无阿贝误差计量型原子力显微镜

　　1　引言

　　扫描隧道显微镜发明之后的几十年来,这种技术像雨后春笋般发展起来,并作为一种崭新的技术手段已广泛应用在对表面的研究和固体表面范围内的研究,从而使人们在表面科学技术方面得到许多新的科学知识。科学家们不满足于只将扫描隧道显微镜作为一种定性的观察仪器,而致力于使其成为计量测试仪器,特别是该项技术在工业中的应用上。这也是我们研制计量型原子力显微镜的目的。随着微电子工业、微机械和纳米技术发展,计量科学家们从上世纪八十年代就开始探索纳米计量。

　　在欧盟,由多个国家计量科研机构与大学、研究所和企业共同成立了“纳米计量”研究联合组织。国际计量局也对纳米计量进行了多次研究,并于1998年7月在巴黎召开了“纳米计量工作会议”。会议讨论了“纳米计量”的定义,与会者一致认同将其初步定为:纳米计量是涉及物体及其表面特征的科学,是对1~100 nm范围内的距离和位移的测量。由于微电子工业发展十分迅速,会议决定,首先开展用于微电子工业的纳米级样板的比对。所以,加强计量型扫描隧道显微镜的研究更显得重要。中国计量科学研究院于1999年与德国伊尔门脑技术大学合作,在过去研制成功的计量型原子力显微镜的基础上又进行了改进。本文对此及其应用结果作一简要介绍。

　　2　计量型原子力显微镜的阿贝误差及其消除

　　中国计量科学研究院与德国联邦物理技术研究院(柏林)、德国伊尔门脑技术大学和耶那蔡司厂合作研制的计量型原子力显微镜,于1997年研制成功,并运回中国,经正常运转1年后,于1999年通过了鉴定。现已作为标准计量仪器对纳米级标准样板开展检定和进行国际纳米级样板的比对。在文献[1]和[2]中有对该仪器比较全面的介绍。

　　该仪器在蔡司厂生产的VERITEKT 3计量型原子力显微镜基础上安装了德国伊尔门脑技术大学研制的3台微型光纤传导激光干涉仪,利用激光干涉仪对原VERITEKT3测量范围内的500 000个三维空间测量点进行了校准,将x轴的灵敏度由原来的5nm提高到1·2 nm;y和z轴的灵敏度分别提高到1nm和0·25 nm。更重要的是,在研制成功的仪器上,可将测得的纳米量值溯源到米定义上。然而,限于当时的技术水平,该仪器尚存在阿贝误差:此项误差在z轴上相当小,可以忽略不计;但由于z向激光干涉仪的测量点与被测点之间有23mm的间距,这就造成在x轴和y轴上有不可忽略的阿贝误差。当时,为了减小在测量空间内的测量不确定度,必须保证微型立方体平面反射镜在整个的测量空间内不得有±0·2″的倾斜变化。该仪器的测量不确定度可达:U=5 nm+2×10-4L(L为两点间的距离)[1]。