压电纳米定位扫描仪启用超高精度AFM

原子力显微镜（AFM）用于具有原子级分辨率的表面测量 - 尺寸超出了光学显微镜的最高分辨率。

已知AFM是一个非接触过程，在物体表面和非常精细的测量尖端之间存在力，揭示了有关化学表面状况，地形，缺陷等的信息。作为一项既定技术，AFM用于研究以及生产中，包括半导体检查，材料研究和纳米/生物技术生命科学。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

高空间分辨率要求将样品和测量尖端同时定位。对于这种扫描技术，压电芬格扫描纳米定位阶段提供理想的解决方案，因为它们提供了亚纳米分辨率以及高扫描速率和快速响应。

尽管AFM不是一种新颖的技术，但PTB（德国标准技术研究所）开发的“低噪声计量AFM”正在将此方法提升到一个新的水平（见图1）。该高级系统将用于对新一代半导体中的步骤标准标准（用于校准其他AFM）的可追溯测量（用于校准其他AFM），以及用于CD临界维度（最小的可重复结构）测量。

图1。来自PI的高分辨率测量AFM的CAD图具有六度压电阶段。（图片：PTB）

两种测量方法：区域扫描和单点探测

根据应用程序，可以使用两种测量技术。在区域扫描模式下，AFM尖端以恒定频率和振幅振荡，并在工作距离处靠近样品。接下来是在尖端下扫描样品。如果扫描时距离有所不同，则会在尖端的幅度和频率中发生变化，并实时调整样品的Z位置，直到振荡保持恒定为止。Z位置的差异以及建立空间分辨率的X和Y坐标的差异随后提供了样品表面的地形数据。

但是，对于具有陡峭结构的表面边缘，该区域扫描技术没有足够的细节。“单点探测”模式克服了这个问题。在这里，定位设备逐渐达到已知步骤，以精确确定它（见图2）。

图2。单点探测方法：（a）样品向AFM尖端的步骤结构的运动；（b）在步骤中的一个位置处的特征负载解位曲线。（图片：PTB）

运动方向是步骤的表面法线，即需要三个活跃轴来定位样品。最终捕获了典型的“力曲线”，这是由于步骤不同部分的幅度，频率和尖端振荡的变化引起的。测量再次在各个点进行，直到整个步骤映射为止。尽管这种测量技术相当缓慢，但它提供了有关地形陡峭区域的高度准确信息，即高射线比。例如，它适用于对10至20 nm之间极小尺寸的半导体结构的定量测量。

对纳米定位扫描仪的需求很高

对于多轴样品扫描仪，在两种测量技术中满足高动力和精度要求是必不可少的，尤其是在分辨率方面。由于空间分辨率与定位系统的位置分辨率直接相关，因此多轴样品扫描仪应下降到子纳米范围。同时，在动态方面有很高的要求。如果Z位置中有更高的扫描速度，则可以实现较高的平面扫描速度。较高的速度意味着更高质量的数据和更快的测量值，因为由于测量较短，可用于较小的位置漂移。

平行运动学可减少惯性，并提高准确性和速度

考虑到上述原因，PTB选择了平行基因模拟纳米定位系统（见图3）。

图3。这个六度闭环的样品定位阶段基于平行的弯曲设计和电容式位置反馈。（图片：pi）

由市场领导者PI（Physik Instrumente）设计和开发的闭环六轴系统，可提供高于0.1 nm的定位分辨率和三个线性轴的12 µm工作范围。对于误差补偿，利用了三个旋转自由度。尽管在所有六个自由度下都提供运动，但必须足够紧凑才能集成到AFM中。

由于AFM用于定量测量，因此绝对准确性和位置可重复性都是重要的参数。如果设计正确设计了压电 - 芬式定位器，它们会提供无振动，无游戏，无摩擦运动 - 完美的条件，可准确定位和扫描样品中的XY和Z平面。用于补偿寄生角误差的另外三个旋转轴导致无与伦比的多轴精度。稳定性和精度通过高于1.4 kHz的高固有频率（在0.3 kg的负载下）进一步提高，因为测量不受外部声学干扰的影响。

位置传感器技术：直接计量学是关键

对于最新的AFM，PTB应用外部差异干涉仪直接在所有六个自由度下直接测量样品和AFM头之间的运动。干涉仪提供了出色的线性性，非常高的动态带宽和在10仪表仪范围内的高分辨率。与基于电容传感器的阶段内部直接计量系统相比，该计量技术更加直接。通过直接确定样品的位置，删除了样品和移动阶段平台之间的干扰效果，例如扭曲或漂移，从而进一步提高了整体准确性。

干涉仪信号通过串行数据流传输到多轴数字压电控制器（型号PI，E-712）。该控制器可以准确地适应定位系统，并包括所有六个轴的复杂误差补偿数学。此外，控制器为高度均匀的运行和最高力的快速进料运动提供了精细调整的线性化算法。

通过将平行运动学与所有六个自由度的干涉测量结合使用，E-712多轴数字压电控制器可以使用相应的算法来实时纠正无意的寄生虫串扰（例如，外部力量）实时诱导。

在开始测量之前，使用在压电阶段中掺入的绝对测量，电容位置传感器进行初始化。在初始化时，压电阶段取决于内部传感器的位置数据，以达到定义的起始位置。为了进行测量，外部干涉仪控制压电阶段的伺服回路。尽管符合PTB标准，但它们只能测量运动而不是绝对位置。

这E-712多轴数字压电控制器（请参见图4）可以以两种闭环模式进行操作 - 外部（干涉仪）和内部（电容）捕获确切值，这是PTB创建的超高精度表面拓扑测量系统的先决条件。

图4。E-712具有误差算法的数字多轴压电控制器可以以两种闭环模式进行操作：基于（a）六轴干涉仪和（b）六轴电容传感器的数据。（图片：pi）

基于压电的运动系统的好处是相当大的，并且将测量尖端移至样品的驱动器也建立在压电效果上 - 一个压电^®长旅行线性电机。电机设计结合了侧向和纵向压电执行器的组合，将AFM尖端转移到几毫米的几毫米上，纳米分辨率在测量开始之前，在样品的工作距离内将AFM尖端转移到样品的工作距离内。到达所需的位置后，自钳，高强度驱动器保持在高度稳定的位置，因此在六轴定位系统和AFM头之间不会产生额外的高频振荡。

该信息已从Pi（Physik Instrumente）LP（Pilezo Nano定位）提供的材料中采购，审查和调整。欧洲杯足球竞彩

有关此消息来源的更多信息，请访问PI（Physik instrumente）LP，Piezo Nano定位。