临界角角度传感器(CAS)〔5〕,因此可将AFM探头安装在控制Z向微动的压电器件(PZT)上,这样可在保持探头与被测物体间的作用力不变的情况下驱动探头沿Z向跟踪被测物体表面的变化,并且具有可以提高扫描速度和在较大范围内对大面积的加工面进行测量等优点。从而适于对超精密加工表面的形状、粗糙度等进行高精度测量。