利用计量型原子力显微镜进行纳米台阶高度测量

　　纳米技术是基础研究和高新技术发展中最具前瞻性、带动性的重点领域，已经成为国际科技竞争的战略制高点.各国纷纷制定与纳米技术相关的国家发展战略和计划，企业与政府均加大了纳米技术的投资力度，力求获取在该领域的战略领先地位[1].

　　扫描探针显微镜(SPM)是纳米领域中最重要的测量手段，为了保证量值统一，从 SPM 所得到的测量结果必须能够溯源到适宜的测量基准或标准.原子力显微镜(AFM)作为 SPM 家族的成员之一，当也不会例外.特别是对国家计量院，必须建立能够直接溯源到米定义波长基准的计量型原子力显微镜，通过合适的校准方法，对台阶高度标准样板和水平栅格结构标准样板进行校准，传递标准量值，以此建立国家纳米量值溯源系统.

　　为了建立国际统一的纳米量值体系，纳米计量工作组(CCL/WGDM DG7)组织了 5 种类型纳米基准样板的关键量国际比对：线宽标准、台阶高度标准、线间隔(线纹标尺及 CD 线间隔)、一维纳米栅格和二维纳米栅格.中国计量科学研究院报名参加全部 5 种比对.其中台阶高度标准的国际比对于 2000~2003 年间进行，目前比对结果已经进入 BIPM 数据库[2].本文讨论了 AFM 的计量化构成，对台阶高度国际比对所使用的样板和测量方法进行了描述.

　　1 计量型原子力显微镜纳米测量系统

　　计量型原子力显微镜纳米测量系统[3-4]是一种能够实现纳米尺度量值溯源和传递的国家标准装置，其测量范围为：x 方向 70,μm，y 方向 15,μm，z方向 7,μm，测量分辨力为：x 方向约 1.2,nm，y 方向约0.25,nm，z方向约 0.12,nm.计量型原子力显微镜采用卧式结构，如图 1 所示，y 方向为垂直移动，x 和 z方向为水平移动(z方向移动平行于纸面).仪器主要由扫描器、测针位置传感器、一体化激光干涉三维测量系统及机座等部分构成.整个系统全部由殷钢和零膨胀玻璃构成，将温度变化对测量的影响降到最低程度;三维扫描器和测针位置传感器安装在一块零膨胀玻璃底板上并可在其上滑动，用于原子力显微镜测量时的粗调整;被测物体置于与扫描器的三维柔性铰链位移台相连接的测量台上，由线性压电陶瓷驱动器驱动位移.由于采用了柔性位移台，使得 3 个移动轴的移动基本上相互独立并能得到接近正交的移动.压电陶瓷驱动器内部装有电容传感器，二者构成的局部反馈回路消除了压电陶瓷驱动器的迟滞、爬行等位移误差及其大部分的非线性误差.固接在原子力显微镜上一体化无阿贝误差布局的三维激光干涉系统使原子力显微镜的测量结果可以直接溯源到激光波长.由计算机和 DSP 构成分布式原子力显微镜测量控制系统，计算机用于 x、y 方向的测量控制，DSP 用于对压电陶瓷和针尖位置进行闭环控制，实现了独立的动态控制.