计量型原子力显微镜

　　1　引言

　　1981年第一台扫描隧道显微镜(STM)出现,几年后诞生了原子力显微镜(AFM),以这两种显微镜为启蒙和基础,派生和发展了多种扫描探针显微镜(SPM)〔1〕用来研究纳米范围内的多种物理现象。进入九十年代,全球范围掀起了一场纳米科学与技术革命,这场革命不仅变革了传统的制造技术,而且给航天、微电子、机械、生物、医学工程及日常生活领域等带来巨大的影响。

　　纳米技术是在纳米(10-9m)和原子(约10-10m)尺度上(0·1~100nm)研究物质(包括原子、分子)的特性及其相互作用、以及利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。它是基础研究和应用研究紧密联系的科学技术,其最终目标是直接利用物质的原子、分子以及物质在纳米尺度上表现的特性,在纳米/微米尺度上制造出具有特定功能的产品,从而实现生产方式的巨大飞跃。

　　利用SPM可以对被测表面及近表面区域的物理特征在原子量级的水平上进行探测,就分辨率而言,STM可达到皮米(pm)量级,AFM可达到亚纳米量级。到目前为止,STM主要用于自然科学研究。而近几年来,已有相当数量的AFM用于工业技术领域,其主要原因是AFM利用了被测表面与测量探针之间力的相互作用这一物理现象,因此除与STM一样可以对导体进行探测外,还可用于绝缘体表面的探测,从而使它具有很好的适应性。AFM的探测力非常微弱,在10-6~10-9N之间,不会使表面产生变形和损害。在最初的发展阶段,SPM被重点用于描绘被测量的表面,通过对这种描绘所观测到的各种物理现象进行分析研究,使得人们获得了重要的新的表面科学知识。但用这种描绘不能获得更加准确、具有测量不确定度的计量意义的科学数据,而目前不论科学领域的研究还是工业上的需要,都迫切希望SPM能作为一种定量的计量型显微镜。尤其是工业技术方面,希望SPM能作为开拓解决工艺技术问题的新工具,如用于半导体工业和化学工业等等〔2,3〕。为此,现在的SPM还需要解决两个问题:(1)作为计量型显微镜,必须能满足相应科学计量仪器的技术要求〔4〕;(2)所得的测量量值必须能溯源到计量基准上。

　　AFM和STM可视为一台微型坐标测量机。对其三个移动轴必须用一计量标准(如台阶样板、水平格栅样板)进行校准〔5~10〕或进行绝对测量。

　　我们研制成功了国际上第一台计量型原子力显微镜。本文报导了具有计量性能的AFM的建立和对其计量测试技术所作的研究。这台计量型原子力显微镜的特点是在AFM上安装了微型光纤传导激光干涉三维测量系统,并对照三坐标测量机的误差合成数学模型,对计量型原子力显微镜的测量进行了分析、测试和修正及校准的研究。