PL227573B1 - Sposób pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej i układ do pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru temperatury w skaningowej mikroskopii termicznej znanej także pod nazwą mikroskopii bliskiego pola termicznego i układ do pomiaru temperatury w skaningowej mikroskopii termicznej znajdującej zastosowanie przy wysokorozdzielczych badaniach właściwości termicznych, zwłaszcza lokalnej temperatury, przewodności cieplnej, struktur mikroelektronicznych, materiałów, itp.

Sposób zwiększenia dokładności pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej znany ze stosowania polega na tym, że sygnał rejestrowany z głowicy wyposażonej w optyczny układ detekcji ugięcia belki jest przetwarzany w układzie proporcjonalno-całkująco-różniczkującym regulowanym przez zadajnik nastaw, generującym sygnał sterowania pionowym położeniem próbki sterujący piezoelektrycznym układem precyzyjnego pozycjonowania oraz sygnał będący różnicą pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego. Dla każdej wartości sygnałów sterowania poziomym położeniem próbki w pamięci bloku akwizycji danych, zapisuje się sygnał sterowania pionowym położeniem próbki oraz sygnał różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego, przy czym sygnał sterowania pionowym położeniem próbki stanowi odwzorowanie powierzchni, natomiast sygnał różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego jest informacją o błędzie odwzorowania powierzchni, ponadto mierzy się temperaturę ostrza i/lub kontroluje się ilość energii cieplnej dostarczanej do ostrza skanującego, po czym wyniki pomiarów z układu kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego zapisuje się w bloku akwizycji danych.

Układ do pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej zawiera generator sygnałów sterujących procesem skanowania połączony z piezoceramicznym układem precyzyjnego pozycjonowania i jednocześnie z blokiem akwizycji danych, który połączony jest z regulatorem proporcjonalno-całkująco-różniczkującym sterowanym blokiem kontroli wartości zadanej oraz parametrów pracy regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego, przy czym do regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego podłączone są głowica skanująca z optycznym układem detekcji wychylenia belki skanującej, piezoceramiczny układ precyzyjnego pozycjonowania i blok akwizycji danych, ponadto piezoceramiczny układ precyzyjnego pozycjonowania połączony jest z blokiem akwizycji danych.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że od ustalonej w bloku zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych, wartości odchyłki temperatury mierzonej od temperatury zadanej ostrza i/lub wartości pochodnej zmian temperatury ostrza po czasie w określonym punkcie powierzchni od wartości zadanej tej pochodnej, w bloku odejmowania odejmuje się odpowiednio sygnały odpowiadające wartościom odchyłki temperatury mierzonej od temperatury zadanej ostrza i/lub wartości pochodnej zmian temperatury ostrza po czasie w określonym punkcie powierzchni, a otrzymanym sygnałem w postaci wartości bezwzględnej różnicy sygnałów, steruje się generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania, w przypadku gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego przekroczy wartość błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki, wstrzymuje się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania, a po uzyskaniu równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia, gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego spadnie poniżej wartości błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki, wznawia się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania.

Istota układu według wynalazku, polega na tym, że ma układ kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego połączony jednocześnie z głowicą skanującą, blok akwizycji danych i poprzez blok odejmowania z generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania, ponadto do bloku odejmowania podłączony jest blok zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych.

Sposób pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej charakteryzuje się zwiększoną dokładnością pomiaru właściwości termicznych, poprzez wykorzystanie sterowania prędkością skanowania powierzchni próbki oraz wstrzymywan ia i uruchamiania generatora sygnałów sterujących procesem skanowania, dokonywanych na podstawie porównania sygnału wartości różnicy temperatury mierzonej od temperatury zadanej ostrza lub/i wartości pochodnej zmian temperatury ostrza po czasie w określonym punkcie powierzchni z zadanymi wartościami granicznymi

PL 227 573 B1 błędu odwzorowania właściwości termicznych. W sposobie według wynalazku, ze względu na zróżnicowany czas ustalania się warunków termicznych w układzie ostrze skanujące-powierzchnia wynikający z właściwości termicznych powierzchni oraz inercji ostrza skanującego, skanowanie powierzchni odbywa się ze zmienną prędkością, co pozwala na zwiększenie dokładności pomiaru właściwości termicznych próbki poprzez zapewnienie odpowiednio długiego czasu kontaktu ostrza z próbką w określonym punkcie powierzchni na ustalenie się warunków termicznych w układzie ostrze skanujące-powierzchnia aż do uzyskania zadanej temperatury ostrza lub/i dostatecznie małych zmian czasowych parametrów termicznych układu ostrze-powierzchnia w określonym punkcie powierzchni, a w przypadku gdy skanowany jest jednorodny termicznie obszar próbki i zmiany sygnału parametrów termicznych ostrza skanującego są pomijalnie małe, szybkość skanowania może być relatywnie duża. W przypadku napotkania ostrza na obszar powodujący znaczące zakłócenie równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia i zwiększenie bezwzględnej wartości sygnału różnicy pomiędzy wartością zadaną błędu odwzorowania właściwości termicznych a wartością odchyłki temperatury mierzonej od temperatury zadanej ostrza lub/i wartości pochodnej zmian temperatury ostrza po czasie w określonym punkcie powierzchni z zadanymi wartościami granicznymi, skanowanie jest spowalniane aż do momentu odzyskania równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia i zmniejszenia wartości bezwzględnej sygnału różnicy pomiędzy wartością zadaną błędu odwzorowania właściwości termicznych a wartością odchyłki temperatury mierzonej od temperatury zadanej ostrza lub/i wartości pochodnej zmian temperatury ostrza po czasie w pomiarowym określonym punkcie powierzchni. W odniesieniu do pomiarów realizowanych ze stałą prędkością, sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie dużo większej dokładności odwzorowania właściwości termicznych powierzchni, ponieważ przy stałej prędkości skanowania, niezależnie od stanu równowagi termicznej ostrze-powierzchnia pomiar jest kontynuowany przez cały czas, przez co istnieje ryzyko wprowadzenia do danych odwzorowania właściwości termicznych powierzchni błędów wynikających z niedostatecznie dokładnego ustalenia stanu równowagi termicznej ostrze-powierzchnia i pomiaru właściwości termicznych powierzchni.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania i uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy skaningowego mikroskopu termicznego wyposażonego w moduł do kontroli dokładności pomiaru właściwości termicznych powierzchni, a fig. 2 - głowicę skanującą z optycznym układem detekcji wychylenia belki skanującej.

Sposób pomiaru właściwości termicznych powierzchni w skaningowej mikroskopii termicznej polega na tym, że sygnał rejestrowany SR z głowicy GS wyposażonej w optyczny układ detekcji ugięcia belki skanującej BS poddaje się przetwarzaniu w układzie proporcjonalno-całkująco-różniczkującym PID regulowanym przez blok kontroli wartości zadanej BZ, gdzie generuje się sygnał sterowania pionowym położeniem próbki SZ sterujący piezoelektrycznym układem precyzyjnego pozycjonowania PZ. W bloku odejmowania BO od ustalonej w bloku zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych BP, w postaci zadanej wartości temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, odejmuje się odpowiednio sygnały odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza. Otrzymanym sygnałem w postaci wartości bezwzględnej różnicy sygnałów, steruje się generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE, w przypadku gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego przekroczy wartość błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki PP, wstrzymuje się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE, a po uzyskaniu równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia, gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego spadnie poniżej wartości błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki PP, wznawia się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE. Dla każdej wartości sygnałów sterowania poziomym położeniem próbki SX, SY w pamięci bloku akwizycji danych BA, zapisuje się sygnał sterowania pionowym położeniem próbki SZ oraz sygnał różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego SR, a także sygnały odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, przy czym sygnał sterowania pionowym położeniem próbki SZ stanowi odwzorowanie powierzchni, natomiast sygnał różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego SR jest informacją o błędzie odwzorowania powierzchni.

Układ do pomiaru temperatury w skaningowej mikroskopii termicznej zawiera generator sygnałów sterujących procesem skanowania GE połączony z piezoceramicznym układem precyzyjnego

PL 227 573 B1 pozycjonowania PZ i jednocześnie z blokiem akwizycji danych BA, który połączony jest z regulatorem proporcjonalno-całkująco-różniczkującym PID sterowanym blokiem kontroli wartości zadanej BZ oraz parametrów pracy regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego PID. Do regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego PID podłączone są głowica skanująca GS z optycznym układem detekcji wychylenia belki skanującej BS, piezoceramiczny układ precyzyjnego pozycjonowania PZ i blok akwizycji danych BA. Piezoelektryczny układ precyzyjnego pozycjonowania PZ połączony jest z blokiem akwizycji danych BA. Ponadto ma układ kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego TP połączony jednocześnie z głowicą skanującą GS, blokiem akwizycji danych BA i poprzez blok odejmowania BO z generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE. Do bloku odejmowania BO podłączony jest blok zadawania parametru błędu granicznego BP odwzorowania właściwości termicznych.

Działanie układu polega na tym, że generator sygnałów sterujących procesem skanowania GE steruje położeniem próbki PP za pomocą sygnałów sterowania poziomego położeniem próbki SX i SY, które generowane są tak, aby zrealizować rastrowe skanowanie powierzchni. Sygnał sterowania pionowym położeniem próbki SZ generowany jest przez regulator PID na podstawie analizy sygnału rejestrowanego SR w głowicy skanującej GS, a mierzonego przez poszczególne sekcje TL, TR, BL i BR fotodiody FD, która jest oświetlana plamką PL promieniowania laserowego PLR generowanego przez laser LA. Przemieszczanie się plamki promieniowania PL wynika z odkształceń belki skanującej BL, która poprzez ostrze skanujące OS służy do mierzenia sił oddziaływań z powierzchnią próbki PP. W układzie kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego TP mierzy się temperaturę ostrza i/lub kontroluje się ilość energii cieplnej dostarczanej do ostrza skanującego, po czym wyniki pomiarów z układu kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego w postaci sygnałów cyfrowych zapisuje się w bloku akwizycji danych BA, natomiast w bloku odejmowania BO od ustalonej w bloku zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych BP, w postaci zadanej wartości temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, odejmuje się odpowiednio sygnały odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, a otrzymanym sygnałem steruje się generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE. W przypadku, gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego przekroczy wartość błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki PP, wstrzymuje się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE, a po uzyskaniu równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia, gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego spadnie poniżej wartości błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki PP, wznawia się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania GE. Działanie regulatora PID pozwala na utrzymanie stałego nacisku ostrza na powierzchnię, dzięki czemu przy zachowaniu odległości siły nacisku na niezmienionym poziomie i przesuwaniu ostrza po próbce (skanowaniu) możliwe jest odwzorowanie powierzchni próbki. W przypadku gdy ostrze napotyka na struktury na powierzchni, zaburzana jest siła nacisku, wobec czego trafiający do regulatora PID sygnał zmienia swoją wartość. Zadaniem regulatora PID jest zmienić sygnał wyjściowy tak, aby mierzona wartość siły nacisku ponownie zrównała się z wartością zadaną, a ostrze skanujące OS prawidłowo odwzorowywało topografię powierzchni próbki PP. Czas tego ustalenia ograniczony jest parametrami regulatora PID, ograniczeniami widmowymi układów elektronicznych oraz stałymi czasowymi reakcji piezoelektrycznego układu precyzyjnego pozycjonowania PZ.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

BA - blok akwizycji danych,

BO - blok odejmowania,

BS - belka skanująca ze zintegrowanym ostrzem skanującym,

BL - dolna lewa sekcja fotodiody,

BP - blok zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych,

BR - dolna prawa sekcja fotodiody,

BZ - blok kontroli wartości zadanej oraz parametrów pracy regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID),

PID - regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący,

FD - fotodetektor,

PL 227 573 B1

GE - generator sygnałów sterujących procesem skanowania (osie X i Y),

GS - głowica skanująca z optycznym układem detekcji wychylenia belki skanującej,

LA - laser,

OS - ostrze skanujące,

PL - plamka,

PLR - wiązka promieniowania laserowego,

PL - światło odbite,

PP - badana powierzchnia próbki,

PZ - piezoelektryczny układ precyzyjnego pozycjonowania,

TL - górna lewa sekcja fotodiody,

TP - układ kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego,

TR - górna prawa sekcja fotodiody,

SR - sygnał rejestrowany,

SX - sygnał sterowania poziomym położeniem próbki,

SY - sygnał sterowania poziomym położeniem próbki,

SZ - sygnał sterowania pionowym położeniem próbki.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru temperatury w skaningowej mikroskopii termicznej polegający na tym, że mierzy się temperaturę ostrza i/lub kontroluje się ilość energii cieplnej dostarczanej do ostrza skanującego, po czym wyniki pomiarów z układu kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego w postaci sygnałów cyfrowych zapisuje się w bloku akwizycji danych, znamienny tym, że w bloku odejmowania (BO) od ustalonej w bloku zadawania parametru błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych (BP), w postaci zadanej wartości temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, odejmuje się odpowiednio sygnały odpowiadające zmierzonym wartościom temperatury ostrza i/lub ilości energii cieplnej dostarczanej do ostrza, a otrzymanym sygnałem w postaci wartości bezwzględnej różnicy sygnałów, steruje się generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania (GE), w przypadku gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego przekroczy wartość błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki (PP), wstrzymuje się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania (GE), a po uzyskaniu równowagi termicznej układu ostrze-powierzchnia, gdy wartość bezwzględna różnicy sygnałów pomiędzy wartością zadaną a wartością sygnału rejestrowanego spadnie poniżej wartości błędu granicznego odwzorowania właściwości termicznych badanej powierzchni próbki (PP), wznawia się proces skanowania sterowany generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania (GE).

2. Układ do pomiaru temperatury w skaningowej mikroskopii termicznej zawiera generator sygnałów sterujących procesem skanowania połączony z piezoceramicznym układem precyzyjnego pozycjonowania i jednocześnie z blokiem akwizycji danych, który połączony jest z regulatorem proporcjonalno-całkująco-różniczkującym PID sterowanym blokiem kontroli wartości zadanej oraz parametrów pracy regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego PID, ponadto do regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego PID podłączone są głowica skanująca z optycznym układem detekcji wychylenia belki skanującej BS, piezoceramiczny układ precyzyjnego pozycjonowania i blok akwizycji danych, zaś piezoelektryczny układ precyzyjnego pozycjonowania połączony jest z blokiem akwizycji danych, znamienny tym, że ma układ kontroli parametrów termicznych ostrza skanującego (TP) połączony jednocześnie z głowicą skanującą (GS), blokiem akwizycji danych (BA) i poprzez blok odejmowania (BO) z generatorem sygnałów sterujących procesem skanowania (GE), ponadto do bloku odejmowania (BO) podłączony jest blok zadawania parametru błędu granicznego (BP) odwzorowania właściwości termicznych.