扫描探针显微技术及其精密工程应用

丁力

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

扫描探针显微技术及其精密工程应用

Applications of scanning probe microscopy and precision engineering

丁力

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

本文首先简单介绍了SPM自身的一些基本关键技术，阐述了其精密工程的应用，重点指出了纳米级加工机理的研究在一定的程度上依赖于SPM的多功能化和复合化。

扫描探针显微技术；精密工程；应用

扫描探针显微技术是近30年慢慢发展起来的一种技术，实际上是一种纳米尺度上的表面测试技术。它主要把各种技术（如光电子技术、自动控制技术、激光技术以及计算机高速采集和控制技术）综合运用了起来，可以说这是一场技术大改革，让大家可以将原子级的微观过程逐步展现出来，从而看到现在的纳米世界。

1 扫描探针显微镜的关键技术

随着扫描探针显微技术在生活中各个领域的应用与快速发展，随之而来面临的挑战的也是越来越大。因为在不同的领域所用到原理与探测方法是不一样，为了满足被测信息的基本需要，一些SPM的新技术与探针被研究出来。以下主要是讨论SPM自身的一些关键技术。

1.1 探针探测理论的深入研究

确切来说，SPM的核心部件主要是扫描探针，它的主要原理是在纳米尺度上通过非常细的光、热、力、电的探针去研究这些物质的表面信息，从而需要涉及到一些介观物理与量子物理。从统计力学的角度来看待这个问题, 我们发现介观体系与宏观体系无论在各个方面都存在非常明显的差别，然而这些差别主要体现在小到失去了宏观体系通常所具有的平均性与最小值。探针针尖尺度非常的小，小到接近介观尺度。具体来说，已经由很小的尺寸系统慢慢进入到量子扩散区，所以我们研究的对象呈现出一定的弱局域电性，这很明显反映出介观体系的基本特点与特性。我们知道，在微小尺寸的系统中，在探测过程中通常会看到大量物理参数的微小变化也是很正常的，比如说纳米结构的光学性质、化学键、范德华力变化等等。所以很有必要建立一套扫描探针显微学的物理理论。不同的扫描探针显微技术是具有不一样的探测原理，当然，也会有一些共同点，比如参数的测量成份中有其他参数的变化。所以为了更准确、更迅速地反映被测样品的本质，需要我们熟悉不同探测理论与技术,并在此基础上去不断的发现新现象与新效应，从而建立一套全新的、更具有说服力的理论系统，为我国工业技术领域提供优质的服务。

1.2 微探针工作的检测技术

SPM仪器工作时, 微探针的信号检测技术不仅可以对被测样品进行扫描，同时也可以感受到各种各样的表面信息，这种技术主是利用探针与被测物质表面距离敏感的隧道电流变化来探测样品；而表面信息的获取有多种途径，其中主要是通过微悬臂的超微力进行检测。在这里需要特别指出的是，在各种悬臂形式的扫描力显微镜中，超微力的检测形式与方法种类非常多，而目前最为常用的检测形式是电容检测法、光学杠杆法和压电法。光学杠杆法相对电容检测来说，操作更为容易，灵敏度也高很多；然而近期最为常用的压阻及压电法是靠悬臂来获取信号，所以它的结构相对前两种更为简单，在扫描的时候也不要做什么调整，非常适于检测较大样品与材料，最主要的是可以成批生产相应的悬臂,将来非常有可能代替光学杠杆成为主流的检测技术。

1.3 相位成像技术与力调制技术

在SPM探针将物体进行形貌成像的基础上,用到了一些图像处理的特殊技术与方法，主要是利用不同样品与材料的一些表面固有的特性,来区别与采集它们的差异性，从而更好地分析料表面的特殊信息。

相位检测技术是利用信号与悬臂，对样品表面的响应信号的变化来反映样品表面性质。它在复合材料表征、表面摩擦和粘度检测等方面在各个领域已经得到了广泛的应用。

力调制技术(Force Modulation Technology)与振幅存在固有的关联,从而知道弹性区域分布位置与表面硬度。传统的力调制技术主要是根据调制信号来实现垂直振荡，所以此技术在运用过程非常容易引起机械振动；新研究出来的力调制系统利用它自身额外的压电调制控制器解决了这个问题，从而在一定程度上减少了共振。

2 SPM在超精密加工中的应用

超精密加工是指亚微米级与纳米级的精度的加工，在精度加工过程中尺寸误差大约可以精确到0.3~0.03 μm；在实际测量过程中，加工表面粗糙度经过计算得出的结果是小于等于 0.005 μm。在这个加工过程中所采用的技术措施与工艺方法我们统称为超精密加工技术。

2.1 用STM进行微细加工

扫描隧道显微镜的加工方法有两种：第一，在样品的表面上直接写入点与图形符号，一般在STM的恒流模式工作状态下，对针尖加上电压脉冲，从而缩短他们之间的距离，使得样品表面发生结构性变化；第二，STM通过一系列化学反应,可以使得针尖下的表面微区淀积金属材料。

众所周知，世界上第一台STM在1981年问世，这个装置经过科学家的多次验证已经变得非常完善。它的工作原理与电子束一样,可用平面制版来进行加工。另外它还具有原子尺度的分辨率，可以很清楚地显示表面的结构形貌；其次，它的电子能量低，从而对材料的损伤也非常低，精确度非常高，所以利用它可以在真空、大气甚至一些液体中进行加工；在结构性方面，它比电子束装置、需聚焦、偏转的离子等要简单很多。

2.2 SPM在临界尺寸（CD）检测中的应用

在光刻工艺过程中，最为重要的是对图形进行CD检测和控制。所以对CD的微处理器和存储器的要求也相应提高。一般而言，CD在变动过程中，只能允许在图形尺寸10%范围内进行活动，因此对仪器分辨率要求相对较高，一般而已一定要高于2 nm。

3 结语

扫描探针显微技术把人类带到了微观世界，对于超精密加工来说，怎样使用工具来对工件表层进行微观机械特性及微观物理特性的定性乃至定量的分析，从而有效指导加工方法的选择及工艺参数的优化，达到加工与检测融合的目标，是这一领域的重要课题。

[1] 白春礼. 扫描隧道显微术及其应用. 上海：上海科技出版社，2013，91.

[2] 白春礼，田芳. 扫描力显微镜.现代科学仪器，2014，1~2∶79~83.

[3] 彭昌盛，宋少先，等编著. 扫描探针显微技术理论与应用.北京：化学工业出版社，2007：15~20.

[4] 陈代谢，殷伯华，等. 高速高精度 SPM 研究现状及发展趋势.现代科学仪器，2010，1：109~112.

[5] 张冬仙. 原子力显微术的新方法研究及新型原子力显微镜系统研制[D]. 浙江大学，2013.

[6] 陈代谢，殷伯华，等.大范围高速原子力显微镜的前馈反馈混合控制方法.光学精密工程，2011，19（4）： 836~843.

[7] BINNING G,QUATE C F,GERBER C.Atomic force microscopy[J].Physical Review Letters,1986,56:928~930.

[8] 刘向阳，王立江，高春甫，等.光学材料无磨料低温抛光的试验研究[J].机械工程学报，2014，38（6）：47~50.[9] WHITEHOUSE D J.Comparison between stylus and optical methods for measuring surface[J].Annals of the CIRP, 2012, 37(2): 56~58.

[10] DRAGOSET R A,YOUNG R D,MIELCZAREK S R.Scinning tunneling microscopy applied to optical surfaces[J].Optics Letters,1986，11（9）：420~422.

[11] 白春礼，田芳.扫描力显微术 [M]. 北京：科学出版社，2012.

[12] 许茂桃.超精密加工技术的发展及其对策[J].制造技术与机床，2013（1）：7~9.

[13] WANG Jiaji.In-line inspection technology for deep submicron IC process[J].J.Solid Slale Technol，1998（6）：10~12.

[14] 赵清亮，王景贺，李旦，等.扫描探针显微镜的最新技术进展及应用[J].电子显微学报，2012，19（1）：69~75.

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TH742

1009-797X (2015) 24-00138-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.055

丁力（1993-），男，在读本科，研究方向为机械工程。

2015-11-20