本文關(guān)鍵詞：工業(yè)型SPM的電控系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】：掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope,SPM)自發(fā)明以來,在生物、化學(xué)、物理和材料等諸多領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用。SPM家族中的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)因其無損檢測和高分辨率成像能力,在半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension,CD)檢測上表現(xiàn)出巨大潛力,但傳統(tǒng)AFM成像速度慢限制了其工業(yè)應(yīng)用。另一方面,隨著集成電路的工藝節(jié)點越來越小,半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,對檢測設(shè)備的三維成像能力提出了迫切的需求。本項目針對工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的特點,研發(fā)出一種具有快速掃描、三維掃描、快速無損進針和自動換針等特性的適于工業(yè)檢測的SPM系統(tǒng)。本論文主要完成了工業(yè)型掃描探針顯微測試系統(tǒng)的電控系統(tǒng)的下位機硬件與軟件的設(shè)計,并對AFM實現(xiàn)側(cè)壁形貌掃描的方法作了初步的實驗,論文的主要內(nèi)容包括:1、介紹了掃描探針顯微鏡的發(fā)展概況和AFM的工作原理,其中重點介紹了用于半導(dǎo)體行業(yè)的CD-AFM的發(fā)展概況。2、介紹了工業(yè)SPM系統(tǒng)的總體設(shè)計,包括整機結(jié)構(gòu)設(shè)計、光路系統(tǒng)設(shè)計、探針夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計和電控系統(tǒng)整體框架與功能。3、實現(xiàn)了電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計,包括FPGA最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信模塊、QPD信號處理電路、電機控制模塊、探針夾持器驅(qū)動和模擬鎖相放大電路。4、實現(xiàn)了各部分硬件對應(yīng)的下位機軟件設(shè)計,包括嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)、電機控制軟件和DDS控制軟件的實現(xiàn)。5、進行了樣品側(cè)壁掃描的相關(guān)實驗,包括橫向靈敏度標(biāo)定和扭轉(zhuǎn)諧振實驗,并在此基礎(chǔ)上對側(cè)壁進行了單線掃描。
【關(guān)鍵詞】：工業(yè)SPM FPGA 嵌入式以太網(wǎng) 側(cè)壁掃描
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 掃描探針顯微鏡的發(fā)展概況10-13
• 1.1.1 掃描探針顯微鏡的發(fā)展10
• 1.1.2 AFM的工作原理10-11
• 1.1.3 AFM的工作模式11-13
• 1.2 CD-AFM的發(fā)展概況13-15
• 1.3 課題研究意義與主要研究內(nèi)容15-18
• 第二章 工業(yè)SPM整體設(shè)計18-24
• 2.1 工業(yè)SPM結(jié)構(gòu)18-19
• 2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計19
• 2.3 探針夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計19-20
• 2.4 電控系統(tǒng)的整體框架與功能20-23
• 2.4.1 以太網(wǎng)通信21
• 2.4.2 定位系統(tǒng)21-22
• 2.4.3 探針夾持器驅(qū)動電路22
• 2.4.4 QPD信號運算電路22-23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 第三章 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計24-47
• 3.1 FPGA最小系統(tǒng)電路24-28
• 3.1.1 FPGA芯片24-25
• 3.1.2 SDRAM存儲模塊25-26
• 3.1.3 電源模塊26-28
• 3.2 以太網(wǎng)通信模塊28-31
• 3.2.1 基于DM9000A的硬件電路28
• 3.2.2 基于ENC28J60的硬件電路28-29
• 3.2.3 NIOS Ⅱ軟核29-31
• 3.3 QPD輸出信號運算模塊31-33
• 3.4 電機控制模塊33-37
• 3.4.1 硬件電路33-35
• 3.4.2 FPGA內(nèi)的控制模塊35-37
• 3.5 探針夾持器驅(qū)動及鎖相放大模塊37-46
• 3.5.1 直接數(shù)字式頻率合成器37-38
• 3.5.2 模擬鎖相放大38-39
• 3.5.3 硬件電路39-42
• 3.5.4 FPGA內(nèi)的控制模塊42-45
• 3.5.5 NIOS Ⅱ接口模塊45-46
• 3.6 本章小結(jié)46-47
• 第四章 電控系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計47-62
• 4.1 TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)47-49
• 4.1.1 TCP/IP協(xié)議族47-48
• 4.1.2 uClinux方式實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧48
• 4.1.3 無操作系統(tǒng)方式實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧48-49
• 4.2 基于uClinux的軟件設(shè)計49-54
• 4.2.1 uClinux操作系統(tǒng)移植49-50
• 4.2.2 uClinux驅(qū)動程序的編寫50-52
• 4.2.3 uClinux應(yīng)用程序的編寫52-54
• 4.3 無操作系統(tǒng)下的軟件設(shè)計54-61
• 4.3.1 Ethernet協(xié)議實現(xiàn)55-56
• 4.3.2 ARP、ICMP和IP協(xié)議實現(xiàn)56-58
• 4.3.3 TCP協(xié)議實現(xiàn)58-59
• 4.3.4 電機控制程序設(shè)計59-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 第五章 扭轉(zhuǎn)諧振實驗62-72
• 5.1 探針驅(qū)動電路性能測試62-67
• 5.1.1 上位機控制程序62-63
• 5.1.2 下位機程序63-65
• 5.1.3 DDS電路輸出測試65-66
• 5.1.4 模擬鎖相放大電路測試66-67
• 5.2 系統(tǒng)橫向靈敏度標(biāo)定實驗67-68
• 5.3 扭轉(zhuǎn)諧振實驗68-72
• 第六章 總結(jié)與展望72-73
• 6.1 工作總結(jié)72
• 6.2 工作展望72-73
• 參考文獻73-77
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明77-78
• 致謝78-80

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本文編號：712990