基于石英音叉測頭的三維納米測量與定位實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，微細(xì)加工技術(shù)快速發(fā)展使得產(chǎn)品的導(dǎo)向趨于微型化，出現(xiàn)各種微型機(jī)械和MEMS器件。這些微型機(jī)械的幾何特征尺寸在數(shù)十微米至數(shù)毫米之間、尺寸精度在數(shù)十納米至數(shù)百納米。受限于測球尺寸和測頭系統(tǒng)的性能，傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)無法滿足這些器件的精密測量要求，雖然原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)在納米尺度上可以用來進(jìn)行微器件、微結(jié)構(gòu)的表面形貌檢測，但是測量范圍受到很大的限制，因此發(fā)展體積小、精度高的微納米級(jí)三坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急

2、。本系統(tǒng)在原有的石英音叉掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大深寬比微結(jié)構(gòu)形貌測量，并據(jù)此提出了一種基于石英音叉的三維觸發(fā)定位測頭，對(duì)系統(tǒng)的三維納米測量與定位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
　　文中完成的工作主要包括以下幾個(gè)部分：
　　系統(tǒng)研制部分：本系統(tǒng)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。本論文主要介紹了系統(tǒng)測頭、前置放大電路設(shè)計(jì)、鎖相環(huán)路、振幅反饋控制等部分。采用石英音叉與鎢探針或微探球相結(jié)合構(gòu)成系統(tǒng)測頭，通過DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)

3、生器提供交流正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)測頭勵(lì)振，采集卡采集數(shù)據(jù)，最終得到測頭的頻譜圖。通過實(shí)驗(yàn)測出測頭的諧振頻率、振幅和品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。
　　系統(tǒng)性能測試部分：通過實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)整體的噪聲，并獲得了掃描試樣時(shí)所需的電壓設(shè)定值、PI參數(shù)，以及系統(tǒng)空間分辨率和系統(tǒng)的機(jī)械振幅等參數(shù)。在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維納米定位臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了一維光柵表面形貌的測量，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大深寬比微觀結(jié)構(gòu)的表面形貌測量。
　　三維納米測量與觸發(fā)定位部分：采用石英音叉

4、與微探球相結(jié)合，構(gòu)成輕觸模式三維諧振觸發(fā)測頭，其與三維工作臺(tái)結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)械和MEMS器件等各種復(fù)雜形體的高精度、低破壞性三維定位，為后期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)真三維測量奠定了基礎(chǔ)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于石英音叉的SPM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大深寬比微觀結(jié)構(gòu)的表面微觀形貌測量，拓展構(gòu)建的三維諧振觸發(fā)定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的納米級(jí)精確定位。通過初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測頭在X、Y和Z方向上的空間分辨率分別為0.2nm、0.15nm和0.0