用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术

　　0　引　言

　　利用精密测量仪器和微操作机构,人类已经走进了微观世界,并不懈地进行微技术的研究和开发。微技术的发展使得产品微小型化并集成各种功能成为可能,与此同时,不断的微小型化,使得对微观结构的精确测量变得越来越重要。近10年来,表面物理学的基础研究使得扫描探针显微技术(SPM)得到发展,这种新型技术能够对微观几何形状及其它表面特性进行测量分析。扫描探针显微镜同光学和电子显微镜有着明显的区别,扫描探针显微镜使用很小的探针去“接触”被测量物体的表面,与物体表面极其接近,距离极小,具有原子量级的分辨力^[1]。

　　利用扫描探针显微技术可以在150~150μm²的范围内,可获得原子量级的测量准确度。

　　扫描探针显微术是一类显微术的总称,具体包括十几种或更多的具体技术,这些技术在概念和具体技术上以扫描隧道显微术(scanning tunnelingmicroscopy,STM)为基础^[2]。本文将具体对扫描隧道显微术、扫描光学近场显微镜(scanning near-fieldoptical microscopy,SNOM)和原子力显微术(atomicforce microscopy,AFM)等三种扫描探针显微技术进行具体介绍和分析。

　　1　扫描隧道显微术(STM)

　　图1所示为扫描探针显微技术的基本原理^[3]。

　　在扫描隧道显微镜中,导体制成的探针在被测量的导体表面上逐行扫描。当探针非常接近被测量表面时,隧道效应(tunneling effect)将起作用,产生隧道效应电流(tunneling effect current),如图2所示^[4]。

　　为获得测量信号,探针与被测对象的距离一般需要保持在1nm左右。利用高灵敏度的放大器,可以检测到2 fA的电流。振动和热漂移的影响是利用这种方法进行测量所遇到的最大问题,普通环境中基础振动和声振动所造成的振动幅度可达1μm,零部件的热漂移大约为1μm/cm。

　　利用隧道效应进行测量,有两种测量方式。一种是控制探针的高度,使得所产生的隧道电流值不变,即恒定电流方式:IT=常量,如图3(a)所示。利用探针在垂直方向的位移信息来获得被测量物体表面的轮廓;另一种是保持探针的高度不变,即恒定高度方式,如图3(b)所示,利用隧道效应电流的变化获得测量信息,使用这种方式,探针有与被测量表面碰撞的危险,同时由于可能存在的电气接触而使所获得的测量电流不准确。

　　探针的位置可以通过精密电容式传感器来进行测量,如图4所示^[5]。

　　图中采用3个传感器分别用来测量探针在x,y,z三个方向的位移,以便消除探针歪斜所带来的误差。