CN116660582A - 一种扫描探针成像的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种扫描探针成像的方法及其装置，属于精密测量技术领域。本发明装置包含：可相对移动的载具平面与样本台，反馈控制系统，数据处理与存储系统，电源与运动控制系统和参考时钟；探针阵列固定在载具平面，待检测样本固定在样本台的压电扫描台上。本发明方法包括：探针阵列中各探针上的距离传感单元采用非共振方式产生一个与探针针尖至样本表面距离相关的信号量，反馈控制系统根据信号量计算输出驱动悬臂位移的控制信号，调整所述距离相关的信号量在设定值，记录所述信号量在扫描过程中的变化量，实现对样本表面成像。本发明能实现大规模高密度集成的探针阵列进行高通量、纳米至皮米级别精度的形貌检测，避免机械串扰，且能实现高速率成像。
Description
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种利用扫描探针进行成像的方法及装置。
背景技术
扫描探针技术能够实现纳米至亚纳米尺度的三维表征与加工，是先进材料、芯片制造、生医工程等前沿科学技术领域不可或缺的重要工具；这里所说的扫描探针技术包括所有使用微纳米结构探针、以扫描的方式工作的技术，包括但不限于扫描隧穿显微技术(Scanning Tunneling Microscopy)、原子力显微技术(Atomic Force Microscopy)、浸渍笔刻写技术(Dip-pen Lithography)等。参考文献1对扫描探针技术的种类和原理进行了全面的介绍。
虽然扫描探针技术能够实现纳米至皮米精度的成像，但受限于其基于位置扫描进行逐点测量的原理，该技术难以在单探针的情况下实现高通量检测。图1是一个简化的单探针扫描探针形貌检测技术原理图，主要包括探针(针尖，悬臂)，反馈控制，被检测表面，位置驱动器，以及压电起振器。探针针尖与被检测表面之间的相互作用可以产生一个与距离有关的信号量，例如：悬臂的振动可以由压电起振器来驱动，悬臂的共振频率与探针针尖和被检测表面的距离有关，该振动频率可以由压阻效应读出，如参考文献2中所述；或者由压电效应读出，如参考文献3所述；或者由光学方法读出，如参考文献1所述。随着探针在空间位置上的变化，探针与被检测表面之间的距离变化会反映为信号量的变化，将该信号量输入反馈控制系统，由反馈控制系统调节位置驱动器，即可调节探针与被检测表面的距离，从而使距离相关的信号量大致保持在一设定值。在探针扫描样本的整个过程中，探针与样本相对位置变化实际上反映了样本表面的形貌变化，因此扫描探针可以用于成像。
为了实现高通量检测，可以使用多个探针并行检测。多探针的情况下，每个探针与样本之间的距离需要分别进行测量和控制。参考文献4介绍了一种多探针并行检测的方法，其本质是将前述基于单探针的检测系统进行简单复制，使多个相同或相似的系统同步工作。这种方法在原理上没有突破，主要是工程上的优化，且并行工作的探针数量难以实现大规模提升。在参考文献2介绍了一种完全集成的技术方案，该方案中探针悬臂上集成了驱动机制，可通过同时施加直流电信号与交流电信号来进行形貌测量，其原理为：直流电信号可以控制悬臂本身的弯曲程度，从而调节探针与样本之间的距离；交流电信号可以激发悬臂在本征频率附近共振，该振动频率与探针到样本的距离有关；通过读取探针的振动频率，并将信号量输入反馈系统进行直流电信号的调节，即可在扫描过程中使振动频率维持在一设定值；扫描过程中直流电信号的大小反映样本的形貌变化。
完全集成的方案具有易于小型化、易于超大规模并行集成的优点，但是，前述的完全集成多探针并行测量技术方案中，如果两个探针之间的距离接近，又具有相同或相近的本征频率，则会出现机械串扰的问题，影响测量结果的准确性。参考文献5中公开了一种大规模集成的扫描探针并行测量方法，不过在该方法中，虽然关于距离的信号量并非由监测共振频率的方式获得，但成像机制不涉及各个探针的反馈控制，因此并不能实现准确的形貌测量；同时，此方案中只需要测量样本上是否有凹陷的形貌，可以认为是二元的即有或者无的测量，而不是关于形貌的准确的模拟量测量。
参考文献如下：
[1]K.Bian,C.Gerber,A.J.Heinrich,et al.Scanning probemicroscopy.Nature Reviews Methods Primers,(2021)1:36.
[2]公开号为EP2926199B1，公开日为2020.9.23，用于具有微米级和纳米级结构尺寸的元件和电路的光刻方法和光刻装置.
[3]Mahdavi M,Coskun M B,Moheimani S.High Dynamic Range AFM CantileverWith aCollocated Piezoelectric Actuator-Sensor Pair[J].Journal ofMicroelectromechanical Systems,2020,PP(99):1-8.
[4]H.Sadeghian,R.Herfst,B.Dekker,et al.High-throughput atomic forcemicroscopes operating in parallel,Review of Scientific Instruments,88,033703(2017).
[5]Pozidis H,Haberle W,Wiesmann D W,et al.Demonstration ofThermomechanical Recording at 641Gbit/in2[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(4):2531-2536.
发明内容
目前在利用集成化探针阵列对样本表面形貌进行并行检测时，由于探针间距小，探针具有相同或相近的本征频率，会出现机械串扰、共振等问题，不能对样本进行准确测量，因此，本发明针对如何使用多大规模集成化探针阵列对样本表面形貌进行准确的高通量检测问题，公开了一种扫描探针成像的方法及其装置。
本发明公开的一种扫描探针成像装置，包含可进行相对移动的载具平面与样本台，其中：
载具平面上固定有探针阵列；每个探针阵列中至少包含3个探针，每个探针的悬臂上集成有距离传感单元和悬臂驱动单元；所述距离传感单元采用非共振方式产生一个信号，该信号量与探针针尖至样本表面距离相关；所述悬臂驱动单元接收反馈控制系统发送的控制信号，驱动悬臂运动，调节探针针尖至样本表面的距离，使得距离传感单元输出的信号量维持在设定值；
样本台包含压电扫描台和位移器；待检测样本固定在压电扫描台上，位移器设置在压电扫描台下方；通过样本台调节样本的高度与倾斜角度；载具平面与样本台之间的垂直距离、水平距离以及夹角可以通过位移器来调节。
本发明的扫描探针成像装置还包括反馈控制系统、数据处理与存储系统、电源与运动控制系统和参考时钟；其中：
反馈控制系统，实时读取每个探针输出的与距离相关的信号量，根据信号量计算输出驱动悬臂运动的控制信号；
数据处理与存储系统，保存反馈控制系统输出随时间变化的控制信号，各个探针输出的信号量，计算获取探针针尖至样本表面距离在扫描过程中的变化量，实现对样本表面成像；
电源与运动控制系统，为距离传感单元、压电扫描台和位移器、反馈控制系统、数据处理与存储系统、以及参考时钟供能；电源与运动控制系统还控制压电扫描台和位移器运动，调节载具平面与样本之间的距离，使得每个探针针尖与样本表面的最大距离不超过悬臂驱动单元实现的最大运动距离；
参考时钟为电源与运动控制系统、数据处理与存储系统以及反馈控制系统提供统一的时间尺度参考。
相应地，本发明提供的一种扫描探针成像方法，包括如下步骤：
步骤1：在载具平面上固定探针阵列，每个探针的悬臂上设置距离传感单元和悬臂驱动单元，距离传感单元采用非共振方式产生一个与探针针尖至样本表面距离相关的信号量；
步骤2：待检测样本固定在压电扫描台上，压电扫描台下方设置位移器，通过位移器调节载具平面与样本台之间的距离，使探针阵列中每个探针针尖与样本表面的最大距离不超过悬臂驱动单元可以实现的最大运动距离；
步骤3：通过压电扫描台使样本在x-y平面移动，各探针的距离传感单元实时输出探测的信号量并传递给反馈控制系统，反馈控制系统根据信号量计算输出驱动悬臂位移的控制信号，并发送给悬臂驱动单元，通过驱动探针悬臂位移，调整探针针尖与样本表面的距离，使得探针的距离传感单元输出的信号量保持在设定值；
步骤4：记录反馈控制系统输出的随时间变化的控制信号，以及各个探针输出的信号量，结合扫描运动过程中样本空间位置随时间的变化，计算探针针尖至样本表面距离在扫描运动过程中的变化量，实现对样本表面成像。
相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明装置利用集成化探针阵列进行多探针同步检测，可实现超大规模的探针集成与高通量、高精度形貌检测，可实现纳米至皮米级别精度的形貌检测。本发明装置及方法可以应用于大规模高密度集成的探针阵列，如探针间距小于200微米，探针数量上万，其中每个探针的成像效率与单一探针成像系统的效率近似，由于各个探针并行工作在不同的空间位置，整体系统的成像速度大致与探针集成的规模成正比。(2)本发明方法基于悬臂驱动的距离调节机制可以由成熟的半导体微机电集成工艺来实现，扫描探针成像技术的工作效率可以实现数个数量级的提升。(3)本发明的探针阵列中，每个探针上集成的距离传感单元在无需悬臂振动的情况下输出一个与探针至样本间距离相关的信号量，避免了高密度(近距离)探针集成的情况下临近悬臂振动导致的机械串扰问题，因此本发明不仅能够实现高速率的成像，还可以保证纳米至皮米精确度的成像质量。
附图说明
图1是单探针的扫描探针成像系统示意图；
图2是本发明的扫描探针成像装置的结构框架图；
图3是本发明的扫描探针阵列与运动控制组件的驱动线路与信号处理线路。
图中：
1-探针针尖；2-悬臂；3-距离传感单元；4-悬臂驱动单元；5-载具平面；6-样本；
7-压电扫描台；8-位移器；9-反馈控制系统；10-电源与运动控制系统；
11-数据处理与存储系统；12-参考时钟。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种大规模集成探针阵列的测控方法及其装置，实现了高通量、纳米至皮米级别精度的形貌检测；其中高通量的目标可以由多探针并行来实现，可使用几十甚至上万探针组成的阵列来进行检测，高精度的目标则需要测量和控制的精度都在纳米至皮米量级。取决于探针的集成规模，采用本发明方法可以实现形貌检测速度比现有扫描探针检测方法有若干数量级的提升。
如图2所示，本发明的扫描探针成像装置，包含：固定于载具平面5的探针阵列，其中每个探针由探针针尖1、悬臂2、以及集成于悬臂上的距离传感单元3和悬臂驱动单元4组成；可以在至少四个空间自由度运动的样本台，用于固定样本6，样本台包括x-y平面方向上的压电扫描台7，以及z方向的位移器8，用来调节样本的高度与倾斜角度。样本6固定在压电扫描台7上，位移器8设置在压电扫描台7的下方。本发明实施例的扫描探针成像装置的系统坐标如图2所示，x-y平面与压电扫描台7平面平行，z轴正方向垂直x-y平面向上。
本发明实施例为了图示清晰，图2中的探针阵列由三个探针共线排列。在本发明方案的实施中，每个探针阵列中至少包含三个探针，多个探针可以是非共线排列，但应尽可能共面排列，以减少系统误差。本发明实施例多个探针共面是指多个探针共处于同一个平面，如平行于样本的平面，平行于x-y面的平面，理想情况下，所有探针均处于同一个平面。
图2中仅画出三个探针以表示多探针阵列，在本发明的实施中，探针阵列可以是一个阵列也可以是多个阵列，每个阵列中的探针数量至少包含三个可以独立测量和控制的探针，具体依据载具平台的面积和单探针的尺寸决定，数量上没有固定的总数限制。
在探针阵列非共线排列的情况下，样本台与载具平面5的相对位置需要在至少五个空间自由度上进行调节，这可以由x-y平面的压电扫描台7加z轴的三个位移器8来实现，也可以由x-y平面的扫描台7加一个z轴位移器8以及两个偏摆台来实现。同理，图2中的两个z轴位移器8也可以由一个z轴位移器8和一个偏摆台来替代。如图2所示，通过压电扫描台7可调整样本在x-y平面的移动，通过位移器8可调整样本在z轴方向上的空间位置。同时，位移器8还实现样本在至少一个旋转自由度的方向调节，所述旋转自由度为绕x轴旋转或者绕y轴旋转，或者绕x轴和y轴两个自由度的旋转。载具平面5的位置也可以通过额外的位移器进行调节，但未标注在图中。
图2中距离传感单元3和悬臂驱动单元4相对于悬臂2的位置仅作参考，在本发明实施中，对两者的具体位置并无严格限制；其中，距离传感单元3和探针针尖1可以为同一实体，例如，当与距离相关的信号量为电流时，电子由探针针尖1向样本表面6发射，探针针尖1即起到了距离传感单元3的作用，提供了一个有关于距离的信号量。图2中所示悬臂驱动单元4，可以但不限于是集成于悬臂2上的压电驱动器、电热驱动器、或者静电力驱动器。悬臂驱动单元4控制悬臂2位移，进而控制探针针尖1与样本6表面的距离。
如图3所示，本发明的扫描探针成像装置的扫描探针阵列的驱动线路与信号处理线路，主要包括距离传感单元3，悬臂驱动单元4，样本台的压电扫描台7和位移器8，反馈控制系统9，电源与运动控制系统10，数据处理与存储系统11，以及参考时钟12。
在测量探针与样本距离的方面，现有技术如参考文献2使用交流电信号激发悬臂共振，该振动频率与探针到样本的距离有关，通过读取探针振动频率来获取距离值。而本发明无需悬臂振动，通过距离传感单元探测探针针尖1至样本6表面的距离，使用非共振的方式实现，可以是基于但不限于使用热学的或者电学的方法，例如：探针与被检测表面之间存在温度差时，如参考文献6所述，探针上可以集成一个温度敏感的电阻来反应距离变化，距离传感单元3即是一个检测温度敏感的电阻，通过测量电阻来确定温度差，进而确定探针针尖1与样本6表面的距离；探针与被检测表面之间存在电势差时，探针尖端可以向被检测表面发射电子，而电流大小与距离有关，如参考文献7所述，即将距离传感单元3与探针针尖1集成一起，通过探针针尖1发射电子探测距离。采用本发明的这种方式避免了高密度(近距离)探针集成的情况下临近悬臂振动导致的机械串扰问题，进而不仅能够实现高速率成像，还可以保证纳米至皮米精确度的成像质量。
其中：参考文献6：Williams C C,Wickramasinghe H K.Scanning thermalprofiler[J].Applied Physics Letters,1986；参考文献7：Behzadirad M,Mecholdt S,Randall J N,et al.Advanced Scanning Probe Nanolithography Using GaN Nanowires[J].Nano letters,2021(13):21。
在控制方面，基于压电、热应力、静电力等方式的微机电驱动器可以实现探针稳定可重复的纳米级别甚至皮米级别的运动控制。
如图3所示，反馈控制系统9实时读取每个探针输出的与距离相关的信号量，根据信号量计算输出驱动悬臂2位移的控制信号。数据处理与存储系统11保存反馈控制系统输出随时间变化的控制信号、各个探针输出的信号量，计算获得探针针尖至样本表面距离在扫描过程中的变化量，实现对样本表面成像。电源与运动控制系统10为距离传感单元3、压电扫描台7和位移器8、反馈控制系统9、数据处理与存储系统11以及参考时钟12供能。电源与运动控制系统10还控制压电扫描台7和位移器8运动，调节载具平面5与样本6之间的距离，使得每个探针针尖1与样本表面的最大距离不超过悬臂驱动单元4实现的最大运动距离。参考时钟12为电源与运动控制系统10、数据处理与存储系统12以及反馈控制系统9提供统一的时间尺度参考。
基于图2与图3所示的装置，本发明实现的探针阵列的测控和成像方法可以是：压电扫描台7和位移器8在电源与运动控制系统10的控制下，调节载具平面5与样本6之间的距离，使探针阵列中每个探针针尖1与样本6表面的最大距离不超过探针悬臂驱动单元4可以实现的最大运动距离H；每个探针上集成的距离传感单元3，由电源与运动控制系统10供能，测量得到与探针针尖1到样本6表面距离相关的信号量S，该信号量被提供给反馈控制系统9；随着样本6和载具平面5之间相对位置发生变化，沿x轴方向或y轴方向进行扫描运动，由于样本6表面形貌的非均匀性，前述信号量S可能会发生变化；在扫描过程中，每个探针的信号量S被实时传递至反馈控制系统9，可标记第i个探针的信号量为Si，i为正整数，反馈控制系统9对各个信号量Si处理，向各探针悬臂上集成的悬臂驱动单元发送控制信号C，可标记发送给第i个探针的控制信号为Ci，该控制信号可以通过悬臂驱动单元4驱动悬臂运动，调节探针针尖1与样本6之间的距离，从而使得前述各个距离传感单元3输出的信号量Si维持在设定值，如预设恒定值X，维持距离传感单元3输出的信号量Si在[X-t,X+t]范围内，t为允许的浮动范围值；各个悬臂2的控制信号Ci随时间的变化也被传递给数据处理与存储系统11，结合扫描运动过程中空间位置信息随时间的变化，即可通过数据处理将各个探针测量得到的样本局域形貌拼接出整体测量结果。系统时钟12为电源与控制单元10、反馈控制系统9和数据处理与存储系统11提供统一的时间参照。反馈控制系统9在接收到探针的信号量后，判断信号量是否超出正常范围，若超出，说明当前系统可能出现问题，需要停止扫描。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本申请相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种扫描探针成像装置，其特征在于，该装置包含：
载具平面，以及固定在载具平面的探针阵列；每个探针阵列中至少包含3个探针，每个探针的悬臂上集成有距离传感单元和悬臂驱动单元；所述距离传感单元采用非共振方式产生一个信号，信号量与探针针尖至样本表面距离相关；所述悬臂驱动单元接收反馈控制系统发送的控制信号，驱动悬臂运动，调节探针针尖至样本表面的距离，使得距离传感单元输出的信号量维持在设定值；
样本台，包含压电扫描台和位移器；待检测样本固定在压电扫描台上，位移器设置在压电扫描台下方；通过样本台调节样本的高度与倾斜角度；
反馈控制系统，实时读取每个探针输出的与距离相关的信号量，并根据信号量计算输出驱动悬臂运动的控制信号；
数据处理与存储系统，保存反馈控制系统输出随时间变化的控制信号，以及各个探针输出的信号量，根据控制信号计算探针针尖至样本表面距离在扫描过程中的变化量，对样本表面成像；
电源与运动控制系统，为距离传感单元、压电扫描台和位移器、反馈控制系统、数据处理与存储系统、以及参考时钟供能；电源与运动控制系统还控制压电扫描台和位移器运动，调节载具平面与样本之间的距离，使得每个探针针尖与样本表面的最大距离不超过悬臂驱动单元实现的最大运动距离；
参考时钟为电源与运动控制系统、数据处理与存储系统以及反馈控制系统提供统一的时间尺度参考。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置中，每个探针阵列中的探针共线排列，或者共面排列。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的距离传感单元使用热学或者电学的方式获取与探针针尖至样本表面距离相关的信号量。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述的距离传感单元和探针针尖为同一实体，通过探针针尖向样本表面发射电子，利用探针针尖与样本表面之间存在的电势差获取一个电流信号，该电流信号随着探针针尖至样本表面距离变化而变化。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的悬臂驱动单元为压电驱动器或电热驱动器或静电力驱动器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的样本台中，压电扫描台调整样本在x-y平面的移动，位移器实现样本在z轴方向上的空间位置调节以及至少一个旋转自由度的调节，所述旋转自由度包括绕x轴旋转和绕y轴旋转；所述x-y平面平行于压电扫描台平面。
7.一种扫描探针成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在载具平面上固定探针阵列，每个探针阵列中至少包含3个探针，每个探针的悬臂上设置距离传感单元和悬臂驱动单元，距离传感单元采用非共振方式产生一个与探针针尖至样本表面距离相关的信号量；
步骤2：待检测样本固定在压电扫描台上，压电扫描台下方设置位移器，通过位移器调节载具平面与样本台之间的距离，使探针阵列中每个探针针尖与样本表面的最大距离不超过悬臂驱动单元的最大运动距离；
步骤3：通过压电扫描台使样本在x-y平面移动，各探针的距离传感单元实时输出探测的信号量并传递给反馈控制系统，反馈控制系统根据信号量计算输出驱动悬臂位移的控制信号，并发送给悬臂驱动单元，通过探针悬臂位移调整探针针尖与样本表面的距离，使得探针的距离传感单元输出的信号量保持在设定值；
步骤4：记录反馈控制系统输出的随时间变化的控制信号，以及各个探针输出的信号量，结合扫描运动过程中样本空间位置随时间的变化，计算探针针尖至样本表面距离在扫描过程中的变化量，实现对样本表面成像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，设置探针的距离传感单元和探针针尖为同一实体，通过探针针尖向样本表面发射电子，利用探针针尖与样本表面之间存在的电势差获取一个电流信号，该电流信号随着探针针尖至样本表面距离变化而变化。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，在扫描过程中，通过压电扫描台调整样本在x-y平面的移动，通过位移器实现样本在z轴方向上的空间位置调节以及至少一个旋转自由度的调节，所述旋转自由度包括绕x轴旋转和绕y轴旋转；所述x-y平面平行于压电扫描台平面。
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| CN202310696111.XA CN116660582A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 一种扫描探针成像的方法及其装置 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN116660582A true CN116660582A (zh) | 2023-08-29 |
Family
ID=87724048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310696111.XA Pending CN116660582A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 一种扫描探针成像的方法及其装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116660582A (zh) |
-
2023
- 2023-06-13 CN CN202310696111.XA patent/CN116660582A/zh active Pending
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