RU2479063C1 - Способ определения рельефа поверхности - Google Patents
Способ определения рельефа поверхности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2479063C1 RU2479063C1 RU2011146313/07A RU2011146313A RU2479063C1 RU 2479063 C1 RU2479063 C1 RU 2479063C1 RU 2011146313/07 A RU2011146313/07 A RU 2011146313/07A RU 2011146313 A RU2011146313 A RU 2011146313A RU 2479063 C1 RU2479063 C1 RU 2479063C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensitive elements
- speckle
- sensitive
- beams
- recording
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 8
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 16
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000005338 frosted glass Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат - повышение информативности о профиле поверхности, скорости съема и обработки информации. Способ определения рельефа поверхности включает перемещение вдоль исследуемой поверхности набора чувствительных элементов и регистрацию их показаний, пропорциональных изменениям рельефа. Чувствительные элементы выполняют упругими, не контактирующими друг с другом и плотно заполняющими область плоскости над исследуемым участком поверхности, размещают их в поле зрения спекл-интерферометра, регистрируют в качестве опорной спеклограмму чувствительных элементов до начала их перемещения вдоль исследуемой поверхности и их спеклограмму в каждый момент времени в процессе перемещения, сравнивают эти спеклограммы путем вычитания и по полученной в результате сравнения спекл-интерферограмме, на которой одновременно в реальном масштабе времени регистрируются линии уровня микроперемещений всех чувствительных элементов набора в виде спекл-интерферометрических полос, и определяют прогиб каждого чувствительного элемента по соответствующему фрагменту спекл-интерферограммы. 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью профилометров, в частности к сканирующей зондовой микроскопии (SPM-микроскопии), в частности к атомно-силовой микроскопии (AFM- или АСМ-микроскопии), и может быть использовано для получения пространственных распределений свойств поверхности и расположенных на ней слоев.
Известно устройство перемещений для нанотехнологии, содержащее пьезопривод, жестко связанный с неподвижной платформой, зонд, закрепленный на пьезоприводе и связанный с подложкой, установленной на подложке-держателе, жестко связанном с неподвижным основанием (RU 30030 U1 [1]).
Недостатком известного устройства является невозможность измерения перемещений зонда пьезопривода при выполнении нанотехнологических операций.
Известно устройство (RU 78368 U1[2]) перемещений для нанотехнологии, содержащее пьезопривод, жестко связанный с неподвижной платформой, зонд, закрепленный на пьезоприводе и связанный с подложкой, установленной на подложкодержателе, который жестко связан с неподвижным основанием. Зонд закреплен на пьезоприводе посредством упругой консольной балки, на рабочую поверхность которой нанесен тонкий слой серебра. Устройство снабжено источником лазерного излучения, зеркалом и фотоприемником лазерного излучения; при этом источник лазерного излучения и зеркало жестко связаны с неподвижной платформой. Источник лазерного излучения установлен на неподвижной платформе с возможностью многократного падения-отражения луча лазера от рабочей поверхности балки и зеркала. Введение в устройство перемещений для нанотехнологии тонкого слоя серебра, нанесенного на рабочую поверхность консольной балки, обеспечивающего возможность многократного отражения лучей от рабочей поверхности, источника лазерного излучения, установленного на неподвижной опоре, зеркала, жестко связанного с неподвижной опорой, фотоприемника позволяет определять перемещения сканирующего зонда. Недостатком известного устройства является относительная сложность средства регистрации перемещений, трудность разделения изгибных и крутильных перемещений зонда и малая производительность, обусловленная наличием всего одного зонда.
Известен многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), реализующий способ определения рельефа поверхности и представляющий собой основание, к которому крепятся три одинаковые прямоугольные балки, являющиеся гибкой обкладкой конденсатора, на дальнем от основания конце которых расположены иглы (N. Blanc, J. Brugger and N.F. de Rooij "Scanning force microscopy in the dynamic mode using microfabricated capacitive sensors" J. Vacuum Science Technology В 14(2), Mar/Apr 1996, pp.901-905 [3]). Балки размещены над жесткими основаниями, которые служат второй обкладкой конденсатора. При изгибе балок, возникающем при сканировании исследуемого образца, измеряется изменение емкости между балкой и жестким основанием.
Недостатком указанного устройства является паразитная чувствительность к параметрам окружающей среды (изменению ее диэлектрической постоянной). Кроме этого, возможно возникновение паразитного влияния емкости между двумя соседними балками, что накладывает ограничение на уменьшение расстояния между ними.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей технической сущности является способ наблюдения рельефа исследуемой поверхности, реализуемый с помощью кантилевера для сканирующего зондового микроскопа, состоящего из основания, к которому прикреплены несколько балок с иглами, расположенными на дальнем от основания конце каждой балки. Концы игл расположены в одной плоскости и каждая балка имеет отличную от других резонансную частоту колебаний (RU 2124251 [4]).
Способ реализуется следующим образом. При сканировании исследуемой поверхности возбуждают резонансные колебания каждой из балок. При движении игл кантилевера вдоль рельефа исследуемой поверхности происходит изменение параметров колебания (частота, амплитуда, фаза). Изменение этих характеристик измеряется сканирующим зондовым микроскопом. Для этого в выходном сигнале выделяется частота, принадлежащая каждой из балок, и определяется изменение параметров колебания каждой из них. Например, при оптическом считывании сигнала в СЗМ выходной сигнал поступает с фотодиода. Он содержит все частоты, принадлежащие каждой из балок кантилевера. Проведя селекцию их частот, можно детектировать сигнал, принадлежащий отдельной балке, и наблюдать изображение исследуемой поверхности, получаемое с каждой балки.
Недостатком известного способа является сложность обработки (при большом количестве зондов) поступаемой от каждого из зондов информации, необходимость в специальном оборудовании (каждый из зондов должен иметь характерную резонансную частоту) для реализации способа. В результате производительность исследования рельефа поверхности будет невысокой.
Заявляемый способ определения рельефа поверхности направлен на повышение информативности о профиле поверхности, скорости съема и обработки информации.
Указанный результат достигается тем, что способ определения рельефа поверхности включает перемещение вдоль исследуемой поверхности набора чувствительных элементов и регистрацию их показаний, пропорциональных изменениям рельефа, при этом чувствительные элементы выполняют упругими, не контактирующими друг с другом и плотно заполняющими область плоскости над исследуемым участком поверхности, размещают их в поле зрения спекл-интерферометра, регистрируют в качестве опорной спеклограмму чувствительных элементов до начала их перемещения вдоль исследуемой поверхности и их спеклограмму в каждый момент времени в процессе перемещения, сравнивают эти спеклограммы путем вычитания и по полученной в результате сравнения спекл-интерферограмме, на которой одновременно в реальном масштабе времени регистрируются линии уровня микроперемещений всех чувствительных элементов набора в виде спекл-интерферометрических полос, и определяют прогиб каждого чувствительного элемента по соответствующему фрагменту спекл-интерферограммы.
Одновременное определение прогиба всей совокупности чувствительных элементов позволяет получать информацию о профиле поверхности сразу от большого числа точек, равного числу зондов. И именно использование электронной спекл-интерферограммы, регистрирующей изменение состояния всей совокупности чувствительных элементов, позволяет обеспечить одновременное определение их прогибов, пропорциональных рельефу измеряемой поверхности, т.е. определить линии уровня микроперемещений всех чувствительных элементов набора, регистрируемых на спекл-интерферограммах в виде системы разностных интерференционных полос в реальном масштабе времени.
Данный способ опирается на принцип спекл-интерферометрической регистрации малых перемещений поверхности объекта наблюдения в форме интерферометрических полос, соответствующих линиям уровня этих перемещений (изолиний). Плотность расположения изолиний - шаг полос - определяется длиной волны лазера спекл-интерферометра и трехмерным профилем функции распределения перемещений на поверхности наблюдения.
Сущность заявляемого способа определения рельефа поверхности поясняется примером реализации и графическими материалами. На фиг.1 показана принципиальная схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ. На фиг.2 приведены изображения наборов чувствительных элементов: а - набор из 18-ти, б - из 40 консолей. На фиг.3 показаны спекл-интерферограммы изгиба балок наборов чувствительных элементов: а - из 18 балок; б, в - из 40 балок при обработке в реальном времени; г - двухэкспозиционная обработка состояний б и в.
Экспериментальная регистрация картины линий уровня малых перемещений на площади набора чувствительных элементов осуществляется с помощью электронного спекл-интерферометра. Одна из оптических схем такого интерферометра для регистрации нормальных перемещений наблюдаемой поверхности, построенная подобно схеме Майкельсона, представлена на фиг.1 (цифрой 1 обозначен лазер, 2 - коллиматор, 3 - полупрозрачное делительное зеркало, 4 - диффузно-отражающая неподвижная пластина, 5 - видеокамера, 6 - поверхность объекта наблюдения; стрелками показаны направления лучей).
Луч лазера 1, проходя через стеклянную матовую пластину 2, равномерно освещает полупрозрачное зеркало 3, расположенное под углом 45 градусов к падающему лучу. Это зеркало делит падающий на него световой поток на проходящий (опорный луч) и отраженный (предметный луч), направляемый на поверхность объекта наблюдения 6. Опорный луч, отразившись от неподвижного зеркала 4, снова попадает на делительное зеркало 3, а затем - в видеокамеру 5. Предметный луч, отразившись от поверхности 6 и пройдя через делительное зеркало 3, также попадает в видеокамеру. Интерференция предметного и опорного лучей создает спекл-картину, которая регистрируется видеокамерой, передается в ЭВМ и запоминается как опорный кадр.
Происходящие после записи опорного кадра микроперемещения поверхности объекта наблюдения отображаются на непрерывно транслируемой в ЭВМ спекл-картине и могут быть сравнены с исходным состоянием, зафиксированным в опорном кадре. В результате покадрового вычитания матрицы исходной спекл-картины из матрицы текущего состояния образуется спекл-интерферограмма, в том числе - динамическая - в режиме реального времени: места поверхности объекта наблюдения, нормальные перемещения которых отсутствовали либо были близки целому числу полуволн лазера, выглядят на ней как темные полосы; напротив, места поверхности, перемещения которых близки полуцелому числу полуволн лазера, выглядят как светлые полосы.
В качестве объекта наблюдения может быть задан набор чувствительных элементов в виде гребенки близко расположенных друг к другу, но не контактирующих между собой (вне заделки) тонких упругих полосок-консолей. На фиг.2a, b изображены такие наборы на площади 2×2 см (a - набор из 18-ти консолей, b - из 40). При таком расположении консольных чувствительных элементов изгибные перемещения отдельных консолей не влияют на перемещения соседних консолей, и в то же время отображение их перемещений в виде линий уровня при спекл-интерферометрическом наблюдении за всей гребенкой чувствительных элементов регистрируется как часть общей интерференционной картины, охватывающей все консоли. В результате с помощью единственного оптического считывателя информации - разностной спекл-интерферограммы - одновременно регистрируются данные с большого числа датчиков, равного числу консолей в гребенке (мультисенсоре).
На фиг.3а приведена одна из спекл-интерферограмм для 18-ти балочного мультисенсора, полученная при изгибе составляющих его консолей, вызванном одновременно приложенными, но различными воздействиями на каждую из балок; величины этих воздействий определяются по числу полос вдоль консолей. На фиг.3б, в представлены спекл-интерферограммы, выделенные из интерферограммы реального времени при последовательно нарастающих воздействиях на группы консолей в случае 40-балочного мультисенсора. На этих спекл-интерферограммах зарегистрированы два состояния, достаточно отдаленных по времени от исходного, в результате чего полосы на некоторых балках неразличимы. Для выявления различий в состояниях, изображенных на этих рисунках, параллельно с обработкой в реальном времени делается двухэкспозиционная обработка интерферограмм (т.е. двух последовательных состояний, разделенных сравнительно небольшим временным промежутком), результат которой для состояний, изображенных на фиг.3б, в, представлен на фиг.3 г. По этому изображению видно, что между состояниями, отображенными на фиг.3б и фиг.3в, произошли заметные перемещения по верхней группе балок при относительной неподвижности нижней группы балок, что является информацией об изменениях сил, воздействующих на эти группы балок между двумя зафиксированными положениями набора чувствительных элементов при его движении вдоль изучаемой поверхности, т.е. об изменениях профиля поверхности под данной группой балок.
Расчет перемещений wj концов каждой балки мультисенсора и величин воздействующих на них сил Qj производится по формулам
j=1, 2, …,N
где λ - длина полуволны лазера, nj (j=1, 2, …, N) - число темных полос, зарегистрированное на балке, l - длина балки, EI - жесткость балок на изгиб, N - число балок мультисенсора.
Этот расчет позволяет определять перемещения концов балок с субмикронной точностью. При необходимости данный расчет, а следовательно, и величины сил взаимодействия кантилеверов с изучаемой поверхностью могут быть уточнены по алгоритму, учитывающему не только число полос, но и их расположение, описанному в патенте RU №2359221 [5]. При таком расчете чувствительность мультисенсора по перемещениям балок-консолей повышается до величин порядка 1 нм.
Claims (1)
- Способ определения рельефа поверхности, включающий перемещение вдоль исследуемой поверхности набора чувствительных элементов и регистрацию их показаний, пропорциональных изменениям рельефа, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполняют упругими, не контактирующими друг с другом и плотно заполняющими область плоскости над исследуемым участком поверхности, размещают их в поле зрения спекл-интерферометра, регистрируют в качестве опорной спеклограмму чувствительных элементов до начала их перемещения вдоль исследуемой поверхности и их спеклограмму в каждый момент времени в процессе перемещения, сравнивают эти спеклограммы путем вычитания и по полученной в результате сравнения спекл-интерферограмме, на которой одновременно в реальном масштабе времени регистрируются линии уровня микроперемещений всех чувствительных элементов набора в виде спекл-интерферометрических полос, и определяют прогиб каждого чувствительного элемента по соответствующему фрагменту спекл-интерферограммы.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146313/07A RU2479063C1 (ru) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Способ определения рельефа поверхности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146313/07A RU2479063C1 (ru) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Способ определения рельефа поверхности |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2479063C1 true RU2479063C1 (ru) | 2013-04-10 |
Family
ID=49152419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011146313/07A RU2479063C1 (ru) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Способ определения рельефа поверхности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2479063C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559797C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Способ дилатометрии |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5193385A (en) * | 1990-08-28 | 1993-03-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Cantilever for use in atomic force microscope and manufacturing method therefor |
| RU2124251C1 (ru) * | 1996-12-06 | 1998-12-27 | Закрытое акционерное общество "НТ-МДТ" | Многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа |
| RU78368U1 (ru) * | 2008-04-10 | 2008-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)" | Устройство перемещений для нанотехнологии |
| RU2359221C1 (ru) * | 2007-10-05 | 2009-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем механики им.А.Ю.Ишлинского РАН | Способ определения нормальных перемещений поверхности тела |
-
2011
- 2011-11-16 RU RU2011146313/07A patent/RU2479063C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5193385A (en) * | 1990-08-28 | 1993-03-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Cantilever for use in atomic force microscope and manufacturing method therefor |
| RU2124251C1 (ru) * | 1996-12-06 | 1998-12-27 | Закрытое акционерное общество "НТ-МДТ" | Многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа |
| RU2359221C1 (ru) * | 2007-10-05 | 2009-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем механики им.А.Ю.Ишлинского РАН | Способ определения нормальных перемещений поверхности тела |
| RU78368U1 (ru) * | 2008-04-10 | 2008-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)" | Устройство перемещений для нанотехнологии |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559797C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Способ дилатометрии |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7068377B2 (en) | System and method for surface profiling a target object | |
| Conroy et al. | A comparison of surface metrology techniques | |
| RU2100787C1 (ru) | Оптоволоконный интерферометр и оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь | |
| Schmit et al. | Performance advances in interferometric optical profilers for imaging and testing | |
| US9739798B2 (en) | Multiple probe detection and actuation | |
| US20110261347A1 (en) | Method for interferometric detection of surfaces | |
| Hagemeier et al. | Sensor characterization by comparative measurements using a multi-sensor measuring system | |
| Yamahata et al. | Subnanometer translation of microelectromechanical systems measured by discrete Fourier analysis of CCD images | |
| US20160153766A1 (en) | Optical apparatus and methods | |
| EP3443339A1 (en) | Heterodyne scanning probe microscopy method and system | |
| Zhong et al. | Two-dimensional optical coherence tomography for real-time structural dynamical characterization | |
| de Groot et al. | Surface profiling by frequency-domain analysis of white light interferograms | |
| JP2017524138A (ja) | 瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィ | |
| Pfeifer et al. | Quality control and process observation for the micro assembly process | |
| RU2479063C1 (ru) | Способ определения рельефа поверхности | |
| Fu et al. | Interferometric Dynamic Measurement: Techniques Based on High‐Speed Imaging or a Single Photodetector | |
| US20130205455A1 (en) | System and method of performing atomic force measurements | |
| JP5713251B2 (ja) | 細胞判別方法、細胞判別用の参照データ生成方法、および細胞判別装置 | |
| Lawrence et al. | MEMS characterization using new hybrid laser Doppler vibrometer/strobe video system | |
| Li et al. | A comparative approach for calibration of the depth measuring system in a nanoindentation instrument | |
| Apostol et al. | Nanometrology of microsystems: Interferometry | |
| Shi et al. | Vibration measurement of a micro-structure by digital holographic microscopy | |
| Guo et al. | MEMS characterization based on optical measuring methods | |
| Bouchal et al. | Coherence‐Gated Mirau Interferometry for Single‐Shot Quantitative Phase Imaging and Motion Sensing | |
| Shabahang | Optical Fiber-Based Multi-Directional Fabry-Perot Interferometry Probe |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151117 |