集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

　　1　引　言

　　随着纳米技术的发展,人们越来越需要测量和操纵很小的器件。以扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针技术的出现适应了这个要求。但是,由于用作扫描器的材料———压电陶瓷PZT自身特性的限制,使得仪器的扫描范围不会很大,一般不超过100μm,这就大大限制了扫描探针技术的应用范围。国内外许多研究机构都在致力于大范围高精度测量仪器的开发[1],如美国NIST的分子测量机、德国PTB的特种坐标测量机和英国NPL的小型坐标测量机等,其中德国伊尔梅瑙工业大学过程测量与传感技术研究所和SIOS公司利用微型激光干涉仪实现了一种高精度大范围的定位测量仪器———纳米测量机(NMM)[2],通过集成不同类型的传感测头,实现不同方式的测量。我们在纳米测量机上安装了商品化的AFM测头,实现了25 mm×25mm×5 mm大范围内的高精度测量[3],用于台阶高度的评价。

　　2　纳米测量机的基本原理

　　NMM的结构见图1。它在x、y、z方向的3个测量轴上安装了3个单频激光干涉仪,它们的光轴交于一点,被测样品放在此处,这里也是传感测头的测量点,这样就从原理上消除了阿贝误差的影响。NMM还安装了两个角度传感器,用来记录3个方向上的角度变化,实时修正工作台的偏摆,消除定位过程中角度误差对测量的影响。测量系统不同部件之间的不同热膨胀也将对长时间测量产生直接影响,但这项误差可以通过采用特殊的低膨胀系数的材料得以减小。在NMM中激光干涉仪和传感测头的固定部件大部分采用零膨胀玻璃或不胀钢。此外,测量角镜的面形精度也很大程度上决定了测量的不确定性,它的表面形貌会对测量结果产生直接影响,因此,通过将测量角镜和标准镜进行比对得到的数据建立起一个模型,来对测量结果进行算法修正。数字信号处理(DSP)单元是NMM控制技术的核心,大量的A/D和D/A转换器应用于NMM的监测与控制,将环境参数、位移和角度量、传感信号、限位开关信号接入电气箱,处理之后转化为6个动态驱动器的控制信号输出到NMM,在25 mm×25 mm×5 mm范围内实现分辨力为0.1 nm的三维动态实时测量。NMM的系统组成框图见图2。

　　3　测量系统

　　测量系统主要由纳米测量机和AFM测头两大部分组成。AFM测量系统的信号接入纳米测量机的比例积分微分(PID)DSP控制器,用于实现纳米测量机的辅助测量,然后通过控制软件对被测样品进行编程测量,得到原始测量数据。利用MATLAB软件对测量数据进行显示和分析,获得表面的形貌信息。由于纳米测量机在系统中实现了大范围扫描定位和辅助AFM测头测量,因此,它的定位性能直接影响了系统的测量结果。