納米計(jì)量的新方法研究及雙成像單元原子力顯微鏡系統(tǒng)的研制.pdf

1、納米科技是二十世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。掃描探針顯微鏡(SPM)，特別是原子力顯微鏡(AFM)，是納米科技研究的重要工具。利用AFM既可直接觀察物質(zhì)表面的納米級(jí)形貌，也能進(jìn)行一定程度的納米加工。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對(duì)AFM等也提出了更新更高的要求，傳統(tǒng)的觀察型或檢測(cè)型AFM向計(jì)量型AFM發(fā)展將成為必然趨勢(shì)。本文提出雙成像單元原子力顯微鏡(DIU-AFM)的新思想，對(duì)其原理和方法進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，在國內(nèi)外率先研制DIU-AFM

2、系統(tǒng)，發(fā)展了納米計(jì)量的新方法，拓展和提升了AFM的性能和應(yīng)用范疇，不僅具有重要的理論意義和科學(xué)價(jià)值，而且在納米技術(shù)的諸多領(lǐng)域具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。 本文闡述了SPM及幾種計(jì)量化技術(shù)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了SPM特別是AFM的工作原理及其在納米計(jì)量方面的局限性。以AFM為例，常規(guī)的AFM系統(tǒng)雖然都事先進(jìn)行過必要的校正，但是從計(jì)量的角度而言，采用不同方法設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來的AFM系統(tǒng)，再用不同的方法進(jìn)行校正后，它們的性能和精度仍然

3、是不同的。即使是同一臺(tái)經(jīng)過校正的AFM，隨著環(huán)境條件的變化和時(shí)間的推移，其性能和測(cè)量精度也仍會(huì)發(fā)生變化。因此，普通AFM系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果缺乏計(jì)量意義。為此迫切需要發(fā)展新的計(jì)量型AFM系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米計(jì)量 本文首次提出和發(fā)展了基于DIU-AFM系統(tǒng)的納米計(jì)量新思想和新方法。這一方法的核心是用兩個(gè)并行設(shè)置而又互相獨(dú)立的AFM成像單元，對(duì)放置于同一個(gè)XY掃描器上的標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品同時(shí)掃描成像，得到兩幅具有相同橫向尺度的樣品

4、表面形貌圖。由于標(biāo)準(zhǔn)樣品具有周期性結(jié)構(gòu)，并且其已知的周期長(zhǎng)度可以作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此，比較待測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的AFM圖像，就可以精確獲得待測(cè)樣品的具有可溯源到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的尺度值，從而實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的納米計(jì)量。 基于上述原理和方法，我們?cè)趪鴥?nèi)外率先研制了雙成像單元原子力顯微鏡系統(tǒng)，其中特有的DIU-AFM探頭，由參考單元和待測(cè)單元組成，包括一個(gè)共用XY掃描器、兩個(gè)獨(dú)立的AFM微探針(各自安裝在Z向反饋控制器上)、兩路獨(dú)特的基于光束偏轉(zhuǎn)法的檢

5、測(cè)光路，以及兩套微探針—樣品逼近機(jī)構(gòu)。其次，研制了高性能、高精度、高速度的微納米掃描、檢測(cè)與PID反饋控制電路系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高精度和高速度的A/D&D/A接口卡實(shí)現(xiàn)掃描控制信號(hào)的輸出和AFM形貌信息的讀入。此外，研制開發(fā)了功能完善的DIU-AFM的微納米掃描、檢測(cè)、計(jì)量軟件及圖像處理軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)，并具備實(shí)現(xiàn)大掃描范圍的納米計(jì)量的軟件功能。 利用DIU-AFM系統(tǒng)成功進(jìn)行了一系列納米計(jì)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于DIU-AFM系統(tǒng)的納米

6、計(jì)量的可行性。用多孔氧化鋁或周期性光柵作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，對(duì)多種樣品表面的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了線寬、粒徑、長(zhǎng)度等的測(cè)量，獲得了具有計(jì)量意義的精確測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的DIU-AFM系統(tǒng)性能優(yōu)越，借助于不同的標(biāo)準(zhǔn)樣品，可以很方便地對(duì)各種尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確計(jì)量，可達(dá)到1nm量級(jí)的計(jì)量精度。此外，DIU-AFM系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性良好、操作簡(jiǎn)單，可以獲得具有可溯源到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量值，而且系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境要求不高，可以被廣泛推廣應(yīng)用。

7、進(jìn)一步提出了一種基于序列圖像測(cè)量和圖像拼接的大范圍納米計(jì)量方法。為實(shí)現(xiàn)大范圍(如100μm～1mm量級(jí))、納米精度(如1nm～10nm量級(jí))的納米計(jì)量，將整個(gè)XY掃描器置于XY微動(dòng)平臺(tái)之上，通過交替移動(dòng)微動(dòng)臺(tái)和進(jìn)行DIU-AFM系統(tǒng)掃描，掃描獲得一系列參考圖像和被測(cè)圖像對(duì)，構(gòu)成一組一一對(duì)應(yīng)的圖像序列。將這些序列圖像首尾拼接組成大范圍且具有納米量級(jí)精度的參考圖像和被測(cè)圖像，再利用雙元計(jì)量原理，就可以進(jìn)行大范圍的納米計(jì)量。在理論上，這種方法