基于原子力显微镜的纳米三维刻划加工控制系统

　　0　引言

　　扫描探针显微镜(SPM,主要包括扫描隧道显微镜(STM)[1]及原子力显微镜(AFM)[1])的发明,为人们在纳米尺度上研究物质的结构及相互作用提供了强有力的手段[2-3]。1987年AT & T Bell实验室的Becker R S等人[4]利用STM实现了Ge表面纳米尺度下的加工。1993年Day H D和Allee DR[5]成功地实现了硅表面的纳米结构制备。结合AFM技术,使用高硬度的金刚石或Si3N4微悬臂探针,对样品表面直接进行纳米量级的刻划加工,是人们近来研究的一个热点[6-7]。

        图1为AFM原理框图。AFM进行样品的表面成像时,使用作用力在纳牛级的微悬臂探针,不会造成样品表面损伤。在刻划加工中,一般应用足以破坏样品表面的较硬微悬臂探针,以达到微加工的目的。但应用AFM独立进行刻划加工时,还存在以下问题:无法直接设定刻划加工深度;改变垂直于刻划方向的进给量,刻划加工深度会随之改变[7]。

　　为解决这一问题,重新设计组建了基于AFM的刻划加工系统。

　　系统由AFM、高精密三维微动工作台、单片机控制器及主控计算机组成。AFM是美国DI公司生产的DimensionTM3100;将其SAM接口输出的PSD信号(±10V模拟信号)接入单片机控制器,构成反馈回路。微驱动部分采用德国PI公司的高精密三维微动工作台P517 _ 3CD。额定载荷为2·5 kg,X、Y和Z向移动范围分别为100μm、100μm和20μm,X、Y向定位伺服精度为±5 nm,Z向定位伺服精度为±1 nm,定位伺服响应时间小于10 ms。单片机控制器输出X、Y向的D/A电压信号驱动三维微动工作台进行X、Y方向的刻划进给,Z向D/A电压信号驱动三维微动工作台进行Z向位置伺服定位。主控制计算机完成刻划工艺的解释及界面控制,通过RS232串行接口与单片机控制器联机。单片机控制器实现刻划加工的控制。

　　1·2　刻划方案设计

　　图3为刻划过程示意图,图中可知h=S-υ,其中S为三维微动工作台Z向刻划进给量;υ为微悬臂反弹量。S由单微机控制器的Z向D/A电压信号给定(三维微动工作台进行位置伺服定位)。υ由AFM的SAM接口测出,经标定可得出具体的反弹量。

　　加工时,先由AFM系统控制扫描导管带动探针完成对样品表面的逼近,然后断开AFM的闭环控制。再由单片机控制器通过输出Z向D/A电压信号驱动三维微动工作台进行Z向深度定位控制,同时检测微悬臂的反弹量,将其差值与设定的刻划深度比对,并进行相应的调节,以达到设定的刻划深度。

　　微悬臂探针到达设定深度后,单片机控制器再驱动三维微动工作台进行X、Y向的步进调节。系统完成加工任务后,可利用AFM自身扫描成像系统进行在位检测。从而实现加工检测一体化。