扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方法研究

骆彬威　杨尚维

摘  要：扫描探针显微镜在现代医疗、物理、化学等领域应用广泛，其微纳结构深度测量也因此得到普遍关注。文章尝试分析扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方法，首先以机械探针、光学探针建立模拟实验，再结合结果分析影响测量精度的因素，最后据此分析校准方法，给出运用自动化技术、容错技术等内容。

关键词：扫描探针显微镜;微纳结构;深度测量;校准方法

中图分类号：TP391         文献标志码：A         文章编号：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

掃描探针显微镜是指各种新型探针显微镜，包括原子力显微镜、静电力显微镜、磁力显微镜等，该类设备借助光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术进行作业，工作能力较强。但在微纳结构深度测量时，受到扫描对象特点、探针类型影响，扫描结果的精准程度并不完全理想，客观要求加强校准方法的研究。

1 模型实验

1.1 机械探针模型与实验

机械探针模型建立主要考虑针尖负载，以针尖负载的变化，评估对象弹性恢复能力，进一步获取探测对象表面的动态特点以及线性特点。对针尖负载的计算以如下公式为基准：

X=B*S（式1）

式中，X代表探针针尖负载，以μ牛顿表达;B代表探测对象表面出现的屈服应力，其单位为兆帕;S代表探针接触探测对象时水平方面上的投影面积，其单位为μ平方米。机械探针模式的建立参数，通过大数据筛选获取，以常规光学领域的工作信息为资源池，获取其基本工作参数服务模型建立。实验共分为三个阶段，可变参数包括探测对象轮廓变化、测试区域深度、探测目标屈服强度，采用参数调整法进行实验[1]：

第一阶段实验共进行30次，默认探测对象表面轮廓规则、测试区域深度较浅、探测目标屈服强度存在变化，记录探针针尖负载变化平均值，以及30次探测结果与标准值（以计算机在标准状态下获取）的平均差异。第二阶段实验共30次，默认探测表面对象轮廓规则、测试区域深度较深、探测目标屈服强度稳定，记录探针针尖负载变化平均值，以及探测结果与标准值的平均差异。第三阶段实验共30次，默认探测对象表面轮廓不规则、测试区域深度较浅、探测目标屈服强度稳定，记录探针针尖负载变化平均值，及探测结果与标准值的平均差异。

1.2 光学探针模型与实验

光学探针模式的建立主要考虑回波信息变化，根据光的漫反射、镜面反射态势，进行对象表面新型特点和动态特点的评估。光探针发出后，回波强度的变化具有明确的可辨识性，一般回波强度越大，表明探测对象表面越平整，反射接近镜面反射（图1）。而当探测对象表面平整度不足、深度分布不一时，回波强度将明显下降，反射接近漫反射[2]。

在进行光学探针模型建设时，也采用大数据分析法，获取光学分析领域的工作信息，筛选加工成计算机模型。实验共分为三个阶段，可变参数包括探测对象轮廓变化、测试区域深度、探测目标屈服强度，采用参数调整法进行实验，过程、实验阶段等与机械探针组相同，观察组目标包括探针回波强度变化平均值，以及探测结果与标准值（以计算机在标准状态下获取）的平均差异[3]。

2 实验结果与分析

2.1 测量精度分析

机械探针组实验结果见表1：

光学探针组实验结果见表2：

2.2 影响测量精度的因素分析

从结果上看：

当探测对象轮廓变化明显时，机械探针针尖负荷出现波动，但幅值较小，结果与标准值的差异也较小;当探测区域深度较深时，机械探针针尖负荷出现波动，且幅值较大，结果与标准值的差异也较大;当探测目标屈服强度出现波动时，机械探针针尖负荷出现波动，但幅值极小，结果与标准值的差异也极小。

当探测对象轮廓变化明显时，光学探针回波强度变化出现波动，且幅值较大，结果与标准值的差异也较大;当探测区域深度较深时，光学探针回波强度变化出现波动，但幅值较小，结果与标准值的差异也较小;当探测目标屈服强度出现波动时，光学探针回波强度变化出现波动，但幅值极小，结果与标准值的差异极小。

结合实验结果可知，机械探针可用于轮廓较复杂的对象，光学探针可用于探测区域深度的对象，当对象不存在上述特殊情况时，机械探针、光学探针可用于任何对象的探测，微纳结构深度测量准确性较高。进一步分析可发现，扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的影响因素包括样本轮廓、样本深度和探针形状三个方面。其基本影响规律为：

样本轮廓的变化越明显，扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的结果波动越大，机械探针、光学探针均受影响，其中光学探针所受影响略大。

样本深度越深，扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的结果波动越大，机械探针、光学探针均受影响，其中机械探针所受影响略大。

光学探针和机械探针的选取，一定程度上影响扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的结果精确性。

3 扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方法

基于实验过程和结论，扫描探针显微镜下微纳结构深度测量结果的校准，可记住自动化技术和容错技术实现。

3.1 自动化技术的应用

自动化技术的应用强调智能作业。实验表明，不同探针均在实际工作中出现了微纳结构测量误差，默认标准模式下的测量结果为O，探针测量时获取的结果一般与O存在少量差异，围绕O上下波动，极少数情况下亦可重叠，表现为：

[Omin、Omas]为探针测量结果波动的最大范围，建议在后续工作中采用信息复用和周期校正机制进行应对，获取历次工作中探针的工作信息，使[Omin、Omas]趋于准确，并获取探针工作出现较大波动的时间间隔。之后在扫描探针显微镜工作中，导入[Omin、Omas]信息、探针工作波动的时间间隔信息，借助智能技术进行探针控制，以10s或其他间隔进行一次默认调整，使探针的探测精度始终处于相对精准的范围内，实现微纳结构深度测量的自校准。

3.2 容错技术

容错技术是指在实际工作中，强调提升设备工作的间接能力，在完成了目标对象的单次扫描后，利用设备进行多次重复扫描，之后去除奇异值，获取多次扫描的结果，求取平均值，作为微纳结构深度测量的结果，完成校准。假定在实际工作中扫描对象存在轮廓不规则、深度较深问题，可首先借助探针完成目标信息的初次探测，获取探测结果后，予以记录。无论初次探测结构是否满足工作需要，均进行第二次探测，并对结果进行记录。如果对象微纳结构深度测量的要求较高，可反复进行2n次以上探测，以P表达测量结果，生成一个数集：

[P-n、Pn]为奇异值，是指2n次探测过程中获取的最小值和最大值，均予以去除。在此基础上，对剩余数值进行平均值计算，所获结果往往较接近真实数据，可作为扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方式之一。

4 结束语

综上，扫描探针顯微镜下微纳结构深度测量的校准难度大，影响因素较为多样，需结合对应因素分析可行的控制方法。借助机械探针模型和光学探针模式进行实验，发现测量精度的平均波动值较稳定，但多次扫描出现的差值不同，影响因素包括样本轮廓、样本深度和探针形状三个方面。思路上看，尝试提升深度测量精度，可尝试引入自动化技术和容错机制，从不同渠道应对测量校准问题。

参考文献：

[1]陈晓惠.高频复合超声扫描探针显微镜系统研制及应用研究[D].华中科技大学，2016.

[2]刘静怡.基于视觉检测的原子力显微镜探针自动定位技术研究[D].沈阳理工大学，2016.

[3]赵声.面向扫描探针显微镜的图像畸变矫正及评价方法研究[D].浙江大学，2017.