AFM在纳米结构加工中的应用研究

　　1　引　言

　　二十世纪八十年代初期,世界第一台扫描隧道显微镜(STM)[1]诞生在IBM实验室,从此,以STM为代表的扫描探针显微镜(SPM)发展成具有STM、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MEM)、近场扫描光学显微镜(SNOM)等成员的家族,推动了纳米科学和技术的发展。

　　其中AFM凭借着适用性、可操作性和原子级分辨率等优点,在纳米加工应用上取得了瞩目的成就。Sohn[2]等人利用AFM针尖对PMMA/MMA超薄膜进行机械刻蚀,制出了40nm线宽的金属铬线;Richard D.Piner[3]等人运用AFM进行DPN软刻写技术直接操纵分子形成图案;Bouchiat[4]等人利用AFM针尖对硅片上的高分子膜机械刻蚀出单电子晶体管。AFM在纳米科技领域具有广阔的应用前景。

　　本文提出了利用自行研制的AFM系统加工纳米结构的方法,并在氧化铝材料表面进行了纳米刻蚀加工实验,验证了该方法的可行性,分析了影响刻蚀加工深度和质量的因素。

　　2　原理及系统

　　实验用AFM系统是我们实验室自主开发的产品[5]。AFM的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力,原子力的大小与微探针—样品间距之间存在一定的曲线关系,AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系,通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的,其系统框图如图1所示。

　　该系统采用卧式结构,消除了重力对探针和成像分辨率的影响,因而可获得更好的纳米检测与成像性能。

　　样品相对于针尖作横向扫描,由计算机通过D/A接口控制扫描电路实现。使用PID反馈控制电路控制探针与样品的纵向间距。激光光束打在针尖上,反射回PSD,针尖与样品间的距离变化通过PSD检测得到,再经过处理电路放大后送入计算机,最后得到样品表面的微观形貌图。

　　本实验采用的针尖为高硬度氮化硅,针尖在样品表面刻划时,相当于用尖锐的氮化硅车刀切削工件,如图2所示。调整陶瓷管Z向的距离,改变微悬臂的弯曲程度,从而改变加在样品上的载荷;调整X、Y向的陶瓷管长度,从而改变探针所在位置,实现针尖的平面移动,可加工出各种深浅、形状的图形[6]。由于针尖所加载荷有限,一次扫描的刻蚀深度不够,所以需要在同一区域进行重复多次刻蚀扫描,直到加工出足够的深度,这也要求陶瓷管的回复性和针尖的重入性达到足够精度。

　　3　实　验

　　为了研究针尖载荷、扫描次数和加工效果的关系,验证本系统的可靠性和实验方案的可行性,我们进行了刻蚀实验。

　　AFM系统的控制软件为自行研制的图像扫描和处理软件,兼容Windows/Dos。实验样品膜是把铝片放在草酸中电解后生成的氧化铝膜,针尖为美国DI公司的NP—S型氮化硅针尖,弹性系数0.12N/m。激光光源采用半导体激光器。