亚纳米精度长度溯源计量型动态模式原子力显微镜

通过与长度溯源三轴激光干涉仪测量系统结合,设计开发计量型动态模式原子力显微镜(AFM).此AFM系统中,三轴激光干涉仪系统用于实时测量AFM测头与试样的相对位移.激光干涉仪系统的x,y,z测量轴正交于AFM探针顶端附近的一点,基本可以避免系统的阿贝误差,使AFM具有极高的测量精度.除此之外,扫描过程中三轴激光干涉仪系统还用于工作台x,y方向位移的反馈控制,完全克服AFM中压电器件的缺陷对水平尺寸测量的影响.分析表明,在对纳米标准栅的平均栅距测量中,AFM系统达到亚纳米的测量精度.     

基于原子力显微镜的线宽粗糙度测量

给出采用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)测量线宽粗糙度(Line width roughness,LWR)的分析步骤。分析线宽和LWR及其偏差随刻线横截面位置的高度变化的关系,线宽及其偏差和LWR及其偏差随刻线横截面位置的高度值增加而减小。分别采用四种边缘提取算子提取了碳纳米管针尖AFM测量的刻线顶部线宽边缘,计算了刻线顶部线宽和LWR,顶部线宽和LWR测量结果对边缘提取算子不敏感。结合被测单晶硅台阶的顶表面和底表面加工方法,提出采用各扫描线轮廓高度相等的方法校正AFM压电驱动器的z向非线性。比较了采用普通氮化硅探针针尖、超尖针尖以及碳纳米管针尖AFM测量名义线宽为1 000 nm刻线LWR的结果,显示采用三种针尖的LWR测量结果存在差异,但考虑到AFM分辨率,可认为测量结果基本相同。因此,为更精确描述刻线边缘,必须提高AFM分辨率。     

原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用

介绍了用于纳米量级表面粗糙度测量的原子力显微系统。着重讨论了实现这种测量的软件实现方法。实验结果表明 ,该系统可以测量任意横向或纵向截面的线粗糙度 ,同时还可以测量任一区域的面粗糙度 ,并且在 X、Y、Z三个方向上的表面粗糙度测量精度均已达到纳米量级 ,完全满足纳米尺度形貌研究要求     

使用原子力显微镜测量刻线边缘粗糙度的影响因素

为了满足微电子制造技术中不断提高的刻线边缘粗糙度测量与控制精度的要求,对使用原子力显微镜(AFM)测量刻线边缘粗糙度的影响因素进行了研究.基于图像处理技术从单晶硅刻线样本的AFM测量图像中提取出线边缘粗糙度,并确定出其量化表征的参数.然后,根据线边缘粗糙度测量与表征的特点,对各种影响因素,包括探针针尖尺寸与形状的非理想性、AFM扫描图像的噪声、扫描采样问隔、压电晶体驱动精度、悬臂梁振动以及线边缘检测算法中的自由参数等进行了理论和实验分析,并分别提出了抑制及修正的方法.研究表明,在分析各种可能导致测量误差的影响因素的基础上,消除或减小其影响,可以提高刻线边缘粗糙度测量的准确度,为实现纳米尺度刻线形貌测量的精度要求提供理论与方法上的支持.     

超精表面粗糙度的原子力显微镜测量

介绍了表面粗糙度的形成及原子力显微镜的工作原理，实验结果表明，采用原子力显微镜测量超精加工表面粗糙度可使测量精度达到了纳米级，通过对表面粗糙度测量结果的分析，验证了方法的可靠性。     

计量型原子力显微镜的非线性误差及轴间耦合误差的校准

本文研究了原子力显微镜的计量校准问题,建立了校准的数学模型,这个数学模型可以用于各种ＳＰＭ的校准中。对于位移轴的非线性误差和耦合误差进行了校准,给出了校准后残余误差的测量结果。并对一块经过ＰＴＢ检定的样板进行了测量,测量结果表明对于３００ｎｍ的台阶高度,测量念头平均为１．１ｎｍ。     

光学原子力显微镜中的蒙特卡罗方法

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy,SPM)是显微镜的一个分支,它利用物理探针扫描标本形成样本表面图像.而原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)是SPM中一种多功能的表面成像和测量工具,对导电、不导电、真空中、空气中或流体中的各种样本均可测量.原子力显微镜最面临的最大挑战之一是评估其在表面测量过程中所伴随的不确定度.本研究通过XYZ Phase的标定,对一台光学原子力显微镜进行了校准.该方法旨在克服在评估一些无法实验确定的不确定部件时遇到的困难,如尖端表面相互作用力和尖端几何.运用蒙特卡罗方法来确定根据相关容差和概率密度函数(PDFs)随机绘制参数而引起的相关不确定度.整个过程遵循《测量不确定度表示指南》(GUM)补编2.经本方法验证,原子力显微镜的评估不确定度为10nm左右.     

基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统

研制了一种基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统。该系统首先绘制薄膜轮廓曲线,根据曲线找到薄膜边界,然后计算镀膜区与无膜区的高度差,得到薄膜厚度。跟台阶仪、光学轮廓仪相比,该系统具有操作简单、抗干扰能力强、精度高的优点。实验表明。该系统有很高的重复性,能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。     

用原子力显微镜扫描测量金刚石刀具刃口半径

介绍了应用原子力显微镜（ＡＦＭ）扫描测量超精密加工用金刚石刀具刃口半径的方法,给出了测量图象和测量结果。该方法可提高金刚石刀具刃口半径的测量精度,对进一步分析刃口参数对超精密加工表面质量的影响具有一定指导意义。     

碳纳米管原子力显微镜针尖的制作研究

研究在光学显微镜下，运用两个独立的三维工作台分别控制针尖和碳纳米管的位置，将碳纳米管吸附在传统的原子力显微镜针尖上。首先将碳纳米管粘附在导电的胶带上，然后用涂胶的针尖与其接触将碳纳米管粘附到针尖上，最后运用电蚀的方法优化碳纳米管针尖的长度，以达到高分辨率的要求。运用制作的碳纳米管针尖对硅表面的深槽进行成像，获得了传统针尖无法得到的信息。     

Optimizing AC-mode atomic force microscope imaging

We have operated an atomic force microscope in ambient air with several oscillating cantilever modes to establish the optimal scanning parameters to maximize image resolution and to minimize probe and sample damage. This was done by scanning a surface in air and correlating scan parameters such as oscillation amplitude and damping with image resolution. We also examined the geometry of the probe with a scanning electron microscope, before and after scanning, in order to determine whether the scanning technique had an effect on the geometry of the probe tip. If the probe is oscillated such that it contacts the surface on each oscillation, substantial damage or “wear” to the probe occurs and significant degradation of image quality was observed. In ambient air, the optimal conditions are achieved when the probe penetrates the contamination layer and reverses direction before touching the surface. Under these “near-contact” conditions no probe damage is observed and high-image resolution can be maintained indefinitely.     

A metrological scanning force microscope

In this paper, the design, construction, and characterization of a metrological scanning force microscope (SFM) for the purposes of dimensional measurement of surface features is discussed. Using this instrument, precision measurements of engineering surfaces can be performed in air with subnanometer resolution. In this design, scanning of the specimen in the x and y planes and surface profiling in z-axis are each monitored directly by capacitance sensors. The present SFM is capable of a resolutions of approximately 0.1 nm over 15 μm range in z-axis and about 1 nm over 50 pm scanning range in x− and y-axes with a repeatability of less than 1 nm. The linearity error was measured to be within the noise level. Specimens ranging from soft polymeric films to polished zerodur are used to illustrate its metrological capability.     

原子力显微镜的力曲线分析与转化

原子力显微镜测定的力曲线需转化为力位移曲线来应用.力位移曲线是以任意点为零点的,当研究粘附或者分子模型对比时,需要知道针尖样品间的作用力或确切的零点位置,这时需将其转化为力-距离曲线.本文首先从力曲线的测定原理得出了典型的力曲线,之后从理论上分析了力曲线、力位移曲线和力-距离曲线间的转化,从中得出了转化过程中需要的两个重要参量:灵敏度和零距离,并提出了确定方法.最后,利用MATLAB实现了曲线的自动转化.     

基于平板扫描器的新型AFM系统

研制了一种基于平板扫描器的新型原子力显微镜(AFM)系统。该系统创新地把二维平板扫描器和一维反馈控制器相结合,有效地克服了传统扫描器Z向反馈控制与XY扫描平面之间的非线性交叉耦合误差,同时保证了大范围扫描时检测光路的稳定性。利用该系统与传统AFM作了氧化铝薄膜和光栅对比扫描实验,结果表明这种AFM系统能够获得无扭曲、规则的理想图像。     

大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术

为了进一步扩大原子力显微镜(AFM)的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统.该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制.针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术.首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入.实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响.     

原子力显微镜在聚合物研究中的应用

原子力显微镜以其分辨率高、样品无需特殊制备、实验可在大气环境中进行等优点而广泛应用于聚合物研究之中,弥补扫描隧道显微镜不能观测非导电样品的缺憾。近年来,其应用已由对聚合物表面几何形貌的观测发展到纳米级结构和表面性能的研究领域。在介绍原子力显微镜工作原理的基础上,简要回顾其在聚合物研究方面的若干新应用,并对其应用前景作展望。     

Accurate measurement of the out-of-plane motion of a tip-scanning atomic force microscope

A tip-scanning atomic force microscope (AFM) can be used as a highly accurate height-measuring instrument for large samples, such as liquid crystal displays. To accurately measure the flatness or surface roughness of large samples, the xy-scanner-induced out-of-plane motion must be known to discriminate scanner artifacts from the measured AFM images. As the topographic signals of AFM measurements contain the hysteresis of the z-scanner piezoelectric actuators, actual movements of the z-scanner were measured using a z-axis sensor glued to the actuator. The actual out-of-plane motion of the xy-scanner was found to be less than 1 nm for a 50-μm scan.     

一种高精度多功能双用原子力显微镜技术及应用

主要研究了一种基于高精度IPC-205B型扫描隧道显微镜(STM)的新型高精度多功能双用原子力显微镜(AFM)技术及其应用.阐述该原子力显微镜的工作原理、组成及应用,详细介绍了该AFM镜体的独特结构和新型微悬臂的制作及其检测方法.该AFM采用简单适用的新型微悬臂.并利用STM检测微悬臂的起伏,通过四维机械驱动和双压电陶瓷扫描,有效提高了扫描精度,扩大了扫描范围.该机型集AFM和STM功能为一体,其中STM可以单独使用.该机型检测精度可达:横向0.1 nm,纵向0.01 nm.并用该样机进行了样品表面形貌和隧道谱的实验研究.