AFM制作纳米光栅技术研究

　　1　引　言

　　1986年世界上第一台原子力显微镜(AFM)问世[1],近20来,AFM的分辨率得到了极大地提高,达到了在纳米级和埃级的分辨率,观测物体的表面形貌并成像。此外,AFM的应用范围也越来越广。除了可以用来探测样品表面的纳米机械性质和定域粘附力等性质外,利用AFM针尖诱导,即在针尖尖端处进行纳米化学反应,AFM对试件可进行局域氧化、局域改性、纳米刻蚀,改变试件的表面形貌。另外,利用AFM操纵单分子和原子,对有序分子膜、硅、金属、超导体表面等进行纳米加工。用AFM的针尖拨动纳米颗粒以及碳纳米管纳米操纵原理与方法的研究是纳米加工的基础性工作[2]。

　　最早的纳米刻蚀和纳米加工技术出现于1987年,AT &T公司Bell[3]实验室的Becker等人利用扫描隧道显微镜(STM)的针尖首次实现了单晶锗表面的原子级加工,即在表面形成人造的原子级结构,表明了利用SPM进行纳米级加工的可能性。在这之后,利用SPM进行纳米刻蚀和纳米加工的方法层出不穷,加工的材料和加工所需的条件也发生了很大的变化,扫描探针纳米加工技术逐渐发展成为纳米科技的核心技术之一。

　　本文采用扫描探针显微镜刻蚀技术,在高分辨率下进行微纳米加工,利用扫描探针显微镜刻蚀技术制作微纳米光栅,提出了AFM制作微纳米光栅的新型工艺。

　　2　原子力显微镜(AFM)的基本原理

　　图1所示为AFM扫描原理示意图,图2为探针针尖同被测试样面接触处的示意图,图中小圆分别代表探针同接触面的原子。由物理学理论可知,当两个物体之间的距离很近时,物体之间会产生与距离平方成反比的相互作用的原子间力(既可能是引力,也可能是斥力)。当AFM的探针接近试样表面时,探针_针尖相互作用的原子力使得微悬臂梁发生形变。当探针在水平面上扫描时,针尖同试样表面间的距离在垂直方向上的变化,引起针尖同试样表面之间原子间力的变化。从而引起微悬臂梁形变量的变化,即微悬臂的形变可以直接反映出样品_针尖相互作用力的变化。一束激光照射到微悬臂的背面,微悬臂上的微反射镜将激光束反射到一个光电检测器,检测器不同象限接收到的激光强度的差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系。反馈系统根据检测器电压的变化不断调整针尖高度,保持针尖_样品间作用力恒定不变。从而记录下的探针高度的变化就反映了试件表面高度的起伏。由于AFM是基于原子间力的理论,因此,被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘体领域,其横向分辨率可达0·01nm[4]。

　　3　AFM刻划法制作平行光栅

　　结合微纳米云纹法的需要,考虑利用原子力显微镜制作微纳米精度范围的光栅。利用Nano_Man/Nanolithography Vision 6可以操作原子力显微镜进行扫描和刻蚀。原子力显微镜专用探针选用硅制探针,在光盘表面进行刻划试验。利用硅制tapping模式专用针,首先在tapping模式下选取的1.4μm×1.4μm区域内扫描成图,然后在contact模式下利用Nano_Man Function进行刻划。此时原子力显微镜探针采用contact模式。以试样表面为X_Y平面,其垂直方向为Z方向,则将原子力显微镜探针在Z方向的位移设为-50nm,即最终刻划深度为50nm;Z方向探针移动速度设为10nm/s;X_Y平面内探针移动速度设为1μm/s。AFM设定参数见表1。