面向復合式測量的自感應AFM測頭開發(fā)與系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著微納米制造技術的發(fā)展，對測量技術的要求不斷提高。原子力顯微鏡(AFM)作為一種重要的測量手段，可以實現(xiàn)對微納結(jié)構或器件表面的納米甚至亞納米級分辨力的尺寸表征。目前，原子力顯微鏡在測量精度、測量范圍、測量效率等多方面，朝更高的方向發(fā)展。本文圍繞這一主題，開發(fā)自感應AFM測頭，在此基礎上一方面研究測頭與大范圍納米定位平臺結(jié)合，在實現(xiàn)納米級分辨力的基礎上，使測量范圍達到25 mm×25 mm×5 mm，另一方面研究AFM結(jié)合白光掃描干涉的

2、復合式測量方法，以提高原子力顯微測量的效率。課題的研究內(nèi)容和成果可歸納為以下幾個方面：
　　 1.對新型音叉式探針進行理論建模和有限元分析。構建新型音叉式探針的二自由度力學等效模型，分析探針存在的兩個固有一階諧振頻率。建立探針的電學等效模型，討論探針內(nèi)寄生電容和由此產(chǎn)生的并聯(lián)諧振干擾。利用有限元分析方法構建探針模型，通過模態(tài)分析和諧響應分析，解釋了音叉式探針的工作原理，分析探針存在的幾個固有諧振頻率，并從中選擇出探針合理的工作頻

3、率。
　　 2.基于自感應音叉式探針開發(fā)原子力顯微測頭。研究探針自感應信號的處理方法，實現(xiàn)納安級電流的放大和寄生電容的補償。提出針對測頭的動態(tài)調(diào)制方法，采用輔助跟蹤振蕩式調(diào)頻模式，節(jié)省補償寄生電容而帶來的調(diào)試步驟，提高測頭的工作穩(wěn)定性。提出基于激光多普勒測振儀的探針機電耦合系數(shù)的標定方法，實現(xiàn)懸臂梁振幅的快速計算。
　　 3.將測頭與大范圍納米定位平臺結(jié)合，構建大范圍原子力顯微測量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用雙反饋的復合測量模式實現(xiàn)三

4、維方向的大范圍測量。提出簡便的壓電陶瓷位移臺的標定方法，并通過內(nèi)嵌激光干涉儀將測量數(shù)據(jù)溯源至“米”定義。提出基于大范圍納米定位平臺的將AFM與白光掃描干涉測量相結(jié)合的復合式測量方法，通過白光掃描干涉測量的輔助定位提高原子力顯微測量的效率。
　　 4.對復合式測量系統(tǒng)進行性能測試和應用實驗。通過測量一系列標準樣板，驗證系統(tǒng)具有大范圍的測量能力、納米級的分辨力和較好的測量重復性。在雙反饋模式下，對大尺寸光學正弦曲面進行測量，實現(xiàn)了器