扫描探针机械刻蚀及DPN新技术

　　0　前言

　　自1982年Gerd Bining和Heinrich Roher发明第一台扫描隧道显微镜(STM)以来,已相继出现了原子力显微镜(AFM)、电场力显微镜(EFM)、开尔文显微镜(RFM)、近场光学显微镜(SNOM)等一系列扫描探针显微镜(SPM)。扫描探针显微镜不仅是可直接观察到物质表面的微观形貌的高精度显微工具,还是一种可以在微纳米尺度上对样品表面进行刻蚀的加工工具。专家预测, SPM在工业界的市场,将大大超过其在科研与教学领域,超越了作为认识世界的显微镜的意义,成为创造财富的纳米机器。

　　基于SPM进行纳米刻蚀加工中的常用工具为STM和AFM。STM的工作原理是将扫描探针与样品作为电极,利用探针靠近样品(通常小于1nm)时产生的隧道效应电流的变化来实现微观表面的探测与加工。隧道效应电流j与样品-针尖间距s呈指数关系,间距每减少0·1nm,电流增加1个数量级。AFM利用弹性微悬臂梁作为传感器,微悬臂一端固定,另一端装有针尖,当压电陶瓷三维扫描控制器驱动针尖在样品表面扫描时,针尖与样品间作用力引起悬臂梁发生形变,通过测量与形变量相对应的检测器信号,可得到样品表面形貌图样。AFM以微臂梁的力形变替代了STM中的隧道效应电流,突破了STM只适加工导体的限制,可实现对半导体、绝缘体的表面加工。

　　近年来,基于STM/AFM的扫描探针刻蚀技术发展迅速,本文主要介绍该项技术在机械加工、DPN方面的机理研究和发展状况。

　　1　机械刻蚀加工

　　机械刻蚀加工是指SPM针尖与样品在接触模式下,通过控制针尖施加作用力(一般几十微牛),直接在样品表面刻蚀出纳米级图形。Loenen等[1]最先报导了此方法。早期采用STM针尖加工, Silva等[2]用STM探针尖在云母表面的金镀层上机械刻蚀得到约70nm宽的凹槽,目前多采用AFM针尖进行研究。主要研究方向有以下几个方面:

　　(1)利用扫描隧道显微镜在不同材料表面上进行纳米机械刻蚀加工方面,众多学者在这方面作了大量工作,为后续研究工作奠定了基础。由于刻蚀加工中一般要求SPM针尖的材料硬度应高于样品硬度,有相当学者用金刚石针尖代替硅或氮化硅针尖,在金属或金属膜表面加工。加工过程中产生的刻屑与针尖的曲率半径通常限制了纳米结构的分辨率。

　　(2)在材料表面刻蚀加工出复杂图形及简单三维立体。二维图形及三维立体的加工表征了对纳米级厚度材料去除技术的控制水平,同时也是微机械发展的需要,有着实际意义。法国的S·Tegen和德国的B·Krache[3]在镀在云母上的薄金膜上加工出直线和圆。北京大学的陈海峰课题组[4]在Au-Pa合金膜上使用DI公司125nmSi针尖,施加20μN作用力在100nm×100nm范围内刻画出唐诗和北大校徽,深度2nm,最小线宽达2nm, J·M·Lee等[5]采用金刚石针尖在金属表面加工了三维台阶。