[发明专利]基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法

权利要求书

1.一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，其特征在于包括，

利用正交探针的探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用；

对正交探针实施一阶弯曲共振频率下的机械激励，使正交探针在预设弯曲振幅下振动；采用样品XYZ纳米定位台与探针手XYZ纳米定位台配合调节探针针尖与待测三维样品的相对位置，使正交探针沿自定义斜向角度逐渐接近待测三维样品，直到正交探针的弯曲振幅衰减到机械激励频率下的振幅设定值A_m；记录扫描器在当前测试点获得的探针针尖X向坐标值、Y向坐标值和Z向坐标值；

然后，在正交探针与待测三维样品之间施加预设频率的直流补偿电激励信号U_DC，获得直流补偿电激励信号U_DC与正交探针弯曲振幅的关系曲线；根据所述关系曲线，选取正交探针在电激励频率下的振幅设定值A_e；调节直流补偿电激励信号U_DC，使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值A_e；记录直流补偿电激励信号U_DC；

将待测三维样品的高度方向作为Z向，长度方向作为X向；

以Y向为快速扫描方向，X向为慢速扫描方向，配合Z向坐标的变化，依次变换下一个测试点；在每一个测试点重复使正交探针在机械激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值A_m的步骤，直至获得每一个测试点的三维坐标值，实现待测三维样品的三维形貌测量；同时在每一个测试点重复使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值A_e的步骤，直至获得每一个测试点正交探针与待测三维样品之间接触电势差，实现待测三维样品的三维表面电势差成像；

所述自定义斜向角度包括斜率在0到1之间，在YZ平面内变化以接近待测三维样品的角度；

正交探针与待测三维样品之间接触电势差的获得方法包括：

在每个测试点，正交探针与待测三维样品之间总的电势差ΔU为：

ΔU＝U_DC-U_CPD+U_ACsin(ωt)，

式中U_CPD是正交探针与待测三维样品之间的固有接触电势差，U_ACsin(ωt)是正交探针与待测三维样品之间的外加预设频率交流电压；

使U_DC＝U_CPD，消除外加预设频率交流电压的影响，记录测试点的直流补偿电激励信号U_DC作为正交探针与待测三维样品之间固有接触电势差U_CPD，由所有测试点对应的固有接触电势差获得正交探针与待测三维样品之间表面电势差成像。

2.根据权利要求1所述的基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，其特征在于，在变换测试点的过程中，探针针尖与待测三维样品之间的距离误差通过两个独立设置的样品XYZ纳米定位台与探针手XYZ纳米定位台配合运动实现补偿；其中探针手XYZ纳米定位台用于带动正交探针运动，样品XYZ纳米定位台用于带动待测三维样品运动，两个XYZ纳米定位台通过解耦式的运动实现待测三维样品与探针针尖之间沿自定义斜向角度的相对运动。

3.根据权利要求2所述的基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，其特征在于，

获得使U_DC＝U_CPD，消除外加预设频率交流电压的影响的方法包括：

正交探针与待测三维样品表面之间的静电力F_el为：

式中，C为正交探针与待测三维样品表面之间的电容，z为正交探针与待测三维样品表面之间的距离；

由静电力F_el的表达式确定，静电力F_el在ω频率下对正交探针的影响将被消除；利用锁相放大器得到ω频率下正交探针反馈信号的振幅信息，将所述振幅信息作为反馈信号，采用开尔文控制算法调节U_DC以消除锁相放大器输出的振幅偏移，得到U_DC＝U_CPD。