基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置及該裝置的成像方法
【專利摘要】基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置及該裝置的成像方法，涉及采用AFM對微納米結構側壁表面進行掃描成像的技術。它為了解決傳統(tǒng)AFM很難實現(xiàn)對微納米結構側壁表面進行掃描成像的問題。本發(fā)明在原有的原子力顯微鏡的基礎上增加了探針架，使探針能夠繞X軸方向旋轉，此外還增加了樣品臺在XZ掃描平面內的距離伺服控制程序，使樣品臺能夠沿Y方向上接近探針針尖，并達到用戶所設定的距離。本發(fā)明能夠根據(jù)不同的樣品選擇合適的探針旋轉角，在不破壞樣品的前提下，實現(xiàn)對樣品側壁表面進行掃描成像和表征度，從而實現(xiàn)對不同的樣品側壁表面精確表征。本發(fā)明適用于微納米結構表面表征，亦可用于微納制造及測試領域。
【專利說明】基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置及該裝 置的成像方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及采用原子力顯微鏡（AFM)對微納米結構側壁表面進行掃描成像的技 術。

【背景技術】
[0002] 對微納米結構側壁表面進行表征是檢測微納米結構加工性能的重要手段，如何實 現(xiàn)對微納米結構側壁表面表征是提高微納米結構檢測技術的關鍵。傳統(tǒng)的原子力顯微鏡 (AFM)采用Top-Down方式觀測樣品表面形貌，這種操作方式能夠有效地觀測到微納米結 構中與基底面平行的表面及與基底面成小角度外斜表面的形貌，但對于微納米結構中出現(xiàn) 的與基底面成大銳角表面、垂直側壁表面及大傾角內斜表面則很難實現(xiàn)對其進行有效的觀 測，即很難實現(xiàn)對微納米結構大角度側壁表面進行掃描成像、檢測、分析和度量。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)原子力顯微鏡（AFM)很難實現(xiàn)對微納米結構側壁 表面進行掃描成像的問題，提供一種基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置及 該裝置的成像方法。
[0004] 本發(fā)明所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，包括原子力顯 微鏡和探針架3,所述探針架3包括基座3-1和旋轉臂3-3,旋轉臂3-3設置在基座3-1上， 且該旋轉臂3-3能夠繞其中心軸旋轉，基座3-1用于將探針架3固定在原子力顯微鏡的探 針手4上，原子力顯微鏡的探針固定在探針架3的旋轉臂3-3上，且該探針的橫截面為圓形 或橢圓形。
[0005] 所述的原子力顯微鏡包括光學顯微鏡、上位機11、激光力學子系統(tǒng)、探針手4、XY 微米定位臺5、XYZ納米定位臺6、樣品臺7和XYZ微米定位臺9、探針控制器13、采集卡12、 壓電控制器8、一號切換器10和二號切換器14 ;
[0006] 所述激光力學子系統(tǒng)用于測量探針與樣品表面間的相互作用力信號或諧振信號， 所述激光力學子系統(tǒng)包括激光器1和四象限位置檢測器2 ;
[0007] 所述ΧΥ微米定位臺5固定在光學顯微鏡的底座上，所述底座為平板結構，ΧΥ平面 與光學顯微鏡的底座平行，ΧΥΖ納米定位臺6固定在ΧΥ微米定位臺5上，樣品臺7固定在 ΧΥΖ納米定位臺6上，探針手4固定在所述ΧΥΖ微米定位臺9上；
[0008] 所述的激光力學子系統(tǒng)中，激光器1發(fā)出的激光入射到探針上，經(jīng)所述探針反射 后的激光入射至四象限位置檢測器2的檢測面上；
[0009] 上位機11的ΧΥΖ微米控制信號輸出端連接ΧΥΖ微米定位臺9的控制信號輸入端， 上位機11的ΧΥ微米控制信號輸出端連接ΧΥ微米定位臺5的控制信號輸入端，上位機11 的X納米控制信號輸出端通過壓電控制器8連接ΧΥΖ納米定位臺6的X控制信號輸入端， 上位機11的Υ納米控制信號輸出端和探針控制器13的Υ納米控制信號輸出端分別連接二 號切換器14的兩個信號輸入端，該二號切換器14的信號輸出端通過壓電控制器8連接XYZ 納米定位臺6的Υ控制信號輸入端，上位機11的Ζ納米控制信號輸出端和探針控制器13 的Ζ納米控制信號輸出端分別連接一號切換器10的兩個信號輸入端，該一號切換器10的 信號輸出端通過壓電控制器8連接ΧΥΖ納米定位臺6的Ζ控制信號輸入端，探針控制器13 的振動控制信號輸出端連接探針手4的振動控制信號輸入端，四象限位置檢測器2的法向 檢測信號輸出端同時連接探針控制器13的法向檢測信號輸入端和采集卡12的法向檢測信 號輸入端，該四象限位置檢測器2的側向檢測信號輸出端和總檢測信號輸出端分別連接采 集卡12的側向檢測信號輸入端和總檢測信號輸入端，采集卡12的信號輸出端連接上位機 11的采集卡信號輸入端。
[0010] 所述的探針架3還包括傳動裝置3-2和旋鈕，所述傳動裝置3-2設置在基座3-1 與旋轉臂3-3之間，旋鈕用于調節(jié)傳動裝置3-2,進而帶動旋轉臂3-3轉動。
[0011] 上述基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像方法通過以下步 驟實現(xiàn)：
[0012] 步驟一、將待測樣品底面固定在樣品臺7上，使待測樣品的待成像側壁表面與X軸 平行，調整旋轉臂3-3的角度，使探針的針尖朝向待成像側壁表面；
[0013] 步驟二、通過上位機11控制ΧΥΖ微米定位臺9移動，同時結合光學顯微鏡的上下 調焦系統(tǒng)，使探針位于光學顯微鏡的視場中心；
[0014] 步驟三、調節(jié)激光力學子系統(tǒng)，使激光光斑位于探針的懸臂梁的前端中心，選擇掃 描模式，所述掃描模式為接觸模式、輕敲模式或非接觸模式；
[0015] 步驟四、通過上位機11控制ΧΥ微米定位臺5移動，使待測樣品的待成像側壁表面 進入視場，并位于探針下方；
[0016] 步驟五、通過上位機11控制ΧΥΖ納米定位臺6移動，使探針的針尖與待測樣品頂 部表面接近；
[0017] 步驟六、開啟上位機11在Ζ方向的距離伺服控制，使ΧΥΖ納米定位臺6沿Ζ方向 上接近探針針尖，并控制ΧΥΖ納米定位臺6和探針針尖在Ζ方向上的距離為用戶設定的值；
[0018] 步驟七、通過上位機11控制ΧΥΖ納米定位臺6沿Υ方向上移動，使待測樣品側壁 表面接近探針針尖；
[0019] 步驟八、通過上位機11控制ΧΥΖ納米定位臺6沿Ζ方向移動，使待測樣品的待成 像側壁表面沿Ζ方向上移至起始掃描位置；設置掃描區(qū)域和掃描步距；
[0020] 步驟九、啟動掃描過程：
[0021] 通過上位機11控制ΧΥΖ納米定位臺6在Χ、Υ、Ζ三個方向上移動，實現(xiàn)探針對待成 像側壁表面的掃描，并保存掃描數(shù)據(jù)，掃描結束后，ΧΥΖ納米定位臺6再沿Υ方向移動，使探 針的針尖與待成像側壁表面分離。
[0022] 本發(fā)明所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置在原有的原子 力顯微鏡的基礎上增加了探針架3,如圖1所示，該探針架3位于探針手與探針之間。圖2 給出了探針架3的結構，該探針架3的旋轉臂3-3能夠旋轉。圖3給出了兩平面的夾角的定 義，由圖4能夠看出，傳統(tǒng)探針安裝方式，對待成像側壁表面角度Θ 5的測量范圍取決于所 設定的掃描步距及待測表面傾斜程度，由圖5能夠看出，本發(fā)明的探針對待成像側壁表面 角度Θ 6的測量范圍取決于探針的裝載角度，本發(fā)明裝置使得探針在ΥΖ平面內不再局限于 垂直光學顯微鏡的底座平面，而是可與該底面在-90° - 90°范圍內成任意角度。使用時， 調節(jié)探針的旋轉角度，使針尖朝向待測表面，利用探針對待測表面進行掃描成像，根據(jù)掃描 數(shù)據(jù)即可對待測表面進行表征。本發(fā)明所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成 像裝置突破了傳統(tǒng)AFM探針裝載方向固定的缺點，從而能夠在不破壞樣品的前提下，實現(xiàn) 對樣品側壁表面進行掃描成像和表征；能夠根據(jù)不同的樣品選擇合適的探針旋轉角度，從 而實現(xiàn)對不同的樣品側壁表面精確表征。本實施方式在微納米結構表面表征、以及微納制 造、測試領域中具有更高的可用性和操作性，具有很高的實用價值。
[0023] 上述裝置的成像方法與傳統(tǒng)的原子力顯微鏡掃描平面的方法相比，能夠根據(jù)不同 的待測表面來調整探針的旋轉角度，實現(xiàn)對微納米結構大角度側壁表面進行掃描成像、檢 測、分析和度量，能夠對含有深溝側壁表面進行掃描成像；增加了樣品臺在XZ掃描平面內 的距離伺服控制程序，使樣品臺能夠沿Y正或Y負方向上接近探針針尖，并達到用戶所設定 的距離，實現(xiàn)對其距離伺服控制。本實施方式能夠在不破壞樣品的前提下，實現(xiàn)對樣品側壁 表面進行掃描成像和表征；能夠根據(jù)不同的樣品選擇合適的探針旋轉角度，從而實現(xiàn)對不 同的樣品側壁表面精確表征；與傳統(tǒng)的AFM相比，在微納米結構表面表征、以及微納制造、 測試領域中具有更高的可用性和操作性，具有很高的實用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的原理 框圖；
[0025] 圖2為探針架系統(tǒng)的結構示意圖；
[0026] 圖3為平面之間角度的定義；
[0027] 圖4為傳統(tǒng)的原子力顯微鏡的探針安裝方式對平面角度的測量范圍；
[0028] 圖5為本發(fā)明所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置對平面 角度的測量范圍；
[0029] 圖6為實施方式六中，探針移動至待測樣品的頂部表面的上方時，探針與待測樣 品的位置關系示意圖；
[0030] 圖7為實施方式六中，Y方向上移動XYZ納米定位臺6,使針尖與待成像側壁表面 接近時，探針與待測樣品的位置關系示意圖；
[0031] 圖8為實施方式六中，Z方向上移動XYZ納米定位臺6,使針尖位于起始掃描位置 時，探針與待測樣品的位置關系示意圖；
[0032] 圖9為實施方式六中，TGZ3待測樣品的角度測量區(qū)域劃分示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0033] 一：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的基于原子力 顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，包括原子力顯微鏡和探針架3,所述探針架3包括 基座3-1和旋轉臂3-3,旋轉臂3-3設置在基座3-1上，且該旋轉臂3-3能夠繞其中心軸旋 轉，基座3-1用于將探針架3固定在原子力顯微鏡的探針手4上，原子力顯微鏡的探針固定 在探針架3的旋轉臂3-3上，且該探針的橫截面為圓形或橢圓形。
[0034] 本實施方式所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置在原有的 原子力顯微鏡的基礎上增加了探針架3,如圖1所示，該探針架3位于探針手4與探針之間。 圖2給出了探針架3的結構，該探針架3的旋轉臂3-3能夠旋轉。圖3給出了兩平面的夾 角的定義，由圖4能夠看出，傳統(tǒng)的探針安裝方式，對待成像側壁表面角度Θ 5的測量范圍 取決于掃描步距和待成像側壁表面傾斜角度，由圖5能夠看出，本實施方式中的探針對待 成像側壁表面角度Θ 6的測量范圍取決于探針的傾斜角度，本發(fā)明裝置使得探針在YZ平面 內不再局限于垂直光學顯微鏡的底座，而是可與底面在-90° - 90°范圍內成任意角度。使 用時，調節(jié)探針的旋轉角度，使針尖朝向待測表面，利用探針對待測表面進行掃描成像，根 據(jù)掃描數(shù)據(jù)即可對待測表面進行表征。所述的探針選用特殊的玻璃纖維探針，其針尖長度 可達500um，懸臂梁長大致在300-1000um范圍內，使得該裝置能進一步適用于對樣品中出 現(xiàn)的高深寬比側壁表面掃描成像。
[0035] 本實施方式所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，突破了傳 統(tǒng)AFM探針裝載方向固定的缺點，從而能夠在不破壞樣品的如提下，實現(xiàn)對樣品側壁表面 進行掃描成像和表征；能夠根據(jù)不同的樣品選擇合適的探針旋轉角度，從而實現(xiàn)對不同的 樣品側壁表面精確表征。本實施方式在微納米結構表面表征、以及微納制造、測試領域中具 有更高的可用性和操作性，具有很高的實用價值。

【具體實施方式】 [0036] 二：結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的 基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的 原子力顯微鏡包括光學顯微鏡、上位機11、激光力學子系統(tǒng)、探針手4、XY微米定位臺5、XYZ 納米定位臺6、樣品臺7和ΧΥΖ微米定位臺9、探針控制器13、采集卡12、壓電控制器8、一號 切換器10和二號切換器14 ;
[0037] 所述激光力學子系統(tǒng)用于測量探針與樣品表面間的相互作用力信號或諧振信號， 所述激光力學子系統(tǒng)包括激光器1和四象限位置檢測器2 ;
[0038] 所述ΧΥ微米定位臺5固定在光學顯微鏡的底座上，所述底座為平板結構，ΧΥ平面 與光學顯微鏡的底座平行，ΧΥΖ納米定位臺6固定在ΧΥ微米定位臺5上，樣品臺7固定在 ΧΥΖ納米定位臺6上，探針手4固定在所述ΧΥΖ微米定位臺9上；
[0039] 所述的激光力學子系統(tǒng)中，激光器1發(fā)出的激光入射到探針上，經(jīng)所述探針反射 后的激光入射至四象限位置檢測器2的檢測面上；
[0040] 上位機11的ΧΥΖ微米控制信號輸出端連接ΧΥΖ微米定位臺9的控制信號輸入端， 上位機11的ΧΥ微米控制信號輸出端連接ΧΥ微米定位臺5的控制信號輸入端，上位機11 的X納米控制信號輸出端通過壓電控制器8連接ΧΥΖ納米定位臺6的X控制信號輸入端， 上位機11的Υ納米控制信號輸出端和探針控制器13的Υ納米控制信號輸出端分別連接二 號切換器14的兩個信號輸入端，該二號切換器14的信號輸出端通過壓電控制器8連接ΧΥΖ 納米定位臺6的Υ控制信號輸入端，上位機11的Ζ納米控制信號輸出端和探針控制器13 的Ζ納米控制信號輸出端分別連接一號切換器10的兩個信號輸入端，該一號切換器10的 信號輸出端通過壓電控制器8連接ΧΥΖ納米定位臺6的Ζ控制信號輸入端，探針控制器13 的振動控制信號輸出端連接探針手4的振動控制信號輸入端，四象限位置檢測器2的法向 檢測信號輸出端同時連接探針控制器13的法向檢測信號輸入端和采集卡12的法向檢測信 號輸入端，該四象限位置檢測器2的側向檢測信號輸出端和總檢測信號輸出端分別連接采 集卡12的側向檢測信號輸入端和總檢測信號輸入端，采集卡12的信號輸出端連接上位機 11的采集卡信號輸入端。
[0041] 如圖1所示，通過上位機11與探針控制器13對XY微米定位臺5、XYZ納米定位臺 6和ΧΥΖ微米定位臺9的控制，能夠實現(xiàn)對待測表面進行圖像掃描。探針控制器13采集四 象限位置檢測器2的法向信號，該法向信號的帶寬能夠達到5MHz，根據(jù)該信號控制ΧΥΖ納米 定位臺6在Y、Z方向移動，對XYZ納米定位臺6在Y、Z方向的位置控制更加精確。

【具體實施方式】 [0042] 三：本實施方式是對實施方式一所述的基于原子力顯微鏡的微納米 結構側壁表面成像裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的探針架3還包括傳動裝置3-2 和旋鈕，所述傳動裝置3-2設置在基座3-1與旋轉臂3-3之間，旋鈕用于調節(jié)傳動裝置3-2, 進而帶動旋轉臂3-3轉動。
[0043] 本實施方式中，基座3-1與旋轉臂3-3之間增加了傳動裝置3-2和相應的調節(jié)旋 鈕。在探針架3的表面標有角度，通過轉動調節(jié)旋鈕來調節(jié)傳動裝置3-2,進而調節(jié)旋轉臂 3-3的角度，以此帶動旋轉臂3-3前端的探針轉動，使探針角度的調節(jié)更加精確。

【具體實施方式】 [0044] 四：本實施方式是對實施方式一所述的基于原子力顯微鏡的微納米 結構側壁表面成像裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的傳動裝置3-2通過齒輪傳動 實現(xiàn)。

【具體實施方式】 [0045] 五：本實施方式是對實施方式一所述的基于原子力顯微鏡的微納米 結構側壁表面成像裝置的進一步限定，本實施方式中，所述的探針控制器13采用0C4探針 動態(tài)控制器實現(xiàn)。
[0046] 0C4探針動態(tài)控制器采集的信號帶寬能夠達到5MHz，使控制更加穩(wěn)定。

【具體實施方式】 [0047] 六：結合圖6至圖9說明本實施方式，本實施方式是實施方式二所述 的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像方法，該方法通過以下步驟實 現(xiàn)：
[0048] 步驟一、將待測樣品底面固定在樣品臺7上，使待測樣品的待成像側壁表面與X軸 平行，調整旋轉臂3-3的角度，使探針的針尖朝向待成像側壁表面；
[0049] 步驟二、通過上位機11控制XYZ微米定位臺9移動，同時結合光學顯微鏡的上下 調焦系統(tǒng)，使探針位于光學顯微鏡的視場中心；
[0050] 步驟三、調節(jié)激光力學子系統(tǒng)，使激光光斑位于探針的懸臂梁的前端中心，選擇掃 描模式，所述掃描模式為接觸模式、輕敲模式或非接觸模式；
[0051] 步驟四、通過上位機11控制XY微米定位臺5移動，使待測樣品的待成像側壁表面 進入視場，并位于探針下方；
[0052] 步驟五、通過上位機11控制XYZ納米定位臺6移動，使探針的針尖與待測樣品頂 部表面接近；
[0053] 步驟六、開啟上位機11在Z方向的距離伺服控制，使XYZ納米定位臺6沿Z方向 上接近探針針尖，并控制XYZ納米定位臺6和探針針尖在Z方向上的距離為用戶設定的值；
[0054] 步驟七、通過上位機11控制XYZ納米定位臺6沿Y方向上移動，使待測樣品側壁 表面接近探針針尖；
[0055] 步驟八、通過上位機11控制XYZ納米定位臺6沿Z方向移動，使待測樣品的待成 像側壁表面沿Z方向上移至起始掃描位置；設置掃描區(qū)域和掃描步距；
[0056] 步驟九、啟動掃描過程：
[0057] 通過上位機11控制XYZ納米定位臺6在X、Y、Z三個方向上移動，實現(xiàn)探針對待成 像側壁表面的掃描，并保存掃描數(shù)據(jù)，掃描結束后，ΧΥΖ納米定位臺6再沿Υ方向移動，使探 針的針尖與待成像側壁表面分離。
[0058] 圖6至圖8給出了對待測表面進行掃描的主要流程。首先將待測樣品頂面表面移 至探針下方，并開啟ΧΥΖ納米定位臺6Ζ方向上的距離伺服控制，使探針針尖與待測表面的 距離為用戶設置的距離，如圖6所示；然后在Υ方向上移動待測樣品，使待測側壁表面與探 針針尖接近，如圖7所示；最后將待測樣品向上移動，使針尖位于起始掃描位置，如圖8所 示，開啟掃描。
[0059] 以TGZ3納米光柵為例，對其左右兩側壁分別進行掃描成像。該納米光柵的待測表 面的區(qū)域劃分情況如圖9所示，測量結果如表1所示。
[0060] 表1TGZ3納米光柵的表面測量結果
[0061]

【權利要求】
1. 基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，包括原子力顯微鏡，其特征在 于：它還包括探針架（3)，所述探針架（3)包括基座（3-1)和旋轉臂（3-3)，旋轉臂（3-3) 設置在基座（3-1)上，且該旋轉臂（3-3)能夠繞其中心軸旋轉，基座（3-1)用于將探針架 (3)固定在原子力顯微鏡的探針手（4)上，原子力顯微鏡的探針固定在探針架（3)的旋轉臂 (3-3)上，且該探針的橫截面為圓形或橢圓形。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，其特征 在于：所述的原子力顯微鏡包括光學顯微鏡、上位機（11)、激光力學子系統(tǒng)、探針手（4)、XY 微米定位臺（5)、ΧΥΖ納米定位臺（6)、樣品臺（7)和ΧΥΖ微米定位臺（9)、探針控制器（13)、 米集卡（12)、壓電控制器（8)、一號切換器（10)和二號切換器（14); 所述激光力學子系統(tǒng)用于測量探針與樣品表面間的相互作用力信號或諧振信號，所述 激光力學子系統(tǒng)包括激光器（1)和四象限位置檢測器（2); 所述ΧΥ微米定位臺（5)固定在光學顯微鏡的底座上，所述底座為平板結構，ΧΥ平面與 光學顯微鏡的底座平行，ΧΥΖ納米定位臺（6)固定在ΧΥ微米定位臺（5)上，樣品臺（7)固 定在ΧΥΖ納米定位臺（6)上，探針手（4)固定在所述ΧΥΖ微米定位臺（9)上； 所述的激光力學子系統(tǒng)中，激光器（1)發(fā)出的激光入射到探針上，經(jīng)所述探針反射后 的激光入射至四象限位置檢測器（2)的檢測面上； 上位機（11)的ΧΥΖ微米控制信號輸出端連接ΧΥΖ微米定位臺（9)的控制信號輸入端， 上位機（11)的ΧΥ微米控制信號輸出端連接ΧΥ微米定位臺（5)的控制信號輸入端，上位機 (11)的X納米控制信號輸出端通過壓電控制器⑶連接ΧΥΖ納米定位臺（6)的X控制信號 輸入端，上位機（11)的Υ納米控制信號輸出端和探針控制器（13)的Υ納米控制信號輸出 端分別連接二號切換器（14)的兩個信號輸入端，該二號切換器（14)的信號輸出端通過壓 電控制器（8)連接ΧΥΖ納米定位臺（6)的Υ控制信號輸入端，上位機（11)的Ζ納米控制信 號輸出端和探針控制器（13)的Ζ納米控制信號輸出端分別連接一號切換器（10)的兩個信 號輸入端，該一號切換器（10)的信號輸出端通過壓電控制器（8)連接ΧΥΖ納米定位臺（6) 的Ζ控制信號輸入端，探針控制器（13)的振動控制信號輸出端連接探針手（4)的振動控制 信號輸入端，四象限位置檢測器（2)的法向檢測信號輸出端同時連接探針控制器（13)的法 向檢測信號輸入端和采集卡（12)的法向檢測信號輸入端，該四象限位置檢測器（2)的側向 檢測信號輸出端和總檢測信號輸出端分別連接采集卡（12)的側向檢測信號輸入端和總檢 測信號輸入端，采集卡（12)的信號輸出端連接上位機（11)的采集卡信號輸入端。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，其特征 在于：所述的探針架（3)還包括傳動裝置（3-2)和旋鈕，所述傳動裝置（3-2)設置在基座 (3-1)與旋轉臂（3-3)之間，旋鈕用于調節(jié)傳動裝置（3-2)，進而帶動旋轉臂（3-3)轉動。
4. 根據(jù)權利要求3所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，其特征 在于：所述的傳動裝置（3-2)通過齒輪傳動實現(xiàn)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置，其特征 在于：所述的探針控制器（13)采用0C4探針動態(tài)控制器實現(xiàn)。
6. 權利要求2所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像方法， 其特征在于，該方法通過以下步驟實現(xiàn)： 步驟一、將待測樣品底面固定在樣品臺（7)上，使待測樣品的待成像側壁表面與X軸平 行，調整旋轉臂（3-3)的角度，使探針的針尖朝向待成像側壁表面； 步驟二、通過上位機（11)控制XYZ微米定位臺（9)移動，同時結合光學顯微鏡的上下 調焦系統(tǒng)，使探針位于光學顯微鏡的視場中心； 步驟三、調節(jié)激光力學子系統(tǒng)，使激光光斑位于探針的懸臂梁的前端中心，選擇掃描模 式，所述掃描模式為接觸模式、輕敲模式或非接觸模式； 步驟四、通過上位機（11)控制XY微米定位臺（5)移動，使待測樣品的待成像側壁表面 進入視場，并位于探針下方； 步驟五、通過上位機（11)控制XYZ納米定位臺（6)移動，使探針的針尖與待測樣品頂 部表面接近； 步驟六、開啟上位機（11)在Z方向的距離伺服控制，使XYZ納米定位臺（6)沿Z方向 上接近探針針尖，并控制XYZ納米定位臺（6)和探針針尖在Z方向上的距離為用戶設定的 值； 步驟七、通過上位機（11)控制XYZ納米定位臺（6)沿Y方向上移動，使待測樣品側壁 表面接近探針針尖； 步驟八、通過上位機（11)控制XYZ納米定位臺（6)沿Z方向移動，使待測樣品的待成 像側壁表面沿Z方向上移至起始掃描位置；設置掃描區(qū)域和掃描步距； 步驟九、啟動掃描過程： 通過上位機（11)控制XYZ納米定位臺（6)在X、Y、Z三個方向上移動，實現(xiàn)探針對待成 像側壁表面的掃描，并保存掃描數(shù)據(jù)，掃描結束后，ΧΥΖ納米定位臺（6)再沿Υ方向移動，使 探針的針尖與待成像側壁表面分離。
7. 根據(jù)權利要求6所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像 方法，其特征在于：步驟二中，上位機（11)控制ΧΥΖ微米定位臺（9)移動的方法為：用戶通 過上位機（11)輸入ΧΥΖ微米定位臺（9)在X、Υ和Ζ三個方向上要移動的距離參數(shù)，該參 數(shù)即為ΧΥΖ微米定位臺（9)的控制信號，上位機（11)將該控制信號發(fā)送給ΧΥΖ微米定位臺 (9)，ΧΥΖ微米定位臺（9)按照上述參數(shù)移動。
8. 根據(jù)權利要求6所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像 方法，其特征在于，上位機（11)控制ΧΥΖ納米定位臺（6)移動的方法為：用戶通過上位機 (11)輸入ΧΥΖ納米定位臺（6)要移動的距離參數(shù)，該參數(shù)即為ΧΥΖ納米定位臺（6)的控制 信號，該控制信號包括X方向控制信號、Υ方向控制信號和Ζ方向控制信號，所述X方向控 制信號由上位機（11)發(fā)送給ΧΥΖ納米定位臺（6)，當選擇距離伺服控制方向為Υ方向，且掃 描模式為接觸模式時，Υ方向控制信號由上位機（11)通過二號切換器（14)發(fā)送給ΧΥΖ納 米定位臺￠)，當掃描模式為輕敲模式或非接觸模式時，所述Υ方向控制信號由上位機（11) 通過探針控制器（13)和二號切換器（14)發(fā)送給XYZ納米定位臺（6)，XYZ納米定位臺（6) 按照上述參數(shù)移動。當選擇距離伺服控制方向為Ζ方向，且掃描模式為接觸模式時，Ζ方向 控制信號由上位機（11)通過一號切換器（10)發(fā)送給ΧΥΖ納米定位臺（6)，當掃描模式為輕 敲模式或非接觸模式時，所述Ζ方向控制信號由上位機（11)通過探針控制器（13)和一號 切換器（10)發(fā)送給ΧΥΖ納米定位臺（6)，ΧΥΖ納米定位臺（6)按照上述參數(shù)移動。
9. 根據(jù)權利要求6所述的基于原子力顯微鏡的微納米結構側壁表面成像裝置的成像 方法，其特征在于：掃描過程中，探針控制器（13)根據(jù)四象限位置檢測器（2)檢測的信號向 執(zhí)行掃描過程的探針手（4)發(fā)送振動控制信號，探針手（4)在振動控制信號的作用下帶動 探針振動，四象限位置檢測器（2)檢測到的信號包括法向信號、側向信號和總信號，四象限 位置檢測器（2)將法向信號同時發(fā)送至探針控制器（13)和采集卡（12)、將側向信號和總信 號發(fā)送至采集卡（12)，上位機（11)或探針控制器（13)對法向信號進行處理并發(fā)送Z或Y 方向的控制信號給XYZ納米定位臺（6)。
【文檔編號】G01Q60/24GK104062466SQ201410310642
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權日:2014年7月1日
【發(fā)明者】謝暉, 楊鋒 申請人:哈爾濱工業(yè)大學