專利名稱:一種原子力顯微鏡的進(jìn)針方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)針方法。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡(AFM)作為ー種高分辨率的三維形貌檢測儀器，不僅在生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)得到了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的高度重視(T. Ando, “High-speed atomicforce microscopy coming ofage”，Nanotechnology, 2012，23:06200-062028. )。AFM 在樣品表面掃描時(shí)，微懸臂梁上的探針與樣品表面相互作用，產(chǎn)生的作用力引起微懸臂梁偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)信號(hào)用于表征樣品表面的形貌變化，并能達(dá)到原子級(jí)高分辨率。隨著AFM技術(shù)的進(jìn)歩，AFM除了進(jìn)行常規(guī)的表面形貌表征外，還能對(duì)樣品表面摩擦力、表面應(yīng)カ分布和楊氏模量等進(jìn)行三維成像。隨著半導(dǎo)體エ業(yè)中加工線寬的不斷減小和高介電常數(shù)材料的大量使用，光學(xué)檢測和掃描電子顯微鏡檢測方法都遇到了技術(shù)障礙。AFM的高分辨率、多信息測量、·三維成像等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。
高速、高通量的檢測是一種檢測技術(shù)能否在半導(dǎo)體エ業(yè)中實(shí)用化的關(guān)鍵。檢測速度的快慢將直接影響エ業(yè)現(xiàn)場的檢測效率，而測量速度慢恰恰是AFM的最大缺點(diǎn)。影響AFM測量速度主要包含兩方面因素其一，進(jìn)針時(shí)間，也就是探針由遠(yuǎn)離樣品表面位置(廣2_)，通過進(jìn)給機(jī)構(gòu)(如步進(jìn)電機(jī))逼近至樣品表面掃描成像位置所需的時(shí)間；其ニ，成像時(shí)間，也就是進(jìn)針完成后，從開始第一點(diǎn)掃描直至完成一幅圖像顯示所需的時(shí)間。
目前，對(duì)于縮短AFM的成像時(shí)間，已經(jīng)有很多研究機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究工作(B. J. Kenton, A. j. Fleming, K. K. Leang, “しompact ultra-fast vertical nanopositionerior improving scanning probe microscope scan speed，，，Review of scientificInstruments, 2011, 82(12) : 123703-123711. ；C. Richter, M. Burri, T. Sulzbach, C.Penzkofer, B. Irmer, “Ultrashort cantilever probes for high speed atomic forcemicroscopy”，SPIE, 2011.),并有公司研制出相關(guān)產(chǎn)品(Bruker Ltd. , “Dimensionfastscan: the world’ s fastest AFM，，, 2011. http: //www. bruker~axs. com)。對(duì)亍縮短AFM的進(jìn)針時(shí)間，一般采用分段進(jìn)針的方法，即將進(jìn)針過程分為兩個(gè)部分第一部分為快速的粗進(jìn)針，步進(jìn)電機(jī)將探針從離樣品表面較遠(yuǎn)位置(Imm以上)快速逼近至較近位置(20um至200um)，逼近過程采用激光干涉儀、激光限位開關(guān)、電容傳感器或通過攝像頭自動(dòng)聚焦完成位置判斷，中國專利200910220156. X采用激光限位開關(guān)，美國專利U. S. Pat.No. 7, 770, 231B2.采用攝像頭自動(dòng)聚焦方法；第二部分為細(xì)進(jìn)針，在完成第一部分進(jìn)針至離樣品表面較近位置后，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，高速響應(yīng)電機(jī)或壓電陶瓷管作為驅(qū)動(dòng)器，如美國專利 U. S. Pat. No. 5，614，712 和 U. S. Pat. No. 2006/0230474A1.，配合一定的控制方法完成進(jìn)針過程，該過程能精確控制探針和樣品表面的距離，防止損壞。
對(duì)于粗進(jìn)針部分，引入激光干涉儀或攝像頭自動(dòng)聚焦技術(shù)能避免探針與樣品撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。電容傳感器對(duì)電磁信號(hào)敏感，對(duì)操作環(huán)境要求高。中國專利200910220156. X發(fā)明的水平方向激光限位開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，但其每次變更限位開關(guān)閾值都需要手動(dòng)調(diào)整激光器初始位置。細(xì)進(jìn)針雖然能最大程度減小探針和樣品損傷，但控制過程復(fù)雜，耗時(shí)較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有原子力顯微鏡進(jìn)針?biāo)俣嚷牟蛔?，提供ー種新型的快速無損進(jìn)針方法。本發(fā)明能方便的應(yīng)用于所有AFM系統(tǒng)，在不改變AFM原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，減小系統(tǒng)延時(shí)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)探針和樣品相互作用力的影響，提高進(jìn)針?biāo)俣取?br>本發(fā)明首先通過控制器控制壓電陶瓷掃描器Z方向伸到最長位置，然后控制步進(jìn)電機(jī)以5(Tl00Um/S速度帶動(dòng)樣品臺(tái)快速上升，利用光電傳感器檢測從探針尖反射過來的光斑偏轉(zhuǎn)信號(hào)來判斷樣品表面是否接觸探針，當(dāng)樣品表面接觸探針時(shí)，迅速將壓電陶瓷掃描器Z方向縮到最短位置，同時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)，最后通過壓電陶瓷掃描器微調(diào)，將探針與樣品表面作用力調(diào)整到參考點(diǎn)位置，來完成最終進(jìn)針。本發(fā)明利用壓電陶瓷掃描器Z方向伸長量的快速變化，抵消AFM快速進(jìn)針過程中系統(tǒng)延時(shí)及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性導(dǎo)致的樣品殘余位移對(duì)探針與樣品相互作用力影響。·
本發(fā)明技術(shù)方案為
I、通過控制器對(duì)壓電陶瓷掃描器施加滿量程輸入電壓，控制壓電陶瓷掃描器Z方向伸到最長位置；
2、以步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)樣品以5(TIOOum/s速度進(jìn)針；
3、當(dāng)光電傳感器檢測到從探針反射過來的激光光斑位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，壓電陶瓷掃描器Z方向縮到最短，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)；
4、控制器開啟壓電陶瓷掃描器Z方向閉環(huán)反饋控制，對(duì)壓電陶瓷掃描器Z方向位移進(jìn)行快速、高精度的微調(diào)，使光電傳感器光斑偏轉(zhuǎn)量達(dá)到參考點(diǎn)值。
所述的壓電陶瓷掃描器能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸方向三維掃描運(yùn)動(dòng)，其中Z方向與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向一致，為垂直于樣品表面方向。Z方向最大伸長量由壓電陶瓷掃描器本身決定，原子力顯微鏡的壓電陶瓷掃描器Z方向最大伸長量一般為Ium至Sum。當(dāng)壓電陶瓷掃描器Z方向驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到滿量程時(shí)，壓電陶瓷掃描器伸到最長；反之，則最短。步驟I)使原子力顯微鏡的壓電陶瓷掃描器在Z方向伸到最長。
步驟2所述5(Tl00Um/S進(jìn)針?biāo)俣?，?duì)于Imm探針與樣品表面間距而言，進(jìn)針過程在12s 22s左右內(nèi)完成。
步驟3光電傳感器檢測激光光斑的偏轉(zhuǎn)閾值由參考點(diǎn)的電壓值決定，當(dāng)偏轉(zhuǎn)值達(dá)到參考點(diǎn)電壓值時(shí)，再進(jìn)行后續(xù)的縮短壓電陶瓷掃描器和停止步進(jìn)電機(jī)?？刂破鬟M(jìn)行停止步進(jìn)電機(jī)操作后，受系統(tǒng)延時(shí)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性影響，步進(jìn)電機(jī)仍會(huì)帶動(dòng)樣品產(chǎn)生一定的殘余位移，此時(shí)縮短后的壓電陶瓷掃描器將在最大程度上保護(hù)探針和樣品。
步驟4，受步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性位移不確定性影響，需要對(duì)壓電陶瓷掃描器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，對(duì)探針和樣品表面相互作用カ進(jìn)行微調(diào)，從而減小探針和樣品損傷。
步驟4閉環(huán)反饋控制采用普通比例-積分(PI)反饋，光電傳感器光斑偏轉(zhuǎn)信號(hào)與參考點(diǎn)的差值為誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)作為閉環(huán)反饋控制的輸入，經(jīng)比例、積分運(yùn)算后輸出作為壓電陶瓷掃描器Z方向的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)[0019]本發(fā)明能在不改變AFM現(xiàn)有硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的條件下，通過采用新的進(jìn)針方法，在防止探針與樣品損壞的如提下進(jìn)一步提聞進(jìn)針?biāo)俣取?br>

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說明。
圖IAFM原理圖；
圖2本發(fā)明方法流程框圖；
圖3壓電陶瓷掃描器Z方向最大伸長量；
圖4進(jìn)針過程中步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性及壓電陶瓷掃描器運(yùn)動(dòng)示意圖；
圖中1控制器，2探針，3樣品，4激光光源，5光電傳感器，6壓電陶瓷掃描器，7步·進(jìn)電機(jī)，8參考點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
如圖I所示為現(xiàn)有AFM原理圖，控制器I控制步進(jìn)電機(jī)7帶動(dòng)樣品3自下向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行進(jìn)針操作，光電傳感器5檢測從激光光源4發(fā)射至探針2后反射過來的激光光斑，光電傳感器5檢測到的光斑偏移電壓信號(hào)與參考點(diǎn)8比較后送至控制器I，用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷掃描器6進(jìn)行Z方向的閉環(huán)反饋控制。
如圖2所示為本發(fā)明的具體操作步驟
步驟I :壓電陶瓷掃描器伸到最長Hmax?？刂破鱅施加給壓電陶瓷掃描器6滿量程輸入電壓220V，將壓電陶瓷掃描器Z方向伸到最長Hmax，約為4um，如圖3所示；
步驟2 :步進(jìn)電機(jī)逼近。探針2與樣品3表面初始距離為1mm，步進(jìn)電機(jī)I帶動(dòng)樣品3自下向上運(yùn)動(dòng)，以IOOum/s速度進(jìn)針；
步驟3 :檢測光電傳感器信號(hào)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)光電傳感器5檢測到從探針2反射過來的激光光斑偏移電壓大于或等于預(yù)設(shè)為IV的參考點(diǎn)8時(shí),控制器I施加給壓電陶瓷掃描器6最小輸入電壓0V，壓電陶瓷掃描器Z方向縮到最短Hmin，約為Oum，同時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。受系統(tǒng)延時(shí)及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性影響，步進(jìn)電機(jī)停止后樣品殘余位移為Is，且Is〈HmaX，如圖4所示；反之，當(dāng)光電傳感器5檢測到從探針2反射過來的激光光斑偏移電壓小于參考點(diǎn)8的電壓時(shí)，返回步驟2。
步驟4:進(jìn)ー步微調(diào)壓電陶瓷掃描器?？刂破鱅開啟壓電陶瓷掃描器6的Z方向閉環(huán)反饋控制，通過對(duì)壓電陶瓷掃描器Z方向的快速、高精度微調(diào)，使光電傳感器光斑偏轉(zhuǎn)量達(dá)到參考點(diǎn)8的電壓值。
上述進(jìn)針過程在12s內(nèi)完成。
所述的步驟I中，壓電陶瓷掃描器的滿量程輸入電壓一般為10(T400V，Z方向最大位移量為f 8um，由壓電陶瓷掃描器型號(hào)決定。
所述的步驟3中，參考點(diǎn)8的電壓值可根據(jù)需要設(shè)定，電壓值越大，進(jìn)針后探針與樣品表面作用カ越大，一般設(shè)定為300mV至IV之間。
所述的步驟4中，Z方向閉環(huán)反饋控制采用普通比例-積分(PI)反饋控制，光電傳感器5采集到的激光光斑偏轉(zhuǎn)信號(hào)與參考點(diǎn)8的差值為誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)作為閉環(huán)反饋控制的輸入，經(jīng)比例、積分運(yùn)算后輸出作為壓電陶瓷掃描器6的Z方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過控制壓電陶瓷掃描器6在Z方向的伸長量來調(diào)整激光光斑偏移電壓值，使其穩(wěn)定在參考點(diǎn)8附近，從而保證探針與樣品表面作用力的可控及穩(wěn)定?！?br>權(quán)利要求
1.一種原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，其特征在于，所述的進(jìn)針方法包括以下步驟 I)通過控制器(I)對(duì)壓電陶瓷掃描器(6)施加滿量程輸入電壓，控制壓電陶瓷掃描器(6)的Z方向伸到最長位置； 2 )以步進(jìn)電機(jī)(7 )帶動(dòng)樣品(3 )自下向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)針； 3)當(dāng)光電傳感器(5)檢測到從探針(2)反射的激光光斑偏移電壓大于等于參考點(diǎn)(8)的電壓時(shí)，由控制器(I)施加給壓電陶瓷掃描器(6)最小輸入電壓，壓電陶瓷掃描器(6)Z方向縮到最短，同時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)(7)運(yùn)動(dòng)。
2.按照權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，其特征在于，所述的步驟I)中，所述的控制器(I)對(duì)壓電陶瓷掃描器(6 )施加的滿量程輸入電壓為10(T400V。
3.按照權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，其特征在于，所述的步驟3)中，所述的參考點(diǎn)(8)的電壓為300mV至IV。
4.按照權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，其特征在于，所述的步驟3)中，控制器(I)施加給壓電陶瓷掃描器(6)最小輸入電壓為0V。
5.按照權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，其特征在于，所述的步驟2)中，步進(jìn)電機(jī)(7)帶動(dòng)樣品(3)自下向上運(yùn)動(dòng)的速度為5(Tl00um/s。
專利摘要
一種原子力顯微鏡的進(jìn)針方法，首先將壓電陶瓷掃描器Z方向伸到最長位置，然后控制步進(jìn)電機(jī)以50~100μm/s速度快速帶動(dòng)樣品臺(tái)上升，利用光電傳感器檢測從探針尖反射過來的光斑偏轉(zhuǎn)信號(hào)來判斷樣品表面是否接觸探針，當(dāng)樣品表面接觸探針時(shí)，迅速將壓電陶瓷掃描器Z方向縮到最短位置，同時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)，最后通過壓電陶瓷掃描器的微調(diào)，將探針與樣品表面作用力調(diào)整到參考點(diǎn)位置，來完成最終進(jìn)針。本發(fā)明能有效解決快速進(jìn)針過程中系統(tǒng)延時(shí)及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)探針與樣品表面相互作用力影響，減小快速進(jìn)針過程中探針及樣品表面的損壞。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN102788889SQ201210265550
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月27日
發(fā)明者初明璋, 林云生, 殷伯華, 陳代謝, 韓立, 高瑩瑩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan