CN109061232B - 原子力显微镜探针装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力显微镜探针及底座的组合装置，其中探针的微悬臂在其与针尖相对的表面上具有台阶孔；探针座包括吸附件和定位件，吸附件包括真空吸附槽以及吸附面；定位件从吸附面伸出插入台阶孔中并旋转以与台阶孔的台阶面抵接；定位件包括相连的转动杆及转动条，转动条上表面装置有弹性组件；微调结构利用连杆连接转动杆和微调螺母，微调螺母控制微调结构带动定位件移动。本发明的装置能够提高换针效率，避免了脱针和错位，能够对探针微悬臂末端施加固定的作用力，促进了探针微悬臂的灵敏度，提高了测试效果。

Description

原子力显微镜探针装置

技术领域

本发明涉及半导体测试技术领域，特别涉及一种原子力显微镜的探针装置。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)己广泛应用于半导体样品测试中，其工作原理是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件(探针)之间极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。通常来说，探针包括针尖以及微悬臂，将对微弱力极端敏感的微悬臂末端固定于探针座，微悬臂前端的针尖接近样品表面。当针尖与样品表面距离极小时，它们原子之间产生极微弱的吸引或排斥力，从而引起微悬臂发生形变或运动状态发生改变。扫描过程中，带针尖的微悬臂将在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过包括反射激光束及其光电检测系统对微悬臂的状态变化进行采集，测得微悬臂状态变化与扫描各点的位置对应关系，从而得到具有原子分子级分辨率的材料表面结构等物化性质。

然而，由于不同物化性质的测试需要使用不同型号的探针，所以原子力显微镜在使用过程中经常需要更换探针以完成相应的测试需求。在换针过程中，需将被调换的探针取出，将替换的探针放入探针座中。然而，由于探针小而轻极大地增加了换针的操作难度。换针过程中容易发生由于探针错位或者中途跌落等原因使得新探针浪费，增加测试成本，而且若在测试过程中探针的脱落会影响测试进程，需要工作人员暂停机台运行，检测维护原子力显微镜机台，从而极大地增加时间成本。

目前常见的探针放入探针座的方式有夹紧式、吸附式等，在探针放入探针座时通过施加力的作用，使探针末端固定。现有技术中并没有关于原子力显微镜探针末端固定的松紧程度对测试效果影响的关注和研究。

发明内容

原子力显微镜的测试效果与探针微悬臂起伏运动密切相关，而探针微悬臂末端固定于探针座，探针微悬臂末端固定的松紧程度制约着探针微悬臂起伏运动，因此探针微悬臂末端固定的松紧程度值得被关注。现有的探针微悬臂末端固定装置，把探针末端锁死。

本发明的主要目的旨在提供一种能够对探针微悬臂末端按需实加固定紧固力的原子力显微镜探针装置，用以对探针微悬臂末端施加固定的作用力。本发明的探针微悬臂末端固定装置降低了探针的安装难度，极大程度上避免换针过程针的脱针现象。此外，本发明还可以有效地控制探针悬臂的固定状态，提高其灵敏度，从而提高了材料表面物化性质的测试效果。

为实现上述目的，本发明提供一种原子力显微镜探针及其底座组合装置，包括探针和探针座，其中所述探针包括微悬臂以及基于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其与所述针尖相对的表面上具有台阶孔；探针座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于对探针施加吸附力用于抵消探针重力；所述定位件从所述吸附面伸出插入所述台阶孔中并旋转以与所述台阶孔的台阶面接触；所述定位件包括相连的转动杆及转动条，转动杆位于转动条中间，且在转动杆两侧转动条的上表面装置有弹性组件，弹性组件由弹簧和弹力传感片构成，弹力传感片位于弹簧的顶端，弹簧的末端固定在转动条的上表面上；微调结构利用连杆连接转动杆和微调螺母，组成紧固力调整结构，微调螺母控制微调结构带动定位件移动。

优选地，所述台阶孔为两段式台阶孔，包括小孔段和大孔段。

优选地，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述转动条的截面形状与所述小孔段的截面形状相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

优选地，所述台阶孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。

优选地，所述定位件包括所述转动杆和所述转动条，所述转动杆位于所述转动条的中间，且在所述转动杆两侧的转动条上表面设置所述弹性组件，所述弹性组件呈阵列状排布。

优选地，微调螺母螺旋一周，定位件升降值为0.01mm，升降范围不小于2mm。

本发明所提出的探针及底座组合装置，利用真空吸附装置抵消探针重力，避免换针过程中的脱针，通过在探针座上设置定位件以及在探针上设置相应的台阶孔，可将探针定位于探针座，如此可避免换针过程中由于探针小而轻造成的探针错位，提高了不同探测针之间交换的成功率。通过在定位件上设置弹性组件，利用微调结构带动定位件运动，从而控制弹性组件的压缩程度，进而对探针微悬臂末端施加固定的作用力。弹性组件实现了对探针微悬臂末端的弹性固定，促进了探针微悬臂灵敏度，提高了测试效果。

附图说明

图1为本发明一实施例原子力显微镜探针及底座组合装置的结构示意图；

图2和图3为本发明一实施例原子力显微镜的探测针的局部后视图和局部剖视；

图4为本发明一实施例原子力显微镜探针装置中定位件的立体图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

请参照图1至图4，本实施例所提供的原子力显微镜探针装置包括探测针和探针座。探测针包括固定于探针座的微悬臂110以及设于该微悬臂一端的针尖120。将微悬臂110设置针尖120的表面作为正面，则其与针尖120相对的表面为背面。本实施例中，微悬臂110通过真空吸附固定于探针座中。具体的，探针座包括吸附件210，该吸附件具有一吸附面S，吸附面S上开设有导气槽C，导气槽C与导气管道220连通，利用抽真空部件产生负压抵消探针的自身重力，使得微悬臂110的背面吸附于吸附面S，防止在换针过程中脱针。

另一方面，为了固定探针，对探针微悬臂末端施加固定的作用力有效地控制探针微悬臂起伏运动幅度，提高了测试效果。本发明的探针座还包括从吸附面S向下伸出的定位件230，同时探测针上也设置有对应于定位件的台阶孔130，通过将定位件230从微悬臂的背面插入台阶孔130中并旋转以使定位件230与台阶孔130的台阶面抵接，从而达到进一步固定探测针的目的。定位件230包括转动杆230a和转动条230b，转动杆230a位于转动条230b中间，且在转动杆230a两侧转动条230b的上表面设置弹性组件230c，弹性组件230c呈阵列状排布。弹性组件230c由弹簧和弹力传感片构成，弹力传感片位于弹簧的顶端，弹簧的末端固定在转动条230b的上表面。微调结构240设置在吸附件210内，利用连杆260连接转动杆230a和微调螺母250和转动杆230a。从而达到对探针微悬臂末端施加固定作用力和控制探针微悬臂起伏运动幅度的目的，提高了测试效果、。

以下将对本实施例的探针装置的定位方式加以详细说明。

参考图2-3，微悬臂110的背面形成台阶孔130。本实施中台阶孔130为两段式长方形台阶孔，包括截面尺寸较小的小孔段130a和截面尺寸较大的大孔段130b。相对应的，转动杆230a的截面最大尺寸要小于小孔段130a的截面最小尺寸，如此可自由插入台阶孔中；而对于转动条230b来说，其可插入台阶孔的小孔段中，但转动条230b的截面最大尺寸要大于小孔段130a的截面最小尺寸且小于大孔段130b的截面最小尺寸，如此当定位件230插入台阶孔130一定深度之后，转动条230b全部位于大孔段130b中。转动条230b在大孔段130b中可自由转动，且转动一定角度后其截面较大尺寸处会抵接在台阶孔130的台阶面上，使得定位件卡合于台阶孔中。较佳的，转动条230b的截面形状与小孔段130a的截面形状相配合，可更方便地插入到小孔段130a中。这里所说的截面最大尺寸指的是截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，而截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

接下来将对本实施例的原子力显微镜探针装置的换针和施力过程进行说明。

本实施例中，台阶孔130为长方形台阶孔，转动条230b为和小孔段形状配合的略小长方形条，转动杆230a的截面为方形。首先使探针座的导气槽220对准微悬臂110的背面，利用抽真空部件产生负压抵消探针的自身重力，使得微悬臂110的背面吸附于吸附面S，防止在换针过程中脱针。其次，将探针沿着吸附面S平移至探针座定位件230的位置，将定位件230插入台阶孔130中，此时探针座与微悬臂110之间也呈一定夹角。之后，将定位件230相对于微悬臂110转动一定角度，同时使得转动条230b的长边与长方形小孔段130a的长边交叉而使转动条230b上的弹性组件接触台阶面。此时，探测针与探针座的定位完成。最后，调节微调螺母250调控微调结构240，微调结构240带动定位件23沿着垂直于吸附面S的方面移动，控制弹性组件230c的压缩程度，弹力传感片将各位置处的压力传输到控制端并显示。以弹力传感片受压力的平均值作为微悬臂末端施加固定的作用力。在测试的过程中，关闭抽真空部件，利用本装置的弹性组件230c实现对微悬臂末端的弹性紧固，提高了微悬臂的震动效果。

综上所述，本发明所提出的探针及底座组合装置，利用真空吸附装置抵消探针重力，可有效避免换针过程中的脱针现象。通过在探针座上设置定位件以及在探测针上设置相应的台阶孔，可将探针定位于探针座，如此可避免换针过程中由于探针小而轻造成的探针错位，提高了更换探针过程中的成功率。通过在定位件上设置弹性组件，利用微调结构带动定位件运动，从而控制弹性组件的压缩程度，进而对探针微悬臂末端施加固定的作用力。弹性组件实现了对探针微悬臂末端的弹性固定，有效地控制探针悬臂的固定状态，提高其灵敏度，提高了测试效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种原子力显微镜探针及底座组合装置，包括探针、探针座和定位件，探针包括微悬臂以及设于所述微悬臂一端的针尖，所述微悬臂在其与所述针尖相对的表面上形成有台阶孔；探针座包括吸附件，其具有吸附面，所述吸附面上开设有与抽真空部件连通的导气槽，用于对所述探针提供吸附力以抵消其所述探针的重力；定位件从所述吸附面向下伸出插入所述台阶孔中并旋转以使所述定位件与所述台阶孔的台阶面接触；所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其特征在于：在所述转动条的上表面装置有弹性组件；所述弹性组件由弹簧和弹力传感片构成，所述弹力传感片位于所述弹簧的顶端，所述弹簧的末端固定在所述转动条的上表面；

弹力传感片将各位置处的压力传输到控制端，以弹力传感片受压力的平均值作为微悬臂末端施加固定的作用力；

在测试的过程中，关闭抽真空部件，利用本装置的弹性组件实现对微悬臂末端的弹性紧固，提高了微悬臂的震动效果；

还包括紧固力调整结构，紧固力调整结构包括：微调结构，微调螺母，微调结构利用连杆连接转动杆和微调螺母，微调螺母控制微调结构带动定位件移动。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，其特征在于，所述台阶孔为两段式台阶孔，包括小孔段和大孔段。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，其特征在于，所述定位件包括相连的转动杆及转动条，其中所述转动杆的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述转动条的截面形状与所述小孔段的截面形状相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；所述截面最大尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最大值，所述截面最小尺寸为截面外周边各点至旋转中心的距离最小值。

4.根据权利要求3所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，其特征在于，所述台阶孔为长方形孔，所述转动条为长方形条。

5.根据权利要求4所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，其特征在于，所述定位件包括所述转动杆和所述转动条，所述转动杆位于所述转动条的中间，且在所述转动杆两侧的转动条上表面设置所述弹性组件，所述弹性组件呈阵列状排布。

6.根据权利要求5所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，其特征在于，所述微调螺母螺旋一周，定位件升降值为0.01mm，升降范围不小于2mm。

7.一种原子力显微镜探针及底座组合的安装使用方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的原子力显微镜探针及底座组合装置，包含：

步骤1，使探针座的导气槽对准微悬臂的背面，利用抽真空部件产生负压抵消探针的自身重力，防止在换针过程中脱针；步骤2，将探针沿着吸附面S平移至探针座定位件的位置，将定位件插入台阶孔中，此时探针座与微悬臂之间也呈一定夹角；步骤3，将定位件相对于微悬臂转动一定角度，同时使得转动条的长边与长方形小孔段的长边交叉而使转动条上的弹性组件抵接台阶面，探针与探针座的定位完成；步骤4，调节微调螺母，控制微调结构，带动定位件沿着垂直于吸附面的方面移动，控制弹性组件的压缩程度，弹力传感片将各位置处的压力传输到控制端，以弹力传感片受压力的平均值作为微悬臂末端施加固定的作用力；步骤5，在测试的过程中，关闭抽真空部件，利用制弹性组件实现对微悬臂末端的弹性紧固，提高了微悬臂的震动效果。

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