微纳米尺寸测量技术

　　现代工业的迅速发展，对光学、半导体电子学、精密工程、天文学和航空航天工程等零件或元件的精加工或超精加工的尺寸或形状精度，要求达到微纳米级或纳米级，由此基于各种原理的纳米测量技术应运而生。

　　纳米科学与技术是在纳米(10“”m)尺度上研究和利用原子、分子的特性及其相互作用的高新技术。它的最终目标是直接以原子、分子在纳米尺度上制造具有特定功能的产物，实现制造、生产方式的飞跃。

　　纳米科学与技术的发展离不开纳米测量技术，并相继出现了纳米分析(NanoanalysiS)、纳米测量(Nanomeasurement)和纳米探针(Nan叩robe)等表征技术。近几年发展的微纳米测量技术种类繁多，但主要归为四类:扫描探针显微技术、光外差干涉技术、X射线干涉显微技术和基于F-D标准具的测微技术等，现分述如下:

　　1扫描探针显微技术

　　扫描探针显微技术是一种新型的表面分析手段，其典型仪器是扫描隧道显微镜(51，M)和原子力显微镜(AFM)。

　　1981年IBM公司苏黎世研究实验室(ZuriehResearehLalx刀二atory)的Binnig和Rohrer等发明了扫描隧道显微镜(SJ，M)[#]，它具有很高的空间分辨力(垂直分辨力为o.01nm，水平分辨力为0.Inm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到微观世界。91、M的基本原理是基于量子隧道效应，它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面。当针尖和表面靠得很近时(

　　图l给出了sTM的结构示意图囚，包括:探针与试样的逼近装置;保护隧道电流恒定的电子反馈及显示探针Z方向位置变化的显示器;操纵探针一沿试样表面X方向和Y方向运动的压电陶瓷扫描控制及位置显示器，以及数据采集和图象处理系统等。

　　用grM可以直接观测到单原子层的表面的局部结构;其次，能够得到表面的三维图象;此外，通过扫描隧道显微镜的探针可以操纵和移动单个原子或分子，按照人们的意愿进行排布，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工。

　　SM要求被测试件有好的传导性，1986年Binnig等人在STM的基础上又研制了原子力显微镜(AFM)仁“〕。AFM极大地扩展了sTM的使用范围，它测量针尖和试件之间的吸引或排斥力，所以可用于导体和非导体材料。由硅或硅氮化合物制成的探针，安放在长100一500拼m和厚约0.5一5拜m的弹性悬臂上。操作过程中，针尖与表面相互作用，并以栅格形式在试件表面移动。用压电驱动器产生试件与探针在三个轴向的运动，位置精度在0.Inm以下，最大的扫描面积约100拼m丫100拼m。由表面高度变化造成的悬臂偏斜通过聚焦在悬臂上的激光监控，而且反射到光二极管探测器上。在正常的方式下，探针尖与试件连续接触，类似于触针式仪器的方式，但具有纳米的分辨力。加到试件上的力取决于悬臂的偏斜和它的弹性常数，弹性常数的变化在0.01一100N/ll:内，AFM在图像工作方式要保持一个恒定的悬臂偏斜。图2示出了AFM的测量原理图困。