СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие

Для корректировки этого вида искажений в калибровочных параметрах сканера следует учитывать толщину образца.

Рис. 8-6. Увеличение размера изображения при увеличении толщины образца

Сканеры с емкостными датчиками положения

Из-за нелинейных свойств пьезокерамики связь управляющего напряжения с

положением сканера по данной оси неоднозначна, что приводит к существенным искажениям получаемого изображения.

Серьезно улучшить ситуацию позволяет использование датчиков положения сканера. Точность измерений во многих важных случаях улучшается на порядок. Заметно уменьшаются нелинейность перемещений сканера и дрейфы взаимного

положения зонда и образца. Становится возможным проведение таких тонких операций, как векторная литография и наноманипуляции. Рельеф поверхности

образца отображается без заметных искажений по оси Z.* Возможность точно

задавать перемещения сканера не только по осям X, Y, но и по оси Z, позволяет существенно улучшить результаты измерений в двухпроходных методиках и при

проведении спектроскопических измерений. Такие датчики используются в СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II.

Одна из обкладок плоского конденсатора датчика закреплена на подвижной части сканера, вторая обкладка неподвижна. При перемещениях сканера меняется зазор между обкладками конденсатора, при этом на выходе подключенной к

конденсатору электронной схемы генерируется напряжение, величина которого есть линейная функция от 1/C (С – емкость конденсатора). Таким образом, если пренебречь краевыми эффектами и непараллельностью обкладок конденсатора,

выходное напряжение можно полагать пропорциональным величине зазора. В зависимости от диапазона перемещения, который необходимо измерять, зазор между обкладками датчика составляет обычно от 20 до 100 мкм.

* Однако, при сканировании больших участков поверхности может наблюдаться некоторая неплоскостность полученного изображения.

8-6

Лабораторная работа № 8

В программе управления прибором сигнал датчика измеряется в вольтах. Фактически, значение сигнала в программе – это реальное значение сигнала датчика на входе АЦП контроллера.

Изменение положения подвижной обкладки датчика не обязательно совпадает с перемещением зонда относительно образца, а лишь пропорционально этому

перемещению. Например, для сканеров на основе пьезотрубок, X- и Y- датчики расположены на другом расстоянии от центра вращения XY-трубки, нежели зонд или образец.

Граничные значения интервала изменения выходного сигнала датчика составляют приблизительно от –10 до +10 вольт. Соответственно, интервал

изменения зазора между обкладками, при котором выход датчика линейно зависит от 1/C, также ограничен. В схеме измерения сигнала датчика имеются звенья, с помощью которых можно настраивать границы изменения выходного сигнала при

данных границах изменения зазора. Регулируются эти “подстроечные” звенья в программе управления прибором (параметры Scale, Bias, см. Рис. 8-7 ниже).

По любой из осей сканеров данного типа имеется заметный разброс величины зазора датчика. Диапазон перемещения меняется от сканера к сканеру. К тому же и зазор датчика, и диапазон перемещения меняются в процессе использования сканера.

Поэтому значения подстроечных параметров Scale и Bias индивидуальны для каждого сканера.

X-, Y- датчики обычно используются в цепи обратной связи, которая позволяет задавать положение сканера. Сигнал Z-датчика используется при измерении рельефа и при работе с использованием методов, требующих контролируемого перемещения

сканера по Z (спектроскопии, двухпроходные методы и т.д.).

Следует отметить, что использование датчиков перемещений сканера может несколько ухудшить разрешающую способность прибора. Обычно ухудшается

разрешение по осям X и Y. Датчик обладает собственным электронным шумом, который по цепи обратной связи передается на высоковольтный усилитель, что

приводит к большему (по сравнению с использованием аналогичного сканера без датчиков) “дрожанию” сканера по соответствующей оси. Z-датчик, как правило, шумит меньше, т.к. обычно диапазон сканера по Z в несколько раз меньше

диапазона по X, Y, что позволяет уменьшить зазор между обкладками датчика (зависимость уровня шума от величины зазора при постоянной площади обкладок примерно квадратичная).

Обратная связь по осям X и Y

На Рис. 8-7 изображена принципиальная схема работы сканера с замкнутой обратной связью по сигналу X- или Y-датчика. Сигнал с датчика сравнивается с

задаваемым программно значением и, при наличии рассогласования, разностный сигнал усиливается и подается на соответствующую секцию сканера, вызывая перемещение, компенсирующее это рассогласование.

В программе управления прибором есть несколько параметров, с помощью которых осуществляется индивидуальная для каждого сканера настройка работы

обратной связи. Это параметры, управляющие сигналом датчиков в программе, – “Scale”, “Bias”, “Band” на Рис. 8-7, а также “Gain” – коэффициент усиления обратной связи по датчикам положения X, Y (Closed Loop).

8-7

СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие

Рис. 8-7. Схема работы обратной связи по оси X (HV – Высоковольтный усилитель)

Параметры “Scale” и “Bias” определяют значение сигнала датчика при данном

постоянном зазоре между его обкладками. При работе с обратной связью значения коэффициентов “Scale” и “Bias” напрямую влияют на границы изменения зазора и

управляющего напряжения, подаваемого на соответствующую секцию сканера. Чтобы управляющее напряжение при замкнутой обратной связи оставалось в заданных пределах, например, от –300 до +300 вольт, производится предварительная

настройка сигнала датчика. Для этого на соответствующую секцию сканера подается напряжение треугольной формы, от –300 до 300 вольт, и подбираются такие

значения “Scale” и “ Bias ”, чтобы сигнал датчика менялся в заданных пределах (для СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II эти пределы составляют от –7 до +7 вольт).

В первые месяцы использования сканера рекомендуется проверять настройки

сигналов X-, Y-, Z- датчиков регулярно, примерно один раз в месяц. Дело в том, что старение керамики приводит не только к уменьшению чувствительности, но и к

некоторому изменению в размерах пьезотрубок при нулевом напряжении, что может отразиться на средних зазорах* между обкладками датчиков. Прежде всего, пьезотрубки со временем удлиняются. Пьезотрубка 100-микронного сканера,

установленная в СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II удлиняется на несколько микрон. Если эти изменения разные, то в результате меняется зазор у Z-датчика. Кроме удлинения,

трубка также может и гнуться, например, если противоположные части X-секции трубки растянутся неодинаково, то произойдет изгиб, как при работе пьезотрубки по оси X под действием управляющего напряжения. Изменения среднего зазора между

обкладками X- или Y- датчика, приводят к смещению интервала, в котором меняется управляющее напряжение при работе с обратной связью, что нежелательно.

Кроме монотонного уменьшения, всегда имеются колебания чувствительности

сканера по данной оси, а также колебания среднего зазора датчика. После изменения коэффициентов “Scale” и “Bias” необходимо выполнить перекалибровку системы по

тестовым решеткам, т.к. диапазон сканера с новыми коэффициентами “Scale” и “Bias” будет уже другой.

* Среднее значение зазора при подаче на сканер управляющего напряжения треугольной формы от – 300 до +300 вольт. Из-за гистерезиса пьезокерамики зазор при нулевом напряжении – величина неоднозначная.

8-8