高速自适应多回路模式成像原子力显微镜制造技术

一种使用高速动态模式原子力显微镜以使样本成像的方法可以包括在样本的表面上方扫描悬臂探针的尖端；经由第一反馈控制器中产生的第一信号来调节所述尖端的振动振幅，以便保持恒定在设定点值(Aset)；测量所述尖端的平均敲击偏移；经由第二反馈控制器中产生的第二信号来调节所述平均敲击偏移；跟踪并测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节。该方法还包括基于所述第一信号、所述第二信号和所测量的对悬臂探针的所述平均敲击偏移的调节来生成所述样本的图像形貌。

High speed adaptive multi loop mode imaging atomic force microscope

A high speed dynamic mode atomic force microscopy imaging method to make the sample can be included in the above the surface of the sample scanning cantilever probe tip; vibration amplitude through the first signal generated in the first feedback controller to adjust the tip, in order to maintain a constant at the set point value (Aset); the average on the tip offset measurement the second through second; the feedback signal controller produced to adjust the average tap offset; tracking and measurement in the regulation during the period of the average offset adjustment measure knock. The method also includes generating an image shape of the sample based on the adjustment of the first signal, the second signal, and the measured average strike shift of the cantilever probe.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开大致涉及在保留超高像素品质的固有特性并且减少了各个模式的探针-样本相互作用力的同时，在一个或更多动态模式(DM)下以增加的速度运行原子力显微镜(AFM)的系统和方法，所述动态模式包括但不限于敲击模式(TM)与非接触模式(NCM)以及峰值力模式(PFM)与接触模式(CM)。更具体地，本公开大致涉及在量化样本形貌(sampletopography)中考虑探针的平均偏移(或接触模式中的偏移)的变化的系统和方法，本公开使用并结合了：(i)内-外反馈回路，用于在相应的成像模式中将平均悬臂偏移调节在保持稳定的探针-样本相互作用所需的最小水平附近；(ii)在线迭代前馈控制器；(iii)振动振幅比的在线优化；以及(iv)用于探针振动发生器(它可以使振动振幅的设定点(set-point)最小化)以及用于均方根探针振荡振幅反馈控制器的反馈控制器。
技术介绍
AFM是一种具有纳米量级范围的分辨率的高分辨率扫描探针显微镜。在原子力显微镜中。在原子力显微镜中，在其端部具有尖锐的尖端(探针)的微型悬臂可以用于扫描样本的表面。当尖端开始接近样本表面时，根据胡克定律，尖端与样本之间的力可能导致悬臂的偏移。通常，测量悬臂的偏移以获取样本的形貌。可以在包括接触模式(CM,也称作静态模式)及多种动态模式(包括但不限于TM、PFM以及NCM)的多个成像模式中运行AFM。在动态模式成像中，驱动悬臂以便以固定的振荡振幅垂直振荡。由于当尖端接近样本表面时作用于悬臂的相互作用力，振荡的振幅可能减小。在传统的DM成像中，微处理器、数字信号处理器或基于现场可编程门阵列(FGPA)的系统以及下线控制算法(underlinecontrolalgorithm)通常用于控制样本上方的悬臂高度，以便在悬臂在样本表面上扫描时保持固定的振荡振幅(如在TM和NCM成像中)或固定峰值斥力振幅(如在PFM成像中)。假设在扫描期间悬臂振荡振幅良好地保持在理想的设定点值，则利用悬臂在垂直方向上的RMS位移产生DM显微镜中的样本形貌图像。相比于CM成像技术，由于降低了毛细作用力、摩擦力与剪力以及接触压力，DM成像模式成像通常提供更好的图像质量和更低的样本失真。但是，DM成像速度趋于大幅度减慢，因为增加成像速度可以导致探针与样本之间相互作用的损失和/或悬臂敲击振动的衰减(特别是当样本尺寸较大时)。与大多数测量设备一样，AFM时常需要在质量与获取速度之间取舍。也就是说，一些当前可用的AFM可以以亚埃分辨率扫描表面。这些扫描仪仅能够扫描比较小的样本面积，尽管如此，也仅能处于比较低的扫描速率。例如，传统的商业TM成像AFM一般要求通常是长达十分钟的总扫描时间，以便在高分辨率(例如，512×512像素)和低探针-样本相互作用力下覆盖几微米的面积。PFM的成像速度一般与TM的成像速度相当，而NCM的成像速度一般比TM慢。这主要是因为TM和PFM运行在排斥力层或排斥力与引力区域之间中间层中，但NCM纯粹的运行在吸引力区域并且探针悬停在样本表面的更上面，并且探针-样本相互作用力在引力区域对于探针-样本间距更加敏感。因为探针-样本相互作用力在吸引区域中对探针-样本间距更加敏感，所以非接触模式成像往往比敲击模式成像更慢。AFM扫描速度的实际极限是在保持足够低的探针-样本相互作用力以使得不会损伤尖端和/或样本或不使尖端和/或样本产生不可忽略的损伤的时候可以扫描样本的最大速度的结果。因此，需要具有可控相互作用力且适合于使大尺寸样本成像的高速DM成像和/或CM成像技术。
技术实现思路
公开了使用高速动态模式原子力显微镜使样本成像的方法。该方法可以包括：在样本的表面上方扫描悬臂探针的尖端；经由第一反馈控制器中产生的第一信号来调节所述尖端的振动振幅，以便保持恒定在设定点值(Aset)；测量所述尖端的平均敲击偏移；经由第二反馈控制器中产生的第二信号来调节所述平均敲击偏移；跟踪并测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节。所述方法还包括基于所述第一信号、所述第二信号和所测量的对悬臂探针的所述平均敲击偏移的调节生成所述样本的图像形貌。在实施例中，高速动态模式原子力显微镜可以包括下述的一个或多个：敲击模式、非接触模式和峰值力敲击模式。在某些实施例中，调节所述平均敲击偏移可以包括：使用Aset与自由振幅的比来确定所需的平均偏移，以及将所测量的平均敲击偏移调节至所需的平均偏移。在实施例中，所需的平均偏移被确定为使Aset与自由振幅的比在大约10％至30％之间。在一些实施例中，所述第二反馈控制器可以包括内外反馈回路结构。外部反馈回路可以调节所述平均敲击偏移，以及嵌套在所述外部回路中的内部回路可以执行跟踪和测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节。在实施例中，所述外部反馈回路是比例积分微分(PID)型控制器，具有PID参数KP、KI和KD。在至少一个实施例中，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在实施例中，所述PID参数具有以下值：KP＝1、KI＝1以及KD＝ρ，其中ρ是样本逐点梯度因子。在实施例中，ρ＜1。可选地和/或附加地，所述PID型控制器采用下列算法：dset，0＝dset，org，其中其中t∈[0，Tscan]，在一些实施例中，所述方法还可以包括基于所测量的平均偏移和Aset与自由振幅的振动振幅比之间的实时关系在线优化Aset。该方法还可以包括经由第三反馈控制器预测用于跟踪所述平均敲击偏移调节的下一行样本形貌和下一行跟踪错误。在一些实施例中，所述方法还可以包括使用所述下一行样本形貌和所述下一行跟踪错误的预测以便在具有提供突然的动态变化的特征(包括断崖和边缘)的样本表面的区域中减少跟踪错误。在至少一个实施例中，使用所述下一行样本形貌和所述下一行跟踪错误的所述预测以便减少跟踪错误包括：使用以下公式获取下一行所需的轨迹：hffd，k+1(j)＝hk(j)+α[dTM，k(j)-dTM-d]，j＝1，...Nl.在一个实施例中，可以基于所述特征的估测高度调整α的值。可选地和/或附加地，所述前馈控制器还可以包括零相位低通滤波器，配置为过滤噪声，以免被反馈至所述前馈控制器。在一些实施例中，所述第三反馈控制器可以是前馈控制器，包括数据驱动的迭代学习控制器。所述前馈控制器实施下列算法以获取控制输入：Uff，0(jω)＝0，ek(jω)＝Hffd，k+1(jω)-Zk(jω)在某些实施例中，获取所述下一行所需的轨迹还可以包括对第一行执行重复性扫描，直到达到收敛，以及使用所述收敛作为下一个扫描行的迭代的初始输入。在本公开的另一个方案中，公开了一种使用高速动态模式原子力显微镜以使样本成像的方法。该方法可以包括在样本的表面上方扫描悬臂探针的尖端；经由第一反馈控制器中产生的第一信号来调节所述尖端的振动振幅，以便保持恒定在设定点值(Aset)。所述方法还可以包括测量所述尖端的平均敲击偏移；经由第二反馈控制器中产生的第二信号来调节所述平均敲击偏移；，跟踪并测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节；经由第三反馈控制器预测用于跟踪所述平均敲击本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用高速动态模式原子力显微镜以使样本成像的方法，其中，所述方法包括：在样本的表面上方扫描悬臂探针的尖端；经由第一反馈控制器中产生的第一信号来调节所述尖端的振动振幅，以保持恒定在设定点值(Aset)；测量所述尖端的平均敲击偏移；经由第二反馈控制器中产生的第二信号来调节所述平均敲击偏移；跟踪并测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节；以及基于所述第一信号、所述第二信号和所测量的对悬臂探针的所述平均敲击偏移的调节生成所述样本的图像形貌。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.14 US 62/024,1631.一种使用高速动态模式原子力显微镜以使样本成像的方法，其中，所述方法包括：在样本的表面上方扫描悬臂探针的尖端；经由第一反馈控制器中产生的第一信号来调节所述尖端的振动振幅，以保持恒定在设定点值(Aset)；测量所述尖端的平均敲击偏移；经由第二反馈控制器中产生的第二信号来调节所述平均敲击偏移；跟踪并测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节；以及基于所述第一信号、所述第二信号和所测量的对悬臂探针的所述平均敲击偏移的调节生成所述样本的图像形貌。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高速动态模式原子力显微镜包括下述的一个或多个：敲击模式、非接触模式和峰值力敲击模式。3.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述平均敲击偏移包括：使用Aset与自由振幅的比来确定所需的平均偏移；以及将所测量的平均敲击偏移调节至所需的平均偏移。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二反馈控制器包括内外反馈回路结构，其中外部反馈回路调节所述平均敲击偏移，以及嵌套在所述外部回路中的内部回路执行跟踪和测量在调节期间对所测量的平均敲击偏移的调节。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述外部反馈回路是比例积分微分(PID)型控制器，具有PID参数KP、KI和KD。6.根据权利要求5所述的方法，其中，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。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述PID参数具有以下值：KP＝1、KI＝1以及KD＝ρ，其中ρ是样本逐点梯度因子。8.根据权利要求7所述的方法，其中，ρ＜1。9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述PID型控制器采用下列算法：dset，0＝dset，org，dset,k+1=dset,k-[min(d^k+1(t))-Dmin*],k≥1]]>其中其中t∈[0，Tscan]，。10.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述所需的平均偏移，使得Aset与自由振幅的比为大约10％至30％。11.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所测量的平均偏移和Aset与自由振幅的振动振幅比之间的实时关系在线优化Aset。12.根据权利要求11所述的方法，还包括经由第三反馈控制器预测用于跟踪所述平均敲击偏移调节的下一行样本形貌和下一行跟踪错误。13.根据权利要求12所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹清泽，任娟，刘江部，
申请(专利权)人：新泽西鲁特格斯州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US