用于纳米级三维表面形貌及微小尺寸测量的原子力显微镜

　　纳米技术的发展迫切需要能够检测纳米尺度及在此尺度上的各种物理化学现象的仪器,以往的多种测量仪器如扫描电镜、激光干涉仪、X射线检测等只能对整体结构和由微观现象所产生综合宏观现象进行测量,难以满足这样的要求。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的发明,正好可以满足这样的要求,已被迅速应用到纳米测量中。此后,各种基于类似近场扫描原理的显微镜不断出现,形成了一个扫描探针显微镜(SPM)家族。目前扫描探针显微镜已经在物理、化学、生物以及高新技术等领域得到了广泛的应用,对这些领域中的纳米尺度上的研究探索工作起到了非常重要的作用。

　　SPM也被用于工业测量中,在各种纳微米器件的线宽、线间隔、膜厚、台阶、两维结构和超光滑表面粗糙度的测量中得到了广泛的应用。SPM都具有相同的结构特征:(1)范围在几微米到几百微米的三维位移框架由压电陶瓷驱动;(2)用一个针尖在表面上滑动扫描(针尖和表面的距离通常小于几个纳米或者接触),在测量针尖和被测表面之间存在近场物理作用,它对针尖—表面距离极为敏感,通常为负指数函数或高次负幂函数;(3)近场作用的信号被反馈到高度方向的位移控制中,通过调节系统使近场作用保持不变,由高度方向的位移信号得到被测表面的形貌或其他物理量。

　　AFM是检测近场力变化的SPM,近场力转换由针尖-悬片实现。针尖(测针长度为几个微米,针尖半径小于10 nm)安装在悬片的自由端(悬片的弹性系数在0.1~1 N/m间,长度为100~200μm)。目前广泛使用MEMS技术制造一体化的针尖-悬片。测针与被测表面产生的作用力会使悬片产生弯曲,弯曲量与表面和针尖的距离有关,悬片的弯曲由悬片背面的探测器测出,目前主要采用光学传感器作为检测装置。近场力包括:离子排斥力(接触力)、Van-der-Waals力、静电力、磁力、表面张力、微弹塑力、摩擦力等。其中,微弹塑力、摩擦力与具体测量状态有关。由于近场力的范围很广,通过测量不同的近场力可以构成不同的扫描力显微镜,如磁力显微镜、静电力显微镜、电容力显微镜、横向力显微镜等。根据力和距离的变化关系也可用AFM做表面微型弹塑性变形的研究及硬度测量等。但最常使用的用于表面形貌测量的是离子斥力(接触力)和Van-der-Waals力。由于悬片的谐振频率在10~500 kHz之间,AFM对低频噪声不敏感,测量速度可以比较高;由于测量的是近场力,AFM可以测量导体和绝缘体等各种类型的表面。

　　1计量型原子力显微镜的构造

　　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。对于长度测量以及其它的数值测量,这意味着应将SPM视为一台微型三坐标测量机对其3个移动轴进行校准。为此需要使用台阶高度标准样板和水平格栅结构标准样板以及合适的校准方法。对于这些校准样板的校准和检定和对于纳米微结构的尺寸测量以及其它类似的测量,应当使用具有溯源能力的计量型扫描探针显微镜,因此必须在国家计量院建立相应的测量装置。