[发明专利]一种基于探针自身重力的形貌测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于探针自身重力的形貌测量系统及方法，位移台能够驱动待测样品在水平面内做扫描运动；探针设置支撑装置上并于位移台上放置的待测样品的上方，探针的轴线竖直，并在支撑装置上能够沿竖直方向自由移动，下端为针尖，针尖能够竖直压在待测样品表面，上端与反光镜垂直连接，反光镜呈水平设置，激光器与位置灵敏探测器分别设置于反光镜上方的两侧，激光器发射出的激光能够经反光镜反射后被位置灵敏探测器接收；当位移台驱动待测样品在水平面内做扫描运动时，探针会随着待测样品表面的高低起伏而上下移动。本发明结构简单，成本低，依据新式的测量原理，只需位移台和位移测量光路即可测量样品的三维形貌，测量分辨率可达纳米量级。

技术领域

本发明属于微纳米结构三维形貌测量技术领域，涉及一种基于探针自身重力的形貌测量系统及方法。

背景技术

随着MEMS技术、激光加工技术、半导体技术等超精密加工技术的迅猛发展，对微纳测量领域也提出了严峻的考验。现有的微纳测量方法主要包括光学测量、干涉测量、表面轮廓仪、扫描探针显微镜、扫描电子显微镜、共聚焦显微镜、三坐标测量仪等，这些测量方法有各自的应用场景，但同时都存在很多的使用限制。目前，针对微纳测量，尤其是对快速、高精度、实时在线等方面提出了迫切的需求。

产品的表面形貌测量是科学研究和高端产业制造技术水平的重要标志。表面形貌会影响产品的摩擦、密封、疲劳、黏附、导电性、抗腐蚀性等功能特性，表面形貌的测量是制造产品质量表征的重要环节和质量控制与功能可靠保证的前提。日本电子信息技术产业协会曾经给出结论：不论量子器件、生物器件等未来的器件，还是半导体器件、光学器件、磁性器件等现有的器件，所有微纳米结构的器件都需要设计制造技术，但如果没有相应的检测分析技术，就不可能进行有效的开发乃至高效的生产。

目前，在超高分辨率形貌测量中，扫描探针显微镜(SPM)应用最为广泛。SPM从20世纪80年代开始受到科学家的关注，它的出现使得人们能够在纳米级的尺度上进行观测和操作。但是这种级别的精密仪器造价极高，而且国内在该方面的发展远落后与国外，所以大多仪器我们都是从国外进口而来。因此，基于扫描探针的测量方式发展出新式的高分辨率的显微镜非常迫切。打破国外的垄断，并将相关仪器的成本进一步降低必将大大推进我国微纳测量领域的飞速发展。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于探针自身重力的形貌测量系统及方法，结构简单，成本低，依据新式的测量原理，只需二维压电位移台和位移测量光路即可测量样品的三维形貌，测量分辨率可达纳米量级。

为实现上述目的，本发明提供的方案为：

一种基于探针自身重力的形貌测量系统，包括激光器、位置灵敏探测器、反光镜、探针、位移台和支撑装置，位移台上能够放置待测样品，位移台能够驱动待测样品在水平面内做扫描运动；所述探针设置所述支撑装置上并于位移台上放置的待测样品的上方，探针的轴线竖直，探针在所述支撑装置上能够沿竖直方向自由移动，探针的下端为针尖，针尖能够竖直压在待测样品表面，探针的上端与反光镜垂直连接，反光镜呈水平设置，激光器与位置灵敏探测器分别设置于反光镜上方的两侧，激光器发射出的激光能够经反光镜反射后被位置灵敏探测器接收；当位移台驱动待测样品在水平面内做扫描运动时，探针会随着待测样品表面的高低起伏而上下移动。

还包括会聚透镜，所述会聚透镜设置于激光器与反光镜之间的光路上，激光器发射出的激光经会聚透镜后能够入射在反光镜上。

支撑装置包括支撑架和转接架，支撑架固定设置于位移台的一侧，转接架的一端与支撑架固定连接，探针设置于转接架的另一端，转接架上开设有用于安装探针的安装孔，探针与安装孔之间为间隙配合，转接架在所述安装孔处安装有用于固定探针的顶丝，将所述顶丝旋松，探针能够在重力作用下竖直压在样品表面，且恰好能在竖直方向自由移动。

激光器、位置灵敏探测器和反光镜所组成的位移检测光路为纳米级分辨率，能检测出探针的位移。