發(fā)布時間：2017-10-14 12:29

  本文關鍵詞：計量型掃描電鏡的測量與控制系統(tǒng)設計研究

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【摘要】：納米測量是在納米水平上對物質(zhì)的尺度和形狀、光學、電學、磁學等性質(zhì)進行精密測量的方法和手段,其中最基本的測量挑戰(zhàn)就是納米尺度的精確測量。掃描電子顯微鏡以具有的高分辨力、大景深、測量范圍廣和成像速度快等優(yōu)點已逐漸成為100nm以下微納幾何結構的主要的觀察和測量儀器之一。但目前不同廠家生產(chǎn)的商用掃描電子顯微鏡(SEM)之間存在測量值無法溯源到統(tǒng)一基準且有較大測量誤差的問題,嚴重制約了SEM在納米尺度精確測量中的發(fā)展。本論文依托于國家科技支撐項目“計量型掃描電鏡與雙探針掃描探針顯微鏡標準測量裝置的建立”(NO.2011BAK15B02),就計量型掃描電鏡標準測量裝置中的關鍵技術進行了相關研究,旨在建立一套完整的計量型掃描電鏡裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)對微納幾何結構的精確測量和SEM的量值溯源,給出了計量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。論文綜合分析了納米測量技術中納米測量與量值傳遞方法的研究現(xiàn)狀,介紹了常規(guī)SEM和計量型SEM的測量原理與國內(nèi)外研究進展,分析了計量型掃描電鏡的組成結構與性能指標,設計了具有納米位移臺掃描成像和激光干涉儀溯源量值的計量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)結構,利用外差激光干涉法和電子細分法設計了兩軸位移測量系統(tǒng)的光路結構,分析了壓電陶瓷納米位移臺的控制方法,提出了一種兩層驅(qū)動、多信號組合控制的位移臺運動控制系統(tǒng)結構,分析了高速數(shù)據(jù)采集技術的實現(xiàn)方法,利用NI-VISIO機器視覺工具包設計了計量型SEM的圖像采集與處理系統(tǒng),最后基于LabVIEW圖像編程語言開發(fā)了測控系統(tǒng)上位機軟件。為了驗證本論文設計的運動控制子系統(tǒng)、激光干涉位移測量子系統(tǒng)和圖像采集與處理子系統(tǒng)的性能,搭建了各子系統(tǒng)的實驗裝置以及整體的計量型掃描電鏡的標準測量實驗裝置,分別進行如下實驗：(1)激光外差干涉位移子系統(tǒng)的測量分辨力與穩(wěn)定性實驗,當納米位移臺處于靜止狀態(tài)時驗證系統(tǒng)的最大測量分辨力與靜態(tài)測量穩(wěn)定性,當納米位移臺以5nm步進運動時驗證系統(tǒng)的動態(tài)測量穩(wěn)定性,實驗結果表明,位移測量子系統(tǒng)的最大測量分辨力優(yōu)于0.2nm,靜態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于3.5nm,動態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于2nm。(2)運動控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證及振動誤差測量實驗,實驗結果表明,納米位移臺掃描運動軌跡符合設計要求且穩(wěn)定性高,振動誤差可控制在±6nm內(nèi)。(3)圖像采集與處理子系統(tǒng)中濾波算法的去噪效果驗證實驗,結果表明濾波效果明顯。(4)計量型掃描電鏡的整機穩(wěn)定性與測量結果準確度驗證實驗,通過對1μm二維柵格樣品進行掃描成像實驗驗證整機中各子系統(tǒng)間的同步控制技術的同步性與系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,結果表明整機的同步性良好且圖像采集可重復性高,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。通過對最終采集并濾波后的圖像進行線寬尺寸測量驗證整機的測量準確性能,結果表明本論文所設計的計量型掃描電鏡在10μm測量范圍內(nèi)的測量示值誤差優(yōu)于10nm。
【關鍵詞】：計量型SEM 納米位移臺 激光外差干涉 圖像處理 誤差分析
【學位授予單位】：浙江理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 論文的研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析12-17
• 1.2.1 納米測量與量值溯源方法現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 掃描電鏡的測量原理分析13-15
• 1.2.3 計量型掃描電鏡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 論文的研究內(nèi)容及組織結構17-19
• 第二章 計量型掃描電鏡測控系統(tǒng)總體設計與分析19-32
• 2.1 系統(tǒng)硬件設備的分析與選型19-23
• 2.1.1 蔡司ULTRA 55場發(fā)射掃描電鏡19-20
• 2.1.2 PI-P561高速高精度納米位移臺20-21
• 2.1.3 IEE-50電機位移臺21
• 2.1.4 安捷倫10706BV高穩(wěn)定性平面鏡干涉儀21-23
• 2.2 測控系統(tǒng)總體方案設計23-24
• 2.3 機械結構設計與分析24-29
• 2.3.1 總體結構設計24-25
• 2.3.2 雙層位移臺驅(qū)動結構設計25-26
• 2.3.3 懸掛式計量子系統(tǒng)結構設計26
• 2.3.4 可調(diào)節(jié)樣品臺設計26-27
• 2.3.5 側(cè)板承重位置受力形變仿真27-29
• 2.4 上位機軟件總流程設計29-31
• 2.5 本章小結31-32
• 第三章 激光干涉位移測量子系統(tǒng)設計32-41
• 3.1 激光外差干涉測量原理32-33
• 3.2 兩軸位移測量子系統(tǒng)光路布局設計33-34
• 3.3 軟件設計34-38
• 3.3.1 安捷倫N1231B測量板34-35
• 3.3.2 軟件程序設計35-38
• 3.4 子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證38-39
• 3.5 誤差分析39-40
• 3.6 本章小結40-41
• 第四章 位移臺運動控制子系統(tǒng)設計41-51
• 4.1 壓電陶瓷驅(qū)動納米位移臺控制方法研究41
• 4.2 運動控制子系統(tǒng)方案設計41-42
• 4.3 軟件設計42-46
• 4.3.1 LabVIEW8.5開發(fā)環(huán)境42-43
• 4.3.2 軟件設計流程43-44
• 4.3.3 基于LabVEIW的信號發(fā)生器模塊設計44-46
• 4.3.4 運動控制軟件設計46
• 4.4 運動控制子系統(tǒng)性能驗證46-49
• 4.4.1 納米位移臺運動性能驗證46-48
• 4.4.2 機械臺和納米臺的自有振動測量實驗48-49
• 4.4.3 納米位移臺X-Y兩軸間耦合振動測量實驗49
• 4.5 誤差分析49-50
• 4.6 本章小結50-51
• 第五章 圖像采集與處理子系統(tǒng)設計51-63
• 5.1 總體設計51-52
• 5.1.1 凌華DAQ-2010多功能數(shù)據(jù)采集卡51
• 5.1.2 子系統(tǒng)方案設計51-52
• 5.2 軟件設計52-61
• 5.2.1 軟件設計流程52-53
• 5.2.2 事件狀態(tài)機53-54
• 5.2.3 圖像采集模塊54-57
• 5.2.4 圖像處理模塊57-61
• 5.3 圖像處理系統(tǒng)性能驗證61-62
• 5.4 誤差分析62
• 5.5 本章小結62-63
• 第六章 實驗和結果63-72
• 6.1 測控系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)63-65
• 6.1.1 實驗裝置構建63
• 6.1.2 控制軟件界面實現(xiàn)63-65
• 6.2 測控系統(tǒng)不確定度分析65-66
• 6.3 1μm柵格標準樣品線寬測量實驗66-71
• 6.4 本章小結71-72
• 第七章 總結和展望72-75
• 7.1 論文總結72-73
• 7.2 論文展望73-75
• 參考文獻75-79
• 發(fā)表的學術論文79-80
• 致謝80

【參考文獻】

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本文編號：1031082