本發(fā)明屬于微納表面形貌測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的可溯源探針標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的工作原理是，探針在被測(cè)樣件表面拖動(dòng)時(shí)，探針懸臂隨著被測(cè)樣件表面高低起伏的變化而發(fā)生不同程度的彎曲，導(dǎo)致探針懸臂上干涉條紋的位置也隨著發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)干涉條紋在探針懸臂上的移動(dòng)量可以計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的被測(cè)樣件表面的高度信息。

由于原子力探針的結(jié)構(gòu)尺寸十分微小，以及受現(xiàn)有材料的均勻性和生產(chǎn)加工工藝的限制，不可能得到各方面性能指標(biāo)完全一樣的原子力探針，并且原子力探針的結(jié)構(gòu)尺寸通過現(xiàn)有技術(shù)條件也無法準(zhǔn)確量化，另外，當(dāng)探針懸臂發(fā)生彎曲時(shí)，探針懸臂上不同位置所對(duì)應(yīng)的彎曲程度是不一樣的，導(dǎo)致干涉條紋在探針懸臂上的不同位置時(shí)，對(duì)應(yīng)同樣的垂直位移，所產(chǎn)生的移動(dòng)量也是不一樣的，因此無法通過理論分析來準(zhǔn)確獲得探針垂直位移與干涉條紋在探針懸臂上的位置之間的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的準(zhǔn)確測(cè)量，通過對(duì)探針垂直位移與干涉條紋在探針懸臂上的位置進(jìn)行標(biāo)定，準(zhǔn)確獲取它們之間的關(guān)系，然后用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡測(cè)量，可以從根本上提高其測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種超分辨可溯源的白光干涉原子力掃描探針標(biāo)定裝置，該標(biāo)定裝置包括平面平晶，原子力探針，原子力探針懸臂，白光干涉系統(tǒng)，垂直微動(dòng)平臺(tái)，ccd，測(cè)控系統(tǒng)；

所述白光干涉系統(tǒng)用于在所述原子力探針懸臂上產(chǎn)生干涉條紋，所述ccd用于獲取所述原子力探針懸臂上的干涉條紋圖像，垂直微動(dòng)平臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)所述原子力探針與所述平面平晶表面接觸產(chǎn)生擠壓；

其特征在于，所述標(biāo)定裝置還包括可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)，其設(shè)置于所述垂直微動(dòng)平臺(tái)之上，用于測(cè)量所述原子力探針的垂直位移，所述可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)沿光路依次包括半導(dǎo)體激光器，消偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡，反射棱鏡，1/4玻片，角錐棱鏡，第一反射鏡，第二反射鏡及第三反射鏡；

其中由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過所述消偏振分光棱鏡，到達(dá)所述偏振分光棱鏡，分成兩束光，一束為參考光，穿過所述偏振分光棱鏡，依次通過反射棱鏡和1/4玻片，到達(dá)所述第一反射鏡，另一束為測(cè)量光，經(jīng)過所述偏振分光棱鏡反射，依次穿過1/4玻片和所述角錐棱鏡，到達(dá)所述第二反射鏡，所述參考光及所述測(cè)量光到達(dá)所述第三反射鏡，經(jīng)反射后分別到達(dá)所述第一反射鏡和所述第二反射鏡，最后返回到所述消偏振分光棱鏡，產(chǎn)生干涉，由光電探測(cè)器接收；

所述測(cè)控系統(tǒng)接收所述ccd及所述光電探測(cè)器的信號(hào)并處理獲得所述干涉條紋零級(jí)條紋在所述原子力探針懸臂上的位置和所述原子力探針的垂直位移。

進(jìn)一步地，所述角錐棱鏡產(chǎn)生位移時(shí)，所述參考光及所述測(cè)量光光程差為所述角錐棱鏡位移的8倍。

進(jìn)一步地，所述角錐棱鏡與原子力探針為同軸剛性連接。

進(jìn)一步地，所述可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)的分辨率為皮米級(jí)。

進(jìn)一步地，在所述測(cè)控系統(tǒng)中，采用白光干涉零級(jí)條紋定位算法分析干涉條紋圖像，即使用極值法求取多條白光干涉信號(hào)的極值點(diǎn)，然后求平均值獲得白光干涉零級(jí)條紋在探針懸臂上的準(zhǔn)確位置。

進(jìn)一步地，利用原子力探針彎曲模型求得所述干涉條紋零級(jí)條紋在所述原子力探針懸臂上的位置和所述原子力探針(2)的垂直位移之間的關(guān)系為三次多項(xiàng)式。

另外一方面，本發(fā)明還公開了一種超分辨可溯源的白光干涉原子力掃描探針標(biāo)定裝置的標(biāo)定方法，其特征在于，所述標(biāo)定方法包括如下步驟：

步驟1：在所述原子力探針懸臂的適當(dāng)位置產(chǎn)生白光干涉條紋，使所述原子力探針針尖與所述平面平晶的表面接觸；

步驟2：驅(qū)動(dòng)所述垂直微動(dòng)平臺(tái)使所述原子力探針向下移動(dòng)，以微小步距擠壓所述平面平晶的表面，原子力探針懸臂會(huì)產(chǎn)生彎曲，帶動(dòng)所述角錐棱鏡同步向下移動(dòng)，通過所述可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量所述原子力探針向下移動(dòng)的位移，同時(shí)干涉條紋會(huì)在所述原子力探針懸臂上移動(dòng)，通過所述ccd實(shí)時(shí)獲取原子力探針懸臂上的干涉條紋圖像，使用白光干涉零級(jí)條紋定位算法分析干涉條紋圖像，獲取各個(gè)時(shí)刻干涉條紋在原子力探針懸臂上的準(zhǔn)確位置；

步驟3：使用所述原子力探針彎曲模型所確定的原子力探針垂直位移與原子力探針懸臂上白光干涉零級(jí)條紋位置之間的關(guān)系來擬合步驟中所獲得的位移和位置值，獲取標(biāo)定曲線并保存，標(biāo)定完成。

所述步驟2中的微小步距的量級(jí)為10nm步距。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)采用可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)對(duì)探針的垂直位移進(jìn)行計(jì)量，由于高達(dá)皮米級(jí)的測(cè)量分辨率，可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，從而提高計(jì)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)測(cè)量可以溯源到激光波長(zhǎng)，進(jìn)而可以提高白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測(cè)量精度；

(2)白光干涉零級(jí)條紋的準(zhǔn)確定位對(duì)探針標(biāo)定和白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測(cè)量都具有重要意義，采用白光干涉零級(jí)條紋定位算法可以提高零級(jí)條紋的定位精度和穩(wěn)定性；

(3)通過原子力探針彎曲模型推導(dǎo)出探針垂直位移與探針懸臂上白光干涉零級(jí)條紋位置之間為三次多項(xiàng)式的關(guān)系，然后用于擬合所述垂直位移與所述條紋位置之間的關(guān)系，使其由離散數(shù)據(jù)點(diǎn)變?yōu)檫B續(xù)曲線，用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測(cè)量。

(4)通過以上技術(shù)可以極大地提高標(biāo)定的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)一根探針，只需要一次標(biāo)定，保存標(biāo)定關(guān)系用于測(cè)量，不需要每次測(cè)量都進(jìn)行標(biāo)定。

總之，按照本發(fā)明的標(biāo)定方法，可以實(shí)現(xiàn)原子力探針的高精度標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的準(zhǔn)確測(cè)量。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的可溯源探針標(biāo)定方法的原理圖；

圖2是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的可溯源探針標(biāo)定方法中的可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的可溯源探針標(biāo)定方法中的探針彎曲模型示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:

1-平面平晶2-原子力探針3-白光干涉系統(tǒng)4-垂直微動(dòng)平臺(tái)5-可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)6-角錐棱鏡7-ccd8-測(cè)控系統(tǒng)9-反射鏡二10-反射鏡一11-1/4玻片12-反射棱鏡13-反射鏡三14-偏振分光棱鏡15-消偏振分光棱鏡16-半導(dǎo)體激光器17-光電探測(cè)器

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明方法的原理圖。如圖1所示，按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的可溯源探針標(biāo)定方法中包括，平面平晶1，原子力探針2，白光干涉系統(tǒng)3，垂直微動(dòng)平臺(tái)4，可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)5，角錐棱鏡6，ccd7，測(cè)控系統(tǒng)8。白光干涉系統(tǒng)3在探針懸臂上產(chǎn)生干涉條紋，驅(qū)動(dòng)垂直微動(dòng)平臺(tái)4使原子力探針2與平面平晶1接觸，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)原子力探針2以微小步距擠壓平面平晶1的表面，該微小步距的數(shù)量級(jí)為：納米級(jí)(10nm步距)。并且說明現(xiàn)有技術(shù)中能夠?qū)崿F(xiàn)該垂直微動(dòng)的具體實(shí)施方式，垂直微動(dòng)平臺(tái)4為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，原子力探針2懸臂會(huì)產(chǎn)生彎曲，在這個(gè)過程中，會(huì)帶動(dòng)角錐棱鏡6同步向下移動(dòng)，通過所述可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)5測(cè)量原子力探針向下移動(dòng)的位移，同時(shí)干涉條紋會(huì)在原子力探針2懸臂上移動(dòng)，通過所述ccd7實(shí)時(shí)獲取原子力探針2懸臂上的干涉條紋圖像，使用所述白光干涉零級(jí)條紋定位算法分析干涉條紋圖像，獲取各個(gè)時(shí)刻干涉條紋在原子力探針2懸臂上的準(zhǔn)確位置，使用所述原子力探針彎曲模型所確定的原子力探針垂直位移與原子力探針懸臂上白光干涉零級(jí)條紋位置之間的關(guān)系來擬合所獲得的原子力探針垂直位移和干涉條紋在探針懸臂上的位置值，而且在本發(fā)明的光學(xué)原理的基礎(chǔ)上，將角錐棱鏡6放置于垂直微動(dòng)平臺(tái)4上，尤其可獲得本發(fā)明中獲得垂直位移測(cè)量的良好效果，實(shí)驗(yàn)表明采用原子力探針彎曲模型所確定的三次多項(xiàng)式關(guān)系來擬合原子力探針垂直位移和干涉條紋在探針懸臂上的位置值，可以獲得很高的匹配效果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析是相吻合的。

圖2為圖1中所示可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，由半導(dǎo)體激光器16發(fā)出的光經(jīng)過消偏振分光棱鏡15，到達(dá)偏振分光棱鏡14，分成兩束光，一束為參考光，穿過偏振分光棱鏡14，依次通過反射棱鏡12和1/4玻片11，到達(dá)反射鏡10，另一束為測(cè)量光，經(jīng)過偏振分光棱鏡14反射，依次穿過1/4玻片11和角錐棱鏡6，到達(dá)反射鏡9，然后兩束光都到達(dá)反射鏡13，再分別到達(dá)反射鏡10和9，最后沿初始光路返回到消偏振分光棱鏡15，產(chǎn)生干涉，由光電探測(cè)器17接收，光電探測(cè)器17與所述測(cè)控系統(tǒng)8連接，從而可以獲得原子力探針的垂直位移量。

圖3為本發(fā)明方法中探針彎曲模型示意圖，圖中，x為干涉條紋在探針懸臂上的位置坐標(biāo)，y為探針懸臂所在平面的寬度坐標(biāo)，z為探針的垂直位移坐標(biāo)，x是干涉條紋在探針懸臂上的初始位置，l為探針懸臂的長(zhǎng)度，p為探針針尖與平面平晶之間的相互作用力，θ是探針懸臂在力p的作用下所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度，原子力探針2懸臂的彎曲為撓性形變，根據(jù)白光干涉原理和懸臂梁撓性變形原理，可以得到探針的垂直位移與探針懸臂上白光干涉零級(jí)條紋位置之間為三次多項(xiàng)式的關(guān)系，為將離散的原子力探針垂直位移和干涉條紋在探針懸臂上的位置值擬合為連續(xù)曲線作為白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測(cè)量基準(zhǔn)提供了理論依據(jù)。

下面將具體描述利用按照本發(fā)明的標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定:

首先，調(diào)節(jié)好可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)5的計(jì)量信號(hào)以及白光干涉信號(hào)在原子力探針懸臂上的位置，驅(qū)動(dòng)垂直微動(dòng)平臺(tái)4使原子力探針2與平面平晶1接觸，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)原子力探針2以微小步距擠壓平面平晶1的表面，原子力探針2懸臂會(huì)產(chǎn)生彎曲，測(cè)控系統(tǒng)8通過ccd7采集干涉圖像并運(yùn)用白光干涉零級(jí)條紋定位算法獲取干涉條紋在探針懸臂上的位置，同時(shí)采集可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)5所測(cè)量的原子力探針的垂直位移，然后利用原子力探針彎曲模型所確定的三次多項(xiàng)式關(guān)系進(jìn)行擬合，獲取它們之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，將曲線數(shù)據(jù)保存，完成標(biāo)定。

本發(fā)明針對(duì)白光干涉原子力探針掃描顯微鏡提出了一種可溯源探針標(biāo)定方法，提出可溯源超分辨位移計(jì)量系統(tǒng)用于準(zhǔn)確獲取探針產(chǎn)生形變時(shí)的垂直位移，白光干涉零級(jí)條紋定位算法用于準(zhǔn)確獲取干涉條紋在探針懸臂上的位置，原子力探針彎曲模型用于擬合所述垂直位移與所述條紋位置之間的關(guān)系，提高標(biāo)定關(guān)系的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的準(zhǔn)確測(cè)量。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。