具有换针功能的扫描探针系统及其控制方法与流程

本发明涉及探针控制，具体涉及一种具有换针功能的扫描探针系统及其控制方法。

背景技术：

1、自1986年瑞士科学家binnig和rohrer博士因扫描探针显微镜获得诺贝尔物理奖后，探针技术作为少有的能够探索微观世界和对微观尺度上实现微纳米加工的技术，其应用场景层出不穷，为全球的科学研究和产业应用创造了巨大的价值。并且，也派生出的扫描隧道电子显微镜、扫描原子力显微镜、扫描近场光学显微镜以及探针光刻机等也都已经得到了广泛的应用。

2、在装有探针的仪器使用过程中，对出现探针出现损坏的情况，则必须更换一个新的探针。对出现需要不同功能的探针进入工作模式的情况，也需要更换相应的探针。更换探针的过程非常麻烦，尤其是针对真空环境。在真空环境下进行探针的更换必须将新探针和使用过的探针储存在探针库中，而且需要精密机械装置的机械运动，首先将旧的探针从探针工作位置的卡具中拿下，放置到探针库中，然后将新的探针从探针库中取出，置入到机械手上，再精确插入到探针工作位置的卡具中。上述操作过程非常困难，另一种常用的方式是将探针装在一个转盘上，通过旋转转盘将新的探针旋转到探针的工作位置上。这样顺带容易出现的问题是如何卡死探针不会振动的问题。

3、另外，在真空环境中更换探针所需要的机械装置都非常昂贵，而且机械稳定性差。因此，若想要节省机械换针装置的费用，则必须中断当前探针的工作，打开真空腔，破坏好不容易抽成的真空甚至超高真空，让探针系统回到大气环境中更换探针，在更换好探针后，再次抽真空，这整个过程一般需要一天甚至数周才能完成。这大大影响了工作效率，最终也影响成本。

4、同时，在探针使用过程中，若针尖被磨损了，会直接影响探针测量的分辨率，或者探针光刻的分辨率和曝光的线宽。并且在探针使用中一般难以获得探针的状态，可能存在探针已经被磨损到不合格仍在继续使用的情况，直至探针测量的结果长时间不正常，或者事后发现探针已经被磨损到不合格。

5、综合上述，在探针使用过程中，更换探针存在着效率低和成本高的问题，并且探针损坏所带来的滞后发现也会非常影响探针所在的整体系统的工作效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种具有换针功能的扫描探针系统及其控制方法，在扫描探针系统对样品表面进行操作的过程中，即便出现探针损坏，也可以通过切换备用探针继续对样品表面进行操作，尤其是针对真空环境等不便于更换探针的特殊场景，无需中断操作过程更换探针，大大提升了扫描探针系统的工作效率，避免了操作过程中更换探针的高额代价。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有换针功能的扫描探针系统，包括至少一个探针组、承载驱动装置以及控制器，所述探针组固定在所述承载驱动装置上，每个所述探针组包括至少两个探针；所述控制器分别与各所述探针以及所述承载驱动装置通信连接；所述控制器用于针对每个所述探针组，控制所述探针组中的至少一个探针进入对应的目标工作模式，且控制所述探针组中的至少一个所述探针处于非工作模式；所述控制器还用于控制所述承载驱动装置驱动处于所述目标工作模式的目标探针对放置在样品台上的样品表面进行操作；所述控制器还用于在对样品表面进行操作的所述目标探针满足预设条件时，控制与所述目标探针位于同一个所述探针组且处于非工作模式的所述探针替换所述目标探针进入所述目标工作模式继续对样品表面进行操作。

3、本发明还提供了一种扫描探针系统的控制方法，应用于具有换针功能的扫描探针系统的控制器，所述扫描探针系统，还包括：至少一个探针组与承载驱动装置，所述探针组固定在所述承载驱动装置上，每个所述探针组包括至少两个探针；所述控制器分别与各所述探针以及所述承载驱动装置通信连接；所述方法包括：针对每个所述探针组，控制所述探针组中的至少一个探针进入对应的目标工作模式，且控制所述探针组中的至少一个所述探针处于非工作模式；控制所述承载驱动装置驱动处于所述目标工作模式的目标探针对放置在样品台上的样品表面进行操作；在对样品表面进行操作的所述目标探针满足预设条件时，控制与所述目标探针位于同一个所述探针组且处于非工作模式的所述探针替换所述目标探针进入所述目标工作模式继续对样品表面进行操作。

4、本发明实施例提供了一种具有换针功能的扫描探针系统，包括至少一个探针组、承载驱动装置以及控制器，所述探针组固定在所述承载驱动装置上，每个所述探针组包括至少两个探针；所述控制器分别与各所述探针以及所述承载驱动装置通信连接；在需要对放置在样品上的样品表面进行操作时，对于每个探针组，控制器从该探针组中选取至少一个探针进入对应的目标工作模式，并选取至少一个探针处于非工作模式，以处于非工作模式的探针作为备用探针，随后控制承载驱动装置驱动处于所述目标工作模式的目标探针对放置在样品台上的样品表面进行操作，若在目标探针对样品表面进行操作的过程中，对样品表面进行操作的所述目标探针满足预设条件，则控制与所述目标探针位于同一个所述探针组且处于非工作模式的所述探针替换所述目标探针进入所述目标工作模式继续对样品表面进行操作；由此，在扫描探针系统对样品表面进行操作的过程中，即便出现探针损坏，也可以通过切换备用探针继续对样品表面进行操作，尤其是针对真空环境等不便于更换探针的特殊场景，无需中断操作过程更换探针，大大提升了扫描探针系统的工作效率，避免了操作过程中更换探针的高额代价。

5、或者，在探针组中设置不同工作功能的探针，当一个带功能的探针工作完毕，需要第二种功能的探针进入工作时，同样可以通过以上更换探针的方法来实现。比如一种探针可以很细，适用于表面三维形貌的高精度测量，而另一种探针相对粗的探针来说针尖更尖，适用于表面机械压痕。或者一种探针很细，适用于表面三维形貌的高精度测量，而另一种探针有不同的探针形状，用于探针针尖的电场导致的电子发射。

6、在一个实施例中，每个所述探针组中的多个所述探针分别具有不同的性能参数，多个所述探针分别对应不同的目标工作模式。

7、在一个实施例中，每个所述探针组中的多个所述探针分别具有不同的振动频率。

8、在一个实施例中，每个所述探针包括：悬臂梁和固定在悬臂梁上的针尖部，所述悬臂梁与所述控制器通信连接；每个所述探针组中的多个所述探针的悬臂梁分别具有不同的质量。

9、在一个实施例中，每个所述探针包括：悬臂梁和固定在悬臂梁上的针尖部，所述悬臂梁与所述控制器通信连接；每个所述探针组中的多个所述探针的所述悬臂梁分别具有不同的长度或者宽度。

10、在一个实施例中，所述控制器还用于针对每个所述探针组，控制处于所述目标工作模式的所述探针与样品表面之间的距离小于处于所述非工作模式的所述探针与样品表面之间的距离。

11、在一个实施例中，所述控制器用于通过控制输入到所述探针的电压或电流，调整所述探针与样品表面之间的距离。

12、在一个实施例中，预设条件包括所述目标探针出现异常；所述控制器还用于控制所述目标探针对样品表面上预设的待测结构进行测量得到测量结果，并根据所述目标探针对应的测量结果判断所述目标探针是否出现异常。

13、在一个实施例中，预设条件包括接收到用于控制与所述目标探针处于同一所述探针组且与所述目标探针功能不同的另一所述探针对样品表面进行操作的控制指令。

14、在一个实施例中，所述控制器还用于针对每个所述探针组，在控制所述探针组中的至少一个探针进入对应的目标工作模式之前，控制所述探针组中的多个探针分别进入所述目标工作模式并对样品表面上预设的待测结构进行测量，得到各所述探针对应的测量结果；所述控制器用于针对每个所述探针组，根据所述探针组中的各所述探针所对应的测量结果，选取所述探针组中与所述目标工作模式对应的所述探针。

15、在一个实施例中，所述控制器还用于控制处于非工作模式的所述探针与样品表面之间的距离位于50纳米至20微米之间。

16、在一个实施例中，所述探针为以下任意一种：主动式探针、振动式探针、被动式探针以及压电式探针。

17、在一个实施例中，所述探针的工作模式包括以下任意之一或任意组合：扫描探针显微镜模式、表面形貌测量模式、扫描探针光刻机模式以及扫描探针离子注入机模式。

18、在一个实施例中，在所述控制所述承载驱动装置驱动处于所述目标工作模式的目标探针对放置在样品台上的样品表面进行操作之前，还包括：控制处于所述目标工作模式的所述探针与样品表面之间的距离小于处于所述非工作模式的所述探针与样品表面之间的距离。

19、在一个实施例中，在所述控制所述承载驱动装置驱动处于所述目标工作模式的目标探针对放置在样品台上的样品表面进行操作之前，还包括：控制处于所述非工作模式的所述探针与样品表面之间的距离大于处于所述目标工作模式的所述探针与样品表面之间的距离。

20、在一个实施例中，所述探针与样品表面之间的距离的调整方式为：通过控制输入到所述探针的电压或电流，调整所述探针与样品表面之间的距离。

21、在一个实施例中，预设条件包括所述目标探针出现异常；所述方法还包括：在所述目标探针对样品表面进行操作的过程中，控制所述目标探针对样品表面上预设的待测结构进行测量得到测量结果，并根据所述目标探针对应的测量结果判断所述目标探针是否出现异常。

22、在一个实施例中，在所述针对每个所述探针组，控制所述探针组中的至少一个探针进入对应的目标工作模式，且控制所述探针组中的至少一个所述探针处于非工作模式之前，还包括：针对每个所述探针组，控制所述探针组中的各所述探针分别进入所述目标工作模式对样品表面上的预设区域进行测量得到测量结果，并根据各所述探针所对应的测量结果，获取各所述探针对应的所述目标工作模式。