用于提高信噪比的扫描探针系统测量方法与扫描探针系统与流程

本发明涉及探针测量，具体涉及一种用于提高信噪比的扫描探针系统测量方法与扫描探针系统。

背景技术：

1、扫描探针的工作模式以原子力显微测量模式为主，其他工作模式例如扫描探针导电显微镜、扫描探针磁力显微镜、扫描隧道电子显微镜，扫描探针开尔文显微镜、扫描探针光刻以及扫描探针单离子注入等。

2、扫描探针所有工作模式中的原子力显微镜的测量模式，可分为两种，即：

3、探针工作模式1(恒高模式)：保持探针在恒定高度对被测样品表面进行扫描测量，由于样品表面存在高低起伏的情况，探针感受到样品表面的范德瓦尔斯力的吸引力是不一样的；探针距离样品表面越近，范德瓦尔斯力的吸引力就越大；反之，探针距离样品表面越远，则范德瓦尔斯力的吸引力越小。通过范德瓦尔斯力的吸引力同探针距离样品表面距离的关系，即可计算出探针到样品表面距离的扫描图，即样品表面的三维形貌图。

4、探针工作模式2(恒力模式)：保持探针到样品表面的范德瓦尔斯吸引力不变，即随着探针移动扫描到下一个测量点，由于样品表面存在高低起伏的情况，该测量点离探针的高度距离不一样导致探针感受到样品表面的范德瓦尔斯吸引力不一样，于是就通过升高或者降低探针距离样品表面的距离来实现同前面一个测量点相同的范德瓦尔斯力。这时，探针在离表面高度方向上的移动量即是样品表面两个测量点间的高度低，通过对样品表面的二维扫描所得到的高度差，便能够形成三维形貌图。

5、由于扫描探针显微镜的测量模式是通过一个一个测量点的测量形成扫描线或者扫描面，其速度取决于每一个扫描点的测量时间。一般情况下这些测量点所需的测量时间或者取样时间在毫秒级甚至亚毫秒级。测量速度的提高会导致同一个总体测量时间内每一个测量点测量次数的提高，从而导致该测量点的信噪比提高。

6、介于扫描探针显微镜所测的理想精度在纳米级，亚纳米级甚至皮米级，在这个动态范围内，扫描探针显微镜所处的环境带来的噪音成为一个始终难以克服的巨大问题和挑战。即便被测样品放置在被动式减震基台，加上主动式减震器，再加上隔音罩，一般情况下还是难以解决高精度测量中的噪音问题。至今为止都没有更合适的装置和方法来大幅降低环境振动和噪音。并且现有的这些降低振动、降低噪音的装置，已经大大增加了系统成本和复杂程度，尤其是阻碍了扫描探针显微镜在工业环境和高速测量领域的广泛应用。

7、如何能够在同样减震措施和隔音措施的情况下，实现比现有扫描探针显微镜更高的扫描探针显微镜测量信号的信噪比，这是目前探针显微镜的问题，更是扫描探针显微镜能否更广泛应用的关键。

8、同样地，在同样的信噪比情况下，降低对减震和隔音设施上的要求，会极大地方便用户在更简单的环境中实现扫描探针显微镜的测量和其他工作模式。基于上述技术问题，发明人提出了本专利申请的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种用于提高信噪比的扫描探针系统测量方法与扫描探针系统，大幅提升了探针测量信号的信噪比，有助于探针进行原子力显微测量信噪比的提高，并且提高了探针在电子场发射形成探针光刻的稳定性和重复性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于提高信噪比的扫描探针系统的测量方法，扫描探针系统包括：第一类探针与第二类探针，所述第一类探针包括若干个测量探针，所述第二类探针包括若干个参照探针，所述参照探针测量参照表面的横向分辨率低于预设分辨率值；所述方法包括：控制所述若干个测量探针中的至少一个目标测量探针与所述若干个测量探针中的至少一个目标参照探针进行测量，其中所述目标测量探针对目标表面进行扫描测量，所述目标参照探针对所述参照表面进行测量，所述目标测量探针与所述目标参照探针之间的测量时间差小于预设的时间差阈值；获取各所述目标测量探针测量得到的所述目标表面的表面探测信号，并获取各所述目标参照探针测量所述参照表面时受环境影响形成的噪音信号为主的参照测量信号；对于每个所述目标测量探针，利用所述目标参照探针的参照测量信号，对所述目标测量探针的表面探测信号进行修正。

3、本发明还提供了一种扫描探针系统，包括：第一类探针、第二类探针、承载驱动装置、主控装置以及多个纵向控制器，所述第一类探针包括若干个测量探针，所述第二类探针包括若干个参照探针，所述测量探针与所述参照探针均固定在所述承载驱动装置上，所述承载驱动装置与所述主控装置通信连接，所述测量探针与所述纵向控制器一一对应且通信连接，各所述纵向控制器与所述主控装置通信连接；所述参照探针测量参照表面的横向分辨率低于预设分辨率值；所述承载驱动装置(至少一个)用于分别或者一同带动所述测量探针与所述参照探针进行运动；所述主控装置用于控制所述若干个测量探针中的至少一个目标测量探针与所述若干个测量探针中的至少一个目标参照探针同时进行测量；所述目标测量探针用于对目标表面进行扫描测量；所述目标参照探针用于对参照表面进行测量；所述主控装置还用于获取各所述目标测量探针测量得到的所述目标表面的表面探测信号，并获取各所述目标参照探针测量所述参照表面时受环境影响形成的噪音信号为主的参照测量信号；所述主控装置还用于对于每个所述目标测量探针，利用所述目标参照探针的参照测量信号，对所述目标测量探针的表面探测信号进行修正；所述纵向控制器用于控制通信连接的所述测量探针在垂直所述目标表面的方向上运动。

4、本发明实施例中，在目标测量探针进行测量时，控制一个目标参照探针与目标测量探针同时进行测量，而目标参照探针测量参照表面的横向分辨率必须低于预设分辨率值，尤其是低于目标测量探针的横向分辨率，使得目标参照探针对参照表面的起伏应该不敏感，这样目标参照探针输出的参照测量信号基本对参照探针下面被测表面的三维形貌不敏感，而是目标参照探针受环境影响形成的噪音信号敏感的信号。由于目标参照探针与目标测量探针是同时进行测量的，因此目标参照探针输出的参照测量信号也能够反映出目标测量探针测量得到表面探测信号中所包含的噪音，继而可以利用目标参照探针的参照测量信号去除各所述目标测量探针的表面探测信号包含的噪音信号，减少了目标测量探针的表面探测信号中所包含的噪音信号，提升了目标测量探针的表面探测信号的信噪比。由此，能够在对表面探测信号同样信噪比要求的情况下，就可以在设备上减少扫描探针系统对环境中振动和隔音等噪音干扰的要求，有助于探针系统成本的降低。

5、在一个实施例中，对于每个所述目标测量探针，利用所述目标参照探针的参照测量信号，对所述目标测量探针的表面探测信号进行修正，包括：计算所述目标参照探针的参照测量信号与预设加权系数的乘积；对于每个所述目标测量探针，以所述目标测量探针的表面探测信号减去所述乘积得到的差值作为所述目标测量探针修正后的测量结果。由此，能够把目标测量探针测得的信号中的噪音部分去除。

6、在一个实施例中，所述预设加权系数的设定方式为：控制所述测量探针与所述参照探针均进行非扫描测量；基于所述测量探针测量得到的第一测量信号与所述参照探针测量得到的第二测量信号进行线性关系拟合，设定所述预设加权系数为描述该线性关系的系数，以至于所述第一测量信号和乘以所述预设加权系数的所述第二测量信号相等。

7、在一个实施例中，对于每个所述目标测量探针，利用所述目标参照探针的参照测量信号，对所述目标测量探针的表面探测信号进行修正，包括：计算所述目标参照探针的参照测量信号与预设加权系数的乘积；对于每个所述目标测量探针，基于所述目标参照探针的参照测量信号与预设加权系数相乘所得的值来调整所述目标测量探针与所述目标表面之间的距离，并重新获取所述目标测量探针的表面探测信号作为修正后的所述目标测量探针的表面探测信号。

8、在一个实施例中，所述参照探针的针尖尖端与所述参照表面之间的距离大于第一预设距离值。

9、在一个实施例中，所述第一预设距离值为所述目标测量探针到目标表面的距离。

10、在一个实施例中，所述参照探针的针尖尖端的曲率半径大于预设曲率半径，以使所述参照探针测量的所述参照表面的横向分辨率低于所述预设分辨率值。

11、在一个实施例中，所述预设分辨率值为所述测量探针的横向分辨率。

12、在一个实施例中，预设曲率半径为所述目标测量探针尖端的曲率半径。

13、在一个实施例中，所述参照探针的针尖尖端的形状为以下任意形状之一：立体球形、平面方形、平面圆形以及平面椭圆形。

14、在一个实施例中，所述目标探针的针尖尖端曲率半径位于1纳米至50纳米之间，所述参照探针的针尖尖端的曲率半径至少为目标探针针尖尖端曲率半径的5倍以上，所述参照探针的针尖尖端曲率至少位于5纳米至250纳米之间。

15、在一个实施例中，所述第一类探针与所述第二类探针分别位于相同探针基台上或者位于不同的探针基台上。

16、在一个实施例中，所述第一类探针中的所述测量探针用于对目标表面进行空间扫描测量或者在每一个扫描位置进行操作，所述第二类探针中的所述参照探针禁止对参照表面进行空间扫描测量，且所述参照探针每次测量所述参照表面的同一个位置。

17、在一个实施例中，所述第二类探针中的所述参照探针的针尖尖端曲率半径大于，等同于或者小于所述第一类探针中的所述测量探针的针尖尖端曲率半径，所述第二类探针的所述参照探针到所述参照表面的距离大于，等同于或者小于所述第一类探针中的所述测量探针到所述目标表面的距离。

18、在一个实施例中，所述第一类探针与所述第二类探针之间的距离大于第二预设距离值。

19、在一个实施例中，所述第一类探针与所述第二类探针具有不同的振动频率，所述第一类探针与所述第二类探针位于同一个探针基台上。

20、在一个实施例中，所述第一类探针与所述第二类探针为主动式探针、被动式探针或音叉式探针。

21、在一个实施例中，所述测量探针的工作模式包括以下任意之一或任意组合：原子力显微镜工作模式、扫描探针导电工作模式、扫描隧道电子显微镜、扫描探针磁力显微镜工作模式、扫描探针开尔文显微工作模式、扫描探针光刻工作模式、以及扫描探针单离子注入工作模式。

22、在一个实施例中，所述控制所述若干个测量探针中的至少一个目标测量探针与所述若干个测量探针中的至少一个目标参照探针进行测量，包括：基于预设的测量探针与参照探针的对应关系，控制所述若干个测量探针中的至少一个目标测量探针以及所述若干个测量探针中与所述目标测量探针对应的至少一个目标参照探针进行测量。