RU2179704C2 - Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope - Google Patents

Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope Download PDF

Info

Publication number
RU2179704C2
RU2179704C2 RU2000105973/28A RU2000105973A RU2179704C2 RU 2179704 C2 RU2179704 C2 RU 2179704C2 RU 2000105973/28 A RU2000105973/28 A RU 2000105973/28A RU 2000105973 A RU2000105973 A RU 2000105973A RU 2179704 C2 RU2179704 C2 RU 2179704C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoscanner
reference sample
calibration
standard specimen
microscope
Prior art date
Application number
RU2000105973/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000105973A (en
Inventor
А.Л. Толстихина
Н.В. Белугина
Р.В. Гайнутдинов
Original Assignee
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН filed Critical Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН
Priority to RU2000105973/28A priority Critical patent/RU2179704C2/en
Publication of RU2000105973A publication Critical patent/RU2000105973A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2179704C2 publication Critical patent/RU2179704C2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Abstract

FIELD: study of materials, examination of surface structure of crystals and films. SUBSTANCE: stepped surface of standard specimen is scanned by probe. Correction coefficient is entered into control program of microscope by comparison of scanning results with values of parameters of standard specimen. Crystal of trioglycilsulfate spalled along cleavage plane 010 is used in the capacity of standard specimen. EFFECT: increased precision, reduced labor input and guarantee of high reproducibility of test structures. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области материаловедения, точнее к исследованию поверхностной структуры кристаллов и пленок в мезоскопическом диапазоне размеров методом атомно-силовой микроскопии и прецизионному инструментарию для научных и производственно-технологических исследований. The invention relates to the field of materials science, and more specifically to the study of the surface structure of crystals and films in the mesoscopic size range by atomic force microscopy and precision instruments for scientific and industrial research.

Принцип работы атомно-силового микроскопа (АСМ) основан на сканировании зондом поверхности исследуемого образца, изменение положения которого по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z осуществляется при помощи пьезосканера. Ввиду неидеальности пьезокерамики сканер микроскопа дает нелинейную зависимость по высоте, что приводит к искажению получаемых изображений. Таким образом, для обеспечения достоверности результатов периодически возникает необходимость калибровки сканера. The principle of operation of the atomic force microscope (AFM) is based on the probe scanning the surface of the test sample, the change of position of which along three mutually perpendicular axes X, Y, Z is carried out using a piezoscanner. Due to the imperfect nature of piezoceramics, the microscope scanner gives a nonlinear height dependence, which leads to distortion of the resulting images. Thus, to ensure the reliability of the results, it is periodically necessary to calibrate the scanner.

Известен способ калибровки пьезосканера АСМ, в котором в качестве эталонного образца используют кремниевые калибровочные решетки TGZ01, изготовленные на основе планарной технологии [http://www.ntmdt.ru/, дата обновления 2.10.1999 г. , фирма Нанотехнология МДТ]. К недостаткам этого способа относятся: 1) минимальное значение высоты ступенек решетки составляет 200

Figure 00000002
что не обеспечивает точное измерение величин в атомарном диапазоне значений; 2) сложный и дорогостоящий способ изготовления калибровочных решеток на основе планарной технологии и измерения высоты ступенек другими методами.There is a known method for calibrating a AFM piezoscanner, in which TGZ01 silicon calibration gratings made on the basis of planar technology are used as a reference sample [http://www.ntmdt.ru/, update date 2.10.1999, MDT Nanotechnology company]. The disadvantages of this method include: 1) the minimum value of the height of the steps of the lattice is 200
Figure 00000002
that does not provide accurate measurement of values in the atomic range of values; 2) a complex and expensive method of manufacturing calibration gratings based on planar technology and measuring the height of steps by other methods.

Ближайшим по сущности и по достигаемому результату техническим решением к предлагаемому является способ калибровки пьезосканера АСМ, в котором в качестве эталонного образца используют ямки на поверхности кристаллической слюды, изготовленные путем ее облучения и последующего травления в концентрированной плавиковой кислоте [Nagahara L.A. etc, Mica etch pits as a height calibration source for atomic force microscopy, J.Vac. Sci. Techol., 1994. V.B. 12, 3, p. 1694-1697]. Недостатками этого способа являются: 1) сложность приготовления эталонного образца (облучение высокоэнергетическими ионами, травление); 2) разброс по геометрическим размерам полученных ямок травления; 3) образование грубого рельефа вследствие химического травления. The closest in essence and to the achieved result technical solution to the proposed one is the AFM piezoscanner calibration method, in which pits on the surface of crystalline mica made by irradiation and subsequent etching in concentrated hydrofluoric acid are used as a reference sample [Nagahara L.A. etc, Mica etch pits as a height calibration source for atomic force microscopy, J.Vac. Sci. Techol., 1994. V.B. 12, 3, p. 1694-1697]. The disadvantages of this method are: 1) the difficulty of preparing a reference sample (irradiation with high-energy ions, etching); 2) the spread in geometric dimensions of the etched pits obtained; 3) the formation of a rough relief due to chemical etching.

Предлагаемый способ калибровки пьезосканера АСМ позволяет избежать указанных недостатков и существенно повысить точность АСМ-измерений, снизить трудоемкость изготовления эталонных образцов, а также обеспечить высокую воспроизводимость тестовых структур. The proposed method for calibrating a AFM piezoscanner allows avoiding the indicated drawbacks and significantly increasing the accuracy of AFM measurements, reducing the laboriousness of manufacturing reference samples, and also ensuring high reproducibility of test structures.

Сущность предлагаемого способа калибровки пьезосканера заключается в сканировании зондом ступенчатой поверхности эталонного образца, сравнении значений параметров эталонного образца со значениями параметров, полученных в результате его сканирования, и использовании результатов сравнения для введения поправочного коэффициента в управляющую программу микроскопа, причем в качестве эталонного образца используют кристалл триглицинсульфата (ТГС), сколотый по плоскости спайности (010). The essence of the proposed method for calibrating a piezoscanner is to scan the stepped surface of the reference sample with a probe, compare the values of the parameters of the reference sample with the values of the parameters obtained as a result of its scanning, and use the comparison results to introduce a correction factor into the control program of the microscope, and a triglycine sulfate crystal is used as the reference sample (TGS), cleaved along the cleavage plane (010).

Эталонный образец представляет собой кристалл триглицинсульфата (ТГС) (NН3CH2OO)3H2SO4, сколотый по плоскости спайности (010), нормальной к оси поляризации, на атомарно-гладкой поверхности которого в результате раскола образуются ступени и впадины, высота и глубина которых составляет b/2 (где b - параметр моноклинной элементарной ячейки ТГС, представляющий собой вектор, параллельный вектору спонтанной поляризации. Причем элементарная ячейка характеризуется следующими параметрами a=9,15 А, b=12,69

Figure 00000003
с=5,73 А, β = 105°). Тот факт, что все ступени на плоскости указанного скола обладают равной высотой, обеспечивает выполнение основного условия калибровки пьезосканера (стабильность параметров тестовой структуры эталонного образца).The reference sample is a triglycine sulfate (TGS) crystal (NH 3 CH 2 OO) 3 H 2 SO 4 , chipped along the cleavage plane (010), normal to the axis of polarization, on the atomically smooth surface of which steps and troughs form as a result of a split, the height and the depth of which is b / 2 (where b is the parameter of the TGS monoclinic unit cell, which is a vector parallel to the spontaneous polarization vector. Moreover, the unit cell is characterized by the following parameters a = 9.15 A, b = 12.69
Figure 00000003
c = 5.73 A, β = 105 ° ). The fact that all steps on the plane of the indicated cleavage are of equal height ensures the fulfillment of the basic condition for the calibration of the piezoscanner (stability of the parameters of the test structure of the reference sample).

Предлагаемый способ калибровки пьезосканера наглядно проиллюстрирован схемой, представленной на фиг.1. The proposed method for calibrating a piezoscanner is clearly illustrated by the circuit shown in figure 1.

Эталонный образец 1 размещен на пьезосканере 2. Программа управления микроскопом задает механическое перемещение сканера в направлении оси Z. При приближении образца к острию 3 датчика 4 на расстояние в несколько десятков ангстрем между ними возникает взаимодействие, зависящее от рельефа поверхности. The reference sample 1 is placed on the piezoscanner 2. The microscope control program sets the scanner to move mechanically in the direction of the Z axis. When the sample approaches the tip 3 of sensor 4 over a distance of several tens of angstroms, an interaction arises between them, depending on the surface topography.

Результат этого взаимодействия преобразуется в электрический сигнал при помощи лазера 5 и фотодиода 6. The result of this interaction is converted into an electrical signal using a laser 5 and a photodiode 6.

Затем управляющая программа задает механическое пошаговое перемещение сканера в плоскости XY, что приводит к изменению электрического сигнала по мере изменения рельефа поверхности. По этому изменению электрического сигнала формируется изображение поверхности образца. Then the control program sets the mechanical stepwise movement of the scanner in the XY plane, which leads to a change in the electrical signal as the surface topography changes. According to this change in the electrical signal, an image of the surface of the sample is formed.

По полученному изображению поверхности эталонного образца вычисляют значение высоты ступеней (или глубины впадин), которое сравнивают с эталонным значением b/2. По результату сравнения определяют поправочный коэффициент, учитывающий нелинейность пьезосканера в направлении оси Z. From the obtained image of the surface of the reference sample, the value of the height of the steps (or the depth of the troughs) is calculated, which is compared with the reference value b / 2. Based on the comparison result, a correction factor is determined that takes into account the nonlinearity of the piezoscanner in the direction of the Z axis.

Этот поправочный коэффициент вводят в управляющую программу, которая задает перемещение образца с учетом нелинейности пьезосканера. This correction factor is introduced into the control program, which sets the movement of the sample taking into account the nonlinearity of the piezoscanner.

Предлагаемый способ калибровки осуществлен и описан в следующем конкретном примере. The proposed calibration method is implemented and described in the following specific example.

В качестве эталонного образца был взят кристалл ТГС размером 5 • 5 • 2 мм. Скол был произведен по плоскости спайности (010) перпендикулярно сегнетоэлектрической оси. При этом поверхность скола представляла собой совокупность ступеней и впадин со стабильной высотой, равной b/2. Схема строения ступенчатой поверхности скола показана на фиг.2. A TGS crystal of size 5 • 5 • 2 mm was taken as a reference sample. Chipping was performed along the cleavage plane (010) perpendicular to the ferroelectric axis. In this case, the cleaved surface was a set of steps and troughs with a stable height equal to b / 2. The structure diagram of the stepped surface of the cleavage is shown in figure 2.

После того как образец разместили на пьезосканере и подвели его поверхность к острию датчика, было проведено сканирование его поверхности в плоскости XY по 256•256 точкам с шагом сканирования

Figure 00000004
Скорость сканирования составляла
Figure 00000005

В результате сканирования участка поверхности данного образца было получено трехмерное изображение поверхности, приведенное на фиг.3. По данному изображению через координаты Х=0, Y=100000
Figure 00000006
был построен профиль поверхности, на котором высота ступени составляла 8 А. Таким образом разница между определенным и эталонным значением составила 1,655
Figure 00000007
(с учетом того, что b/2=6,345
Figure 00000008
).After the sample was placed on a piezoscanner and brought its surface to the tip of the sensor, we scanned its surface in the XY plane at 256 • 256 points with a scanning step
Figure 00000004
The scanning speed was
Figure 00000005

As a result of scanning the surface area of this sample, a three-dimensional image of the surface was obtained, shown in FIG. According to this image, through the coordinates X = 0, Y = 100000
Figure 00000006
a surface profile was built on which the step height was 8 A. Thus, the difference between the determined and the reference value was 1.655
Figure 00000007
(taking into account that b / 2 = 6.345
Figure 00000008
)

По заданному в управляющей программе алгоритму из полученной разницы был определен поправочный коэффициент, впоследствии введенный в эту программу, что позволило учесть нелинейные искажения пьезосканера. According to the algorithm specified in the control program, the correction coefficient was determined from the difference obtained, which was subsequently introduced into this program, which made it possible to take into account the nonlinear distortions of the piezoscanner.

Таким образом, использование в качестве эталонного образца для калибровки пьезосканера кристалла ТГС, изготовленного указанным выше методом, позволяет существенно облегчить процесс изготовления тестовой структуры эталонного образца (отсутствуют облучение и травление) и при этом обеспечить существенно более высокую стабильность геометрических параметров эталонного образца, вследствие отсутствия таких разрушающих факторов как травление. Thus, the use of a TGS crystal manufactured by the above method as a reference sample for calibrating a piezoscanner can significantly simplify the process of manufacturing the test structure of a reference sample (there is no irradiation and etching) and at the same time provide a significantly higher stability of the geometric parameters of the reference sample, due to the absence of such destructive factors like etching.

Claims (1)

Способ калибровки пьезосканера атомно-силового микроскопа, заключающийся в сканировании зондом ступенчатой поверхности эталонного образца, сравнении значений параметров эталонного образца со значениями параметров, полученных в результате его сканирования, и использовании результатов сравнения для введения поправочного коэффициента в управляющую программу микроскопа, отличающийся тем, что в качестве эталонного образца используют кристалл триглицинсульфата, сколотый по плоскости спайности (010). A method of calibrating a piezoscanner of an atomic force microscope, which consists in scanning the stepped surface of a reference sample with a probe, comparing the parameters of the standard sample with the values of the parameters obtained as a result of scanning it, and using the comparison results to introduce a correction factor in the microscope control program, characterized in that A triglycine sulfate crystal cleaved along the cleavage plane (010) is used as a reference sample.
RU2000105973/28A 2000-03-14 2000-03-14 Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope RU2179704C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000105973/28A RU2179704C2 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000105973/28A RU2179704C2 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000105973A RU2000105973A (en) 2002-01-27
RU2179704C2 true RU2179704C2 (en) 2002-02-20

Family

ID=20231703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000105973/28A RU2179704C2 (en) 2000-03-14 2000-03-14 Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2179704C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6218264B1 (en) Method of producing a calibration standard for 2-D and 3-D profilometry in the sub-nanometer range
US7372016B1 (en) Calibration standard for a dual beam (FIB/SEM) machine
US20060038125A1 (en) Electric charged particle beam microscopy, electric charged particle beam microscope, critical dimension measurement and critical dimension measurement system
JP4287671B2 (en) Standard member for length measurement, method for producing the same, and electron beam length measuring device using the same
WO1985004250A1 (en) Method and apparatus for precision sem measurements
US5476006A (en) Crystal evaluation apparatus and crystal evaluation method
US5602323A (en) Method of manufacturing reference samples for calibrating amount of measured displacement and reference sample, and measuring instrument and calibration method
JPH06349920A (en) Electric charge measuring method of semiconductor wafer
RU2179704C2 (en) Process of calibration of piezoscanner of atomic power microscope
US7361941B1 (en) Calibration standards and methods
KR100955434B1 (en) Nondestructive characterization of thin films using measured basis spectra and/or based on acquired spectrum
JP3735614B2 (en) Transmission electron microscope observation base sample, transmission electron microscope measurement method, and transmission electron microscope apparatus
US20050142672A1 (en) Method for monitoring an ion implanter
Dixson et al. Toward traceability for at-line AFM dimensional metrology
US6405584B1 (en) Probe for scanning probe microscopy and related methods
JP2002333412A (en) Standard sample for electronic probe microanalyser and manufacturing method of standard sample
JPH0658753A (en) Measured length correction method
JP2005038996A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP3130177B2 (en) Crystal evaluation apparatus and crystal evaluation method
JP3626523B2 (en) Measuring method of oxygen injection amount into Si wafer by infrared absorption
Yamazaki et al. Precise measurement of local strain fields with energy-unfiltered convergent-beam electron diffraction
KR100657144B1 (en) Method for Calibration of Magnification of Transmission Election Microscopy
Hussain et al. Atomic force microscope study of three-dimensional nanostructure sidewalls
JP5237039B2 (en) Semiconductor measuring device, semiconductor measuring method, sample preparation method, and scanning capacitive microscope
Dragoset et al. Scanning tunneling microscopy (STM) of a diamond-turned surface and a grating replica

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050315