压电微音叉扫描探针显微镜测头研究

　　1引言

　　根据微半导体器件、MEMS、纳米器件等对表面测量的高精度要求，以及DNA、蛋白质分子等生物材料表面测量的非破坏性要求，要求测量仪器不仅具有纳米级的分辨率，还要具有尽可能小的测量力。常用的触针式轮廓仪是一种广泛应用于机械表面测量、简单且可靠的精密测量仪器，其测量范围可达到数十毫米，但它的垂直分辨率在数十纳米，且测量过程中触针与被测表面连续接触，横向测力大，易给表面造成划伤，不适合于软材料及具有陡峭微观结构的表面测量;共焦显微镜虽然具有非接触测量的优点，且其最高垂直分辨率接近10 nm的水平，但其横向分辨率受聚焦光斑直径的限制而无法提高，而且不适合于非反光材料的测量;扫描隧道显微镜(STM )尽管具有亚纳米的垂直分辨力和非接触测量的优点，但由于测量电流受被测材料导电性的影响很大，不能直接应用于绝缘材料和表面易氧化的材料〔1〕，且对测量环境的真空度也有很高的要求，因此其使用范围收到了很大的限制;原子力显微镜(atomic force microscopy , AFM)虽然适合于各种材料、多种参数的测量，且具有亚纳米级的垂直分辨率和nN级的测量力，但所采用的探针有效长度短，不适合于大台阶微观表面的测量，且测头中所用硅悬臂的控制需要采用光杠杆法或光干涉法等附加位置检测系统来实现[2-3 ]，光学检测系统所产生的泄漏光不仅影响半导体器件电参数的测量[4]，还可能给表面测量带来干涉误差[5-8]。

　　针对现有各种表面测量技术的不足，利用压电微音叉(micro-fork )所具有的高谐振频率、高品质因数和自身具有的压电传感器，与钨探针相结合，构成了新型的轻触模式扫描测头，结构既简单，又避免了AFM中悬臂位移光学检测系统可能带来的误差，并可实现对包括大台阶表面、软材料表面在内的各种材料的高精度、低破坏性测量。

　　2测头构成及工作原理

　　电路用压电微音叉是电路基准频率信号发生器件，多用于便携式、移动式等无线设备。图1是压电微音叉外观及结构尺寸示意图。

　　音叉部分的材料为FeNiCr合金(55:36:5 wt%),2音叉的根部外侧各贴有长、宽、厚分别为4. 0 mm X1. 5 mm x 0. 1 mm的压电陶瓷，其中一枚作为压电驱动器，另一枚作为压电传感器。当压电驱动器上施加正弦交流电压信号时，音叉双臂处于振动状态，同时，音叉的振幅信号由压电传感器检测并输出电信号。该音叉具有良好的谐振特性，图2是实测得到的频谱曲线，其一咖皆振频率约为3 1cHz，品质因数约为2 000，因此其振动对外力极为敏感。

　　在附有压电传感器的音叉臂的前端固定了耐磨性好的钨探针。所采用的钨探针是用直径为60 μm或100 μm的钨金属丝经电化学研磨制备的[9]，其顶端直径可达20~5O nm，具有极高的横向分辨率。另外，探针的有效长度可达数十微米，且具有良好的受力特性[9]，适合于大台阶微观轮廓的测量。图3(a)是用直径为60 μm钨丝制备的钨探针，图3(b)是固定有钨探针的音叉臂。