一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

　　随着技术的发展,已经在半导体加工、超精密机械加工、生物医学等领域出现了一系列的纳米技术.这些发展成为成熟的工业技术,以及纳米产业快速、持续发展,都迫切需要计量拓展到纳米范畴成为基础性的支撑.因此,计量学也进入了纳米时代.纳米计量是纳米产业生产过程中质量控制需要,也是进出口贸易中商品品质保证以及质量仲裁的依据.为此,世界上主要工业发达国都在致力于建立与纳米技术相关的计量标准与计量基标准仪器设备.1998年国际计量局(BIPM)成立了纳米计量工作组(WGDM7DG),决定组织以下5种类型纳米基准样板的关键量国际比对(Nano 1-5):线宽标准、台阶高度标准、线间隔(线纹标尺及CD线间隔)、一维光栅和二维光栅,并决定从2000年起开展比对,其目的是为了建立国际统一的纳米量值体系.

　　在这种形势之下,中国计量科学研究院承担了“2.5维大范围纳米结构测量系统的研究”这一课题.她源自国家“十五”重大科技专项“重要技术标准研究”课题《微电子与纳米材料及特性材料测量技术和计量基标准的研究》,目标是要建立一个具有纳米精度的大范围结构测量系统以及相关的标准化测量与计算方法,对内成为我国纳米标准化量值传递体系的重要技术设备和溯源基准,对外满足国际关键量比对的需求.

　　该课题建立的测量系统称“纳米测量机”,目前国际上具有类似分辨率的测量仪器有不少,但同时具备大范围(25 mm或以上)、可溯源特点的却屈指可数.已经报道的有美国标准技术研究院(NIST)的分子测量机(Molecular MeasuringMachine,M3)[1]以及德国物理技术研究院(PTB)的计量型大范围扫描探针显微镜(metrological largerange scanning probe microscope,LR2SPM)[2],它们都采用了SPM技术.

　　扫描探针显微镜(SPM)技术是纳米测量中最重要的测量技术.我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头,它是纳米测量机的首要敏感元件.本文从原子力显微镜测头与纳米测量机的关系开始,介绍原子力显微镜测头的详细构造和特点,最后给出相关原始实验及扫描图像,以此为基础给出该原子力显微镜测头的评价.

    1　原子力显微镜测头与纳米测量机

　　纳米测量机的位移系统由宏观位移系统和纳米位移系统组成(表1),这是兼顾大范围与纳米精度以及快速性的普遍选择.计量系统是纳米测量机与一般纳米测量系统相比的最大区别.使用激光干涉仪测量长度,测量值可以直接溯源到米定义国家基准.

　　图1中宏观位移系统主要是用于将工件移动到要求的位置,而纳米位移系统主要是作为测量用.纳米位移系统包括两个纳米位移台.小型三轴纳米位移台位于z轴上方,高分辨小量程地驱动原子力测头及其反射镜进行z向运动.纳米位移台的位移很小,因此相对阿贝误差很小,实现高分辨率的纳米测量.六轴纳米位移台位于大范围工作台上,搭载标准立方反射镜与被测样品,主要实现样品的xy扫描.这样的设计由于z轴扫描器上的质量很小,动态性能良好,产数率高[3].但xy扫描速度则受限于载物台、样品总质量.