CN104502634A - 探针伺服角度控制方法及控制模块、基于该控制模块的成像系统及该系统的成像方法 - Google Patents

Abstract

探针伺服角度控制方法及控制模块、基于该控制模块的成像系统及该系统的成像方法，涉及采用原子力显微镜进行微纳米结构表面扫描成像的技术。它为了解决传统的原子力显微镜无法对具有大倾角外斜表面、垂直侧壁表面、内斜表面等结构表面实现连续可控分辨率三维扫描成像的问题。本发明通过控制探针针针尖在YZ平面内实时沿与XZ表面成Φ角的矢量上接近样品表面进行扫描，Φ值可以自动根据已扫描的样品表面信息进行动态调节，以此实现不同角度的表面的等分辨率扫描，有助于提高对微纳米结构性能检测及检测效率，从而为超大规模集成电路和甚超大规模集成电路检测提供了一种重要的工具。

Description

探针伺服角度控制方法及控制模块、基于该控制模块的成像系统及该系统的成像方法

技术领域

本发明涉及采用原子力显微镜(AFM)进行微纳米结构表面扫描成像的技术。

背景技术

传统的原子力显微镜(AFM)采用Top-Down方式观测样品表面形貌，其主要功能是实现对样品水平表面及低倾角外斜表面连续扫描和成像，例如公开号为CN 104062466 A的专利，公开了一种基于原子力显微镜的微纳米结构侧壁表面成像装置及该装置的成像方法，该装置和方法能够对如图12至图15所示的小倾角外斜表面、大倾角外斜表面、垂直侧壁表面和内斜表面等不同角度的侧壁表面进行扫描，但无法实现对微纳米结构三维表面连续等分辨率扫描，尤其对大倾角外斜表面扫描时易造成斜面成像分辨率不足，从而难以实现对样品表面特性精确表征，影响了对微纳米结构检测效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的原子力显微镜无法对具有大倾角外斜表面、垂直侧壁表面、内斜表面等结构表面实现连续可控分辨率三维扫描成像的问题，提供一种探针伺服角度控制方法及控制模块、基于该控制模块的成像系统及该系统的成像方法。

本发明所述的探针伺服角度控制方法包括以下步骤：

坐标值采集步骤：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该步骤结束之后执行探针伺服角度计算步骤；

探针伺服角度计算步骤： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；并在该步骤结束之后执行控制信号发送步骤；

控制信号发送步骤：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针沿与Y轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该步骤结束之后执行坐标值采集步骤。

本发明所述的探针伺服角度控制模块包括以下装置：

坐标值采集装置：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该装置运行结束之后启动探针伺服角度计算装置；

探针伺服角度计算装置： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；并在该装置运行结束之后启动控制信号发送装置；

控制信号发送装置：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针在YZ平面内沿与Z轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该装置运行结束之后再次启动坐标值采集装置。

基于上述探针伺服角度控制模块的成像系统，包括光学显微镜28、上位机20、激光测力系统I、激光测力系统II、第一探针手18、第二探针手11、XYZ微米定位台II12、XYZ纳米定位台II13、XYZ微米定位台III14、XY纳米定位台III15、样品台16和YZ纳米定位台I17、双路探针控制器23、采集卡19、一号压电控制器21、二号压电控制器27、三号压电控制器25、一号切换器22、二号切换器26和两个结构相同的探针架24；

所述探针架24包括基座24-1和旋转臂24-3，旋转臂24-3设置在基座24-1上，且该旋转臂24-3能够绕其中心轴旋转，两个基座24-1分别用于将两个探针架24固定在双探针原子力显微镜的第一探针手18和第二探针手11上，双探针原子力显微镜的两个探针，即探针I1和探针II2分别固定在两个探针架24的旋转臂24-3上，所述的探针I1的横截面为圆形或椭圆形，探针II2与探针I1具有相同的结构；

所述激光测力系统I用于检测探针I1的力信号或谐振信号，激光测力系统II用于检测探针II2的力信号或谐振信号，所述激光测力系统I与激光测力系统II的结构相同，所述激光测力系统I包括用于调节激光角度的激光角度调整机构4、激光器3、四象限位置检测器5、用于调节四象限位置检测器5位置的四象限位置检测器二维调整微平台8、反射激光凸透镜10、入射光凸透镜7、用于调节入射光凸透镜7沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台6和反射镜9；

所述XYZ微米定位台III14固定在光学显微镜28的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜28的底座平行，XY纳米定位台III15固定在XYZ微米定位台III14上，样品台16固定在XY纳米定位台III15上，第一探针手18固定在所述YZ纳米定位台I17上，XYZ纳米定位台II13固定在所述XYZ微米定位台II12上，第二探针手11固定在所述XYZ纳米定位台II13上；

激光测力系统I中，激光器3固定在激光角度调整机构4上，四象限位置检测器5固定在四象限位置检测器二维调整微平台8上，入射光凸透镜7固定在入射凸透镜一维调整微平台6上，激光器3发出的激光经过入射光凸透镜7后聚焦在探针I1的悬臂梁前端上，经所述悬臂梁前端反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜10，经过反射激光凸透镜10后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；激光测力系统II与激光测力系统I结构相同；

所述的上位机20内嵌入有软件实现的探针伺服角度控制模块；

上位机20的第一XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台III14的控制信号输入端，上位机20的第二XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台II12的控制信号输入端，上位机20的XY纳米控制信号输出端通过一号压电控制器21连接XY纳米定位台III15的控制信号输入端，上位机20的X纳米控制信号输出端连接二号压电控制器27的X控制信号输入端，上位机20的第一YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的YZ纳米控制信号输出端分别连接一号切换器22的两个信号输入端，该一号切换器22的信号输出端通过三号压电控制器25连接YZ纳米定位台I17的YZ控制信号输入端，上位机20的第二YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的YZ控制信号输出端分别连接二号切换器26的两个信号输入端，该二号切换器26的信号输出端连接二号压电控制器27的YZ控制信号输入端，二号压电控制器27的信号输出端连接XYZ纳米定位台II13的控制信号输入端，双路探针控制器23的第一振动控制信号输出端连接第一探针手18的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第一法向检测信号输入端和采集卡19的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，双路探针控制器23的第二振动控制信号输出端连接第二探针手11的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第二法向检测信号输入端和采集卡19的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡19的信号输出端连接上位机20的采集卡信号输入端。

上述基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法为：采用探针对样品的表面进行扫描时，选择从样品顶面或样品槽底面开始扫描，并将探针伺服角度Φ的初始值设置为90°，将扫描得到的数据通过坐标变换和三维表面重构，得到样品表面三维信息和图像。

本发明所述的探针伺服角度控制方法及控制模块，控制探针针针尖在YZ平面内实时沿与XZ表面成Φ角的矢量上接近样品表面。实际操作过程中，Φ_n的值可以自动根据已扫描的样品表面信息进行动态调节，也可以由用户设定为定值。通过对Φ_n的自动动态调节，能够实现不同角度的表面的等分辨率扫描，有助于提高对微纳米结构性能检测及检测效率，从而为超大规模集成电路和甚超大规模集成电路检测提供了一种重要的工具。

基于上述探针伺服角度控制模块的成像系统，对传统的原子力显微镜做了改进，在上位机20内嵌入了探针伺服角度控制模块，并且增加了纳米定位台的控制维度。扫描前，将探针固定在可旋转的探针架上，选定探针的旋转角度值θ(一般为20－45°)，θ值主要取决于样品的栅宽比。在扫描过程中，探针针尖在YZ平面内实时沿与Z成Φ角的矢量上接近样品表面，通过检测探针悬臂梁的变形是否达到用户所设定的参考值作为判断探针与样品表面是否接触的依据。当选择扫描模式为三维连续扫描时，探针矢量伺服角度Φ设置为定值，当选择扫描模式为三维连续等分辨率扫描时，Φ_n根据扫描所得的样品表面局部倾角确定。可采用一个探针进行扫描，也可采用两个探针进行扫描。采用两个探针进行扫描时，通过两个独立的激光测力系统对其反馈信号进行检测，使左右两探针先后沿样品左右两侧对样品底面、侧面和顶面进行连续扫描，将所获得的空间点云数据进行坐标变换，即可获得样品表面三维形貌，从而实现对样品表面三维连续可控分辨率扫描成像。上述成像系统能够对Φ_n进行自动动态调节，能够实现不同角度的表面的等分辨率扫描，

采用上述成像系统的成像方法进行扫描成像时，由于样品顶面或样品槽底面与XY平面平行，很受容易确定Φ值为90度，因此将其作为起始扫描位置，后续扫描位置的Φ值将会自动计算得到。

附图说明

图1为实施方式一中，等分辨率扫描时探针伺服角度控制原理图；

图2为实施方式三所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的工作原理框图；

图3为实施方式三所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的机械部分的结构图；

图4为实施方式三中的探针架24的结构示意图；

图5实施方式七中为两个探针的起始扫描位置的示意图；

图6为实施方式七中一个探针的坐标；

图7为实施方式七中另一个探针的坐标；

图8为实施方式八中的扫描过程示意图；

图9为实施方式九中，三维连续扫描时探针的伺服角度控制原理示意图；

图10为实施方式九中，三维连续等分辨率扫描时探针的伺服角度控制原理示意图，其中虚线探针代表探针原有位置，实线探针代表探针实际位置，双向箭头表示探针距离矢量运动控制方向和大小；

图11为实施方式九中，扫描图像重构原理示意图；

图12为背景技术中的小倾角外斜表面的定义；

图13为背景技术中的大倾角外斜表面的定义；

图14为背景技术中的垂直侧壁表面的定义；

图15为背景技术中的内斜表面的定义。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式所述的探针伺服角度控制方法包括以下步骤：

坐标值采集步骤：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该步骤结束之后执行探针伺服角度计算步骤；

探针伺服角度计算步骤： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；若计算的伺服角度Φ_n≤0，取伺服角度Φ_n＝90。并在该步骤结束之后执行控制信号发送步骤；

控制信号发送步骤：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针沿与Y轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该步骤结束之后执行坐标值采集步骤。

实际操作时，为了保证分辨率，一般先从如图9中左侧的侧壁开始向右扫描，扫描左侧侧壁时，Φ_n>0，当扫描到右侧侧壁时，Φ_n<0，这种情况下，相邻两个扫描点的距离明显增大，分辨率降低，因此可以舍去这部分数据，令伺服角度Φ_n＝90，即按照水平平面来扫描。

本实施方式将传统的原子力显微镜沿Z方向距离伺服运动控制以接近样品从而获得样品表面的信息调整为沿YZ方向上的矢量距离伺服运动控制以接近样品。在扫描过程中，探针针尖在YZ平面内实时沿与XZ表面成Φ角的矢量上接近样品表面，通过检测探针悬臂梁的变形是否达到用户所设定的参考值作为判断探针与样品表面是否接触的依据。实际操作过程中，Φ_n的值可以自动根据已扫描的样品表面信息按公式 ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m$ 进行动态调节，也可以由用户设定为定值。

采用上述方法扫描的前提是探针手结构上都安装有具有X轴方向旋转自由度的探针架，使探针在YZ平面内不再局限于垂直基底面，而是能与基底面在-90°～90°范围内成任意角度。此外对于方式三中的左右两探针，通过两个独立的激光检测系统对其反馈信号进行检测，使左右两探针先后沿样品左右两侧对样品底面、侧面和顶面进行连续扫描，将所获得的空间点云数据进行坐标变换，即可获得样品表面三维形貌，从而实现对样品表面三维连续可控分辨率扫描成像。

如附图1所示，图中A_n和A_n+1分别表示探针在两次扫描过程中与样品接触的位置，由三角形正弦定理有：

${\mathrm{\&Delta;L}}_n=\frac{{\mathrm{\&Delta;y}}_n}{\sin {\mathrm{\&alpha;}}_n\tan {\mathrm{\&Phi;}}_n+\cos {\mathrm{\&alpha;}}_n}$

式中：△y_n表示扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y方向的步进距离；△L_n表示样品倾斜面实际移动的距离；α_n表示扫描样品表面局部倾角；Φ_n为探针伺服角度，即探针沿此方向跟踪样品表面。

样品表面局部倾角α_n，可根据已扫描的线数进行计算，其计算公式如下：

${\mathrm{\&alpha;}}_n=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m$

式中：p为该扫描处前p根扫描线，p值不宜取过大，一般设置为2到5之间；m为带动探针或样品台运动的纳米定位台在X方向上所设定的扫描点数。

对于等分辨率扫描，即保证在相同的扫描区域内，扫描的点数相同，因此等距离水平面上扫描的点数与斜面上扫描的点数应相同，即有：

△L_n＝△y_n

从而可得：

${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}{\mathrm{\&alpha;}}_n$

在三维连续等分辨率扫描实施过程中，常将扫描初始平面设置为样品顶面或样品底面，故Φ初始值即Φ₀设置为90°，此后Φ_n值由该扫描点处前p项扫描线所得的样品表面局部倾角α_n来确定。并设置Φ_n值为计算所得局部倾斜角α_n的1/2，即

具体实施方式二：本实施方式所述的探针伺服角度控制模块，包括以下装置：

坐标值采集装置：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该装置运行结束之后启动探针伺服角度计算装置；

探针伺服角度计算装置： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；并在该装置运行结束之后启动控制信号发送装置；

控制信号发送装置：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针在YZ平面内沿与Z轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该装置运行结束之后再次启动坐标值采集装置。

具体实施方式三：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式二所述的探针伺服角度控制模块的成像系统，该成像系统包括光学显微镜28、上位机20、激光测力系统I、激光测力系统II、第一探针手18、第二探针手11、XYZ微米定位台II12、XYZ纳米定位台II13、XYZ微米定位台III14、XY纳米定位台III15、样品台16和YZ纳米定位台I17、双路探针控制器23、采集卡19、一号压电控制器21、二号压电控制器27、三号压电控制器25、一号切换器22、二号切换器26和两个结构相同的探针架24；

所述探针架24包括基座24-1和旋转臂24-3，旋转臂24-3设置在基座24-1上，且该旋转臂24-3能够绕其中心轴旋转，两个基座24-1分别用于将两个探针架24固定在双探针原子力显微镜的第一探针手18和第二探针手11上，双探针原子力显微镜的两个探针，即探针I1和探针II2分别固定在两个探针架24的旋转臂24-3上，所述的探针I1的横截面为圆形或椭圆形，探针II2与探针I1具有相同的结构；

所述激光测力系统I用于检测探针I1的力信号或谐振信号，激光测力系统II用于检测探针II2的力信号或谐振信号，所述激光测力系统I与激光测力系统II的结构相同，所述激光测力系统I包括用于调节激光角度的激光角度调整机构4、激光器3、四象限位置检测器5、用于调节四象限位置检测器5位置的四象限位置检测器二维调整微平台8、反射激光凸透镜10、入射光凸透镜7、用于调节入射光凸透镜7沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台6和反射镜9；

所述XYZ微米定位台III14固定在光学显微镜28的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜28的底座平行，XY纳米定位台III15固定在XYZ微米定位台III14上，样品台16固定在XY纳米定位台III15上，第一探针手18固定在所述YZ纳米定位台I17上，XYZ纳米定位台II13固定在所述XYZ微米定位台II12上，第二探针手11固定在所述XYZ纳米定位台II13上；

激光测力系统I中，激光器3固定在激光角度调整机构4上，四象限位置检测器5固定在四象限位置检测器二维调整微平台8上，入射光凸透镜7固定在入射凸透镜一维调整微平台6上，激光器3发出的激光经过入射光凸透镜7后聚焦在探针I1的悬臂梁前端上，经所述悬臂梁前端反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜10，经过反射激光凸透镜10后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；激光测力系统II与激光测力系统I结构相同；

所述的上位机20内嵌入有软件实现的探针伺服角度控制模块；

上位机20的第一XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台III14的控制信号输入端，上位机20的第二XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台II12的控制信号输入端，上位机20的XY纳米控制信号输出端通过一号压电控制器21连接XY纳米定位台III15的控制信号输入端，上位机20的X纳米控制信号输出端连接二号压电控制器27的X控制信号输入端，上位机20的第一YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的YZ纳米控制信号输出端分别连接一号切换器22的两个信号输入端，该一号切换器22的信号输出端通过三号压电控制器25连接YZ纳米定位台I17的YZ控制信号输入端，上位机20的第二YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的YZ控制信号输出端分别连接二号切换器26的两个信号输入端，该二号切换器26的信号输出端连接二号压电控制器27的YZ控制信号输入端，二号压电控制器27的信号输出端连接XYZ纳米定位台II13的控制信号输入端，双路探针控制器23的第一振动控制信号输出端连接第一探针手18的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第一法向检测信号输入端和采集卡19的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，双路探针控制器23的第二振动控制信号输出端连接第二探针手11的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第二法向检测信号输入端和采集卡19的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡19的信号输出端连接上位机20的采集卡信号输入端。

本实施方式所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统，是在公开号为CN104062466A的专利的基础上做的改进，在上位机20内嵌入了探针伺服角度控制模块，并且增加了纳米定位台的控制维度。探针手结构上都安装有具有X轴方向旋转自由度的探针架，使探针在YZ平面内不再局限于垂直基底面，而是能与基底面在-90°—90°范围内成任意角度。扫描前，将探针固定在可旋转的探针架上，选定探针的旋转角度值θ(一般为20－45°)，θ值主要取决于样品的栅宽比。在扫描过程中，探针针尖在YZ平面内实时沿与XZ表面成Φ角的矢量上接近样品表面，通过检测探针悬臂梁的变形是否达到用户所设定的参考值作为判断探针与样品表面是否接触的依据。当选择扫描模式为三维连续扫描时，探针矢量伺服角度Φ设置为定值，当选择扫描模式为三维连续等分辨率扫描时，Φ_n根据扫描所得的样品表面局部倾角确定。可采用一个探针进行扫描，也可采用两个探针进行扫描。采用两个探针进行扫描时，通过两个独立的激光测力系统对其反馈信号进行检测，使左右两探针先后沿样品左右两侧对样品底面、侧面和顶面进行连续扫描，将所获得的空间点云数据进行坐标变换，即可获得样品表面三维形貌，从而实现对样品表面三维连续可控分辨率扫描成像。

具体实施方式四：本实施方式是实施方式三所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法，该方法为：采用探针对样品的表面进行扫描时，选择从样品顶面或样品槽底面开始扫描，并将探针伺服角度Φ的初始值设置为90°，将扫描得到的数据通过坐标变换和三维表面重构，得到样品表面三维信息和图像。

样品顶面或样品槽底面与XY平面平行，很容易确定Φ值为90度，因此将其作为起始扫描位置。

具体实施方式五：本实施方式是实施方式四所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法的一个实施例，本实施方式中，采用两个独立的纳米扫描器(该纳米扫描器是指带动探针或样品台运动的纳米定位台)用以实现样品表面扫描，其中一个扫描器包括XY两个方向的自由度以用于调整样品台在X和Y方向上的扫描步距，另一个扫描器包括Y、Z两个方向上的自由度以实现样品台沿YZ平面上的矢量接近探针，从而使探针能够得到样品在Y方向和Z方向上的表面信息。即对探针与样品间距离伺服运动控制不再沿与XY平面垂直的Z方向，而是在YZ平面内与XZ平面呈Φ角的矢量上，即通过样品沿Φ方向上距离伺服运动控制来实现对微纳米样品扫描(该距离伺服运动控制通过同时驱动纳米扫描器的Y和Z轴来实现)。扫描前，将探针装载至指定角度θ，扫描过程中探针始终保持不动。

具体实施方式六：本实施方式是实施方式四所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法的一个实施例，本实施方式中，采用XY两自由度纳米扫描器来调整样品台在X和Y方向上的扫描步距，此外还在传统原子力显微镜上增加了探针沿Y及Z两个方向上的自由度，使探针能够沿YZ平面上的矢量跟踪样品表面，从而获得样品表面在Y和Z的信息，从而实现对样品三维连续表面进行扫描。

具体实施方式七：结合图5至图7说明本实施方式，本实施方式是实施方式四所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法的一个实施例，本实施方式在实施方式六的基础上再增加一个探针，使两个探针呈左右对称布置，且两探针都具有Y及Z两个方向上的自由度，即两探针能够分别沿YZ平面上的矢量接近样品相对两侧面。该原子力显微镜在结构上包括七个纳米定位的自由度，分别用于驱动左探针(Y方向和Z方向)、右探针(X方向、Y方向和Z方向)和样品台(X方向和Y方向)。

采用左右两探针分别对样品进行扫描，对于同一个扫描位置，左右两侧扫描点在Y方向上的位置存在着位置差n×step，step为该方向上的步长，故需对其进行坐标平移变换，其变换原理如附图5至图7所示，D_open为两探针张开距离，y_R0＝y_L0，D_open＝nstep，y_L＝y_R+nstep。坐标变换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_L^{n\&times;m}=x_R^{n\&times;m}\\ y_L^{n\&times;m}=y_R^{n\&times;m}+n\&times;\mathrm{step}\\ z_L^{n\&times;m}=z_R^{n\&times;m}\end{array}\right.$

扫描过程中，各个扫描点的坐标计算如下：

左侧探针：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_L^{n\&times;m}=x_{\mathrm{Ls}}^{n\&times;m}-x_{\mathrm{Ls}}^0\\ y_L^{n\&times;m}=y_{\mathrm{Lp}}^{n\&times;m}-y_{\mathrm{Ls}}^{n\&times;m}+2y_{\mathrm{Ls}}^0-y_{\mathrm{Lp}}^0\\ z_L^{n\&times;m}=z_{\mathrm{Lp}}^{n\&times;m}-z_{\mathrm{Lp}}^0\end{array}\right.$

右侧探针：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_R^{n\&times;m}=x_{\mathrm{Rs}}^{n\&times;m}-x_{\mathrm{Rs}}^0\\ y_R^{n\&times;m}=y_{\mathrm{Rp}}^{n\&times;m}-y_{\mathrm{Rs}}^{n\&times;m}+2y_{\mathrm{Rs}}^0-y_{\mathrm{Rp}}^0\\ z_R^{n\&times;m}=z_{\mathrm{Rp}}^{n\&times;m}-z_{\mathrm{Rp}}^0\end{array}\right.$

式中：分别为左右两探针在扫描过程中所记录的扫描点坐标值，为左右两探针在扫描过程中XY纳米扫描器的在X和Y方向上的坐标值，为左右两探针在扫描过程中YZ纳米扫描器的在Y和Z方向上的坐标值。为左右两探针在扫描开始时，XY纳米扫描器和YZ纳米扫描器的初始坐标位置。

具体实施方式八：结合图8至图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法的进一步限定，本实施方式中，所述的成像方法包括以下步骤：

步骤一、系统初始化，分别调整两个探针架24上的旋转臂24-3的侧向旋转角度，使其角度符合扫描要求，并使两个探针相对；同时，把准备好的样品固定到样品台16上，并将样品的侧壁表面与X轴平行；

步骤二、移动XYZ微米定位台III14，通过光学显微镜28初定位样品，选择待扫描区域，并将该区域移至探针I1的下方；

步骤三、移动XYZ微米定位台II12，使探针II2处于步骤二中所选择区域的上方，通过光学显微镜28观察，对准探针I1和探针II2，之后调整两探针上的激光聚焦光斑，使两激光处于两探针悬臂梁的前端中心，通过显微镜调焦系统，调整两探针与样品台16的Z向距离，并控制探针II2与样品的Z向距离大于探针I1与样品的Z向距离；

步骤四、通过激光测力系统I检测探针I1上的力或振动信号，选择图像扫描方式，所述图像扫描方式包括接触模式、轻敲模式、非接触模式，启动YZ纳米定位台I17在Z方向上的位置伺服控制，控制探针I1沿Z方向上接近样品，使样品与探针I1的之间的Z向距离达到用户所设定的值；

步骤五、通过激光测力系统II检测探针II2上的力或振动信号，选择图像扫描方式，启动探针II2在Z方向上的运动伺服控制，使探针II2沿Z向接近样品，并设定探针二与样品顶面或底面的Z向距离与步骤四中所设定的距离一致，至此，两探针针尖在Z方向上的距离小于10纳米；

步骤六、启动图像预扫描：首先切换XYZ纳米定位台II13上的伺服模式为接触模式，使探针II2与探针I1接触后停止伺服，然后选定扫描方式，选择探针II2为扫描探针，以接近探针I1的方向为慢速扫描方向，将慢速扫描方向的步距设定为小于或等于1nm：

启动扫描：直到探针I1的针尖被探针II2扫描到并得到清晰的图像为止；

步骤七、通过XYZ纳米定位台II13调整探针II2，使两个探针的针尖在X、Y方向上均对准重合，然后张开两探针，并选定两侧的起始扫描位置，设置两探针从样品顶面或样品槽底面开始扫描；

步骤八、通过YZ纳米定位台I17和XYZ纳米定位台II13分别控制两探针沿Z方向向下运动至指定位移，使样品处于两个倾斜的探针之间；将探针II2沿Z方向向上移动指定位移ΔZ1，选择探针I1在Z方向上的伺服，使探针I1针尖沿Z方向上接近样品顶面或样品槽底面，准备扫描；

步骤九、设置样品台16沿X正/负方向为快速扫描方向，Y负方向为慢速扫描方向，设定扫描区域大小以及X、Y方向扫描的步长，探针I1在YZ平面内的移动方向与Y轴的夹角为Φ，将Φ的初始值设置为90°，开启探针I1在Φ方向上的位置伺服控制，启动扫描；

步骤十、待扫描完成后，停止探针I1的位置伺服控制，然后通过XY纳米定位台III15将样品移至起始扫描位置；

步骤十一、将探针II2沿Z方向向下移动指定位移ΔZ1，并将探针I1沿Z方向向上移动指定位移ΔZ2，开启探针II2在Z方向上的位置伺服控制，使探针II2的针尖沿Z方向上接近样品顶面或样品槽底面，准备扫描；

步骤十二、将样品台16沿Y正方向设置为慢速扫描方向，扫描步长与步骤九中的步长相等，将Φ的初始值设置为90°，开启探针II2在Φ方向上的位置伺服控制，开启图像扫描；

步骤十三、待扫描完成后，停止探针II2的位置伺服控制，将样品台16移至起始扫描位置，之后沿Z向下移动，使样品台16远离探针I1和探针II2；

至此，分别得到样品顶部表面、样品两侧壁表面、样品底面扫描的空间点云数据，将探针I1和探针II2扫描所得样品表面的空间点云数据通过坐标变换和三维表面重构，得到样品表面三维信息和图像。

本实施方式采用两个探针进行扫描，主要过程如图8所示，首先对齐两个探针，然后两探针张开一定距离，一个侧探针(如左侧探针)开始扫描，扫描完成后，另一个探针(右侧探针)开始扫描。实际操作过程中，也可以选择只采用一个探针进行扫描。

选择三维连续扫描时，探针矢量伺服角度Φ设置为定值，原理如图9所示。当选择三维连续等分辨率扫描时，Φ_n根据扫描所得的样品表面局部倾角确定，Φ_n的值会自动更新，原理如图10所示。扫描图像重构原理如图11所示。

Claims (5)

1.探针伺服角度控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

坐标值采集步骤：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该步骤结束之后执行探针伺服角度计算步骤；

探针伺服角度计算步骤： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；并在该步骤结束之后执行控制信号发送步骤；

控制信号发送步骤：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针沿与Y轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该步骤结束之后执行坐标值采集步骤。

2.探针伺服角度控制模块，其特征在于：该控制模块包括以下装置：

坐标值采集装置：采集扫描过程中，带动探针或样品台运动的纳米定位台的当前坐标值；并在该装置运行结束之后启动探针伺服角度计算装置；

探针伺服角度计算装置： ${\mathrm{\&Phi;}}_n=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\arctan \left(\frac{z^{(n-j+1)\&times;i}-z^{(n-j)\&times;i}}{y^{(n-j+1)\&times;i}-y^{(n-j)\&times;i}}\right)/p)/m,$ 其中，Φ_n为探针伺服角度，n、m分别表示带动探针或样品台运动的纳米定位台在Y、X方向上扫描的点数，z^n×m表示所述纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Z坐标值，y^n×m表示纳米定位台在Y方向上扫描点数为n、X方向上扫描点数为m处的Y坐标值，p为整数，且1≤p<n；并在该装置运行结束之后启动控制信号发送装置；

控制信号发送装置：发送控制信号给带动探针或样品台运动的纳米定位台，使探针在YZ平面内沿与Z轴夹角为Φ_n的方向接近待测样品的表面；并在该装置运行结束之后再次启动坐标值采集装置。

3.基于权利要求2所述的探针伺服角度控制模块的成像系统，包括光学显微镜(28)、上位机(20)、激光测力系统I、激光测力系统II、第一探针手(18)、第二探针手(11)、XYZ微米定位台II(12)、XYZ纳米定位台II(13)、XYZ微米定位台III(14)、XY纳米定位台III(15)、样品台(16)和YZ纳米定位台I(17)、双路探针控制器(23)、采集卡(19)、一号压电控制器(21)、二号压电控制器(27)、三号压电控制器(25)、一号切换器(22)、二号切换器(26)和两个结构相同的探针架(24)；

所述探针架(24)包括基座(24-1)和旋转臂(24-3)，旋转臂(24-3)设置在基座(24-1)上，且该旋转臂(24-3)能够绕其中心轴旋转，两个基座(24-1)分别用于将两个探针架(24)固定在双探针原子力显微镜的第一探针手(18)和第二探针手(11)上，双探针原子力显微镜的两个探针，即探针I(1)和探针II(2)分别固定在两个探针架(24)的旋转臂(24-3)上，所述的探针I(1)的横截面为圆形或椭圆形，探针II(2)与探针I(1)具有相同的结构；

所述激光测力系统I用于检测探针I(1)的力信号或谐振信号，激光测力系统II用于检测探针II(2)的力信号或谐振信号，所述激光测力系统I与激光测力系统II的结构相同，所述激光测力系统I包括用于调节激光角度的激光角度调整机构(4)、激光器(3)、四象限位置检测器(5)、用于调节四象限位置检测器(5)位置的四象限位置检测器二维调整微平台(8)、反射激光凸透镜(10)、入射光凸透镜(7)、用于调节入射光凸透镜(7)沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台(6)和反射镜(9)；

所述XYZ微米定位台III(14)固定在光学显微镜(28)的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜(28)的底座平行，XY纳米定位台III(15)固定在XYZ微米定位台III(14)上，样品台(16)固定在XY纳米定位台III(15)上，第一探针手(18)固定在所述YZ纳米定位台I(17)上，XYZ纳米定位台II(13)固定在所述XYZ微米定位台II(12)上，第二探针手(11)固定在所述XYZ纳米定位台II(13)上；

激光测力系统I中，激光器(3)固定在激光角度调整机构(4)上，四象限位置检测器(5)固定在四象限位置检测器二维调整微平台(8)上，入射光凸透镜(7)固定在入射凸透镜一维调整微平台(6)上，激光器(3)发出的激光经过入射光凸透镜(7)后聚焦在探针I(1)的悬臂梁前端上，经所述悬臂梁前端反射后的激光入射至反射镜(9)的表面，经反射镜(9)反射后的激光入射至反射激光凸透镜(10)，经过反射激光凸透镜(10)后聚焦在四象限位置检测器(5)的探测面上；激光测力系统II与激光测力系统I结构相同；

其特征在于：所述的上位机(20)内嵌入有软件实现的探针伺服角度控制模块；

上位机(20)的第一XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台III(14)的控制信号输入端，上位机(20)的第二XYZ微米控制信号输出端连接XYZ微米定位台II(12)的控制信号输入端，上位机(20)的XY纳米控制信号输出端通过一号压电控制器(21)连接XY纳米定位台III(15)的控制信号输入端，上位机(20)的X纳米控制信号输出端连接二号压电控制器(27)的X控制信号输入端，上位机(20)的第一YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器(23)的YZ纳米控制信号输出端分别连接一号切换器(22)的两个信号输入端，该一号切换器(22)的信号输出端通过三号压电控制器(25)连接YZ纳米定位台I(17)的YZ控制信号输入端，上位机(20)的第二YZ纳米控制信号输出端和双路探针控制器(23)的YZ控制信号输出端分别连接二号切换器(26)的两个信号输入端，该二号切换器(26)的信号输出端连接二号压电控制器(27)的YZ控制信号输入端，二号压电控制器(27)的信号输出端连接XYZ纳米定位台II(13)的控制信号输入端，双路探针控制器(23)的第一振动控制信号输出端连接第一探针手(18)的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器(5)的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器(23)的第一法向检测信号输入端和采集卡(19)的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器(5)的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡(19)的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，双路探针控制器(23)的第二振动控制信号输出端连接第二探针手(11)的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器(5)的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器(23)的第二法向检测信号输入端和采集卡(19)的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器(5)的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡(19)的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡(19)的信号输出端连接上位机(20)的采集卡信号输入端。

4.根据权利要求3所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法，其特征在于：采用探针对样品的表面进行扫描时，选择从样品顶面或样品槽底面开始扫描，并将探针伺服角度Φ的初始值设置为90°，将扫描得到的数据通过坐标变换和三维表面重构，得到样品表面三维信息和图像。

5.根据权利要求4所述的基于探针伺服角度控制模块的成像系统的成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、系统初始化，分别调整两个探针架(24)上的旋转臂(24-3)的侧向旋转角度，使其角度符合扫描要求，并使两个探针相对；同时，把准备好的样品固定到样品台(16)上，并将样品的侧壁表面与X轴平行；

步骤二、移动XYZ微米定位台III(14)，通过光学显微镜(28)初定位样品，选择待扫描区域，并将该区域移至探针I(1)的下方；

步骤三、移动XYZ微米定位台II(12)，使探针II(2)处于步骤二中所选择区域的上方，通过光学显微镜(28)观察，对准探针I(1)和探针II(2)，之后调整两探针上的激光聚焦光斑，使两激光处于两探针悬臂梁的前端中心，通过显微镜调焦系统，调整两探针与样品台(16)的Z向距离，并控制探针II(2)与样品的Z向距离大于探针I(1)与样品的Z向距离；

步骤四、通过激光测力系统I检测探针I(1)上的力或振动信号，选择图像扫描方式，所述图像扫描方式包括接触模式、轻敲模式、非接触模式，启动YZ纳米定位台I(17)在Z方向上的位置伺服控制，控制探针I(1)沿Z方向上接近样品，使样品与探针I(1)的之间的Z向距离达到用户所设定的值；

步骤五、通过激光测力系统II检测探针II(2)上的力或振动信号，选择图像扫描方式，启动探针II(2)在Z方向上的运动伺服控制，使探针II(2)沿Z向接近样品，并设定探针二与样品顶面或底面的Z向距离与步骤四中所设定的距离一致，至此，两探针针尖在Z方向上的距离小于10纳米；

步骤六、启动图像预扫描：首先切换XYZ纳米定位台II(13)上的伺服模式为接触模式，使探针II(2)与探针I(1)接触后停止伺服，然后选定扫描方式，选择探针II(2)为扫描探针，以接近探针I(1)的方向为慢速扫描方向，将慢速扫描方向的步距设定为小于或等于1nm：

启动扫描：直到探针I(1)的针尖被探针II(2)扫描到并得到清晰的图像为止；

步骤七、通过XYZ纳米定位台II(13)调整探针II(2)，使两个探针的针尖在X、Y方向上均对准重合，然后张开两探针，并选定两侧的起始扫描位置，设置两探针从样品顶面或样品槽底面开始扫描；

步骤八、通过YZ纳米定位台I(17)和XYZ纳米定位台II(13)分别控制两探针沿Z方向向下运动至指定位移，使样品处于两个倾斜的探针之间；将探针II(2)沿Z方向向上移动指定位移ΔZ1，选择探针I(1)在Z方向上的伺服，使探针I(1)针尖沿Z方向上接近样品顶面或样品槽底面，准备扫描；

步骤九、设置样品台(16)沿X正/负方向为快速扫描方向，Y负方向为慢速扫描方向，设定扫描区域大小以及X、Y方向扫描的步长，探针I(1)在YZ平面内的移动方向与Y轴的夹角为Φ，将Φ的初始值设置为90°，开启探针I(1)在Φ方向上的位置伺服控制，启动扫描；

步骤十、待扫描完成后，停止探针I(1)的位置伺服控制，然后通过XY纳米定位台III(15)将样品移至起始扫描位置；

步骤十一、将探针II(2)沿Z方向向下移动指定位移ΔZ1，并将探针I(1)沿Z方向向上移动指定位移ΔZ2，开启探针II(2)在Z方向上的位置伺服控制，使探针II(2)的针尖沿Z方向上接近样品顶面或样品槽底面，准备扫描；

步骤十二、将样品台(16)沿Y正方向设置为慢速扫描方向，扫描步长与步骤九中的步长相等，将Φ的初始值设置为90°，开启探针II(2)在Φ方向上的位置伺服控制，开启图像扫描；

步骤十三、待扫描完成后，停止探针II(2)的位置伺服控制，将样品台(16)移至起始扫描位置，之后沿Z向下移动，使样品台(16)远离探针I(1)和探针II(2)；

至此，分别得到样品顶部表面、样品两侧壁表面、样品底面扫描的空间点云数据，将探针I(1)和探针II(2)扫描所得样品表面的空间点云数据通过坐标变换和三维表面重构，得到样品表面三维信息和图像。