Interferometer-based scanning probe microscope for high-speed, long-range, traceable measurements

The specialty of the metrological SPM-head is the combined deflection detection system for simultaneous acquisition of bending, torsion and position of the cantilever with one measuring beam. The deflection system comprises a beam deflection and an interferometer in such a way that measurements of the cantilever displacement are traceable to the SI unit metre. Integrated into a NPM machine scans with a resolution of 0.1 nm over a range of 25 mm × 25 mm are possible.

W artykule przedstawiono wyniki dotyczące opracowanej i zrealizowanej w Ilmenau University of Technology (Niemcy) maszyny Nano-pozycjonującej (NPM), która zapewnia nanometrową rozdzielczość oraz niepewność 3D pozycjonowania oraz pomiaru w zakresie 25 mm × 25 mm × 5 mm. Jednym ze składowych elementów tej maszyny, od którego zależą jej własności metrologiczne, jest mikroskop z sondą skanującą (SPM) na bazie interferometru, którego koncepcję przedstawiono na (rys. 1). Wykonana według tej koncepcji głowica metrologicznego SPM została zintegrowana z NPM maszyny (rys. 2). Osobliwością głowicy SPM jest system dla jednoczesnej akwizycji ugięcia, skręcania i pozycji belki wspornikowej tylko z jednej wiązki światła (rys. 1). Zostały wykonane badania dokładności pozycjonowania i pomiaru przy różnych szybkościach skanowania obiektu badanego od 1 µm/s do 1 mm/s. Przykładowe wyniki skanowania przedstawiono na rys. 3, 4. W celu wyznaczania jakości tych wyników oraz kalibracji SPM został wykorzystany zestaw wzorców wysokości skokowych z Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB (rys. 6), oraz wykonane w specjalny sposób wzorce testowych wskaźników odniesienia rozstawionych na stosunkowo dużych odległościach (rys. 7). Uzyskane z SPM wyniki pomiarów wzorców wysokości oraz niepewności tych wyników wykazały bardzo dobrą zbieżność z wartościami wielkości tych wzorców (tab. 1). Wyznaczona powtarzalność wyników jest na poziomie poniżej 0.2 nm. Bardzo dobre wyniki uzyskano przy pomiarach testowych wskaźników odniesienia, powtarzalność wyników pomiaru centrów współrzędnych wskaźników wynosi poniżej 5 nm (tab. 2).