本技術(shù)涉及原子力顯微鏡，特別是涉及一種計(jì)量型原子力顯微鏡的三維掃描測頭。

背景技術(shù)：

1、原子力顯微鏡(afm)是一種具有亞納米級三維分辨力的精密測量儀器，可實(shí)現(xiàn)對各類固體材料甚至生物組織表面微觀三維形貌及物理特性的無損表征，在科研和先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見afm設(shè)備的基本工作原理是利用一根微懸臂梁探針以一定的力觸碰樣品并借助壓電陶瓷掃描器使二者在xy平面內(nèi)做相對掃描運(yùn)動(dòng)，掃描過程中通過掃描器的實(shí)時(shí)z向反饋維持探針樣品間作用力不變，即保持針尖和樣品間距恒定，則針尖相對于樣品的運(yùn)動(dòng)軌跡即反映了樣品表面的三維形貌。

2、盡管afm能夠以很高的分辨力給出微納米結(jié)構(gòu)的表面三維尺寸，但絕大多數(shù)afm設(shè)備的測量數(shù)據(jù)并不具備計(jì)量效果，其原因有兩點(diǎn)：第一，afm的尺寸測量值應(yīng)為針尖與樣品的相對位移，但普通afm并不直接測量該位移，而是測量掃描器的位移。而掃描器各軸的位移一般由內(nèi)部集成的位移傳感器測得，這些傳感器的測量軸(延長線)并不經(jīng)過針尖所在點(diǎn)，不滿足阿貝原則，即掃描器位移時(shí)姿態(tài)角的變化會(huì)導(dǎo)致位移傳感器測得值并不等于針尖與樣品的實(shí)際相對位移。第二，普通afm掃描器內(nèi)部集成的位移傳感器一般為電容傳感器、電感傳感器或應(yīng)變片傳感器，其位移測量值(樣品尺寸測量結(jié)果)不能直接關(guān)聯(lián)到長度單位的定義即激光波長上，還須由更高等級的設(shè)備或標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)。

3、計(jì)量屬性的缺失使得不同afm設(shè)備的測量結(jié)果或afm與其他設(shè)備的測量結(jié)果相互之間難以比較，這對工業(yè)生產(chǎn)中工藝一致性的評判和控制是不利的。對此，相關(guān)機(jī)構(gòu)開發(fā)了計(jì)量型afm。這些計(jì)量型afm普遍采用下掃描式儀器架構(gòu)，即探針不動(dòng)，掃描器驅(qū)動(dòng)樣品做三維運(yùn)動(dòng)。樣品臺(tái)兩個(gè)相鄰的側(cè)面和底部安裝有三面相互正交的反射鏡，x、y、z三路干涉儀發(fā)出的激光分別垂直打在三面反射鏡上，且光束延長線交會(huì)于針尖。

4、而上述下掃描式架構(gòu)的計(jì)量型afm存在一個(gè)顯而易見的缺點(diǎn)，即樣品的尺寸和重量受掃描器的承載能力限制，導(dǎo)致這類儀器只能用于小型樣品的檢測。對于尺寸較大的工業(yè)樣品，目前尚無適用的計(jì)量型afm設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的是提供一種計(jì)量型原子力顯微鏡的三維掃描測頭，通過激光干涉測量模塊補(bǔ)償因位移測量軸不通過針尖而導(dǎo)致的阿貝誤差，配合大尺寸樣品臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對大型樣品表面微觀形貌參數(shù)的計(jì)量。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案：

3、本技術(shù)提供了一種計(jì)量型原子力顯微鏡的三維掃描測頭，包括：負(fù)載模塊、三維正交掃描模塊和激光干涉測量模塊；所述負(fù)載模塊用于固定探針、探針受力檢測單元及反射鏡組，所述負(fù)載模塊固定在所述三維正交掃描模塊的活動(dòng)部上；所述三維正交掃描模塊用于帶動(dòng)探針相對于樣品臺(tái)上的樣品執(zhí)行x、y方向上的掃描和z方向上的樣品形貌反饋；所述激光干涉測量模塊用于向所述負(fù)載模塊上設(shè)置的所述反射鏡組發(fā)射激光并獲取激光干涉測量結(jié)果，以根據(jù)所述激光干涉測量模塊的測量結(jié)果解算得到所述探針針尖相對于樣品表面的實(shí)際三維位移。

4、可選地，所述負(fù)載模塊包括：探針、探針固定器、探針受力檢測單元、反射鏡組和剛性框架；所述反射鏡組包括x軸反射鏡、y軸反射鏡和z軸反射鏡。

5、所述探針固定在所述探針固定器上，所述探針的針尖位于所述三維掃描測頭的最低點(diǎn)；所述探針固定器和所述探針受力檢測單元均固定在所述剛性框架上，所述剛性框架固定在所述三維正交掃描模塊的活動(dòng)部上；所述x軸反射鏡和所述y軸反射鏡分別固定在所述剛性框架的兩個(gè)相鄰的正交面上，所述x軸反射鏡的反射面和所述y軸反射鏡的反射面朝外且分別垂直于x軸和y軸；所述z反射鏡固定在所述探針固定器的底部，所述z反射鏡的反射面朝上且垂直于z軸。

6、可選地，所述探針受力檢測單元根據(jù)所述探針的類型，采用光杠桿光路或自感應(yīng)電路。

7、可選地，所述三維正交掃描模塊包括：固定部和活動(dòng)部；所述活動(dòng)部帶動(dòng)所述負(fù)載模塊的探針相對于樣品臺(tái)上的樣品執(zhí)行x、y方向的掃描和z方向的反饋運(yùn)動(dòng)。

8、可選地，所述激光干涉測量模塊包括：第一安裝框架、第二安裝框架、直角反射鏡、第一激光干涉測頭、第二激光干涉測頭、第三激光干涉測頭、第四激光干涉測頭、第五激光干涉測頭和第六激光干涉測頭；所述第一安裝框架和所述第二安裝框架固定安裝在所述三維正交掃描模塊的固定部上；所述第一激光干涉測頭、所述第二激光干涉測頭、所述第三激光干涉測頭、所述第四激光干涉測頭、所述第五激光干涉測頭和所述第六激光干涉測頭固定安裝在所述第一安裝框架上；所述直角反射鏡固定安裝在所述第二安裝框架上，所述直角反射鏡用于將所述第六激光干涉測頭的激光反射至所述z軸反射鏡。

9、所述第一激光干涉測頭、所述第二激光干涉測頭和所述第三激光干涉測頭分別朝向所述x軸反射鏡，所述第一激光干涉測頭、所述第二激光干涉測頭和所述第三激光干涉測頭分別向所述x軸反射鏡發(fā)射激光并接收反射光，以對所述探針的x軸位移進(jìn)行精確測量；所述第一激光干涉測頭、所述第二激光干涉測頭和所述第三激光干涉測頭在所述x軸反射鏡上的三個(gè)激光點(diǎn)不共線。

10、所述第四激光干涉測頭和所述第五激光干涉測頭分別朝向所述y軸反射鏡，所述第四激光干涉測頭和所述第五激光干涉測頭分別向所述y軸反射鏡發(fā)射激光并接收反射光，以對所述探針的y軸位移進(jìn)行精確測量。

11、所述第六激光干涉測頭朝向所述直角反射鏡，所述第六激光干涉測頭向所述直角反射鏡發(fā)射激光，通過所述直角反射鏡將激光反射至所述z軸反射鏡，并接收反射光，以對所述探針的z軸位移進(jìn)行精確測量。

12、可選地，根據(jù)所述激光干涉測量模塊的測量結(jié)果解算得到所述探針針尖相對于樣品表面的實(shí)際三維位移，具體包括以下步驟：

13、在針尖接觸樣品表面后，以所述x軸反射鏡、所述y軸反射鏡和所述z軸反射鏡所在平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)o，三個(gè)反射鏡所在平面分別為x＝0，y＝0，z＝0，建立負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系，負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系被視為固定的世界坐標(biāo)系。

14、在所述三維正交掃描模塊帶動(dòng)探針掃描時(shí)，根據(jù)所述激光干涉測量模塊測量結(jié)果的變化，確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系，負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系反映當(dāng)前時(shí)刻負(fù)載模塊在世界坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。

15、根據(jù)所述負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系和負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系，確定負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

16、根據(jù)所述探針針尖在負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、所述負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，解算得到所述探針針尖從初始時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻相對于固定不動(dòng)的樣品的實(shí)際三維位移。

17、可選地，根據(jù)所述激光干涉測量模塊測量結(jié)果的變化，確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系，具體包括以下步驟：

18、根據(jù)激光干涉測量模塊測量結(jié)果的變化，確定世界坐標(biāo)系中x軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程以及負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量。

19、根據(jù)激光干涉測量模塊測量結(jié)果的變化和負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量，確定世界坐標(biāo)系中y軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程以及負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的y軸向量。

20、根據(jù)激光干涉測量模塊測量結(jié)果的變化、負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量和負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的y軸向量，確定世界坐標(biāo)系中z軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程以及負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的z軸向量。

21、根據(jù)x軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程、y軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程和z軸反射鏡當(dāng)前所在平面的方程得到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

22、根據(jù)負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量、負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的y軸向量、負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的z軸向量和負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的原點(diǎn)，確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系。

23、可選地，所述激光干涉測量模塊的測量結(jié)果包括：所述第一激光干涉測頭的測量結(jié)果、所述第二激光干涉測頭的測量結(jié)果、所述第三激光干涉測頭的測量結(jié)果、所述第四激光干涉測頭的測量結(jié)果、所述第五激光干涉測頭的測量結(jié)果和所述第六激光干涉測頭的測量結(jié)果。

24、可選地，根據(jù)下式確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量：

25、

26、其中，(k1,m1,n1)為負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的x軸向量，k1、m1和n1分別為x軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)；根據(jù)下式確定x軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)：

27、

28、其中，(xa',ya,za)為當(dāng)前時(shí)刻所述第一激光干涉測頭在所述x軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)，(xb',yb,zb)為當(dāng)前時(shí)刻所述第二激光干涉測頭在所述x軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)，(xc',yc,zc)為當(dāng)前時(shí)刻所述第三激光干涉測頭在所述x軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

29、根據(jù)下式確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的y軸向量：

30、

31、其中，(k2,m2,n2)為負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的y軸向量，k2、m2和n2分別為y軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)；根據(jù)下式確定y軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)：

32、

33、其中，(xd',yd,zd)為當(dāng)前時(shí)刻所述第四激光干涉測頭在所述y軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)，(xe',ye,ze)為當(dāng)前時(shí)刻所述第五激光干涉測頭在所述y軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

34、根據(jù)下式確定負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的z軸向量：

35、

36、其中，(k3,m3,n3)為負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的z軸向量，k3、m3和n3分別為z軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)；根據(jù)下式確定z軸反射鏡當(dāng)前所在平面的平面方程系數(shù)：

37、

38、其中，(xf',yf,zf)為當(dāng)前時(shí)刻所述第六激光干涉測頭在所述z軸反射鏡上的激光反射點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

39、可選地，負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣通過下式表示：

40、

41、其中，r為負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

42、負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的平移向量通過下式表示：

43、

44、其中，d為負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系到負(fù)載模塊當(dāng)前坐標(biāo)系的平移向量。

45、根據(jù)下式計(jì)算所述探針針尖從初始時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻相對于固定不動(dòng)的樣品的實(shí)際三維位移：

46、

47、其中，s為所述探針針尖從初始時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻相對于固定不動(dòng)的樣品的實(shí)際三維位移，(xp',yp',zp')為所述探針針尖當(dāng)前時(shí)刻的世界坐標(biāo)，(xp,yp,zp)為初始時(shí)刻下，所述探針針尖在所述負(fù)載模塊初始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，也即所述探針針尖初始時(shí)刻的世界坐標(biāo)。

48、根據(jù)本技術(shù)提供的具體實(shí)施例，本技術(shù)公開了以下技術(shù)效果：

49、本技術(shù)提供了一種計(jì)量型原子力顯微鏡的三維掃描測頭，包括：負(fù)載模塊、三維正交掃描模塊和激光干涉測量模塊。在負(fù)載模塊中固定有探針、探針受力檢測單元及反射鏡組，該負(fù)載模塊固定在三維正交掃描模塊的活動(dòng)部上，通過三維正交掃描模塊帶動(dòng)探針相對于樣品臺(tái)上的樣品執(zhí)行x、y方向上的掃描和z方向上的樣品形貌反饋；同時(shí)通過激光干涉測量模塊向負(fù)載模塊上設(shè)置的反射鏡組發(fā)射激光并獲取激光干涉測量結(jié)果，以根據(jù)測量結(jié)果解算得到探針針尖相對于樣品表面的實(shí)際三維位移。本技術(shù)通過激光干涉測量模塊的測量結(jié)果補(bǔ)償因位移測量軸不通過探針針尖而導(dǎo)致的阿貝誤差，配合大尺寸樣品臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對大型樣品表面微觀形貌參數(shù)的計(jì)量，打破了傳統(tǒng)計(jì)量型原子力顯微鏡對樣品尺寸的限制，可實(shí)現(xiàn)大型樣品表面微結(jié)構(gòu)的精確測量；且由于使用激光干涉測量，可以使原子力顯微鏡的尺寸檢測結(jié)果溯源到激光波長，具備計(jì)量意義。