способ измерения рельефа поверхности объекта с использованием сканирующего зондового микроскопа

Формула изобретения

1. Способ измерения рельефа поверхности объекта с использованием сканирующего зондового микроскопа, включающий первое сканирование поверхности объекта с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, отличающийся тем, что проводят второе сканирование поверхности объекта в обратном направлении с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, из сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, вычитают сигнал вертикальных перемещений сканера, зарегистрированный при сканировании в обратном направлении, из сигнала взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, вычитают сигнал взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированный при сканировании в обратном направлении, определяют коэффициент масштабирования, на который нужно умножить разность сигналов вертикальных перемещений сканера, чтобы при ее последующем сложении с разностью сигналов взаимодействия зонда с объектом получить максимально близкую к постоянной величину, умножают на найденный коэффициент масштабирования сигнал вертикальных перемещений сканера, зарегистрированный при сканировании в одном из направлений, и суммируют его с сигналом взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированным при сканировании в том же направлении, после чего суммарный сигнал используют в качестве сигнала рельефа поверхности исследуемого объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании контактного метода сканирования в качестве сигнала взаимодействия зонда с объектом используют сигнал, характеризующий величину изгиба кантилевера.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании полуконтактного (прерывисто-контактного) метода сканирования в качестве сигнала взаимодействия зонда с объектом используют сигнал, характеризующий амплитуду его колебаний.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сигнала вертикальных перемещений сканера принимают сигнал управления вертикальными перемещениями сканера.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сигнала вертикальных перемещений сканера принимают сигнал с датчика вертикальных перемещений сканера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а именно к способам измерения рельефа поверхности объекта.

Известен способ [1] измерений рельефа поверхности исследуемого объекта, при котором для построения рельефа используется сигнал, пропорциональный сигналу управления вертикальными перемещениями сканера, вырабатываемый замкнутой системой автоматического управления сканирующим зондовым микроскопом.

Действие способа основано на взаимосвязи сигнала управления вертикальными перемещениями сканера, на котором закреплен зондовый датчик, с рельефом поверхности исследуемого объекта.

Недостатком такого способа является недостаточное быстродействие сканирования, поскольку для вертикальных перемещений используют инерционные электромеханические устройства (пьезосканеры) и при повышении скорости сканирования возрастает ошибка отслеживания рельефа поверхности объекта.

Известен также способ [2], предназначенный для измерений рельефа поверхности объекта, при котором в качестве сигнала, отражающего рельеф поверхности, используют сумму управляющего сигнала вертикальных перемещений сканера и умноженного на некий коэффициент масштабирования сигнала взаимодействия зонда с объектом, характеризующего степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью.

Действие способа основано на том факте, что сенсорный элемент зондового датчика, пружинный кантилевер, быстрее реагирует на вариации рельефа, чем вертикальные перемещения сканера под действием автоматической системы управления сканированием с обратной связью.

Однако данный способ имеет тот недостаток, что в нем не конкретизируется процедура определения коэффициента масштабирования, с которым нужно суммировать управляющий сигнал вертикальных перемещений сканера и сигнал, характеризующий степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью, и который, вообще говоря, не может быть постоянным. Например, для зондовых силовых микроскопов (с датчиками кантилеверного типа) этот коэффициент должен переопределяться при каждой смене датчика и при каждой настройке оптической системы регистрации изгибов кантилевера, что делает использование такого способа практически неприемлемым.

Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению является способ отображения рельефа поверхности объекта [3], который включает в себя использование силового зондового датчика кантилеверного типа, представляющего собой кантилевер (гибкую консоль) с остроконечным зондом на его свободном конце, при этом в процессе сканирования исследуемой поверхности помимо управляющего сигнала вертикальных перемещений сканера отображают также сигнал рассогласования.

Управляющий сигнал вертикальных перемещений сканера рассматривается в качестве сигнала, отображающего рельеф поверхности объекта, а сигнал рассогласования рассматривается в качестве сигнала, отображающего мелкомасштабные вариации рельефа.

Действие способа основано на том факте, что величина изгиба кантилевера быстрее реагирует на вариации рельефа, чем вертикальные перемещения сканера под действием автоматизированной системы управления с обратной связью.

Однако данный способ имеет недостатки, которые заключаются в том, что он не дает цельной и точной картины рельефа поверхности объекта (рельеф представляется двумя изображениями), так как эти изображения не дают представления о реальных размерах вариаций рельефа по вертикали, поскольку они не приведены к единому масштабу.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего проводить измерения рельефа поверхности объекта с применением сканирующего зондового микроскопа.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей в предложенном способе.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем первое сканирование поверхности объекта с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, проводят второе сканирование поверхности объекта в обратном направлении с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, вычитание из сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в обратном направлении, вычитание из сигнала взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, сигнала взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированного при сканировании в обратном направлении, определение коэффициента, на который нужно умножить разность сигналов вертикальных перемещений сканера, чтобы при ее последующем сложении с разностью сигналов взаимодействия зонда с объектом получить максимально близкую к постоянной величину, умножение на найденный коэффициент сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в одном из направлений, и суммирование его с сигналом взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированным при сканировании в том же направлении, после чего суммарный сигнал используют в качестве сигнала рельефа поверхности исследуемого объекта.

В качестве сигнала взаимодействия зонда с объектом может быть использован сигнал, характеризующий величину изгиба кантилевера для контактного метода сканирования, либо сигнал, характеризующий амплитуду его колебаний, для полуконтактного (прерывисто-контактного) метода. Существуют варианты реализации способа, в которых в качестве сигнала вертикальных перемещений сканера используют сигнал с датчика вертикальных перемещений сканера, либо при использовании физических или математических моделей сканера используют управляющий сигнал перемещений сканера.

Изобретение поясняется чертежами и схемами, где:

на фиг.1 изображена блок-схема измерительного комплекса на основе сканирующего зондового микроскопа, с применением которого может быть осуществлен предлагаемый способ;

на фиг.2 изображены пример выполнения силового зондового датчика и измерительного устройства, вырабатывающего сигнал, характеризующий степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью;

на фиг.3 изображен процесс отработки зондовым датчиком прямоугольной неоднородности на поверхности объекта;

на фиг.4 изображены профиль рельефа исследуемого объекта и информационные сигналы, получаемые в результате сканирования его поверхности;

на фиг.5 изображена последовательность обработки информационных сигналов и формирование конечного изображения профиля сканирования.

В качестве примера реализации способа приведен измерительный комплекс на основе сканирующего зондового микроскопа (см. фиг.1), содержащий закрепленный на сканере 1 зондовый датчик 2 и измеряемый объект 3. Управление вертикальными перемещениями сканера 1 осуществляется замкнутой системой автоматического управления, включающей помимо сканера 1 и датчика 2 измерительное устройство 4, вырабатывающее сигнал взаимодействия зонда с объектом, характеризующий степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью в процессе сканирования, сумматор 5, вырабатывающий сигнал рассогласования между сигналом уставки Е, задающим степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью объекта, и сигналом взаимодействия зонда с объектом, а также преобразующее устройство 6, сигнал от которого непосредственно подается в качестве управляющего сигнала вертикальных перемещений на сканер 1. Вертикальные перемещения сканера 1 регистрируются датчиком вертикальных перемещений 7, сигнал вертикальных перемещений сканера от которого наряду с сигналом взаимодействия зонда с объектом поступает на вычислительное устройство 8, вырабатывающее на их основе сигнал рельефа поверхности объекта, поступающий на монитор 9.

Датчик 2, работающий в контактном режиме, и измерительное устройство 4 изображены на фиг.2. Датчик 2 состоит из острийного зонда 10, расположенного на свободном конце кантилевера 11 (гибкой консоли), закрепленной на чипе 12, которым датчик 2 устанавливается на сканер 1. Измерительное устройство включает лазер 13 и позиционно-чувствительный фотоприемник 14. Лазер 13 направляет оптический луч на кантилевер 11, от которого он отражается и попадает на фотоприемник 14. В процессе сканирования силовое взаимодействие зонда 10 с поверхностью объекта 3 изменяется, в результате чего кантилевер 11 претерпевает изгибы, при этом отраженный луч от лазера 13 перемещается по фотоприемнику 14, который вырабатывает сигнал взаимодействия зонда с объектом, характеризующий степень взаимодействия зонда 10 с поверхностью объекта 3.

Пример отработки зондовым датчиком 2 прямоугольной неоднородности на поверхности объекта 3 показан на фиг.3. Позиции а и b соответствуют сканированию слева направо гладкого участка, позиция с соответствует отработке прямоугольной ступеньки, когда сканер 1 еще не успел отработать вертикальное перемещение и кантилевер зондового датчика 2 изогнулся кверху, позиции d, e соответствуют сканированию горизонтального участка неоднородности, а позиция f - отработке спуска со ступеньки, когда сканер 1 еще не успел отработать ступеньку и кантилевер зондового датчика 2 изогнулся книзу. После того как сканер 1 отработал вертикальное перемещение вниз, изгиб кантилевера зондового датчика 2 становится таким же, как и на предыдущем гладком участке, как показано на позициях g, h.

В качестве конкретного примера реализации предлагаемого способа рассматривается случай, когда сканирование объекта с прямоугольной неоднородностью рельефа (фиг.4а) проводится с использованием контактного метода, при этом в качестве сигнала, характеризующего степень взаимодействия зондового датчика с поверхностью, используют сигнал, характеризующий величину изгиба кантилевера, а в качестве сигнала, пропорционального вертикальным перемещениями сканера, принимают сигнал с датчика вертикальных перемещений сканера.

Для этого осуществляют следующие действия.

- Проводят первое сканирование поверхности объекта 3 контактным методом, при этом задают величину изгиба кантилевера, которая должна поддерживаться постоянной в процессе сканирования, и в вычислительном устройстве 8 проводят запоминание текущего значения сигнала вертикальных перемещений сканера (фиг.4b) и сигнала взаимодействия зонда с объектом (фиг.4с).

- Проводят второе сканирование уже в обратном направлении по сравнению с первым сканированием и также запоминают сигнал вертикальных перемещений сканера (фиг.4d) и сигнал взаимодействия зонда с объектом (фиг.4е).

- Получают первую разность (фиг.5а) сигналов вертикальных перемещений сканера, полученного при первом и втором сканированиях, а также вторую разность (фиг.5b) сигналов взаимодействия зонда с объектом, полученных при первом и втором сканированиях.

- Умножают первую разность сигналов на некий коэффициент К и суммируют со второй разностью сигналов.

- Определяют величину коэффициента К=К _м, при которой суммарный сигнал первой и второй разностей сигналов максимально приближен к постоянной величине (на фиг.5с изображен суммарный сигнал для трех разных значений К).

- Суммируют сигнал взаимодействия зонда с объектом, полученный при первом сканировании (фиг.5d), с умноженным на полученный коэффициент К_м сигналом вертикальных перемещений сканера (фиг.5е), также полученным при первом сканировании, получая таким образом суммарный сигнал рельефа поверхности объекта (фиг.5f).

- Используют сигнал рельефа поверхности объекта для получения изображения рельефа поверхности на экране монитора 9.

Если сканирование осуществляется с использованием полуконтактного (прерывисто-контактного) метода (см. подробно [4]), то в качестве сигнала взаимодействия зонда с объектом используют амплитуду колебаний кантилевера.

Для случая, когда в сканирующем зондовом микроскопе используется сканер без датчика перемещений, а для выработки сигнала управления сканером используются физическая модель сканера (эквивалент сканера) [5] или его математическая модель, в качестве сигнала вертикальных перемещений сканера принимают управляющий сигнал вертикального перемещения.

Проведение первого и второго (в обратном направлении) сканирований с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом позволяет получить их разностные сигналы, при этом разность сигналов вертикальных перемещений сканера не содержит данных о рельефе исследуемой поверхности, а содержит лишь данные об ошибке отслеживания этого рельефа сканером. В то же время разность сигналов взаимодействия зонда с объектом содержит данные о величине этой ошибки, и при правильно выбранном коэффициенте масштабирования К_м оба разностных сигнала должны компенсировать друг друга. При этом поскольку перемещения сканера являются изначально калиброванными, то определенный таким образом коэффициент масштабирования К_м позволяет калибровать и сигнал зондового датчика, и по зарегистрированным сигналам вертикальных перемещений сканера и взаимодействия зонда с объектом при первом или втором сканированиях построить рельеф поверхности исследуемого объекта.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить функциональные возможности по сравнению с прототипом, поскольку сравнение разностных сигналов вертикальных перемещений сканера и взаимодействия зонда с объектом позволяет осуществить их правильное взаимное масштабирование, а суммирование этих сигналов, полученных при одном из сканирований с правильным коэффициентом масштабирования, позволяет получить единое, цельное изображение рельефа поверхности объекта.

Кроме того, по сравнению с аналогом [2] предлагаемый способ позволяет более быстро и более точно получить данные о рельефе поверхности исследуемого объекта, поскольку коэффициент взаимного масштабирования сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом определяется путем вычислений, а не путем калибровки зондового датчика. При этом величина коэффициента масштабирования не обязательно должна определяться при сканировании по всей исследуемой поверхности, достаточно провести сканирование по ограниченному участку, вплоть до одной линии сканирования, и после вычисления коэффициента масштабирования использовать его при сканировании по большей площади.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент US №5237859, 30.05.1991.

2. Патент US №5260572, 13.08.1992.

3. New imaging mode in atomic-force microscopy based on the error signal. C.A.Putman, K.O. van der Werf, B.G. de Grooth, N.F. van Hulst, J.Greve, P.K.Hansma. 1992. SPIE v.1639, P.198-204.

4. В.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Техносфера, М., 2004, 143 с.

5. Патент RU №2249264, 27.03.2005.