Park Systems 原子力顯微鏡 NX-10

NX10 AFM——確的表面分析工具

ParkSystems 起源于原子力顯微鏡的誕生地，美國斯坦福大學(xué)。公司創(chuàng)始人Sang-ilPark 博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系，參與其導(dǎo)師C.F.Quate 教授發(fā)明原子力顯微鏡的過程。畢業(yè)后，他于1989 年在硅谷創(chuàng)辦了一家原子力顯微鏡公司ParkScientificInstruments。二十余年來對技術(shù)的專研與堅持，成就AFM 業(yè)界歷史悠久的ParkSystems 公司。

Park 原子力顯微鏡專心于AFM最基本的性能要求——精確成像，依靠的三大技術(shù)優(yōu)勢，使其產(chǎn)品在形貌表征上擁有了的精確度。 

項技術(shù)是采用三軸分離的掃描器，消除掃描器的交叉耦合，具有業(yè)界的平整度和線性度，消除了掃描器背景彎曲現(xiàn)象。 

傳統(tǒng)的原子力顯微鏡采用壓電掃描管進(jìn)行x-y-z 三軸的掃描，水平掃描實際是通過壓電掃描管的彎曲來實現(xiàn)的。這種彎曲運動會帶來彎曲畸變的測量結(jié)果。也就是說，采用管式掃描器進(jìn)行掃描時，水平彎曲和垂直伸縮是耦合在一起的，這就產(chǎn)生了交叉耦合現(xiàn)象。 

對于傳統(tǒng)的原子力顯微鏡而言，這種測量誤差需要通過軟件矯正去除。由于這種彎曲畸變是高階非線性的，并且與掃描大小、掃描速度和掃描位置息息相關(guān)。事實上，我們無法通過軟件矯正獲取真正平直的、準(zhǔn)確的測量結(jié)果。 

ParkSystems 開發(fā)出的CrosstalkElimination 技術(shù)，也就是水平掃描器和垂直掃描器相分離的技術(shù)。兩組獨立的柔性掃描器分別移動樣品和探針。水平掃描器用于移動樣品，垂直掃描器用于控制探針上下運動。該技術(shù)能夠進(jìn)行真正平直的掃描，而且所得結(jié)果不受掃描大小、掃描速度和掃描位置的影響。

這一點在測量平滑的玻璃樣品時能夠得到特別好的體現(xiàn)，原始結(jié)果沒有一點兒背景彎曲現(xiàn)象。在整個80 微米見方的圖像中，平面偏移度小于1nm，這是業(yè)界的技術(shù)。事實上，不論在這塊平滑玻璃表面的任何位置進(jìn)行任何大小的掃描，所得結(jié)果的平面偏移度都是極小的。



第二項技術(shù)是真正的非接觸掃描模式。Park Systems 開發(fā)出了大氣環(huán)境下成熟的非接觸模式。

因為三軸分離的結(jié)構(gòu)將垂直掃描器獨立出來，它只負(fù)責(zé)垂直方向上探針的移動，這使得在該軸向上的同步反饋頻率極大增強。相比于壓電陶瓷管垂直方向的反饋頻率只有區(qū)區(qū)幾百Hz 而言，NX10 的垂直掃描器具有高達(dá)9kHz 的同步反饋頻率。如果垂直響應(yīng)速度不夠快，探針會不時接觸到樣品表面，甚至被黏在樣品表面而無法進(jìn)行振動。一個解決方法是提高探針和樣品的距離，但是，這種方法會極大地降低橫向分辨率。為了克服這種困難，工程師們研發(fā)了敲擊模式，使探針大幅振動，不斷地敲擊樣品表面。這種敲擊的力比通常的接觸力大很多，因而很容易把探針針尖敲鈍，極大地降低了探針壽命?；趬弘娞沾晒軖呙杵髟诖怪狈较蝽憫?yīng)較慢的缺點，大多數(shù)原子力顯微鏡制造商在大氣環(huán)境下都選擇在電磁斥力區(qū)采用敲擊模式工作。

NX10 系統(tǒng)采用了線性垂直強力掃描器，該掃描器由壓電陶瓷堆構(gòu)成。這種掃描器的帶寬超過了9kHz，用于垂直探針控制時，伺服響應(yīng)速度超過了62 毫米每秒。這種高速響應(yīng)能力，可以保證精確的探針控制能力。因此NX10 可以在高速掃描時穩(wěn)定的保持探針與樣品間的距離，這使得真正的非接觸掃描技術(shù)得以實現(xiàn)。采用這種技術(shù)進(jìn)行掃描，限度的避免了對樣品的破壞，同時也極大地減小對探針的磨損。對樣品的良好保護(hù)使NX10 對樣品的適用性大大增強，楊氏模量硬度低至幾十千帕的柔軟樣品依然可以清晰成像。對針尖的良好保護(hù)一方面避免了因針尖磨損變鈍導(dǎo)致的掃描結(jié)果的誤差，另一方面也大大延長了探針壽命，降低了NX10 的使用費用。對于深溝槽樣品也可以輕松成像而不必?fù)?dān)心撞斷探針。

第三項技術(shù)是真正的樣品表面形貌的表征。NX10 采用了業(yè)界的低噪聲閉環(huán)檢測器用于樣品形貌采集，消除了采用驅(qū)動電壓帶來的遲滯和蠕變誤差。 

NX10 采用的低噪聲位移檢測器，能實時檢測垂直掃描器的伸縮情況。以往都是通過壓電掃描器的驅(qū)動電壓獲取樣品表面形貌數(shù)據(jù)，由于壓電掃描器存在蠕變，特別是在高度變化劇烈的區(qū)域會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

消除誤差的辦法就是采用獨立的位移檢測器直接測量形貌。這就對位移檢測器的噪聲水平有了更高的要求，越低越好，至少要達(dá)到0.5 埃。

垂直位移檢測器是NX10 型原子力顯微鏡的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢，這是ParkSystems 投入多年心血開發(fā)的新型應(yīng)變傳感器。噪聲水平已經(jīng)降低到了0.2埃，為業(yè)界水平。這種檢測器的測量信號已經(jīng)可以取代壓電陶瓷驅(qū)動電壓，直接用于形貌數(shù)據(jù)的測量。

采用低噪聲位移傳感器獲取形貌信號的優(yōu)勢是顯而易見的，尤其對于多片薄層樣品，可以準(zhǔn)確的得到每層的高差。

同時，為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的精確，NX10 還對熱漂移進(jìn)行嚴(yán)格控制。一方面通過使用多種材料復(fù)合構(gòu)建設(shè)備，避免熱應(yīng)力形變對系統(tǒng)的干擾；另一方面，對艙室環(huán)境進(jìn)行主動溫度控制，使溫度變化小于0.05°C/hr。

作為原子力顯微鏡的企業(yè)，ParkSystems 致力于為客戶提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果，納米計量的時代前沿。我們的創(chuàng)新技術(shù)能夠幫助客戶使用原子力顯微鏡解決各種納米尺度研究和工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。ParkSystems 一直專注于原子力顯微鏡技術(shù)，致力于為客戶提供長期可靠的技術(shù)服務(wù)，幫助客戶在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界實現(xiàn)各種應(yīng)用。