Park Systems 原子力顯微鏡 NX-10

NX10 AFM——確的表面分析工具

ParkSystems 起源于原子力顯微鏡的誕生地，美國斯坦福大學。公司創(chuàng)始人Sang-ilPark 博士畢業(yè)于斯坦福大學應用物理系，參與其導師C.F.Quate 教授發(fā)明原子力顯微鏡的過程。畢業(yè)后，他于1989 年在硅谷創(chuàng)辦了一家原子力顯微鏡公司ParkScientificInstruments。二十余年來對技術的專研與堅持，成就AFM 業(yè)界歷史悠久的ParkSystems 公司。

Park 原子力顯微鏡專心于AFM最基本的性能要求——精確成像，依靠的三大技術優(yōu)勢，使其產(chǎn)品在形貌表征上擁有了的精確度。 

項技術是采用三軸分離的掃描器，消除掃描器的交叉耦合，具有業(yè)界的平整度和線性度，消除了掃描器背景彎曲現(xiàn)象。 

傳統(tǒng)的原子力顯微鏡采用壓電掃描管進行x-y-z 三軸的掃描，水平掃描實際是通過壓電掃描管的彎曲來實現(xiàn)的。這種彎曲運動會帶來彎曲畸變的測量結(jié)果。也就是說，采用管式掃描器進行掃描時，水平彎曲和垂直伸縮是耦合在一起的，這就產(chǎn)生了交叉耦合現(xiàn)象。 

對于傳統(tǒng)的原子力顯微鏡而言，這種測量誤差需要通過軟件矯正去除。由于這種彎曲畸變是高階非線性的，并且與掃描大小、掃描速度和掃描位置息息相關。事實上，我們無法通過軟件矯正獲取真正平直的、準確的測量結(jié)果。 

ParkSystems 開發(fā)出的CrosstalkElimination 技術，也就是水平掃描器和垂直掃描器相分離的技術。兩組獨立的柔性掃描器分別移動樣品和探針。水平掃描器用于移動樣品，垂直掃描器用于控制探針上下運動。該技術能夠進行真正平直的掃描，而且所得結(jié)果不受掃描大小、掃描速度和掃描位置的影響。

這一點在測量平滑的玻璃樣品時能夠得到特別好的體現(xiàn)，原始結(jié)果沒有一點兒背景彎曲現(xiàn)象。在整個80 微米見方的圖像中，平面偏移度小于1nm，這是業(yè)界的技術。事實上，不論在這塊平滑玻璃表面的任何位置進行任何大小的掃描，所得結(jié)果的平面偏移度都是極小的。



第二項技術是真正的非接觸掃描模式。Park Systems 開發(fā)出了大氣環(huán)境下成熟的非接觸模式。

因為三軸分離的結(jié)構(gòu)將垂直掃描器獨立出來，它只負責垂直方向上探針的移動，這使得在該軸向上的同步反饋頻率極大增強。相比于壓電陶瓷管垂直方向的反饋頻率只有區(qū)區(qū)幾百Hz 而言，NX10 的垂直掃描器具有高達9kHz 的同步反饋頻率。如果垂直響應速度不夠快，探針會不時接觸到樣品表面，甚至被黏在樣品表面而無法進行振動。一個解決方法是提高探針和樣品的距離，但是，這種方法會極大地降低橫向分辨率。為了克服這種困難，工程師們研發(fā)了敲擊模式，使探針大幅振動，不斷地敲擊樣品表面。這種敲擊的力比通常的接觸力大很多，因而很容易把探針針尖敲鈍，極大地降低了探針壽命?；趬弘娞沾晒軖呙杵髟诖怪狈较蝽憫^慢的缺點，大多數(shù)原子力顯微鏡制造商在大氣環(huán)境下都選擇在電磁斥力區(qū)采用敲擊模式工作。

NX10 系統(tǒng)采用了線性垂直強力掃描器，該掃描器由壓電陶瓷堆構(gòu)成。這種掃描器的帶寬超過了9kHz，用于垂直探針控制時，伺服響應速度超過了62 毫米每秒。這種高速響應能力，可以保證精確的探針控制能力。因此NX10 可以在高速掃描時穩(wěn)定的保持探針與樣品間的距離，這使得真正的非接觸掃描技術得以實現(xiàn)。采用這種技術進行掃描，限度的避免了對樣品的破壞，同時也極大地減小對探針的磨損。對樣品的良好保護使NX10 對樣品的適用性大大增強，楊氏模量硬度低至幾十千帕的柔軟樣品依然可以清晰成像。對針尖的良好保護一方面避免了因針尖磨損變鈍導致的掃描結(jié)果的誤差，另一方面也大大延長了探針壽命，降低了NX10 的使用費用。對于深溝槽樣品也可以輕松成像而不必擔心撞斷探針。

第三項技術是真正的樣品表面形貌的表征。NX10 采用了業(yè)界的低噪聲閉環(huán)檢測器用于樣品形貌采集，消除了采用驅(qū)動電壓帶來的遲滯和蠕變誤差。 

NX10 采用的低噪聲位移檢測器，能實時檢測垂直掃描器的伸縮情況。以往都是通過壓電掃描器的驅(qū)動電壓獲取樣品表面形貌數(shù)據(jù)，由于壓電掃描器存在蠕變，特別是在高度變化劇烈的區(qū)域會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

消除誤差的辦法就是采用獨立的位移檢測器直接測量形貌。這就對位移檢測器的噪聲水平有了更高的要求，越低越好，至少要達到0.5 埃。

垂直位移檢測器是NX10 型原子力顯微鏡的關鍵技術優(yōu)勢，這是ParkSystems 投入多年心血開發(fā)的新型應變傳感器。噪聲水平已經(jīng)降低到了0.2埃，為業(yè)界水平。這種檢測器的測量信號已經(jīng)可以取代壓電陶瓷驅(qū)動電壓，直接用于形貌數(shù)據(jù)的測量。

采用低噪聲位移傳感器獲取形貌信號的優(yōu)勢是顯而易見的，尤其對于多片薄層樣品，可以準確的得到每層的高差。

同時，為了進一步保證數(shù)據(jù)的精確，NX10 還對熱漂移進行嚴格控制。一方面通過使用多種材料復合構(gòu)建設備，避免熱應力形變對系統(tǒng)的干擾；另一方面，對艙室環(huán)境進行主動溫度控制，使溫度變化小于0.05°C/hr。

作為原子力顯微鏡的企業(yè)，ParkSystems 致力于為客戶提供準確的測量結(jié)果，納米計量的時代前沿。我們的創(chuàng)新技術能夠幫助客戶使用原子力顯微鏡解決各種納米尺度研究和工業(yè)生產(chǎn)的應用。ParkSystems 一直專注于原子力顯微鏡技術，致力于為客戶提供長期可靠的技術服務，幫助客戶在學術界和工業(yè)界實現(xiàn)各種應用。