Содержание к диссертации
Введение
1. Методы измерения геометрических размеров рельефа поверхности в микро- и нанометровом масштабе 13
1.1.Оптическая микроскопия 14
1.2. Электронная микроскопия 15
1.3. Сканирующая зондовая микроскопия 16
1.4. Устройства сканирования зондовых микроскопов с субнанометровым разрешением 18
1.5. Емкостные датчики 20
1.6. Индуктивные датчики перемещения 21
1.7. Оптические датчики перемещений 22
1.8. Метрологическое обеспечение измерений в сканирующей зондовой микроскопии 23
1.9. Лазерные интерферометры 24
1.10. Гомодинные интерферометры для метрологического обеспечения зондовой микроскопии 27
1.11. Гетеродинные интерферометры для метрологического обеспечения зондовой микроскопии 34
1.12. Выводы к Главе 1 41
2. Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферометра для метрологического обеспечения сканирующих зондовых микроскопов 42
2.1. Сканирующий зондовый микроскоп нанотвердомер «НаноСкан» 42
2.2. Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферомера для метрологического обеспечения СЗМ «НаноСкан-ЗБІ» 44
2.3. Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферометра для СЗМ Наноскан-3D 45
2.3.1. Разработка оптической схемы трехкоординатного гетеродинного интерферометра 45
2.3.2. Разработка фазометра трехкоординатного гетеродинного лазерного интерферометра 48
2.4. Исследование источников погрешности измерений трехкоординатного гетеродинного интерферометра 55
2.4.1. Фундаментальные погрешности интерференционных измерений перемещений 56
2.4.1.1. Методы стабилизации длины волны генерации лазера- 56
2.4.1.2. Оценка шумов фоторегистрации гетеродинного интерферометра 59
2.4.1.3. Влияние доплеровского сдвига частоты на измерения гетеродинного интерферометра 60
2.4.2. Влияние факторов внешней среды на ошибки измерений лазерным интерферометром 61
2.4.3. Геометрические погрешности измерений перемещений лазерным интерферометром 2.4.3.1. Неортогональность осей интерферометра 67
2.4.3.2. Ошибка Аббе 68
2.5. Исследование метрологических характеристик гетеродинного лазерного интерферометра 71
2.5.1. Измерение параметров элементов рельефа тестовых структур типа TGZ 72
2.6. Выводы к Главе 2 76
3. Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферометра для государственного первичного специального эталона единицы длины в области измерений параметров шероховатости 78
3.1. Разработка оптической схемы трехкоординатного гетеродинного интерферометра 79
3.2. Исследование источников погрешности измерений трехкоординатного интерферометра 83
3.3. Технические средства для устранения акустических и сейсмических шумов 86
3.4. Государственный первичный специальный эталон единицы длины в области измерения параметров шероховатости 88
3.5. Исследование характеристик динамической меры геометрических размеров для калибровки сканирующих микроскопов
3.5.1. Динамические меры геометрических размеров 90
3.5.2. Исследование рабочих характеристик динамических мер трехкоординатным гетеродинным интерферометром 92
3.6. Выводы к Главе 3 97
4. Разработка гетеродинного лазерного интерферометра для измерения геометрии наконечников зондов нанотвердомеров 98
4.1. Методы измерений твердости материалов 98
4.2. Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферометра для измерения геометрии наконечников зондов нанотвердомеров
4.2.1. Оптический блок трехкоординатного гетеродинного интерферометра 100
4.2.2. Разработка оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения к оптическому блоку интерферометра 105
4.2.3. Разработка стойки управления трехкоординатным гетеродинным интерферометром 106
4.3. Исследование метрологических характеристик трехкоординатного гетеродинного интерферометра для измерения геометрии наконечников зондов нанотвердомеров 107
4.3.1. Влияние внешних факторов на ошибки измерений 108
4.3.2. Ошибка Аббе 110
4.4. Метрологический СЗМ с трехкоординатным интерферометром для измерения функции наконечников нанотвердомеров 111
4.5. Методики определения геометрических характеристик наконечников зондов нанотвердомеров 114
4.5.1. Процедура определения функций площади поверхности наконечника нанотвердомеров 115
4.5.2. Процедура определения радиуса закругления и углов при вершине наконечника нанотвердомеров 116
4.6. Измерение геометрических параметров зонда нанотвердомера при сканировании тестовых структур 119
4.7. Государственный первичный эталон твёрдости
по шкалам Мартенса и шкалам индентирования 122
4.8. Выводы к Главе 4 123
Заключение 124
Список литературы 126
- Устройства сканирования зондовых микроскопов с субнанометровым разрешением
- Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферомера для метрологического обеспечения СЗМ «НаноСкан-ЗБІ»
- Технические средства для устранения акустических и сейсмических шумов
- Разработка оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения к оптическому блоку интерферометра
Устройства сканирования зондовых микроскопов с субнанометровым разрешением
Электронная микроскопия по принципу работы сходна с оптической. Различают два основных вида электронных микроскопов: просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и растровый электронный микроскоп (РЭМ).
Увеличение ПЭМ может достигать 106 крат, а в РЭМ - 105 крат [13]. Разрешающая способность электронного микроскопа определяется деброльевской длиной волны электронов. Для длины волны 0,1 нм разрешение электронного микроскопа составит 0,5 нм, что в 1000 раз превышает это значение в оптическом микроскопе.
Для получения трехмерного изображения в электронной микроскопии широко используется метод стереопары [14]. Он заключается в сканировании объекта под разными углами (6-10 град) и вычислении трехмерного изображения по полученным изображениям. При этом вертикальное разрешение зависит от неопределенности измерения угла поворота и составляет от единиц до десятков нанометров.
Использование электронных микроскопов накладывает определенные требования на сами исследуемые образцы. Если образец является плохопроводящим, на него необходимо нанести дополнительный слой. Перед испытанием рекомендуется проводить очистку образцов в различных растворителях с использованием ультразвука, чтобы в микроскопе не образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение требуемого вакуума и загрязняющие рабочую колонну микроскопа. Кроме того при длительном измерении происходит термическое разрушение образца.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) объединяет широкий спектр современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Методы СЗМ позволяют осуществить переход от простой визуализации к качественным измерениям топографии поверхности образцов. Эти методы не требуют сложной предварительной подготовки образцов и дают возможность работы в широком диапазоне различных внешних условий: высокая или сверхнизкая температура, вакуум, воздушная или контролируемая газовая среда [15].
Общим принципом работы СЗМ является контроль взаимодействия острого (с эффективным радиусом закругления от десятков нанометров до единиц ангстрем) наконечника зонда с исследуемой поверхностью. В зависимости от вида используемого взаимодействия СЗМ подразделяют на несколько типов: сканирующий туннельный микроскоп [16] используют туннельный ток между острием и поверхностью, атомно-силовой микроскоп [17] использует механическое взаимодействие.
Получение изображения СЗМ происходит в результате построчного сканирования образца. В ходе сканирования зонд движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом сигнал, пропорциональный рельефу поверхности, записывается в память компьютера, в тоже время СЗМ поддерживает постоянным один из контролируемых параметров (параметр регулирования) путем перемещения зонда или образца в горизонтальной плоскости. Записанный при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f(x,y) строится с помощью средств компьютерной графики.
Принцип работы сканирующего тунельного микроскопа (СТМ), предложенный Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария) в 1981 году [18], основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. Разрешение СТМ в горизонтальной плоскости достигает 0,1 нм, а в направлении нормали - 0,01 нм.
СТМ позволяют работать только с проводящими материалами, поэтому в 1982 году был разработан атомно-силовой микроскоп (АСМ) [19], позволяющий исследовать практически любые материалы. Принцип работы АСМ основан на регистрации силового (Ван-дер-Вальсового) взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом [20]. В качестве зонда в АСМ используют упругую пластинку (кантилевер), на которой закреплена острая игла из твердого материала.
Существуют несколько режимов работы АСМ: контактный, бесконтактный и режим прерывистого контакта [21].
В контактном и безконтактном режимах острие зонда подводится к поверхности, в результате чего, под действием сил отталкивания и притяжения, соответственно, кантилевер изгибается. Измерив этот изгиб, можно определить относительную высоту рельефа поверхности в точке контакта.
Режим «простукивания» часто применяется при исследовании мягких материалов, таких как полимерные цепи и различные биообъекты[22]. Система АСМ модулирует механические колебания измерительной консоли на частоте, близкой к резонансной (типичные значения находятся в пределах от 30 до 300 кГц), с амплитудой в несколько нанометров (рис. 1.2).
Разработка трехкоординатного гетеродинного интерферомера для метрологического обеспечения СЗМ «НаноСкан-ЗБІ»
В качестве мер повышения точности измерений в схеме используется усреднение измерений по нескольким выборкам, что, в конечном счете, ухудшает динамические свойства измерителя, увеличивая время единичного измерения. Еще одним существенным недостатком схемы является необходимость использовать высокоскоростные АЦП, с частотой дискретизации 40 МГц и разрядностью не менее 12 бит. При этом непосредственно для измерений используется только незначительная часть информативных отсчетов. Это существенно снижает временное разрешение измерений.
На рис.2.11 представлена принципиальная схема фазометра, разработанного в ходе выполнения диссертационной работы для трехкоординатного гетеродинного интерферометра [65]. Предложенный вариант фазометра лишен указанных выше недостатков и обеспечивает разрешение измерений 0,01 нм, что соответствует разности фаз интерференционных сигналов в 510-5 рад.
Принцип работы фазометра основан на квадратурно-дифференциальной схеме прямого аналого-цифрового преобразования фазомодулированного сигнала с последующей цифровой обработкой информативных отсчетов в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Тактовая частота синхронизации работы всей схемы f задается кварцевым генератором (ГЕН). После прохождения делителя (f/4), который уменьшает частоту сигнала в четыре раза, фильтрации и усиления управляющий сигнал с генератора поступает на вход драйвера АОМ. Рис. 2.11. Схема аналого-цифровой обработки измерительных сигналов: ФД фотодетектор, АОМ - акустооптический модулятор, ГЕН - управляющий генератор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, f/4 - делитель частоты, DMX - демультиплексор, КИХ - ФНЧ фильтр с конечной импульсной характеристикой, ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема, CORDIC - модуль, реализующий алгоритм CORDIC для вычисления фазы, L(t) - модуль преобразования фазового сдвига в длину, ИМ интерфейсный модуль, ПК - персональный компьютер Фотодетекторы (ФД) регистрируют фазо-модулированный сигнал вида: А(t) = А(t)cos(2%(f/4)t+8(t)), (2.2) где -амплитуда сигнала, 5(0 - набег фазы, вызванный смещением пьезоэлектрического стола. После полосовой фильтрации и предварительного усиления сигнал поступает на трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку для уменьшения проникновения помех из цепи питания на вход АЦП. За один период тактовой частоты / получаются четыре значения текущей величины со строго фиксированной разностью фаз между отчетами: cos(5(0), cos(8(0+7i/2), cos(8(0+7i), COS(8(0+3TI/2), в приближении, что амплитуда сигнала и фаза не изменяются в течение этого периода (А=const, 8=const). Полученные с помощью АЦП данные поступают на вход программируемой логической схемы, в которой реализована процедура обработки сигналов в режиме реального времени. Цифровые сигналы поступают на вход демультиплексора (DMX), который переключает сигналы на четыре дифференциальных цифровых усилителя. Использование дифференциальных усилителей позволяет осуществить операции сложения противофазных отсчетов: cos(8(0)- cos(8(0+7t)=Z4cos(8(0), (2.3) cos(8(0+7i/2)- cos(8(0+37i/2)=Z4sin(8(0). (2.4) В результате происходит устранение проблем, связанных с дрейфом нуля АЦП, и снижение уровня помех на четных гармониках несущей частоты. Из полученных усредненных сигналов вида Acos(5(0) и Asin(5(0) алгебраический модуль CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer), основанный на итерационных разрядных вычислениях величины арктангенса, выдает значения фазового сдвига 5 (точность расчета 10"7 рад). Полученные значения передаются в блок обработки, где происходит преобразование фазового сдвига в длину и суммирование перемещений объекта. Данные о перемещениях объекта накапливаются в оперативной памяти модуля, а затем с помощью микроконтроллера передаются по интерфейсу USB в персональный компьютер (ПК), где программное обеспечение собирает, представляет и сохраняет результаты измерений.
Для обеспечения требуемой точности необходимо использовать АЦП с разрядностью не ниже 14 бит. На период реализации данного фазометра АЦП, обеспечивающие требуемую разрядность имели частоту дискретизации не превышающую 150 МГц. Подобное аппаратное ограничение на реализацию цифрового фазометра потребовало поиска АОМов работающих на частотах менее 40 МГц. Традиционные АОМы видимого диапазона для обеспечения режима бреговской дифракции используют частоту 80 МГц [55-59].
Решить данную проблему удалось с помощью применения в качестве акустической среды АОМа одноосного положительного анизотропного кристалла парателлурита (TeO2)[66]. Выбор типа кристалла объясняется уникальными свойствами данного материала - высокими значениями фотоупругих постоянных и низкой скоростью сдвиговых акустических волн [67]. Оба свойства обеспечивают высокое значение коэффициента акустооптического качества, что позволяет работать с малыми акустическими мощностями, и обеспечивает относительно большие углы между падающим и дифрагированным пучками света. В АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» был изготовлен АОМ, обеспечивающий требуемые параметры. При частоте модуляции в 36МГц угол дифрагированного пучка составлял 2,1 угл. град., а эффективность преобразования в первый порядок дифракции 80% при подводимой электрической мощности 150мВт. Применение АОМа с частотой модуляции 36 МГц позволило использовать АЦП с частотой дискретизации 144 МГц (разрядность 14 бит) и таким образом реализовать цифровой фазометр с прямым преобразованием высокочастотного сигнала в низкочастотную фазу. Высокая итоговая частота оцифровки фазы сигнала в 36 МГц позволяет реализовать режим усреднения с помощью цифрового фильтра нижних частот и при временном разрешении в 1 мс повысить отношение сигнал/шум, как показал эксперимент на 15 дБ.
Особенностью АОМ на основе одноосного положительного анизотропного кристалла парателлурита (TeO2) является поворот поляризации дифрагированного пучка на 90 относительно падающего. Поэтому в оптической схеме после АОМа установлена фазовая пластинка Х/2, согласующая поляризации излучения опорного и измерительного плеч.
На рис. 2.12а. представлена изготовленная плата цифрового фазометра с прямым квадратурно-дифференциальным преобразованием фазомодулированного сигнала. Общий вид электронного блока обработки сигналов представлен на рис. 2.12б.
Технические средства для устранения акустических и сейсмических шумов
Подставив численные значения при Т=273 К, получаем: Я/0 0,06В. В используемых в гетеродинном интерферометре блоках фоторегистрации, построенных по транс-импедансной схеме [73], уровень выходного сигнала по переменной составляющей находится в диапазоне от 0,1 до 0,2 В, т. е. требование превышения уровня дробового шума над тепловым выполнено. Исходя из формулы (1.13) для минимальных регистрируемых изменений разности фаз, ограниченных дробовым шумом получаем выражение: $ = dlll =І„/ІФ, (2.9) Подставляя числовые значения, получаем предельную чувствительность =10-3 рад, что соответствует измеряемому смещению в 0,1 нм.
Поскольку измерения осуществляются 36106 раз в секунду, а данные в память компьютера поступают с частотой 1 кГц, они являются результатом усреднения 36103 единичных отсчетов. Соответственно, если результаты единичных измерений не содержат систематических ошибок и низкочастотных девиаций сигнала, их спектр белый, а распределение гауссово, то после такого рода усреднения и приведения полосы регистрации к уровню 1 кГц случайная ошибка, связанная с дробовыми, тепловыми и цифровыми шумами уменьшается в Для полосы регистрации F =1кГц разрешение по фазе составит 10-5 рад, что соответствует измеряемой величине смещения в 10-11м.
Особый вид погрешности гетеродинных интерферометров связан с изменением частоты света отраженного от подвижного зеркала. Эффект Доплера изменяет частоту световых волн, а значит не только появляется информационный сдвиг фаз, но и изменяется разность фаз между опорным сигналом, поступающим на АОМ и регистрируемым фотоприемником.
Для выяснения характера искажений единичных измерений фазы обусловленных доплеровским сдвигом частоты регистрируемого сигнала рассмотрим более подробно используемый алгоритм обработки измерительного сигнала. Электронный блок осуществляет 4 измерения амплитуды переменной составляющей оптического сигнала в моменты времени: 0, тс/2ю, тг/со, Зтг/2со. Здесь со это рабочая частота гетеродинного интерферометра поступающая на АОМ, в нашем случаи со = 72тг 106 рад/с. Согласно принципу работы гетеродинного интерферометра, все сдвиги частоты и фазы, происходящие в оптическом измерительном плече интерферометра переносятся в радиочастотный диапазон в область 36 МГц. Таким образом доплеровский сдвиг частоты света на AG)=2G)0V/C приводит к сдвигу частоты радиосигнала ровно на Асо. Соответственно для сигнала с частотой (со + Асо) и сдвигом фазы 8 мы получаем следующие отсчеты: Acos(5), Acos(8+(co+Aco) тг/2со), Acos(8+(co+Aco) тг/со), Acos(8+(co+Aco) Зтг/2со). Учитывая тот факт, что cos(Acp + тс/2) = sin(Aq ), получаем следующие 4 отсчета: Acos(5), Asin(8+Aco7r/2co), -Acos(8+Aco7i/co), -Asin(8+3Aco7r/2co). Подставляя AG)=2G)0V/C, получаем: Acos(5), Asin(8+7c(v/c)(a)o/(D)), -ACOS(8+2TC(V/C)((DO/(D)), -Asin(8+37c(v/c)(a)o/(D)) и учитывая малость (V/C)(COO/G )) получаем, что в каждом единичном измерении имеем набор отсчетов: Acos(8), Asin(8)-7i(v/c)(a)o/o))cos(8), -Acos(8)+27c(v/c)(a)o/(D)sin(8), -Asin(8)-37c(v/c)((Do/(D)cos(8) Таким образом, ошибка в исходных данных достигает 3TC(V/C)((DO/(D) И если потребовать, чтобы она была менее 10"3 получим следующую оценку для предельной скорости сканирования: 37с(у/с)(юо/ю) Ю"3, переходя к длине волны лазерного излучения Х0 получаем v 10"5 Х0ю. Следовательно, для обеспечения неопределенность измерений 10"10 м скорость сканирования не должна превышать 100 мкм/с. 2.4.2. Влияние факторов внешней среды на ошибки измерений лазерным интерферометром
Воздействие на интерферометр факторов внешней среды можно разделить на три вида: изменение показателя преломления воздуха, температурное расширение платформы интерферометра, вибрации механических узлов оптической схемы интерферометра.
Факторы внешней среды, такие как давление р, влажность е и температура t влияют на изменение показателя преломления п воздуха [74]. С учетом дисперсионной формулы Эдлена для длины волны 0.6329914 мкм эта зависимость имеет вид: (n0-l)-10-8=38,39p/(l + 0,00367 t)-5,61e (2.10) Для вычисления отклонений An от его значения щ (показатель преломления воздуха при нормальных условиях) используют линейное приближение: п = п0 [і + Кт (Т - 20С) + Кр (Р - 760 mmHg) + КН(Н- 50% RH)] (2.11) где Кт « -0.95 ррт/С,Кр « 0.36 ppm/mmHg, Кн « 8.6 ppb/%RH Исходя из формулы \ = МшяАп/п (2.12) где L max-изменение длины оптического плеча интерферометра при сканировании, для диапазона перемещений 100 мкм при изменении температуры на 0,1 градус, ошибка составит 10 пм. Таким образом, можно заключить, что ошибка, связанная с вариативностью показателя преломления воздуха, в случае с перемещениями в диапазоне сотен микрон пренебрежимо мала.
Оценку изменения оптической длины, из-за вариаций давления, влажности и температуры связанной с неравноплечностью (разностью длин измерительного и опорного плеч) интерферометра можно провести исходя из формулы: M = (l-l0)(n(tl)-n(t2))l nfa)) (2.13) где /,--длина оптического пути измерительного луча, 10-длина оптического пути опорного луча, n(tl), n(t2)- показатели преломления воздуха в моменты времени tl и t2. Данный вид погрешности называется погрешностью дрейфа нуля интерферометра из-за изменения показателя преломления воздуха. Для устранения влияния факторов внешней среды интерферометр необходимо размещать в изолирующем боксе. Неоднородная температура нагрева поверхности несущей платформы приводит к возникновению конвективных потоков воздуха в объеме изолирующего бокса и естественной турбулентности, возникающей в неоднородных по температуре системах. Результатом является возникновение флуктуаций оптической длины в частотном диапазоне (0,1-10 Гц). Подобного рода шумы трудно устранимы, поэтому удаление источников тепла из рабочей области интерферометра и обеспечение условий, препятствующих распространению конвекционных потоков воздуха, являются одним из ключевых требований при конструировании интерферометра.
Источниками тепла внутри изолирующего бокса являются моторы позиционирования головки СЗМа, пьезоактуаторы предметного стола, лазерный излучатель, АОМ. Тепловые мощности этих устройств составляют 5 Вт, 6 мВт, 8 Вт и 10 мВт соответственно.
Чтобы исследовать воздействие выделяемой этими устройствами тепловой мощности на характеристики интерферометра было проведено моделирование в среде Comsol тепловых процессов, происходящих в теплоизолирующем боксе. При этом учитывались процессы теплопроводности и конвекции. На рис. 2.17 приведен пример распределения температуры в термоизолирующем боксе спустя 2 часа, 5 часов и 10 часов с момента включения системы.
Для поверки расчетов были проведены эксперименты, в ходе которых измерялась температура в нескольких точках оптического блока интерферометра. Результаты, полученные при моделировании, совпали в пределах погрешности с экспериментальными данными. Таким образом, было получено подтверждение, что данная модель является физически верной.
Разработка оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения к оптическому блоку интерферометра
В 2010 году во ВНИИМСе был принят эталон шероховатости ГЭТ 113-2010, состоящий из интерференционного микроскопа Линника МИИ-4 и профилометров Form TalySurf и Talystep. Необходимость расширения диапазона измерений в нанометровую область от 1 до 25 нм потребовала модернизации данного эталона [81].
На основании теоретических и экспериментальных исследований источников погрешностей измерительная система СЗМ «НаноСкан-3Di» была включена в состав Государственного первичного специального эталона единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax, Rz, Ra (ГЭТ 113-2014), тем самым позволив расширить диапазон измерения эталона.
Разработанный метрологический СЗМ НаноСкан-3Di вошедший в состав ГЭТ 113-2014 не только позволил проводить прецизионные измерения шероховатости образцов, но и отрабатывать новые методики государственной аттестации средств измерений. В частности на разработанном метрологическом зондовом микроскопе были проведены исследования динамических мер геометрических размеров в диапазоне 1-200 нм.
Тестовые структуры типа TGT, TGZ, TDG, TDQ, TGG позволяют решить задачу передачи единицы длины от первичного эталона к рабочим приборам, однако, такие меры недолговечны. Их рабочая поверхность со временем покрывается микрочастицами, стирается при контакте с измерительным зондом, что приводит к изменению геометрических размеров рельефа мер. Кроме того, результаты измерений профиля поверхности всегда зависят от формы используемого зонда, поскольку получаемое в сканирующих зондовых микроскопах изображение является результатом свертки профиля поверхности зонда и рельефа поверхности меры.
В качестве альтернативы статических мер могут использоваться так называемые динамические меры, лишенные перечисленных недостатков. Динамические меры единицы длины позволяют упростить процедуру калибровки СЗМ и значительно повысить достоверность получаемых результатов. Принцип работы динамической меры основан на контролируемом перемещении поверхности материала, обладающего обратным пьезоэффектом, под воздействием управляющего напряжения. Такая мера позволяет заменить набор статических мер, выдавая заданные требуемые перемещения в диапазоне от десятков микрон до десятков пикометров. Они обладают большей долговечностью, и при их эксплуатации отсутствуют требования к форме наконечника зонда. За счет высокой резонансной частоты (более 10 кГц) динамические меры позволяют измерять время реакции СЗМ и динамические параметры его системы нанопозиционирования. Однако, как и любая статическая мера, динамическая мера требует поверки на метрологическом СЗМ. В работе представлены результаты исследований метрологических характеристик динамических мер, проведенных с помощью гетеродинного лазерного интерферометра. В настоящий момент используются два типа динамических (перестраиваемых) мер (рис. 3.13), отличающиеся активным пьезоэлектрическим материалом: пьезокерамические меры [82] и меры из монокристаллического пьезоматериала (как правило, ниобат лития LiNbO3) [83]. Оба эти материала изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения.
Динамические меры единицы длины: а) пьезокерамическая мера б) мера из монокристаллического пьезоматериала Выгодное отличие керамики заключается в том, что ее пьезомодуль (коэффициент преобразования напряжения в смещение) в несколько десятков раз выше, чем у монокристаллов, т.е. для смещения поверхности меры на одно и то же расстояние, прикладываемое электрическое напряжение для керамики оказывается существенно меньше. Недостатки керамической меры связаны с нестабильностью пьезомодуля и зависимостью величины деформации от частоты изменения поля. В пьезокерамике всегда присутствует поляризационный шум, обусловленный флуктуациями электрических диполей доменов. На коэффициент преобразования напряжения в смещение, кроме того, оказывает влияние температура окружающей среды, нагрев керамики при работе, механические воздействия. Меры на основе монокристалла имеют большую стабильность коэффициента преобразования, а ограничения по величине прикладываемого напряжения устраняются конструктивными решениями, в частности использованием многослойных структур, существенно увеличивающих уровень достижимых перемещений. В настоящей работе исследовались характеристики мер, изготовленных из монокристаллического пьезоматериала. На рис. 3.14 схематически представлены конструкции динамических мер вертикального и горизонтального смещения. Вид смещения зависит от взаимной ориентации кристаллографических осей и напряженности управляющего электрического поля. Монокристалл расположен между двумя платформами, одна из них выполняет роль несущей, а вторая — отсчетной.
При калибровке СЗМ мерой вертикального типа, она располагается на предметном столе микроскопа, а к ее отсчетной поверхности подводится зонд. На меру подается управляющее напряжение с определенной амплитудой и ее поверхность смещается на известную величину, которая измеряется с помощью следящей системы СЗМ. Мера горизонтального смещения имеет на своей поверхности массив реперных меток (обычно ряд параллельных штрихов субмикронного размера). Во время работы поверхность меры перемещается, и сканирующая система СЗМ фиксирует перемещение реперных фрагментов относительно первоначального положения. Полученные с помощью СЗМ значения привязываются к соответствующим калибровочным данным мер. Таким образом, осуществляется калибровка измерительных каналов СЗМ.
Исследования рабочих характеристик динамических мер вертикального и горизонтального смещения, выполненных из монокристаллического пьезоматериала, проводились на метрологическом СЗМ «НаноСкан-3Di». Динамическая мера размещалась на поверхности нанопозиционера зондового метрологического микроскопа. К поверхности меры подводился сканирующий зонд СЗМ, и включалась система автоматического регулирования, удерживающая контакт острия зонда с поверхностью меры. После этого на меру подавалось управляющее напряжение в виде импульсов прямоугольной или трапецеидальной формы с регулируемыми амплитудой и периодом повторений. Было проведено несколько серий измерений при подаче на меры управляющего напряжения в диапазоне 1–1000 В. Перемещение поверхности меры измерялось с помощью интерферометра. Измерения динамической меры проводились в специальном боксе (энклоужере) после длительного термостатирования в течение 3–6 часов. Таким образом, был устранен монотонный дрейф положения пьезостола СЗМ, а уровень фазовых шумов, связанных с конвекционными потоками воздуха внутри бокса составил менее 2 нм.
В качестве примеров на рис. 3.15 представлена зависимость перемещения поверхности динамической меры от времени при модуляции управляющим переменным сигналом с амплитудой 10 и 450 В. Амплитуда колебаний динамической меры на рис. 3.15б составляет 1 нм, уровень шума не превышает 0,1 нм.