納米測(cè)量技術(shù)

1、納米測(cè)量技術(shù)納米技術(shù)納米技術(shù)u納米技術(shù)是21世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)之一；它將引起一場(chǎng)新的工業(yè)革命。u納米技術(shù)是包括納米電子、納米材料、納米生物、納米機(jī)械、納米制造、納米測(cè)量、納米物理、納米化學(xué)等諸多科學(xué)技術(shù)在內(nèi)的一組技術(shù)的集合, 其目的是研究、發(fā)展和加工結(jié)構(gòu)尺寸小于100nm 的材料、裝置和系統(tǒng), 以獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品?？萍及l(fā)達(dá)國(guó)家為搶占這一高新技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)、制高點(diǎn), 競(jìng)相將納米技術(shù)列為21世紀(jì)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)研究的優(yōu)先項(xiàng)目。納米納米測(cè)量測(cè)量技術(shù)技術(shù)u納米測(cè)量技術(shù)是納米技術(shù)的重要組成部分，它對(duì)于納米材料的發(fā)展，納米器件和系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。u納米測(cè)量技術(shù)的內(nèi)涵涉及納米尺度的評(píng)價(jià)

2、、成份、微細(xì)結(jié)構(gòu)和物性的納米尺度的測(cè)量，它是在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)與性能、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、發(fā)展新方法、創(chuàng)造新技術(shù)的基礎(chǔ)。u納米技術(shù)主要研究微觀尺度的物體和現(xiàn)象，同時(shí)微納米檢測(cè)技術(shù)也主要指微米和納米尺度和精度的檢測(cè)技術(shù)。與廣義的測(cè)量技術(shù)相比，納米測(cè)量技術(shù)具有被測(cè)量的尺度小以及以非接觸測(cè)量手段為主等主要特點(diǎn)。 納米納米測(cè)量測(cè)量技術(shù)的任務(wù)技術(shù)的任務(wù)納米測(cè)量技術(shù)的研究大致分為兩個(gè)方面：u1.應(yīng)用與研制先進(jìn)的測(cè)試儀器，解決物理和微細(xì)加工中的納米測(cè)量問(wèn)題，分析各種測(cè)試技術(shù)，提出改進(jìn)的措施或新的方法；u2.從計(jì)量學(xué)的角度出發(fā)分析各種測(cè)試方法的特點(diǎn)，如：使用范圍、精度等級(jí)、頻率響應(yīng)等。納米測(cè)量技術(shù)的時(shí)代

3、背景u隨著科技不斷進(jìn)步，測(cè)量技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相互促進(jìn)、相互提高?？梢哉f(shuō)納米測(cè)量正是順應(yīng)微電子工業(yè)集成電路制作、機(jī)械工業(yè)和國(guó)防工業(yè)超精密加工的需要而發(fā)展起來(lái)的。u鑒于納米測(cè)量技術(shù)的重要地位, 國(guó)外, 特別是美、日、歐等國(guó)家均投入了相當(dāng)大的人力和物力予以重點(diǎn)支持。1999年12月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)指出：“微納米科學(xué)和工程將在未來(lái)的1020年內(nèi)成為一種戰(zhàn)略性、占主導(dǎo)地位的技術(shù)，德國(guó)將微納米技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)列入國(guó)家高科技重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域納米測(cè)量技術(shù)的時(shí)代背景u典型的例子有1982年發(fā)明的掃描隧道顯微鏡；美國(guó)加利福尼亞大學(xué)利用光杠桿實(shí)現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級(jí)分辨率的表面圖。日本研制的具有亞納

4、米級(jí)測(cè)量分辨率的激光外差干涉儀。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍是0.01-3nm。 我國(guó)對(duì)納米測(cè)量技術(shù)的研究也相當(dāng)重視,并取得了一些顯著成績(jī)。清華大學(xué)研制成功亞納米級(jí)分辨率的激光雙波長(zhǎng)干涉儀；中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成功研制了原子級(jí)分辨率的原子力顯微鏡；中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了用于微位移測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的法-珀干涉儀；天津大學(xué)研制了雙法-珀干涉型光纖微位移傳感器；中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所對(duì)掃描探針顯微術(shù)進(jìn)行了一系列的科學(xué)研究。u總括國(guó)內(nèi)外的納米測(cè)量方法, 可以分為兩大類(lèi): 一類(lèi)是非光學(xué)方法: 掃描探針顯微術(shù)、電子顯微術(shù)、電容電感測(cè)微法, 另一類(lèi)是光學(xué)方法: 激光干涉儀、X

5、 光干涉儀、光學(xué)光柵和光頻率跟蹤等。u它們的單項(xiàng)參數(shù)( 分辨率、精度、測(cè)量范圍) 可達(dá)到的指標(biāo)分別如下表所示。任何一套納米測(cè)量系統(tǒng)一般都由納米傳感系統(tǒng)、三維（或二維）掃描工作臺(tái)及其測(cè)量控制系統(tǒng)（即掃描測(cè)試系統(tǒng)）和信息處理及圖像分析技術(shù)等三部分組成。非光學(xué)測(cè)量方法代表有掃描隧道顯微鏡（STM）,原子力顯微鏡（AFM）,電子顯微鏡（TEM和SEM），俄歇電子能譜等。納米測(cè)量技術(shù)- -非光學(xué)測(cè)量方法在經(jīng)典力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘的高度比粒子的能量大時(shí)，粒子是無(wú)法越過(guò)勢(shì)壘的，而根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子可能會(huì)穿過(guò)勢(shì)壘而出現(xiàn)在另一側(cè)，這種現(xiàn)象稱之為隧道效應(yīng)。STM就是基于量子隧道效應(yīng)制成的。以金屬針尖為一電極，被測(cè)固

6、體樣品為另一電極，當(dāng)它們之間的距離小到1nm左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)隧道效應(yīng)，電子從一個(gè)電極穿過(guò)空間勢(shì)壘到達(dá)另一電極形成電流。隧道電流對(duì)于間距的變化非常敏感，可以通過(guò)測(cè)量電流的變化來(lái)反映表面上原子尺度的起伏，這就是STM的基本工作原理。掃描隧道顯微鏡（STMSTM）- -工作原理壓電陶瓷 計(jì)算機(jī)控制樣品 監(jiān)視器 PI反饋針尖 STM結(jié)構(gòu)示意圖 掃描隧道顯微鏡（STM）掃描隧道顯微鏡（STMSTM）- -結(jié)構(gòu)由于掃描探針顯微技術(shù)最終還要由一些光學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，所以光學(xué)的納米測(cè)量尤其倍受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。在光學(xué)納米測(cè)量方法中，主要為激光干涉的方法，它采用光程倍頻和鎖相放大等技術(shù)，在很大程度上提高了干涉儀

7、的分辨力和準(zhǔn)確度。理論上，各種激光干涉儀都能達(dá)到納米尺度的測(cè)量，但實(shí)際上均受一些條件所限。因此，研究各種干涉儀及其相關(guān)的測(cè)量原理就先得很有必要。納米測(cè)量技術(shù)- -光學(xué)測(cè)量方法主要利用塞曼效應(yīng)效應(yīng)和聲光調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)雙頻激光。采用外差干涉的原理，克服了普通單頻激光器直流信號(hào)漂移的缺點(diǎn)，具有噪聲小，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高。雙頻激光干涉儀- -原理雙頻激光干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖 雙頻激光在雙頻激光干涉儀的測(cè)量光路中存在模式間耦合現(xiàn)象，為了克服這種現(xiàn)象又發(fā)展了超外差干涉儀方案，抑制了模式耦合誤差；另外，這種干涉儀在工業(yè)中進(jìn)行納米測(cè)量的主要問(wèn)題是如何解決抗干擾、消除空氣流動(dòng)、溫度漂移

8、等一些環(huán)境問(wèn)題。良好控制環(huán)境下能夠達(dá)到很高準(zhǔn)確度。因此，發(fā)展趨勢(shì)就是超外差、共光路、用光纖簡(jiǎn)化光路等。 光子在疏密介質(zhì)組成的界面上發(fā)生全反射時(shí)，其波動(dòng)將會(huì)滲透到光疏介質(zhì)中并沿界面?zhèn)鞑?。其?qiáng)度沿界面法線方向指數(shù)衰減。光子掃描隧道顯微鏡若用一只極細(xì)的光導(dǎo)纖維與該表面貼近到小于光波波長(zhǎng)的距離，光子會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)而被耦合到光纖中而被檢測(cè)到。由于被檢測(cè)表面所產(chǎn)生的衰減磁場(chǎng)與該表面相似，如果使光纖上下移動(dòng)而獲得相同強(qiáng)度的信號(hào)，則光纖的高度位置就反映了表面形態(tài)。光子掃描隧道顯微鏡脂質(zhì)子光子掃描顯微鏡下的圖像掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOMSNOM）近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）是建立在對(duì)隱失波的探測(cè)

9、的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)隧道效應(yīng)，完成對(duì)樣品納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。光學(xué)隧道效應(yīng)光學(xué)隧道效應(yīng)：在棱鏡發(fā)生全反射時(shí)，棱鏡內(nèi)表面有場(chǎng)的存在，在與其相鄰的外表面也必然有場(chǎng)的存在，這個(gè)場(chǎng)在垂直方向上迅速消失。如果用足夠細(xì)的探針作為偶極子，浸入隱失場(chǎng)，由于連續(xù)性邊界條件，偶極子會(huì)將隱失場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑?chǎng)，從而可以探測(cè)到局限在物體表面幾納米以內(nèi)的隱失波的信息。這些信息反應(yīng)物體納米級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。激光雙法布里珀羅干涉(DFPI) 納米測(cè)量激光雙法布里珀羅干涉(DFPI) (DFPI) 納米測(cè)量激光雙法布里珀羅干涉(DFPI) 納米測(cè)量系統(tǒng)裝置如上圖 。兩個(gè)法布里珀羅干涉腔FP1 、FP2 組成類(lèi)似邁克爾遜干涉儀的兩個(gè)臂,

10、其中FP1 是測(cè)量腔,FP2 為參考腔。將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂的一端與FP1 腔的一側(cè)固定聯(lián)接,另一端固定有一微小探針。該系統(tǒng)的工作過(guò)程為:激光束經(jīng)分光器分成兩束分別至FP1 、FP2 ,形成雙法布里珀羅干涉; 開(kāi)始測(cè)量時(shí),給微懸臂施加振動(dòng)信號(hào),其振動(dòng)頻率f 恰好高于微懸臂的最低機(jī)械共振頻率f n ;把這種受迫振動(dòng)的探針調(diào)節(jié)至被測(cè)樣品表面一定距離(通常220nm) ;調(diào)節(jié)FP1 、FP2 干涉腔長(zhǎng),使其輸出穩(wěn)定的間隔為自由光譜范圍的兩個(gè)光脈沖信號(hào);設(shè)開(kāi)始測(cè)量時(shí)探針位于位置1 ,如圖2 所示,當(dāng)樣品隨工作臺(tái)移動(dòng),探針位于位置2 (或位置3) 時(shí),由于探針與樣品表面間距離的改變而使它們之間的

11、作用力發(fā)生變化,導(dǎo)致微懸臂的振幅發(fā)生相應(yīng)變化。圖2若保持微懸臂的振幅不變,則探針應(yīng)向樣品表面方向(或背離樣品表面方面) 移動(dòng)d ,這個(gè)d 的移動(dòng)量是通過(guò)控制FP1 的伸長(zhǎng)(或縮短) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)雙F P 系統(tǒng)、經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到d值.工作臺(tái)作X、Y方向運(yùn)動(dòng),樣品表面輪廓形貌就表現(xiàn)出來(lái)了。多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法適用于納米級(jí)微間距的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。納米級(jí)間隙之間的空氣形成一層具有光學(xué)特性的空氣薄膜。該空氣薄膜的光強(qiáng)反射率是關(guān)于入射光波長(zhǎng)和薄膜厚度的函數(shù)。在多波長(zhǎng)干涉法中,以包含多種波長(zhǎng)的復(fù)合入射光照射薄膜,入射光被空氣薄膜分成2 部分,一部分穿過(guò)薄膜,另一部分則被反射回來(lái)。多波長(zhǎng)干涉測(cè)量方法利用一種特殊的方法測(cè)得該薄膜的光強(qiáng)反射率,進(jìn)而根據(jù)薄膜厚度與入射光波長(zhǎng)和相應(yīng)的光強(qiáng)反射率之間的函數(shù)關(guān)系建立方程組。通過(guò)對(duì)方程組求解,計(jì)算出薄膜的厚度。多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法能夠避免移相干涉法中移相器所帶來(lái)的誤差,并且可根據(jù)不同波長(zhǎng)的光波測(cè)出的結(jié)果相互校正,提高了測(cè)量精度。測(cè)試系統(tǒng)原理圖測(cè)試系統(tǒng)原理圖如上圖 所示, 由白光源發(fā)出的光束經(jīng)分束片1反射后垂直入射到石英玻璃片, 在石英玻璃片下表面分成2 束,其中一束穿過(guò)空氣薄膜,從被測(cè)表面反射回來(lái), 并和