納米計量的新方法研究及雙成像單元原子力顯微鏡系統(tǒng)的研制.pdf

1、納米科技是二十世紀90年代發(fā)展起來的一門新興學科。掃描探針顯微鏡(SPM)，特別是原子力顯微鏡(AFM)，是納米科技研究的重要工具。利用AFM既可直接觀察物質(zhì)表面的納米級形貌，也能進行一定程度的納米加工。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對AFM等也提出了更新更高的要求，傳統(tǒng)的觀察型或檢測型AFM向計量型AFM發(fā)展將成為必然趨勢。本文提出雙成像單元原子力顯微鏡(DIU-AFM)的新思想，對其原理和方法進行系統(tǒng)的理論研究，在國內(nèi)外率先研制DIU-AFM

2、系統(tǒng)，發(fā)展了納米計量的新方法，拓展和提升了AFM的性能和應用范疇，不僅具有重要的理論意義和科學價值，而且在納米技術(shù)的諸多領(lǐng)域具有廣闊的實際應用前景。 本文闡述了SPM及幾種計量化技術(shù)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了SPM特別是AFM的工作原理及其在納米計量方面的局限性。以AFM為例，常規(guī)的AFM系統(tǒng)雖然都事先進行過必要的校正，但是從計量的角度而言，采用不同方法設計和生產(chǎn)出來的AFM系統(tǒng)，再用不同的方法進行校正后，它們的性能和精度仍然

3、是不同的。即使是同一臺經(jīng)過校正的AFM，隨著環(huán)境條件的變化和時間的推移，其性能和測量精度也仍會發(fā)生變化。因此，普通AFM系統(tǒng)的測量結(jié)果缺乏計量意義。為此迫切需要發(fā)展新的計量型AFM系統(tǒng)，以實現(xiàn)真正意義上的納米計量 本文首次提出和發(fā)展了基于DIU-AFM系統(tǒng)的納米計量新思想和新方法。這一方法的核心是用兩個并行設置而又互相獨立的AFM成像單元，對放置于同一個XY掃描器上的標準樣品和待測樣品同時掃描成像，得到兩幅具有相同橫向尺度的樣品

4、表面形貌圖。由于標準樣品具有周期性結(jié)構(gòu)，并且其已知的周期長度可以作為計量標準，因此，比較待測樣品與標準樣品的AFM圖像，就可以精確獲得待測樣品的具有可溯源到計量標準的尺度值，從而實現(xiàn)嚴格的納米計量。 基于上述原理和方法，我們在國內(nèi)外率先研制了雙成像單元原子力顯微鏡系統(tǒng)，其中特有的DIU-AFM探頭，由參考單元和待測單元組成，包括一個共用XY掃描器、兩個獨立的AFM微探針(各自安裝在Z向反饋控制器上)、兩路獨特的基于光束偏轉(zhuǎn)法的檢

5、測光路，以及兩套微探針—樣品逼近機構(gòu)。其次，研制了高性能、高精度、高速度的微納米掃描、檢測與PID反饋控制電路系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高精度和高速度的A/D&D/A接口卡實現(xiàn)掃描控制信號的輸出和AFM形貌信息的讀入。此外，研制開發(fā)了功能完善的DIU-AFM的微納米掃描、檢測、計量軟件及圖像處理軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)，并具備實現(xiàn)大掃描范圍的納米計量的軟件功能。 利用DIU-AFM系統(tǒng)成功進行了一系列納米計量實驗，驗證了基于DIU-AFM系統(tǒng)的納米

6、計量的可行性。用多孔氧化鋁或周期性光柵作為標準樣品，對多種樣品表面的納米結(jié)構(gòu)進行了線寬、粒徑、長度等的測量，獲得了具有計量意義的精確測量結(jié)果。實驗結(jié)果表明，本文研制的DIU-AFM系統(tǒng)性能優(yōu)越，借助于不同的標準樣品，可以很方便地對各種尺度的納米結(jié)構(gòu)進行精確計量，可達到1nm量級的計量精度。此外，DIU-AFM系統(tǒng)重復性和穩(wěn)定性良好、操作簡單，可以獲得具有可溯源到計量標準的測量值，而且系統(tǒng)對工作環(huán)境要求不高，可以被廣泛推廣應用。

7、進一步提出了一種基于序列圖像測量和圖像拼接的大范圍納米計量方法。為實現(xiàn)大范圍(如100μm～1mm量級)、納米精度(如1nm～10nm量級)的納米計量，將整個XY掃描器置于XY微動平臺之上，通過交替移動微動臺和進行DIU-AFM系統(tǒng)掃描，掃描獲得一系列參考圖像和被測圖像對，構(gòu)成一組一一對應的圖像序列。將這些序列圖像首尾拼接組成大范圍且具有納米量級精度的參考圖像和被測圖像，再利用雙元計量原理，就可以進行大范圍的納米計量。在理論上，這種方法