本文關(guān)鍵詞：計(jì)量型掃描電鏡的測量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

  更多相關(guān)文章： 計(jì)量型SEM 納米位移臺(tái) 激光外差干涉 圖像處理 誤差分析

【摘要】：納米測量是在納米水平上對(duì)物質(zhì)的尺度和形狀、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)進(jìn)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(diǎn)已逐漸成為100nm以下微納幾何結(jié)構(gòu)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(zhǔn)且有較大測量誤差的問題,嚴(yán)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(xiàng)目“計(jì)量型掃描電鏡與雙探針掃描探針顯微鏡標(biāo)準(zhǔn)測量裝置的建立”(NO.2011BAK15B02),就計(jì)量型掃描電鏡標(biāo)準(zhǔn)測量裝置中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究,旨在建立一套完整的計(jì)量型掃描電鏡裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微納幾何結(jié)構(gòu)的精確測量和SEM的量值溯源,給出了計(jì)量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。論文綜合分析了納米測量技術(shù)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(jì)量型SEM的測量原理與國內(nèi)外研究進(jìn)展,分析了計(jì)量型掃描電鏡的組成結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo),設(shè)計(jì)了具有納米位移臺(tái)掃描成像和激光干涉儀溯源量值的計(jì)量型掃描電鏡的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),利用外差激光干涉法和電子細(xì)分法設(shè)計(jì)了兩軸位移測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu),分析了壓電陶瓷納米位移臺(tái)的控制方法,提出了一種兩層驅(qū)動(dòng)、多信號(hào)組合控制的位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析了高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法,利用NI-VISIO機(jī)器視覺工具包設(shè)計(jì)了計(jì)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(jī)軟件。為了驗(yàn)證本論文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置以及整體的計(jì)量型掃描電鏡的標(biāo)準(zhǔn)測量實(shí)驗(yàn)裝置,分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：(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(shí)驗(yàn),當(dāng)納米位移臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的最大測量分辨力與靜態(tài)測量穩(wěn)定性,當(dāng)納米位移臺(tái)以5nm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)態(tài)測量穩(wěn)定性優(yōu)于2nm。(2)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證及振動(dòng)誤差測量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,納米位移臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求且穩(wěn)定性高,振動(dòng)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(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明濾波效果明顯。(4)計(jì)量型掃描電鏡的整機(jī)穩(wěn)定性與測量結(jié)果準(zhǔn)確度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),通過對(duì)1μm二維柵格樣品進(jìn)行掃描成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)中各子系統(tǒng)間的同步控制技術(shù)的同步性與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,結(jié)果表明整機(jī)的同步性良好且圖像采集可重復(fù)性高,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。通過對(duì)最終采集并濾波后的圖像進(jìn)行線寬尺寸測量驗(yàn)證整機(jī)的測量準(zhǔn)確性能,結(jié)果表明本論文所設(shè)計(jì)的計(jì)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(guān)鍵詞】：計(jì)量型SEM 納米位移臺(tái) 激光外差干涉 圖像處理 誤差分析
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(jì)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(jié)構(gòu)17-19
• 第二章 計(jì)量型掃描電鏡測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與分析19-32
• 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)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(tái)20-21
• 2.1.3 IEE-50電機(jī)位移臺(tái)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(shè)計(jì)23-24
• 2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析24-29
• 2.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24-25
• 2.3.2 雙層位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25-26
• 2.3.3 懸掛式計(jì)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26
• 2.3.4 可調(diào)節(jié)樣品臺(tái)設(shè)計(jì)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(jī)軟件總流程設(shè)計(jì)29-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 第三章 激光干涉位移測量子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)33-34
• 3.3 軟件設(shè)計(jì)34-38
• 3.3.1 安捷倫N1231B測量板34-35
• 3.3.2 軟件程序設(shè)計(jì)35-38
• 3.4 子系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證38-39
• 3.5 誤差分析39-40
• 3.6 本章小結(jié)40-41
• 第四章 位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)41-51
• 4.1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)納米位移臺(tái)控制方法研究41
• 4.2 運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)41-42
• 4.3 軟件設(shè)計(jì)42-46
• 4.3.1 LabVIEW8.5開發(fā)環(huán)境42-43
• 4.3.2 軟件設(shè)計(jì)流程43-44
• 4.3.3 基于LabVEIW的信號(hào)發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)44-46
• 4.3.4 運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)46
• 4.4 運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)性能驗(yàn)證46-49
• 4.4.1 納米位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能驗(yàn)證46-48
• 4.4.2 機(jī)械臺(tái)和納米臺(tái)的自有振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)48-49
• 4.4.3 納米位移臺(tái)X-Y兩軸間耦合振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)49
• 4.5 誤差分析49-50
• 4.6 本章小結(jié)50-51
• 第五章 圖像采集與處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)51-63
• 5.1 總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)51-52
• 5.2 軟件設(shè)計(jì)52-61
• 5.2.1 軟件設(shè)計(jì)流程52-53
• 5.2.2 事件狀態(tài)機(jī)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(yàn)證61-62
• 5.4 誤差分析62
• 5.5 本章小結(jié)62-63
• 第六章 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果63-72
• 6.1 測控系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)63-65
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建63
• 6.1.2 控制軟件界面實(shí)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(biāo)準(zhǔn)樣品線寬測量實(shí)驗(yàn)66-71
• 6.4 本章小結(jié)71-72
• 第七章 總結(jié)和展望72-75
• 7.1 論文總結(jié)72-73
• 7.2 論文展望73-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文79-80
• 致謝80

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1031082