CN110596428B - 应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，属于薄膜材料测试技术领域。本发明通过三点测试法，仅需测试三点处针尖与薄膜接触时，位移台在z轴上的移动距离，即可确定待测样品斜面的平面方程并得到面内各点z轴的坐标值，进而控制每一扫描点处针尖‑样品表面的距离保持一致，有效解决了测量时的样品平面倾斜影响测量结果准确性的问题，消除了样品倾斜放置所导致的测量结果误差。

Description

应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法
技术领域
本发明属于薄膜材料测试技术领域，具体涉及一种近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法。
背景技术
近场扫描微波显微镜(Near-Field Scanning Microwave Microscopy，NSMM)是微波测量技术与扫描探针测量技术的结合体。其工作方式为：将待测样品放置于微波探针的近场范围内，使微波探针尖端汇集的微波场与样品产生相互作用，通过测量得到的反馈信号(谐振频率、品质因数、相位、幅度)的变化量来表征样品的表面结构、介电性能等性质。
NSMM系统所具有的可无损扫描、空间分辨率高等优点，使其十分适合用于对薄膜样品表面各处介电性能进行无损测量。通过实际测量发现，影响其测量结果的因素主要有两方面：薄膜样品表面各测量点处的介电性能和针尖-样品之间的距离。实验发现，针尖-样品之间的距离对测量结果的影响与材料属性有关，即两种因素对测量结果的影响高度耦合，很难分离；同时当针尖越靠近样品，谐振腔参数的改变对针尖-样品距离的变化越敏感，如图2所示。因此，对薄膜样品平面内各处电磁参数进行扫描测量时，需要保证针尖到薄膜平面内每一测量点的间距一致。目前，为了控制针尖-样品之间的距离，常采用的方法为软接触测试、音叉测距法等，但这些方法的应用局限性较大，只能应用于某些特定的场景。例如，软接触测试是在软弹簧的作用力下使针尖直接接触样品实现的，但当探针与金属样品接触时其谐振峰会消失，无法用于测量金属材料；而音叉测距法的测试系统复杂，当探针伸出腔体较短时，很难装配。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，有效解决了测量时的样品平面倾斜影响测量结果准确性的问题，消除了样品倾斜放置所导致的测量结果误差。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、分别在待测样品的四角制备金属薄膜，依次标记为薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D，测量并记录待测样品的尺寸，长为b，宽为d；
步骤2、将待测样品放置于样品台上，移动位移台，使探针针尖分别位于薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D的正上方，然后进针至谐振峰消失，此时针尖与金属薄膜接触，分别记录薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D对应的位移台在垂直方向上(z轴)的移动距离，记为z1、z2、z3、zmax；
步骤3、选取步骤2中移动距离最大的薄膜，将其中心点坐标设置为(0，0，zmax)，然后，由该点建立三维坐标系，则待测样品平面内所有扫描点采用该三维坐标系表示，记为(x，y，z)；
步骤4、根据步骤3建立的坐标系，并由步骤1记录的尺寸参数，得到(0，0，zmax)相邻的薄膜的中心点分别为(b，0，z1)和(0，d，z2)，根据三点的坐标建立平面坐标方程：
Figure BDA0002172634370000021
其中，(x，y，z)为待测样品平面内任意一点的坐标，
Figure BDA0002172634370000022
为待测样品平面的法向量，法向量
Figure BDA0002172634370000023
与该平面垂直，故
Figure BDA0002172634370000024
与该平面内任意一向量的点积为零，由此可得上式；
由式(1)可知，待测样品平面内任一点坐标(x，y，z)满足：
Figure BDA0002172634370000025
步骤5、假设测试高度为h，则对于任意扫描点(x，y)，其z轴位移台在该点处相对原点的移动距离为z-h，通过调整z轴位移台的移动距离，即可保证针尖到样品表面的距离保持为h。
进一步地，步骤1所述薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D的面积大于探针针尖的面积。
进一步地，步骤1所述金属薄膜为金、银、铝或铜等。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，通过三点测试法，仅需测试三点处针尖与薄膜接触时，位移台在z轴上的移动距离，即可确定待测样品斜面的平面方程并得到面内各点z轴的坐标值，进而控制每一扫描点处针尖-样品表面的距离保持一致(排除样品摆放倾斜对此距离的影响)。
附图说明
图1为近场扫描微波显微镜的系统结构示意图；其中，1为z轴位移台支撑架，2为xy轴位移台，3为z轴位移台，4为待测样品，5为谐振腔，6为探针，7为矢量网络分析仪，8为计算机；为了清楚展示该系统的结构，对谐振腔以及探针进行了放大；
图2为谐振腔谐振频率随针尖-样品距离的变化曲线；
图3为待测样品的示意图；
图4为采用恒定高度测量方法的测试扫描图像；
图5为实施例采用本发明方法的测试扫描图像。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明：
本发明提供了一种应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、分别对几种已知材料进行单点测试，分析发现对于不同材料样品，其测量得到的反馈信号(谐振频率、品质因数、相位、幅度)的变化量随针尖-样品距离的变化曲线不同，这无疑增加了分析难度；但当探针针尖接触到金属样品时，谐振腔的谐振峰会消失。本发明正是利用这一性质实现了平面纠斜，在待测样品的四角镀金属薄膜，其面积以刚好大于探针直径为宜，依次标记为薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D，测量并记录待测样品的尺寸，长为b，宽为d，待测样品为形成于矩形基片上的薄膜；
步骤2、将待测样品放置于样品台上，准确定位步骤1中设定的A、B、C、D的位置并依次使其位于针尖正下方，然后以最小步长进针至谐振峰消失，此时针尖与金属薄膜接触，分别记录A、B、C、D对应的位移台在垂直方向上(z轴)的移动距离；
步骤3、选取步骤2中A、B、C、D四点z轴位移台移动距离最大值的点(即倾斜平面最低处)，将其坐标设置为(0，0，zmax)，然后，由该点的坐标建立三维坐标系，则待测样品平面内所有扫描点采用该三维坐标系表示，记为(x，y，z)，将待测样品平面采用三维坐标系中的平面方程表示，再对其进行测试分析；
步骤4、根据步骤3建立的坐标系，并由步骤1记录的尺寸参数，得到(0，0，zmax)相邻的两点分别为(b，0，z1)和(0，d，z2)，根据三点的坐标建立平面坐标方程：
Figure BDA0002172634370000041
其中，(x，y，z)为待测样品平面内任意一点的坐标，
Figure BDA0002172634370000042
为待测样品平面的法向量，法向量
Figure BDA0002172634370000043
与该平面垂直，故
Figure BDA0002172634370000044
与该平面内任意一向量的点积为零，由此可得上式；
由式(1)可知，待测样品平面内任一点坐标(x，y，z)满足：
Figure BDA0002172634370000045
步骤5、根据基片尺寸、测试精度以及扫描轨迹要求确定扫描点数、扫描点的坐标以及各点经过的顺序，设定测试高度为h，则对于待测平面内任意扫描点(x，y)，其z轴位移台在该点处相对原点的移动距离为z-h，通过调整z轴位移台的移动距离，即可保证针尖到样品表面的距离保持为h。
实施例
本实施例中，所用仪器为近场扫描微波显微镜，核心结构是谐振频率为2.15GHz的四分之一波长同轴谐振腔，工作于TEM模式且品质因数Q较高，钨钢探针固定在中心导体下端，并从谐振腔底部开孔处伸出。所用z轴位移台为Thorlabs公司生产的MT-1\MT-8型可编程位移台，最小步长为100nm，谐振腔的参数通过矢量网络分析仪(安捷伦N5234A)测量读出。以测量SiO2基片上的NiFe薄膜线(线宽为200μm)为例，按照图1所示连接仪器，参考上述步骤进行测量。具体测量过程如下：
步骤1、如图3所示，在该样品的SiO2基片的四角分别镀四片Al薄膜，依次标记为薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D，测量并记录基片的尺寸，长为10mm，宽为5mm；
步骤2、将待测样品放置于样品台上，准确定位步骤1中设定的A、B、C、D的位置并依次使其位于针尖正下方，然后以最小步长进针至谐振峰消失，此时针尖与金属薄膜接触，分别记录A、B、C、D对应的位移台在垂直方向上(z轴)的移动距离：A—1.6827mm，B—1.6795mm，C—1.6751mm，D—1.6782mm；
步骤3、根据步骤2的结果，将A点坐标设为(0，0，1.6827)，然后，根据该点的坐标建立三维坐标系，则待测样品平面内所有扫描点采用该三维坐标系表示，记为(x，y，z)，将待测样品平面采用三维坐标系中的平面方程表示，再对其进行测试分析；
步骤4、根据步骤3建立的坐标系，并由步骤1记录的尺寸参数，得到A点相邻的两点坐标分别为D(10，0，1.6782)和B(0，5，1.6795)，根据三点的坐标建立平面坐标方程，可解得待测样品平面内任一点坐标(x，y，z)满足方程：
z＝1.6827-0.00045x-0.00064y
步骤5、根据基片尺寸、测试精度以及扫描轨迹要求确定扫描步长为0.02mm以及各点经过的顺序，设定测试高度为5μm，则对于待测平面内任意扫描点(x，y)，其z轴位移台在该点处相对原点的移动距离为(1.6777-0.00045x-0.00064y)mm，编写程序，使z轴位移台在任意扫描点(x，y)处移动相应距离(z-h)，即保证针尖到样品距离始终为5μm；
步骤6、按步骤5中的程序运行，对待测薄膜样品进行扫描测试，退针，取出样品，完成测量。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可以做出很多形式的具体变化，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、分别在待测样品的四角制备金属薄膜，依次标记为薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D，测量并记录待测样品的尺寸，长为b，宽为d；
步骤2、将待测样品放置于样品台上，移动位移台，使探针针尖分别位于薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D的正上方，然后进针至谐振峰消失，此时针尖与金属薄膜接触，分别记录薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D对应的位移台在垂直方向上的移动距离；
步骤3、以移动距离最大的薄膜上方的针尖处为坐标原点建立三维坐标系，则步骤2中移动距离最大的薄膜的中心坐标为(0，0，zmax)；
步骤4、根据步骤3建立的坐标系，并由步骤1记录的尺寸参数，得到(0，0，zmax)相邻的薄膜的中心点分别为(b，0，z1)和(0，d，z2)，根据三点的坐标建立平面坐标方程：
Figure FDA0003005155960000011
其中，(x，y，z)为待测样品平面内任意一点的坐标，
Figure FDA0003005155960000012
为待测样品平面的法向量；
由式(1)可知，待测样品平面内任一点坐标(x，y，z)满足：
Figure FDA0003005155960000013
步骤5、假设测试高度为h，则对于任意扫描点(x，y)，其z轴位移台在该点处相对原点的移动距离为z-h，通过调整z轴位移台的移动距离，即可保证针尖到样品表面的距离保持为h。
2.根据权利要求1所述的应用于近场扫描微波显微镜的扫描区域平面纠斜的方法，其特征在于，步骤1所述薄膜A、薄膜B、薄膜C和薄膜D的面积大于探针针尖的面积。
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