STM微位移工作台的遗传神经网络控制技术

　　1　引言

　　扫描隧道显微镜(scanning tunneling micro-scope, STM)是一种具有纳米级分辨率的表面分析和三维加工工具,可有效消除聚焦电子束曝光过程中邻近效应对分辨率的制约,容易得到精细的加工图形。但也正是由于分辨率的关系,使得STM的扫描范围被局限在很小的区域内,这就需要一个高精度定位工作台来加大其测量和加工范围。压电陶瓷微位移机构是目前微位移技术中比较理想的驱动元件,但其本身所固有的迟滞、蠕变和非线性制约了工作台位移和定位精度的提高,需要采用相应的控制系统。基于神经网络(neural network)和遗传算法(genetic algorithm),本文提出了一种微位移工作台闭环控制方案,该方案可有效提高STM的工作性能。

　　2　STM及其微位移工作台

　　在聚焦电子束曝光过程中,电子在抗蚀剂中的最大散射距离可达数微米,电子散射效应不仅使抗蚀剂中需要曝光的区域被曝光,而且也使邻近的非曝光区域被曝光,这种邻近效应影响了曝光分辨率^[1] 。扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学中的隧道效应,将原子线度的探针(一般在几纳米至几十纳米)和被研究物质的表面看做两个电极,当样品与针尖的距离非常接近时(纳米级),在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一个电极^[2] 。由于STM探针的尖端非常细,致使探针与样品表面的距离很近,在如此小的空间里,电子束还来不及发散就到达样品表面了,所产生的电子束直径很容易达到10 nm以下。在STM加工中,探针与样品之间的偏置电压一般为几伏,所产生的低能电子束具有很高的光刻效率,这使得二次电子、背散射等所产生的影响大大减少,容易得到精细的加工图形,从而为提高曝光分辨率提供了一条新的思路[3]。

　　受硬件设备和图形分辨率的限制,STM只能在一个面积很小的范围内曝光,然后通过微位移工作台的移动实现整个基片的光刻,因此,工作台是STM非常关键的部件,其位移和定位精度在很大程度上影响了曝光图形的拼接和套刻精度。压电陶瓷由于具有分辨率高、响应快、出力大、易于控制等优点,在微位移和定位装置中得到了广泛的应用^[4] 。

　　微位移机构由压电陶瓷驱动器和柔性铰链组成,可等效为如图1所示的模型,压电陶瓷驱动器采用层叠结构。根据电致伸缩效应理论[5]和动力学方程^[6] ,工作台的位移y(t)为:

　　其中:Y=k ₁NMU ²/(k ₁+k ₂)h为工作台的稳态输出位移,X=NMU ²/h为驱动器的稳态输出位移,N为层叠式压电驱动器的片数,M为压电陶瓷伸缩系数,h为每片陶瓷的厚度,为工作台的无阻尼自然振荡频率,为工作台的阻尼振荡频率,ζ=μ/2mω为阻尼比。