本發(fā)明屬于超精密表面形貌測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，是指一種白光干涉原子力顯微鏡探針自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及自動(dòng)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

白光干涉原子力掃描探針顯微鏡是用白光的零級(jí)條紋來量化原子力掃描探針的形變，從而間接得到工件表面的高度。由于不同探針具有不同的彈性性能，同時(shí)條紋在探針不同位置測(cè)量同一高度時(shí)白光干涉條紋的移動(dòng)量也不會(huì)相同，因此要準(zhǔn)確的測(cè)量工件的表面形貌，對(duì)原子力探針的標(biāo)定必不可少。

原子力的針尖非常微小，針尖長度在只有十幾微米，其針尖半徑小于十納米，因此為了防止在標(biāo)定時(shí)原子力探針的針尖陷入溝槽中不能接觸到標(biāo)定樣板，標(biāo)定樣板的表面要求具有非常高的精密度。同時(shí)為了保證針尖壓到標(biāo)定樣板上時(shí)標(biāo)定樣板不發(fā)生塑性變形，需要設(shè)計(jì)滿足粗糙度和硬度要求的標(biāo)定樣板。而如果采用人為控制探針接觸標(biāo)定樣板，在此過程中很難控制速度與距離之間的關(guān)系，容易造成探針的誤傷，并且很難控制探針下壓的量，所以采用自動(dòng)接觸控制具有重要的意義。

常見的距離控制辦法有基于測(cè)距法和基于圖像處理的辦法，基于測(cè)距法要求額外的設(shè)備進(jìn)行輔助，在儀器上使用非常不方便。而白光干涉原子力顯微鏡在原子力探針調(diào)節(jié)好以后，探針的與顯微物鏡之間的距離就是一個(gè)固定不變的值，控制主機(jī)在保證光源的光強(qiáng)不變之后，原子力探針表面上的光強(qiáng)就是一個(gè)固定不變的值，而對(duì)于同一個(gè)標(biāo)定樣板其表面的反光度也是一個(gè)固定不變的值，隨著距離的減少，其圖像的光強(qiáng)強(qiáng)度越強(qiáng)，因此可以通過圖像處理的方法來確定原子力探針與標(biāo)定樣板之間的距離。最終根據(jù)標(biāo)定樣板和自動(dòng)控制方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。對(duì)于白光干涉原子力顯微鏡的規(guī)范化的使用和提高測(cè)量精度以及使用的友好性具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于白光原子力探針顯微鏡中探針自動(dòng)標(biāo)定的標(biāo)定樣板和控制方法。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子力探針的自動(dòng)標(biāo)定，具有響應(yīng)速度快，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定提高測(cè)量精度的特點(diǎn)。

本發(fā)明的目的在于提供一種白光干涉原子力顯微鏡探針自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：原子力探針組件，干涉顯微物鏡，控制主機(jī)、面CCD成像系統(tǒng)及光路系統(tǒng)，水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，垂直電機(jī)位移平臺(tái)，垂直納米位移平臺(tái)；

所述原子力探針組件與所述干涉顯微物鏡固定在所述垂直納米位移平臺(tái)上，所述原子力探針組件中的原子力探針在所述干涉顯微物鏡的正下方；

所述垂直電機(jī)位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所述原子力探針在垂直方向的粗調(diào)；

所述水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載有標(biāo)定樣板，并且調(diào)整實(shí)現(xiàn)其標(biāo)定區(qū)域出現(xiàn)在所述面CCD成像系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍內(nèi)；

所述面CCD成像系統(tǒng)及光路系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)所述原子力探針和所述標(biāo)定樣板的成像；

所述干涉顯微物鏡對(duì)所述原子力探針放大成像，并產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)所述原子力探針接觸到所述標(biāo)定樣板之后的標(biāo)定干涉條紋；所述面CCD成像系統(tǒng)接收所述標(biāo)定干涉條紋傳送于所述控制主機(jī)，所述控制主機(jī)依據(jù)所述標(biāo)定干涉條紋的光強(qiáng)與所述原子力探針和所述標(biāo)定樣板之間的距離函數(shù)關(guān)系來反復(fù)控制調(diào)整所述距離，由此探求所述原子力探針的變形與所述原子力探針表面上的零級(jí)條紋的位置關(guān)系來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)定樣板的標(biāo)定區(qū)域渡鉻處理。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)定樣板的標(biāo)定區(qū)域采用四個(gè)圓點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)確定所述標(biāo)定區(qū)域是否在所述面CCD成像系統(tǒng)視場(chǎng)上。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)定區(qū)域尺寸為100μm×100μm。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)定區(qū)域的表面粗糙度Ra≤0.01μm，表面平面度要求小于0.03μm。

進(jìn)一步地，所述光路系統(tǒng)的光源強(qiáng)度保持固定值。

另外一方面，本發(fā)明還公開了一種白光干涉原子力顯微鏡探針自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于，該方法主要包括如下步驟：

第一步，設(shè)置所述白光干涉原子力顯微鏡自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)；

第二步，將所述標(biāo)定樣板放置在所述干涉顯微物鏡的正下方，并調(diào)節(jié)所述垂直電機(jī)位移平臺(tái)，使得所述原子力探針與所述標(biāo)定樣板之間的距離保持在1-2cm之間；

第三步，調(diào)整所述標(biāo)定樣板的標(biāo)定區(qū)域在所述面CCD成像系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍之內(nèi)；

第四步，所述控制主機(jī)根據(jù)所述原子力探針上的干涉條紋與所述標(biāo)定樣板上的干涉條紋的光強(qiáng)差，依據(jù)光強(qiáng)差與距離的函數(shù)，獲得所述原子力探針與所述標(biāo)定樣板之間的距離；所述控制主機(jī)判斷所述距離，如果大于50μm，則控制所述垂直電機(jī)位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；如果小于等于50μm時(shí)控制所述垂直納米位移平臺(tái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，直至所述原子力探針接觸所述標(biāo)定樣板；

第五步，所述控制主機(jī)采集所述原子力探針的變形與零級(jí)條紋移動(dòng)的距離不斷按照所述第四步的光強(qiáng)差與距離的函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至完成標(biāo)定，所述垂直電機(jī)位移平臺(tái)帶動(dòng)所述原子力探針脫離所述標(biāo)定樣板完成標(biāo)定。

進(jìn)一步地，所述第一步中包括如下子步驟：

第一子步驟，完成所述控制主機(jī)與所述面CCD成像系統(tǒng)、所述垂直納米位移平臺(tái)、所述垂直電機(jī)位移平臺(tái)、所述水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的連接，其中所述面CCD成像系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線與所述控制主機(jī)相連；

第二子步驟，首先調(diào)節(jié)所述原子力探針組件，將干涉條紋調(diào)節(jié)到所述原子力探針的中部位置。

按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)和自動(dòng)標(biāo)定控制方法能使得原子力探針快速高效安全的接觸到標(biāo)定樣板上，因此操作方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)于提高白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測(cè)量精度具有非常重要的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法中的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法標(biāo)定樣板示意圖意圖；

圖3為本發(fā)明方法中的原子力探針靠近標(biāo)定樣板的過程；

在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1.標(biāo)定樣板 2.原子力探針 3.原子力探針組件 4.干涉顯微物鏡 5.垂直納米位移平臺(tái) 6.面CCD成像系統(tǒng) 7.垂直電機(jī)位移平臺(tái) 8.光源系統(tǒng) 9.光路系統(tǒng) 10.控制主機(jī) 11.水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明方法中涉及的原子力探針標(biāo)定系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的白光干涉原子力探針自動(dòng)標(biāo)定控制方法中執(zhí)行所包括的系統(tǒng)的整體組成情況如下：標(biāo)定樣板1，原子力探針2，原子力探針組件3，干涉顯微物鏡4，垂直納米位移平臺(tái)5，面CCD成像系統(tǒng)6，垂直電機(jī)位移平臺(tái)7，光源系統(tǒng)8，光路系統(tǒng)9，控制主機(jī)10，水平二維電機(jī)平臺(tái)11?？刂浦鳈C(jī)控制白光光源的發(fā)光強(qiáng)度，光源經(jīng)過內(nèi)部的光路系統(tǒng)和干涉物鏡4后在原子力掃描探針2的微懸臂上形成白光干涉條紋，再由面CCD成像系統(tǒng)6將干涉圖像傳送給控制主機(jī)，控制主機(jī)控制系統(tǒng)完成自動(dòng)標(biāo)定；

原子力探針組件3與干涉顯微物鏡4共同固定在同一個(gè)垂直納米位移平臺(tái)5的內(nèi)外螺母上，干涉顯微物鏡4固定在垂直納米位移平臺(tái)5的內(nèi)螺紋上，原子力探針組件3固定在垂直納米位移平臺(tái)5的外螺紋上，同時(shí)干涉顯微物鏡4用于固定原子力探針組件3；

原子力探針組件3包括原子力探針2，原子力探針2在干涉顯微物鏡4的正下方，能被干涉顯微物鏡4成像；

面CCD成像系統(tǒng)6及光路系統(tǒng)9，主要是用于原子力探針2和標(biāo)定樣板1的成像，并可以在控制主機(jī)10的控制下實(shí)現(xiàn)高速的圖像采集，用于信息提??；

干涉顯微物鏡4主要對(duì)原子力探針2放大成像，并產(chǎn)生干涉條紋用于探針接觸到標(biāo)定樣板之后的標(biāo)定；

垂直電機(jī)位移平臺(tái)7，主要作用是在原子力探針2離標(biāo)定樣板1較遠(yuǎn)時(shí)控制其運(yùn)動(dòng)，將原子力探針2快速靠近標(biāo)定樣板1，同時(shí)在原子力探針遠(yuǎn)離標(biāo)定樣板時(shí)使用，即在該運(yùn)動(dòng)步驟中實(shí)現(xiàn)垂直方向的粗調(diào)，而垂直納米位移平臺(tái)5則實(shí)現(xiàn)垂直方向位移的精調(diào)；垂直方向電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的步進(jìn)距離非常小，其步距為127nm，而垂值納米位移平臺(tái)的特征在于，它具有PID反饋控制，能精確的控制垂直方向發(fā)生某一個(gè)給定的位移。

控制主機(jī)10主要用于面CCD成像系統(tǒng)6的控制，光源系統(tǒng)8和光路系統(tǒng)9的控制，垂直電機(jī)位移平臺(tái)7和垂直納米位移平臺(tái)5以及水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)7的運(yùn)動(dòng)；

水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11，其主要作用是調(diào)節(jié)放置于上面的標(biāo)定樣板1的標(biāo)定區(qū)域到達(dá)面CCD成像系統(tǒng)6的視場(chǎng)范圍內(nèi)；

垂直納米位移平臺(tái)5是在原子力探針2離標(biāo)定樣板1距離在50微米以內(nèi)時(shí)，采用控制方法將原子力探針2慢速靠近標(biāo)定樣板1從而最終來實(shí)現(xiàn)標(biāo)定的；

標(biāo)定樣板1用于控制原子力探針2在標(biāo)定時(shí)提供基準(zhǔn)，同時(shí)為自動(dòng)標(biāo)定提供條件；采用標(biāo)定樣板1來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定的原理如下：原子力探針2是固定在原子力探針組件3上，原子力探針2的懸臂部分在干涉顯微物鏡4的下方與干涉顯微物鏡4的距離為干涉顯微物鏡4的相干距離，在垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子力探針2與干涉顯微物鏡4之間的距離是一個(gè)固定不變的值，因此原子力探針2上的光強(qiáng)不會(huì)發(fā)生變化，而標(biāo)定樣板1上的光強(qiáng)會(huì)由于距離的逐漸變小而增強(qiáng)；

其中標(biāo)定樣板1為一表面平整度較高的樣板，標(biāo)定區(qū)域?yàn)榱藵M足探針的標(biāo)定其粗糙度Ra≤0.01μm，平面度要求小于0.03μm，標(biāo)定區(qū)域?yàn)榱藵M足自動(dòng)標(biāo)定的靠近過程中的反光度和標(biāo)定時(shí)的硬度要求，需要在標(biāo)定樣板的標(biāo)定區(qū)域渡鉻處理。

進(jìn)一步地，如圖2所示，用于原子力探針2標(biāo)定的區(qū)域在其周圍有四個(gè)圓點(diǎn)用于自動(dòng)檢測(cè)確定標(biāo)定區(qū)域是否在面CCD視場(chǎng)上；并且根據(jù)面CCD視場(chǎng)范圍和高平面度要求，其標(biāo)定區(qū)域優(yōu)選為100μm×100μm。如圖2所示，本發(fā)明實(shí)例提供的自動(dòng)標(biāo)定控制方法中的一個(gè)關(guān)鍵部分即為標(biāo)定樣板1，標(biāo)定樣板1在控制探針接觸靠近的過程起到定位和基準(zhǔn)的作用；

圖3展示了自動(dòng)控制標(biāo)定的過程原子力探針2靠近標(biāo)定樣板1的過程，此過程中原子力探針2與干涉顯微物鏡4之間的距離一直是保持不變，因此在原子力探針2上的光強(qiáng)不會(huì)發(fā)生變化；

下面將具體描述利用按照本發(fā)明的自動(dòng)調(diào)整裝置及其控制方法詳細(xì)操作如下：

第一步，完成白光干涉原子力顯微鏡自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的硬件設(shè)備的連接；

(1.1)完成控制主機(jī)10與面CCD成像系統(tǒng)6和各運(yùn)動(dòng)平臺(tái)垂直納米位移平臺(tái)5,垂直電機(jī)位移平臺(tái)7,水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的連接和，其中面CCD成像系統(tǒng)6通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線與控制主機(jī)10相連；

(1.2)完成控制主機(jī)10與各硬件部分連接后，白光干涉原子力探針顯微鏡探針自動(dòng)標(biāo)定控制連接完成，首先調(diào)節(jié)原子力探針組件3，將干涉條紋調(diào)節(jié)到原子力探針2的中部位置。

第二步，使用已經(jīng)連接好的白光干涉原子力探針顯微鏡自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，將標(biāo)定樣板1放置在干涉顯微物鏡4的正下方，并調(diào)節(jié)垂直電機(jī)位移平臺(tái)7，使得原子力探針2與標(biāo)定樣板1之間的距離保持在1-2cm之間。

第三步控制主機(jī)10控制面CCD成像系統(tǒng)6采集圖片分析，背景圖像中是否存在標(biāo)記圓點(diǎn)，不存在則調(diào)節(jié)水平二維電機(jī)平臺(tái)使得通過標(biāo)記圓點(diǎn)確定的標(biāo)定樣板1的標(biāo)定區(qū)域在視場(chǎng)范圍內(nèi)。

第四步控制主機(jī)10根據(jù)原子力探針2上的光強(qiáng)與標(biāo)定樣板1上的光強(qiáng)差和事先實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)的光強(qiáng)差與距離的函數(shù)，判斷原子力探針2與標(biāo)定樣板1之間的距離，如果大于50μm則繼續(xù)采用垂直電機(jī)位移平臺(tái)7運(yùn)動(dòng)，在小與等于50μm時(shí)采用垂直納米位移平臺(tái)5產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，直至接觸標(biāo)定樣板1；

第五步控制主機(jī)10采集原子力探針2的變形與零級(jí)條紋移動(dòng)的距離不斷按照第四步驟中的光強(qiáng)差與距離的函數(shù)來進(jìn)行調(diào)整，直至完成標(biāo)定，垂直電機(jī)位移平臺(tái)7帶動(dòng)原子力探針2脫離標(biāo)定樣板1完成標(biāo)定。

控制主機(jī)10需要控制光路系統(tǒng)9的光源強(qiáng)度保持在一個(gè)固定的值，該值根據(jù)探針表面特定幾個(gè)區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)灰度的平均值來確定，其灰度值的取值范圍在150至200之間即可；

控制算法檢測(cè)標(biāo)定樣板1的標(biāo)定區(qū)域是否在面CCD成像系統(tǒng)6的視場(chǎng)上，即檢測(cè)標(biāo)定樣板上的圓點(diǎn)是否在圖像上，如果不在則調(diào)節(jié)水平二維電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11，其運(yùn)動(dòng)方式為平動(dòng)來回掃描；

控制算法中需要預(yù)先存儲(chǔ)在某一個(gè)固定的光強(qiáng)下，原子力探針2表面上的光強(qiáng)與標(biāo)定樣板1上的光強(qiáng)之差與距離的函數(shù)關(guān)系，因此整個(gè)系統(tǒng)在開始時(shí)需要采集大量不同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)的建模；

把原子力探針2控制到指定距離以后，就可以采集圖像，分析探針的變形與探針表面上的零級(jí)條紋的位置關(guān)系，從而自動(dòng)完成標(biāo)定。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。