对计量型原子力显微镜纳米测量系统的比对验证

　　0　引言

　　纳米技术是当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的技术领域之一,被誉为二十一世纪的科学。伴随着纳米技术发展的需要,纳米级尺度的检测和溯源问题就变得日益迫切,而以往的扫描电镜、工具显微镜、通用激光干涉仪等检测仪器均无法满足如此高精度的微观测量要求。原子力显微镜(AFM)则正好能满足这样的要求,已被广泛应用于纳米测量中,在一维或两维结构的微纳米器件的线宽、线间隔、膜厚及台阶高度等参数的测量中发挥着重要的作用。我院针对已有的原子量显微镜进行了深入研究,成功研制了可溯源的高精度纳米测量系统,为我国纳米技术的研究和生产提供有力的技术保障。

　　1　计量型纳米测量系统的建立

　　1. 1　测量系统的介绍

　　原子力显微镜纳米测量系统的研究主要是围绕着中国计量科学研究院(NIM)的计量型原子力显微镜进行的。原子力显微镜是靠控制探针针尖和被测表面间的原子相互作用力而检测微观表面形貌的,可用于检测导电和非导电材料,并不受试件表面电子态影响,测量结果更接近表面实际形貌。该计量型原子力显微镜是通过对一台商业仪器VERITEKT3(生产厂家: Carl Zeiss Jena Gmbh)进行改建实现的,仪器主要由扫描器、测针位置传感器和三维微型激光干涉仪及机座构成,整个系统全部由殷钢和零膨胀玻璃构成,将温度变化对测量的影响降到最低程度;具有整体三维弹性位移台,压电陶瓷使用电容传感器进行位移控制;在原子力显微镜上固结了三维微型激光干涉测量系统对原子力显微镜的位置误差进行校准,从而将纳米测量的量值直接溯源到米定义激光波长基准。其外形如图1所示。

　　1. 2　测量系统的特点

　　1. 2. 1　建立无阿贝误差的三维测量结构

　　阿贝误差是纳米计量中最大的误差来源,其原因是阿贝距离是以mm为单位,而我们的测量是以nm为单位,两者相差了倍。非常微小的转角和很小的阿贝距离就会造成很大的阿贝误差。如1mm的阿贝距离,一秒的转角所产生的阿贝误差就有5nm。目前的计量型原子力显微镜的三维微型激光干涉系统的阿贝距离约为23mm,转角约为0. 5s,在测量行程上所产生的阿贝误差将有55nm,对于线宽和线间距的测量将会产生很大的测量误差。因此我们研制出消除阿贝误差的计量型原子力显微镜的三维微型激光干涉系统。

　　1. 2. 2　新型驱动控制系统

　　以前的原子力显微镜的全部驱动控制和测量由一台486PC机完成,由于486计算机的速度和能力有限,在驱动程序中基本不考虑动态控制的问题,对我们进一步提高仪器的测量精度和扩展仪器的工作能力非常不利。由于在测量系统中加入了很多新的校准控制方法,进一步加重了计算机的负担,使得仪器工作速度进一步放慢,测量时间延长,温度漂移的影响显著加大。为此我们建立了以DSP为主导的新的计量型原子力显微镜测量驱动控制系统。