一種掃描探針顯微鏡的高精度測量方法

2023-11-30 23:57:01

專利名稱：一種掃描探針顯微鏡的高精度測量方法
技術領域：
本發明涉及掃描探針顯微鏡的高精度測量方法。
技術背景近幾年來，掃描探針顯微鏡的掃描速度不斷提高，目前一幅100nm的圖像，成像速度最 高可以達到0.64s/frame。已經可以近似認為達到了即時成像的要求，所以高速掃描探針顯微 鏡已經成為一種有用的工具，被廣泛應用於生命科學，半導體製造工藝等領域。掃描探針顯微鏡用於測量納米量級的長度，所以任何一個微擾都可以對測量結果產生影 響，比如工作檯的震動，支架的震動，甚至一個聲音源，都可能在圖形上產生噪音。所以 在測量的過程中，人們常常使用隔離室。隔離室對噪音和外界震動會有一定作用但是對儀器 自身特性引起的震動卻起不到很大作用。為了使掃描速度能夠不斷提高，目前常用的方法是採用了xy方向與z方向分離的方法進 行掃描，比如日本金澤大學物理系，英國布裡斯託大學等單位都有已研製成功的儀器。使用 xy微位移移動平臺，確實極大的提高了掃描速度，從原來的幾赫茲提高到了一百赫茲左右。 但是物體有這樣一種共性，振動頻率越接近固有的共振頻率，那麼物體的振幅也就越大，微 位移移動平臺的穩定性變差；當振動頻率等於共振頻率時候，振幅最越大時，穩定性最差。此外，有了這個平臺人們希望能夠在不斷提高掃描速度的同時，也能夠增大掃描範圍。 微位移移動平臺均採用壓電陶瓷作為關鍵驅動元件，但是壓電陶瓷無法克服自身的非線性， 如圖l。在小範圍掃描的時候，微位移移動平臺的穩定性比較好，但位移範圍比較大時，微 位移移動平臺的穩定性將會變差，多個壓電陶瓷的耦合作用會使微位移移動平臺在運動的時 候出現抖動，直接影響到測量結果。所以在不斷提高掃描速度和增大掃描範圍的同時，也引入了由掃描平臺自身震動而帶來 的誤差，並且高掃描速度越高，這個誤差也就越大。出現這種情況會影響掃描的精確度，現 在必然需要對這個問題進行解決，而且還要保證掃描速度不降低，掃描範圍不減小。 發明內容本發明的目的是克服現有技術由於提高掃描速度和增大掃描範圍引入的由掃描平臺自 身震動而帶來誤差的缺點，本發明採用兩套探針系統，相互制約，可以在不降低掃描速度和 減小掃描範圍的前提下，提高圖像的精度，改善圖像的質量。本發明解決技術問題所採用的技術方案是3掃描探針顯微鏡採用xy方向與z方向分離的掃描方式，採用xy微位移移動平臺，實現 方向的大範圍掃描。標準樣品固定在xy微位移移動平臺的下表面，被測樣品固定在xy 微位移移動平臺的上表面，使標準樣品和被測樣品不會發生相對運動。標準樣品、樣品和平 臺保持水平。本發明標準樣品作為相對參照物。標準樣品選用表面具有周期性的材料，比如石墨， 光柵，多孔氧化鋁等，這樣得到的數據才能用於後期的數據處理。將掃描隧道顯微鏡置於xy微位移移動平臺的下方，原子力顯微鏡置於xy微位移移動平 臺的上方，並使原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡水平方向的相對位置恆定。掃描隧道顯微鏡 記錄標準樣品的形貌，原子力顯微鏡記錄被測樣品的形貌。在掃描的過程中，xy微位移移動 平臺接收到信號開始移動，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡同時獲得各自樣品的信號，也就 是說掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡在同一時間和同一地點採集信號。由於標準樣品和被測樣品位置固定，所以在掃描過程中，由於平臺自身運動時的抖動或 其他震動，比如說外界聲音源引起的平臺震動等，帶來的誤差會同時體現在標準樣品和被測 樣品的形貌信號上。選用的標準樣品表面形貌具有周期性，利用這個特性，我們可以知道沒 有誤差信號的標準樣品表面形貌，只需要將掃描得到的標準樣品的形貌圖像每一點與相應的 沒有誤差信號的表面形貌的數值進行比較，兩者之差就是掃描過程中震動引起的每點誤差。 將這個誤差與被測樣品的形貌信號整合首先將掃描得到的標準樣品的誤差信號進行反向即 保持數值的大小不變只將符號改變，然後將被測樣品的每個對應點形貌信號與掃描得到的標 準樣品相對應的反向後的誤差信號的數據直接相減，就可以得到被測樣品的精確形貌。
以下結合附圖
和具體實施方式
進一步說明本發明。 圖l壓電陶瓷位移和電壓的非線性關係；圖2本發明的裝置的結構示意圖，其中l為原子力顯微鏡，2為掃描隧道顯微鏡，3為 微位移移動平臺，4位石墨樣品標準樣品，5為被測樣品，6為支架，7為計算機控制系統；圖3微位移移動平臺震動波型引起的誤差信號，其中8為微位移移動平臺的震動波型， 9為原子力顯微鏡採到的微位移移動平臺的震動信號，10為掃描隧道顯微鏡採到的微位移移 動平臺的震動信號；圖4本發明的數據處理流程，其中l為原子力顯微鏡，2為掃描隧道顯微鏡，U為原子 力顯微鏡採到的被測樣品形貌信號，12為掃描隧道顯微鏡採到的標準樣品形貌信號，13為 標準樣品的形貌信號，14為掃描隧道顯微鏡採到的標準樣品形貌信號中震動引起的誤差信 號，15為原子力顯微鏡採到的被測樣品形貌信號中震動引起的誤差信號，16為經過整合過的被測樣品形貌信號；圖5為本發明信號處理流程圖。
具體實施方式
應用本發明方法的裝置如圖2所示，標準樣品固定在xy微位移移動平臺的下表面，被 測樣品固定在xy微位移移動平臺的上表面。兩套掃描探針顯微鏡其中的掃描隧道顯微鏡 相當於一套參照系統，置於xy微位移移動平臺的下方，原子力顯微鏡置於xy微位移移動平 臺的上方，作為測量系統。當xy微位移移動平臺發生移動時，原子力顯微鏡和掃描隧道顯 微鏡將同時讀取被測樣品和標準樣品的形貌數據。這裡掃描隧道顯微鏡讀取的標準樣品形貌 數據，是一個^介，通過它得到掃描過程中震動引起的誤差信號。本發明採用的兩套掃描探針顯微鏡分別取得各自樣品的數據，分別各自成像，又共用一 個xy微位移移動平臺。由於平臺自身運動時的抖動或其他震動，比如說外界聲音源引起的 平臺震動等，引起的誤差會同時反映在原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡各自測得的形貌數據 中。如圖3所示，如果平臺移動的過程中發生如圖3所示的波形8所示的震動，那麼原子力 顯微鏡測到的波形信號9將是這個波形，掃描隧道顯微鏡得到的波形信號10則與波形信號9 的大小相等，方向相反。所以震動引起的誤差信號在這兩套系統中是大小相等，方向相反的。 如果能夠知道掃描隧道顯微鏡測到的標準樣品的形貌信號中的誤差信號就可以得到原子力 顯微鏡測到的被測樣品的形貌信號中的誤差信號，進而就可以得到精確的被測樣品的形貌信 號，提高了測量的精確度。選用的標準樣品是石墨，因為石墨比較常見，價格低廉，具有比較特殊的晶體結構，嚴 格周期結構的原子晶格。在具體實施例中，我們選用高定向熱解石墨(HOPG)樣品作為標 準樣品，HOPG是一種新型高純度碳，為顯微分析人員提供了一種可重複使用的平滑表面。 它的晶格為六邊形層狀結構。屬六方晶系，具有完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對 分子吸引力較弱。同一網層中碳原子的間距為0.2511111。其原子形貌具有非常強的周期性。根 據這個特性，我們可以通過採用理論計算與多次測量相結合的方法得到沒有誤差信號的標準 樣品表面形貌，只需要將掃描隧道顯微鏡掃描得到的標準形貌每一點與相應的沒有誤差信號 的標準樣品表面形貌的數值進行比較，兩者之差就是掃描過程中震動引起的每點誤差。將這 個誤差信號進行反向，然後將被測樣品的每個對應點形貌信號與相對應的誤差信號的數據直 接相加，就可以得到被測樣品的精確形貌。下面以圖4和圖5具體說明信號處理的過程控制系統首先對原子力顯微鏡1和掃描隧 道顯微鏡2下達逼近命令，之後驅動微位移移動平臺。這時原子力顯微鏡1和掃描隧道顯微 鏡2同時開始記錄被測樣品形貌信號11和標準樣品的形貌信號12。在完成一行的掃描之後，控制系統開始對掃描隧道顯微鏡採到的信號12進行處理，利用已知的石墨原子形貌信號13，將信號12的數值減去信號13的數值得到誤差信號14，這個誤差信號14就是在掃描過程中 震動引入的誤差信號，對誤差信號14進行反向得到信號15，既是原子力顯微鏡採到的信號 11中所包含的誤差信號，最後將信號11的數值與信號15的數值相減就得到的就是精確的樣 品的形貌信號16。信號處理的流程可以簡述為將掃描隧道顯微鏡採到的信號濾去石墨原子像得到誤差信 號，再將誤差信號反向，最後與原子力顯微鏡採到的信號進行整合得到精確的樣品形貌，如 圖5所示。通過以上方法，可以在不降低掃描速度和減小掃描範圍的前提下，提高圖像的精度，改 善圖像的質量。
權利要求
1、一種掃描探針顯微鏡的高精度測量方法，其特徵是將標準樣品(4)固定在xy微位移移動平臺(3)的下表面，被測樣品(5)固定在xy微位移移動平臺(3)的上表面；掃描隧道顯微鏡(2)作為參照系統，置於xy微位移移動平臺(3)的下方，原子力顯微鏡(1)置於xy微位移移動平臺(3)的上方，作為測量系統；掃描隧道顯微鏡(2)記錄標準樣品的形貌(12)，原子力顯微鏡(1)記錄被測樣品的形貌信號(11)；在掃描過程中，xy微位移移動平臺接收到信號開始移動，掃描隧道顯微鏡(2)記錄標準樣品的形貌(12)，原子力顯微鏡記錄被測樣品的形貌；掃描過程震動帶來的誤差同時體現在標準樣品和被測樣品的形貌信號上；將掃描得到的標準樣品的形貌信號(12)與已知的無誤差信號的標準樣品表面形貌的數值(13)比較，兩者之差為掃描過程中震動引起的誤差；將掃描得到的標準樣品的誤差信號(14)進行反向，即保持數據的大小不變只改變數據符號，然後將被測樣品的每個對應點形貌信號與掃描得到的標準樣品相對應的反向後的誤差信號(15)的數據直接相減，即得到被測樣品的精確形貌。
2、 根據權利要求1所述的掃描探針顯微鏡的高精度測量方法，其特徵是所述的標準樣 品表面形貌具有周期性。
全文摘要
一種掃描探針顯微鏡的高精度測量方式。將標準樣品和被測樣品分別固定在xy微位移移動平臺(3)的上、下表面，再將原子力顯微鏡(1)和掃描隧道顯微鏡(2)分別置於xy微位移移動平臺(3)的上下方。掃描隧道顯微鏡(2)記錄標準樣品的形貌，而原子力顯微鏡(1)記錄樣品的形貌。標準樣品和樣品位置固定，所以在掃描過程中，由於平臺抖動或其他震動引起的誤差會同時體現在標準樣品和樣品的形貌信號上。選用的標準樣品為石墨樣品，其形貌具有周期性，可以利用這點得到掃描過程中每點震動引起的誤差。將這個誤差與樣品的形貌信號整合就可以得到樣品的精確形貌。
文檔編號G01B21/20GK101324429SQ20081011655
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月11日 優先權日2008年7月11日
發明者左燕生, 林雲生, 王麗娜, 立 韓 申請人:中國科學院電工研究所