白光干涉原子力探针扫描微纳表面测量关键技术与系统研究

发布时间：2020-06-27 07:46

【摘要】：随着先进制造技术的发展,各种具有微纳尺度和精度的表面不断出现,如集成电路表面、光学表面和信息存储表面等。微纳表面质量保证和制造工艺分析,有赖于准确的微纳表面形貌与结构测量仪器。目前已有扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)以及原子力显微镜(AFM)用于微纳表面的观测,难以满足微纳表面的计量测试需要。研究开发具有计量意义的微纳表面形貌与结构测量仪器,具有必要性。本论文研究基于白光干涉的原子力探针扫描微纳表面测量方法及关键技术,开发基于白光干涉的原子力探针扫描微纳表面测量系统,实现微纳表面的可溯源测量。主要研究内容如下:提出了基于梯度压缩与Hilbert变换的白光干涉零级条纹稳健准确定位算法。针对原子力探针扫描测量过程中,探针悬臂表面的白光干涉信号存在畸变,导致常用的白光干涉零级条纹定位算法失效问题,提出并研究梯度压缩算法对干涉信号进行去畸变处理,进一步采用Hilbert变换解相位来获取零级条纹位置,有效保证了白光干涉零级条纹定位的稳健性和准确性。建立了原子力探针悬臂弯曲及相应的白光干涉零级条纹位置模型,提出了基于该模型结合激光干涉位移计量的原子力探针位移实时溯源标定方法。基于原子力探针静力学分析建立其探针位移、悬臂弯曲及白光干涉零级条纹位置关系模型,以此模型为基础,对高分辨激光干涉位移计量获取的探针垂直位移及对应的白光干涉零级条纹位置系列标定数据进行拟合,获得零级条纹位置与探针垂直位移之间的溯源标定曲线。提出了一种基于Bouc-Wen模型进行压电陶瓷磁滞特性补偿,实现压电陶瓷工作台快速扫描定位的方法。使用Bouc-Wen模型对压电陶瓷预扫描获取的逆磁滞数据进行拟合,通过遗传算法获取模型参数,得到Bouc-Wen逆磁滞补偿模型,进而基于该模型对压电陶瓷进行开环前馈控制,实现压电陶瓷工作台的准确快速线性化扫描。建立了原子力探针的动力学模型,提出了一种基于该模型实现测量参数优化的扫描测量策略,以保证测量系统的稳健性。为避免原子力探针在扫描测量过程中与样件表面分离,产生测量误差的问题,通过建立原子力探针的动力学模型,结合典型表面轮廓模型,数值仿真分析探针的弹性系数、等效质量以及预压量与临界扫描速度的关系,进而实现测量中扫描速度和预压量等测量参数优化。基于以上关键技术研究成果,建构了白光干涉原子力探针扫描微纳表面测量仪器系统,通过系列实验验证了仪器的准确性、快速性和稳定性。仪器经过中国计量科学研究院的测试及相关应用,证明了其良好特性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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本文编号：2731533