一种计量型扫描电子显微镜成像控制系统及扫描成像方法，其控制器（1）产生控制二维柔性铰链扫描台（2）的X方向和Y方向的移动信号，经X向和Y向高压驱动器（7、8）的放大后，控制二维柔性铰链扫描台实现X方向的扫描运动和Y方向的步进移动。X方向激光传感器（3）和Y方向激光传感器（4）采集二维柔性铰链扫描台（2）的位置信号。在二维柔性铰链扫描台（2）逐点移动过程中，信号检测模块（6）完成来自二次电子探测器（5）的二次信号的模数转换，以及来自X方向及Y方向激光传感器（3、4）位置信息的锁存处理功能。通过上述基于扫描台移动方式的逐点扫描成像方法获得的扫描图像中的每个像素点都具有位置坐标信息，最终实现可溯源的，具有纳米级计量精度的扫描电子显微镜成像方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种应用于扫描电子显微镜的微纳尺度长度测量装置及测量方法，尤其涉及基于二维柔性铰链扫描台移动方式扫描成像的扫描电子显微镜控制系统及其扫描图像中微结构尺寸可溯源的长度测量方法。
技术介绍
扫描电子显微镜作为微米和纳米尺度的观察工具，被广泛应用于材料科学，生物学、半导体器件检测、新材料等高科技研究中的表面形貌及结构分析。扫描电子显微镜作为 一个微米、纳米量级的放大观察仪器已普及使用于各个领域。但是，扫描电子显微镜一直不能作为纳米范围的独立计量仪器对样品的尺寸进行准确测量。这主要由于如下原因导致的。—般的扫描电子显微镜成像原理是由扫描电子显微镜上部的电子枪发射电子束，先经过阳极加速，再经过一组电磁透镜聚焦，用小孔光阑选择电子束的尺寸后，通过一组控制电子束的扫描线圈，打在样品上。利用扫描线圈控制电子束发生偏转来实现电子束在样品表面的扫描并激发二次电子获得成像。扫描图像的尺寸是按照放大倍率折算出来的，而不是采用计量的方法获得的。(I)由于电子束偏转扫描方式的成像原理造成扫描电子显微镜放大倍率和扫描场大小之间的非线性关系导致尺寸误差。(2)影响扫描电子显微镜图像的放大倍率和图像畸变的因素较多，包括加速电压，工作距离，电子腔对中，象散等。这些因素每天都可能变化。这导致在利用普通扫描电子显微镜做表面分析时，扫描成像的获得的测量结果的尺寸测量误差一般为5% 10%。尽管在1996年，中华人民共和国国家标准曾经提出了 “微米级长度的扫描电子显微镜测量方法GB/T 16594 — 1996”,该方法是先在扫描电子显微镜的显不屏幕上获得扫描图像，采用胶片拍照后用比长仪进行对比测量的方法测量样品尺寸，影响因素较多，且不是直接测量，未能得到推广。美国国家标准计量研究所(NIST)提出了基于扫描电子显微镜背散射电子信号单线扫描方式的尺寸检测方法；由于只能进行单线扫描，它专门被用于检测NIST内部的SRM-484金镍叠层结构样品的金和镍的厚度。基于上述现状，目前的扫描电子 显微镜成像方法限制了其在微纳米测量方面的应用，研究一种新型的可溯源到国际单位米定义的计量型扫描成像方法非常必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术不能直接在扫描电子显微镜上获得成像尺寸可溯源的扫描图像的缺点，本专利技术提出一种基于二维柔性铰链扫描台逐点扫描方式的扫描电子显微镜成像控制系统及方法。与传统的扫描电子显微镜工作过程中通过偏转电子束在样品表面来回扫描方式不同，本专利技术的扫描成像方法中不对电子束进行偏转控制，从而保持电子束静止不动。在扫描成像过程中，二维柔性铰链扫描台在X方向按照设定的步距逐点地移动。在此过程中，通过二次电子探测器依次采集各个点的图像灰度信息，把这些点的图像灰度信息依次整合起来，实现了一行完整的扫描图像。然后二维柔性铰链扫描台在Y方向移动一个位移，二维柔性铰链扫描台的X方向重复上述的逐点运动方式，进行下一行的扫描成像，不断重复这样的过程最终获得整幅图像。在上述逐点扫描成像过程中，本专利技术扫描电子显微镜成像控制系统不仅通过二次电子探测器记录每个扫描点的图像灰度信息，而且其控制器还把每个扫描点的X方向和Y方向位置坐标信息也记录下来。这个X方向和Y方向的坐标信息是通过安装在二维柔性铰链扫描台外面的X方向激光传感器和Y方向激光传感器，利用激光干涉的原理测量获得的。之所以选择激光传感器，是因为米的国际通用定义是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内行程的长度，目前最实用的长度基准是633nm碘稳定的氦氖激光波长，其波长稳定度可以达到10_n米。根据长度测量理论可知由于激光波长的高稳定性，采用激光干涉法的测量结果具有可溯源性。在上述激光传感器工作过程中，激光传感器通过记录激光干涉明暗条纹的变化个数，再进一步通过电子细分，就可以实现亚纳米量级的位移测量分辨力。 X方向激光传感器和Y方向激光传感器把测量的位置坐标信息转换为控制器可以利用的数字量，通过数据线传输给控制器。控制器把此数字化位置坐标信息存放在X向锁存器和Y向锁存器内。因此本专利技术采用激光干涉测量方法获得的扫描电子显微镜图像每个像素点都具有精确到纳米的位置坐标数值，可溯源到国际长度单位米的定义。而普通扫描电子显微镜的图像尺寸是由放大倍率折算出来的，不具有可溯源的计量能力。这样，当需要利用扫描电子显微镜测量微纳结构的长度或者宽度等尺寸时，只要采用上述方法获得该微纳结构的扫描电子显微镜图像，便可以根据像素点对应的坐标(X，Y)计算出对应点的尺寸。具体可以采用如下简洁的计算公式(I)获得待测点A、B之间的尺寸或距离。_2] d = ^(xb-xaf +{vb-yaf⑴其中d为图像中待测两个像素点的距离；(xa，ya)为图像中A点的坐标；(xb，yb)为图像中B点的坐标；本专利技术采用的技术方案如下本专利技术扫描电子显微镜成像控制系统由控制器、二维柔性铰链扫描台、X方向激光传感器、Y方向激光传感器、二次电子探测器、信号检测模块、X向高压驱动器和Y向高压驱动器组成。所述的控制器负责产生控制二维柔性铰链扫描台的X方向和Y方向的移动的控制信号，并处理来自信号检测模块的信息数据。所述的二维柔性铰链扫描台用于实现X方向的扫描运动和Y方向的步进移动。所述的二次电子探测器用于采集样品表面产生的二次电子信号。所述的X方向激光传感器和Y方向激光传感器用于采集二维柔性铰链扫描台的位置信号。所述的信号检测模块负责完成二次电子信号的模数转换和来自X方向激光传感器及Y方向激光传感器位置信息的锁存处理功能。所述的X方向激光传感器、Y方向激光传感器与二维柔性铰链扫描台处于同一水平面内；所述的两个传感器相互垂直，布置在面对二维柔性铰链扫描台的位置，且安装在固定的支架上，不与二维柔性铰链扫描台一起运动。二次电子探测器固定安装在二维柔性铰链扫描台的侧上方支架上，且不与二维柔性铰链扫描台一起运动。本专利技术8个模块之间的连接方式如下所述的控制器的X方向控制端口通过信号线XCT与X向高压驱动器相连接；所述的控制器的Y方向控制端口通过信号线YCT与Y向高压驱动器相连接；所述的X向高压驱动器的输出口通过X向高压线缆XHV与二维柔性铰链扫描台的X向压电陶瓷致动器相连接；所述的Y向高压驱动器的输出口通过Y向高压线缆YHV与二维柔性铰链扫描台的Y向压电陶瓷致动器相连接；所述的控制器通过双向数据线DTBUS与所述的信号检测模块相连接；所述的信号检测模块的模数转换器的输入口通过信号线SED与所述的二次电子探测器的输出口连接；所述的信号检测模块的X向锁存器的输入口通过信号线XPL与所述的X向激光传感器的输出口相连接；所述的信号检测模块的Y向锁存器的输入口通过信号线YPL与所述的Y向激光传感器的输出口相连接。 附图说明图I为计量型扫描电子显微镜控制系统原理图；图2为二维柔性铰链扫描台结构图；图3为柔性铰链四杆结构原理图，图3a为平行四杆结构，图3b为复合四杆结构；图4为二维柔性铰链扫描台控制图；图5为图像信号及位置信息检测采集图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。如图I所示，本专利技术具体的实施方案由控制器I、二维柔性铰链扫描台2、X方向激光传感器3、Y方向激光传感器4、二次电子探测器5、信号检测模块6、X向高压驱动器7和Y向高压本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种计量型扫描电子显微镜成像控制系统，其特征在于所述的控制系统由控制器(I)、ニ维柔性铰链扫描台(2)、X方向激光传感器(3)、Y方向激光传感器(4)、二次电子探測器(5)、信号检测模块(6)、X向高压驱动器(7)和Y向高压驱动器(8)组成；所述的控制器(I)产生控制ニ维柔性铰链扫描台(2)的X方向和Y方向的移动的控制信号，并处理来自信号检测模块(6)的信息数据；所述的ニ维柔性铰链扫描台用于实现X方向的扫描运动和Y方向的步进移动；所述的二次电子探測器(5)用于采集样品表面产生的二次电子信号；所述的X方向激光传感器(3)和Y方向激光传感器(4)用于采集ニ维柔性铰链扫描台(2)的位置信号；信号检测模块(6)完成二次电子信号的模数转换和来自X方向激光传感器(3)及Y方向激光传感器(4)位置信息的锁存处理功能；X方向激光传感器(3)、Y方向激光传感器(4)与ニ维柔性铰链扫描台(2)处于同一水平面内；所述两传感器相互垂直，布置在面对 ニ维柔性铰链扫描台(2)的位置，且安装在固定的支架上，不与ニ维柔性铰链扫描台一起运动；二次电子探測器(5)固定安装在ニ维柔性铰链扫描台(2)的侧上方支架上，且不与ニ维柔性铰链扫描台一起运动； 所述的ニ维柔性铰链扫描台(2)由柔性铰链机械结构本体、X向陶瓷致动器和Y向压电陶瓷致动器组成，柔性铰链机械结构本体、X向陶瓷致动器和Y向压电陶瓷致动器处于同一水平面；X向和Y向压电陶瓷致动器相互垂直镶嵌，安装在柔性铰链机械结构本体内部；X向、Y向压电陶瓷致动器由压电陶瓷堆组成，用于产生ニ维柔性铰链扫描台移动的驱动カ；其中X向压电陶瓷致动器由2组压电陶瓷堆组成； 所述的控制器(I)的X方向控制端ロ通过信号线XCT与X向高压驱动器(7)相连接；控制器(I)的Y方向控制端ロ通过信号线YCT与Y向高压驱动器(8)相连接；X向高压驱动器(7)的输出ロ通过X向高压线缆XHV与ニ维柔性铰链扫描台(2)的X向压电陶瓷致动器相连接；Y向高压驱动器(8)的输出ロ通过Y向高压线缆YHV与ニ维柔性铰链扫描台(2)的Y向压电陶瓷致动器相连接； 所述的控制器(I)通过双向数据线DTBUS与信号检测模块(6)相连接；信号检测模块(6)的模数转换器的输入口通过信号线SED与二次电子探測器(5)的输出口连接；信号检测模块(6)的X向锁存器的输入口通过信号线XPL与X向激光传感器(3)的输出口相连接；信号检测模块(6)的Y向锁存器的输入口通过信号线YPL与Y向激光传感器(4)的输出ロ相连接。2.根据权利要求I所述的计量型扫描电子显微镜成像控制系统，其特征在于所述的控制器(I)产生的X向位移控制信号由X方向控制端ロ输出，通过信号线XCT传输给X向高压驱动器(7)，此X向位移控制信号在X向高压驱动器(7)中被放大成为X方向扫描驱动信号，此X方向扫描驱动信号从X向高压...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷伯华，韩立，薛虹，徐哲，文良栋，夏瑞，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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