原子力显微镜阳极氧化加工的机理研究

　　0　引言

　　自从原子力显微镜(AFM)发明以来[1],一直主要应用于观察和检测物体表面的形状、摩擦力、变形、电场力等方面的研究。由于扫描隧道显微镜针尖与导电基底与I、U关系非常紧密,在局域氧化过程中,针尖因经常撞到样品表面的绝缘部分而被损坏。另外,半导体纳米结构作为从经典力学到量子力学的跨越研究的理想模型,而半导体器件的小型化一直依赖电子刻蚀技术的发展,因此必须寻找一种替代的纳米加工方法。目前, AFM广泛地应用于纳米加工和纳米操纵领域,用导电AFM针尖诱导表面阳极氧化被认为是一种非常有前途的纳米电子器件和纳米机械构件的加工方法[2-4]。本文将重点介绍AFM针尖在电场作用下的纳米加工机理。

　　1　实验方法及原理

　　把经过预处理的待加工物暴露给空气中的带有负偏置电压的可导AFM针尖,这样针尖附近就产生了一个很强的局部电场,这个很强的电场导致了在针尖的附近表面发生阳极氧化反应。局部的氧化图案就这样生成了。大气状态下工作的AFM导电探针通过电场诱导阳极氧化样品表面被选择的区域,类似于传统的电化学阳极氧化,不同的是,该情况下电化学单元的阴极被AFM探针取代,周围大气中的水分充当电解液。当施加偏压时,样品表面被局域氧化成10~100nm的横向尺寸和1~10nm的厚度,氧化物大小依赖于样品的材料、探针的形状、暴露的环境(主要是空气湿度)、探针偏压、扫描速度等。

　　该种加工方法里面最重要的仪器就是AFM,有必要先了解AFM的结构。AFM主要由4个部分组成:扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机和自动逼近控制电路。

　　图1是AFM工作原理示意图。半导体激光器发出激光束,经透镜汇聚打到探针头部,并反射进入四象限位置检测器中,转化为电信号后,由前置放大器放大后送给反馈电路,反馈电路发出的一部分信号进入计算机,再由计算机将数字信号转化为模拟信号,经高压放大后驱动压电陶瓷管在二维平面扫描。AFM针尖是利用一种对微弱力极其敏感的弹性微悬臂梁作为传感器,其一端固定,另一端有针尖,通过针尖对样品表面作扫描光栅。当针尖在样品上扫描时,针尖和样品间的作用力引起微悬臂的变形,从而导致了光反射激光束在检测器中的位置发生改变。检测器中不同象限间所接收到的激光强度代表臂变形量的大小,在反馈电路的作用下,微悬臂形变通过压电管在Z方向伸缩进行补偿,计算机采集每个坐标点对应的反馈输出后,再转化为灰度级,在显示屏上表示出样品的表面形貌。

　　基于AFM针尖电场诱导局域氧化制备纳米结构的工作,以易操作、结构简单可控、氧化物本身具有优良的绝缘特性、抗刻蚀性及与现有的微电子工业工艺相容性等优点受众多研究小组普遍关注[5-6]。