快速大面积测量用原子力显微镜扫描速度对测量结果的影响

　　1　引　言

　　近年来，随着信息技术、超精密加工技术的迅速发展，用于大型、高精度成像装置中的光学零部件(如微透镜阵列[1-2])以及超精密加工机械中的光学检测元件(如正弦波光栅[3-4])的需求不断增加。这些光学零部件的表面为具有周期性微结构形貌的大型表面，往往波长为数微米至数百微米，振幅为亚微米至数十微米，表面面积超过数平方毫米。目前，上述大面积微结构表面形貌的快速测量已成为非常重要的课题。原子力显微镜(AFM)往往被用于微结构表面的三维形貌测量[5-12]。然而，在目前的商用AFM中，大都以压电陶瓷驱动器作为其X、Y方向的扫描器[13-20]，由于压电陶瓷扫描器的扫描范围较小，多在100μm×100μm范围内，所以无法满足微结构表面的大面积测量的要求。

　　为实现光学零部件微结构表面的快速、大面积精密测量，本文构建了一种新的AFM系统。在测量微悬臂探针带宽的基础上，在不同扫描速度下分别测量光栅微结构表面上的一条直线与一个圆周，进而分析了扫描速度对测量结果的影响。实验结果表明，当扫描速度不超过微悬臂探针的有效带宽时，所构建的AFM系统可无失真地实现微结构表面的快速、大面积测量。

　　2　 AFM系统的构成及其工作原理

　　2.1　AFM系统的构成

　　如图1(a)所示，本文的AFM系统由沿X轴移动的空气导轨式平台、绕Z轴旋转的空气转轴、用于测量形貌的探针单元构成。其中，探针单元是专门设计的，主要包括探针及其传感器、Y向调节器、Z向调节台。空气导轨式平台的移动范围与最高移动速度分别为300mm和400mm/s;空气转轴通过空气卡盘可以安装最大直径为130mm的试件，其最高转速可达300r/min。由于空气导轨式平台与空气转轴分别安装了位置分辨率为0.28nm的直线光栅与0.008　57″的圆光栅，从而可使直径为130mm试件最外周上的最小采样间隔达到6nm。图1(b)所示为微悬臂探针及其传感器，微悬臂探针的材料为硅，通过硅微工艺制作而成。传感器为固态压阻式，位于微悬臂探针的根部。该传感由两个扩散型半导体应变片构成，其中一个用于测量，另一个用于温度补偿，它们同另外两个精密电阻构成惠斯顿电桥，用来检测探针针尖和被测表面之间的原子力，以获得被测表面的微结构形貌。Y向调节器用来微细调节探针在Y方向的位置，Z向调节台由粗调(由分辨率为0.5μm的手动调节台实现)和精调(由分辨率可达纳米级的压电陶瓷驱动器实现)两部分组成，用来调节探针在Z方向的位置，以使探针处于原子力的排斥力区。

　　2.2　AFM系统的工作原理