白光干涉原子力显微镜若干关键技术及软件系统研究

摘要

随着先进制造技术的发展，越来越多的制件表面形貌朝纳米尺度和精度发展，如光学表面、光刻表面、信息存储表面等等。保证和提升这些表面质量，需要纳米分辨率的表面形貌和结构测量仪器。白光干涉原子力显微镜（White Light Interference based Atomic Force Microscope,以下简称WLIAFM）充分利用了原子力显微镜的高横向分辨率和垂直方向灵敏性，及光学干涉高的位移测量精度，将白光干涉和原子力探针结合，构成一种纳米分辨率表面形貌和结构测量仪器，具有重要意义。本文围绕WLIAFM若干关键技术和软件系统展开研究，主要工作如下：
　　1）针对原子力探针悬臂上白光干涉零级条纹定位问题，提出了一种依据极差分析的改进极值法和一种结合小波分析与Hilbert变换的曲线包络法。这两种零级条纹提取算法各有不同。改进极值法快速并且相比单纯的极值法具有较高的稳定性，但精度不高，相对曲线包络法稳健性不足。曲线包络法具有很好的稳健性和高精度，但计算速度相对改进极值法较慢。测量时可以根据测量效率和精度要求的不同选择不同的算法。
　　2）通过对原子力探针建模分析，提出了白光干涉零级条纹位置与原子力探针竖直位移关系的快速标定方法。该标定方法有效解决了条纹分辨率动态变化的问题，保证了仪器的测量精度。
　　3）研究了一种原子力探针自动接触被测表面控制方法。该控制方法根据探针的标定结果，计算出满足仪器分辨率要求的零级条纹起始位置，以控制原子力探针较快接触到工件。同时，避免人为误操作损害探针。
　　4）基于Visual Studio2010的软件平台上，开发了WLIAFM的软件系统。该系统采用多线程同步控制技术，实现运动控制、图像采集、形貌恢复等多功能有效融合及高效的时间复用，完成纳米表面形貌的测量、分析与评定。
　　5）结合研究的关键技术及软件构建了WLIAFM仪器，测试仪器的运行参数，选择适当的参数来降低测量误差。最终进行了整体的测试，得到了良好的实验结果。

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1 绪论

1.1课题来源

1.2课题目的和意义

1.3国内外概况及发展趋势

1.4 白光干涉原子力显微镜测量原理

1.5本文的主要研究内容

2 白光干涉原子力显微镜若干关键技术

2.1白光干涉原子力显微镜中零级条纹提取算法

2.2原子力探针标定方法研究

2.3原子力探针自动接触控制

2.4 本章小结

3 软件系统设计

3.1 软件系统框架设计及界面

3.2 软件系统实现方法与功能模块

3.3本章小结

4 系统测试与应用实验

4.1 运行参数测试

4.2系统精度测试

4.3三维测试及应用

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读硕士期间成果