丁力

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

本文首先簡(jiǎn)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(diǎn)指出了納米級(jí)加工機(jī)理的研究在一定的程度上依賴(lài)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(lái)的一種技術(shù)，實(shí)際上是一種納米尺度上的表面測(cè)試技術(shù)。它主要把各種技術(shù)（如光電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、激光技術(shù)以及計(jì)算機(jī)高速采集和控制技術(shù)）綜合運(yùn)用了起來(lái)，可以說(shuō)這是一場(chǎng)技術(shù)大改革，讓大家可以將原子級(jí)的微觀過(guò)程逐步展現(xiàn)出來(lái)，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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與快速發(fā)展，隨之而來(lái)面臨的挑戰(zhàn)的也是越來(lái)越大。因?yàn)樵诓煌念I(lǐng)域所用到原理與探測(cè)方法是不一樣，為了滿(mǎn)足被測(cè)信息的基本需要，一些SPM的新技術(shù)與探針被研究出來(lái)。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(cè)理論的深入研究

確切來(lái)說(shuō)，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(guò)非常細(xì)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(jì)力學(xué)的角度來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題, 我們發(fā)現(xiàn)介觀體系與宏觀體系無(wú)論在各個(gè)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(lái)說(shuō)，已經(jīng)由很小的尺寸系統(tǒng)慢慢進(jìn)入到量子擴(kuò)散區(qū)，所以我們研究的對(duì)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(diǎn)與特性。我們知道，在微小尺寸的系統(tǒng)中，在探測(cè)過(guò)程中通常會(huì)看到大量物理參數(shù)的微小變化也是很正常的，比如說(shuō)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(cè)原理，當(dāng)然，也會(huì)有一些共同點(diǎn)，比如參數(shù)的測(cè)量成份中有其他參數(shù)的變化。所以為了更準(zhǔn)確、更迅速地反映被測(cè)樣品的本質(zhì)，需要我們熟悉不同探測(cè)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(shuō)服力的理論系統(tǒng)，為我國(guó)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(cè)技術(shù)

SPM儀器工作時(shí), 微探針的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)不僅可以對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描，同時(shí)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(cè)物質(zhì)表面距離敏感的隧道電流變化來(lái)探測(cè)樣品；而表面信息的獲取有多種途徑，其中主要是通過(guò)微懸臂的超微力進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)形式與方法種類(lèi)非常多，而目前最為常用的檢測(cè)形式是電容檢測(cè)法、光學(xué)杠桿法和壓電法。光學(xué)杠桿法相對(duì)電容檢測(cè)來(lái)說(shuō)，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(lái)獲取信號(hào)，所以它的結(jié)構(gòu)相對(duì)前兩種更為簡(jiǎn)單，在掃描的時(shí)候也不要做什么調(diào)整，非常適于檢測(cè)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(lái)非常有可能代替光學(xué)杠桿成為主流的檢測(cè)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(jìn)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(lái)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(cè)技術(shù)是利用信號(hào)與懸臂，對(duì)樣品表面的響應(yīng)信號(hào)的變化來(lái)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(cè)等方面在各個(gè)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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直振蕩，所以此技術(shù)在運(yùn)用過(guò)程非常容易引起機(jī)械振動(dòng)；新研究出來(lái)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(gè)問(wèn)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(jí)與納米級(jí)的精度的加工，在精度加工過(guò)程中尺寸誤差大約可以精確到0.3~0.03 μm；在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，加工表面粗糙度經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的結(jié)果是小于等于 0.005 μm。在這個(gè)加工過(guò)程中所采用的技術(shù)措施與工藝方法我們統(tǒng)稱(chēng)為超精密加工技術(shù)。

2.1 用STM進(jìn)行微細(xì)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(xiě)入點(diǎn)與圖形符號(hào)，一般在STM的恒流模式工作狀態(tài)下，對(duì)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(guò)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(tái)STM在1981年問(wèn)世，這個(gè)裝置經(jīng)過(guò)科學(xué)家的多次驗(yàn)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(lái)進(jìn)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(duì)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(jìn)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(jiǎn)單很多。

2.2 SPM在臨界尺寸（CD）檢測(cè)中的應(yīng)用

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

3 結(jié)語(yǔ)

掃描探針顯微技術(shù)把人類(lèi)帶到了微觀世界，對(duì)于超精密加工來(lái)說(shuō)，怎樣使用工具來(lái)對(duì)工件表層進(jìn)行微觀機(jī)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(dá)到加工與檢測(cè)融合的目標(biāo)，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?？萍汲霭嫔?，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(shì).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(yáng)，王立江，高春甫，等.光學(xué)材料無(wú)磨料低溫拋光的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(duì)策[J].制造技術(shù)與機(jī)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(jìn)展及應(yīng)用[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2012，19（1）：69~75.

(P-01)

TH742

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

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.055

丁力（1993-），男，在讀本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

2015-11-20