计量型原子力显微镜的研究

摘要

原子力显微镜是纳米科技的重要测量手段，本文围绕原子力显微镜的计量化进行了系统的研究和分析，包括计量型原子力显微镜的建立、主要误差来源分析、计量型原子力显微镜的校准以及纳米标准样板的制造和测量分析。主要研究内容如下： ⑴对原子力显微镜的测量模式、微悬臂位置检测方式、扫描器和计量系统进行了分析研究，指出了计量型原子力显微镜需要。 ⑵研制了计量型原子力显微镜。对共焦传感器微悬臂位置系统、三维柔性铰链位移系统的结构进行了理论分析和实验测试。实现了无阿贝误差的三维激光干涉测量系统。采用分布控制方式的控制系统，提高了系统的测量速度。提出了一种新的x向扫描方式-x方向自适应变速扫描方式，根据表面结构的实时状况采用不同的扫描速度，可大大降低对z向位移的频率响应的要求，且又能保证较高的测量速度。 ⑶分析了环境因素中温度、湿度、振动对原子力显微镜测量的影响，特别指出了在纳米测量中，温度导致的尺寸变化主要体现在仪器上而不是被测样品上。对针尖几何形状导致的测量误差进行了分析研究，阐述了几种表面重建方法，给出了相应的计算公式。 ⑷对位置误差的校准与补偿进行系统的分析和研究，建立了扫描器的运动模型，首次提出了全空间校准的概念，并采用了单轴校准和全空间校准组合式的方案，完善了原子力显微镜的校准方法。提出并实现了微悬臂的校准方法，保证了从计量型原子力显微镜得到所有数据均可溯源到激光波长。 ⑸研制了台阶高度和线宽两种纳米几何结构样板，与德国物理技术研究院（PTB）、中国科学院微电子中心和无锡华晶集团进行了比对测量。通过台阶高度和两维线间隔的国际比对，提出了两种样板的标准算法，首次对不确定度进行分析评定，建立标准的评定方法。 ⑹计量型原子力显微镜于2007年4月通过了国家技术监督检验检疫总局组织的专家考核，即将成为正式的国家最高计量标准，用于我国台阶高度和线间隔两个参数的量值传递。

目录

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第一章 绪 论

§1.1纳米技术

§1.2纳米计量

§1.3 SPM的发展

§1.4本课题研究意义及主要研究内容

第二章原子力显微镜的原理与构成

§2.1原子力显微镜的基本组成

§2.2近场力及其检测

§2.2.1近场力

§2.2.2原子力显微镜的测量模式

§2.2.3近场力的检测

§2.3扫描器

§2.3.1压电陶瓷的工作机理及特性分析

§2.3.1 SPM上常用扫描器的结构

§2.4计量系统

§2.4.1电容传感器

§2.4.2激光干涉仪

§2.4.3 x射线干涉仪

§2.5本章小结

第三章计量型原子力显微镜

§3.1计量型原子力显微镜的基本构成

§3.2微悬臂位置检测器

§3.3接近系统

§3.4扫描器

§3.4.1三维整体柔性位移台

§3.4.2压电陶瓷及其驱动器

§3.5三维激光干涉仪与阿贝误差的消除

§3.6控制系统与测量过程控制

§3.6.1控制系统

§3.6.2测量过程控制

§3.7本章小结

第四章计量型原子力显微镜的误差分析及校准

§4.1计量型原子力显微镜的误差来源

§4.2环境条件对原子力显微镜测量的影响

§4.2.1仪器的温度漂移

§4.2.2 PTF对激光干涉仪的影响

§4.2.3空气湿度对探针的影响

§4.2.4振动对测量的影响

§ 4.3针尖几何形状产生的测量误差

§4.4位置误差的校准与补偿

§4.5微悬臂位移的校准

§4.5本章小结

第五章 纳米几何结构标准、测量与不确定度分析

§5.1标准样板的研制与测量方法的实验研究

§5.2纳米标准样板国际比对

§5.2.1台阶高度国际比对

§5.2.2两维光栅国际比对

§5.3建立国家纳米量值溯源体系

§5.4本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

博士期间发表论文和参加科研情况的说明

致谢