基于光束偏轉法的原子力顯微鏡探針一致性裝配系統研究

張寶良， 梁文峰， 楊 鐵， 于 鵬*

（1. 沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3. 中國科學院 機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽 110169）

1 引 言

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）憑借其納米尺度高分辨率、高精度成像與操作等優勢在掃描探針顯微鏡家族中脫穎而出，其在物理［1］、化學［2］、材料［3］、聚合物［4］、生物醫藥［5］、半導體［6］等眾多領域得到廣泛應用，早已成為納米研究領域中的重要工具。將AFM 探針尖端作為刀具，可代替傳統方法進行一維至三維納米結構加工［7］或刻蝕［8］。將探針作為力傳感器，可提取樣品的彈性、摩擦、粘附力等物理信息［9］。

AFM 探針尖端與樣品間力的相互作用引起的探針懸臂梁偏轉通過應用較多的光束偏轉法［10］進行放大，并由光電位置傳感器（Position Sensitive Detector， PSD）接收偏轉信息，經處理后可構建樣品表面形貌［11］。而采用光束偏轉法放大探針懸臂梁有效偏轉的同時也會放大位置偏差，這一偏差會嚴重影響表面形貌構建的準確性。因此，減小探針更換后位置偏差，保證掃描光路與探針位置的一致是AFM 掃描樣品前的必要步驟，是AFM 實現納米級成像的基礎與關鍵。

傳統AFM 系統探針更換通常是在無設備儀器輔助條件下人工手動將探針固定在探針夾持器上，而后將探針夾持器固定在AFM 測頭端。一般采用光束偏轉法的AFM 測頭通常包括激光器、PSD 與探針固定模塊三大部分。夾持固定方式一般有螺栓簧片法［12］、彈簧簧片法與膠水粘貼法［13］。手動換針通常需要整體取下AFM 測頭來進行探針更換，并且每次更換后探針位置無法與原有AFM 測頭光路相適應，需對AFM 測頭端的激光器與PSD 進行位置調節，這一過程較為耗時且繁瑣，并對操作人員有一定要求，影響AFM 工作效率。因此，更高效率的AFM 自動換針功能的研究與應用被不斷提出。而自動更換探針的高效率、高精度是研究的重點與難點，目前，探針自動更換方案主要有三類：（1）更換探針本體［14］。該方案一般采用真空負壓方式吸附探針，其結構簡單但對探針固定能力較弱；（2）更換探針懸臂尖端［15］。使用此換針方式可減小探針消耗成本，減少探針靜態參數設定，但其附加組件較多，換針過程復雜；（3）更換附有探針的夾持機構［16］。采用電磁吸附探針夾持結構的探針較為穩固且不易損壞，測頭端負載較小。Sadeghian H 等人為提高工業原子力顯微鏡換針效率，開發了自動探針交換與光學對準儀器［17］，可集成在平行原子力顯微鏡中。該儀器采用真空負壓吸附探針方式，可在6 s 內完成18 根探針交換，精度優于2 μm。為能重復使用與更換探針，提高原子力顯微鏡在工業測量中的應用程度，Mrinalini R S M的研究小組提出采用液體的毛細力吸附探針尖端進行更換與回收［18］，其中包括探針供應站、探針回收站與液滴供應站。然而，這一換針過程較為復雜，其換針過程需2 min，且液滴毛細力對探針固定能力較弱。Vikrant K S 等則采用蠟質微球作為粘合劑進行探針針尖的更換［19］。該裝置利用激光加熱蠟質微球，其微球冷卻后將探針尖端固定在測頭上，平均約10 s 完成探針更換，使用視覺伺服系統將探針定位后精度優于0.3 μm。由于采用加熱石蠟方式，該系統僅能在常溫、非真空、非液態環境中使用。而在工業產品級的自動探針更換應用中， Park 公司具有晶圓自動缺陷檢查功能的Park NX-Wafer 與能夠進行側壁成像的Park 3DM Series 均采用自動換針器更換磁性探針夾的方法來取放新舊探針［20-21］，通過模式識別自動定位針尖，而后調整光路組件使探針相對位置。然而，上述研究或應用中，無論采用何種探針更換方式均無法擺脫在位的探針位置校準過程，并且，添加額外的探針位置調整機構會增加AFM 系統測頭負載，降低諧振頻率，縮短掃描器有效工作帶寬，減小AFM 系統掃描速度。探針調整過程所消耗的時間與定位偏差無疑會影響AFM 連續工作的效率與質量，制約著AFM 在工業自動化方向的發展速度。

針對AFM 系統更換探針后需調整光路的問題，本文提出基于光束偏轉法的AFM 探針一致性裝配系統。該系統通過光路一致性組件與高精度調節平臺相配合，在光路系統與AFM 測頭光路一致的前提下，使探針懸臂梁將固定角度的入射激光以恒定的方位反射在PSD 中心位置且接收能量均一，從而實現所裝配探針相對探針夾安裝位置的一致。裝配完成的一致性探針更換到AFM 系統中，實現替換的探針懸臂梁能夠準確覆蓋原有激光光斑位置并穩定反射。最終實現通過更換一致性探針來免去以往探針在AFM系統端的復雜調節過程，提高AFM 操作效率，并避免手動安裝與調節誤差對掃描成像質量產生影響。

2 AFM 系統工作原理

AFM 系統工作原理如圖1 所示。AFM 的核心部件是懸臂梁探針，懸臂梁一端被壓電陶瓷裝置固定，另一端為在樣品表面工作的自由端。探針針尖與樣品表面之間存在極其微弱的作用力，當針尖在樣品表面做起伏運動時，會使得懸臂梁發生彎曲形變，AFM 正是通過檢測懸臂梁的形變信息來獲得樣品表面形貌，在其檢測方法中應用最廣泛的為光束偏轉法［22］。當激光打在發生形變的懸臂梁探針自由端上表面時，反射光束發生偏轉，光束的偏轉被PSD 檢測到，經過信號處理轉化為電壓信號，并輸出到反饋控制單元。反饋控制單元對頻率的變化做出響應并輸出一個控制信號加到壓電掃描管的Z方向電極上，調節探針和樣品之間的間距，從而使微懸臂在掃描過程中的共振頻率維持在一個設定值，并可減小針尖磨損以及針尖對樣品的損壞。數據處理單元將反饋控制單元的輸出信號與X，Y掃描信號進行處理并輸出樣品表面信息的圖像［23］。

圖1 AFM 系統工作原理圖Fig.1 Working principle of AFM system

通過AFM 系統工作原理可知，探針懸臂梁相對系統光路與樣品間的位置是極為重要的，探針的安裝偏差會改變激光反射方位，將直接影響PSD 接收與處理信號，并且探針尖端相對樣品位置的偏差會改變兩者間力的相互作用，影響如振幅、頻率、相位、撓度等數據的準確性。由此可見，探針安裝位置的準確性會影響系統掃描成像質量。因此AFM 系統掃描成像前必須進行探針與光路位置調整工作。

3 探針一致性裝置結構設計

3.1 光路一致性組件設計

光杠桿法是指利用光線的鏡面反射定律，對微小角度位移量或變化量放大的光學裝置，間接反映出微小的位移變化與變化方向。采用光束偏轉法的AFM 正是利用這一原理對探針微位移量進行放大測量。因此本文的探針一致性裝配系統通常采用光束偏轉法與PSD 配合來監測放大后的激光光路位移變化，間接實現探針與探針夾在微小位移與角度誤差下的探針安裝，即在入射激光位置不變的情況下調節探針懸臂梁尖端位置，使其將激光準確地反射到PSD 的同一位置。PSD 對于激光位移的靈敏度是非線性的，越遠離中心位置，其位移檢測靈敏度越低。因此本研究將PSD 中心位置作為探針裝配位置一致性的基準。

通過光束偏轉法計算光杠桿放大比A，其原理如圖2 所示［24］。反射光束光路的長度為L，微懸臂的有效長度為l，當懸臂梁偏轉量為δ，反射光束投射到PSD 上的光斑位移量為d，假定微懸臂梁探針和樣品表面作用力恒為F，微懸臂偏轉角為θ，根據懸臂梁的撓曲方程：

圖2 AFM 系統中光束偏轉示意圖Fig.2 Schematic diagram of beam deflection in AFM system

其中：E為微懸臂梁材料的楊氏模量，I為微懸臂梁截面的慣性矩，EI為微懸臂梁的彎曲剛度，y對應受力作用點x處的縱向位移量。

由式（1）可得微懸臂梁的最前端處，即受力點的位置：

由式（2）可得光杠桿放大比A：

在AFM 系統中，懸臂梁的偏轉量是納米級的，因此需要較大的光杠桿放大比讀取其偏轉量，這通常為數千倍的放大比。然而，在探針一致性系統中，激光光斑直徑與懸臂梁寬度都為微米級，過大的放大比例會提高系統調節的靈敏度。對于本文的探針一致性裝配系統，過高的靈敏度不利于調節控制。因此，在該系統中利用光束偏轉法放大一個數量級，即可實現系統在可控靈敏度范圍內的精密調節。

由公式（3）可知，微懸臂的有效長度l在該系統中等同于探針產生偏轉的半徑長度。因此通過控制反射光路光束長度L與探針偏轉半徑長度l，即可得到所需的光杠桿放大比，在本系統中通過改變探針整體的偏轉中心來改變探針偏轉半徑。圖3 為探針一致性系統中光束偏轉示意圖，本文光路一致性系統中反射光路光束長度L為30 mm，而探針偏轉半徑，即探針繞X軸與Y軸的旋轉半徑均設計為9 mm。由式（3）計算的光杠桿放大比為10，即懸臂梁末端偏轉量為1 μm 時，PSD 上光斑的位移量為10 μm。

圖3 探針一致性系統中光束偏轉示意圖Fig.3 Schematic diagram of beam deflection in probe consistency system

為簡化一致性探針（本文將探針與探針夾裝配后的整體稱為一致性探針）在AFM 系統中初次校準光路的調節步驟，其光路設計與調節方式盡量與相對應的AFM 系統測頭保持一致。光路結構如圖4 所示，激光二極管發出的發散光通過非球面透鏡準直后由平凸球面透鏡會聚，經由45°直角棱鏡反射到探針懸臂梁尖端位置，即焦點位置。探針夾與探針貼合后以20°的角度將激光反射到PSD 感光面。激光光斑直徑為38 μm，探針懸臂梁寬度為45 μm，寬度的一致有利于判斷懸臂梁是否完全覆蓋光斑，避免反射激光能量衰減。在裝配一致性探針前，需制作標準探針來校準光路，保證所有系統間的光路一致。因此，需要通過精密絲桿調節二維柔性鉸鏈組件來改變激光器入射角度，調節二維位移組件使接收的激光光斑處在PSD 中心位置。

圖4 光路一致性調節設計簡圖Fig.4 Optical path consistency adjustment design schematic

3.2 整體機械結構設計

對于該裝置，除光路一致性調節外，探針位置與角度的調節也同等重要，此項調節工作決定著探針的裝配一致性精度。對于探針的Z向高度調節，需滿足定量的膠層厚度與穩定一致的激光反射能量。X與Y向的調節精度要求為準確調整懸臂梁尖端位置使其完整覆蓋激光光斑，因此為保證探針的三維位置調節，采用精度為0.01 mm 的XY軸位移調整平臺與Z軸手動升降平臺進行水平與豎直方向的調節。在探針調節中，探針繞X軸、Y軸的角度調節最重要，決定著激光光斑是否能夠準確反射到PSD 中心位置，因此，本文選擇了精度為5′的X軸角度傾斜滑臺與Y軸角度傾斜滑臺進行角度調節，并通過增加調節手柄直徑提高調節靈敏度。在探針的調節過程中使用位于裝置頂部的光學顯微鏡觀察激光光斑與探針懸臂梁的相對位置，以及裝置側邊的光學顯微鏡觀察探針與探針夾兩平面距離與探針偏轉角度。

如圖5 所示，包括了一致性探針制作必要組件與設備。負壓裝置將探針吸附在探針夾具基座上，均勻涂抹UV 膠水的探針夾放置在探針夾定位底座上，隨后將位移與角度調節組件平臺通過水平導軌推入光路調節組件處，使用Z向快速升降組件調節探針高度，通過頂部光學顯微鏡與XY軸位移平臺調節探針懸臂梁尖端覆蓋光斑，在側視光學顯微鏡的輔助下精確調節探針高度，使UV 膠水均勻分布在探針與探針夾之間后，調節繞X，Y軸的角度傾斜滑臺使探針懸臂梁尖端反射的光斑處于PSD 中心位置并且能量保持均一。使用兩組UV 燈在兩側均勻照射UV 膠面進行探針位置的固定，UV 膠水在紫外線的照射下可在幾秒內快速固化，優于傳統的膠水固定方案。探針固定后關閉負壓，緩慢推出位移與角度調節組件平臺。至此，一枚一致性探針的裝配流程結束。

圖5 探針一致性裝配系統機械結構設計圖Fig.5 Mechanical structure design drawing of probe consistent assembly system

3.3 一致性探針轉移與更換

一致性探針轉移與更換流程如圖6 所示。本研究的探針一致性系統在光路不變條件下可進行批量探針裝配，裝配完成的一致性探針放置于特制可運輸的探針盒中。換針時僅需用鑷子從盒中取出并轉移到AFM 測頭端，AFM 系統便可進行掃描工作。

圖6 一致性探針轉移與更換流程圖Fig.6 Consistency probe transfer and replacement flowchart

本研究小組使用的AFM 系統與本系統的探針固定方式均為磁吸方式。經特殊設計優化的磁性探針夾與磁性測頭相互吸附固定，并采用測頭端定位珠與探針夾定位孔相互嵌合方式進行定位，使用該方式的探針夾相對于測頭具有亞微米級重復定位精度。因此，一致性探針相對于測頭的定位精度主要受探針裝配于探針夾的精度影響。正是因為手動裝配探針誤差較大，所以導致換針后需要調整光路。而通過本文的探針一致性裝配系統來保證探針與探針夾的高精度裝配，則使探針更換變得便捷高效。

4 實驗結果與討論

4.1 探針一致性裝配系統搭建

為驗證裝配探針的位置一致性程度，進行了探針一致性裝配系統的實物搭建，如圖7 所示。將整套裝置放置于不銹鋼底板上，可保證系統調節移動時的穩定性。兩組光學顯微鏡使用萬向支架進行連接，并通過三維位移臺進行位置精細調節，提高成像清晰度。UV 固化燈采用萬向磁力底座固定。安裝有緩沖器、環形磁鐵、平頭帶螺母棘輪的限位座和光路一致性固定基座對載有探針位置調節組件的滑塊座進行位置定位與固定。其余部件與儀器包括：可以同時控制兩組UV 固化燈的發光強度與時間的UV 燈固化控制器；可調節最大負壓到99 KPa的真空泵；光學顯微鏡外接顯示器；顯示PSD 輸出數值示波器。

圖7 探針一致性裝配系統實物搭建圖Fig.7 Probe consistency assembly system physical

圖8 為探針裝配實物圖。從圖8（a）的側視圖看，探針與探針夾粘貼斜面保持平行，膠層厚度均勻且無溢出。由圖8（b）的俯視圖可看到，已完成一致性裝配的探針水平與豎直方向均與探針夾粘貼面對應方向保持平行，均符合裝配位置基本要求。

圖8 探針裝配實物圖Fig.8 Probe assembly physical drawing

4.2 系統實際光杠桿放大比測算

通過對實物搭建的系統光杠桿放大比進行測算可較為準確地計算探針裝配偏差，為探針裝配一致性驗證提供實際計算參數。根據探針一致性裝置實際測量，在PSD 上激光光斑移動250 μm，其在def 方向數值變化平均為3 401.8 mv，即激光光斑每移動1 μm，PSD 的def 方向數值變化13.6 mv，因此PSD 對光斑位移靈敏度為13.6 mv/μm。由公式（3）可知，通過改變懸臂梁偏轉量δ來獲取PSD 上的光斑實際位移量d可計算系統的實際光杠桿放大比。通過對三維位移臺的Z向進行調節可變改變懸臂梁偏轉量，其偏轉數值通過千分尺控制與讀取，PSD 上光斑實際位移量d通過計算的PSD 對激光位移靈敏度進行獲取。圖9 為系統光杠桿放大比測算圖。其斜率即為光杠桿放大比A，其值為9.89，與理論值10 稍有差異，分析其原因為：系統組件裝配誤差與不同類型的探針長度變化，導致反射光束光路長度與微懸臂的有效長度稍有改變。但此誤差對系統探針裝配精度影響較小且可控。

圖9 系統光杠桿放大比測算圖Fig.9 System light lever amplification ratio measurement chart

4.3 UV 膠固化導致探針位置偏差分析

探針與探針夾安裝固定方式大致分為彈簧夾持和膠水粘貼兩種，本文采用紫外光膠黏劑進行粘貼裝配。UV 膠固化速度快、使用工藝簡便，可以在調整確定探針位置與角度后進行紫外光照射，快速固化。然而，UV 膠在固化過程中聚合反應帶來的原子間距離的變化，與從單體變為聚合物的過程中產生的熵的變化，即自由體積的變化，使其在固化過程中產生一定的體積收縮，并且存在著凝膠化過程。凝膠化之前體系雖有收縮，但仍具有流動性，而凝膠化之后，分子運動受到了阻礙，進一步的固化反應產生了收縮應力［25］。

在UV 固化的實驗中，通過讀取PSD 數值變化可發現UV 膠水的收縮與應力釋放對探針位置與角度影響較大。根據相關文獻［26］，UV 膠水的收縮率越小，其應力變化也越小，因此，為減小膠水固化帶來的探針安裝誤差，首先選取的膠水盡量為低收縮率，其次需要對標準探針進行校準，標準探針在顯微鏡下進行手動安裝，安裝時存在的角度誤差，在后續探針制作的中會保持這一誤差的存在，即保持了UV 膠水安裝面中的不均勻分布狀態。這使不均勻分布的UV 膠收縮量與應力存在差異，使固化過程中探針位置的變化存在不確定性。

如圖10 為UV 膠固化過程致探針位置偏移圖。從圖中看到，在保證探針調節位置相同的情況下，UV 膠水的固化誤差基本恒定，因此，可通過補償偏移量的方式來使探針粘貼后的位置達到要求范圍。實驗結果顯示位于PSD 平面的豎直與水平方向，即探針繞X軸的偏轉（Deflection， def）與繞Y軸的扭轉（Torsion， tor）方向平均偏差值分別為-306 mv 與469 mv，可認為是標準探針角度偏差導致的UV 膠水不均勻分布在UV 燈照射固化后的收縮與應力釋放的結果。因此，為對固化偏差進行補償，使所有探針都與標準探針數據一致，則需在固化前將def 方向數值標準調高到306 mv 位置附近，tor 方向數值調低到-469 mv 附近，并以此為固化前探針調節基準。為驗證這一方法進行了偏差補償實驗，圖11為補償UV 膠固化形變后探針位置偏移圖，從圖中可看到采用了偏差補償方法后效果明顯，粘貼后的探針數據均更加接近標準探針數據，證明了該方法的可行性。

圖10 UV 膠固化過程致探針位置偏移圖Fig.10 Probe position offset during UV curing

圖11 補償UV 膠固化形變后探針位置偏移圖Fig.11 Probe position offset after compensating for UV adhesive curing deformation

4.4 一致性探針裝配精度分析

根據PSD 工作原理可知，當激光光斑處在PSD 中心位置時，四個象限的光強度相同，產生的光電流相等，而當光斑位置改變時，四個象限的光強度改變，其產生的光電流與光強度呈正相關，通過相關算法計算光電流變化即可得到光斑的位置。Li D 等人發現光斑靠近探測器中心位置可提高其位置檢測精度［27］，這對AFM 系統的測量與成像是有利的。因此，AFM 系統中經過探針更換與光路位置調節后的激光光斑均應處于PSD 中心位置。

而就本文的探針裝配系統而言，PSD 中激光光斑的位置由探針裝配精度決定。經過大量探針裝配實驗，其數據結果如圖12 所示。80 根探針在同一光路下，探針反射的光斑能量穩定在約2.0 V，在PSD 的def 方向平均數值為91 mv，tor方向平均數值為120 mv。根據實際測算的光杠桿放大倍數為9.89 計算可得，PSD 對于探針裝配位置靈敏度則為134.5 mv/μm，折算到探針尖端相對于入射激光光斑中心，其def 平均位移量為0.67 μm，tor 方向平均位移量為0.89 μm，計算后其探針尖端距中心位置平均偏移量為1.11 μm。證明探針一致性裝配系統具備微米級精度位置調節能力。

圖12 一致性探針裝配位置數據圖Fig.12 Consistency probe assembly position data

值得注意的是，按照傳統方式需首先使用UV 膠將探針手工固化在探針夾上，將探針夾置于AFM 系統后，需調整入射激光的光斑位置，使其與探針懸臂梁尖端重合，而后調節PSD 位置使被懸臂梁反射的激光光斑位于其中心位置，這一探針更換與光路調節時間通常約需5 min，而在AFM 系統上僅需少于10 s 即可更換一枚一致性探針，且無需做任何位置調整。因此，在滿足探針位置精度的同時，采用一致性探針可大大節約AFM 系統探針更換時間，提高操作效率。

4.5 探針位置偏差對AFM 系統成像影響

在AFM 系統運行過程中會包含如熱噪聲、機械噪聲、探測器噪聲等干擾有效信息檢測提取的噪聲［28］。而探針的裝配精度在一定程度上會影響探測器噪音，光電探測器在產生光電流的同時，會不可避免地產生噪聲信號。當光斑偏移，PSD 中對應象限的光電流增加的同時噪聲也會隨之增加，降低PSD 的信噪比［29］，最終影響AFM系統的信噪比。如圖13 所示，分別測試了光斑距PSD 中心位置偏移為0，300，600，900 mv 時的探針熱噪聲。通過實驗驗證，當激光光斑逐漸遠離PSD 中心位置時，探針熱噪聲峰值不變，而PSD噪聲增加，底噪逐漸升高。

圖13 激光光斑距PSD 中心不同距離時噪聲變化圖Fig.13 Noise variation at different distances of laser spot from PSD center

為探究探針偏移量不同時PSD 產生的噪音對AFM 系統成像質量的影響，本文進行了探針距PSD 中心偏移量分別為0，300，600，900 mv 時的AFM 成像，如圖14 所示。掃描樣品為標稱高度為0.75 nm 的碳化硅，掃描范圍360 nm×360 nm，掃描行頻為1 Hz，像素點為256×256。

圖14 光斑距PSD 中心不同距離時AFM 掃描成像圖Fig. 14 AFM scan image at different distances from the center of the PSD

通過對以上4 幅圖的對比，其樣品掃描成像質量并未出現明顯下降，說明探針反射光斑位置偏差即使在900 mv 時，其產生的探測器噪聲也未對AFM 系統成像質量造成影響。這表明即使是采用目前80 根探針中偏差最大的探針進行樣品掃描成像，其PSD 噪聲對成像質量的影響遠小于系統中其他因素。通過以上分析，證明本文探針一致性裝配系統所裝配的絕大部分探針均可滿足AFM 系統成像要求。

5 結 論

本文提出的基于光束偏轉法的AFM 探針一致性裝配系統，可有效避免AFM 掃描或測量前的調整校準光路步驟，實現了同一光路下探針安裝于探針夾位置一致性目的。首先，對采用了光束偏轉法的光路進行設計，利用二維位移組件調節激光器入射角度與PSD 接收光斑位置，實現光路位置的一致性調整，然后通過三維位移調節平臺與繞XY 軸角度傾斜平臺對探針位置與角度進行微米級調節，最后對探針一致性裝配系統總體結構進行設計并開展實驗驗證與分析。實驗結果表明：裝配的80 根探針一致性數據均接近標準探針，其def 方向平均值為91 mv，tor 方向平均值為120 mv，sum 值基本穩定在2 000 mv，滿足PSD 接收激光位置與能量的要求。通過對系統PSD 光斑位移靈敏度的實際測量，測算后探針平均位移偏差接近1.1 μm，實現了微米級探針調節精度。并且在滿足AFM 系統對探針位置偏差與激光光斑偏差要求的同時，更換一致性探針僅需8 s。因此，探針一致性裝置的使用可有效避免AFM 使用前光路調節校準探針過程。未來可將該系統迭代為自動化操作，進一步提高裝配效率與精度，并與自動更換探針裝置相配合，提高AFM 在各領域應用的便捷性與工作效率。