计量型扫描电镜的测量与控制系统设计研究

发布时间：2017-10-14 12:29

  本文关键词：计量型扫描电镜的测量与控制系统设计研究

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【摘要】：纳米测量是在纳米水平上对物质的尺度和形状、光学、电学、磁学等性质进行精密测量的方法和手段,其中最基本的测量挑战就是纳米尺度的精确测量。扫描电子显微镜以具有的高分辨力、大景深、测量范围广和成像速度快等优点已逐渐成为100nm以下微纳几何结构的主要的观察和测量仪器之一。但目前不同厂家生产的商用扫描电子显微镜(SEM)之间存在测量值无法溯源到统一基准且有较大测量误差的问题,严重制约了SEM在纳米尺度精确测量中的发展。本论文依托于国家科技支撑项目“计量型扫描电镜与双探针扫描探针显微镜标准测量装置的建立”(NO.2011BAK15B02),就计量型扫描电镜标准测量装置中的关键技术进行了相关研究,旨在建立一套完整的计量型扫描电镜装置,能够实现对微纳几何结构的精确测量和SEM的量值溯源,给出了计量型扫描电镜的测控系统的具体实现方法。论文综合分析了纳米测量技术中纳米测量与量值传递方法的研究现状,介绍了常规SEM和计量型SEM的测量原理与国内外研究进展,分析了计量型扫描电镜的组成结构与性能指标,设计了具有纳米位移台扫描成像和激光干涉仪溯源量值的计量型扫描电镜的测控系统结构,利用外差激光干涉法和电子细分法设计了两轴位移测量系统的光路结构,分析了压电陶瓷纳米位移台的控制方法,提出了一种两层驱动、多信号组合控制的位移台运动控制系统结构,分析了高速数据采集技术的实现方法,利用NI-VISIO机器视觉工具包设计了计量型SEM的图像采集与处理系统,最后基于LabVIEW图像编程语言开发了测控系统上位机软件。为了验证本论文设计的运动控制子系统、激光干涉位移测量子系统和图像采集与处理子系统的性能,搭建了各子系统的实验装置以及整体的计量型扫描电镜的标准测量实验装置,分别进行如下实验：(1)激光外差干涉位移子系统的测量分辨力与稳定性实验,当纳米位移台处于静止状态时验证系统的最大测量分辨力与静态测量稳定性,当纳米位移台以5nm步进运动时验证系统的动态测量稳定性,实验结果表明,位移测量子系统的最大测量分辨力优于0.2nm,静态测量稳定性优于3.5nm,动态测量稳定性优于2nm。(2)运动控制子系统稳定性验证及振动误差测量实验,实验结果表明,纳米位移台扫描运动轨迹符合设计要求且稳定性高,振动误差可控制在±6nm内。(3)图像采集与处理子系统中滤波算法的去噪效果验证实验,结果表明滤波效果明显。(4)计量型扫描电镜的整机稳定性与测量结果准确度验证实验,通过对1μm二维栅格样品进行扫描成像实验验证整机中各子系统间的同步控制技术的同步性与系统运行稳定性,结果表明整机的同步性良好且图像采集可重复性高,系统运行稳定可靠。通过对最终采集并滤波后的图像进行线宽尺寸测量验证整机的测量准确性能,结果表明本论文所设计的计量型扫描电镜在10μm测量范围内的测量示值误差优于10nm。
【关键词】：计量型SEM 纳米位移台 激光外差干涉 图像处理 误差分析
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 论文的研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状分析12-17
• 1.2.1 纳米测量与量值溯源方法现状12-13
• 1.2.2 扫描电镜的测量原理分析13-15
• 1.2.3 计量型扫描电镜的国内外研究现状15-17
• 1.3 论文的研究内容及组织结构17-19
• 第二章 计量型扫描电镜测控系统总体设计与分析19-32
• 2.1 系统硬件设备的分析与选型19-23
• 2.1.1 蔡司ULTRA 55场发射扫描电镜19-20
• 2.1.2 PI-P561高速高精度纳米位移台20-21
• 2.1.3 IEE-50电机位移台21
• 2.1.4 安捷伦10706BV高稳定性平面镜干涉仪21-23
• 2.2 测控系统总体方案设计23-24
• 2.3 机械结构设计与分析24-29
• 2.3.1 总体结构设计24-25
• 2.3.2 双层位移台驱动结构设计25-26
• 2.3.3 悬挂式计量子系统结构设计26
• 2.3.4 可调节样品台设计26-27
• 2.3.5 侧板承重位置受力形变仿真27-29
• 2.4 上位机软件总流程设计29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 激光干涉位移测量子系统设计32-41
• 3.1 激光外差干涉测量原理32-33
• 3.2 两轴位移测量子系统光路布局设计33-34
• 3.3 软件设计34-38
• 3.3.1 安捷伦N1231B测量板34-35
• 3.3.2 软件程序设计35-38
• 3.4 子系统稳定性验证38-39
• 3.5 误差分析39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 位移台运动控制子系统设计41-51
• 4.1 压电陶瓷驱动纳米位移台控制方法研究41
• 4.2 运动控制子系统方案设计41-42
• 4.3 软件设计42-46
• 4.3.1 LabVIEW8.5开发环境42-43
• 4.3.2 软件设计流程43-44
• 4.3.3 基于LabVEIW的信号发生器模块设计44-46
• 4.3.4 运动控制软件设计46
• 4.4 运动控制子系统性能验证46-49
• 4.4.1 纳米位移台运动性能验证46-48
• 4.4.2 机械台和纳米台的自有振动测量实验48-49
• 4.4.3 纳米位移台X-Y两轴间耦合振动测量实验49
• 4.5 误差分析49-50
• 4.6 本章小结50-51
• 第五章 图像采集与处理子系统设计51-63
• 5.1 总体设计51-52
• 5.1.1 凌华DAQ-2010多功能数据采集卡51
• 5.1.2 子系统方案设计51-52
• 5.2 软件设计52-61
• 5.2.1 软件设计流程52-53
• 5.2.2 事件状态机53-54
• 5.2.3 图像采集模块54-57
• 5.2.4 图像处理模块57-61
• 5.3 图像处理系统性能验证61-62
• 5.4 误差分析62
• 5.5 本章小结62-63
• 第六章 实验和结果63-72
• 6.1 测控系统软硬件实现63-65
• 6.1.1 实验装置构建63
• 6.1.2 控制软件界面实现63-65
• 6.2 测控系统不确定度分析65-66
• 6.3 1μm栅格标准样品线宽测量实验66-71
• 6.4 本章小结71-72
• 第七章 总结和展望72-75
• 7.1 论文总结72-73
• 7.2 论文展望73-75
• 参考文献75-79
• 发表的学术论文79-80
• 致谢80

【参考文献】

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本文编号：1031082