CN106199079B - 一种白光干涉原子力显微镜自动标定系统及自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统及自动标定方法，其中实现自动标定控制方法中主要涉及的自动标定系统包括：标定样板，原子力探针组件，原子力探针，干涉显微物镜，面CCD及光路系统，水平二维电机运动平台，垂直电机运动和垂直纳米位移平台。按照本发明实现的自动标定系统以及根据该标定样板执行的标定方法，根据标定样板上的光强与探针表面的光强的对比关系来控制垂直电机运动平台和垂直纳米位移平台运动，从而控制探针接触到标定样板上的位置，由此完成标定，此方法能进一步提高标定速度，并且操作简单。

Description

一种白光干涉原子力显微镜自动标定系统及自动标定方法

技术领域

本发明属于超精密表面形貌测量技术领域。更具体地，是指一种白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统及自动标定方法。

背景技术

白光干涉原子力扫描探针显微镜是用白光的零级条纹来量化原子力扫描探针的形变，从而间接得到工件表面的高度。由于不同探针具有不同的弹性性能，同时条纹在探针不同位置测量同一高度时白光干涉条纹的移动量也不会相同，因此要准确的测量工件的表面形貌，对原子力探针的标定必不可少。

原子力的针尖非常微小，针尖长度在只有十几微米，其针尖半径小于十纳米，因此为了防止在标定时原子力探针的针尖陷入沟槽中不能接触到标定样板，标定样板的表面要求具有非常高的精密度。同时为了保证针尖压到标定样板上时标定样板不发生塑性变形，需要设计满足粗糙度和硬度要求的标定样板。而如果采用人为控制探针接触标定样板，在此过程中很难控制速度与距离之间的关系，容易造成探针的误伤，并且很难控制探针下压的量，所以采用自动接触控制具有重要的意义。

常见的距离控制办法有基于测距法和基于图像处理的办法，基于测距法要求额外的设备进行辅助，在仪器上使用非常不方便。而白光干涉原子力显微镜在原子力探针调节好以后，探针的与显微物镜之间的距离就是一个固定不变的值，控制主机在保证光源的光强不变之后，原子力探针表面上的光强就是一个固定不变的值，而对于同一个标定样板其表面的反光度也是一个固定不变的值，随着距离的减少，其图像的光强强度越强，因此可以通过图像处理的方法来确定原子力探针与标定样板之间的距离。最终根据标定样板和自动控制方法来实现自动标定。对于白光干涉原子力显微镜的规范化的使用和提高测量精度以及使用的友好性具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于白光原子力探针显微镜中探针自动标定的标定样板和控制方法。本发明可以实现对原子力探针的自动标定，具有响应速度快，自动实现标定提高测量精度的特点。

本发明的目的在于提供一种白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统，其特征在于，该系统包括：原子力探针组件，干涉显微物镜，控制主机、面CCD成像系统及光路系统，水平二维电机运动平台，垂直电机位移平台，垂直纳米位移平台；

所述原子力探针组件与所述干涉显微物镜固定在所述垂直纳米位移平台上，所述原子力探针组件中的原子力探针在所述干涉显微物镜的正下方；

所述垂直电机位移平台实现所述原子力探针在垂直方向的粗调；

所述水平二维电机运动平台承载有标定样板，并且调整实现其标定区域出现在所述面CCD成像系统的视场范围内；

所述面CCD成像系统及光路系统，用于实现所述原子力探针和所述标定样板的成像；

所述干涉显微物镜对所述原子力探针放大成像，并产生用于实现所述原子力探针接触到所述标定样板之后的标定干涉条纹；所述面CCD成像系统接收所述标定干涉条纹传送于所述控制主机，所述控制主机依据所述标定干涉条纹的光强与所述原子力探针和所述标定样板之间的距离函数关系来反复控制调整所述距离，由此探求所述原子力探针的变形与所述原子力探针表面上的零级条纹的位置关系来实现自动标定。

进一步地，所述标定样板的标定区域渡铬处理。

进一步地，所述标定样板的标定区域采用四个圆点自动检测确定所述标定区域是否在所述面CCD成像系统视场上。

进一步地，所述标定区域尺寸为100μm×100μm。

进一步地，所述标定区域的表面粗糙度Ra≤0.01μm，表面平面度要求小于0.03μm。

进一步地，所述光路系统的光源强度保持固定值。

另外一方面，本发明还公开了一种白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统的自动标定方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

第一步，设置所述白光干涉原子力显微镜自动标定系统；

第二步，将所述标定样板放置在所述干涉显微物镜的正下方，并调节所述垂直电机位移平台，使得所述原子力探针与所述标定样板之间的距离保持在1-2cm之间；

第三步，调整所述标定样板的标定区域在所述面CCD成像系统的视场范围之内；

第四步，所述控制主机根据所述原子力探针上的干涉条纹与所述标定样板上的干涉条纹的光强差，依据光强差与距离的函数，获得所述原子力探针与所述标定样板之间的距离；所述控制主机判断所述距离，如果大于50μm，则控制所述垂直电机位移平台运动；如果小于等于50μm时控制所述垂直纳米位移平台产生运动，直至所述原子力探针接触所述标定样板；

第五步，所述控制主机采集所述原子力探针的变形与零级条纹移动的距离不断按照所述第四步的光强差与距离的函数进行调整，直至完成标定，所述垂直电机位移平台带动所述原子力探针脱离所述标定样板完成标定。

进一步地，所述第一步中包括如下子步骤：

第一子步骤，完成所述控制主机与所述面CCD成像系统、所述垂直纳米位移平台、所述垂直电机位移平台、所述水平二维电机运动平台的连接，其中所述面CCD成像系统通过标准网络数据线与所述控制主机相连；

第二子步骤，首先调节所述原子力探针组件，将干涉条纹调节到所述原子力探针的中部位置。

按照本发明实现的自动标定系统和自动标定控制方法能使得原子力探针快速高效安全的接触到标定样板上，因此操作方法简单，实现方便，对于提高白光干涉原子力探针扫描显微镜的测量精度具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明方法中的结构系统示意图；

图2为本发明方法标定样板示意图意图；

图3为本发明方法中的原子力探针靠近标定样板的过程；

在所有的附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

1.标定样板 2.原子力探针 3.原子力探针组件 4.干涉显微物镜 5.垂直纳米位移平台 6.面CCD成像系统 7.垂直电机位移平台 8.光源系统 9.光路系统 10.控制主机11.水平二维电机运动平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明方法中涉及的原子力探针标定系统的整体结构示意图，如图1所示，按照本发明一个优选实施例的白光干涉原子力探针自动标定控制方法中执行所包括的系统的整体组成情况如下：标定样板1，原子力探针2，原子力探针组件3，干涉显微物镜4，垂直纳米位移平台5，面CCD成像系统6，垂直电机位移平台7，光源系统8，光路系统9，控制主机10，水平二维电机平台11。控制主机控制白光光源的发光强度，光源经过内部的光路系统和干涉物镜4后在原子力扫描探针2的微悬臂上形成白光干涉条纹，再由面CCD成像系统6将干涉图像传送给控制主机，控制主机控制系统完成自动标定；

原子力探针组件3与干涉显微物镜4共同固定在同一个垂直纳米位移平台5的内外螺母上，干涉显微物镜4固定在垂直纳米位移平台5的内螺纹上，原子力探针组件3固定在垂直纳米位移平台5的外螺纹上，同时干涉显微物镜4用于固定原子力探针组件3；

原子力探针组件3包括原子力探针2，原子力探针2在干涉显微物镜4的正下方，能被干涉显微物镜4成像；

面CCD成像系统6及光路系统9，主要是用于原子力探针2和标定样板1的成像，并可以在控制主机10的控制下实现高速的图像采集，用于信息提取；

干涉显微物镜4主要对原子力探针2放大成像，并产生干涉条纹用于探针接触到标定样板之后的标定；

垂直电机位移平台7，主要作用是在原子力探针2离标定样板1较远时控制其运动，将原子力探针2快速靠近标定样板1，同时在原子力探针远离标定样板时使用，即在该运动步骤中实现垂直方向的粗调，而垂直纳米位移平台5则实现垂直方向位移的精调；垂直方向电机运动平台的步进距离非常小，其步距为127nm，而垂值纳米位移平台的特征在于，它具有PID反馈控制，能精确的控制垂直方向发生某一个给定的位移。

控制主机10主要用于面CCD成像系统6的控制，光源系统8和光路系统9的控制，垂直电机位移平台7和垂直纳米位移平台5以及水平二维电机运动平台7的运动；

水平二维电机运动平台11，其主要作用是调节放置于上面的标定样板1的标定区域到达面CCD成像系统6的视场范围内；

垂直纳米位移平台5是在原子力探针2离标定样板1距离在50微米以内时，采用控制方法将原子力探针2慢速靠近标定样板1从而最终来实现标定的；

标定样板1用于控制原子力探针2在标定时提供基准，同时为自动标定提供条件；采用标定样板1来实现自动标定的原理如下：原子力探针2是固定在原子力探针组件3上，原子力探针2的悬臂部分在干涉显微物镜4的下方与干涉显微物镜4的距离为干涉显微物镜4的相干距离，在垂直方向运动时，原子力探针2与干涉显微物镜4之间的距离是一个固定不变的值，因此原子力探针2上的光强不会发生变化，而标定样板1上的光强会由于距离的逐渐变小而增强；

其中标定样板1为一表面平整度较高的样板，标定区域为了满足探针的标定其粗糙度Ra≤0.01μm，平面度要求小于0.03μm，标定区域为了满足自动标定的靠近过程中的反光度和标定时的硬度要求，需要在标定样板的标定区域渡铬处理。

进一步地，如图2所示，用于原子力探针2标定的区域在其周围有四个圆点用于自动检测确定标定区域是否在面CCD视场上；并且根据面CCD视场范围和高平面度要求，其标定区域优选为100μm×100μm。如图2所示，本发明实例提供的自动标定控制方法中的一个关键部分即为标定样板1，标定样板1在控制探针接触靠近的过程起到定位和基准的作用；

图3展示了自动控制标定的过程原子力探针2靠近标定样板1的过程，此过程中原子力探针2与干涉显微物镜4之间的距离一直是保持不变，因此在原子力探针2上的光强不会发生变化；

下面将具体描述利用按照本发明的自动调整装置及其控制方法详细操作如下：

第一步，完成白光干涉原子力显微镜自动标定系统的硬件设备的连接；

(1.1)完成控制主机10与面CCD成像系统6和各运动平台垂直纳米位移平台5,垂直电机位移平台7,水平二维电机运动平台11的连接和，其中面CCD成像系统6通过标准网络数据线与控制主机10相连；

(1.2)完成控制主机10与各硬件部分连接后，白光干涉原子力探针显微镜探针自动标定控制连接完成，首先调节原子力探针组件3，将干涉条纹调节到原子力探针2的中部位置。

第二步，使用已经连接好的白光干涉原子力探针显微镜自动标定系统，将标定样板1放置在干涉显微物镜4的正下方，并调节垂直电机位移平台7，使得原子力探针2与标定样板1之间的距离保持在1-2cm之间。

第三步控制主机10控制面CCD成像系统6采集图片分析，背景图像中是否存在标记圆点，不存在则调节水平二维电机平台使得通过标记圆点确定的标定样板1的标定区域在视场范围内。

第四步控制主机10根据原子力探针2上的光强与标定样板1上的光强差和事先实验存储的光强差与距离的函数，判断原子力探针2与标定样板1之间的距离，如果大于50μm则继续采用垂直电机位移平台7运动，在小与等于50μm时采用垂直纳米位移平台5产生运动，直至接触标定样板1；

第五步控制主机10采集原子力探针2的变形与零级条纹移动的距离不断按照第四步骤中的光强差与距离的函数来进行调整，直至完成标定，垂直电机位移平台7带动原子力探针2脱离标定样板1完成标定。

控制主机10需要控制光路系统9的光源强度保持在一个固定的值，该值根据探针表面特定几个区域内的光强灰度的平均值来确定，其灰度值的取值范围在150至200之间即可；

控制算法检测标定样板1的标定区域是否在面CCD成像系统6的视场上，即检测标定样板上的圆点是否在图像上，如果不在则调节水平二维电机运动平台11，其运动方式为平动来回扫描；

控制算法中需要预先存储在某一个固定的光强下，原子力探针2表面上的光强与标定样板1上的光强之差与距离的函数关系，因此整个系统在开始时需要采集大量不同位置的数据进行函数的建模；

把原子力探针2控制到指定距离以后，就可以采集图像，分析探针的变形与探针表面上的零级条纹的位置关系，从而自动完成标定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统，其特征在于，该系统包括：原子力探针组件(3)，干涉显微物镜(4)，控制主机(10)、面CCD成像系统(6)及光路系统(9)，水平二维电机运动平台(11)，垂直电机位移平台(7)，垂直纳米位移平台(5)；

所述原子力探针组件(3)与所述干涉显微物镜(4)固定在所述垂直纳米位移平台(5)上，所述原子力探针组件(3)中的原子力探针(2)在所述干涉显微物镜(4)的正下方；

所述垂直电机位移平台(7)实现所述原子力探针(2)在垂直方向的粗调；

所述水平二维电机运动平台(11)承载有标定样板(1)，并且用于标定区域出现在所述面CCD成像系统(6)的视场范围内；所述标定样板(1)的标定区域渡铬处理，所述标定区域的表面粗糙度Ra≤0.01μm，表面平面度要求小于0.03μm，所述标定样板(1)的标定区域采用四个圆点自动检测确定所述标定区域是否在所述面CCD成像系统(6)视场上，所述标定区域尺寸为100μm×100μm；

所述面CCD成像系统(6)及光路系统(9)，用于实现所述原子力探针(2)和所述标定样板(1)的成像；

所述干涉显微物镜(4)对所述原子力探针(2)放大成像，并产生用于实现所述原子力探针(2)接触到所述标定样板(1)之后的标定干涉条纹；所述面CCD成像系统(6)接收所述标定干涉条纹传送与所述控制主机(10)，所述控制主机(10)依据所述标定干涉条纹的光强与所述原子力探针(2)和所述标定样板(1)之间的距离函数关系来反复控制调整距离，由此探求所述原子力探针(2)的变形与所述原子力探针(2)表面上的零级条纹的位置关系来实现自动标定，所述原子力探针(2)与干涉显微物镜(4)之间的距离是一个固定不变的值，所述光路系统(9)的光源强度保持固定值。

2.一种如权利要求1中所述的白光干涉原子力显微镜探针自动标定系统的自动标定方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

第一步，设置所述白光干涉原子力显微镜自动标定系统；

第二步，将所述标定样板(1)放置在所述干涉显微物镜(4)的正下方，并调节所述垂直电机位移平台(7)，使得所述原子力探针(2)与所述标定样板(1)之间的距离保持在1-2cm之间；

第三步，调整所述标定样板(1)的标定区域在所述面CCD成像系统的视场范围之内；

第四步，所述控制主机(10)根据所述原子力探针(2)上的干涉条纹与所述标定样板(1)上的干涉条纹的光强差，依据光强差与距离的函数，获得所述原子力探针(2)与所述标定样板(1)之间的距离；所述控制主机(10)判断所述距离，如果大于50μm，则控制所述垂直电机位移平台(7)运动；如果小于等于50μm时控制所述垂直纳米位移平台(5)产生运动，直至所述原子力探针(2)接触所述标定样板(1)；所述原子力探针(2)与干涉显微物镜(4)之间的距离是一个固定不变的值，所述光路系统(9)的光源强度保持固定值；

第五步，所述控制主机(10)采集所述原子力探针(2)的变形与零级条纹移动的距离不断按照所述第四步的光强差与距离的函数进行调整，直至完成标定，所述垂直电机位移平台(7)带动所述原子力探针(2)脱离所述标定样板(1)完成标定。

3.如权利要求2所述的自动标定方法，其特征在于，所述第一步中包括如下子步骤：

第一子步骤，完成所述控制主机(10)与所述面CCD成像系统(6)、所述垂直纳米位移平台(5)、所述垂直电机位移平台(7)、所述水平二维电机运动平台(11)的连接，其中所述面CCD成像系统(6)通过标准网络数据线与所述控制主机(10)相连；

第二子步骤，首先调节所述原子力探针组件(3)，将干涉条纹调节到所述原子力探针(2)的中部位置。