CN109884345A - Afm轻敲模式下表征成像质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其利用幅值误差表征AFM在轻敲模式下扫描样品表面时成像质量的高低。其主要包括以下步骤：利用AFM扫描样品表面获取幅值误差图，导出幅值误差值；针对周期性台阶表面通过公式计算得到幅值误差平均值；针对随机表面，通过公式计算得到幅值误差算术平均偏差值；以幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值的大小表征成像质量的高低，值越大表示成像质量越差。反之，成像质量越好。
Description
技术领域
本发明涉及超精密检测技术领域，尤其涉及一种AFM轻敲模式下表征成像质量的方法。
背景技术
随着微/纳米技术的发展，人们对事物的认识逐渐从宏观尺度进入到微观尺度。为了对微观世界有更深入的了解，在微纳米尺度下的“成像”变得愈发重要。原子力显微镜(atomic force microscopes简称AFM)作为一种实用的超精密检测工具，没有真空环境、样品导电的要求，与光学显微镜、电子显微镜相比，它能够获取真正的三维形貌信息，能够测量微结构高度、侧边倾角，以及超精密加工表面的粗糙度等信息，因而被广泛应用于航空航天、材料科学、微电子等领域。轻敲模式是AFM的主要工作模式之一。相比于接触模式，轻敲模式下探针间断地与样品接触，极大地降低了针尖与样品之间的相互作用力。出于对探针的保护，轻敲模式受到越来越多的关注。
为了提高AFM轻敲模式下的成像质量，学者们开展了轻敲模式下成像质量的研究。但研究成像质量需要选择合适的表征成像质量的方法，以便能够简化数据分析过程，且对样品表面形貌进行准确的表征。这样才能使研究结果更加准确。因此，掌握AFM轻敲模式下表征成像质量的方法对研究AFM轻敲模式下成像质量的问题具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，以便更好地提高AFM成像质量。本发明采用幅值误差表征成像质量，获得针对周期性台阶表面和随机表面的相应的成像质量表征方式。通过计算幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差，进而清楚地判断出成像质量高低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其包括如下步骤：
步骤一：双压电晶片振动驱动器带动探针在样品表面以预设的频率做有阻尼的受迫振动，探针按照预设间隔间断地与样品表面接触，采集每一数据采集点处压电扫描管在x、y方向的偏置电压，得到每一接触点的位置信息，同时采集每一数据采集点处在Z方向上的探针工作幅值与系统设定幅值的差值信号，从而得到被测样品表面的幅值误差图；所述样品表面包括周期性台阶表面和随机表面；
步骤二：获取幅值误差图；
步骤三：从步骤二中得到各时刻和各位置的的幅值误差图中到处幅值误差值；
若样品表面为周期性台阶表面，则转入步骤四；
若样品表面为随机表面，则转入步骤五；
步骤四：针对周期性台阶表面通过公式一计算得到幅值误差平均值，转入步骤六；
步骤五：针对随机表面，通过公式二计算得到幅值误差算术平均偏差值，转入步骤六；
步骤六：幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值的大小表征成像质量的高低，幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越大表示成像质量越差；幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越小，成像质量越好。
优选地，其中所述探针工作幅值为探针工作时的振动幅值，所述系统设定幅值为幅值设定点与自由振幅的乘积；所述差值信号为幅值误差。
优选地，表征周期性台阶的成像质量采集样品表面部分截面上的幅值误差值。
优选地，选取周期性台阶表面幅值误差的截面图中台阶上升沿处的幅值误差和下降沿处的幅值误差，代入公式一得到幅值误差平均值：
其中，—幅值误差平均值；
n—选取的幅值误差数；
ei—每点处的幅值误差值；
i是幅值误差截面图中上升沿和下降沿处幅值误差的编号。
优选地，样品随机表面每一数据采样点处都有其对应的幅值误差值。
优选地，取随机表面各数据采集点处的幅值误差代入下式求出幅值误差算术平均偏差Eq：
其中，M，N——快扫以及慢扫方向的采样点数；
e(xi,yj)——各个采样点处幅值误差；
i是X方向采集的幅值误差值的编号；
j是Y方向采集的幅值误差值的编号。
优选地，步骤一中的预设间隔为1s/(10KHz)～1s/(40KHz)。
优选地，步骤一中的预设间隔为1s/(30KHz)，即可提高扫描速度，又能避免探针发生共振。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明中以幅值误差表征成像质量。每一数据采样点都对应一个幅值误差值，因此表征更加准确。针对周期性台阶表面和随机表面采用了不同的表征方式。幅值误差获取方便，数据计算简单。
附图说明
图1是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中周期性台阶表面幅值误差图；
图2是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中周期性台阶表面幅值误差的截面图；
图3是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中随机表面幅值误差图；
图4是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中随机表面幅值误差的三维图；
图5是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1Hz扫描速度下的周期性台阶表面幅值误差图；
图6是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1.5Hz扫描速度下的周期性台阶表面幅值误差图；
图7是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1Hz扫描速度下的周期性台阶表面幅值误差截面图；
图8是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1.5Hz扫描速度下的周期性台阶表面幅值误差截面图；
图9是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1Hz扫描速度下的随机表面幅值误差图；以及
图10是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法中1.5Hz扫描速度下的随机表面幅值误差图。
图11是根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
根据本发明的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，如图1至图11所示，其具体步骤如下：
步骤一：双压电晶片振动驱动器带动探针在样品表面以预设的频率做有阻尼的受迫振动，此处预设的频率是指探针工作时的振动频率。
探针按照预设间隔间断地与样品表面接触，采集每一数据采集点处压电扫描管在x、y方向的偏置电压，得到每一接触点的位置信息，同时采集每一数据采集点处在Z方向上的探针工作幅值与系统设定幅值的差值信号，从而得到被测样品表面的幅值误差图；该探针工作幅值为探针工作时的振动幅值，系统设定幅值为幅值设定点与自由振幅的乘积，差值信号为幅值误差。
优选地，并非每一接触点的信息都采集探针每秒振动几十万次，接触点有几十万个，但数据采集点只有几百个。
优选地，该频率随探针型号和结构而变化。
优选地，步骤一中的预设间隔为1s/(10KHz)～1s/(40KHz)。
优选地，步骤一中的预设间隔为1s/(30KHz)，即可提高扫描速度，又能避免探针发生共振。
优选地，样品表面包括周期性台阶表面和随机表面。
步骤二：获取幅值误差图；
进一步地，幅值误差为每一个数据采集点处探针工作幅值与系统设定幅值的差值。
步骤三：从步骤二中得到各时刻和各位置的的幅值误差图中到处幅值误差值；
若样品表面为周期性台阶表面，则转入步骤四；
若样品表面为随机表面，则转入步骤五；
步骤四：针对周期性台阶表面通过公式一计算得到幅值误差平均值，转入步骤六；
优选地，利用AFM获取的周期性台阶表面幅值误差图如图1所示。
优选地，表征周期性台阶的成像质量并不需要采集所有幅值误差值，只需其中一个截面上的幅值误差值即可。周期性台阶表面幅值误差的截面图如图2所示。图2的横坐标是截取的台阶宽度在X方向的位置坐标，左纵坐标是台阶高度值，右纵坐标是探针工作幅值与系统设定幅值，即幅值设定点*自由振幅，的差值，即幅值误差值。
图2中1为台阶上升沿；2为台阶下降沿；3为台阶上升沿处幅值误差；4为台阶下降沿处幅值误差；实线为台阶平面的幅值误差。点画线为与幅值误差相对应的台阶轮廓；
由图2可知，台阶上升沿1和下降沿2处的幅值误差3，4最为明显。
优选地，选取台阶上升沿处的幅值误差4和下降沿处的幅值误差5，代入公式一得到幅值误差平均值：
其中，—幅值误差平均值；
n—选取的幅值误差数；
ei—每点处的幅值误差值；
i是幅值误差截面图中上升沿和下降沿处幅值误差的编号。
步骤五：针对随机表面，通过公式二计算得到幅值误差算术平均偏差值，转入步骤六；
优选地，图3所示为AFM扫描随机表面的幅值误差图。
图3是由各数据采集点的幅值误差构成的幅值误差图，幅值误差在每一数据采集点处都有，图2能标记出来是人为的选择，因为在台阶上升沿和下降沿处的幅值误差比较明显，所以只取台阶上升沿和下降沿处的幅值误差。
对于台阶表面，在上升沿1和下降沿2处的幅值误差比较明显而其它部分的幅值误差都比较小，所以仅取上升沿和下降沿处的幅值误差3，4即可对其成像质量准确表征。而对于随机表面则不同，幅值误差图为了反映整个样品表面的成像质量就不能单独取某一细节的幅值误差来表征。如图4所示为随机表面幅值误差的三维形貌。优选地，样品随机表面每一数据采样点处都有其对应的幅值误差值，因此，取随机表面各数据采集点处的幅值误差代入下式求出幅值误差算术平均偏差Eq：
其中，M，N——快扫以及慢扫方向的采样点数；
e(xi,yj)——各个采样点处幅值误差；
i是X方向采集的幅值误差值的编号；
j是Y方向采集的幅值误差值的编号。
步骤六：幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值的大小表征成像质量的高低，幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越大表示成像质量越差；幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越小，成像质量越好。
实施例
周期性台阶表面成像质量的表征
利用扫描速度越快，成像质量越差的规律，设置两组只改变扫描速度的实验。第一组扫描速度设置为1Hz，其他扫描参数设置(扫描范围：30μm；探针振动频率：30KHz；采样点数：512*512；幅值设定点0.8)。
第二组扫描速度设置为1.5Hz，其他扫描参数设置(扫描范围：2.5μm；探针振动频率：30KHz；采样点数：512*512；幅值设定点0.8)。
扫描台阶表面同一位置，分别得到图5、图6两张幅值误差图。取中间位置截取幅值误差图的截面图，又分别获得图7、图8幅值误差截面图。图5中5为截取线；图6中6为截取线；
将图7中上升沿和下降沿处的幅值误差编号为i＝1、2、3…6，其对应的幅值误差值为e1、e2…e6。将幅值误差值代入到公式1中：
将图8中上升沿和下降沿处的幅值误差编号为i＝1、2、3…6，其对应的幅值误差值为e1、e2…e6。将幅值误差值代入到公式1中：
扫描频率为1Hz时，由公式1计算得到的幅值误差平均值为37.6mV，小于1.5Hz扫描时的61.07mV。这与扫描速度越快，成像质量越差的规律相符。
(2)随机表面成像质量的表征
同样利用扫描速度越快，成像质量越差的规律，设置两组只改变扫描速度的实验。第一组扫描速度设置为1Hz，第二组扫描速度设置为1.5Hz，其他扫描参数设置相同(扫描范围：30μm；探针振动频率：30KHz；采样点数：512*512；幅值设定点0.8)。
扫描随机表面同一位置，分别得到图9、图10两张幅值误差图。
将图9中的幅值误差值导出后，将X方向采集的幅值误差值依次编号为i＝1、2、3…512，将Y方向采集的幅值误差值依次编号为j＝1、2、3…512，其对应的幅值误差值为e(x1,y1)、e(x2,y2)…e(x512,y512)。将幅值误差值代入到公式2中得：
将图10中的幅值误差值导出后，将X方向采集的幅值误差值依次编号为i＝1、2、3…512，将Y方向采集的幅值误差值依次编号为j＝1、2、3…512，其对应的幅值误差值为e(x1,y1)、e(x2,y2)…e(x512,y512)。将幅值误差值代入到公式2中得：
扫描频率为1Hz时，由公式2计算得到的幅值误差算术平均偏差值为0.41mV，小于1.5Hz扫描时的2.43mV。这与扫描速度越快，成像质量越差的规律相符。
从以上两个实施例可知，该方法能准确地用于表征成像质量。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤一：双压电晶片振动驱动器带动探针在样品表面以预设的频率做有阻尼的受迫振动，探针按照预设间隔间断地与样品表面接触，采集每一数据采集点处压电扫描管在x、y方向的偏置电压，得到每一接触点的位置信息，同时采集每一数据采集点处在Z方向上的探针工作幅值与系统设定幅值的差值信号，从而得到被测样品表面的幅值误差图；所述样品表面包括周期性台阶表面和随机表面；
步骤二：获取幅值误差图；
步骤三：从步骤二中得到各时刻和各位置的的幅值误差图中到处幅值误差值；
若样品表面为周期性台阶表面，则转入步骤四；
若样品表面为随机表面，则转入步骤五；
步骤四：针对周期性台阶表面通过公式一计算得到幅值误差平均值，转入步骤六；
步骤五：针对随机表面，通过公式二计算得到幅值误差算术平均偏差值，转入步骤六；
步骤六：幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值的大小表征成像质量的高低，幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越大表示成像质量越差；幅值误差平均值或幅值误差的算术平均偏差值越小，成像质量越好。
2.如权利要求1所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，其中所述探针工作幅值为探针工作时的振动幅值，所述系统设定幅值为幅值设定点与自由振幅的乘积；所述差值信号为幅值误差。
3.如权利要求2所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，表征周期性台阶的成像质量采集样品表面部分截面上的幅值误差值。
4.如权利要求3所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，选取周期性台阶表面幅值误差的截面图中台阶上升沿处的幅值误差和下降沿处的幅值误差，代入公式一得到幅值误差平均值：
其中，—幅值误差平均值；
n—选取的幅值误差数；
ei—每点处的幅值误差值；
I为幅值误差截面图中上升沿和下降沿处幅值误差的编号。
5.如权利要求4所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，样品随机表面每一数据采样点处都有其对应的幅值误差值。
6.如权利要求5所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，取随机表面各数据采集点处的幅值误差代入下式求出幅值误差算术平均偏差Eq：
其中，M，N——快扫以及慢扫方向的采样点数；
e(xi,yj)——各个采样点处幅值误差；
i是X方向采集的幅值误差值的编号；
j是Y方向采集的幅值误差值的编号。
7.如权利要求6所述的所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，步骤一中的预设间隔为1s/(10KHz)～1s/(40KHz)。
8.如权利要求7所述的所述的AFM轻敲模式下表征成像质量的方法，其特征在于，步骤一中的预设间隔为1s/(30KHz)，即可提高扫描速度，又能避免探针发生共振。
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