一種計量型掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)及掃描成像方法，其控制器（1）產生控制二維柔性鉸鏈掃描臺（2）的X方向和Y方向的移動信號，經X向和Y向高壓驅動器（7、8）的放大后，控制二維柔性鉸鏈掃描臺實現X方向的掃描運動和Y方向的步進移動。X方向激光傳感器（3）和Y方向激光傳感器（4）采集二維柔性鉸鏈掃描臺（2）的位置信號。在二維柔性鉸鏈掃描臺（2）逐點移動過程中，信號檢測模塊（6）完成來自二次電子探測器（5）的二次信號的模數轉換，以及來自X方向及Y方向激光傳感器（3、4）位置信息的鎖存處理功能。通過上述基于掃描臺移動方式的逐點掃描成像方法獲得的掃描圖像中的每個像素點都具有位置坐標信息，最終實現可溯源的，具有納米級計量精度的掃描電子顯微鏡成像方法。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種應用于掃描電子顯微鏡的微納尺度長度測量裝置及測量方法，尤其涉及基于二維柔性鉸鏈掃描臺移動方式掃描成像的掃描電子顯微鏡控制系統(tǒng)及其掃描圖像中微結構尺寸可溯源的長度測量方法。
技術介紹
掃描電子顯微鏡作為微米和納米尺度的觀察工具，被廣泛應用于材料科學，生物學、半導體器件檢測、新材料等高科技研究中的表面形貌及結構分析。掃描電子顯微鏡作為 一個微米、納米量級的放大觀察儀器已普及使用于各個領域。但是，掃描電子顯微鏡一直不能作為納米范圍的獨立計量儀器對樣品的尺寸進行準確測量。這主要由于如下原因導致的。—般的掃描電子顯微鏡成像原理是由掃描電子顯微鏡上部的電子槍發(fā)射電子束，先經過陽極加速，再經過一組電磁透鏡聚焦，用小孔光闌選擇電子束的尺寸后，通過一組控制電子束的掃描線圈，打在樣品上。利用掃描線圈控制電子束發(fā)生偏轉來實現電子束在樣品表面的掃描并激發(fā)二次電子獲得成像。掃描圖像的尺寸是按照放大倍率折算出來的，而不是采用計量的方法獲得的。(I)由于電子束偏轉掃描方式的成像原理造成掃描電子顯微鏡放大倍率和掃描場大小之間的非線性關系導致尺寸誤差。(2)影響掃描電子顯微鏡圖像的放大倍率和圖像畸變的因素較多，包括加速電壓，工作距離，電子腔對中，象散等。這些因素每天都可能變化。這導致在利用普通掃描電子顯微鏡做表面分析時，掃描成像的獲得的測量結果的尺寸測量誤差一般為5% 10%。盡管在1996年，中華人民共和國國家標準曾經提出了 “微米級長度的掃描電子顯微鏡測量方法GB/T 16594 — 1996”,該方法是先在掃描電子顯微鏡的顯不屏幕上獲得掃描圖像，采用膠片拍照后用比長儀進行對比測量的方法測量樣品尺寸，影響因素較多，且不是直接測量，未能得到推廣。美國國家標準計量研究所(NIST)提出了基于掃描電子顯微鏡背散射電子信號單線掃描方式的尺寸檢測方法；由于只能進行單線掃描，它專門被用于檢測NIST內部的SRM-484金鎳疊層結構樣品的金和鎳的厚度。基于上述現狀，目前的掃描電子 顯微鏡成像方法限制了其在微納米測量方面的應用，研究一種新型的可溯源到國際單位米定義的計量型掃描成像方法非常必要。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有技術不能直接在掃描電子顯微鏡上獲得成像尺寸可溯源的掃描圖像的缺點，本專利技術提出一種基于二維柔性鉸鏈掃描臺逐點掃描方式的掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)及方法。與傳統(tǒng)的掃描電子顯微鏡工作過程中通過偏轉電子束在樣品表面來回掃描方式不同，本專利技術的掃描成像方法中不對電子束進行偏轉控制，從而保持電子束靜止不動。在掃描成像過程中，二維柔性鉸鏈掃描臺在X方向按照設定的步距逐點地移動。在此過程中，通過二次電子探測器依次采集各個點的圖像灰度信息，把這些點的圖像灰度信息依次整合起來，實現了一行完整的掃描圖像。然后二維柔性鉸鏈掃描臺在Y方向移動一個位移，二維柔性鉸鏈掃描臺的X方向重復上述的逐點運動方式，進行下一行的掃描成像，不斷重復這樣的過程最終獲得整幅圖像。在上述逐點掃描成像過程中，本專利技術掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)不僅通過二次電子探測器記錄每個掃描點的圖像灰度信息，而且其控制器還把每個掃描點的X方向和Y方向位置坐標信息也記錄下來。這個X方向和Y方向的坐標信息是通過安裝在二維柔性鉸鏈掃描臺外面的X方向激光傳感器和Y方向激光傳感器，利用激光干涉的原理測量獲得的。之所以選擇激光傳感器，是因為米的國際通用定義是光在真空中1/299792458秒的時間間隔內行程的長度，目前最實用的長度基準是633nm碘穩(wěn)定的氦氖激光波長，其波長穩(wěn)定度可以達到10_n米。根據長度測量理論可知由于激光波長的高穩(wěn)定性，采用激光干涉法的測量結果具有可溯源性。在上述激光傳感器工作過程中，激光傳感器通過記錄激光干涉明暗條紋的變化個數，再進一步通過電子細分，就可以實現亞納米量級的位移測量分辨力。 X方向激光傳感器和Y方向激光傳感器把測量的位置坐標信息轉換為控制器可以利用的數字量，通過數據線傳輸給控制器。控制器把此數字化位置坐標信息存放在X向鎖存器和Y向鎖存器內。因此本專利技術采用激光干涉測量方法獲得的掃描電子顯微鏡圖像每個像素點都具有精確到納米的位置坐標數值，可溯源到國際長度單位米的定義。而普通掃描電子顯微鏡的圖像尺寸是由放大倍率折算出來的，不具有可溯源的計量能力。這樣，當需要利用掃描電子顯微鏡測量微納結構的長度或者寬度等尺寸時，只要采用上述方法獲得該微納結構的掃描電子顯微鏡圖像，便可以根據像素點對應的坐標(X，Y)計算出對應點的尺寸。具體可以采用如下簡潔的計算公式(I)獲得待測點A、B之間的尺寸或距離。_2] d = ^(xb-xaf +{vb-yaf⑴其中d為圖像中待測兩個像素點的距離；(xa，ya)為圖像中A點的坐標；(xb，yb)為圖像中B點的坐標；本專利技術采用的技術方案如下本專利技術掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)由控制器、二維柔性鉸鏈掃描臺、X方向激光傳感器、Y方向激光傳感器、二次電子探測器、信號檢測模塊、X向高壓驅動器和Y向高壓驅動器組成。所述的控制器負責產生控制二維柔性鉸鏈掃描臺的X方向和Y方向的移動的控制信號，并處理來自信號檢測模塊的信息數據。所述的二維柔性鉸鏈掃描臺用于實現X方向的掃描運動和Y方向的步進移動。所述的二次電子探測器用于采集樣品表面產生的二次電子信號。所述的X方向激光傳感器和Y方向激光傳感器用于采集二維柔性鉸鏈掃描臺的位置信號。所述的信號檢測模塊負責完成二次電子信號的模數轉換和來自X方向激光傳感器及Y方向激光傳感器位置信息的鎖存處理功能。所述的X方向激光傳感器、Y方向激光傳感器與二維柔性鉸鏈掃描臺處于同一水平面內；所述的兩個傳感器相互垂直，布置在面對二維柔性鉸鏈掃描臺的位置，且安裝在固定的支架上，不與二維柔性鉸鏈掃描臺一起運動。二次電子探測器固定安裝在二維柔性鉸鏈掃描臺的側上方支架上，且不與二維柔性鉸鏈掃描臺一起運動。本專利技術8個模塊之間的連接方式如下所述的控制器的X方向控制端口通過信號線XCT與X向高壓驅動器相連接；所述的控制器的Y方向控制端口通過信號線YCT與Y向高壓驅動器相連接；所述的X向高壓驅動器的輸出口通過X向高壓線纜XHV與二維柔性鉸鏈掃描臺的X向壓電陶瓷致動器相連接；所述的Y向高壓驅動器的輸出口通過Y向高壓線纜YHV與二維柔性鉸鏈掃描臺的Y向壓電陶瓷致動器相連接；所述的控制器通過雙向數據線DTBUS與所述的信號檢測模塊相連接；所述的信號檢測模塊的模數轉換器的輸入口通過信號線SED與所述的二次電子探測器的輸出口連接；所述的信號檢測模塊的X向鎖存器的輸入口通過信號線XPL與所述的X向激光傳感器的輸出口相連接；所述的信號檢測模塊的Y向鎖存器的輸入口通過信號線YPL與所述的Y向激光傳感器的輸出口相連接。 附圖說明圖I為計量型掃描電子顯微鏡控制系統(tǒng)原理圖；圖2為二維柔性鉸鏈掃描臺結構圖；圖3為柔性鉸鏈四桿結構原理圖，圖3a為平行四桿結構，圖3b為復合四桿結構；圖4為二維柔性鉸鏈掃描臺控制圖；圖5為圖像信號及位置信息檢測采集圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本專利技術。如圖I所示，本專利技術具體的實施方案由控制器I、二維柔性鉸鏈掃描臺2、X方向激光傳感器3、Y方向激光傳感器4、二次電子探測器5、信號檢測模塊6、X向高壓驅動器7和Y向高壓本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種計量型掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)由控制器(I)、ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)、X方向激光傳感器(3)、Y方向激光傳感器(4)、二次電子探測器(5)、信號檢測模塊(6)、X向高壓驅動器(7)和Y向高壓驅動器(8)組成；所述的控制器(I)產生控制ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的X方向和Y方向的移動的控制信號，并處理來自信號檢測模塊(6)的信息數據；所述的ニ維柔性鉸鏈掃描臺用于實現X方向的掃描運動和Y方向的步進移動；所述的二次電子探測器(5)用于采集樣品表面產生的二次電子信號；所述的X方向激光傳感器(3)和Y方向激光傳感器(4)用于采集ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的位置信號；信號檢測模塊(6)完成二次電子信號的模數轉換和來自X方向激光傳感器(3)及Y方向激光傳感器(4)位置信息的鎖存處理功能；X方向激光傳感器(3)、Y方向激光傳感器(4)與ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)處于同一水平面內；所述兩傳感器相互垂直，布置在面對 ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的位置，且安裝在固定的支架上，不與ニ維柔性鉸鏈掃描臺一起運動；二次電子探測器(5)固定安裝在ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的側上方支架上，且不與ニ維柔性鉸鏈掃描臺一起運動； 所述的ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)由柔性鉸鏈機械結構本體、X向陶瓷致動器和Y向壓電陶瓷致動器組成，柔性鉸鏈機械結構本體、X向陶瓷致動器和Y向壓電陶瓷致動器處于同一水平面；X向和Y向壓電陶瓷致動器相互垂直鑲嵌，安裝在柔性鉸鏈機械結構本體內部；X向、Y向壓電陶瓷致動器由壓電陶瓷堆組成，用于產生ニ維柔性鉸鏈掃描臺移動的驅動カ；其中X向壓電陶瓷致動器由2組壓電陶瓷堆組成； 所述的控制器(I)的X方向控制端ロ通過信號線XCT與X向高壓驅動器(7)相連接；控制器(I)的Y方向控制端ロ通過信號線YCT與Y向高壓驅動器(8)相連接；X向高壓驅動器(7)的輸出ロ通過X向高壓線纜XHV與ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的X向壓電陶瓷致動器相連接；Y向高壓驅動器(8)的輸出ロ通過Y向高壓線纜YHV與ニ維柔性鉸鏈掃描臺(2)的Y向壓電陶瓷致動器相連接； 所述的控制器(I)通過雙向數據線DTBUS與信號檢測模塊(6)相連接；信號檢測模塊(6)的模數轉換器的輸入口通過信號線SED與二次電子探測器(5)的輸出口連接；信號檢測模塊(6)的X向鎖存器的輸入口通過信號線XPL與X向激光傳感器(3)的輸出口相連接；信號檢測模塊(6)的Y向鎖存器的輸入口通過信號線YPL與Y向激光傳感器(4)的輸出ロ相連接。2.根據權利要求I所述的計量型掃描電子顯微鏡成像控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器(I)產生的X向位移控制信號由X方向控制端ロ輸出，通過信號線XCT傳輸給X向高壓驅動器(7)，此X向位移控制信號在X向高壓驅動器(7)中被放大成為X方向掃描驅動信號，此X方向掃描驅動信號從X向高壓...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：殷伯華，韓立，薛虹，徐哲，文良棟，夏瑞，
申請(專利權)人：中國科學院電工研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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