NX10 AFM——確的表面分析工具

ParkSystems 起源于原子力顯微鏡的誕生地，美國(guó)斯坦福大學(xué)。公司創(chuàng)始人Sang-ilPark 博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系，參與其導(dǎo)師C.F.Quate 教授發(fā)明原子力顯微鏡的過(guò)程。畢業(yè)后，他于1989 年在硅谷創(chuàng)辦了一家原子力顯微鏡公司ParkScientificInstruments。二十余年來(lái)對(duì)技術(shù)的專(zhuān)研與堅(jiān)持，成就AFM 業(yè)界歷史悠久的ParkSystems 公司。

Park 原子力顯微鏡專(zhuān)心于AFM最基本的性能要求——精確成像，依靠*的三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其產(chǎn)品在形貌表征上擁有了的精確度。 

項(xiàng)技術(shù)是采用三軸分離的掃描器，*消除掃描器的交叉耦合，具有業(yè)界的平整度和線(xiàn)性度，*消除了掃描器背景彎曲現(xiàn)象。 

傳統(tǒng)的原子力顯微鏡采用壓電掃描管進(jìn)行x-y-z 三軸的掃描，水平掃描實(shí)際是通過(guò)壓電掃描管的彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種彎曲運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)彎曲畸變的測(cè)量結(jié)果。也就是說(shuō)，采用管式掃描器進(jìn)行掃描時(shí)，水平彎曲和垂直伸縮是耦合在一起的，這就產(chǎn)生了交叉耦合現(xiàn)象。 

對(duì)于傳統(tǒng)的原子力顯微鏡而言，這種測(cè)量誤差需要通過(guò)軟件矯正去除。由于這種彎曲畸變是高階非線(xiàn)性的，并且與掃描大小、掃描速度和掃描位置息息相關(guān)。事實(shí)上，我們無(wú)法通過(guò)軟件矯正獲取真正平直的、準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。 

ParkSystems 開(kāi)發(fā)出的CrosstalkElimination 技術(shù)，也就是水平掃描器和垂直掃描器相分離的技術(shù)。兩組獨(dú)立的柔性?huà)呙杵鞣謩e移動(dòng)樣品和探針。水平掃描器用于移動(dòng)樣品，垂直掃描器用于控制探針上下運(yùn)動(dòng)。該技術(shù)能夠進(jìn)行真正平直的掃描，而且所得結(jié)果不受掃描大小、掃描速度和掃描位置的影響。

這一點(diǎn)在測(cè)量平滑的玻璃樣品時(shí)能夠得到特別好的體現(xiàn)，原始結(jié)果沒(méi)有一點(diǎn)兒背景彎曲現(xiàn)象。在整個(gè)80 微米見(jiàn)方的圖像中，平面偏移度小于1nm，這是業(yè)界的技術(shù)。事實(shí)上，不論在這塊平滑玻璃表面的任何位置進(jìn)行任何大小的掃描，所得結(jié)果的平面偏移度都是極小的。



第二項(xiàng)技術(shù)是真正的非接觸掃描模式。Park Systems 開(kāi)發(fā)出了大氣環(huán)境下成熟的非接觸模式。

因?yàn)槿S分離的結(jié)構(gòu)將垂直掃描器獨(dú)立出來(lái)，它只負(fù)責(zé)垂直方向上探針的移動(dòng)，這使得在該軸向上的同步反饋頻率極大增強(qiáng)。相比于壓電陶瓷管垂直方向的反饋頻率只有區(qū)區(qū)幾百Hz 而言，NX10 的垂直掃描器具有高達(dá)9kHz 的同步反饋頻率。如果垂直響應(yīng)速度不夠快，探針會(huì)不時(shí)接觸到樣品表面，甚至被黏在樣品表面而無(wú)法進(jìn)行振動(dòng)。一個(gè)解決方法是提高探針和樣品的距離，但是，這種方法會(huì)極大地降低橫向分辨率。為了克服這種困難，工程師們研發(fā)了敲擊模式，使探針大幅振動(dòng)，不斷地敲擊樣品表面。這種敲擊的力比通常的接觸力大很多，因而很容易把探針針尖敲鈍，極大地降低了探針壽命?；趬弘娞沾晒軖呙杵髟诖怪狈较蝽憫?yīng)較慢的缺點(diǎn)，大多數(shù)原子力顯微鏡制造商在大氣環(huán)境下都選擇在電磁斥力區(qū)采用敲擊模式工作。

NX10 系統(tǒng)采用了線(xiàn)性垂直強(qiáng)力掃描器，該掃描器由壓電陶瓷堆構(gòu)成。這種掃描器的帶寬超過(guò)了9kHz，用于垂直探針控制時(shí)，伺服響應(yīng)速度超過(guò)了62 毫米每秒。這種高速響應(yīng)能力，可以保證精確的探針控制能力。因此NX10 可以在高速掃描時(shí)穩(wěn)定的保持探針與樣品間的距離，這使得真正的非接觸掃描技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。采用這種技術(shù)進(jìn)行掃描，限度的避免了對(duì)樣品的破壞，同時(shí)也極大地減小對(duì)探針的磨損。對(duì)樣品的良好保護(hù)使NX10 對(duì)樣品的適用性大大增強(qiáng)，楊氏模量硬度低至幾十千帕的柔軟樣品依然可以清晰成像。對(duì)針尖的良好保護(hù)一方面避免了因針尖磨損變鈍導(dǎo)致的掃描結(jié)果的誤差，另一方面也大大延長(zhǎng)了探針壽命，降低了NX10 的使用費(fèi)用。對(duì)于深溝槽樣品也可以輕松成像而不必?fù)?dān)心撞斷探針。

第三項(xiàng)技術(shù)是真正的樣品表面形貌的表征。NX10 采用了業(yè)界的低噪聲閉環(huán)檢測(cè)器用于樣品形貌采集，消除了采用驅(qū)動(dòng)電壓帶來(lái)的遲滯和蠕變誤差。 

NX10 采用的低噪聲位移檢測(cè)器，能實(shí)時(shí)檢測(cè)垂直掃描器的伸縮情況。以往都是通過(guò)壓電掃描器的驅(qū)動(dòng)電壓獲取樣品表面形貌數(shù)據(jù)，由于壓電掃描器存在蠕變，特別是在高度變化劇烈的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

消除誤差的辦法就是采用獨(dú)立的位移檢測(cè)器直接測(cè)量形貌。這就對(duì)位移檢測(cè)器的噪聲水平有了更高的要求，越低越好，至少要達(dá)到0.5 埃。

垂直位移檢測(cè)器是NX10 型原子力顯微鏡的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這是ParkSystems 投入多年心血開(kāi)發(fā)的新型應(yīng)變傳感器。噪聲水平已經(jīng)降低到了0.2埃，為業(yè)界水平。這種檢測(cè)器的測(cè)量信號(hào)已經(jīng)可以取代壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓，直接用于形貌數(shù)據(jù)的測(cè)量。

采用低噪聲位移傳感器獲取形貌信號(hào)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，尤其對(duì)于多片薄層樣品，可以準(zhǔn)確的得到每層的高差。

同時(shí)，為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的精確，NX10 還對(duì)熱漂移進(jìn)行嚴(yán)格控制。一方面通過(guò)使用多種材料復(fù)合構(gòu)建設(shè)備，避免熱應(yīng)力形變對(duì)系統(tǒng)的干擾；另一方面，對(duì)艙室環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，使溫度變化小于0.05°C/hr。

作為原子力顯微鏡的企業(yè)，ParkSystems 致力于為客戶(hù)提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，納米計(jì)量的時(shí)代前沿。我們的創(chuàng)新技術(shù)能夠幫助客戶(hù)使用原子力顯微鏡解決各種納米尺度研究和工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。ParkSystems 一直專(zhuān)注于原子力顯微鏡技術(shù)，致力于為客戶(hù)提供長(zhǎng)期可靠的技術(shù)服務(wù)，幫助客戶(hù)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。