掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的校準方法研究

駱彬威　楊尚維

摘? 要：掃描探針顯微鏡在現代醫療、物理、化學等領域應用廣泛，其微納結構深度測量也因此得到普遍關注。文章嘗試分析掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的校準方法，首先以機械探針、光學探針建立模擬實驗，再結合結果分析影響測量精度的因素，最后據此分析校準方法，給出運用自動化技術、容錯技術等內容。

關鍵詞：掃描探針顯微鏡;微納結構;深度測量;校準方法

中圖分類號：TP391? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0123-02

Abstract： Scanning probe microscope （SPM） is widely used in modern medicine， physics， chemistry and other fields， so the depth measurement of micro-nano structure has been paid more and more attention. This paper attempts to analyze the calibration method of micro-nanostructure depth measurement under scanning probe microscope. Firstly， the simulation experiment is established with mechanical probe and optical probe， then the factors that affect the measurement accuracy are analyzed， and finally the calibration method is analyzed. The automation technology and fault tolerance technology are given.

Keywords： scanning probe microscope; micro-nano structure; depth measurement; calibration method

前言

掃描探針顯微鏡是指各種新型探針顯微鏡，包括原子力顯微鏡、靜電力顯微鏡、磁力顯微鏡等，該類設備借助光電子技術、激光技術、微弱信號檢測技術進行作業，工作能力較強。但在微納結構深度測量時，受到掃描對象特點、探針類型影響，掃描結果的精準程度并不完全理想，客觀要求加強校準方法的研究。

1 模型實驗

1.1 機械探針模型與實驗

機械探針模型建立主要考慮針尖負載，以針尖負載的變化，評估對象彈性恢復能力，進一步獲取探測對象表面的動態特點以及線性特點。對針尖負載的計算以如下公式為基準：

X=B*S（式1）

式中，X代表探針針尖負載，以μ牛頓表達;B代表探測對象表面出現的屈服應力，其單位為兆帕;S代表探針接觸探測對象時水平方面上的投影面積，其單位為μ平方米。機械探針模式的建立參數，通過大數據篩選獲取，以常規光學領域的工作信息為資源池，獲取其基本工作參數服務模型建立。實驗共分為三個階段，可變參數包括探測對象輪廓變化、測試區域深度、探測目標屈服強度，采用參數調整法進行實驗[1]：

第一階段實驗共進行30次，默認探測對象表面輪廓規則、測試區域深度較淺、探測目標屈服強度存在變化，記錄探針針尖負載變化平均值，以及30次探測結果與標準值（以計算機在標準狀態下獲取）的平均差異。第二階段實驗共30次，默認探測表面對象輪廓規則、測試區域深度較深、探測目標屈服強度穩定，記錄探針針尖負載變化平均值，以及探測結果與標準值的平均差異。第三階段實驗共30次，默認探測對象表面輪廓不規則、測試區域深度較淺、探測目標屈服強度穩定，記錄探針針尖負載變化平均值，及探測結果與標準值的平均差異。

1.2 光學探針模型與實驗

光學探針模式的建立主要考慮回波信息變化，根據光的漫反射、鏡面反射態勢，進行對象表面新型特點和動態特點的評估。光探針發出后，回波強度的變化具有明確的可辨識性，一般回波強度越大，表明探測對象表面越平整，反射接近鏡面反射（圖1）。而當探測對象表面平整度不足、深度分布不一時，回波強度將明顯下降，反射接近漫反射[2]。

在進行光學探針模型建設時，也采用大數據分析法，獲取光學分析領域的工作信息，篩選加工成計算機模型。實驗共分為三個階段，可變參數包括探測對象輪廓變化、測試區域深度、探測目標屈服強度，采用參數調整法進行實驗，過程、實驗階段等與機械探針組相同，觀察組目標包括探針回波強度變化平均值，以及探測結果與標準值（以計算機在標準狀態下獲取）的平均差異[3]。

2 實驗結果與分析

2.1 測量精度分析

機械探針組實驗結果見表1：

光學探針組實驗結果見表2：

2.2 影響測量精度的因素分析

從結果上看：

當探測對象輪廓變化明顯時，機械探針針尖負荷出現波動，但幅值較小，結果與標準值的差異也較小;當探測區域深度較深時，機械探針針尖負荷出現波動，且幅值較大，結果與標準值的差異也較大;當探測目標屈服強度出現波動時，機械探針針尖負荷出現波動，但幅值極小，結果與標準值的差異也極小。

當探測對象輪廓變化明顯時，光學探針回波強度變化出現波動，且幅值較大，結果與標準值的差異也較大;當探測區域深度較深時，光學探針回波強度變化出現波動，但幅值較小，結果與標準值的差異也較小;當探測目標屈服強度出現波動時，光學探針回波強度變化出現波動，但幅值極小，結果與標準值的差異極小。

結合實驗結果可知，機械探針可用于輪廓較復雜的對象，光學探針可用于探測區域深度的對象，當對象不存在上述特殊情況時，機械探針、光學探針可用于任何對象的探測，微納結構深度測量準確性較高。進一步分析可發現，掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的影響因素包括樣本輪廓、樣本深度和探針形狀三個方面。其基本影響規律為：

樣本輪廓的變化越明顯，掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的結果波動越大，機械探針、光學探針均受影響，其中光學探針所受影響略大。

樣本深度越深，掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的結果波動越大，機械探針、光學探針均受影響，其中機械探針所受影響略大。

光學探針和機械探針的選取，一定程度上影響掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的結果精確性。

3 掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的校準方法

基于實驗過程和結論，掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量結果的校準，可記住自動化技術和容錯技術實現。

3.1 自動化技術的應用

自動化技術的應用強調智能作業。實驗表明，不同探針均在實際工作中出現了微納結構測量誤差，默認標準模式下的測量結果為O，探針測量時獲取的結果一般與O存在少量差異，圍繞O上下波動，極少數情況下亦可重疊，表現為：

[Omin、Omas]為探針測量結果波動的最大范圍，建議在后續工作中采用信息復用和周期校正機制進行應對，獲取歷次工作中探針的工作信息，使[Omin、Omas]趨于準確，并獲取探針工作出現較大波動的時間間隔。之后在掃描探針顯微鏡工作中，導入[Omin、Omas]信息、探針工作波動的時間間隔信息，借助智能技術進行探針控制，以10s或其他間隔進行一次默認調整，使探針的探測精度始終處于相對精準的范圍內，實現微納結構深度測量的自校準。

3.2 容錯技術

容錯技術是指在實際工作中，強調提升設備工作的間接能力，在完成了目標對象的單次掃描后，利用設備進行多次重復掃描，之后去除奇異值，獲取多次掃描的結果，求取平均值，作為微納結構深度測量的結果，完成校準。假定在實際工作中掃描對象存在輪廓不規則、深度較深問題，可首先借助探針完成目標信息的初次探測，獲取探測結果后，予以記錄。無論初次探測結構是否滿足工作需要，均進行第二次探測，并對結果進行記錄。如果對象微納結構深度測量的要求較高，可反復進行2n次以上探測，以P表達測量結果，生成一個數集：

[P-n、Pn]為奇異值，是指2n次探測過程中獲取的最小值和最大值，均予以去除。在此基礎上，對剩余數值進行平均值計算，所獲結果往往較接近真實數據，可作為掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的校準方式之一。

4 結束語

綜上，掃描探針顯微鏡下微納結構深度測量的校準難度大，影響因素較為多樣，需結合對應因素分析可行的控制方法。借助機械探針模型和光學探針模式進行實驗，發現測量精度的平均波動值較穩定，但多次掃描出現的差值不同，影響因素包括樣本輪廓、樣本深度和探針形狀三個方面。思路上看，嘗試提升深度測量精度，可嘗試引入自動化技術和容錯機制，從不同渠道應對測量校準問題。

參考文獻：

[1]陳曉惠.高頻復合超聲掃描探針顯微鏡系統研制及應用研究[D].華中科技大學，2016.

[2]劉靜怡.基于視覺檢測的原子力顯微鏡探針自動定位技術研究[D].沈陽理工大學，2016.

[3]趙聲.面向掃描探針顯微鏡的圖像畸變矯正及評價方法研究[D].浙江大學，2017.