第一臺在納米測量中,在中等測量范圍內,具有微型光纖傳導激光干涉三維測量系統、可自校準和進行絕對測量的計量型原子力顯微鏡。它的誕生,可使目前用于納米技術研究的掃描隧道顯微鏡定量化,并將其所測量的納米量值直接與米定義相銜接。使人們更加準確地了解納米范圍內的各種物理現象,并對它們進行更精確的分析。文章對計量型原子力顯微鏡進行了理論分析,提出了對各種測量誤差的抑制及其補償方法,并進行了大量的實驗,得到良好的結果。目前,該計量型原子力顯微鏡在其測量范圍內,任意兩點間距離的測量不確定度為U95=5nm+2×10-4l;在z-軸上的測量不確定度為U95=(1.1~1.2nm)+2×10-4h。
1981年第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)出現,幾年后誕生了原子力顯微鏡(AFM),以這兩種顯微鏡為啟蒙和基礎,派生和發展了多種掃描探針顯微鏡(SPM)〔1〕用來研究納米范圍內的多種物理現象。進入九十年代,全球范圍掀起了一場納米科學與技術革命,這場革命不僅變革了傳統的制造技術,而且給航天、微電子、機械、生物、醫學工程及日常生活領域等帶來巨大的影響。
納米技術是在納米(10-9m)和原子(約10-10m)尺度上(0·1~100nm)研究物質(包括原子、分子)的特性及其相互作用、以及利用這些特性的多學科交叉的前沿科學與技術。它是基礎研究和應用研究緊密聯系的科學技術,其最終目標是直接利用物質的原子、分子以及物質在納米尺度上表現的特性,在納米/微米尺度上制造出具有特定功能的產品,從而實現生產方式的巨大飛躍。
利用SPM可以對被測表面及近表面區域的物理特征在原子量級的水平上進行探測,就分辨率而言,STM可達到皮米(pm)量級,AFM可達到亞納米量級。到目前為止,STM主要用于自然科學研究。而近幾年來,已有相當數量的AFM用于工業技術領域,其主要原因是AFM利用了被測表面與測量探針之間力的相互作用這一物理現象,因此除與STM一樣可以對導體進行探測外,還可用于絕緣體表面的探測,從而使它具有很好的適應性。AFM的探測力非常微弱,在10-6~10-9N之間,不會使表面產生變形和損害。在最初的發展階段,SPM被重點用于描繪被測量的表面,通過對這種描繪所觀測到的各種物理現象進行分析研究,使得人們獲得了重要的新的表面科學知識。但用這種描繪不能獲得更加準確、具有測量不確定度的計量意義的科學數據,而目前不論科學領域的研究還是工業上的需要,都迫切希望SPM能作為一種定量的計量型顯微鏡。尤其是工業技術方面,希望SPM能作為開拓解決工藝技術問題的新工具,如用于半導體工業和化學工業等等〔2,3〕。為此,現在的SPM還需要解決兩個問題:(1)作為計量型顯微鏡,必須能滿足相應科學計量儀器的技術要求〔4〕;(2)所得的測量量值必須能溯源到計量基準上。
AFM和STM可視為一臺微型坐標測量機。對其三個移動軸必須用一計量標準(如臺階樣板、水平格柵樣板)進行校準〔5~10〕或進行絕對測量。
我們研制成功了國際上第一臺計量型原子力顯微鏡。本文報導了具有計量性能的AFM的建立和對其計量測試技術所作的研究。這臺計量型原子力顯微鏡的特點是在AFM上安裝了微型光纖傳導激光干涉三維測量系統,并對照三坐標測量機的誤差合成數學模型,對計量型原子力顯微鏡的測量進行了分析、測試和修正及校準的研究。
計量型原子力顯微鏡的研制
為了研制計量型原子力顯微鏡,首先要選擇具有良好計量科學儀器設計特點的原子力顯微鏡,因此對目前能采購到的具有優良性能的SPM進行了研究。考察的重點是從SPM的設計角度通過實際測試研究溫度變化和外界振動變化對SPM測量結果的影響以及位移工作臺所在的三個位移軸的正交性。
由于SPM自身的設計尺寸與它的測量范圍相比要大1000倍或更大(10000倍以上),在SPM上的測量速度又較慢,所以受溫度變化的影響很大。據分析,由于設計不同,SPM的制造使用不同原材料,溫度變化給在SPM上測量帶來的誤差在10~100nm/K(還有的達到1000nm/K)。所以必須注意溫度變化對SPM的影響,否則對恒溫的要求就太高,要達到千分之幾開爾文(K)。當然,溫度變化引起的測量誤差是系統誤差,可以在一定的精度范圍內進行修正。
機械方面的影響:在SPM中探針與被測物體由彈簧系統相連接,它們之間的距離受SPM運動狀態的影響。因此,必須對SPM的固有共振頻率ωs與外界振動頻率ω間的關系作考察與分析:當ω ωs時外界振動的影響很小;當ω=ωs時對探針與被測表面的距離可有幾倍外界振幅的影響;當ω ωs時測量的偏差等于外界振幅。所以,SPM需要相應的減振系統,在研究中對減振系統的選擇作了分析,并給出了選擇的原則〔11〕。
根據上述的分析,選擇了Zeiss VERITEKT 3型AFM〔12〕并加以改進,使其符合計量型原子力顯微鏡的設計要求(這是與Zeiss廠一起合作的)。VERITEKT 3型AFM,它屬于被測物體運動型AFM(scanning sample AFM),主要由掃描部件和傳感部件組成,兩部分置于零膨脹玻璃底板上。有兩種測量模式可以選擇:接觸模式(contact-mode),針尖與被測表面的相互作用力約為10-7N;非接觸模式(noncontact-mode),相互作用力更小,僅為幾納牛(10-9N)。測量時傳感部件位置固定,使用商品型測量懸片,針尖半徑約為10nm。被測物體置于與掃描部件三維彈性位移系統連接的工作臺上,彈性位移系統的三個位移方向分別由三個壓電陶瓷驅動,壓電陶瓷的伸縮量由連接在調節回路中的電容位移傳感器調控。由于使用了彈性位移系統,使得三個移動軸的移動基本上相互獨立并能得到接近正交的移動。即使在沒有采取特殊措施的情況下,VERITEKT 3型的相對測量誤差一般也小于5×10-3。
VERITEKT 3型的測量范圍為(x,y,z)=(70μm,15μm,15μm)。x、y、z三個坐標方向的位置分辨率不一樣,在沒有經過改進的VERITEKT 3上,在x軸上為4nm,在y和z軸上均為1nm。改進后的VERITEKT3型則x、y、z軸上的分辨率分別為1nm、0·25nm和0·25nm。為了能對計量型AFM三個坐標軸上的測量進行校準和絕對測量,與伊爾門腦技術大學(TU Ilmenau)合作在VERITEKT 3型上安裝了微型光纖傳導激光干涉三維測量系統。圖1為簡化了的干涉測量系統結構原理圖。干涉三維測量系統絕大部分光學部件安裝在一個圓筒內,該圓筒將測量工作臺與彈性位移臺的三維移動部分連接在一起。從圖1左邊的部分可以清楚地看到帶有測量工作臺及三個壓電陶瓷驅動器的掃描部件。圖2右邊的部分是干涉系統的示意圖。在測量工作臺的背面固定了一個立體平面反射鏡,作為三臺干涉測量系統的測量反射鏡,它與測量工作臺一起移動。
微型光纖傳導激光干涉三維測量系統的分辨率均為0.1nm,該系統可以同時測出測量工作臺與掃描部件的靜止部分之間在AFM的(x,y,z)三個移動方向的相對位移,在采樣間隔為1nm時,測量不確定度為2~3nm。干涉系統同時具有λ/2的脈沖輸出,其測量不確定度為U95=1nm。校準AFM時,利用這一脈沖輸出。干涉系統的讀數和λ/2脈沖可同時輸入到計算機中。