CN102788889A - 一种原子力显微镜的进针方法 - Google Patents

Abstract

一种原子力显微镜的进针方法，首先将压电陶瓷扫描器Z方向伸到最长位置，然后控制步进电机以50~100μm/s速度快速带动样品台上升，利用光电传感器检测从探针尖反射过来的光斑偏转信号来判断样品表面是否接触探针，当样品表面接触探针时，迅速将压电陶瓷扫描器Z方向缩到最短位置，同时停止步进电机，最后通过压电陶瓷扫描器的微调，将探针与样品表面作用力调整到参考点位置，来完成最终进针。本发明能有效解决快速进针过程中***延时及步进电机运动惯性对探针与样品表面相互作用力影响，减小快速进针过程中探针及样品表面的损坏。

Description

一种原子力显微镜的进针方法

技术领域

本发明涉及一种原子力显微镜（AFM）进针方法。

背景技术

原子力显微镜（AFM）作为一种高分辨率的三维形貌检测仪器，不仅在生物学领域得到了广泛应用，同时得到了半导体产业界的高度重视（T.Ando,“High-speed atomic forcemicroscopy coming ofage”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。AFM在样品表面扫描时，微悬臂梁上的探针与样品表面相互作用，产生的作用力引起微悬臂梁偏转，该偏转信号用于表征样品表面的形貌变化，并能达到原子级高分辨率。随着AFM技术的进步，AFM除了进行常规的表面形貌表征外，还能对样品表面摩擦力、表面应力分布和杨氏模量等进行三维成像。随着半导体工业中加工线宽的不断减小和高介电常数材料的大量使用，光学检测和扫描电子显微镜检测方法都遇到了技术障碍。AFM的高分辨率、多信息测量、三维成像等优点将会在半导体检测领域发挥重大作用。

高速、高通量的检测是一种检测技术能否在半导体工业中实用化的关键。检测速度的快慢将直接影响工业现场的检测效率，而测量速度慢恰恰是AFM的最大缺点。影响AFM测量速度主要包含两方面因素：其一，进针时间，也就是探针由远离样品表面位置（1~2mm），通过进给机构（如步进电机）逼近至样品表面扫描成像位置所需的时间；其二，成像时间，也就是进针完成后，从开始第一点扫描直至完成一幅图像显示所需的时间。

目前，对于缩短AFM的成像时间，已经有很多研究机构开展了相关研究工作（B.J.Kenton,A.J.Fleming,K.K.Leang,“Compact ultra-fast vertical nanopositioner for improving scanningprobe microscope scan speed”,Review of Scientific Instruments,2011,82(12):123703-123711.；C.Richter，M.Burri,T.Sulzbach,C.Penzkofer,B.Irmer,“Ultrashort cantilever probes for highspeed atomic force microscopy”,SPIE,2011.），并有公司研制出相关产品（Bruker Ltd.,“Dimension fastscan:the world’s fastest AFM”,2011.http://www.bruker-axs.com）。对于缩短AFM的进针时间，一般采用分段进针的方法，即将进针过程分为两个部分：第一部分为快速的粗进针，步进电机将探针从离样品表面较远位置（1mm以上）快速逼近至较近位置（20um至200um），逼近过程采用激光干涉仪、激光限位开关、电容传感器或通过摄像头自动聚焦完成位置判断，中国专利200910220156.X采用激光限位开关，美国专利U.S.Pat.No.7,770,231B2.采用摄像头自动聚焦方法；第二部分为细进针，在完成第一部分进针至离样品表面较近位置后，步进电机停止运动，高速响应电机或压电陶瓷管作为驱动器，如美国专利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进针过程，该过程能精确控制探针和样品表面的距离，防止损坏。

对于粗进针部分，引入激光干涉仪或摄像头自动聚焦技术能避免探针与样品撞击的风险，但其结构复杂，成本高。电容传感器对电磁信号敏感，对操作环境要求高。中国专利200910220156.X发明的水平方向激光限位开关具有结构简单、成本低等特点，但其每次变更限位开关阈值都需要手动调整激光器初始位置。细进针虽然能最大程度减小探针和样品损伤，但控制过程复杂，耗时较长。

发明内容

本发明的目的是克服现有原子力显微镜进针速度慢的不足，提供一种新型的快速无损进针方法。本发明能方便的应用于所有AFM***，在不改变AFM原有结构的基础上，减小***延时和步进电机运动惯性对探针和样品相互作用力的影响，提高进针速度。

本发明首先通过控制器控制压电陶瓷扫描器Z方向伸到最长位置，然后控制步进电机以50~100um/s速度带动样品台快速上升，利用光电传感器检测从探针尖反射过来的光斑偏转信号来判断样品表面是否接触探针，当样品表面接触探针时，迅速将压电陶瓷扫描器Z方向缩到最短位置，同时停止步进电机，最后通过压电陶瓷扫描器微调，将探针与样品表面作用力调整到参考点位置，来完成最终进针。本发明利用压电陶瓷扫描器Z方向伸长量的快速变化，抵消AFM快速进针过程中***延时及步进电机运动惯性导致的样品残余位移对探针与样品相互作用力影响。

本发明技术方案为：

1、通过控制器对压电陶瓷扫描器施加满量程输入电压，控制压电陶瓷扫描器Z方向伸到最长位置；

2、以步进电机带动样品以50~100um/s速度进针；

3、当光电传感器检测到从探针反射过来的激光光斑位置发生偏转时，压电陶瓷扫描器Z方向缩到最短，同时步进电机停止运动；

4、控制器开启压电陶瓷扫描器Z方向闭环反馈控制，对压电陶瓷扫描器Z方向位移进行快速、高精度的微调，使光电传感器光斑偏转量达到参考点值。

所述的压电陶瓷扫描器能实现X、Y、Z三轴方向三维扫描运动，其中Z方向与步进电机运动方向一致，为垂直于样品表面方向。Z方向最大伸长量由压电陶瓷扫描器本身决定，原子力显微镜的压电陶瓷扫描器Z方向最大伸长量一般为1um至8um。当压电陶瓷扫描器Z方向驱动电压达到满量程时，压电陶瓷扫描器伸到最长；反之，则最短。步骤1）使原子力显微镜的压电陶瓷扫描器在Z方向伸到最长。

步骤2所述50~100um/s进针速度，对于1mm探针与样品表面间距而言，进针过程在12s~22s左右内完成。

步骤3光电传感器检测激光光斑的偏转阈值由参考点的电压值决定，当偏转值达到参考点电压值时，再进行后续的缩短压电陶瓷扫描器和停止步进电机。控制器进行停止步进电机操作后，受***延时和步进电机运动惯性影响，步进电机仍会带动样品产生一定的残余位移，此时缩短后的压电陶瓷扫描器将在最大程度上保护探针和样品。

步骤4，受步进电机运动惯性位移不确定性影响，需要对压电陶瓷扫描器进行闭环反馈控制，对探针和样品表面相互作用力进行微调，从而减小探针和样品损伤。

步骤4闭环反馈控制采用普通比例-积分（PI）反馈，光电传感器光斑偏转信号与参考点的差值为误差信号，该误差信号作为闭环反馈控制的输入，经比例、积分运算后输出作为压电陶瓷扫描器Z方向的驱动信号。

本发明具有如下优点：

本发明能在不改变AFM现有硬件***结构的条件下，通过采用新的进针方法，在防止探针与样品损坏的前提下进一步提高进针速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1AFM原理图；

图2本发明方法流程框图；

图3压电陶瓷扫描器Z方向最大伸长量；

图4进针过程中步进电机运动惯性及压电陶瓷扫描器运动示意图；

图中：1控制器，2探针，3样品，4激光光源，5光电传感器，6压电陶瓷扫描器，7步进电机，8参考点。

具体实施方式

如图1所示为现有AFM原理图，控制器1控制步进电机7带动样品3自下向上运动，进行进针操作，光电传感器5检测从激光光源4发射至探针2后反射过来的激光光斑，光电传感器5检测到的光斑偏移电压信号与参考点8比较后送至控制器1，用于驱动压电陶瓷扫描器6进行Z方向的闭环反馈控制。

如图2所示为本发明的具体操作步骤：

步骤1：压电陶瓷扫描器伸到最长Hmax。控制器1施加给压电陶瓷扫描器6满量程输入电压220V，将压电陶瓷扫描器Z方向伸到最长Hmax，约为4um，如图3所示；

步骤2：步进电机逼近。探针2与样品3表面初始距离为1mm，步进电机7带动样品3自下向上运动，以100um/s速度进针；

步骤3：检测光电传感器信号偏转。当光电传感器5检测到从探针2反射过来的激光光斑偏移电压大于或等于预设为1V的参考点8时，控制器1施加给压电陶瓷扫描器6最小输入电压0V，压电陶瓷扫描器Z方向缩到最短Hmin，约为0um，同时停止步进电机运动。受***延时及步进电机运动惯性影响，步进电机停止后样品残余位移为Is，且Is<Hmax，如图4所示；反之，当光电传感器5检测到从探针2反射过来的激光光斑偏移电压小于参考点8的电压时，返回步骤2。

步骤4：进一步微调压电陶瓷扫描器。控制器1开启压电陶瓷扫描器6的Z方向闭环反馈控制，通过对压电陶瓷扫描器Z方向的快速、高精度微调，使光电传感器光斑偏转量达到参考点8的电压值。

上述进针过程在12s内完成。

所述的步骤1中，压电陶瓷扫描器的满量程输入电压一般为100~400V，Z方向最大位移量为1~8um，由压电陶瓷扫描器型号决定。

所述的步骤3中，参考点8的电压值可根据需要设定，电压值越大，进针后探针与样品表面作用力越大，一般设定为300mV至1V之间。

所述的步骤4中，Z方向闭环反馈控制采用普通比例-积分（PI）反馈控制，光电传感器5采集到的激光光斑偏转信号与参考点8的差值为误差信号，该误差信号作为闭环反馈控制的输入，经比例、积分运算后输出作为压电陶瓷扫描器6的Z方向驱动信号，通过控制压电陶瓷扫描器6在Z方向的伸长量来调整激光光斑偏移电压值，使其稳定在参考点8附近，从而保证探针与样品表面作用力的可控及稳定。

Claims (5)

1.一种原子力显微镜的进针方法，其特征在于，所述的进针方法包括以下步骤：

1）通过控制器（1）对压电陶瓷扫描器（6）施加满量程输入电压，控制压电陶瓷扫描器（6）的Z方向伸到最长位置；

2）以步进电机（7）带动样品（3）自下向上运动进针；

3）当光电传感器（5）检测到从探针（2）反射的激光光斑偏移电压大于等于参考点（8）的电压时，由控制器（1）施加给压电陶瓷扫描器（6）最小输入电压，压电陶瓷扫描器（6）Z方向缩到最短，同时停止步进电机（7）运动。

2.按照权利要求1所述的原子力显微镜的进针方法，其特征在于，所述的步骤1）中，所述的控制器（1）对压电陶瓷扫描器（6）施加的满量程输入电压为100~400V。

3.按照权利要求1所述的原子力显微镜的进针方法，其特征在于，所述的步骤3）中，所述的参考点（8）的电压为300mV至1V。

4.按照权利要求1所述的原子力显微镜的进针方法，其特征在于，所述的步骤3）中，控制器（1）施加给压电陶瓷扫描器（6）最小输入电压为0V。

5.按照权利要求1所述的原子力显微镜的进针方法，其特征在于，所述的步骤2）中，步进电机（7）带动样品（3）自下向上运动的速度为50~100um/s。

Images