扫描探针显微镜在超精密加工中的应用

　　原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是1986年由Binning,Quate,Gerber等人发明的新一代扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)[1],我们已经将其应用于超光滑表面抛光新工艺的研究工作中。作者结合国家自然科学基金项目“埃级超光滑表面无磨料低温抛光的理论与实验研究”[2],利用SPM(Scanning Probe Microscope)进行了原子级表面检测的研究。

　　超精密加工包括多种加工方式:车削、磨削、研磨、抛光、电解加工、粒子束抛光等。从宏观上看它们都能加工出具有镜面效果的工件。但从微观上讲,由于加工机理的差异,在纳米量级上工件的表层特性肯定存在着巨大的差异。传统的表面检测手段受分辨率及成像机制的限制已无法对此类工件表面进行检测[3]。因此,以STM为开端的SPM镜群的出现不仅使人们拥有了一种能观测表面微观特性的手段,而且推动了超精密加工技术的发展。利用不同的SPM镜群可以得到同一检测点的微观信息。但是如何找出共同的表面特征参数并与超精密加工手段以及优化加工参数紧密准确地结合起来,则是人们努力的目标[4]。SPM多传感技术的发展使我们拥有了建立起检测与加工融合的可能性。

　　1　SPM的基本原理

　　SPM是国际上近年来综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、计算机高速采集和控制及高分辨率图形处理技术、应用光学技术等现代科技成果开发出来的光、机、电一体化高科技表面分析仪器。其中原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)是扫描探针显微镜的典型代表。

　　AFM使用一个一端固定、另一端装有针尖的微悬臂来检测样品表面形貌或者其它表面性质。通过压电陶瓷三维扫描控制器驱动针尖或者样品进行相对扫描。针尖和样品表面间相互作用使悬臂发生变形,形变通过探测器检测并通过反馈调整针尖或样品Z轴方向位置,保持针尖和样品间作用力恒定。通过测量检测器信号对应样品扫描位置的变化,就可以得到表面形貌图像。典型的AFM工作原理如图1所示。扫描隧道显微镜(STM)与图1结构略有不同。STM发明的时间较早,结构相对简单,只有探针。STM工作原理如图2所示。

　　针尖与样品表面的隧道电流密度j为:

　　式中: Vb为针尖与样品间的偏置电压,V;k0=0.5×1.025×0.5(Φ1+Φ2),Φ1、Φ2分别为探针和样品的功函数,eV;s为探针和样品的间距,nm;e为电子电量;h为普朗克常数。

　　j和s有指数关系。隧道电流对针尖与样品间的距离非常敏感,s减小0.1 nm,隧道电流将增加一个数量级。利用这一关系即可通过距离s或电流密度j的变化检测样品表面的起伏,得到样品的表面形貌。