CN113899920A - 一种微区定位和寻回方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微区定位和寻回方法，采用两步定位法，在第一步定位中算出网格十字角位置的坐标值，在第二步定位中通过使用显微分析仪器中的标尺的功能，以图像中显示的标尺为参照的测量方法，综合了计算和测量的优点，不仅提高了定位的精度，将距离测量的精度提高了两个数量级，由报道的十微米级提高到百纳米级，而且大大提高了定位计算过程的容错能力，即第一步定位过程中即使定位误差达数十微米级，仍可采用本方法实现百纳米级别的定位精度；此外，应用本方法还可以在同一次测试中，使用一套标记点可定位多个目标位置，可大大提高微区分析的工作效率，同时为微区分析仪器间的关联成像提供了技术支持。

Description

一种微区定位和寻回方法
技术领域
本发明涉及一种微区定位和寻回方法。
背景技术
自上世纪人类认识到纳米物质的存在，到现如今各种微纳米尺度的材料器间在现实生活与上产中的应用，人类与纳米世界的关系越来越密切，因而需要对纳米世界有更多、更深入的了解。现阶段，能够在微纳米尺度上对物质进行分析测试的仪器已经成为生产与科研领域必不可少的工具，功能也从最初的微区形貌测试发展到了成分分析，晶体结构分析，电磁场分布以及力学性能测试等方面。由于不同的显微分析工具的原理不同，功能不同，若要对微纳尺度的样品的综合性能进行评价就需要在不同的仪器上进行测试，即微区关联成像。在具体的操作中，测量微纳尺度的样品时，一般是随机选择测试目标，对于本身并不均匀的纳米材料来说，选择不同的样品进行不同性能的测试，难免会存在误差。因此对同一微纳尺度的目标进行不同性质的表征及微区关联成像技术，对于探究纳米材料的综合性质至关重要(G.Armstrong,L.Kailas,“Hyphenated analytical techniques formaterials characterization,”European Journal of Physics,vol.38,no.5,article053001,2017.)。
此外，在一些生物或药物类的研究中，需要追踪被测目标随在一段时间后的变化情况，此时，测试人员需要寻找回最初测试的微纳尺度的目标。此时，发展微区定位及寻回方法，对于解决上述问题就尤为重要和关键(N.Kalpesh,“Introduction to hyphenatedtechniques and their applications in pharmacy,”Pharm-aceutical Methods,vol.1,no.1,pp.2-13,2010.)。
以原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)与扫描电镜(ScanningElectron Microscopy,SEM)的微区关联成像为例，AFM是根据探针与样品之间相互作用力的大小来得到样品表面三维形貌的测试仪器，其可以测试样品微区粘弹性、导电性、表面电势和表面电场磁场分布，是研究材料微区综合性质的有力工具(N.Gadegaard,“Atomicforce microscopy in biology:technology and techniques,”Biotechnic andHistochemistry,vol.81,no.2-3,pp.87-97,2006.)。然而AFM受压电陶瓷形变范围的限制，不能像电镜那样，实现目标视野从宏观到微观的连续变化，测试时寻找合适的目标区域只能借助AFM仪器自带的光学显微镜，其分辨率低，在纳米材料测试中不能有效识别目标区域，往往需要花费大量时间寻找测试目标，严重影响AFM的工作效率(P.Eaton,P.West,Atomic Force Microscopy,Oxford University Press,2010.)。此外，由于不能宏观观测样品，测试区域的选择具有一定盲目性，测试结果不一定能反应样品整体情况。
SEM是常用的表面微观分析工具，在低加速电压和低束流的条件下仍然能够保持高分辨率(G.Joseph,N.Dale,M.Joseph,R.Nicholas,J.Scott,D.Joy,Scanning ElectronMicroscopy and X-Ray Microanalysis(4th Edition),Springer,2018.)，不导电样品可采用低加速电压直接在电镜下测试，不再需要在表面镀导电层，因此可保持样品表面的原始状态用于其它测试表征。
如果能够将SEM与AFM联用，利用SEM观察样品，找到样品上感兴趣的目标区域并做标记，之后再将样品上标记的目标区域转移至AFM探针下直接测试，无疑会大大提高AFM的工作效率。此外，同一微观结构的SEM与AFM测试结果相结合，就可以同时获得该结构的三维形貌、元素组成、晶相分布、粘弹性和表面电场磁场分布等诸多方面的信息，将极大的丰富科研人员对纳米材料的认知。
现阶段的SEM与AFM的联用一般为在同一片样品上原位测试，如果科研人员想要研究同一个纳米粒子在SEM与AFM下的性质只能借助装在电镜真空仓内的AFM来原位观察(https://www.nenovision.com/Accessed Dec.23,2018)，这种技术的弊端显而易见：首先，真空仓内的操作给AFM测试带来诸多不便；其次，扫描电镜由于AFM探头的存在，物镜与样品之间的距离不可避免的增大，必定损失分辨率；再次，由于真空仓内电磁环境复杂，会影响AFM电磁学部分的测试结果。如果将样品从扫描电镜中取出，放在一台独立的AFM上测试，在一个样品中数以百万计的纳米粒子/结构中找到特定某一个的几率微乎其微。
而今，市场上也存在配备了定位功能，可在同一品牌的SEM与AFM中实现亚微米精度上重现某一特定区域的仪器套装，其标称的定位精度在十微米以内(金相会，日立原子力显微镜最新技术，中国化学会第30届学术年会摘要集，第一分会：表面物理化学，辽宁大连，2016-07-01.)，但这种定位依赖于该品牌的样品台座，当样品从样品台座上取下又重新放回后，定位失效。样品换到另外品牌的仪器上之后，定位系统也不起作用。因此，开发不依赖于特定仪器的微纳分析技术是低成本、高效率地解决微区关联成像以及AFM高效测试等问题的有效解决方案。
专利号为ZL 201810185560.7的发明专利一种将A-S通用样品台的坐标转换为AFM样品台的坐标的方法，公开了一种不依赖于特定仪器的定位方法，该方法以仪器自带的样品台移动与导航功能为基础，实现了样品台上微区位置的寻回。然而，主流仪器的样品台移动与导航功能多依靠机械位移装置实现，受限于机械加工工艺，其精度最高为微米级，以此为基础的定位方法，其最终精度仅能达到十微米级别(O.Acher,T.Nguyen,A.Podzorov etal.,“An efficient solution for correlative microscopy and co-localizedobservations based on multiscale multimodal machine-readable nanoGPS tags,”Measurement Science and Technology,vol.32,article 045402,pp.1-17,2021；J.Liu,A.Wang,J.Yang,S.Yin,X.Yang,“A universal positioning system for couplingcharacterization of SEM and AFM,”Scanning,vol.2021,article 5550311,pp.1-10,2021.)。由于，现阶段机械装置的加工精度存在极限，而且超高精度的机械装置价格昂贵，因此，单纯采用该专利中的方法，定位精度的极限只能到达十微米数量级，不足以实现纳米材料的定位测试。现阶段，纳米级定位一般采取图像比对方式，尚未见提出基于测量的、精度达到百纳米级别的定位方法。为了解决这一问题，本发明创造性地提出了分步定位法，分两步定位，来实现低成本的、精度达百纳米的微区定位。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种分步定位法，其分两步定位，来实现低成本的、精度达百纳米的微区定位和寻回方法。
本发明解决的技术方案是：
一种微区定位和寻回方法，包括以下步骤：
步骤一，利用光刻技术加工专用样品台；
所述专用样品台上包括三个用于定位的标记点以及网格线，将其中的两条互相垂直的网格线分别规定为X轴和Y轴，二者的交点规定为原点；
步骤二，将待测样品分散在所述专用样品台上；
步骤三，将含有待测样品的专用样品台放置于微区形貌观察仪器上进行观察测试，先找到并记录下专用样品台上的三个标记点在该微区形貌观察仪器定位导航系统中的坐标值，根据三个标记点的坐标值，调整微区形貌观察仪器样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致；
之后记录下目标位置左上方、左下方、右上方或右下方距离其最近的两条互相垂直的网格线形成的网格十字角位置所对应的坐标值；同时记录目标位置与该距离其最近两条互相垂直的网格十字角的两条互相垂直的网格线的距离，目标位置到X轴或与X轴平行的网格线间的距离记录为Yt,目标位置到Y轴或与Y轴平行的网格线间的距离记录为Xt；
步骤四，根据微区形貌观察仪器定位导航系统中的得到的专用样品台上三个标记点及网格十字角位置的坐标值，计算得到网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，该位置关系为平面内向量间的位置关系；
步骤五，当需要用同一或不同微区形貌观察仪器再次观察目标位置时，需要在该仪器视野下先后找到专用样品台上的三个标记点，并记录下标记点在该微区形貌观察仪器样品台导航系统中的坐标值；调整微区形貌观察仪器中样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持基本一致；
步骤六，根据步骤四中得到的网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，计算出网格十字角在该仪器的样品台导航系统中的坐标值，并利用微区分仪器的样品台导航功能将距离目标位置距离最近的网格十字角位置移至视野中心；
步骤七，将测试的放大倍数或扫描范围调节到合适的数值以使目标位置和网格十字角位置在同一视野中，利用步骤三中获得的目标位置与构成网格十字角的两条网格线之间的距离Xt、Yt，将目标位置在视野中标出，并利用微区形貌观察仪器的样品台位移功能或视野中特定位置居中功能将标出的目标位置移动到视野中心，即可进行目标区域的寻回，从而进行后续的观察或测试。
优选的，所述专用样品台上的三个标记点不共线，且均位于样品台表面；专用样品台上网格线为平行于样品台边长方向的互相垂直的条纹，条纹的宽度为20-50μm，两相邻条纹的间距小于50μm。
优选的，所述微区形貌观察仪器包括但不限于扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜，其共同点是要达到/优于百纳米的分辨率，且配备有具有X、Y方向坐标值显示的样品导航系统。
优选的，所述步骤三和步骤五所述的标记点以及网格十字角的坐标值，均为将相应的点通过微区形貌观察仪器自带的样品台操作系统移动到视野中心后，所得到的微区形貌观察仪器样品台导航系统界面中的坐标值，在定位过程中，该视野的大小需要保持一致，即放大倍数或扫描范围要保持一致，一般设定为小于50μm×50μm。
优选的，所述步骤三和步骤五中所述的使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致的定义为二者的角度差值在±0.175rad即可。
本发明提供了一种精度达百纳米级的，各个显微分析仪器通用的、经济的微区定位方法，该方法创新性地采用两步定位法，在第一步定位中算出网格十字角位置的坐标值，在第二步定位中通过使用显微分析仪器中的标尺的功能(在一般的显微分析中，标尺的功能是测量被分析目标的大小，在本案中，标尺与相应的垂直线互相结合，发展出了测量目标点与标记点距离的新功能，该距离由于以标尺为参照对象，精度可达纳米级)，以图像中显示的标尺为参照的测量方法，综合了计算和测量的优点，不仅提高了定位的精度，将距离测量的精度提高了两个数量级，由报道的十微米级提高到百纳米级，而且大大提高了定位计算过程的容错能力，即第一步定位过程中即使定位误差达数十微米级，仍可采用本方法实现百纳米级别的定位精度；此外，应用本方法还可以在同一次测试中，使用一套标记点可定位多个目标位置，可大大提高微区分析的工作效率，同时为微区分析仪器间的关联成像提供了技术支持。利用该技术，科研人员能以较小成本极大的丰富对纳米材料的认知。其使用方便，效果好，是微区定位和寻回方法上的创新。
附图说明
图1为本发明坐标转换示意图；其中，虚线代表显微分析仪器的样品台导航系统的坐标系，实线代表的是专用样品台上的坐标系(在定位时，只需要保持两个坐标系的正方向一致，角度误差值在±0.175rad)，O,A,B分别为专用样品台上的3个标记点，C为网格十字角位置，利用上述四点在微区形貌观察仪器的样品台导航系统中的坐标值可以计算出C与标记点之间的位置关系；T为目标位置，Xt,Yt为目标位置到组成网格十字角C的两条网格线之间的距离(此数值的测量以显微分析仪器所获图像上的标尺为参考值，精度可达十纳米级)。
图2为以本发明方法为指导设计出的一款专用样品台上的标记点与网格十字位、目标点的示意图，其中：
(ⅰ)专用样品台整体形貌；(ⅱ)标记点O处的样品台形貌；(ⅲ)标记点A处的样品台形貌；(ⅳ)标记点B处的样品台形貌；(ⅴ)目标位置所在区域的形貌放大像；(ⅵ)网格十字位的形貌放大以及观察目标与距离其左上角最近的相互垂直的两条网格线间的距离示意图。
图3为本发明实施例1SEM定位过程中专用样品台上的坐标标记的截屏画面及配套样品在SEM样品导航系统中的坐标值截图。
图4为本发明实施例1SEM中的定位结果截图，X、Y方向上的误差分别为264.6nm、56.94nm。
图5为本发明实施例2AFM定位过程中专用样品台上的坐标标记的截屏画面及配套样品在AFM样品导航系统中的坐标值截图。
图6为本发明实施例2AFM定位结果截图，X、Y方向上的误差分别为238.4nm、83.85nm。
图7为本发明实施例3SEM-AFM定位结果：X、Y方向上的误差分别为211.8nm、70.59nm。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
一种微区定位和寻回方法，包括以下步骤：
步骤一，利用光刻技术加工专用样品台；
所述专用样品台上包括三个用于定位的标记点以及网格线，将其中的两条互相垂直的网格线分别规定为X轴和Y轴，二者的交点规定为原点；在X轴和Y轴上远离原点的位置通过光刻方法印制箭头或其他标志物，作为X轴和Y轴正方向指示标志；
步骤二，将待测样品分散在所述专用样品台上；
步骤三，将含有待测样品的专用样品台放置于微区形貌观察仪器上进行观察测试，先找到并记录下专用样品台上的三个标记点在该微区形貌观察仪器定位导航系统中的坐标值，根据三个标记点的坐标值，调整微区形貌观察仪器样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致；
之后记录下目标位置左上方距离其最近的两条互相垂直的网格线形成的网格十字角位置(简称为网格十字角)所对应的坐标值；同时记录目标位置与其左上角方向相邻最近的两条互相垂直的网格线的距离，此距离数值的获得以显微分析仪器视野中的标尺作为参考，目标位置到与X轴平行的网格线间的距离记录为Yt,目标位置到与Y轴平行的网格线间的距离记录为Xt；
步骤四，根据微区形貌观察仪器定位导航系统中的得到的专用样品台上三个标记点及网格十字角位置的坐标值，计算得到网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，该位置关系为平面内向量间的位置关系；
步骤五，当需要用同一或不同微区形貌观察仪器再次观察目标位置时，需要在该仪器视野下先后找到专用样品台上的三个标记点，并记录下标记点在该微区形貌观察仪器样品台导航系统中的坐标值；调整微区形貌观察仪器中样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持基本一致；
步骤六，根据步骤四中得到的网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，计算出网格十字角在该仪器的样品台导航系统中的坐标值，并利用微区分仪器的样品台导航功能将距离目标位置距离最近的网格十字角位置移至视野中心；
计算上述位置关系的方法为本领域技术人员的公知技术，如可利用申请人在先申请的专利号为ZL201810185560.7的一种将A-S通用样品台的坐标转换为AFM样品台的坐标的方法进行求解。
如图1所示，目标区域左上方距离其最近的两条互相垂直的坐标网格线形成的网格十字角位置简称为网格十字角，记为C点，专用样品台坐标原点记为O点，专用样品台上三个标记点记为A、B、C三点，计算网格十字角与三个标记点的之间的位置关系的具体为，依据O以及A、B、C三点的坐标值，将三个向量OC与OA、OB之间的关系以下式1体现：
OC＝a×OA+b×OB (式1)
假设第一次定位时得到的标记点和网格十字位的平面坐标分别为：点O的平面坐标为(xo,yo),A的平面坐标为(xA,yA),B的平面坐标为(xB,yB),C的平面坐标为(xC,yC),将上述坐标值带入式1，则
OC＝(xC-xo,yC-yo)
OA＝(xA-xo,yA-yo)
OB＝(xB-xo,yB-yo)
带入式1后得到如下方程组：
xC-xo＝a×(xA-xo)+b×(xB-xo)
yC-yo＝a×(yA-yo)+b×(yB-yo)
解该二元一次方程组得到：
a＝[(xC-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yC-yo)]/[(xA-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yA-yo)]
b＝[(xC-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yC-yo)]/[(xB-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yB-yo)]
第二次寻回时，将上述解出的a,b值以及在此次观察中得到的O,A,B各点的新的二维坐标分别为(xo’,yo’),(xA’,yA’),(xB’,yB’)，
OA＝(xA’-xo’,yA’-yo’)
OB＝(xB’-xo’,yB’-yo’)
值带入式1，解出C点的平面坐标(xC’,yC’)
xc’＝[(xC-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yC-yo)]/[(xA-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yA-yo)]×(xA’-xo’)+[(xC-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yC-yo)]/[(xB-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yB-yo)]×(xB’-xo’)+xo’
yc’＝[(xC-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yC-yo)]/[(xA-xo)×(yB-yo)-(xB-xo)×(yA-yo)]×(yA’-yo’)+[(xC-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yC-yo)]/[(xB-xo)×(yA-yo)-(xA-xo)×(yB-yo)]×(yB’-yo’)+yo’
步骤七，将测试的放大倍数或扫描范围调节到合适的数值以使目标位置和网格十字角位置在同一视野中，利用步骤三中获得的目标位置与构成网格十字角的两条网格线之间的距离Xt、Yt，将目标位置在视野中标出，并利用微区形貌观察仪器的样品台位移功能或视野中特定位置居中等功能将标出的目标位置移动到视野中心，即可进行目标区域的寻回，从而进行后续的观察或测试。
为保证使用效果，所述专用样品台为无机或有机材料制成，专用样品台的横截面为正方形，边长为5～20mm，厚度<525μm，电阻率为15Ωgcm，粗糙度<0.5nm，平整度<3μm，表面曲率<10μm。
专用样品台表面光滑、平整，即其卷曲度与粗糙度符合表1要求：
表1专用样品台参数
厚度 <525μm
边长 5-20mm
电阻率 15Ωgcm
粗糙度(20mm×20mm范围内) <0.5nm
平整度(20mm×20mm范围内) <3μm
表面曲率(20mm×20mm范围内) <10μm
所述专用样品台材质包括但不限于为抛光硅片、新鲜解理的云母片或附有超薄碳膜的铜网。
所述专用样品台上的三个标记点不共线，且均位于样品台表面；专用样品台上网格线为平行于样品台边长方向的互相垂直的条纹，条纹的宽度为20-50μm，两相邻条纹的间距小于50μm。
将其中的两条互相垂直的网格线分别规定为X轴和Y轴，其交点规定为原点O；三个标记点及网格线在光学显微镜及电镜视野下均容易找到，并清晰可见；
样品台上标记点的选取方法：如图2所示，由于在利用光刻方法加工样品台上互相垂直的坐标网格线时，其交点的十字架在电镜下放大后呈现倒角状，无法精确定位到某一点，为了提高定位精度，样品台上标记点选取X轴与Y轴相交的十字架的四个点的中心作为其中一个标记点，记为O，十字架的四个点分别记为O1、O2、O3、O4；另外两个标记点分别选在X轴与Y轴上的第一个箭头右方/上方的一个完整的网格十字位置四个点的中心，位于X轴上的点记为A，对应的十字架的四个点分别记为A1、A2、A3、A4；位于Y轴上的点记为B，对应的十字架的四个点分别记为B1、B2、B3、B4；将第一个标记点O与上述两个标记点A、B的连线的射线方向分别作为X轴与Y轴的正方向。
所述步骤三和步骤五所述的标记点以及网格十字角的坐标值，均为将相应的点通过微区形貌观察仪器自带的样品台操作系统移动到视野中心后，所得到的微区形貌观察仪器样品台导航系统界面中的坐标值，在定位过程中，该视野的大小需要保持一致，即放大倍数或扫描范围要保持一致，一般设定为小于50μm×50μm。
所述微区形貌观察仪器包括但不限于光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜，其共同点是要达到优于百纳米的分辨率，且配备有具有X、Y方向坐标值显示的样品导航系统。
所述步骤三和步骤五中所述的使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致的定义为二者的角度差值在±0.175rad即可。
以下分别为本法在SEM和AFM中的定位的实施例：
实施例1，SEM中的定位
(1)采用单面抛光的多晶硅片作为专用样品台基底材料，在其上光刻图案，图案如图2所示，包括三个用于定位的标记点以及网格线，图案采用金属钼。
(2)将平均直径为20nm，长度为150-300nm的金纳米棒分散在适量无水乙醇中，超声分散后滴在专用样品台上，待其中的乙醇挥发后，将专用样品台置于扫描电镜(测试用SEM型号为Zeiss Merlin)样品座上观察。
(3)先在SEM视野中找到X轴和Y轴及其上箭头，依据X轴与Y轴的正方向，利用样品座旋转调节手柄，将X轴、Y轴的正方向调节至与样品台导航系统中的X、Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。其次，寻找三个标记点，其中最显眼的标记点为X轴、Y轴交汇处的十字架，其中心为标记点O，分别将该十字架四角置于视野中心(放大倍数3000倍，视野范围38μm×31μm)，记录下此时样品导航系统的坐标值，输入定位excel表格；标记点A为X轴上箭头左方第一个十字架的中心，B为Y轴上箭头上方第一个十字架的中心，依据相同方法，获取标记点A、B的坐标值；
寻找目标位置以及距目标位置左上角最近的网格十字角，在放大倍数为3000倍时将其置于视野中心，记录下此时样品导航系统的坐标值。
调节合适的放大倍数，使网格十字角和目标位置在同一视野中，冻结图像，利用SEM配套软件自带的距离测量功能，量出目标位置(若目标位置过大，可以测量其中心)到网格十字线的两条网格线之间的距离Xt，Yt，并记录下来，填入定位excel表格中；
(4)将专用样品台取出，妥善保存，过一段时间后再将专用样品台放入SEM中进行观察。重复上述步骤先在SEM视野中找到X轴、Y轴及其上箭头，依据X轴、Y轴的正方向，利用样品座旋转调节手柄，将X轴与Y轴的正方向调节至与样品台导航系统中的X与Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。其次，寻找三个标记点，在同一放大倍数下(放大3000倍，视野范围38μm×31μm)，记录和计算这三个标记点在样品导航系统的新坐标值，输入定位专用的excel表格的相应位置；依据申请人在先申请的专利号为ZL201810185560.7的一种将A-S通用样品台的坐标转换为AFM样品台的坐标的方法进行求解，计算出网格十字角位置的新坐标值，输入样品导航系统后，此时网格十字角位置应该移动到物镜下方，若找不到请缩小放大倍数，缩小放大倍数过程中，视野中出现的左上方第一个网格十字角位置即为该位置；将放大倍数设置为与步骤(3)中一致，利用SEM配套软件自带的距离测量功能，画出与步骤(3)中位置及长度均一致的线段Xt与Yt，确定目标样品的位置。利用配套软件自带的视野中特定区域居中功能，将目标样品置于视野中心，进行进一步观察测试。
如图3所示，其中左侧示意图为在SEM定位过程中专用样品台上的坐标标记的截屏画面(此图显示标记点O1的图像及坐标值)；右侧框内的数据为左侧结果内容放大，代表了视野中样品在SEM样品导航系统中的坐标值。
如图4所示，为SEM定位结果，X、Y方向上的误差分别为264.6nm,56.94nm，具体定位数据如下表所示：
Figure BDA0003292762390000111
Figure BDA0003292762390000121
关于上表的说明如下：
1)误差值栏单位为nm，a,b为系数，量纲为1，其余栏的单位均为μm；
2)O点为标记点O1～O4的中心点,由上述四点的X、Y坐标值分别求平均值获得；同理，A为标记点A1～A4的中心点，B为标记点B1～B4的中心点；
3)向量OA遵循向量运算规则，利用A点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；同理，向量OB通过利用B点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
4)X方向的单位向量同样遵循向量运算法则，利用向量OA除以向量OA的模(即长度)得到；同理，Y方向的单位向量利用向量OB除以向量OB的模(即长度)得到；
5)C为网格十字角位置，其坐标可以直接在SEM导航系统读出；向量OC遵循向量运算规则，利用C点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
6)Xt/Yt为第二步定位中，目标的中心点到网格十字角的互相垂直的两条网格线之间的距离；
7)a，b为计算标记点与网格十字角之间位置关系的公式OC＝a×OA+b×OB中的系数。
8)C(计算得到)为由公式OC＝a×OA+b×OB计算得到的C点的坐标；
9)C点第一步定位误差为在第二次寻回C点时，将网格十字角位居于图片中央时，在样品导航系统中读到的C点坐标值(寻回)与计算得到的C点坐标值(寻回)之间的差值；此栏可以反应两部定位法的第一步定位容错率高，在误差较大的情况下，仍可通过第二步定位实现高精度寻回目标。
10)误差值为在放大倍数为十万倍时(对应的扫描范围为1140nm×850nm)，测得的测量目标的中心与视野中心在X和Y方向上的距离，表中显示用两步法定位最终得到的误差值在百纳米级别。
实施例2，AFM中的定位
(1)采用单面抛光的多晶硅片作为专用样品台基底材料，在其上光刻图案图案如图2所示，包括三个用于定位的标记点以及网格线，其中图案采用金属钼。
(2)将平均直径为20nm，长度为150-300nm的金纳米棒分散在适量无水乙醇中，超声分散后滴在专用样品台上，待其中的乙醇挥发后，将专用样品台置于AFM仪器样品座上观察。(AFM仪器型号为Bruker ICON)
(3)先在AFM自带的光学显微镜中找到专用样品台的X轴和Y轴及其上箭头，依据X轴、Y轴的正方向，通过旋转样品座角度，将X轴、Y轴的正方向调节至与AFM样品台导航系统中的X、Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。
其次，寻找三个标记点，其中最显眼的标记点为X轴和Y轴交汇处的十字架，其中心为标记点O，分别依次将该十字架四角置于视野中心，然后下针扫描，扫描范围30μm×30μm，记录下此时样品台导航系统的坐标值。根据AFM扫描结果，利用配套操作软件中的OFFSET功能，将十字架位置置于视野中心进行扫描，记录下此时操作软件界面上X、Y offset栏的坐标值，将其分别与样品台导航系统的坐标值相加，得到其中一角的精确坐标值；按照同样方法获得其他三角以及X轴、Y轴上的标记点的坐标值，将其记录入样品台坐标定位excel表格的相应位置。
寻找目标位置，并扫描记录。之后扩大扫描范围，使目标位置与其左上方距离最近的十字网格位在同一视野中，保留图片，利用操作系统自带的距离测量功能，测出量出目标位置(若目标位置过大，可以测量其中心)到网格十字线的两条网格线之间的距离Xt，Yt，并记录下来，填入定位excel表格中。
(4)将专用样品台取出，妥善保存，过一段时间后再将专用样品台放入AFM中进行观察。重复上述步骤先在AFM视野中找到X轴和Y轴及其上箭头，依据X轴、Y轴的正方向，旋转样品座，将X轴、Y轴的正方向调节至与样品台导航系统中的X、Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。其次，寻找三个标记点，在同一扫描范围下，记录和计算这三个标记点在样品导航系统的新坐标值，输入定位专用的excel表格的相应位置；依据申请人在先申请的专利号为ZL201810185560.7的一种将A-S通用样品台的坐标转换为AFM样品台的坐标的方法进行求解，计算出网格十字角位置的新坐标值，输入样品导航系统后，此时网格十字角位置应该移动到物镜下方，若找不到则增加扫描范围，增加扫描范围过程中，视野中出现的第一个左上方的网格十字角位置即为该位置；
将扫描范围设置为与步骤(3)中一致，利用AFM配套操作软件自带的距离测量功能，画出与步骤(3)中位置及长度均一致的线段Xt与Yt，确定目标样品的位置，利用操作软件自带的视野中特定区域居中功能，将目标样品置于视野中心，进行进一步观察测试。
如图5所示，其中右侧示意图为在AFM定位过程中专用样品台上的坐标标记的截屏画面(此图显示标记点A1的图像及坐标值)，图像显示了标记点A1置于30μm×30μm扫描范围的中心时得到的AFM图像，显示了AFM操作软件自带的放大Zoom(即缩小扫描范围扫描)和以视野中任意位置为中心进行扫描的功能键，即Offset功能，；左侧上方框内的数据为右侧坐标结果图像的放大图，包括X、Y数值代表了在AFM坐标样品台导航系统中的坐标值以及扫描器OFFSET的数值，两列数值的X、Y坐标分别相加得到的就是标记点A1在AFM样品台导航系统中的坐标；左侧下方框内的图像展示了专用样品台在AFM附属的光学显微镜中的图像；黄框中的图像显示了标记点A1置于30μm*30μm扫描范围的中心时得到的AFM图像；黑框显示了AFM操作软件自带的放大Zoom(即缩小扫描范围扫描)和以视野中任意位置为中心进行扫描的功能键，即Offset功能。
如图6所示，为AFM定位结果，X、Y方向上的误差分别为238.4nm,83.85nm，具体定位数据如下表所示：
Figure BDA0003292762390000141
Figure BDA0003292762390000151
关于上表的说明如下：
1)误差值栏单位为nm，a,b为系数，量纲为1，其余栏的单位均为μm；
2)O点为标记点O1～O4的中心点,由上述四点的X、Y坐标值分别求平均值获得；同理，A为标记点A1～A4的中心点，B为标记点B1～B4的中心点；
3)向量OA遵循向量运算规则，利用A点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；同理，向量OB通过利用B点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
4)X方向的单位向量同样遵循向量运算法则，利用向量OA除以向量OA的模(即长度)得到；同理，Y方向的单位向量利用向量OB除以向量OB的模(即长度)得到；
5)C为网格十字角位置，其坐标可以直接在导航系统读出；向量OC遵循向量运算规则，利用C点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
6)Xt/Yt为第二步定位中，目标的中心点到网格十字角的互相垂直的两条网格线之间的距离；
7)a，b为计算标记点与网格十字角之间位置关系的公式OC＝a×OA+b×OB中的系数；
8)C(计算得到)为由公式OC＝a×OA+b×OB计算得到的C点的坐标；
9)C点第一步定位误差为在第二次寻回C点时，将网格十字角位居于图片中央时，在样品导航系统中读到的C点坐标值(寻回)与计算得到的C点坐标值(寻回)之间的差值；此栏可以反应两部定位法的第一步定位容错率高，在误差较大的情况下，仍可通过第二步定位实现高精度寻回目标。
10)误差值为扫描范围为1μm×1μm，测得的测量目标的中心与视野中心在X和Y方向上的距离，表中显示用两步法定位最终得到的误差值在百纳米级别。
实施例3 SEM与AFM联用的定位
(1)采用单面抛光的多晶硅片作为专用样品台基底材料，在其上光刻图案，图案如图2所示，包括三个用于定位的标记点以及网格线，其中图案采用金属钼。
(2)将平均直径为20nm，长度为150-300nm的金纳米棒分散在适量无水乙醇中，超声分散后滴在专用样品台上，待其中的乙醇挥发后，将专用样品台置于扫描电镜(测试用SEM型号为Zeiss Merlin)样品座上观察。
(3)先在SEM视野中找到X轴和Y轴及其上箭头，依据X轴与Y轴的正方向，利用样品座旋转调节手柄，将X轴、Y轴的正方向调节至与样品台导航系统中的X、Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。其次，寻找三个标记点，其中最显眼的标记点为X轴和Y轴交汇处的十字架，其中心为标记点O，分别将该十字架四角置于视野中心(放大3000倍，视野范围38μm×31μm)，记录下此时样品导航系统的坐标值，输入定位专用的excel表格；标记点A为X轴上箭头左方第一个十字架的中心，B为Y轴上箭头上方第一个十字架的中心，依据相同方法，获取标记点A和B的坐标值。
寻找目标位置以及距目标位置左上角最近的网格十字角，在放大倍数为3000倍时将其置于视野中心，记录下此时样品导航系统的坐标值。
调节合适的放大倍数，使网格十字角和目标区域在同一视野中，冻结图像，利用SEM配套软件自带的距离测量功能，量出目标位置(若目标位置过大，可以测量其中心)到网格十字线的两条网格线之间的距离Xt，Yt，并记录下来，填入定位excel表格中。
(4)将专用样品台取出，妥善保存，过一段时间后再将专用样品台放入AFM中进行观察(AFM仪器型号为Bruker ICON)，先在AFM自带的光学显微镜中找到专用样品台的X轴和Y轴及其上箭头，依据X轴与Y轴的正方向，通过样品座旋转角度，将X轴、Y轴的正方向调节至与AFM样品台导航系统中的X、Y方向分别一致(角度误差值在±0.175rad)。
其次，寻找三个标记点，其中最显眼的标记点为X轴和Y轴交汇处的十字架，其中心为标记点O，分别依次将该十字架四角置于视野中心(放大3000倍，视野范围38μm×31μm)，然后下针扫描，扫描范围30μm×30μm,记录下此时样品台导航系统的坐标值。根据AFM扫描结果，利用AFM配套操作软件中的OFFSET功能，将十字角位置置于视野中心进行扫描，记录下此时操作软件界面上X、Y offset栏的坐标值，将其分别与样品台导航系统的坐标值相加，得到其中一角的精确坐标值；按照同样方法获得其他三角以及X轴和Y轴上的标记点的坐标值，将其记录入样品台坐标定位excel表格的相应位置。
依据申请人在先申请的专利号为ZL201810185560.7的一种将A-S通用样品台的坐标转换为AFM样品台的坐标的方法进行求解，计算出网格十字角位置的新坐标值，输入样品导航系统后，此时网格十字角位置应该移动到物镜下方，若找不到请增加扫描范围，增加扫描范围过程中，视野中出现的第一个网格十字角位置即为该位置；将扫描范围设置为与步骤(3)中的视野大小一致，利用操作软件自带的距离测量功能，画出与步骤(3)中位置及长度均一致的线段Xt与Yt，确定目标样品的位置。利用AFM操作软件自带的视野中特定区域居中功能，将目标样品置于视野中心，进行进一步观察测试。
如图7所示，为SEM-AFM定位结果截图，X、Y方向上的误差分别为211.8nm,70.59nm。
具体定位数据如下表所示：
Figure BDA0003292762390000171
Figure BDA0003292762390000181
说明：
1)误差值栏单位为nm，a,b为系数，量纲为1，其余栏的单位均为μm；
2)O点为标记点O1～O4的中心点,由上述四点的X、Y坐标值分别求平均值获得；同理，A为标记点A1～A4的中心点，B为标记点B1～B4的中心点；
3)向量OA遵循向量运算规则，利用A点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；同理，向量OB通过利用B点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
4)X方向的单位向量同样遵循向量运算法则，利用向量OA除以向量OA的模(即长度)得到；同理，Y方向的单位向量利用向量OB除以向量OB的模(即长度)得到；
5)C为网格十字角位置，其坐标可以直接在导航系统读出；向量OC遵循向量运算规则，利用C点坐标的X、Y值分别减去O点坐标的X、Y值得到；
6)Xt/Yt为第二步定位中，目标的中心点到网格十字角的互相垂直的两条网格线之间的距离；
7)a，b为计算标记点与网格十字角之间位置关系的公式OC＝a×OA+b×OB中的系数；
8)C(计算得到)为由公式OC＝a×OA+b×OB计算得到的C点的坐标；
9)C点第一步定位误差为在第二次寻回C点时，将网格十字角位居于图片中央时，在样品导航系统中读到的C点坐标值(寻回)与计算得到的C点坐标值(寻回)之间的差值；此栏可以反应两部定位法的第一步定位容错率高，在误差较大的情况下，仍可通过第二步定位实现高精度寻回目标。
10)误差值定义：在SEM中放大倍数为十万倍时(对应的扫描范围为1140nm×850nm)时进行定位，在AFM中寻回，最终扫描范围为1μm×1μm时，测得的测量目标的中心与视野中心在X和Y方向上的距离，表中显示用两步法定位最终得到的误差值在百纳米级别。
由上述情况可以清楚的看出，本法具有以下优点：
(1)本发明不依赖于特定的显微分析仪器，能够与市售的大多数显微分析仪器兼容，其中的显微分析仪器包括但不限于：光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜等；对显微分析仪器要求配有定位导航系统，精度优于10μm；
(2)本发明采用的专用样品台，其样品台材质包括但不限于带坐标标记的硅片、云母片、覆碳膜的坐标铜网等；其可采用光刻法加工专用图案，平均成本可控制在与TEM中适用的覆碳膜铜网同一水平，价格低廉；
(3)本发明方法配合显微分析仪器配套的算法软件，定位精度可达百纳米级别；
(4)本发明方法可以在同一或不同的显微分析仪器间对特定的小至边长为一微米范围内的观察目标进行关联成像和寻回。
(5)本发明方法采用两步定位法，在第一步定位中算出网格十字角位置的坐标值，在第二步定位中通过使用显微分析仪器中的标尺的功能，以图像中显示的标尺为参照的测量方法，综合了计算和测量的优点，不仅提高了定位的精度，将距离测量的精度提高了两个数量级，由报道的十微米级提高到百纳米级；
(6)本发明方法容错能力强，即第一步定位过程中即使定位误差达十微米级，仍可采用本方法实现百纳米级别的定位精度；
(7)本发明方法在同一次测试中，使用一套标记点可定位多个目标位置，可大大提高微区分析的工作效率，同时为微区分析仪器间的关联成像提供了技术支持，利用该技术，科研人员能以较小成本极大的丰富对纳米材料的认知。

Claims (7)

1.一种微区定位和寻回方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，利用光刻技术加工专用样品台；
所述专用样品台上包括三个用于定位的标记点以及网格线，将其中的两条互相垂直的网格线分别规定为X轴和Y轴，二者的交点规定为原点；
步骤二，将待测样品分散在所述专用样品台上；
步骤三，将含有待测样品的专用样品台放置于微区形貌观察仪器上进行观察测试，先找到并记录下专用样品台上的三个标记点在该微区形貌观察仪器定位导航系统中的坐标值，根据三个标记点的坐标值，调整微区形貌观察仪器样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致；
之后记录下目标位置左上方、左下方、右上方或右下方距离其最近的两条互相垂直的网格线形成的网格十字角位置所对应的坐标值；同时记录目标位置与该距离其最近两条互相垂直的网格十字角的两条互相垂直的网格线的距离，目标位置到X轴或与X轴平行的网格线间的距离记录为Yt,目标位置到Y轴或与Y轴平行的网格线间的距离记录为Xt；
步骤四，根据微区形貌观察仪器定位导航系统中的得到的专用样品台上三个标记点及网格十字角位置的坐标值，计算得到网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，该位置关系为平面内向量间的位置关系；
步骤五，当需要用同一或不同微区形貌观察仪器再次观察目标位置时，需要在该仪器视野下先后找到专用样品台上的三个标记点，并记录下标记点在该微区形貌观察仪器样品台导航系统中的坐标值；调整微区形貌观察仪器中样品台的旋转角度，使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持基本一致；
步骤六，根据步骤四中得到的网格十字角与专用样品台上三个标记点之间的位置关系，计算出网格十字角在该仪器的样品台导航系统中的坐标值，并利用微区分仪器的样品台导航功能将距离目标位置距离最近的网格十字角位置移至视野中心；
步骤七，将测试的放大倍数或扫描范围调节到合适的数值以使目标位置和网格十字角位置在同一视野中，利用步骤三中获得的目标位置与构成网格十字角的两条网格线之间的距离Xt、Yt，将目标位置在视野中标出，并利用微区形貌观察仪器的样品台位移功能或视野中特定位置居中功能将标出的目标位置移动到视野中心，即可进行目标区域的寻回，从而进行后续的观察或测试。
2.根据权利要求1所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述专用样品台为无机或有机材料制成，专用样品台的横截面为正方形，边长为5～20mm，厚度<525μm，电阻率为15Ωgcm，粗糙度<0.5nm，平整度<3μm，表面曲率<10μm。
3.根据权利要求1或2所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述专用样品台材质包括但不限于为硅片、云母片或附有超薄碳膜的铜网。
4.根据权利要求1或2所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述专用样品台上的三个标记点不共线，且均位于样品台表面；专用样品台上网格线为平行于样品台边长方向的互相垂直的条纹，条纹的宽度为20-50μm，两相邻条纹的间距小于50μm。
5.根据权利要求1所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述步骤三和步骤五所述的标记点以及网格十字角的坐标值，均为将相应的点通过微区形貌观察仪器自带的样品台操作系统移动到视野中心后，所得到的微区形貌观察仪器样品台导航系统界面中的坐标值，在定位过程中，该视野的大小需要保持一致，即放大倍数或扫描范围要保持一致。
6.根据权利要求1所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述微区形貌观察仪器包括但不限于扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜，其共同点是要达到/优于百纳米的分辨率，且配备具有X、Y方向坐标值显示的样品导航系统。
7.根据权利要求1所述的微区定位和寻回方法，其特征在于，所述步骤三和步骤五中所述的使专用样品台上的X轴、Y轴的正方向与微区形貌观察仪器上的X轴、Y轴的正方向保持一致的定义为二者的角度差值在±0.175rad即可。
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