計量型掃描電鏡的測量與控制系統(tǒng)設計研究.pdf

1、納米測量是在納米水平上對物質的尺度和形狀、光學、電學、磁學等性質進行精密測量的方法和手段，其中最基本的測量挑戰(zhàn)就是納米尺度的精確測量。掃描電子顯微鏡以具有的高分辨力、大景深、測量范圍廣和成像速度快等優(yōu)點已逐漸成為100nm以下微納幾何結構的主要的觀察和測量儀器之一。但目前不同廠家生產的商用掃描電子顯微鏡（SEM）之間存在測量值無法溯源到統(tǒng)一基準且有較大測量誤差的問題，嚴重制約了SEM在納米尺度精確測量中的發(fā)展。本論文依托于國家科技支撐項

2、目“計量型掃描電鏡與雙探針掃描探針顯微鏡標準測量裝置的建立”(NO.2011BAK15B02)，就計量型掃描電鏡標準測量裝置中的關鍵技術進行了相關研究，旨在建立一套完整的計量型掃描電鏡裝置，能夠實現(xiàn)對微納幾何結構的精確測量和SEM的量值溯源，給出了計量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。
　　論文綜合分析了納米測量技術中納米測量與量值傳遞方法的研究現(xiàn)狀，介紹了常規(guī)SEM和計量型SEM的測量原理與國內外研究進展，分析了計量型掃描電鏡

3、的組成結構與性能指標，設計了具有納米位移臺掃描成像和激光干涉儀溯源量值的計量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)結構，利用外差激光干涉法和電子細分法設計了兩軸位移測量系統(tǒng)的光路結構，分析了壓電陶瓷納米位移臺的控制方法，提出了一種兩層驅動、多信號組合控制的位移臺運動控制系統(tǒng)結構，分析了高速數(shù)據采集技術的實現(xiàn)方法，利用NI-VISIO機器視覺工具包設計了計量型SEM的圖像采集與處理系統(tǒng)，最后基于LabVIEW圖像編程語言開發(fā)了測控系統(tǒng)上位機軟件。
　

4、　為了驗證本論文設計的運動控制子系統(tǒng)、激光干涉位移測量子系統(tǒng)和圖像采集與處理子系統(tǒng)的性能，搭建了各子系統(tǒng)的實驗裝置以及整體的計量型掃描電鏡的標準測量實驗裝置，分別進行如下實驗：(1)激光外差干涉位移子系統(tǒng)的測量分辨力與穩(wěn)定性實驗，當納米位移臺處于靜止狀態(tài)時驗證系統(tǒng)的最大測量分辨力與靜態(tài)測量穩(wěn)定性，當納米位移臺以5nm步進運動時驗證系統(tǒng)的動態(tài)測量穩(wěn)定性，實驗結果表明，位移測量子系統(tǒng)的最大測量分辨力優(yōu)于0.2nm，靜態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于3.5n

5、m，動態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于2nm。(2)運動控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證及振動誤差測量實驗，實驗結果表明，納米位移臺掃描運動軌跡符合設計要求且穩(wěn)定性高，振動誤差可控制在±6nm內。(3)圖像采集與處理子系統(tǒng)中濾波算法的去噪效果驗證實驗，結果表明濾波效果明顯。(4)計量型掃描電鏡的整機穩(wěn)定性與測量結果準確度驗證實驗，通過對1μm二維柵格樣品進行掃描成像實驗驗證整機中各子系統(tǒng)間的同步控制技術的同步性與系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，結果表明整機的同步性良好且圖像采集可