一种新型STM纳米计量仪

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM[1])和原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM[2])的发明开辟了微观尺寸测量的新的研究领域.

　　STM测量仪器具有许多优点,如在3个方向上具有原子级分辨力,结构精巧,可在多种环境下工作,对样品制备无特殊要求,等.综合来看,STM测量仪器是传统的扫描电镜、触针轮廓仪、光学测量手段所无法比拟的.与其它测量仪器一样,STM本身也存在系统误差,主要有扫描器PZT的误差、探针尺寸带来的误差和探针与样品之间的作用力带来的误差[3]为了实现几个纳米的测量不确定度,必须消除或大大减小上述3项误差.

　　扫描器误差是由微位移器的构成材料———压电陶瓷(PZT)的固有非线性、滞后、爬行和老化引起的,它的存在使图像产生各种畸变.常用的修正扫描器非线性误差的软件方法[4],一般不能满足计量要求,必须另外采取措施.一般认为有两种方案:其一是根据PZT与驱动电压之间的线性关系设计PZT电荷驱动电路[5],不过它仅仅补偿了PZT的非线性误差,对其它因素引起的误差无补偿效果;另一种被人们普遍看好的方案是引入位移检测器实时地监测探针相对样品的位移.常用的位移检测器包括电容测微仪和激光干涉仪.Griffith等采用电容测微仪在扫描过程中实时地测量出扫描器在X、Y、Z3个方向的位移,并研究了位移的线性测量电路[6];德国PTB已研究出激光干涉仪测量探针在3个方向上的位移[7],还有其它研究小组正在研究这种装有位移测量机构的STM系统[8].目前这些仪器存在的一个共同问题是位移测量违背Abbe原则.

1　位移测量传感器与STM联用系统Abbe误差

　　在STM中应用的压电陶瓷扫描器(PZT Scanner)的结构形式主要有三角架式[1]和管式[9]两种,如图1所示.三角架式扫描器采用3个PZT棒相互垂直地连接在一起,分别用来产生X、Y、Z向的运动.这种结构在早期的STM仪器中应用较多,德国PTB建立的标定AFM系统也采用了这种结构[10,11].它的主要缺点是扫描范围小,易受振动干扰.目前,管式扫描器已成为商售仪器的主流,该扫描器由一个中空的圆柱状压电陶瓷管组成,管壁分为内外两层,内层为Z极,用于产生Z向运动;外层等分为4个部分,相对的部分构成两组用,分别为x极和y极,用于产生X-Y平面上的二维运动.管状扫描器的优点是结构简单紧凑、扫描范围大、速度快,但与三角架式结构相比,扫描过程中X、Y及Z向之间的相互干扰很大,易产生交叉耦合误差.

不管采用哪种结构的扫描器,在与位移测量传感器联用进行位移时都存在Abbe误差.将位移测量装置用于测量管状扫描器的探针位移时,会引起严重的Abbe误差,如图2所示.假设探针或被测样品表面与管的端面距离为L,要测量的是X0点的位移.在产生位移后,由于管状PZT弯曲角度θ,X0到达X2点,而由位移检测器测得的位移是X0到X1点的距离,这是由于管状扫描器在扫描时其尖端产生弯曲造成的,探针在产生横向位移时,管状扫描器的弯曲使得探针产生的附加位移X2-X1不能被位移检测器测得,这是由于测量线与位移线之间存在Abbe臂L.