掃描探針顯微技術(shù)及其精密工程應(yīng)用

丁力

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

掃描探針顯微技術(shù)及其精密工程應(yīng)用

Applications of scanning probe microscopy and precision engineering

丁力

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

本文首先簡單介紹了SPM自身的一些基本關(guān)鍵技術(shù)，闡述了其精密工程的應(yīng)用，重點指出了納米級加工機理的研究在一定的程度上依賴于SPM的多功能化和復(fù)合化。

掃描探針顯微技術(shù)；精密工程；應(yīng)用

掃描探針顯微技術(shù)是近30年慢慢發(fā)展起來的一種技術(shù)，實際上是一種納米尺度上的表面測試技術(shù)。它主要把各種技術(shù)（如光電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、激光技術(shù)以及計算機高速采集和控制技術(shù)）綜合運用了起來，可以說這是一場技術(shù)大改革，讓大家可以將原子級的微觀過程逐步展現(xiàn)出來，從而看到現(xiàn)在的納米世界。

1 掃描探針顯微鏡的關(guān)鍵技術(shù)

隨著掃描探針顯微技術(shù)在生活中各個領(lǐng)域的應(yīng)用與快速發(fā)展，隨之而來面臨的挑戰(zhàn)的也是越來越大。因為在不同的領(lǐng)域所用到原理與探測方法是不一樣，為了滿足被測信息的基本需要，一些SPM的新技術(shù)與探針被研究出來。以下主要是討論SPM自身的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 探針探測理論的深入研究

確切來說，SPM的核心部件主要是掃描探針，它的主要原理是在納米尺度上通過非常細的光、熱、力、電的探針去研究這些物質(zhì)的表面信息，從而需要涉及到一些介觀物理與量子物理。從統(tǒng)計力學(xué)的角度來看待這個問題, 我們發(fā)現(xiàn)介觀體系與宏觀體系無論在各個方面都存在非常明顯的差別，然而這些差別主要體現(xiàn)在小到失去了宏觀體系通常所具有的平均性與最小值。探針針尖尺度非常的小，小到接近介觀尺度。具體來說，已經(jīng)由很小的尺寸系統(tǒng)慢慢進入到量子擴散區(qū)，所以我們研究的對象呈現(xiàn)出一定的弱局域電性，這很明顯反映出介觀體系的基本特點與特性。我們知道，在微小尺寸的系統(tǒng)中，在探測過程中通常會看到大量物理參數(shù)的微小變化也是很正常的，比如說納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)鍵、范德華力變化等等。所以很有必要建立一套掃描探針顯微學(xué)的物理理論。不同的掃描探針顯微技術(shù)是具有不一樣的探測原理，當(dāng)然，也會有一些共同點，比如參數(shù)的測量成份中有其他參數(shù)的變化。所以為了更準確、更迅速地反映被測樣品的本質(zhì)，需要我們熟悉不同探測理論與技術(shù),并在此基礎(chǔ)上去不斷的發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)，從而建立一套全新的、更具有說服力的理論系統(tǒng)，為我國工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1.2 微探針工作的檢測技術(shù)

SPM儀器工作時, 微探針的信號檢測技術(shù)不僅可以對被測樣品進行掃描，同時也可以感受到各種各樣的表面信息，這種技術(shù)主是利用探針與被測物質(zhì)表面距離敏感的隧道電流變化來探測樣品；而表面信息的獲取有多種途徑，其中主要是通過微懸臂的超微力進行檢測。在這里需要特別指出的是，在各種懸臂形式的掃描力顯微鏡中，超微力的檢測形式與方法種類非常多，而目前最為常用的檢測形式是電容檢測法、光學(xué)杠桿法和壓電法。光學(xué)杠桿法相對電容檢測來說，操作更為容易，靈敏度也高很多；然而近期最為常用的壓阻及壓電法是靠懸臂來獲取信號，所以它的結(jié)構(gòu)相對前兩種更為簡單，在掃描的時候也不要做什么調(diào)整，非常適于檢測較大樣品與材料，最主要的是可以成批生產(chǎn)相應(yīng)的懸臂,將來非常有可能代替光學(xué)杠桿成為主流的檢測技術(shù)。

1.3 相位成像技術(shù)與力調(diào)制技術(shù)

在SPM探針將物體進行形貌成像的基礎(chǔ)上,用到了一些圖像處理的特殊技術(shù)與方法，主要是利用不同樣品與材料的一些表面固有的特性,來區(qū)別與采集它們的差異性，從而更好地分析料表面的特殊信息。

相位檢測技術(shù)是利用信號與懸臂，對樣品表面的響應(yīng)信號的變化來反映樣品表面性質(zhì)。它在復(fù)合材料表征、表面摩擦和粘度檢測等方面在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

力調(diào)制技術(shù)(Force Modulation Technology)與振幅存在固有的關(guān)聯(lián),從而知道彈性區(qū)域分布位置與表面硬度。傳統(tǒng)的力調(diào)制技術(shù)主要是根據(jù)調(diào)制信號來實現(xiàn)垂直振蕩，所以此技術(shù)在運用過程非常容易引起機械振動；新研究出來的力調(diào)制系統(tǒng)利用它自身額外的壓電調(diào)制控制器解決了這個問題，從而在一定程度上減少了共振。

2 SPM在超精密加工中的應(yīng)用

超精密加工是指亞微米級與納米級的精度的加工，在精度加工過程中尺寸誤差大約可以精確到0.3~0.03 μm；在實際測量過程中，加工表面粗糙度經(jīng)過計算得出的結(jié)果是小于等于 0.005 μm。在這個加工過程中所采用的技術(shù)措施與工藝方法我們統(tǒng)稱為超精密加工技術(shù)。

2.1 用STM進行微細加工

掃描隧道顯微鏡的加工方法有兩種：第一，在樣品的表面上直接寫入點與圖形符號，一般在STM的恒流模式工作狀態(tài)下，對針尖加上電壓脈沖，從而縮短他們之間的距離，使得樣品表面發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化；第二，STM通過一系列化學(xué)反應(yīng),可以使得針尖下的表面微區(qū)淀積金屬材料。

眾所周知，世界上第一臺STM在1981年問世，這個裝置經(jīng)過科學(xué)家的多次驗證已經(jīng)變得非常完善。它的工作原理與電子束一樣,可用平面制版來進行加工。另外它還具有原子尺度的分辨率，可以很清楚地顯示表面的結(jié)構(gòu)形貌；其次，它的電子能量低，從而對材料的損傷也非常低，精確度非常高，所以利用它可以在真空、大氣甚至一些液體中進行加工；在結(jié)構(gòu)性方面，它比電子束裝置、需聚焦、偏轉(zhuǎn)的離子等要簡單很多。

2.2 SPM在臨界尺寸（CD）檢測中的應(yīng)用

在光刻工藝過程中，最為重要的是對圖形進行CD檢測和控制。所以對CD的微處理器和存儲器的要求也相應(yīng)提高。一般而言，CD在變動過程中，只能允許在圖形尺寸10%范圍內(nèi)進行活動，因此對儀器分辨率要求相對較高，一般而已一定要高于2 nm。

3 結(jié)語

掃描探針顯微技術(shù)把人類帶到了微觀世界，對于超精密加工來說，怎樣使用工具來對工件表層進行微觀機械特性及微觀物理特性的定性乃至定量的分析，從而有效指導(dǎo)加工方法的選擇及工藝參數(shù)的優(yōu)化，達到加工與檢測融合的目標，是這一領(lǐng)域的重要課題。

[1] 白春禮. 掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用. 上海：上海科技出版社，2013，91.

[2] 白春禮，田芳. 掃描力顯微鏡.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2014，1~2∶79~83.

[3] 彭昌盛，宋少先，等編著. 掃描探針顯微技術(shù)理論與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：15~20.

[4] 陳代謝，殷伯華，等. 高速高精度 SPM 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010，1：109~112.

[5] 張冬仙. 原子力顯微術(shù)的新方法研究及新型原子力顯微鏡系統(tǒng)研制[D]. 浙江大學(xué)，2013.

[6] 陳代謝，殷伯華，等.大范圍高速原子力顯微鏡的前饋反饋混合控制方法.光學(xué)精密工程，2011，19（4）： 836~843.

[7] BINNING G,QUATE C F,GERBER C.Atomic force microscopy[J].Physical Review Letters,1986,56:928~930.

[8] 劉向陽，王立江，高春甫，等.光學(xué)材料無磨料低溫拋光的試驗研究[J].機械工程學(xué)報，2014，38（6）：47~50.[9] WHITEHOUSE D J.Comparison between stylus and optical methods for measuring surface[J].Annals of the CIRP, 2012, 37(2): 56~58.

[10] DRAGOSET R A,YOUNG R D,MIELCZAREK S R.Scinning tunneling microscopy applied to optical surfaces[J].Optics Letters,1986，11（9）：420~422.

[11] 白春禮，田芳.掃描力顯微術(shù) [M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[12] 許茂桃.超精密加工技術(shù)的發(fā)展及其對策[J].制造技術(shù)與機床，2013（1）：7~9.

[13] WANG Jiaji.In-line inspection technology for deep submicron IC process[J].J.Solid Slale Technol，1998（6）：10~12.

[14] 趙清亮，王景賀，李旦，等.掃描探針顯微鏡的最新技術(shù)進展及應(yīng)用[J].電子顯微學(xué)報，2012，19（1）：69~75.

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TH742

1009-797X (2015) 24-00138-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.055

丁力（1993-），男，在讀本科，研究方向為機械工程。

2015-11-20