应用于纳米测量/加工的减振云台及纳米测量/加工系统

技术领域

本发明涉及纳米测量领域，尤其涉及一种应用于纳米测量/加工的减振云台及纳米测量/加工系统。

背景技术

原子力显微镜是一种重要的纳米测量仪器，可以测量样品表面纳米尺度的形貌、导电性等，其广泛应用于半导体、光学元件等精测领域。

特别是目前光学元件越做越大，尺度都在米量级以上，超大尺寸样品的原位测量是目前业界的迫切需求，但是现有原子力显微镜系统只能对小尺寸样品(小于40*40cm)进行测量。若想可检测更大尺寸的样品，则需要增大测头和样品台的机械回路。

增大机械回路会导致更容易产生受激振动，使得测头和样品台之间相对不稳定，进而在图像中表现出更多的噪音。因而如何检测并消除测头的受激振动成为本领域技术人员亟待要解决的技术重点。

发明内容

本发明提供一种应用于纳米测量/加工的减振云台及纳米测量/加工系统，以解决测头的受激的振动无法检测并抵消的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种应用于纳米测量/加工的减振云台，包括：

载体，所述载体与样品相连；

减振云台，固定在所述载体上；

终端执行器，固定在所述云台上，所述终端执行器用于对样品的待测区域进行扫描成像或加工；

所述减振云台用于检测并抵消所述终端执行器的振动；所述振动表征了所述终端执行器与所述样品之间的相对振动。

可选的，所述减振云台包括：

云台控制器、表面振动传感器以及驱动器；

所述表面振动传感器集成于所述终端执行器上；所述表面振动传感器用于检测所述终端执行器的所述振动以得到振动信号，并将所述振动信号发送给所述云台控制器；

所述云台控制器利用接收到的所述振动信号得到补偿信号，并将所述补偿信号发送给所述驱动器；

所述驱动器的一端连接所述终端执行器，所述驱动器的另一端连接所述载体；所述驱动器用于接收到所述补偿信号后驱动所述终端执行器产生补偿运动；所述补偿运动用于抵消所述振动。

可选的，所述终端执行器是测头。

可选的，所述测头包括：第一探针和探针固定端；所述第一探针包括：第一悬臂梁和探针针尖；

所述第一悬臂梁的一端连接所述探针固定端的一端；

所述探针针尖连接于所述第一悬臂梁的另一端，用于扫描所述样品的待测区域的待测点。

可选的，所述表面振动传感器是差分干涉仪；

所述差分干涉仪中设置有光纤测头；

所述光纤测头包括第一光纤测头和第二光纤测头；所述第一光纤测头用于发射激光到所述探针固定端，所述第二光纤测头用于发射激光到所述待测点旁边，以检测所述振动。

可选的，所述表面振动传感器包括第二探针、悬臂位移测量装置和正弦激励运动产生器；所述第二探针包括第二悬臂梁；

所述第二悬臂梁的一端连接所述探针固定端的一端；

所述正弦激励运动产生器连接所述探针固定端的另一端；所述正弦激励运动器激励所述第二悬臂梁产生所述振动；

所述悬臂位移测量装置用于检测所述第二悬臂梁的所述振动。

可选的，所述表面振动传感器和所述测头之间形成机械回路；

所述机械回路的长度低于100um。

可选的，所述悬臂位移测量装置包括：

激光发射装置；用于发射激光到所述第二悬臂梁；

光电探测装置；用于接收所述第二悬臂梁反射的激光，从而检测所述第二悬臂梁的所述振动。

可选的，所述悬臂位移测量装置包括激光干涉仪；用于发射激光到所述第二悬臂梁上，从而检测所述第二悬臂梁的所述振动。

可选的，所述测头是原子力显微镜测头。

根据本发明的第二方面，提供了一种纳米测量/加工系统，包括本发明第一方面任一项所述的应用于纳米测量/加工的减振云台。

本发明提供的一种应用于纳米测量/加工的减振云台，包括：载体、减振云台以及测头，载体与样品相连，减振云台固定在所述载体上；测头固定在减振云台上，用于对样品的待测区域进行扫描成像；本发明通过减振云台，检测并抵消了测头相对于样品的振动，解决了测头的受激振动无法检测并抵消的问题，从而消除了扫描成像中的噪音。

进一步具体地，本发明提供的一种应用于纳米测量/加工的减振云台，包括：表面振动传感器，用于检测到测头相对于样品的振动；驱动器和云台控制器，用于配合抵消测头的这种相对振动；从而，本发明利用可以检测到测头相对于样品之间振动的表面振动传感器，结合驱动器和云台控制器，实现了测头相对于样品之间振动的检测和抵消；解决了纳米测量中测头的受激的振动无法消除的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中的一种应用于纳米测量/加工的减振云台；

图2是本发明一具体实施例中的一种应用于纳米测量/加工的减振云台；

图3是本发明一实施例中的一种表面振动传感器；

图4是本发明另一实施例中的一种采用双探针法设置的表面振动传感器；

图5是本发明另一实施例中的第二悬臂梁受激振幅随极板-样品表面距离的变化曲线；

图6是本发明另一实施例中的利用利用光杠杆法设置的悬臂位移测量装置；

图7是本发明一实施例中的利用激光干涉法设置的悬臂位移测量装置；

图8是本发明一实施例中的一种应用于纳米测量/加工的减振云台；

图9是本发明另一实施例中的一种应用于纳米测量/加工的减振云台；

附图标记说明：

101载体；

102-样品；

103--减振云台；

1031表面振动传感器；

10311-差分干涉仪；

103111-第一光纤测头；

103112-第二光纤测头；

103113-差分干涉仪控制器；

10312-第二悬臂梁；

103121-极板；

10313-正弦激励运动产生器；

10314-悬臂位移测量装置；

103141-激光发射装置；

103142-光电探测装置；

103143-激光干涉仪；

1032-驱动器；

1033-云台控制器；

104-测头；

1041-第一悬臂梁；

1042-探针针尖；

1043-探针固定端；

105-扫描器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

特别是目前光学元件越做越大，尺度都在米量级以上，超大尺寸样品的原位测量是目前业界的迫切需求，但是现有AFM系统只能对小尺寸样品(小于40*40cm)进行测量。为了使得原子力显微镜检测更大尺寸的样品，相关领域的技术人员增大了原子力显微镜的测头和样品之间的机械回路；而增大机械回路会导致原子力显微镜的测头更容易产生受激振动，使得测头和样品之间相对不稳定，进而在原子力显微镜的图像中表现出更多的噪音。

因此，如何检测和抵消样品和测头之间的振动，成为本领域技术人员急需解决的问题。

目前，已有云台的概念，广泛应用于相机稳定，其内部集成有一个加速度传感器，该加速度传感器可以测量得到相机相对于地面的运动；一个控制器，根据传感器检测到的振动或运动，产生一个相应的驱动信号给驱动器；一个多自由度的驱动器，该驱动器接收到驱动信号后，可以驱动相机与手柄或人手产生相对运动，从而达到得相机相对于地面静止的效果。从而可以检测并消除手抖动引起的相机相对于地面的振动，以减小拍摄者手抖动造成的成像模糊。

另有主动减振的概念，用于消除平台的振动。由于地面振动带动了平台的振动，从而会引起的平台上样品振动；通过设置于隔振平台上的振动传感器；测量到隔振平台的振动，驱动器对隔振平台施加补偿力以补偿所述隔振平台的振动，从而主动隔离地面振动到隔振平台的传导，使得隔振平台处于相对稳定的状态。以达到隔振平台上样品的稳定状态。其中，振动传感器检测到的平台的这种振动是相对于地面而言的。

现有云台或主动减振技术，均测量和抑制的是地面到云台(或平台)稳定端的振动，其稳定是相对于地面参考系，故此类技术不能抑制测头和待测实体之间的相对受激振动。

有鉴于此，发明人经过反复实验发现，提出了相对表面振动测量的新传感机制，以实现原子力显微镜测头和样品之间的相对振动测量；相对表面振动测量的新传感机制通过引入现有技术中的差分干涉仪来检测测头和样品之间的相对振动，并借鉴已有的云台概念，以抵消样测头和样品之间的相对振动，实现测头和样品之间的相对稳定，从而消除噪音。

另外，作为差分干涉仪的一种替代方案，发明人还研发了一种基于双探针的振动测量装置；具体为：包括顶端设置有极板的原子力显微镜探针，安装于测头上，亦可实现对样品和测头之间的相对振动的准确检测。

本申请提出的新传感机制，可以检测和抵消样品和测头之间的受激振动，从而消除原子力显微镜的图像中表现出的噪音。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

请参考图1，根据本发明的一实施例，提供了一种应用于纳米测量/加工的减振云台，包括：

载体101，所述载体101与样品102相连；具体的，一种实施方式中，所述载体101和所述样品102之间的连接方式为机械连接，如图1中虚线部分所示；一种实施方式中，所述载体101为宏动移动平台，具体的，所述宏动移动平台为机械臂或者龙门架；当然其也可以是其他宏动移动平台，本发明并不以此为限，任何宏动移动平台的实现形式均在本发明的保护范围内；

减振云台103，固定在所述载体101上；

终端执行器，固定在所述减振云台103上，所述终端执行器用于对样品102的待测区域进行扫描成像或加工；

所述减振云台103用于检测并抵消所述终端执行器的振动；所述振动表征了所述终端执行器与所述样品102之间的相对振动。

具体的，本发明检测到的振动是终端执行器进行扫描时的受激振动。

本发明创造性的研发出一种应用于纳米测量/加工的减振云台，包括创造性的减振云台103，可以实现终端执行器相对于样品102的受激的共振的检测以及抵消，解决了终端执行器的受激的振动无法检测并抵消的问题，从而消除了扫描成像中的噪音。

请参考图1-2，一种实施例中，所述减振云台103包括：

云台控制器1033、表面振动传感器1031以及驱动器1032；

所述表面振动传感器1031集成于所述终端执行器上；所述表面振动传感器1031用于检测所述终端执行器的所述振动以得到振动信号，并将所述振动信号发送给所述云台控制器1033；

所述云台控制器1033利用接收到的所述振动信号得到补偿信号，并将所述补偿信号发送给所述驱动器1032；

所述驱动器1032的一端连接所述终端执行器，所述驱动器1032的另一端连接所述载体101；所述驱动器1032用于接收到所述补偿信号后驱动所述终端执行器产生补偿运动；所述补偿运动用于抵消所述振动。

一种实施例中，所述终端执行器是测头。本申请提供的减振云台并不限于应用于纳米测量中，终端执行器也不限于测头；一种实施方式中，终端执行器是掩模修复机器人用于清除掩模表面的纳米颗粒的纳米探针；另一种实施方式中，终端执行器是电子束刻机中的加工头；其他实施方式中，终端执行器是扫描探针微加工中的加工头；

本申请以测头为例，对应用于纳米测量/加工的减振云台进行说明，具体描述如下：

一种实施例中，所述表面振动传感器1031和所述测头104之间形成机械回路；

所述机械回路的长度低于100um。发明人经过反复实验发现，本发明所述的技术方案中提供的减振云台103，可以实现长度低于100um的短机械回路；由于，表面振动传感器1031和测头104之间的机械回路越短，表面振动传感器1031检测到的测头104的振动信号越接近于振动的真实值；因而本发明提供的减振云台103中的表面振动传感器1031可以准确的检测到测头104相对于样品的振动信号。

本发明提供的表面振动传感器1031，集成于测头104上，可以检测到测头104的受激的振动，这种振动是测头104相对于样品102的振动；云台控制器1033利用表面振动传感器1031检测到的这种振动信号，产生补偿信号并发送给驱动器1032；驱动器1032连接测头104，当接收到补偿信号后可以驱动测头104进行补偿运动，而这种补偿运动可以实现对测头104的受激的振动的消除。因而本发明提供的表面振动传感器1031、驱动器1032以及云台控制器1033，可以实现对测头104的受激的振动的检测及消除，解决了测头104的受激的振动无法检测并抵消的问题，从而消除了扫描成像中的噪音。

请参考图1、2、8-9，一种实施例中，所述测头104包括：第一探针和探针固定端1043；一种具体实施例中，所述测头104是原子力显微镜测头，也可以是基于原子力显微镜原理的测头，所述基于原子力显微镜原理的测头既可以用于测量，也可以用于加工，基于激光干涉原理的测头，以及基于其他光学原理的测头，例如：DVD激光头像散法测量原理等。另外，也可以是微米夹具手，用于小尺度物品的高精度搬移。当然其也可以是其他测头，本发明并不以此为限，任何测头的实现形式均在本发明的保护范围内；

所述第一探针包括：第一悬臂梁1041和探针针尖1042；

所述第一悬臂梁1041的一端连接所述探针固定端1043的一端；所述探针针尖1042连接于所述第一悬臂梁1041的另一端，用于扫描所述样品的待测区域的待测点。

所述测头当然其也可以是其他结构的测头，本发明并不以此为限，任何测头的实现形式均在本发明的保护范围内；请参考图3-9，下面对表面振动传感器1031的两种实施例进行具体描述，但不限为以下两种方法，当然其也可以是其他表面振动传感器1031，本发明并不以此为限，只要能实现本发明提供的技术方案，任何表面振动传感器1031的实现形式均在本发明的保护范围内。

请参考图3和图8，一种实施例中，所述表面振动传感器1031是差分干涉仪10311；一种具体实施例中，所述差分干涉仪10311是差分多普勒干涉仪，然其也可以是其他差分干涉仪10311，本发明并不以此为限，只要能实现本发明提供的技术方案，任何差分干涉仪10311的实现形式均在本发明的保护范围内；

所述差分干涉仪10311中设置有光纤测头；

所述光纤测头包括第一光纤测头103111和第二光纤测头103112；所述第一光纤测头103111用于发射激光到所述探针固定端1043，所述第二光纤测头103112用于发射激光到所述待测点旁边，以检测所述振动。

一种实施方式中，所述差分干涉仪10311还包括一差分干涉仪控制器103113，用于控制所述第一光纤测头103111和所述第二光纤测头103112发射激光到指定检测点上。

具体的，本实施例中，第一光纤测头103111和第二光纤测头103112之间可以实现长度低于100um的短机械回路。

由于差分干涉仪10311可以测量两个光纤测头的两个照射点的相对振动；因而将差分干涉仪10311的第一光纤测头103111发射的激光聚焦在探针固定端1043，另一个第二光纤测头103112发射的激光聚焦在所述待测点旁边；从而第一光纤测头103111和第二光纤测头均可以检测到一信号，通过两个信号相减，以得到所述振动的信号；可以实现探针固定端和样品之间的振动的测量。并且检测到的探针固定端的振动是测头104相对于样品102的振动。其中，一种实施方式中，可以在探针固定端1043和扫描器之105间设置正弦激励运动产生器10313，以激励所述第二探针振动。

请参考图4-7和图9，另一种实施例中，采用双探针法设置所述表面振动传感器1031，如图4所示，具体为：

所述表面振动传感器1031包括第二探针、悬臂位移测量装置10314(图4中未示出)和正弦激励运动产生器10313；所述第二探针包括第二悬臂梁10312；

所述第二悬臂梁10312的一端连接所述探针固定端1043的一端，一种实施方式中被设置为与所述第一悬臂梁1041平行；一种实施方式中，所述第二悬臂梁10312的末端设置有一极板103121；所述悬臂位移测量装置10314通过所述极板103121测量其与样品102之间的相对振动。其他实施方式中，所述第二悬臂梁10312的末端可以设置有其他类似的结构，本发明并不以此为限，任何类似的的实现形式均在本发明的保护范围内；其他实施方式中，所述第二悬臂梁10312可以设置有其他类似的结构，本发明并不以此为限，任何类似的的实现形式均在本发明的保护范围内；其他实施方式中，所述第二探针可以设置有其他类似的结构，本发明并不以此为限，任何类似的的实现形式均在本发明的保护范围内；

所述正弦激励运动产生器10313连接所述探针固定端1043的另一端；所述正弦激励运动器激励所述第二悬臂梁产生所述振动；

所述悬臂位移测量装置10314用于检测所述第二悬臂梁10312的所述振动。可见，一种实施方式中，表面振动传感器1031的第二探针、第二悬臂梁10312与测头104的第一探针、第一悬臂梁1041平行设置，且均固定于所述探针固定端1043，本实施例中，表面振动传感器1031和测头104之间也可以实现长度低于100um的短机械回路。

本实施例中，利用双探针实现了超短机械回路的振动测量。

采用双探针发测量测头104与所述样品102之间的相对振动的方式可为：电容式或压膜阻尼式等。

具体的，将采用压膜阻尼式测量测头104与所述样品102之间的相对振动的原理表述如下：

正弦激励运动产生器10313激励第二悬臂梁10312在共振频率附近运动。

当第二悬臂梁10312距离样品102很近的距离时，所述第二悬臂梁10312的末端的极板103121会受到压模阻尼压力；压膜阻尼压力的大小随极板103121与样品102之间表面距离的变化而变化；不同的压膜阻尼力会导致第二悬臂梁10312的末端的极板103121产生不同的受激振幅，因而极板的受激振幅随极板-样品之间表面距离的变化而变化，从而第二悬臂梁的受激振幅随极-样品之间表面距离的变化而变化，第二悬臂梁10312受激振幅随极板-样品表面距离的变化曲线如图5所示，X轴表示极板103121与样品102之间的表面距离，Y轴表示第二悬臂梁10312的受激振幅。至此，测头104与样品102之间的表面相对距离，即表面相对振动，转化成了第二悬臂梁10312的受激振幅。其中，第二悬臂梁10312的末端的极板103121的位移幅值相对于正弦激励运动产生器10313产生的振幅而言会被放大Q倍；从而悬臂位移测量装置10314可以检测到所述第二悬臂梁10312末端的极板103121的振幅；悬臂位移测量装置10314检测到的第二悬臂梁10312末端的极板103121的振幅可以指示测头104相对于样品102之间的振动，从而消除经过测头104测量后形成的图像的的噪音。

进一步，该振幅可以通过不同的方式被测量，如光杠杆法、激光干涉法以及压阻法等。

请参考图6.图7和图9，下面列举出光杠杆法和激光干涉法两个具体实施例，对悬臂位移测量装置10314及原理予以具体说明；

一种具体实施例中，利用光杠杆法设置的所述悬臂位移测量装置10314，如图6和图9所示，包括：

激光发射装置103141；用于发射激光到所述第二悬臂梁10312；

光电探测装置103142；用于接收所述第二悬臂梁10312反射的激光，从而检测所述第二悬臂梁10312的所述振动。

本实施例中的悬臂位移测量装置10314测量振幅的原理为：

激光发射装置103141发射的激光打在第二悬臂梁10312的末端的极板103121上，第二悬臂梁10312悬臂末端的极板103121相对于样品102位于不同高度时，二悬臂梁10312的末端的极板103121相对于探针固定端1043的偏转角度不同，极板103121反射的激光打在光电探测装置103142的上位置不同，进而第二悬臂梁10312的振幅被探测，因此，利用光杠杆法设置的所述悬臂位移测量装置10314检测到的振幅指示的是测头104相对于样品102的振动。

另一种具体实施例中，利用激光干涉法设置的所述悬臂位移测量装置10314，如图7和图9所示，包括：激光干涉仪103143；用于发射激光到所述第二悬臂梁10312上，从而检测所述第二悬臂梁10312的所述振动。

本实施例中的悬臂位移测量装置10314测量振幅的原理为：激光干涉仪103143将激光打在第二悬臂梁10312的末端的极板103121上，即可实现第二悬臂梁10312悬臂振动幅值的测量。该振幅是第二悬臂梁10312的振幅，作为采用双探针法设置所述表面振动传感器1031的一种具体实施例，利用激光干涉法设置的所述悬臂位移测量装置10314的，检测到的振幅指示的是测头104相对于样品102的振动。

请参考图8和图9，根据本发明的另一实施例，提供了一种纳米测量/加工系统，包括本发明前述实施例任一项所述的应用于纳米测量/加工的减振云台。

一种具体实施例中，当测头104为原子力显微镜测头时，所述纳米测量/加工系统还包括原子力显微镜扫描器，用于同原子力显微镜测头配合对样品102表面进行扫描。当然其也可以是其他扫描器105，本发明并不以此为限，任何扫描器105的实现形式均在本发明的保护范围内。

本发明中的悬臂位移测量装置不限于本发明的上述实施例，在其他实施方式中，还可以是压阻应变传感器或压电应变传感器。压电应变传感器或压阻应变传感器设置于第二悬臂梁的靠近探针固定端的一端。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。