表面化學(xué)分析 原子力顯微術(shù) 用于納米結(jié)構(gòu)測(cè)量的原子力顯微鏡探針柄輪廓原位表征程序 征求意見稿

5表面化學(xué)分析原子力顯微術(shù)用于納米結(jié)構(gòu)測(cè)量的原子力顯微鏡探針柄輪廓原位表征方法本文件規(guī)定了用于表征AFM探針形狀，特別是柄和近尖端輪廓的兩種方法。這些方法通過(guò)將AFM方法可以給出探針用于狹窄溝槽和類似輪廓結(jié)構(gòu)的深度測(cè)量時(shí)的有效性。本文件適用于半徑大于5u0的探針，其中u0是用于表征探針的參考樣品脊形結(jié)構(gòu)寬度的不確定度。ISO18115-2:2013表面化學(xué)分析詞匯第2部分掃描探針顯微術(shù)術(shù)—Vocabulary—Part2：Termsused（Nanotechnologies—Vocabulary—Part4:Nanostr注：為方便起見，在此轉(zhuǎn)述部分術(shù)語(yǔ)和定義。探針某一位置處的輪廓長(zhǎng)度與該位置處的輪廓寬度的比在接觸模式下，將AFM懸臂光學(xué)位移檢測(cè)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)換為探針尖位移的比給定探針的探針輪廓寬度和探針輪廓長(zhǎng)度之間的關(guān)系，反映了真實(shí)探針形狀的影響，所用AFM模式中反饋控制方法以及其它AFM成像方法投影到指定6AFM間歇接觸模式，以遠(yuǎn)低探針共振頻率的頻率，使用設(shè)定的最大力進(jìn)行測(cè)量或成像。探針最末端的結(jié)構(gòu)，其尖端感測(cè)樣品的表面[4]。測(cè)量獲得的從探針尖端沿系統(tǒng)z（垂直）軸到達(dá)探針軸指定74符號(hào)和縮略語(yǔ)AFM原子力顯微術(shù)（atomicforcemicroscoAM振幅調(diào)制（amplitudemodulatEPSC有效探針形狀特征（effectiveprobeshapecharacterisCRM認(rèn)證參考物質(zhì)（certifiedreferencPID比例積分微分（控制器proportionalintegralderivative(controller)）PSC探針形狀特征（probeshapecharacterPPP投影探針輪廓（projectedprobeproTEM透射電子顯微術(shù)（transmissionelectronmicrosA0探針接近樣品前的懸臂自由振動(dòng)振幅Asp用于AFM成像的懸臂振幅a探針D0獨(dú)立脊結(jié)構(gòu)側(cè)壁和相鄰壁之間的距離Dj第j溝槽結(jié)構(gòu)兩個(gè)側(cè)壁之間的直線距離em最大誤差信號(hào)，以納米為單位，在記錄探針形狀數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)量獲得f幀數(shù)H0脊結(jié)構(gòu)任一側(cè)的溝槽平均深度Hj第j溝槽結(jié)構(gòu)的深度j第j溝槽測(cè)量的索引數(shù)l探針輪廓長(zhǎng)度lj第j溝槽的最大測(cè)量深度L0脊結(jié)構(gòu)寬度m探針輪廓長(zhǎng)度第m次測(cè)量的索n探針輪廓長(zhǎng)度第n次測(cè)量的索引數(shù)pm第m次測(cè)量得的探針輪廓長(zhǎng)度pn第n次測(cè)量得的探針輪廓長(zhǎng)度qPSC和EPSC數(shù)據(jù)之間的探針輪廓長(zhǎng)r參考樣品圓角rt溝槽結(jié)構(gòu)的最大圓角半徑sPSC曲線的最大斜率sEu探針輪廓長(zhǎng)度測(cè)量的合成u0脊結(jié)構(gòu)寬度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度us通過(guò)探針輪廓長(zhǎng)度測(cè)量獲得的隨機(jī)分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度8ut多溝槽結(jié)構(gòu)的間隙寬度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度wAFM探針在x-z平面的投影輪廓w'脊結(jié)構(gòu)的表觀寬度wj第j次測(cè)量獲得的AFM探針的測(cè)量寬度△L由于存在rr非零值而導(dǎo)致的l誤差5.1確定AFM探針形狀的方法a)窄脊法來(lái)確定探針投影輪廓（PPP）和探針形狀特征（PSC）;可使用上述方法中的一種或兩種來(lái)確定探針形貌輪廓的參數(shù)。表1中給出了每種方法的適用場(chǎng)景。通過(guò)窄脊法測(cè)量參考樣品獲得AFM探針尖的近似輪廓（即去除探針尖端而獲得的輪廓）。所得輪廓以在指定平面上的PPP的形式給出。PSC表示為從PPP獲得的探針輪廓寬度和長(zhǎng)度之間的關(guān)系。EPSC是使結(jié)果在一定程度上存在差異，這取決于測(cè)量條件，例如濕度和AFM成像時(shí)控制探針?biāo)褂玫膮?shù)?？葾FM圖像中突起結(jié)有效探針形狀特性本文件需要具有脊結(jié)構(gòu)、合適的溝槽結(jié)構(gòu)或兩類結(jié)構(gòu)兼而有之的參考樣品，詳見附錄B。附錄C中較大，則探針尖端的不確定區(qū)域會(huì)增加。如圖2a)和2b)所或平行于AFM掃描器的快光柵軸掃描方向。具體而言，如圖2a)所示，如果探針形狀通過(guò)懸臂的縱向投影到平面上，參考樣品中的圖案線和懸臂的縱向應(yīng)相互垂直對(duì)齊，圖2b)補(bǔ)充說(shuō)明了的表征投影到垂直9則如圖2c)所示，將參考樣品中的圖案線和該指定方向垂直對(duì)準(zhǔn)。樣品參考結(jié)構(gòu)應(yīng)剛性地固定在樣品架上，并且參考樣品結(jié)構(gòu)方向相對(duì)垂直于掃描器的快光柵軸掃描方向，且誤差應(yīng)小于1°。當(dāng)環(huán)境濕度變應(yīng)對(duì)AFM的x，y和z軸進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其正交性和長(zhǎng)度測(cè)量精度達(dá)到用戶要求[2]。應(yīng)謹(jǐn)慎考慮精描系統(tǒng)，應(yīng)考慮位置噪聲/側(cè)向噪聲比，以確定所需的分辨率。像素大小選擇應(yīng)與期望的小于1nm分辨之間的差異可能仍然會(huì)存在。在AM模式下，通過(guò)增加自由振幅、減進(jìn)行，可將PSC和EPSC之間的差異降至最低。然而，當(dāng)使用高振幅和高設(shè)定點(diǎn)時(shí)，針尖磨損會(huì)增加。和EPSC兩者之間的差別減小，應(yīng)調(diào)整自由振幅和設(shè)定點(diǎn)以獲得溝槽的最大表觀深度。另一種用來(lái)減少PSC和EPSC之間的差別的方法是使用由懸臂偏轉(zhuǎn)控制的操作模式，例如接觸模式或峰值力模式。如果小PSC和EPSC之間的探針輪廓寬度的差5.4探針柄輪廓的測(cè)量對(duì)于PPP分析，應(yīng)測(cè)量窄脊結(jié)構(gòu)；對(duì)于EPSC分析，應(yīng)在兩點(diǎn)接觸條件下測(cè)量多溝槽結(jié)構(gòu)。懸臂振幅和設(shè)定點(diǎn)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇可能會(huì)影響EPSC測(cè)量結(jié)果。這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)儀器手冊(cè)或其它記錄在案且已被驗(yàn)證的方法進(jìn)行優(yōu)化。建議最大誤差信號(hào)em絕對(duì)值小于1nm（即|em|<1nm）述了參考樣品的詳細(xì)信息。用于確定PPP和PSC注：如果探針到達(dá)相鄰溝槽的底部，探針中會(huì)出現(xiàn)假翼形狀圖3a)所示，頂部輪廓（脊結(jié)構(gòu)寬度平臺(tái)的平均值）應(yīng)有三個(gè)以上的溝槽結(jié)構(gòu)被測(cè)量到。確認(rèn)每個(gè)溝槽剖面的兩側(cè)都有b)如圖4a)所示，畫一條直線連接第j溝槽兩側(cè)的平坦區(qū)域，并測(cè)量從該線開始的最大深度lj。a)探針和第j溝槽示意圖，包括探針尖端軌跡b)從多溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量得的EPSC5.5探針柄輪廓測(cè)量的不確定度變化，都可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏離探針真實(shí)形狀。EPSC受接觸面積影響，但PSC不受該影響，因?yàn)辄c(diǎn)接和EPSC所需的工作量，下面介紹一種簡(jiǎn)單的不確定度估5.5.1PPP或PSC測(cè)量的探針柄輪廓的PPP或PSC測(cè)量的不確定度主要來(lái)自于脊結(jié)構(gòu)寬度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u0，探針控制信號(hào)a)從包含脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的選定區(qū)域的圖像中，選擇f條均勻分布在圖像中的掃描線，其中f>7；;b)計(jì)算所選f條掃描線的探針輪廓長(zhǎng)度（p1，p2，...）。首先獲取每一選定掃描線的PSC（見圖3f然后計(jì)算寬度H0/2處的p；·············································u(PSC)=√rr2+(su0)2+em(PSC)2+us(PSC)2 EPSC僅用于確定深度測(cè)量的限制。對(duì)于EPSC，探針輪廓長(zhǎng)度測(cè)量的合成不確定度u由類似于5.5.1u(EPSC)=√rt2+(SEut)2+em(EPSC)2+uS(EPSC)2·········································(3)如果無(wú)法獲得em，則設(shè)定em=0。式中的us是通過(guò)應(yīng)用5.5.1中描述的類似步驟來(lái)測(cè)量多溝槽結(jié)構(gòu)而當(dāng)獲得PSC和EPSC數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)在5.5.1的合成不確定度計(jì)算中加上q來(lái)估計(jì)EPSC測(cè)量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u。如果無(wú)法獲得em，則設(shè)定em=0。u(EPSC)=√rr2+(Su0)2+em(PSC)2+uS(PSC)2+q2············a)如圖3e)所示，5.4.2中步驟4給出的AFM探針尖的PPP；e)用于分析的參考樣品規(guī)格。即用于PPP或PSC測(cè)量的脊還應(yīng)報(bào)告以下實(shí)驗(yàn)參數(shù)和條件：懸臂模型、PID反饋參數(shù)、設(shè)線掃描速率（單位為Hz）、圖像中的像素和掃A.1實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試結(jié)果圖A.1a)、圖A.1b)和圖A.1c)是實(shí)驗(yàn)室間探針輪廓?jiǎng)tPSC和EPSC具有很好的一致性。如圖好的一致性。這些結(jié)果表明，保持PSC和EPS于獲取圖A.1c)的間歇接觸模式的工作定點(diǎn)，探針的損傷被降到最低，但是PSC和EPSC之間仍存a)A國(guó)：間歇接觸模式b)B國(guó)：“峰值力”模式c)C國(guó)注1：圖中給出的振幅是探針趨近樣品表面前獲注2：上述實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試使用的參考樣品的溝槽深度范圍為70nm至1A.2溝槽結(jié)構(gòu)的AFM圖像示例：對(duì)振幅與設(shè)定點(diǎn)的依賴性圖A.2顯示了在間歇接觸模式下AFM成像的工作幅度設(shè)定點(diǎn)與溝槽深度測(cè)量值的函數(shù)關(guān)系。如圖的EPSC隨工作振幅而變化，而從尖脊結(jié)構(gòu)獲得的PSC對(duì)該振幅變化不敏感。該過(guò)程是可逆的，并且對(duì)通過(guò)多溝槽測(cè)量得的探針的有效形狀是隨設(shè)定點(diǎn)變化而變化的。圖A.2是在0.05Hb)由脊結(jié)構(gòu)測(cè)量得的PSC和從多溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量得的EPSC，用于探針表征的參考樣品應(yīng)包含以下兩種結(jié)構(gòu)中的一種或兩種：(i)獨(dú)立的窄脊結(jié)構(gòu)和(ii)一組不同了包含兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)的參考樣品的典型橫截面，其尺寸見表B.1。附錄C展示了一個(gè)制造的參考結(jié)構(gòu)示例。脊寬度和溝槽寬度應(yīng)規(guī)定在從頂部到脊和溝槽結(jié)構(gòu)一半的2rr或2rj之間的區(qū)域。如圖B.2b)所示，最L0D0D1D2D3D4H0H1H2H3H4并且導(dǎo)致探針尖端處出現(xiàn)不確定區(qū)域。如圖B.2b)所示，因?yàn)檫@個(gè)圓角半徑效應(yīng)，探針輪廓長(zhǎng)度比真實(shí)值偏長(zhǎng)△l（0<△l<rr）。a)理想的窄脊結(jié)構(gòu)b)具有邊緣半徑多溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)包含具有不同溝槽寬度的多條溝槽。最小溝槽寬度大溝槽寬度應(yīng)在20nm至200nm范圍內(nèi)。每個(gè)溝槽的邊緣銳度直接影響探針表征的端沒有到達(dá)溝槽底部。有效測(cè)量如圖B.3所示。最小溝槽深I(lǐng)CON（Bruker）AFM1)和ScanAsyst-Air探針1)在大氣環(huán)境峰值力模式下獲圖像有2048個(gè)像素每行和512條掃描線，掃描速率為0.3Hz。實(shí)驗(yàn)中使用了反饋增益自動(dòng)控制模式。實(shí)注：3μm×3μm，2048個(gè)像素×5121)DimensionICON（Bruker）和ScanAsyst-Air是商用合適如圖E.1a)所示，當(dāng)AFM圖像的線輪廓傾斜時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行表面水平校正以使表平面盡可能水平。如b)輪廓的頂部應(yīng)當(dāng)是水平平整（即不傾斜）的。可根據(jù)單個(gè)特征（如單個(gè)溝槽）或整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)通過(guò)窄脊結(jié)構(gòu)法測(cè)量得的投影探針輪廓（PPP）AFM儀器的測(cè)量模式1)ISO11039,Surfacechemical