扫描探针显微镜扫描器运动误差的研究

　　1　概述

　　扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)是指包括扫描隧道显微镜[1](ScanningTunneling Microscope,简称STM)以及原子力显微镜[2](Atomic Force Microscope,简称AFM)等在内的一系列的显微镜,它们可在空间3个方向上同时实现纳米量级的高分辨力的观察与测量,可对集成电路、微型机电系统以及各种超光滑表面的超微结构实现观察与测量。因此, SPM在纳米测试技术以及纳米量级的超微加工等众多领域中得到了广泛的应用。

　　扫描器是SPM的重要部件,它不仅被用来产生探针的三维运动,而且还是测量数据的直接来源,因此它对SPM的测量精度影响很大。目前使用最广泛的SPM扫描器是由Binnig和Smith发明的单管式压电陶瓷扫描器[3]。该扫描器由一个中空的圆柱状压电陶瓷管组成,在其外壁均匀对称地沿轴向镀上4个金属电极。其中相对的两个电极成对使用,施加单极性或双极性的电压,产生一个水平方向的扫描运动。压电陶瓷管的内壁也全部镀上金属电极,用于产生Z向的运动。单管式扫描器具有以下优点:①结构简单小巧;②机械固有频率高,对环境振动不敏感;③其圆柱对称结构,有利于消除扫描器在X-Y方向的热漂移;④易于制造。虽然单管式扫描器具有上述这些显著的优点,但其仍存在很多影响SPM测量精度的误差因素。这些误差因素可以分为两大类:第一类误差是由压电陶瓷的压电误差,如非线性、滞后、蠕变及老化等所造成的扫描器运动误差;第二类误差是扫描器的结构误差,它是指由扫描器自身结构的缺陷所造成的扫描器运动误差,主要包括交叉耦合误差、非正交误差以及扫描器形状误差等。本文对由压电陶瓷的压电误差所造成的扫描器运动误差进行了理论和实验研究。

　　2　压电陶瓷压电误差造成的扫描器运动误差

　　压电陶瓷是由锆钛酸铅及其它添加剂经过粉碎、高温烧结以及极化过程制成的。由于其优良的特性,压电陶瓷被广泛地应用于SPM及其他一些场合,用来产生高分辨力的微位移。理想情况下,压电陶瓷上所施加的场强E与所产生的位移之间的关系为:

　　式中　S———压电陶瓷产生的位移,nm;

　　l———压电陶瓷的原长,m;

　　d———压电陶瓷的压电系数,nm/V;

　　E———外界所加电场的场强,V/m。

　　实际使用中,压电陶瓷的场强与位移之间的关系会偏离式(1)的理想情况,产生非线性、滞后、蠕变以及老化等压电误差。

　　2·1　非线性造成的扫描器运动误差

　　在压电陶瓷使用过程中,压电系数d的大小与所加电压有关,而不是常量,这就造成了压电陶瓷位移与场强之间的非线性。SPM中使用的压电陶瓷的非线性一般在2%~10%之间。