石英音叉表面形貌掃描測量頭的研制

石英音叉表面形貌掃描測量頭的研制

0掃描隧道顯微鏡screningtunelmote隨著生物技術(shù)、科學研究和精細加工技術(shù)的發(fā)展，對精細結(jié)構(gòu)和高精度表面形狀的測量提出了更高的要求。不僅需要高度的空間分辨率，還需要較低的測量能力，以便在深度和寬度上測量溝。掃描探針顯微鏡(Scanningprobemicroscopy,SPM)是目前用于納米材料、微器件、半導體器件和生物醫(yī)學材料等表面測量的、分辨率最高的表面測量儀器。根據(jù)工作原理不同,可分為掃描隧道顯微鏡(Scanningtunnelmicroscope,STM)掃描隧道顯微鏡具有亞納米的垂直分辨率和非接觸測量的優(yōu)點,但由于STM的工作原理是基于量子力學的隧道效應(yīng),所以決定了掃描隧道顯微鏡被測試樣必須是導體或者半導體,而對于大量的非導電材料就無法測量。同STM一樣,掃描電子顯微鏡也只能用于導電表面的測量。原子力顯微鏡1995年,德國的KARRAI和GROBER提出了使用音叉驅(qū)動光纖尖進行間距控制的方法,在其論文中驗證了音叉具有很高的品質(zhì)因數(shù)Q(101測頭與測頭的構(gòu)成石英音叉是利用石英晶體的壓電效應(yīng)而制成的諧振元件,由于石英晶體化學性能非常穩(wěn)定,熱膨脹系數(shù)非常小,其振蕩頻率也非常穩(wěn)定,又由于石英晶體的損耗非常小,即Q值非常高,保證了系統(tǒng)有很高的靈敏度,是時鐘電路中最重要的部件。利用石英音叉的上述諧振特性,與經(jīng)過電化學研磨的鎢探針結(jié)合,可構(gòu)建如圖1所示的SPM測頭。圖1a是粘有鎢探針石英音叉實物圖,圖1b是由石英音叉構(gòu)成的SPM測頭示意圖。其中,石英音叉是由二腳無源32.768kHz晶振去掉外殼而得到的,鎢探針是用直徑為60μm的鎢金屬絲經(jīng)電化學研磨制備的,其有效長度可達數(shù)百微米,能夠測量數(shù)百微米的微臺階。由于石英音叉是利用石英晶體的壓電效應(yīng)而制成的,工作時對石英音叉施加合適的正弦交流電壓信號,使石英音叉處于近諧振狀態(tài)。當探針靠近試樣表面時,由于處于諧振狀態(tài)的石英音叉臂對外力極為敏感,探針頂端的原子團與試樣表面的原子團之間的斥力導致了石英音叉諧振頻率的變化,并使振幅減小。石英音叉在真空中的本征頻率標稱值是32.768kHz,其品質(zhì)因數(shù)Q接近10000。石英音叉裸露在空氣中,由于空氣的阻尼作用,其諧振頻率要小于本征頻率數(shù)赫茲。圖2所示為測頭在空氣中,音叉外殼去掉、未粘貼有鎢探針時的幅頻圖。由圖2知其頻率f=32.716kHz,測頭達到諧振狀態(tài)時的峰—峰值約為2.5617V,品質(zhì)因數(shù)Q≈8200。2石英音叉掃描探針顯微系統(tǒng)實物圖本系統(tǒng)采用石英音叉作為探測試樣微觀形貌的微力傳感器,以鎖相環(huán)路輸出的正弦交流信號施加于壓電驅(qū)動器作為勵振信號,通過壓電傳感器檢測音叉諧振信號,同時利用鎖相環(huán)電路對測頭進行頻率跟蹤,使測頭保持諧振狀態(tài)。掃描時,鑒相器輸出的相位差電壓不僅可以通過計算機獲得試樣表面的相位圖,還可以通過x、y、z三方向數(shù)據(jù)獲得試樣表面的輪廓圖。石英音叉掃描探針顯微鏡整體系統(tǒng)實物圖如圖3所示。石英音叉掃描探針顯微鏡系統(tǒng)由石英音叉測頭部分、硬件電路部分、數(shù)據(jù)采集及控制、成像部分及三維納米控制系統(tǒng)組成。石英音叉測頭部分是由去掉外殼的石英音叉和經(jīng)化學研磨后的鎢探針相結(jié)合構(gòu)成的。硬件電路部分包括測頭勵振與頻率跟蹤——鎖相環(huán)路部分、信號檢測及處理部分。數(shù)采集及控制部分主要是通過VC++編程實現(xiàn)采集卡驅(qū)動、數(shù)據(jù)讀取與寫入、串行口處理和系統(tǒng)控制。成像部分是由垂直方向和水平方向相結(jié)合,根據(jù)垂直方向PZT電壓值以及水平方向位移信號,最終形成試樣表面三維形貌。三維納米控制系統(tǒng)要用于控制垂直方向上探針與試樣表面的距離恒定,以及控制水平方向的移動。2.1微動工作臺行程納米定位臺分為宏動部分與微動部分。宏動部分用于試樣的粗定位,定位精度約0.1μm,三維行程為25mm×25mm×25mm。微動工作臺由壓電驅(qū)動器驅(qū)動,x、y、z方向的行程分別為100μm×100μm×12μm。微動臺的x、y方向工作臺集成了高精度應(yīng)變傳感器、z方向工作臺集成了電容傳感器來進行位移測量或?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)反饋控制。2.2振幅信號轉(zhuǎn)換為方波信號的信號再到鑒相鎖相環(huán)電路由鑒相器、環(huán)路濾波器與壓控振蕩器組成測頭勵振與頻率跟蹤電路的工作原理:首先壓控振蕩器輸出的信號轉(zhuǎn)換為正弦信號,對測頭進行勵振,使測頭處于諧振狀態(tài);測頭輸出的諧振信號經(jīng)電壓比較器轉(zhuǎn)換為方波信號后與振蕩器輸出的方波信號進行鑒頻鑒相;鑒相后的含有比較大的紋波成分的直流信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾除紋波后,來控制振蕩器的輸出信號頻率,從而使振蕩器輸出信號頻率跟蹤測頭諧振信號頻率的變化。2.3反饋回路工作原理在系統(tǒng)對試樣進行掃描之前,需要對z向?qū)嵤┒ㄎ?。鑒相器輸出相位差電壓經(jīng)濾波后,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡讀取,進入計算機與設(shè)定電壓值進行比較,比較差值經(jīng)PI調(diào)整后輸出的電壓經(jīng)采集卡的D/A通道進入PZT控制柜控制z向PZT的伸縮,對納米位移臺的垂直方向進行模擬電壓控制,實現(xiàn)z向的定位。在進行測頭掃描試樣試驗的過程中,反饋回路亦是如此工作。相位反饋控制3測頭振幅信號有效值在掃描探針測量系統(tǒng)中,z向垂直空間分辨率、測頭試樣接近曲線、測頭靈敏度、動態(tài)響應(yīng)是決定掃描性能的重要參數(shù)。z向測頭諧振信號有效值的噪聲測試如圖6所示,其中設(shè)置噪聲測試程序的采樣率為200S/s。由圖6可以得出z向測頭諧振信號的噪聲峰—峰值約為4mV左右,那么其有效值約為1.5mV。該噪聲的大小與測頭的靈敏度決定了測頭垂直方向的空間分辨率。測頭諧振信號有效值測試的探針與試樣逼近曲線如圖7所示。由圖7曲線可計算力曲線下降段的斜率為1.23V/μm,既測頭在探針與試樣接觸時的靈敏度為1.23V/μm。由圖6知信號噪聲有效值約為1.5mV,那么得到所設(shè)計系統(tǒng)垂直分辨率約為1.2nm。為了測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性,在z向微動臺上方固定一個壓電陶瓷,通過信號發(fā)生器給該壓電陶瓷一定頻率及幅值的方波信號,從而使壓電陶瓷產(chǎn)生機械階躍信號,以此模擬試樣表面的微小起伏特征引起的輸入量變化。通過測試掃描探針系統(tǒng)對該機械階躍信號的響應(yīng),就可估計出系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和確定控制系統(tǒng)的最佳P、I參數(shù)值。圖8是試驗過程中的所獲得的某相應(yīng)曲線。根據(jù)上述方法,通過試湊法和PI控制器的特點,試驗得到參數(shù)P的最佳范圍設(shè)置在0.5~1.1,參數(shù)I的最佳范圍設(shè)置在0.5~1.0,此時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定時間維持在50ms左右,而過沖量維持在10nm左右。4探針掃描結(jié)果為了驗證系統(tǒng)的掃描效果,在該系統(tǒng)上測試了用高分子材料構(gòu)成的一維光柵。光柵的公稱柵距為2μm,反射表面為三角形。掃描時,垂直方向z向采用開環(huán)控制方式,工作臺的垂直位移由電容傳感器輸出,而水平方向(x、y向)采用閉環(huán)控制,工作臺的水平位移分別由x、y向的應(yīng)變傳感器輸出。被測表面的三維圖像通過掃描所獲得的水平方向的坐標值和z向位移值構(gòu)建。本系統(tǒng)采用了諧振探針的相位進行反饋控制來實現(xiàn)掃描的,可同時獲得試樣的微觀形貌和對應(yīng)的相位圖。圖9a所示的圖像為獲得的試樣掃描形貌圖,圖9b所示圖像是對應(yīng)的相位圖,圖9c是表面形貌的部分截面圖。掃描范圍是10μm×4μm,每行有400點,圖像共有25條掃描線構(gòu)成。圖像掃描時間是通過程序在掃描過程中得到的,平均每點掃描時間約140ms。由其截面曲線可以得知,其柵距約為3987nm,考慮到水平方向上掃描步進量(25nm)、一維光柵柵距不均勻性、探針針尖部分的形狀等誤差因素,所獲得的結(jié)果與光柵的公稱值基本一致。另外,還對試樣的不同區(qū)域進行了掃描測量。圖10a是一8.0μm×5.6μm的掃描圖像,圖10b是其中的一橫截面曲線。該圖像共有15條掃描線構(gòu)成,每行有400個點。由截面圖曲線得知,其柵距約為2011nm,與圖9中的結(jié)果基本一致。圖9和圖10的結(jié)果說明該系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。系統(tǒng)掃描試樣的重復性的好壞反映著系統(tǒng)的穩(wěn)定性及掃描圖像的真實性。為了觀察測量系統(tǒng)的重復性,對同一橫截面進行了多次重復測量。圖11對行程為4μm的輪廓線進行三次重復掃描得到的曲線。結(jié)果顯示,三次測量的最大差值不超過18nm。5測試結(jié)果分析在論文中利用石英音叉和鎢探針構(gòu)建了一種新型的表面形貌掃描測頭,并利用該測頭研制了基于相位反饋控制的掃描探