Формирование СЗМ изображений

Можно утверждать, что процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электронно-лучевой трубке телевизора. Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, формируемых цифро-аналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение процесса сканирования. Направление прямого хода сканера обозначено стрелками красного цвета. Обратный ход сканера обозначен стрелками синего цвета. Регистрация информации производится в точках на прямом ходе.

Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде СЗМ кадра — двумерного массива целых чисел а_ij (матрицы). Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования. Координаты точек поверхности вычисляются с помощью простого умножения соответствующего индекса на величину расстояния между точками, в которых производилась запись информации.

x_i = x₀ i,y_j = y₀ j,.

где x₀ и y₀ — расстояния между соседними точками вдоль оси X и Y, в которых производилась запись информации. Визуализация СЗМ кадров производится средствами компьютерной графики, в основном, в виде трехмерных (3D) и двумерных (2D) изображений. При 3D визуализации изображение поверхности, соответствующее СЗМ данным, строится в аксонометрической проекции с помощью пикселей или линий. В дополнение к этому используются различные способы подсвечивания пикселей, соответствующих различной высоте рельефа поверхности.

Искажения СЗМ изображений. СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, содержат также много побочной информации, искажающей данные о морфологии и свойствах поверхности. На рис. 3 схематически представлены возможные искажения в СЗМ изображениях поверхности, обусловленные неидеальностью аппаратуры и внешними паразитными воздействиями.

Рис. 3. Возможные искажения СЗМ изображения

Постоянная составляющая. СЗМ изображения, как правило, содержат постоянную составляющую, которая не несет информации о рельефе поверхности, а отражает точность подвода образца в середину динамического диапазона перемещений сканера по оси Z. Постоянная составляющая удаляется из СЗМ кадра программным способом.

Постоянный наклон. Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, как правило, имеют общий наклон. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, наклон может появляться вследствие неточной установки образца относительно зонда; во-вторых, он может быть связан с температурным дрейфом, который приводит к смещению зонда относительно образца; в-третьих, он может быть обусловлен нелинейностью перемещений пьезосканера. Для устранения данного недостатка производят операцию вычитания постоянного наклона.

Неидеальность сканера. Неидеальность свойств пьезосканера приводит к тому, что СЗМ изображение содержит ряд специфических искажений. Частично неидеальности сканера, такие как неравноправность прямого и обратного хода сканера (гистерезис), крип (запаздывание реакции на изменение величины управляющего электрического поля) и нелинейность пьезокерамики компенсируются аппаратными средствами и выбором оптимальных режимов сканирования. На рис. 4 схематично показаны временные диаграммы изменения управляющих полей и соответствующих смещений сканера по оси Z и в плоскости X, Y.

Для уменьшения влияния крипа керамики применяются временные задержки, позволяющие частично скомпенсировать запаздывание сканера. Гистерезис приводит к тому, что при одних и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости от направления движения (рис. 5). Для исключения искажений СЗМ изображений, обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации при сканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости.

Рис. 5. Зависимость величины смещения пьезотрубки от величины и направления приложенного напряжения

Однако, несмотря на аппаратную корректировку, СЗМ изображения содержат искажения, которые трудно устранить на аппаратном уровне. В частности, поскольку движение сканера в плоскости образца влияет на положение зонда над поверхностью (по оси Z), СЗМ изображения представляют собой суперпозицию реального рельефа и некоторой поверхности второго порядка. Устранение таких искажений осуществляется программно.

Шумы аппаратуры (в основном, это шумы высокочувствительных входных усилителей), нестабильности контакта зонд-образец при сканировании, внешние акустические шумы и вибрации приводят к тому, что СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, имеют шумовую составляющую.

Особенностью акустических помех является то, что акустические волны непосредственно воздействуют на элементы конструкции головок СЗМ, что приводит к колебаниям зонда относительно поверхности исследуемого образца. Для защиты СЗМ от акустических помех применяются различные защитные колпаки, позволяющие существенно снизить уровень акустической помехи в области рабочего промежутка микроскопа. Наиболее эффективной защитой от акустических помех является размещение измерительной головки зондового микроскопа в вакуумной камере.

Главным источником нестабильности положения зонда над поверхностью исследуемого образца является изменение температуры окружающей среды или разогрев элементов конструкции зондового микроскопа во время его работы. Изменение температуры твердого тела приводит к возникновению термоупругих деформаций. Например, при нагреве тела длиной 10 см на 1С его длина увеличивается на величину порядка 1 мкм. Такие деформации существенно влияют на работу зондовых микроскопов. Для уменьшения термодрейфа применяют термостатирование измерительных головок СЗМ или вводят в конструкцию головок термокомпенсирующие элементы.

Частично шумы СЗМ изображений могут быть удалены программными средствами.