基于弯曲测试技术的纳米梁厚度的精密测量

　　纳米结构厚度的精密非破坏性测量方法的研究具有十分重要的现实意义[1].NEMS加工工艺仍处于不断探索研究的阶段,纳米薄膜、纳米梁结构等悬浮结构的尺寸往往不能很好地控制.当这些悬浮结构本身在厚度上的尺寸达到纳米量级时,加工工艺引起的微小偏差相对于纳米厚度尺寸来说已不能忽略,并且伴随着同一工艺加工出的结构的厚度尺寸具有较大分散性的特点.由于纳米结构的力学特性等的测量需要知道其精确的厚度值[2-3],那么如何在不破坏结构的基础上精确地测量指定结构的厚度尺寸便成为一个挑战.

　　本文中采用弯曲测试法测量NEMS固支梁这一类悬浮结构的厚度.众所周知,用于弯曲测试的测量仪器需要具备可单点施加力载荷,并可同时测量载荷点下位移的能力,故本文中选用原子力显微镜(atomic forcemicroscope, AFM)的力曲线功能和纳米压痕仪的压痕功能来实现悬浮结构厚度的测量.本文中提出的基于弯曲测试技术实现纳米梁厚度精密测量的方法的核心思想是:悬浮结构在载荷的作用下产生初始弯曲直至其下表面与衬底接触的过程中形成的载荷-位移曲线会出现斜率明显不同的两个直线段,接触转折点与初始弯曲点的相对距离即为该悬浮结构下表面与衬底之间的间隙.结合扫描探针类仪器的三维成像功能测量悬浮结构上表面和衬底之间的距离值,便可间接计算结构的厚度值.

　　1　基于弯曲测试的纳米梁厚度测量的理论模型

　　基于弯曲测试技术的纳米梁厚度的测量方法适用于被测梁在仪器能够提供的最大载荷下可与衬底发生接触的情况,属于纳米梁结构厚度的非破坏测量方法,实现简单,且具有较高的可靠性.该方法还可以应用于类似悬浮结构(如薄膜结构)纳米间隙的精密测量.下面将具体阐述基于弯曲测试技术的纳米梁厚度的测量方法、理论模型和适用条件.

　　1·1　弯曲测试法

　　弯曲测试方法的基本原理如图1所示,以固支梁为例,在梁的中点处施加集中力载荷,连续记录加载过程中载荷大小与载荷点下梁的挠度,从而得到梁的载荷-位移曲线.

　　1·2　基于弯曲测试法的悬浮结构的厚度测量方法

　　首先,通过扫描测量获取待测梁区的三维形貌信息,利用AFM图像后处理软件的截面分析功能得到梁的上表面与衬底之间的垂直距离;随后缩小扫描范围,将AFM探针精确定位在固支梁的表面几何中心(或悬臂梁上表面端部)的位置上,定位后将AFM切换至力曲线模式;接着,利用AFM探针进行垂直加载/卸载,直至梁的下表面与衬底发生接触,可利用力曲线中出现的转折点作为判断接触发生的依据;记录具有转折点的力曲线,利用Matlab软件进行数据处理,获得纳米梁下表面与衬底之间的垂直间隙;将上述步骤中获得的两个垂直高度数值相减,计算出纳米梁的厚度.