Тестовый образец для вертикальной и латеральной калибровки атомно-силового микроскопа

Область техники
Полезная модель относится к тестовому образцу, используемому в материаловедении для исследования поверхностной структуры кристаллов и пленок с помощью атомно-силового микроскопа в микро- и наноразмерах, а также определения реальной геометрической формы зонда электронного прибора.
Уровень техники
Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на силовом взаимодействии между зондом и поверхностью образца, расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых атомно-силовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1-10 нм, для получения информации о рельефе некоторой поверхности осуществляется процесс сканирования - относительного построчного перемещения нанометрового кантилевера зонда по поверхности образца. Сканирование образцов проводится по трем взаимно перпендикулярным осям X,Y,Z, с помощью пьезосканера.
Не идеальность пьезокерамики сканера микроскопа, а также конволюция геометрии рельефа образца и острия зонда, геометрия которого является индивидуальной особенностью каждого конкретного зонда, деградирующего по причине износа во времени, вносят значительные искажения в изображение рельефа.
Таким образом, для обеспечения достоверности результатов необходимы периодическая калибровка и проверка пьезосканера в диапазоне высот от 0,1 до 1000 нм и получение информации о реальной форме острия зонда.
Для калибровки работы микроскопа и определения рабочей формы зондов используются специальные тестовые структуры с известными параметрами рельефа поверхности.
Ближайшим по сущности техническим решением к предлагаемому является способ калибровки пьезосканера атомно-силового микроскопа, в котором в качестве эталонного образца используют ямки на поверхности кристаллической слюды, изготовленные путем ее облучения и последующего травления в концентрированной плавиковой кислоте [Nagahara L.A. etc, Mica etch pits as a height calibration source for atomic force microscopy, J.Vac. Sci. Techol., 1994. V.B. 12, 3, p. 1694-1697].
Техническим результатом является возможность калибровки, не только по высоте, но и в латеральном направлении (x, y, z). Кроме этого, наличие на одном образце рабочих элементов в широком диапазоне нано- и микроразмеров, позволяет определять значение поправочных коэффициентов для компенсации нелинейности пьезокерамики при исследовании, но и проводить восстановление реальной формы зонда атомно-силового микроскопа на разном расстоянии от конца острия, и тем самым повысить точность определения реальной геометрической формы зонда.
Сущность полезной модели
Тестовый образец для вертикальной и латеральной калибровки атомно-силового микроскопа, содержащий монокристаллическую подложку, на которой сформированы слои из коллоидных пленок, причем рабочий профиль каждого из слоев представляет собой массив регулярно повторяющихся, упорядоченных в кристаллическую структуру, монодисперсных сферических частиц, с образованием выступов полусферической формы и расположенных между ними впадин октаэдрической или тетраэдрической формы, перпендикулярных направлению подложки.
Сферическая форма образующих образец частиц обеспечивает простоту и единообразие расчетных моделей, используемых для деконволюции в вертикальном и латеральных направлениях в различных сечениях.
Кроме этого сферическая форма выступов делает образец независимым от направления сканирования. При любом взаиморасположении зонда и образца профиль будет пригоден для использования, поскольку форма выступов всегда формируется на основе круга.
2
Монодисперсные сферические частицы выполнены на основе SiOи имеют диаметр в диапазоне 20-1000 нм, с отклонением не более 5%.
Тестовый образец имеет широкий вариатив размеров рабочих элементов. Высота выступов полусферической формы составляет от 50 нм до 7,4 мкм, а глубина впадин октаэдрической или тетраэдрической формы составляет от 21,65 нм до 433 нм по основанию и от 24,98 нм до 499,98 нм по высоте.
a
a
Количество слоев составляет от 1-го до 10-и, а перепады высоты ступеней (h1, h2, h3) определяются соотношением h=n, где n - натуральное число, а  - расстояние между плоскостями кристалла подложки, равное  , где d -диаметр полусферы.
Благодаря тому, что ступени на поверхности тестового образца разной высоты, но известно, что кратной высоте монослоя, а также известной геометрической формы, можно проводить восстановление реальной формы острия зонда АСМ на разном расстоянии от конца острия, тем самым повысить точность определения реальной геометрической формы зонда.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное изображение тестового образца с различным количеством слоев (с1, с2, с3) и различными диаметрами (d1, d2, d3) микросфер.
Фиг.2 - схематичное изображение зонда атомно-силового микроскопа с возможностью калибровки в нескольких (x, y, z) направлениях с использованием предлагаемого тестового образца.
Фиг.3 - смоделированная форма острия зонда атомно-силового микроскопа на разном расстоянии от конца острия с использованием предлагаемого тестового образца.
Пример осуществления полезной модели
Процесс калибровки с использованием предлагаемого тестового образца, cогласно предлагаемой полезной модели, выполняется следующим образом.
Сканируют зондом ступенчатую поверхность (Фиг.2) предлагаемого тестового образца в нескольких (x, y, z) направлениях. Для определения формы острия зонда необходимо провести сканирование в различных направлениях в масштабе, выбранном таким образом, чтобы в поле сканирования присутствовали выступы различного диаметра.
Вычисляют однозначно определенные размеры рабочих элементов тестового образца по всем направлениям (x, y, z), а не только по высоте.
За счет наличия на одном тестовом образце рабочих элементов нано- и микроразмеров, при математической обработке вводятся поправочные коэффициенты, для компенсации нелинейности пьезокерамики при исследовании.
Проводят математическую обработку результатов измерений, с помощью известных расчетно-графических моделей, учитывающих конволюцию острия зонда и образца, проводят восстановление и моделирование (Фиг.3) реальной формы зонда АСМ на разном расстоянии от конца острия по всем направлениям (x, y, z), а не только по высоте, тем самым повышая точность определения реальной геометрической формы зонда атомно-силового микроскопа.