基于光偏轉(zhuǎn)原理的AFM光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王旭東，溫 陽，王慧云，秦 麗，溫?zé)w，馬宗敏

（1.中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

納米科技是未來高科技發(fā)展的基礎(chǔ)，納米材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)以及顯微組織關(guān)系是決定其性能以及應(yīng)用的關(guān)鍵因素，能夠用于納米材料表征的儀器分析方法已經(jīng)成為納米科技中必不可少的實(shí)驗(yàn)手段［1］。原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）憑借其高空間分辨率和高效的工作效率，成為迄今為止最常用的納米（nm）尺度結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)［2，3］，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、微電子學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)AFM的測(cè)量分辨率提出了更高的要求［4］。

AFM的測(cè)量靈敏度除了受到懸臂梁熱布朗運(yùn)動(dòng)（品質(zhì)因子Q）的限制，還受到懸臂梁偏轉(zhuǎn)傳感器靈敏度的限制，因此光電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。天津大學(xué)的于喚喚等人設(shè)計(jì)了一種觸針式光電三維微位移測(cè)量系統(tǒng)［5］，可以通過光學(xué)方法放大微小位移，實(shí)現(xiàn)10 μm的測(cè)量精度，但其較大的實(shí)驗(yàn)裝置并不符合AFM 集成化的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外的Schmidsfeld A V等學(xué)者提出了基于邁克爾遜干涉原理的光學(xué)干涉的檢測(cè)方式［6］，偏轉(zhuǎn)噪聲密度達(dá)到，盡管具有優(yōu)異的偏轉(zhuǎn)靈敏度，但干涉儀因?yàn)槠鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高昂的設(shè)計(jì)成本，尚未能廣泛地應(yīng)用AFM。所以，如何在滿足高靈敏度需求的同時(shí)兼顧簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置和集成化的設(shè)計(jì)要求成為了目前的研究重點(diǎn)。

本文通過研究光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的原理設(shè)計(jì)了高靈敏度的光電檢測(cè)系統(tǒng)，在集成化的基礎(chǔ)上優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小了準(zhǔn)直光斑發(fā)散角，降低了系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)噪聲，提高了AFM 系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1為使用光偏轉(zhuǎn)方法的懸臂梁偏轉(zhuǎn)傳感器的典型實(shí)驗(yàn)裝置［7］。懸臂振動(dòng)的位移Δz導(dǎo)致懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同時(shí)也會(huì)引起光電傳感器上激光光斑的位移，光斑位移Δa可以由下式表示

圖1 光偏轉(zhuǎn)檢測(cè)原理

式中l(wèi)cp為探針懸臂梁與光電傳感器的距離，lc為探針懸臂梁的長(zhǎng)度。

激光光斑的位移會(huì)導(dǎo)致光電傳感器中不同象限之間電流的差異，假設(shè)2個(gè)象限之間的電流差為Δi，激光光斑為矩形并且功率分布均勻時(shí)，Δi1可以表示為

式中η為光電轉(zhuǎn)換效率，P為激光照射到光電傳感器上的總功率，a為光電傳感器上激光光斑直徑。另外，假設(shè)激光具有標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯分布時(shí)，電流差Δi2可以表示為

式中d為光電傳感器的感知區(qū)域的寬度。

式（2）相比于式（3）表達(dá)更加直觀，但式（3）比式（2）表示更為準(zhǔn)確。為了得到直觀而且準(zhǔn)確的表達(dá)式，本節(jié)定義一個(gè)誤差系數(shù)χ，令χ＝Δi2／Δi1，χ的值在大多數(shù)偏轉(zhuǎn)傳感器中基本是不變的，在本文中χ＜3%，并且探針懸臂梁位移Δz取±10 nm的區(qū)間。如果定義a處光斑的最大激光強(qiáng)度為1／e，那么誤差系數(shù)χ取1.13。根據(jù)式（2）和式（3），光電傳感器象限之間的電流差Δi表示為

雖然式（4）在理論上計(jì)算是準(zhǔn)確的，但是在實(shí)驗(yàn)中，激光功率P很難準(zhǔn)確測(cè)量，相較而言，激光照射到懸臂梁上的功率P0測(cè)量比較容易。存在激光功率衰減系數(shù)α，使得P＝αP0。式（4）中的Δi會(huì)隨著lcp的增加而增加，然而，這是不正確的，因?yàn)榧す夤獍遖會(huì)隨著懸臂與光電傳感器的距離lcp改變而變化，可以用下式表示

式中a0為準(zhǔn)直激光光斑的直徑，lf為聚焦透鏡的焦距。因此，式（4）可以表示為

根據(jù)式（6），可以得到探針位移的檢測(cè)靈敏度Sz和探針懸臂的偏轉(zhuǎn)信號(hào)之間的關(guān)系，其中，RIV為IV轉(zhuǎn)換器的阻抗，Adiff為差分放大器的增益

光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的噪聲性能主要受到光電二極管散粒噪聲的限制。光電二極管散粒噪聲引起的偏轉(zhuǎn)噪聲nz由式（8）給出［8］

式中l(wèi)c為懸臂長(zhǎng)度，lf為激光到懸臂的距離，α為激光功率的衰減，P0為激光功率，e為電子電荷，η為工作環(huán)境介質(zhì)的折射率，χ為誤差系數(shù)。

在光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，激光束的精確聚焦需要高質(zhì)量的準(zhǔn)直激光束。激光束應(yīng)該具有圓形截面，小的像差和小的發(fā)散角，當(dāng)準(zhǔn)直光斑直徑a0比較大時(shí)，可以滿足這些需求［9］。

但根據(jù)式（8）可知，低系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)噪聲nz要求較小的a0，同時(shí)，小的a0也有助于系統(tǒng)集成化，小型化。所以本文需要選擇一個(gè)高質(zhì)量的準(zhǔn)直激光束光源。

2 光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由由半導(dǎo)體激光器、反射鏡、四象限光電探測(cè)器組成。其中，激光器中集成了聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡，是影響光信號(hào)質(zhì)量的重要部分。光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過檢測(cè)象限之間的電壓差值反映懸臂的位移情況。半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光經(jīng)過激光模組準(zhǔn)直聚焦后，然后被LD側(cè)鏡反射，入射到懸臂背面。然后，懸臂背面反射的光被PD 側(cè)鏡反射，入射到四象限光電探測(cè)器的中心。四象限光電探測(cè)器被分配為PD1、PD2、PD3、PD4。懸臂的位移和彎曲可以通過與激光入射到四象限光電探測(cè)器的中心的偏移來檢測(cè)［10］。根據(jù)式（9）、式（10），取各光電二極管的檢測(cè)量的差

圖2 光電檢測(cè)系統(tǒng)

式中Vx，Vy分別為X和Y方向的電壓偏差信號(hào)；V1，V2，V3，V4分別為光電探測(cè)器4個(gè)象限的電壓信號(hào)。

為了盡可能地提高檢測(cè)位移靈敏度，本節(jié)采用半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡的激光模組的方法。由計(jì)算可知，準(zhǔn)直激光光斑直徑越小，由激光產(chǎn)生的噪聲越低，同時(shí)考慮到半導(dǎo)體激光器是橢圓形光斑和比較大的發(fā)散角也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)生影響，最終選取了激光波長(zhǎng)λ＝（650 ±10）nm，發(fā)散角θ0＝9° ±3°的L650P007 半導(dǎo)體激光器，?5.6 mm的TO-18封裝分立激光二極管是可以適合多種應(yīng)用的緊湊型光源。

在考慮到激光光斑直徑、系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)噪聲密度和集成化測(cè)量單元的需求，本文采用了透鏡組的方式［11］，選取了Edmund Optics公司焦距f1＝6 mm的透鏡作為準(zhǔn)直透鏡，直徑為6 mm，并且外層有氟化鎂（MgF2）鍍層；選取了Edmund Optics公司焦距f2＝36 mm 的透鏡作為聚焦透鏡，直徑為6 mm，并且外層有MgF2鍍層，如圖3所示，光程lf＝36 mm。

圖3 激光光程示意

2.1 準(zhǔn)直調(diào)節(jié)

本文從提高準(zhǔn)直調(diào)節(jié)效率和精度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種適用于光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。圖4（a）中可以看到采取的是螺旋式嵌套結(jié)構(gòu)，替代常用的直筒式結(jié)構(gòu)。螺紋線程為1 mm，量化了調(diào)節(jié)距離，極大提高了調(diào)節(jié)的精度和準(zhǔn)確性。準(zhǔn)直透鏡直接固定在公頭上，調(diào)節(jié)對(duì)象從透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)，在避免了透鏡損傷的情況下也將調(diào)節(jié)過程簡(jiǎn)單化。聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡一起安裝到公頭上也使得空間結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步集成化，小型化。黃銅塊導(dǎo)熱性能良好，可以在激光二極管工作的時(shí)候有效的散熱。

圖4 準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)示意

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，對(duì)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中打開激光二極管，激光功率設(shè)置為3 mW，在距離準(zhǔn)直透鏡1 m 和2.5 m 處分別用A4 紙獲取準(zhǔn)直光斑，從圖4（c）中可以看到，在1 m 處光斑大小為1.6 mm，在2.5 m 處光斑大小為3 mm，準(zhǔn)直光斑在1.5 m的距離內(nèi)直徑增加了1.4 mm，那么激光的發(fā)散角

得θ＝0. 053°，而本文采用的準(zhǔn)直透鏡焦距僅f1＝6 mm，在系統(tǒng)中需要保持平行激光的距離小于1 cm，在此距離內(nèi)可以認(rèn)為激光光束已經(jīng)達(dá)到了準(zhǔn)直的要求。

2.2 三維調(diào)節(jié)

光偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中對(duì)于激光光程是有嚴(yán)格要求的，激光光束在聚焦透鏡的焦距處準(zhǔn)確得到最小的激光光斑。如果采用固定反射結(jié)構(gòu)的方法雖然可以節(jié)省調(diào)節(jié)光路的工作，但是在實(shí)際操作中容易因?yàn)榧庸て詈推骷p造成一定的誤差，此時(shí)固定結(jié)構(gòu)會(huì)極大影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。本節(jié)中采用了可以在三維空間內(nèi)調(diào)整透鏡方向的球形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在α，β，γ方向靈活調(diào)節(jié)透鏡位置，改變激光光束方向和光程，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差，如圖5所示。

圖5 三維轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子在三維方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了堆疊型壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，利用了慣性驅(qū)動(dòng)原理驅(qū)動(dòng)金屬球偏轉(zhuǎn)［12］，驅(qū)動(dòng)電壓如圖6 所示，壓電陶瓷的納米級(jí)位移可以實(shí)現(xiàn)高精度和高靈活性的設(shè)計(jì)需求。球形轉(zhuǎn)子的固定方式利用了磁鐵與可伐合金之間的磁力作用，可以使球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的放置于壓電陶瓷中，避免了固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)干擾壓電陶瓷工作。驅(qū)動(dòng)方式采用剪切壓電配合慣性驅(qū)動(dòng)的方法。

圖6 剪切型驅(qū)動(dòng)電壓

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 光電檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中選取0.1 mW的激光功率調(diào)節(jié)激光光斑位置，因?yàn)檩^大的激光功率會(huì)產(chǎn)生較多的散射光，不利于觀測(cè)。通過調(diào)節(jié)LD反射鏡和PD反射鏡，使激光光斑向著探針懸臂的方向移動(dòng)，同時(shí)觀察四象限探測(cè)器上電流大小。當(dāng)電流示數(shù)發(fā)生突變時(shí)，說明激光已經(jīng)反射到探針懸臂的位置，繼續(xù)調(diào)試LD和PD反射鏡，當(dāng)無論調(diào)節(jié)α，β，γ任意方向電流示數(shù)都不再增大反而減小時(shí)，此時(shí)激光光斑已經(jīng)完全打到探針懸臂，完成對(duì)準(zhǔn)。然后，使用示波器觀測(cè)激光光斑位置，通過調(diào)節(jié)PD反射鏡，使激光光斑處于四象限光電探測(cè)器的中心。然后，依次斷開象限和示波器之間的連接，觀察激光光斑位置變化情況，從圖7中可以看到，斷開PD1 通道時(shí)，光斑會(huì)偏移到2 象限，斷開PD2 通道，光斑偏移到4 象限，斷開PD3通道，光斑偏移到3象限，斷開PD4通道，光斑偏移到1象限，激光光斑位置會(huì)立即向所斷開象限發(fā)生偏移，符合對(duì)應(yīng)關(guān)系。表明光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有良好的靈敏度和準(zhǔn)確性。

圖7 激光光斑位置與光電探測(cè)器象限對(duì)應(yīng)關(guān)系

關(guān)閉探針起振模塊，測(cè)量非工作條件下系統(tǒng)的熱噪聲，在（f0-97.1 Hz，f0＋97.1 Hz）的頻率范圍內(nèi)得到系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)噪聲為，如圖8所示。

圖8 偏轉(zhuǎn)噪聲測(cè)量

3.2 AFM系統(tǒng)測(cè)試

使用Nanonis SPM（RC-4）控制器跟蹤頻移來調(diào)節(jié)探針針尖和樣品之間的距離，激勵(lì)模塊（OC-4：Nanonis）在恒定振幅模式下驅(qū)動(dòng)探針（NCH：Nanoworld）振動(dòng)。頻移信號(hào)的監(jiān)測(cè)通過數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）完成。

如圖9 所示，在真空度為3. 4 ×10-6Torr（1 Torr ＝133.322 Pa）的真空環(huán)境下測(cè)量探針起振共振峰，共振頻率為161.2 kHz，振幅為28.6 nm，品質(zhì)因子Q為14 083，半高寬為16.5 Hz，相位偏轉(zhuǎn)為180°。高Q值，低帶寬證明了光電檢測(cè)系統(tǒng)低噪聲，高靈敏度的性能。

圖9 共振峰測(cè)量

圖像掃描范圍300 nm×300 nm，像素分辨率256 ×256，可以通過圖10（a）看到明顯的連續(xù)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，圖10（b）選取了250 nm的直線距離測(cè)量了明亮分界線周圍的高度變化，可以觀察到高度差約為250 pm的臺(tái)階高度變化，證明AFM系統(tǒng)達(dá)到了0.1 nm的高空間分辨率。

圖10 硅掃描圖像

4 結(jié)束語

本文針對(duì)AFM系統(tǒng)由于光電信號(hào)檢測(cè)誤差達(dá)不到理想分辨率的問題，設(shè)計(jì)了基于光偏轉(zhuǎn)原理的光電檢測(cè)系統(tǒng)，并重點(diǎn)對(duì)激光準(zhǔn)直調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，提高了調(diào)節(jié)效率和準(zhǔn)確性，結(jié)合壓電陶瓷的慣性驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了三維調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可以靈活調(diào)節(jié)LD 反射鏡和PD 反射鏡偏轉(zhuǎn)角度，短光程的設(shè)計(jì)既滿足了實(shí)驗(yàn)的測(cè)量需求，也為集成化的研究奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)和AFM 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：光電檢測(cè)系統(tǒng)具有低噪聲，高靈敏度的性能，憑借光電檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性能，AFM系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)到了0.1 nm，為表面形貌的測(cè)量提供了有力的工具。