SPM用于超精加工领域的重要性及特殊性

　　1　引言

　　以STM(扫描隧道显微镜)为开端的SPM家族拓展出能观察各种表层物理量的显微镜群,显示出很大的扩展性。其中在超精密加工领域也得到了愈来 愈广泛的应用。为了使SPM从观察走向分析来达到其最终的目标,人们探求能从一个观测点同时可获得综合的信息,为此需要实现STM、AFM、STS、 STP和SNOM等的多功能化与多样化。超精密加工包含多种加工方式:车削、磨削、研磨、抛光、电解加工、离子束抛光等,从宏观上看它们都能加工出具有镜 面的工件,但是从微观上讲,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制于分辨率及成像机制的限制已无 法担当起对这样的工件表面进行检测分析的重任[1]。因此,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,而且也成为了一股推动超精加 工前进的力量[2]。然而,就象表面微观形貌的生成机理不同一样,检测机理的不同必然导致在同一点得到的观测分析结果存在巨大的差异。我们可以利用不同的 SPM镜群得到同一检测点很多的微观信息,但是如何能寻找出共同的表面特征参数并且与超精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 标所在[3]。因此,SPM多传感技术的发展也必将渗透到超精密加工领域中。有了它,我们也就拥有了建立起检测与加工融合的可能性。其重要性是不言而喻 的。

　　2　SPM的一般构造和特点

　　1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd.Binning博士和Heinrich.Roher博士及其同事们共同研制成功了世界第 一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(STM)。以它的出现为契机,已经和正在开发出很多的STM族类,这些总称为扫描探针显微镜(SPM)。

各种扫描探针显微镜

　　SPM的原理如图1所示。SPM是由微小的探针、XYZ驱动压电体(扫描器)、相互作用的检测系统(传感器)、控制器、显示输出装置以及试样台 构成,在这种构成中,靠扫描器的Z轴控制探针与试样间的量子力学相互作用,XY面内的每个象素所显示的就是SPM像[4]。已经和正在研究开发能观察和测 量各种物理量的SPM如附表所示。

　　STM和AFM是并不选择观察环境而即使在真空中、大气中和液体中也能以原子尺度的实空间分辨率进行观察的显微镜。因而,对于在常规条件下进行的超精密加工,利用SPM对其试件进行检测分析具有重要的意义。

　　3　STM与AFM的课题

　　同利用STM和AFM对生物有机物体等表面进行分析有所不同,STM和AFM应用于超精加工领域则在分辨率和定量性方面显得不充分。这里涉及到很多的因素,本文讲讲主要的问题。