計(jì)量型掃描電鏡的測量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、納米測量是在納米水平上對物質(zhì)的尺度和形狀、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)進(jìn)行精密測量的方法和手段，其中最基本的測量挑戰(zhàn)就是納米尺度的精確測量。掃描電子顯微鏡以具有的高分辨力、大景深、測量范圍廣和成像速度快等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為100nm以下微納幾何結(jié)構(gòu)的主要的觀察和測量儀器之一。但目前不同廠家生產(chǎn)的商用掃描電子顯微鏡（SEM）之間存在測量值無法溯源到統(tǒng)一基準(zhǔn)且有較大測量誤差的問題，嚴(yán)重制約了SEM在納米尺度精確測量中的發(fā)展。本論文依托于國家科技支撐項(xiàng)

2、目“計(jì)量型掃描電鏡與雙探針掃描探針顯微鏡標(biāo)準(zhǔn)測量裝置的建立”(NO.2011BAK15B02)，就計(jì)量型掃描電鏡標(biāo)準(zhǔn)測量裝置中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，旨在建立一套完整的計(jì)量型掃描電鏡裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對微納幾何結(jié)構(gòu)的精確測量和SEM的量值溯源，給出了計(jì)量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。
　　論文綜合分析了納米測量技術(shù)中納米測量與量值傳遞方法的研究現(xiàn)狀，介紹了常規(guī)SEM和計(jì)量型SEM的測量原理與國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了計(jì)量型掃描電鏡

3、的組成結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了具有納米位移臺(tái)掃描成像和激光干涉儀溯源量值的計(jì)量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用外差激光干涉法和電子細(xì)分法設(shè)計(jì)了兩軸位移測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)，分析了壓電陶瓷納米位移臺(tái)的控制方法，提出了一種兩層驅(qū)動(dòng)、多信號(hào)組合控制的位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，利用NI-VISIO機(jī)器視覺工具包設(shè)計(jì)了計(jì)量型SEM的圖像采集與處理系統(tǒng)，最后基于LabVIEW圖像編程語言開發(fā)了測控系統(tǒng)上位機(jī)軟件。
　

4、　為了驗(yàn)證本論文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、激光干涉位移測量子系統(tǒng)和圖像采集與處理子系統(tǒng)的性能，搭建了各子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置以及整體的計(jì)量型掃描電鏡的標(biāo)準(zhǔn)測量實(shí)驗(yàn)裝置，分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：(1)激光外差干涉位移子系統(tǒng)的測量分辨力與穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)納米位移臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的最大測量分辨力與靜態(tài)測量穩(wěn)定性，當(dāng)納米位移臺(tái)以5nm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，位移測量子系統(tǒng)的最大測量分辨力優(yōu)于0.2nm，靜態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于3.5n

5、m，動(dòng)態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于2nm。(2)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證及振動(dòng)誤差測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米位移臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求且穩(wěn)定性高，振動(dòng)誤差可控制在±6nm內(nèi)。(3)圖像采集與處理子系統(tǒng)中濾波算法的去噪效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明濾波效果明顯。(4)計(jì)量型掃描電鏡的整機(jī)穩(wěn)定性與測量結(jié)果準(zhǔn)確度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過對1μm二維柵格樣品進(jìn)行掃描成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)中各子系統(tǒng)間的同步控制技術(shù)的同步性與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)果表明整機(jī)的同步性良好且圖像采集可