CN101324429A - 一种扫描探针显微镜的高精度测量方法 - Google Patents

一种扫描探针显微镜的高精度测量方法 Download PDF

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Abstract

一种扫描探针显微镜的高精度测量方式。将标准样品和被测样品分别固定在xy微位移移动平台(3)的上、下表面，再将原子力显微镜(1)和扫描隧道显微镜(2)分别置于xy微位移移动平台(3)的上下方。扫描隧道显微镜(2)记录标准样品的形貌，而原子力显微镜(1)记录样品的形貌。标准样品和样品位置固定，所以在扫描过程中，由于平台抖动或其他震动引起的误差会同时体现在标准样品和样品的形貌信号上。选用的标准样品为石墨样品，其形貌具有周期性，可以利用这点得到扫描过程中每点震动引起的误差。将这个误差与样品的形貌信号整合就可以得到样品的精确形貌。

Description

一种扫描探针显微镜的高精度测量方法
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜的高精度测量方法。
背景技术
近几年来，扫描探针显微镜的扫描速度不断提高，目前一幅100nm的图像，成像速度最高可以达到0.64s/frame。已经可以近似认为达到了即时成像的要求，所以高速扫描探针显微镜已经成为一种有用的工具，被广泛应用于生命科学，半导体制造工艺等领域。
扫描探针显微镜用于测量纳米量级的长度，所以任何一个微扰都可以对测量结果产生影响，比如：工作台的震动，支架的震动，甚至一个声音源，都可能在图形上产生噪音。所以在测量的过程中，人们常常使用隔离室。隔离室对噪音和外界震动会有一定作用但是对仪器自身特性引起的震动却起不到很大作用。
为了使扫描速度能够不断提高，目前常用的方法是采用了xy方向与z方向分离的方法进行扫描，比如日本金泽大学物理系，英国布里斯托大学等单位都有已研制成功的仪器。使用xy微位移移动平台，确实极大的提高了扫描速度，从原来的几赫兹提高到了一百赫兹左右。但是物体有这样一种共性，振动频率越接近固有的共振频率，那么物体的振幅也就越大，微位移移动平台的稳定性变差；当振动频率等于共振频率时候，振幅最越大时，稳定性最差。
此外，有了这个平台人们希望能够在不断提高扫描速度的同时，也能够增大扫描范围。微位移移动平台均采用压电陶瓷作为关键驱动元件，但是压电陶瓷无法克服自身的非线性，如图1。在小范围扫描的时候，微位移移动平台的稳定性比较好，但位移范围比较大时，微位移移动平台的稳定性将会变差，多个压电陶瓷的耦合作用会使微位移移动平台在运动的时候出现抖动，直接影响到测量结果。
所以在不断提高扫描速度和增大扫描范围的同时，也引入了由扫描平台自身震动而带来的误差，并且高扫描速度越高，这个误差也就越大。出现这种情况会影响扫描的精确度，现在必然需要对这个问题进行解决，而且还要保证扫描速度不降低，扫描范围不减小。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术由于提高扫描速度和增大扫描范围引入的由扫描平台自身震动而带来误差的缺点，本发明采用两套探针系统，相互制约，可以在不降低扫描速度和减小扫描范围的前提下，提高图像的精度，改善图像的质量。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
扫描探针显微镜采用xy方向与z方向分离的扫描方式，采用xy微位移移动平台，实现xy方向的大范围扫描。标准样品固定在xy微位移移动平台的下表面，被测样品固定在xy微位移移动平台的上表面，使标准样品和被测样品不会发生相对运动。标准样品、样品和平台保持水平。
本发明标准样品作为相对参照物。标准样品选用表面具有周期性的材料，比如：石墨，光栅，多孔氧化铝等，这样得到的数据才能用于后期的数据处理。
将扫描隧道显微镜置于xy微位移移动平台的下方，原子力显微镜置于xy微位移移动平台的上方，并使原子力显微镜和扫描隧道显微镜水平方向的相对位置恒定。扫描隧道显微镜记录标准样品的形貌，原子力显微镜记录被测样品的形貌。在扫描的过程中，xy微位移移动平台接收到信号开始移动，扫描隧道显微镜和原子力显微镜同时获得各自样品的信号，也就是说扫描隧道显微镜和原子力显微镜在同一时间和同一地点采集信号。
由于标准样品和被测样品位置固定，所以在扫描过程中，由于平台自身运动时的抖动或其他震动，比如说外界声音源引起的平台震动等，带来的误差会同时体现在标准样品和被测样品的形貌信号上。选用的标准样品表面形貌具有周期性，利用这个特性，我们可以知道没有误差信号的标准样品表面形貌，只需要将扫描得到的标准样品的形貌图像每一点与相应的没有误差信号的表面形貌的数值进行比较，两者之差就是扫描过程中震动引起的每点误差。将这个误差与被测样品的形貌信号整合：首先将扫描得到的标准样品的误差信号进行反向即保持数值的大小不变只将符号改变，然后将被测样品的每个对应点形貌信号与扫描得到的标准样品相对应的反向后的误差信号的数据直接相减，就可以得到被测样品的精确形貌。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1压电陶瓷位移和电压的非线性关系；
图2本发明的装置的结构示意图，其中1为原子力显微镜，2为扫描隧道显微镜，3为微位移移动平台，4位石墨样品标准样品，5为被测样品，6为支架，7为计算机控制系统；
图3微位移移动平台震动波型引起的误差信号，其中8为微位移移动平台的震动波型，9为原子力显微镜采到的微位移移动平台的震动信号，10为扫描隧道显微镜采到的微位移移动平台的震动信号；
图4本发明的数据处理流程，其中1为原子力显微镜，2为扫描隧道显微镜，11为原子力显微镜采到的被测样品形貌信号，12为扫描隧道显微镜采到的标准样品形貌信号，13为标准样品的形貌信号，14为扫描隧道显微镜采到的标准样品形貌信号中震动引起的误差信号，15为原子力显微镜采到的被测样品形貌信号中震动引起的误差信号，16为经过整合过的被测样品形貌信号；
图5为本发明信号处理流程图。
具体实施方式
应用本发明方法的装置如图2所示，标准样品固定在xy微位移移动平台的下表面，被测样品固定在xy微位移移动平台的上表面。两套扫描探针显微镜：其中的扫描隧道显微镜相当于一套参照系统，置于xy微位移移动平台的下方，原子力显微镜置于xy微位移移动平台的上方，作为测量系统。当xy微位移移动平台发生移动时，原子力显微镜和扫描隧道显微镜将同时读取被测样品和标准样品的形貌数据。这里扫描隧道显微镜读取的标准样品形貌数据，是一个媒介，通过它得到扫描过程中震动引起的误差信号。
本发明采用的两套扫描探针显微镜分别取得各自样品的数据，分别各自成像，又共用一个xy微位移移动平台。由于平台自身运动时的抖动或其他震动，比如说外界声音源引起的平台震动等，引起的误差会同时反映在原子力显微镜和扫描隧道显微镜各自测得的形貌数据中。如图3所示，如果平台移动的过程中发生如图3所示的波形8所示的震动，那么原子力显微镜测到的波形信号9将是这个波形，扫描隧道显微镜得到的波形信号10则与波形信号9的大小相等，方向相反。所以震动引起的误差信号在这两套系统中是大小相等，方向相反的。如果能够知道扫描隧道显微镜测到的标准样品的形貌信号中的误差信号就可以得到原子力显微镜测到的被测样品的形貌信号中的误差信号，进而就可以得到精确的被测样品的形貌信号，提高了测量的精确度。
选用的标准样品是石墨，因为石墨比较常见，价格低廉，具有比较特殊的晶体结构，严格周期结构的原子晶格。在具体实施例中，我们选用高定向热解石墨(HOPG)样品作为标准样品，HOPG是一种新型高纯度碳，为显微分析人员提供了一种可重复使用的平滑表面。它的晶格为六边形层状结构。属六方晶系，具有完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱。同一网层中碳原子的间距为0.25nm。其原子形貌具有非常强的周期性。根据这个特性，我们可以通过采用理论计算与多次测量相结合的方法得到没有误差信号的标准样品表面形貌，只需要将扫描隧道显微镜扫描得到的标准形貌每一点与相应的没有误差信号的标准样品表面形貌的数值进行比较，两者之差就是扫描过程中震动引起的每点误差。将这个误差信号进行反向，然后将被测样品的每个对应点形貌信号与相对应的误差信号的数据直接相加，就可以得到被测样品的精确形貌。
下面以图4和图5具体说明信号处理的过程：控制系统首先对原子力显微镜1和扫描隧道显微镜2下达逼近命令，之后驱动微位移移动平台。这时原子力显微镜1和扫描隧道显微镜2同时开始记录被测样品形貌信号11和标准样品的形貌信号12。在完成一行的扫描之后，控制系统开始对扫描隧道显微镜采到的信号12进行处理，利用已知的石墨原子形貌信号13，将信号12的数值减去信号13的数值得到误差信号14，这个误差信号14就是在扫描过程中震动引入的误差信号，对误差信号14进行反向得到信号15，既是原子力显微镜采到的信号11中所包含的误差信号，最后将信号11的数值与信号15的数值相减就得到的就是精确的样品的形貌信号16。
信号处理的流程可以简述为：将扫描隧道显微镜采到的信号滤去石墨原子像得到误差信号，再将误差信号反向，最后与原子力显微镜采到的信号进行整合得到精确的样品形貌，如图5所示。
通过以上方法，可以在不降低扫描速度和减小扫描范围的前提下，提高图像的精度，改善图像的质量。

Claims (2)

1、一种扫描探针显微镜的高精度测量方法，其特征是将标准样品(4)固定在xy微位移移动平台(3)的下表面，被测样品(5)固定在xy微位移移动平台(3)的上表面；扫描隧道显微镜(2)作为参照系统，置于xy微位移移动平台(3)的下方，原子力显微镜(1)置于xy微位移移动平台(3)的上方，作为测量系统；扫描隧道显微镜(2)记录标准样品的形貌(12)，原子力显微镜(1)记录被测样品的形貌信号(11)；在扫描过程中，xy微位移移动平台接收到信号开始移动，扫描隧道显微镜(2)记录标准样品的形貌(12)，原子力显微镜记录被测样品的形貌；扫描过程震动带来的误差同时体现在标准样品和被测样品的形貌信号上；将扫描得到的标准样品的形貌信号(12)与已知的无误差信号的标准样品表面形貌的数值(13)比较，两者之差为扫描过程中震动引起的误差；将扫描得到的标准样品的误差信号(14)进行反向，即保持数据的大小不变只改变数据符号，然后将被测样品的每个对应点形貌信号与扫描得到的标准样品相对应的反向后的误差信号(15)的数据直接相减，即得到被测样品的精确形貌。
2、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜的高精度测量方法，其特征是所述的标准样品表面形貌具有周期性。
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