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高真空环境下原位AFM控制系统开发及实验研究

唐飞扬  
【摘要】:设计出与扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)相结合工作的原位原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)系统将对样品形貌信息的定量化表征及三维微纳结构轮廓信息表征具有重要的意义。其独特优势主要体现为:①SEM为原位AFM针尖提供纳米级快速导航;②实现SEM和AFM的原位互补成像,避免样品的转移测量过程;③SEM实时监测原位AFM针尖,避免由于原位AFM针尖被污染或损伤,造成原位AFM成像失真;④SEM为原位AFM提供实时视觉反馈,提高原位AFM的操作速度及有效性。本文在总结原位AFM国内外研究现状的基础上,针对SEM腔体高真空环境下开发原位AFM控制系统所面临的问题,分别从原位AFM成像机理及其失真模型、原位AFM成像失真矫正方法、基于失真矫正的原位AFM控制系统设计、原位AFM控制系统实验四个方面进行了深入研究,具体研究内容如下:(1)原位AFM成像机理及其失真模型。本文在分析原位AFM成像机理以及原位AFM控制系统辨识的基础上,设计出原位AFM控制系统总体结构,并针对SEM引起原位AFM成像失真原因进行研究。失真原因一:SEM聚焦电子束辐射引起原位AFM自感应压阻式微悬臂梁(PRC)力传感器读数持续漂移,据此提出了原位AFM力传感器读数漂移模型。失真原因二:SEM腔体高真空环境,散热困难,腔内温度升高会降低原位AFM半导体应变片(SCSG)位移传感器的测量精度及灵敏度,导致原位AFM压电扫描器无法精确运动,据此提出了原位AFM位移传感器读数漂移模型。(2)原位AFM成像失真矫正方法。针对原位AFM力传感器读数漂移模型,提出了原位AFM自感应PRC力传感器有源漂移抑制方法并进行实验。实验结果表明:原位AFM力传感器读数的漂移率从约13nm/min降至1nm/min左右。针对原位AFM位移传感器读数漂移模型,提出了先对传统硬件补偿方法进行改进,后结合软件补偿方法修正硬件补偿后的位移输出值的综合温度补偿方法并进行了实验。实验结果表明:改进后的硬件补偿方法将位移传感器的可用测量范围提高了约40%,综合温度补偿方法将位移传感器的测量精度提高了约220%。(3)基于失真矫正的原位AFM控制系统设计。在消除SEM对原位AFM成像影响的基础上,提出了基于失真矫正的原位AFM控制系统设计。硬件设计中,系统选用STM32F429IGT6控制18位DAC输出模拟信号,经过低压和高压放大,控制X/Y/Z压电扫描器运动;系统采用24位ADC采集自感应PRC力传感器和SCSG位移传感器的反馈信号;自动进针过程中,线性压电定位平台完成粗调过程,Z向压电扫描器完成细调过程。STM32F429IGT6通过USB2.0协议和以太网TCP/IP协议分别完成与原位AFM上位机和SEM之间的数据交换;软件设计中,系统引入了嵌入式操作系统uCLinux,采用多线程控制并将系统硬件映射成字符设备和网络设备,简化设备驱动程序的开发,提高了系统的实时性。(4)原位AFM控制系统实验研究。本文先进行原位AFM系统各模块实验确保各模块稳定运行;其次采用标准AFM校准芯片SiC/0.75作为样品对原位AFM成像精度进行检测,实验结果表明:本文设计的原位AFM系统成像精度约为0.7706nm。在SEM引导的扫描速度动态变化的原位AFM系统实验中,首先利用SEM二次电子模式对样品成像,其次生成样品的特征度量图,再次通过映射函数将样品特征度量图转化成原位AFM扫描速度图,并进行平滑处理,最后下载至原位AFM主控制器中,原位AFM成像时根据扫描速度图动态调整在样品上每个点的扫描速度。使用标准AFM校准芯片VGRP-UM作为样品,分别进行低速扫描模式、SEM引导的扫描速度动态变化的原位AFM扫描模式及高速扫描模式三组对比实验。实验结果表明:在成像精度与低速扫描模式几乎相同的情况下,SEM引导的扫描速度动态变化的原位AFM扫描模式节省了约56%的总扫描时间;在总扫描时间与高速扫描模式相同的情况下,SEM引导的扫描速度动态变化的原位AFM扫描模式的成像精度提高了约43%。


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