本公開(kāi)大致涉及在保留超高像素品質(zhì)的固有特性并且減少了各個(gè)模式的探針-樣本相互作用力的同時(shí),在一個(gè)或更多動(dòng)態(tài)模式(dm)下以增加的速度運(yùn)行原子力顯微鏡(afm)的系統(tǒng)和方法,所述動(dòng)態(tài)模式包括但不限于敲擊模式(tm)與非接觸模式(ncm)以及峰值力模式(pfm)與接觸模式(cm)。更具體地,本公開(kāi)大致涉及在量化樣本形貌(sampletopography)中考慮探針的平均偏移(或接觸模式中的偏移)的變化的系統(tǒng)和方法,本公開(kāi)使用并結(jié)合了:(i)內(nèi)-外反饋回路,用于在相應(yīng)的成像模式中將平均懸臂偏移調(diào)節(jié)在保持穩(wěn)定的探針-樣本相互作用所需的最小水平附近;(ii)在線(xiàn)迭代前饋控制器;(iii)振動(dòng)振幅比的在線(xiàn)優(yōu)化;以及(iv)用于探針振動(dòng)發(fā)生器(它可以使振動(dòng)振幅的設(shè)定點(diǎn)(set-point)最小化)以及用于均方根探針振蕩振幅反饋控制器的反饋控制器。
背景技術(shù):
afm是一種具有納米量級(jí)范圍的分辨率的高分辨率掃描探針顯微鏡。在原子力顯微鏡中。在原子力顯微鏡中,在其端部具有尖銳的尖端(探針)的微型懸臂可以用于掃描樣本的表面。當(dāng)尖端開(kāi)始接近樣本表面時(shí),根據(jù)胡克定律,尖端與樣本之間的力可能導(dǎo)致懸臂的偏移。通常,測(cè)量懸臂的偏移以獲取樣本的形貌。
可以在包括接觸模式(cm,也稱(chēng)作靜態(tài)模式)及多種動(dòng)態(tài)模式(包括但不限于tm、pfm以及ncm)的多個(gè)成像模式中運(yùn)行afm。在動(dòng)態(tài)模式成像中,驅(qū)動(dòng)懸臂以便以固定的振蕩振幅垂直振蕩。由于當(dāng)尖端接近樣本表面時(shí)作用于懸臂的相互作用力,振蕩的振幅可能減小。在傳統(tǒng)的dm成像中,微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fgpa)的系統(tǒng)以及下線(xiàn)控制算法(underlinecontrolalgorithm)通常用于控制樣本上方的懸臂高度,以便在懸臂在樣本表面上掃描時(shí)保持固定的振蕩振幅(如在tm和ncm成像中)或固定峰值斥力振幅(如在pfm成像中)。假設(shè)在掃描期間懸臂振蕩振幅良好地保持在理想的設(shè)定點(diǎn)值,則利用懸臂在垂直方向上的rms位移產(chǎn)生dm顯微鏡中的樣本形貌圖像。
相比于cm成像技術(shù),由于降低了毛細(xì)作用力、摩擦力與剪力以及接觸壓力,dm成像模式成像通常提供更好的圖像質(zhì)量和更低的樣本失真。但是,dm成像速度趨于大幅度減慢,因?yàn)樵黾映上袼俣瓤梢詫?dǎo)致探針與樣本之間相互作用的損失和/或懸臂敲擊振動(dòng)的衰減(特別是當(dāng)樣本尺寸較大時(shí))。
與大多數(shù)測(cè)量設(shè)備一樣,afm時(shí)常需要在質(zhì)量與獲取速度之間取舍。也就是說(shuō),一些當(dāng)前可用的afm可以以亞埃分辨率掃描表面。這些掃描儀僅能夠掃描比較小的樣本面積,盡管如此,也僅能處于比較低的掃描速率。例如,傳統(tǒng)的商業(yè)tm成像afm一般要求通常是長(zhǎng)達(dá)十分鐘的總掃描時(shí)間,以便在高分辨率(例如,512×512像素)和低探針-樣本相互作用力下覆蓋幾微米的面積。pfm的成像速度一般與tm的成像速度相當(dāng),而ncm的成像速度一般比tm慢。這主要是因?yàn)閠m和pfm運(yùn)行在排斥力層或排斥力與引力區(qū)域之間中間層中,但ncm純粹的運(yùn)行在吸引力區(qū)域并且探針懸停在樣本表面的更上面,并且探針-樣本相互作用力在引力區(qū)域?qū)τ谔结?樣本間距更加敏感。因?yàn)樘结?樣本相互作用力在吸引區(qū)域中對(duì)探針-樣本間距更加敏感,所以非接觸模式成像往往比敲擊模式成像更慢。afm掃描速度的實(shí)際極限是在保持足夠低的探針-樣本相互作用力以使得不會(huì)損傷尖端和/或樣本或不使尖端和/或樣本產(chǎn)生不可忽略的損傷的時(shí)候可以?huà)呙铇颖镜淖畲笏俣鹊慕Y(jié)果。
因此,需要具有可控相互作用力且適合于使大尺寸樣本成像的高速dm成像和/或cm成像技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
公開(kāi)了使用高速動(dòng)態(tài)模式原子力顯微鏡使樣本成像的方法。該方法可以包括:在樣本的表面上方掃描懸臂探針的尖端;經(jīng)由第一反饋控制器中產(chǎn)生的第一信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述尖端的振動(dòng)振幅,以便保持恒定在設(shè)定點(diǎn)值(aset);測(cè)量所述尖端的平均敲擊偏移;經(jīng)由第二反饋控制器中產(chǎn)生的第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移;跟蹤并測(cè)量在調(diào)節(jié)期間對(duì)所測(cè)量的平均敲擊偏移的調(diào)節(jié)。所述方法還包括基于所述第一信號(hào)、所述第二信號(hào)和所測(cè)量的對(duì)懸臂探針的所述平均敲擊偏移的調(diào)節(jié)生成所述樣本的圖像形貌。在實(shí)施例中,高速動(dòng)態(tài)模式原子力顯微鏡可以包括下述的一個(gè)或多個(gè):敲擊模式、非接觸模式和峰值力敲擊模式。
在某些實(shí)施例中,調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移可以包括:使用aset與自由振幅的比來(lái)確定所需的平均偏移,以及將所測(cè)量的平均敲擊偏移調(diào)節(jié)至所需的平均偏移。在實(shí)施例中,所需的平均偏移被確定為使aset與自由振幅的比在大約10%至30%之間。
在一些實(shí)施例中,所述第二反饋控制器可以包括內(nèi)外反饋回路結(jié)構(gòu)。外部反饋回路可以調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移,以及嵌套在所述外部回路中的內(nèi)部回路可以執(zhí)行跟蹤和測(cè)量在調(diào)節(jié)期間對(duì)所測(cè)量的平均敲擊偏移的調(diào)節(jié)。在實(shí)施例中,所述外部反饋回路是比例積分微分(pid)型控制器,具有pid參數(shù)kp、ki和kd。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述pid型控制器可以采用下列算法:
dtm-set(j+1)=kidtm-set(j)+kpetm(j)+kd[etm(j-1)-etm(j)]
其中etm(j)=dtm-d-dtm(j),其中j=2...n-1
在實(shí)施例中,所述pid參數(shù)具有以下值:kp=1、ki=1以及kd=ρ,其中ρ是樣本逐點(diǎn)梯度因子。在實(shí)施例中,ρ<1。
可選地和/或附加地,所述pid型控制器采用下列算法:
dset,0=dset,org,
其中
在一些實(shí)施例中,所述方法還可以包括基于所測(cè)量的平均偏移和aset與自由振幅的振動(dòng)振幅比之間的實(shí)時(shí)關(guān)系在線(xiàn)優(yōu)化aset。該方法還可以包括經(jīng)由第三反饋控制器預(yù)測(cè)用于跟蹤所述平均敲擊偏移調(diào)節(jié)的下一行樣本形貌和下一行跟蹤錯(cuò)誤。在一些實(shí)施例中,所述方法還可以包括使用所述下一行樣本形貌和所述下一行跟蹤錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)以便在具有提供突然的動(dòng)態(tài)變化的特征(包括斷崖和邊緣)的樣本表面的區(qū)域中減少跟蹤錯(cuò)誤。在至少一個(gè)實(shí)施例中,使用所述下一行樣本形貌和所述下一行跟蹤錯(cuò)誤的所述預(yù)測(cè)以便減少跟蹤錯(cuò)誤包括:使用以下公式獲取下一行所需的軌跡:
hffd,k+1(j)=hk(j)+α[dtm,k(j)-dtm-d],j=1,...nl.
在一個(gè)實(shí)施例中,可以基于所述特征的估測(cè)高度調(diào)整α的值。
可選地和/或附加地,所述前饋控制器還可以包括零相位低通濾波器,配置為過(guò)濾噪聲,以免被反饋至所述前饋控制器。
在一些實(shí)施例中,所述第三反饋控制器可以是前饋控制器,包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代學(xué)習(xí)控制器。所述前饋控制器實(shí)施下列算法以獲取控制輸入:
uff,0(jω)=0,
ek(jω)=hffd,k+1(jω)-zk(jω)
在某些實(shí)施例中,獲取所述下一行所需的軌跡還可以包括對(duì)第一行執(zhí)行重復(fù)性?huà)呙?,直到達(dá)到收斂,以及使用所述收斂作為下一個(gè)掃描行的迭代的初始輸入。
在本公開(kāi)的另一個(gè)方案中,公開(kāi)了一種使用高速動(dòng)態(tài)模式原子力顯微鏡以使樣本成像的方法。該方法可以包括在樣本的表面上方掃描懸臂探針的尖端;經(jīng)由第一反饋控制器中產(chǎn)生的第一信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述尖端的振動(dòng)振幅,以便保持恒定在設(shè)定點(diǎn)值(aset)。所述方法還可以包括測(cè)量所述尖端的平均敲擊偏移;經(jīng)由第二反饋控制器中產(chǎn)生的第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移;,跟蹤并測(cè)量在調(diào)節(jié)期間對(duì)所測(cè)量的平均敲擊偏移的調(diào)節(jié);經(jīng)由第三反饋控制器預(yù)測(cè)用于跟蹤所述平均敲擊偏移調(diào)節(jié)的下一行樣本形貌和下一行跟蹤錯(cuò)誤;在調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移中使用所述預(yù)測(cè)的下一行樣本形貌和下一行跟蹤錯(cuò)誤;以及基于所述第一信號(hào)、所述第二信號(hào)和所測(cè)量的對(duì)懸臂探針的所述平均敲擊偏移的調(diào)節(jié)來(lái)生成所述樣本的圖像形貌。
在某些實(shí)施例中,所述方法還可以包括在線(xiàn)迭代控制,施加于z壓電致動(dòng)器以便保持穩(wěn)定的敲擊。在實(shí)施例中,施加所述在線(xiàn)迭代控制包括通過(guò)在線(xiàn)逐點(diǎn)調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)aset。
在某些實(shí)施例中,調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移可以包括:使用aset與自由振幅的比來(lái)確定所需的平均偏移;以及將所測(cè)量的平均敲擊偏移調(diào)節(jié)至所需的平均偏移。在實(shí)施例中,所述所需的平均偏移被確定為使得aset與自由振幅的比在大約10%至30%中。
在一些實(shí)施例中,所述第二反饋控制器可以包括內(nèi)外反饋回路結(jié)構(gòu)。外部反饋回路調(diào)節(jié)所述平均敲擊偏移,以及嵌套在所述外部回路中的內(nèi)部回路可以執(zhí)行跟蹤和測(cè)量在調(diào)節(jié)期間對(duì)所測(cè)量的平均敲擊偏移的調(diào)節(jié)。在實(shí)施例中,所述外部反饋回路是比例積分微分(pid)型控制器,具有pid參數(shù)kp、ki和kd。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述pid型控制器采用下列算法:
dtm-set(j+1)=kidtm-set(j)+kpetm(j)+kd[etm(j-1)-etm(j)]
其中etm(j)=dtm-d-dtm(j),其中j=2...n-1
在實(shí)施例中,所述pid參數(shù)具有以下值:kp=1、ki=1以及kd=ρ,其中ρ是樣本逐點(diǎn)梯度因子。在實(shí)施例中,ρ<1。
可選地和/或附加地,所述pid型控制器可以采用下列算法:
dset,0=dset,org,
其中
在一些實(shí)施例中,所述方法還包括使用所述下一行樣本形貌和所述下一行跟蹤錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)以便在具有提供突然的動(dòng)態(tài)變化的特征(包括斷崖和邊緣)的樣本表面的區(qū)域中減少跟蹤錯(cuò)誤。在至少一個(gè)實(shí)施例中,使用所述下一行樣本形貌和所述下一行跟蹤錯(cuò)誤的所述預(yù)測(cè)以便減少跟蹤錯(cuò)誤可以包括:使用以下公式獲取下一行所需的軌跡:
hffd,k+1(j)=hk(j)+α[dtm,k(j)-dtm-d],j=1,...nl.
在實(shí)施例中,可以基于所述特征的估測(cè)高度調(diào)整α的值。
可選地和/或附加地,所述前饋控制器還可以包括零相位低通濾波器,配置為過(guò)濾噪聲,以免被反饋至所述前饋控制器。
在一些實(shí)施例中,所述第三反饋控制器可以是前饋控制器,包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代學(xué)習(xí)控制器。所述前饋控制器可以實(shí)施下列算法以獲取控制輸入:
uff,0(jω)=0,
ek(jω)=hffd,k+1(jω)-zk(jω)
在某些實(shí)施例中,獲取所述下一行所需的軌跡還可以包括在第一行執(zhí)行重復(fù)性?huà)呙?,直到達(dá)到收斂;以及使用所述收斂作為下一個(gè)掃描行的迭代的初始輸入。
附圖說(shuō)明
當(dāng)參考本文的下列詳細(xì)描述時(shí),本公開(kāi)將更便于理解,且本文所陳述的對(duì)象之外的對(duì)象也將變得顯而易見(jiàn)。這類(lèi)描述參照附圖,其中
圖1a示出了示例性現(xiàn)有技術(shù)dm成像afm顯微鏡框圖。
圖1b示出了示例性現(xiàn)有技術(shù)接觸模式成像afm顯微鏡框圖。
圖1c是示出了根據(jù)實(shí)施例的tm成像afm顯微鏡中關(guān)于探針-樣本距離的探針-樣本相互作用力的示例性關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
圖2是根據(jù)實(shí)施例的包括兩個(gè)樣本點(diǎn)的示例性樣本表面形貌以及在兩個(gè)樣本點(diǎn)處的tm偏移的偏移的示意圖。
圖3a是根據(jù)第一實(shí)施例的本公開(kāi)的示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制框圖的示圖。
圖3b是根據(jù)第二實(shí)施例的本公開(kāi)的示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制框圖的示圖。
圖3c是根據(jù)第三實(shí)施例的本公開(kāi)的示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制框圖的示圖,所述示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制可以并入接觸模式afm。
圖3d是根據(jù)第四實(shí)施例的本公開(kāi)的示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制框圖的示圖,所述示例性自適應(yīng)多回路模式成像afm控制可以并入敲擊模式afm。
圖4是示出了根據(jù)實(shí)施例的平均偏移中由斷崖引起的尖峰(spike)以及使用了本公開(kāi)的迭代前饋控制的所述由斷崖引起的尖峰的減量。
圖5是示出了根據(jù)實(shí)施例的用于量化樣本形貌的自適應(yīng)多回路模式成像的方法的流程圖。
圖6是示出了平均tm偏移振幅和rms振動(dòng)振幅與懸臂的自由振動(dòng)振幅的比之間的示例性關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
圖7是根據(jù)實(shí)施例的示例性原子力顯微鏡系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
容易理解的是,本文大致描述且在附圖中說(shuō)明的實(shí)施例的部件可以以多種不同的配置來(lái)布置并設(shè)計(jì)。因而,正如圖中所表示的,下述各實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制本公開(kāi)的范圍,而僅僅是各實(shí)施例的代表。雖然附圖示出了實(shí)施例的多個(gè)方案,但除非特別指明,附圖無(wú)需按比例繪制。
在不脫離本公開(kāi)的精神或?qū)嵸|(zhì)特征的情況下,本公開(kāi)可以實(shí)施為其他的具體形式。所述實(shí)施例在各個(gè)方面均被認(rèn)為是說(shuō)明性的。因此,本公開(kāi)的范圍由所附權(quán)利要求來(lái)表明。落入權(quán)利要求的等同含義及范圍內(nèi)的所有變化均包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
本說(shuō)明書(shū)通篇引用的特征、優(yōu)點(diǎn)或相似語(yǔ)言并不意味著憑借本公開(kāi)可以實(shí)現(xiàn)的所有特征和優(yōu)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)或存在在本公開(kāi)的任何單獨(dú)實(shí)施例中。相反,可以認(rèn)為涉及特征和優(yōu)點(diǎn)的語(yǔ)言是指在相關(guān)實(shí)施例中所描述的具體特征、優(yōu)點(diǎn)或特性至少包括在本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施例中。因而,遍及本說(shuō)明書(shū)的特征、優(yōu)點(diǎn)及相似語(yǔ)言的討論可以但并非必須被認(rèn)為是相同的實(shí)施例。
而且,可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞皆谝粋€(gè)或多個(gè)實(shí)施例中結(jié)合本公開(kāi)所述的特征、優(yōu)點(diǎn)和特性。根據(jù)本文的描述,相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的是,在脫離具體實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)具體特征或優(yōu)點(diǎn)的情況下可以實(shí)施本公開(kāi)。在其它情況下,可以在某些實(shí)施例中認(rèn)識(shí)到在本公開(kāi)的所有實(shí)施例中可能沒(méi)有提及的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
本說(shuō)明書(shū)通篇引用的“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”或相似語(yǔ)言是指結(jié)合相關(guān)實(shí)施例所描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性至少包括在本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例中。因此,詞語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”和遍及本說(shuō)明書(shū)的相似語(yǔ)言可以但并非必須均被認(rèn)為是相同的實(shí)施例。
如本文件所使用的,除非上下文另有清楚地指明,單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”及“該”包括復(fù)數(shù)指代。除非另有定義,本文所用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所通常理解的含義相同的含義。如本文件所使用的,詞語(yǔ)“包括”表示“包括但不限于”。
本公開(kāi)僅以示例的方式提供用于增加tm模式成像的速度的實(shí)施例的應(yīng)用。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是,在不脫離本公開(kāi)原理的情況下,實(shí)施例也可以用于增加其它種類(lèi)的afm的速度,例如諸如是pfm或ncm。
現(xiàn)在參考圖1a,提供了一種示例性現(xiàn)有技術(shù)dm成像afm框圖。正如上文所提及的,激活dm成像中的懸臂探針以持續(xù)振動(dòng)。振動(dòng)可以引起探針尖端與樣本表面105相互作用。振動(dòng)解調(diào)器308可以用于測(cè)量相關(guān)的振幅或幅值(例如,tm成像中的rms敲擊振幅、pfm成像中的峰值力振幅(即斥力的振幅)以及ncm成像中的rms振蕩振幅)。在tm或ncm成像的情況下,鎖相放大器109可以用于在任何規(guī)定時(shí)間測(cè)量振動(dòng)均方根(rms)振幅。在pfm成像中,微分器可以用于在各個(gè)時(shí)間段中測(cè)量探針振動(dòng)的最大排斥振幅。振動(dòng)的振幅可以依照樣本形貌改變,因?yàn)楫?dāng)探針靠近表面時(shí)作用于探針上的力的相互作用(范德華力、偶極矩之間的相互作用、靜電力等)使該振蕩的振幅隨著尖端靠近樣本而減小??梢岳梅答伩刂破?02(例如,rmsz-反饋控制器)來(lái)保持振幅在整個(gè)成像過(guò)程中恒定在所需的設(shè)定點(diǎn)值aset。反饋控制器可以使用壓電致動(dòng)器103來(lái)保持振幅恒定在aset??梢詼y(cè)量壓電致動(dòng)器103中的位移來(lái)量化樣本形貌。在動(dòng)態(tài)模式成像和pfm成像中,可以顯著地避免由探針在樣本表面的上方滑動(dòng)(如在cm模式成像中)所引起的探針磨損和/或樣本損壞,因而具有更高的樣本分辨率。
如圖1b所示,探針-樣本相互作用力(其進(jìn)而控制振幅)是非線(xiàn)性的,并且是探針-樣本距離的函數(shù)。因此,更高成像速度下探針-樣本距離的變化可能導(dǎo)致振動(dòng)(敲擊)的衰減或失去探針-樣本接觸。
一般,在dm成像中,需要獲取振動(dòng)的多個(gè)時(shí)間段,以測(cè)量振幅(例如,tm成像中的敲擊振幅、pfm成像中的峰值力振幅或ncm成像中的振蕩振幅)。這可能在反饋控制回路中引發(fā)時(shí)間延遲,并且被測(cè)的振幅可以與懸臂探針的實(shí)際瞬時(shí)敲擊振幅不同(滯后)。反饋控制器102上的時(shí)間延遲的不利效果僅在低掃描速度的情況下變得可以忽略。
作為示例,在現(xiàn)有技術(shù)中,tm成像(應(yīng)當(dāng)注意的是tm模式成像僅作為示例使用)模塊已經(jīng)通過(guò)選擇大的自由振動(dòng)振幅(afree)和較小的敲擊振幅設(shè)定點(diǎn)(aset)而竭力增加了成像速度。但是,這導(dǎo)致了大的探針-樣本相互作用力,因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)模塊通常忽略了懸臂偏移和和偏移中的變化,這導(dǎo)致了高成像速度下的圖像失真。決定探針-樣本相互作用力與懸臂偏移之間的關(guān)系的公式是:
ft-s(t)=-kcdtot(t)=-kc[dtm(t)+(adefcos(ω0t+φ))-afreecos(ω0t)]——(1)
其中,kc是懸臂的彈性常數(shù),dtot(t)懸臂的總偏移,dtm(t)是單位時(shí)間段的平均懸臂偏移(tm-偏移),adef(t)是瞬時(shí)敲擊振幅,φ和afree分別是懸臂對(duì)于激發(fā)(excitation)的響應(yīng)的相移和懸臂自由振幅。
現(xiàn)在參考圖2,示出了典型的樣本形貌量化。樣本的示例可以包括聚叔丁基丙烯酸丁酯(ptba)、聚丙乙烯-低密度聚乙烯(ps-ldpe)、苯乙烯(sbs)、聚丙烯膜(celgard)和生物樣本??梢詮拇蠹s1平方微米(sq.μm)至10000平方微米中選擇樣本尺寸??梢允褂帽绢I(lǐng)域已知技術(shù)為afm成像制備樣本,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),此處未公開(kāi)??紤]到tm偏移(205和206),樣本表面(202)上任意兩點(diǎn)(203和204)之間的高度差可以表示為:
h1-0=[z(x1,y1)–z(x0,y0)]+ε[dtm(x1,y1)–dtm(x0,y0)]--------(2)
其中:
z(x,y)=點(diǎn)(x,y)處z壓電位移;
dtm(x,y)=點(diǎn)(x,y)處的平均偏移;以及
ε=取決于探針-樣本相互作用機(jī)制的接觸常數(shù)。當(dāng)探針-樣本相互作用由遠(yuǎn)距離的吸引力支配時(shí)(例如,adef/afree∈(0.5,0.8)),ε=-1,當(dāng)排斥的探針-樣本相互作用力出現(xiàn)時(shí)ε=1,以及當(dāng)敲擊振幅接近自由振動(dòng)振幅時(shí),即adef≈afree時(shí),-1<<ε<0,。
因而,上述公式(2)意味著可以相對(duì)于一個(gè)固定參考點(diǎn)(例如,點(diǎn)0—為了方便,稱(chēng)為第一成像樣本點(diǎn))來(lái)獲取整個(gè)成像區(qū)域的樣本形貌。在不失普遍性的情況下,在一些實(shí)施例中,高度和偏移基準(zhǔn)點(diǎn)0可以設(shè)置為z(x0,y0)=0和dtm(x0,y0)=dtm-d,其中,dtm-d是對(duì)應(yīng)處于設(shè)定點(diǎn)值時(shí)的探針振動(dòng)振幅的平均偏移,因而,樣本表面形貌可以量化為:
h(x,y)=z(x,y)+ε[dtm(x,y)-dtm-d]=z(x,y)+εδdtm(x,y)--------(3)
因此,處于低成像速度時(shí),懸臂探針可以在振動(dòng)振幅的控制下在其中精確地跟蹤樣本形貌(即adef緊密地圍繞設(shè)定點(diǎn)值,平均偏移δdtm(x,y)變化足夠小并且dtm(x,y)≈dtm-d)。因此,h(x,y)≈z(x,y),并且樣本形貌可以被精確地量化成各個(gè)樣本點(diǎn)處所測(cè)量的壓電位移。
但是,隨著成像速度的增加,保持adef≈afree這種嚴(yán)格的條件是困難的。注意到的是,即使小掃描速度的增加(振動(dòng)振幅的變化小),瞬時(shí)振幅adef的變化也不能忽略,因此,平均偏移的變化仍然可能是明顯的。這類(lèi)平均偏移變化通常不在常規(guī)dm成像中計(jì)算,并且導(dǎo)致圖像失真并限制成像速度。
因此,正如本公開(kāi)所描述的,通過(guò)在樣本形貌量化中考慮平均偏移可以增加成像速度。
圖1b示出了接觸模式afm框圖并且可能與成像的動(dòng)態(tài)模式稍有不同。首先,在接觸模式中,探針尖端被“拖著”穿過(guò)樣本的表面,并且直接使用懸臂的偏移,或者更普遍地,使用保持懸臂偏移(即,探針-樣本相互作用力)緊密地在設(shè)定點(diǎn)值附近所需的反饋信號(hào)可以測(cè)量表面的輪廓。因?yàn)殪o態(tài)信號(hào)的測(cè)量可能易于發(fā)生噪聲和漂移,使用低剛度懸臂來(lái)提高偏移信號(hào)??拷鼧颖镜谋砻?,吸引力可能相當(dāng)強(qiáng),導(dǎo)致尖端“咬合”到表面。因而,接觸模式afm幾乎總是在總體來(lái)說(shuō)力是排斥力的深度進(jìn)行,即與任何吸附層下面的固體表面穩(wěn)固的“接觸”。此外,在接觸模式成像中,可能不激發(fā)懸臂的振動(dòng)模式,并且樣本變形可以假定是可以忽略的。因此,不同于dm成像,接觸模式成像中的d(x,y)可以表示偏移而不是平均偏移,并且可能不需要接觸常數(shù)ε。考慮到成像的接觸模式和dm模式之間的這些差別,樣本表面(202)上,任意兩個(gè)點(diǎn)(203和204)之間的高度差可以表示為:
h1-0=h1-0=[z(x1,y1)–z(x0,y0)]+[d(x1,y1)–d(x0,y0)]--------(2a)
其中,
z(x0,y0)=樣本點(diǎn)(x0,y0)的z軸位置;
z(x1,y1)=樣本點(diǎn)(x1,y1)的z軸位置;
d(x0,y0)=樣本點(diǎn)(x0,y0)處的懸臂偏移;以及
d(x1,y1)=樣本點(diǎn)(x1,y1)處的懸臂偏移。
從而,通過(guò)選擇z(x0,y0)=0和d(x0,y0)=dset(設(shè)定點(diǎn)偏移(set-pointdeflection)),樣本表面形貌可以量化為:
h(x,y)=z(x,y)+[d(x,y)-dset]--------(3a)
因此,如本公開(kāi)所描述的,通過(guò)在樣本形貌量化中考慮偏移可以增加成像速度。
在第一個(gè)實(shí)施例中,本公開(kāi)描述改進(jìn)了成像速度的afm,它包括成像模塊,除了在保持探針振動(dòng)的同時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)振幅的反饋回路(如關(guān)于圖1a所討論的),成像模塊可以使用內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)的控制回路來(lái)操作,從而調(diào)節(jié)平均懸臂偏移。在另一個(gè)實(shí)施例中,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的在線(xiàn)迭代前饋控制器可以被集成至內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步改善樣本形貌的跟蹤。
在第一方案中,如下面所討論地計(jì)算并調(diào)節(jié)懸臂偏移的振動(dòng),本公開(kāi)可以在自適應(yīng)多回路成像(aml成像)afm中增加成像速度。
現(xiàn)在參考圖3a,提供了用于在afm中提高成像速度的示例性aml成像模塊的框圖。如圖3所示,aml成像模塊可以包括:(i)振動(dòng)振幅反饋控制回路(300);(ii)反饋控制(320),在內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)中用于調(diào)節(jié)平均偏移;(iii)振動(dòng)振幅比的在線(xiàn)優(yōu)化(314);(iv)用于探針振動(dòng)生成器的反饋控制器(它使振動(dòng)振幅最小化)(370);以及(v)在線(xiàn)迭代前饋控制器(310),用于在跟蹤樣本形貌時(shí)克服振動(dòng)振幅反饋回路的時(shí)間延遲。
振動(dòng)振幅控制回路320可以使用振動(dòng)解調(diào)器(例如,如果是tm成像就是鎖相放大器)304和關(guān)于之前圖1a所討論的振動(dòng)振幅控制器301來(lái)將aml成像振動(dòng)振幅調(diào)節(jié)在設(shè)定點(diǎn)值處。振動(dòng)解調(diào)器303可以測(cè)量平均振動(dòng)振幅或峰值力振幅,并且反饋控制器301可以使用z壓電致動(dòng)器302來(lái)調(diào)節(jié)振幅。用于執(zhí)行這種控制回路的技術(shù)和相關(guān)技術(shù)在本領(lǐng)域是公知的,因此,除了可能有助于理解系統(tǒng)的運(yùn)行的細(xì)節(jié)或理解系統(tǒng)的運(yùn)行所需的細(xì)節(jié),本文不進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
除了振動(dòng)振幅反饋控制器,內(nèi)外回路結(jié)構(gòu)320還可以通過(guò)在每個(gè)敲擊周期中將懸臂的平均(垂直)位置調(diào)節(jié)為緊密?chē)@理想值來(lái)調(diào)節(jié)平均偏移,從而保持穩(wěn)定的敲擊。特別地,外部回路350可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)平均偏移設(shè)定點(diǎn),內(nèi)部回路360可以使用控制器306跟蹤所調(diào)節(jié)的平均偏移設(shè)定點(diǎn)??刂破?06可以是諸如pid型控制器的反饋控制器。
外部回路可以采用下述pid型(比例積分微分型)控制來(lái)調(diào)節(jié)平均偏移設(shè)定點(diǎn)dtm-set(·):
dtm-set(j+1)=kidtm-set(j)+kpetm(j)+kd[etm(j-1)-etm(j)]
其中etm(j)=dtm-d-dtm(j),其中j=2...n-1,——(4)
其中:
n=每個(gè)圖像的采樣周期總數(shù);
dtm-d=期望平均偏移;
dtm(j)=當(dāng)前采樣點(diǎn)的平均偏移;以及
kp、ki和kd是pid參數(shù)。
可以通過(guò)所選敲擊振幅設(shè)定點(diǎn)與自由振幅的比aset/afree來(lái)判斷期望的平均偏移dtm-d。特別地,可以事前測(cè)量dtm-d與adef/afree的關(guān)系。dtm-d與adef/afree的關(guān)系可以類(lèi)似于以adef/afree~50%為中心的拋物線(xiàn)曲線(xiàn)。
雖然本公開(kāi)使用了pid控制器,但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)理解的是在不脫離本公開(kāi)原則的情況下可以使用不同類(lèi)型的控制器。
在實(shí)施例中,pid參數(shù)kp=1、ki=1以及kd=ρ,其中ρ可以是樣本逐點(diǎn)梯度因子。在實(shí)施例中,ρ<1。應(yīng)當(dāng)理解的是這些pid值是示例性的值,為了更好的性能它們可以是可調(diào)整的。
圖6描繪了用于敲擊模式情況的示例性dtm-d相對(duì)于adef/afree的曲線(xiàn)600,其中,當(dāng)敲擊比adef/afree<10%時(shí)尖端-樣本相互作用力顯著增加,當(dāng)adef/afree大于80%時(shí),增加掃描速度可能快速導(dǎo)致脫離。根據(jù)實(shí)施例,對(duì)于如圖5所示的dtm-d相對(duì)于adef/afree的曲線(xiàn),可以選擇所需的平均偏移使得相應(yīng)的adef/afree優(yōu)選在10%至30%之間(601)。盡管本公開(kāi)是基于圖6所示的曲線(xiàn),但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)理解的是在不脫離本公開(kāi)原則的情況下,可以為不同的樣本和/或懸臂優(yōu)選不同的敲擊比,這取決于具體測(cè)量的dtm-d與adef/afree。
此外,應(yīng)當(dāng)理解的是,可能存在外部回路可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平均偏移設(shè)定點(diǎn)的其他方法。前述內(nèi)容僅列出了數(shù)量有限的示例,本文的實(shí)施例不限于這些示例。
應(yīng)當(dāng)注意的是,根據(jù)公式(1)和(3),盡管可以在樣本形貌量化中單獨(dú)計(jì)算平均偏移來(lái)增加aml成像afm的速度,但是在成像期間不能改善樣本相貌的跟蹤。因此,隨著成像速度的增加,探針-樣本相互作用力可能顯著的改變并導(dǎo)致脫離接觸和/或消除敲擊。在第二方案中,本公開(kāi)因而公開(kāi)了實(shí)施于z壓電致動(dòng)器302的在線(xiàn)迭代前饋控制,以便保持樣本形貌的跟蹤。
可以調(diào)整探針rms振動(dòng)振幅的設(shè)置點(diǎn)(圖3a、圖3b和圖3d中的aset)來(lái)計(jì)算相比于rms振動(dòng)振幅關(guān)系的不確定性和平均偏移的變化(如圖6所示)。處于穩(wěn)定狀態(tài)的rms振動(dòng)振幅和平均偏移dtm可以在成像過(guò)程中被實(shí)時(shí)測(cè)量,然后用于構(gòu)建在選擇的所需平均偏移dtm-d附近的平均偏移相對(duì)于振幅的曲線(xiàn)的部分。穩(wěn)定狀態(tài)平均偏移dtm和rms振動(dòng)振幅可以通過(guò)在大于平均偏移反饋控制回路的時(shí)間常數(shù)和rms振動(dòng)振幅回路的時(shí)間常數(shù)的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)求平均數(shù)來(lái)分別獲取。然后,基于實(shí)時(shí)測(cè)量的dtm相對(duì)于adef/afree的曲線(xiàn),振幅設(shè)定優(yōu)化控制器314可以通過(guò)在dtm相對(duì)于adef/afree的曲線(xiàn)上對(duì)對(duì)應(yīng)于所需平均偏移dtm-d的值設(shè)置振動(dòng)振幅設(shè)定點(diǎn)aset來(lái)更新rms振動(dòng)振幅aset的設(shè)定點(diǎn)。
如圖3a所示,對(duì)應(yīng)z壓電致動(dòng)器302的在線(xiàn)迭代前饋控制器308可以被集成至振動(dòng)振幅反饋回路330。具體地,通過(guò)在線(xiàn)實(shí)施下述高階無(wú)模型的基于差分反轉(zhuǎn)的迭代控制(homdiic)算法來(lái)獲取前饋控制輸入:
uff,0(jω)=0,——(5)
ek(jω)=hffd,k+1(jω)-zk(jω)(8)
其中:
λ=預(yù)選的常數(shù),用于確保迭代的收斂;
uff+fb,k(·)=施加于z壓電致動(dòng)器的總控制輸入(反饋+前饋),即,
zk(·)=第k掃描行所測(cè)量的z壓電位移;以及
hffdk+1(·)=z壓電在第k+1掃描行處需要跟蹤的預(yù)定軌跡。
上述控制定則中的比
此外,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)理解的是存在在線(xiàn)前饋控制回路310可以控制樣本形貌跟蹤的其他方法,并且前述內(nèi)容僅列出了一個(gè)示例性算法,本發(fā)明的實(shí)施例不限于這些示例。
平均偏移相比于敲擊振幅可以更快地響應(yīng)樣本形貌變化。但是,由于懸臂和懸臂夾具(將懸臂連接到壓電致動(dòng)器)的柔量(compliance),在平均偏移變化與形貌輪廓的變化之間仍然可能存在時(shí)間延遲。隨著掃描速度的增加,這樣的時(shí)間延遲(雖然很小)可能變得重要,因此,在探針已經(jīng)通過(guò)了這些樣本位置后,平均偏移的尖峰才可能達(dá)到他們的(局部的)峰值。即使使用先進(jìn)的反饋控制,這樣的偏移尖峰可能依然存在。
因而,根據(jù)實(shí)施例,aml成像模塊中的前饋控制器308可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代控制算法(例如,公式5至8所給出的算法),以便在高速成像期間顯著改善樣本形貌的跟蹤。此外和/或可選地,前饋控制器308可以使用對(duì)下一行的樣本形貌和樣本跟蹤錯(cuò)誤的預(yù)測(cè),以便顯著的減少在具有突然和劇烈的變化的樣本區(qū)域(例如,具有如圖4所示的斷崖(cliff)和/或邊緣(edge)的區(qū)域)附近的跟蹤錯(cuò)誤(即,懸臂偏移變化)。具體地,通過(guò)將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)迭代控制器與下一行的基于預(yù)測(cè)的預(yù)定軌跡(如之前所討論的)結(jié)合,前饋控制器308可以顯著的減少在具有斷崖和/或邊緣的區(qū)域附近的懸臂偏移的變化。如圖4所示,在方塊狀的多段的采樣區(qū)的“斷崖”和“邊緣”附近出現(xiàn)了大的尖峰。這些尖峰的振幅可以通過(guò)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代前饋控制而顯著減小,然后可以通過(guò)在前饋控制中結(jié)合跟蹤錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)來(lái)進(jìn)一步減少,如圖4所示。
預(yù)測(cè)的樣本形貌和預(yù)測(cè)的下一行平均偏移跟蹤錯(cuò)誤可以通過(guò)前饋控制器308來(lái)計(jì)算,以便跟蹤修改的預(yù)定軌跡hffd,k(·),如公式7中所示。修改的預(yù)定軌跡(用于軌跡的前饋控制數(shù)據(jù))使z壓電能夠驅(qū)動(dòng)懸臂,以便對(duì)形貌變化提前響應(yīng)(即,預(yù)驅(qū)動(dòng)),因而減少了偏移尖峰的振幅。例如,在第k行掃描的結(jié)尾,第k+1行的樣本形貌輪廓可以使用第k掃描行的樣本形貌輪廓(經(jīng)由公式5量化)來(lái)預(yù)測(cè)(即hk+1(t)≈hk(t))。這樣的近似是合理的,因?yàn)樵诰哂凶銐虻膾呙杈€(xiàn)的情況下,行與行的形貌變化很小。相似地,如果對(duì)相同的樣本形貌施加相同的控制,則第k+1掃描行上的平均偏移跟蹤錯(cuò)誤可以被預(yù)測(cè)成第k行上的平均偏移跟蹤錯(cuò)誤dtm,k(·)–dtm-d(即跟蹤錯(cuò)誤(trackingerror))。然后,下一行的預(yù)定軌跡hffd,k+1(t)可以將前述兩個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)合來(lái)獲取,如下:
hffd,k+1(j)=hk(j)+α[dtm,k(j)-dtm-d],j=1,...nl.——(9)
其中,
nl=每個(gè)圖像行的總采樣點(diǎn);以及
α=校正因子。
可以在上述迭代算法(公式9)中引入平均偏移,以便在對(duì)陡峭且大的形貌變化(垂直變化)的采樣區(qū)進(jìn)行成像時(shí)減小相互作用力的振幅。在某些實(shí)施例中,可以基于樣本表面特征的預(yù)估高度來(lái)調(diào)整校正因子α。
在實(shí)施例中,上述定義的迭代方案在成像過(guò)程中可以重復(fù)使用以?huà)呙璧谝恍校钡竭_(dá)到收斂(即,直到兩個(gè)連續(xù)的迭代之間的z壓電位移差足夠小,例如接近于噪聲水平(noiselevel))。在某些實(shí)施例中,可以對(duì)第一行執(zhí)行2到3個(gè)重復(fù)性?huà)呙?,以便能夠在無(wú)需迭代的情況下來(lái)掃描樣本的其余部分。在另一些實(shí)施例中,可以對(duì)第一行執(zhí)行7到8個(gè)重復(fù)性?huà)呙?。然后,收斂的輸入可以在下一個(gè)掃描行上用作迭代的初始輸入。保持迭代輸入的校正速率(即,收斂速率)比由樣本形貌變化所引起的逐行的輸入變化快,可以?xún)H需要更新一次迭代控制輸入(即無(wú)需迭代,樣本的其余部分就可以成像)。z壓電動(dòng)態(tài)的這種使用可以提供較大的“工作”帶寬(即,高速下更好的跟蹤性能),因?yàn)榉答伩刂期呌诮档烷_(kāi)放回路帶寬。
在某些實(shí)施例中,為了避免噪聲經(jīng)由前饋頻道反饋到閉合回路中,前饋控制輸入uff,k+1(·)可以通過(guò)零相位的低通濾波器
其中:
由于整個(gè)下一行前饋控制輸入是本來(lái)就知道的,所以上述非因果(noncausal)零相位濾波器可以在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。
在實(shí)施例中,adef/afree可以等于20%,使得dtm-d可以接近于零。在另一些實(shí)施例中,adef/afree可以等于30%,使得dtm-d可以接近于零。在另一些實(shí)施例中,adef/afree可以在20%至30%之間,使得dtm-d可以接近于零。
應(yīng)當(dāng)注意到的是,雖然通過(guò)在成像期間計(jì)算平均偏移并執(zhí)行樣本形貌的前饋跟蹤可以增加aml成像afm的速度,但敲擊振幅始終保持恒定在預(yù)定值aset。因此,成像速度可以增加且探針-樣本相互作用力可以改變,這可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的敲擊和在信號(hào)中的增加的噪聲。因而在第三個(gè)方案中,本公開(kāi)公開(kāi)了一種施加于z壓電致動(dòng)器302的在線(xiàn)迭代控制,以便保持穩(wěn)定的敲擊。
圖3b根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例示出了示例性aml成像模塊框圖。如圖3b所示,可以通過(guò)添加反饋回路340來(lái)修改圖3a所示振動(dòng)振幅反饋控制回路330,以便通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整敲擊振幅來(lái)進(jìn)一步減少探針-樣本相互作用力。
在一些實(shí)施例中,振動(dòng)振幅(即,tm成像中的敲擊振幅、pfm成像中的峰值力振幅或ncm成像中的振動(dòng)振幅)可以被緊密地保持在保持穩(wěn)定的敲擊和理想的信噪比所需的最小振幅附近。特別地,外部回路340可以使用控制器301在線(xiàn)并逐點(diǎn)(即,aset可能不是預(yù)定常數(shù))調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)振幅aset的設(shè)定點(diǎn)。在某些實(shí)施例中,先逐點(diǎn)調(diào)節(jié)自由振蕩振幅afree,然后基于之前所測(cè)量的任何給出的平均“平均偏移”值處的afree與aset關(guān)系來(lái)確定相應(yīng)的aset就可以調(diào)節(jié)aset??刂破?01可以是反饋控制器,例如pid型控制器。
在某些實(shí)施例中,控制器301可以是pid型控制器,它使用下列公式來(lái)調(diào)節(jié)aset:
afree(j+1)=kiaafree(j)+kpaea(j)+kda[ea(j-1)-ea(j)]
其中ea(j)=amin-adef(j),其中j=2...n-1,——(11)
其中:
n=每個(gè)圖像的采樣周期總數(shù);
amin=所需振動(dòng)振幅的下限,用以保持所需的信噪比和懸臂的穩(wěn)定敲擊;
adef(j)=當(dāng)前采樣點(diǎn)的振動(dòng)振幅;以及
kia,、kpa和kda是pid控制參數(shù)。
采樣點(diǎn)(j+1)處的所需振動(dòng)振幅設(shè)定點(diǎn)aset(j+1)可以基于預(yù)先測(cè)量的關(guān)系來(lái)確定,該關(guān)系使用下列公式將使用公式(11)所確定的采樣點(diǎn)(j+1)處的自由振動(dòng)振幅afree(j+1)與平均偏移dtm-d聯(lián)系起來(lái):
aset(j+1)=f(afree(j+1),dtm-d)------------(12)
其中:
f(afree(j+1),dtm-d)=在給出的平均偏移值處定義了afree與aset關(guān)系的函數(shù)。
關(guān)系可以被預(yù)先確定,即可能不需要f(afree(j+1),dtm-d)的顯式表達(dá)式,并且可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定以獲取數(shù)值關(guān)系。
在某些實(shí)施例中,所需的平均偏移可以選擇實(shí)際上盡可能接近于零的常數(shù)。
應(yīng)當(dāng)注意的是,雖然本公開(kāi)說(shuō)明了aml成像模塊在各種動(dòng)態(tài)模式afm(例如,敲擊模式)中的并入和使用,但是,在不脫離本公開(kāi)原則的情況下aml成像模塊還可以被并入在接觸模式afm中,以便增加成像速度。圖3c根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例示出了并入接觸模式afm中的示例性aml成像模塊框圖。
正如圖1b之前所討論的,在接觸模式成像中,通過(guò)在樣本形貌量化中考慮偏移可以增加成像速度。因此,如圖3c所示,在接觸模式成像中,內(nèi)外反饋回路(325)可以逐行調(diào)節(jié)偏移設(shè)定點(diǎn)(不同于dm成像中的逐點(diǎn))以保持偏移,從而將探針-樣本相互作用力保持在掃描期間保持穩(wěn)定接觸所需的最低水平附近。具體地,外部回路355可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)偏移設(shè)置點(diǎn),內(nèi)部回路365可以使用控制器365來(lái)跟蹤被調(diào)節(jié)過(guò)的偏移設(shè)定點(diǎn)??刂破?65可以是反饋控制器,例如pid型控制器。
外部回路可以采用下述法向力的基于梯度的求最小值來(lái)調(diào)節(jié)偏移設(shè)定點(diǎn),如公式所述:
dset,0=dset,org,——(13)
其中
其中:
dset,0=第一掃描行上的偏移設(shè)定點(diǎn);
dset,k=第k掃描行上的偏移設(shè)定點(diǎn);
dk+1(t)=在第k+1掃描線(xiàn)處的預(yù)測(cè)檢測(cè)的最小值;
d*min=保持穩(wěn)定的排斥性末端-樣本相互作用所需的最小偏移/力(即,閾值);
tscan=掃描周期;
dset,org=在成像過(guò)程之前所選的原始偏移設(shè)定點(diǎn);以及
ρ∈[0,1]=梯度因子,可以調(diào)節(jié)以改善成像質(zhì)量。
在接觸模式成像中,用于壓電致動(dòng)器302的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代前饋控制回路310可以用與之前所討論的dm成像模塊中的前饋控制回路一樣的方法運(yùn)行。例如,下一行所需的軌跡hffd,k+1(t)可以使用公式5、6和9來(lái)獲取。
圖3d根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例示出了用在敲擊模式afm中的示例性aml成像模塊框圖。成像模塊可以用與關(guān)于圖3a的成像模塊所示的方式一樣的方式運(yùn)行。
在某些實(shí)施例中,上述公開(kāi)的信號(hào)可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取,例如在matlabxpc目標(biāo)環(huán)境下。其他示例可以包括基于dsp的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算系統(tǒng),基于fpga的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算系統(tǒng)或本領(lǐng)域已知的任何其它類(lèi)似系統(tǒng)。
總之,可以使用圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)解釋并理解本公開(kāi)的aml成像技術(shù)相對(duì)于當(dāng)前成像技術(shù)(包括dm成像和cm成像)的優(yōu)點(diǎn)和功效,圖4中,比較了使用當(dāng)前成像技術(shù)和aml成像技術(shù)對(duì)方塊狀的多個(gè)段的校準(zhǔn)樣本進(jìn)行的成像。圖4a示出了待成像樣本形貌的橫截面。由于階梯狀的樣本特征,精確地跟蹤各段的邊緣可能是困難的。例如,如圖4b所示,在懸臂偏移信號(hào)(即,探針-樣本相互作用力的變化)中,當(dāng)使用僅具有反饋的傳統(tǒng)成像技術(shù)時(shí),大尖峰可能出現(xiàn)在樣本的上下邊緣上。因此,使用傳統(tǒng)成像技術(shù)所測(cè)量的圖像輪廓(如圖4c所示)無(wú)法捕捉樣本輪廓的邊緣(將圖4a與圖4c比較)。但是,如圖4e所示,使用aml成像技術(shù)可以減少懸臂偏移中的大尖峰。使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的迭代前饋控制并結(jié)合使用迭代控制中預(yù)測(cè)的下一行樣本輪廓和預(yù)測(cè)的下一行跟蹤錯(cuò)誤以及附加的平均偏移反饋回路(用于dm成像)和設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)。因此,可以顯著的改進(jìn)樣本形貌的跟蹤(參見(jiàn)圖4f),特別是在上下邊緣附近。此外,通過(guò)使用利用了跟蹤的樣本形貌和懸臂偏移的本公開(kāi)的樣本形貌量化(公式(3)和公式(3a)),可以進(jìn)一步改進(jìn)由aml成像技術(shù)所獲取的樣本形貌,并且可以更接近于原始的樣本形貌,如圖4d所示。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖5,公開(kāi)了如上所討論的實(shí)施例中的基于本aml成像模式的運(yùn)行原理的算法的示例性流程圖。在步驟501中,高頻脈動(dòng)壓電可以啟動(dòng)探針振動(dòng)來(lái)引發(fā)探針-樣本相互作用。邏輯可以繼續(xù)進(jìn)行到502,以便使用振動(dòng)解調(diào)器304來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量探針振動(dòng)的瞬時(shí)振幅。在步驟503中測(cè)量值可以被提供給振動(dòng)振幅反饋控制器301,使得控制器可以將探針振動(dòng)振幅調(diào)節(jié)到所需的aset。
在步驟504中,邏輯可以在外部回路350中測(cè)量平均偏移,并在步驟505中使用反饋控制器305調(diào)節(jié)它。在步驟506中,邏輯還可以跟蹤內(nèi)部回路360的平均偏移調(diào)節(jié)。正如所討論的,最佳調(diào)節(jié)值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的,例如,在運(yùn)行afm系統(tǒng)之前通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。
在步驟507中,邏輯還可以基于z壓電位移和平均偏移量化樣本形貌。量化之后,邏輯還可以在步驟508中使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的在線(xiàn)迭代前饋控制回路310預(yù)測(cè)下一行樣本形貌和下一行跟蹤錯(cuò)誤,并且在步驟509中基于該預(yù)測(cè)預(yù)驅(qū)動(dòng)z壓電。
在步驟510中,可以使用控制器314來(lái)在線(xiàn)優(yōu)化振動(dòng)振幅的設(shè)定點(diǎn),使得振動(dòng)的設(shè)定點(diǎn)可以基于實(shí)時(shí)測(cè)量的平均偏移和振動(dòng)振幅比關(guān)系而更新,以便計(jì)算平均偏移振幅和振動(dòng)振幅比之間的關(guān)系中的不確定性和變化。
在步驟511中,可以調(diào)節(jié)自由振動(dòng)振幅以使與振動(dòng)相關(guān)的尖端-樣本相互作用力最小化。可以使用pid控制器312,以便利用實(shí)時(shí)測(cè)量的振動(dòng)振幅與預(yù)先選擇的最小振動(dòng)振幅之間的差,從而更新自由振動(dòng)振幅。
現(xiàn)在參考圖7,根據(jù)實(shí)施例的afm系統(tǒng)包括微型懸臂708,在其端部具有尖銳的探針711,該探針可以用于掃描樣本712的表面。懸臂在其另一端部由基座(懸臂夾持器)707支撐。當(dāng)探針開(kāi)始接近樣本表面時(shí),尖端和樣本之間的力可能導(dǎo)致懸臂的偏移。懸臂的偏移可以用包括激光器710和光電二極管(探測(cè)器)709陣列的光學(xué)裝置來(lái)測(cè)量。
在監(jiān)測(cè)探針-樣本相互作用的時(shí)候,掃描器701可能在探針711和樣本712之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在某些實(shí)施例中,掃描器可以是掃描探針顯微鏡(spm)掃描器。這樣,可以獲取樣本的圖像或其他測(cè)量。掃描器701可以包括一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器,它通常在三個(gè)正交方向(xyz)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。掃描器701可以是單個(gè)集成單元,例如在所有三個(gè)軸上移動(dòng)樣品或探針的壓電管致動(dòng)器。可選地,掃描器可以是多個(gè)單獨(dú)的致動(dòng)器的組件。在一些實(shí)施例中,掃描器可以被分成多個(gè)部件,例如移動(dòng)樣本的xy致動(dòng)器和移動(dòng)探針的獨(dú)立的z致動(dòng)器。根據(jù)上述所討論的公開(kāi),在關(guān)于樣本表面的探針掃描中,可以采用控制器714,它包括用于控制spm掃描器701以驅(qū)動(dòng)z壓電致動(dòng)器的反饋機(jī)制,所述控制器714可以安裝在基座707中。來(lái)自光電二極管709的信號(hào)被傳送到控制器714。反饋機(jī)制包括關(guān)于圖3a所討論的aml成像模塊。
雖然本公開(kāi)的實(shí)施例采用了使用z壓電致動(dòng)器(沿垂直軸)在橫向的x-y方向中的樣本跟蹤,但是應(yīng)當(dāng)理解的是,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員,根據(jù)本公開(kāi)所公開(kāi)的原理,樣本跟蹤可以在其他方向中執(zhí)行。
控制器614可以是系統(tǒng)的中央處理單元的一部分,并且可以執(zhí)行執(zhí)行程序所需的計(jì)算和邏輯運(yùn)算。單獨(dú)或與一個(gè)或多個(gè)其他元件結(jié)合的處理單元可以是處理裝置、計(jì)算裝置或處理器,正如本公開(kāi)中所使用的這類(lèi)術(shù)語(yǔ)。正如本文件及權(quán)利要求書(shū)中所使用的,術(shù)語(yǔ)“處理器(processor)”可以指單一的處理器或一組處理器中任意數(shù)量的處理器。只讀存儲(chǔ)器(rom)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)構(gòu)成存儲(chǔ)器設(shè)備的示例。附加的存儲(chǔ)器設(shè)備可以包括例如外部或內(nèi)部磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、閃存、usb驅(qū)動(dòng)器或用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的其它類(lèi)型的設(shè)備。如前所述,所述各種驅(qū)動(dòng)器和控制器是可選的裝置。另外,存儲(chǔ)器設(shè)備可以被配置為包括用于存儲(chǔ)任何軟件模塊或指令、輔助數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)的獨(dú)立的文件,用于存儲(chǔ)列聯(lián)表組和/或回歸模型的公共文件,或者用于存儲(chǔ)上述所討論的信息的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。
用于執(zhí)行與如上所述的過(guò)程相關(guān)聯(lián)的任何功能性步驟的程序指令、軟件或交互模塊可以存儲(chǔ)在rom和/或ram中??蛇x地,程序指令可以存儲(chǔ)在諸如光盤(pán)、數(shù)字磁盤(pán)、閃存、內(nèi)存卡、usb驅(qū)動(dòng)器,光盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)和/或其它記錄介質(zhì)的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上。
在某些實(shí)施例中,成像速度從大約0.1hz至40hz中選擇。在某些其它實(shí)施例中,成像速度可以取決于諸如樣品的尺寸、樣本的形貌和afm的類(lèi)型的因素。
在實(shí)施例中,添加的平均偏移反饋回路310以及前饋控制器320在aml成像過(guò)程中可以大幅度加快樣本形貌的跟蹤。將平均偏移保持在期望值附近,進(jìn)而有助于將rms敲擊振幅保持在設(shè)定點(diǎn)附近。另外,通過(guò)將敲擊振幅保持在相應(yīng)的平均偏移是最小的水平附近,可以最小化一次平均探針-樣本相互作用力。此外,通過(guò)最佳預(yù)測(cè)樣本形貌輪廓的預(yù)測(cè)和快速的收斂,前饋控制器在掃描速度增加時(shí)突然發(fā)生樣本形貌變化的情況下進(jìn)一步減小了敲擊振幅的振蕩。因此,此處本公開(kāi)的tm偏移回路在成像期間跟蹤樣本形貌,同時(shí)保持平均探針-樣本力接近最小。
以上公開(kāi)的特征和功能以及替代方案可以結(jié)合到許多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出各種目前未預(yù)見(jiàn)的或未預(yù)期到的替代方案、修改、變化或改進(jìn),它們中的每一個(gè)均將包含在本公開(kāi)的實(shí)施例中。