纳米测量技术

1、纳米测量技术 纳米技术纳米技术 u纳米技术是21世纪最重要的科学技术之一； 它将引起一场新的工业革命。 u纳米技术是包括纳米电子、纳米材料、纳米 生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量、纳米物理、 纳米化学等诸多科学技术在内的一组技术的集合, 其目的是研究、发展和加工结构尺寸小于100nm 的 材料、装置和系统, 以获得具有所需功能和性能的 产品。科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、 制高点, 竞相将纳米技术列为21世纪战略性基础研 究的优先项目。 纳米纳米测量测量技术技术 u纳米测量技术是纳米技术的重要组成部分， 它对于纳米材料的发展，纳米器件和系统的研究与 开发具有十分重要的意义。 u纳米测

2、量技术的内涵涉及纳米尺度的评价、 成份、微细结构和物性的纳米尺度的测量，它是在 纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新 现象、发展新方法、创造新技术的基础。 u纳米技术主要研究微观尺度的物体和现象， 同时微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精 度的检测技术。与广义的测量技术相比，纳米测量 技术具有被测量的尺度小以及以非接触测量手段为 主等主要特点。 纳米纳米测量测量技术的任务技术的任务 纳米测量技术的研究大致分为两个方面： u1.应用与研制先进的测试仪器，解决物理和微 细加工中的纳米测量问题，分析各种测试技术， 提出改进的措施或新的方法； u2.从计量学的角度出发分析各种测试方法的特

3、点，如：使用范围、精度等级、频率响应等。 纳米测量技术的时代背景 u随着科技不断进步，测量技术与工业生产技术相 互促进、相互提高。可以说纳米测量正是顺应微 电子工业集成电路制作、机械工业和国防工业超 精密加工的需要而发展起来的。 u鉴于纳米测量技术的重要地位, 国外, 特别是美、 日、欧等国家均投入了相当大的人力和物力予以 重点支持。1999年12月，美国国家科学技术委员 会指出：“微纳米科学和工程将在未来的1020 年内成为一种战略性、占主导地位的技术，德国 将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点 发展领域 纳米测量技术的时代背景 u典型的例子有1982年发明的扫描隧道显微镜；美 国加利

4、福尼亚大学利用光杠杆实现的原子力显微 镜首次获得了原子级分辨率的表面图。日本研制 的具有亚纳米级测量分辨率的激光外差干涉仪。 英国国家物理实验室(NPL)研制的微形貌纳米测量 仪器的测量范围是0.01-3nm。 我国对纳米测量技术的研究也相当重视,并取 得了一些显著成绩。清华大学研制成功亚纳米级分 辨率的激光双波长干涉仪；中国科学院北京电子显 微镜实验室成功研制了原子级分辨率的原子力显微 镜；中国计量科学研究院研制了用于微位移测量标 准的法-珀干涉仪；天津大学研制了双法-珀干涉型 光纤微位移传感器；中国科学院化学所对扫描探针 显微术进行了一系列的科学研究。 u总括国内外的纳米测量方法, 可以分

5、为两大类: 一类是非光学方法: 扫描探针显微术、电子显微术、 电容电感测微法, 另一类是光学方法: 激光干涉仪、 X 光干涉仪、光学光栅和光频率跟踪等。 u它们的单项参数( 分辨率、精度、测量范围) 可达到的指标分别如下表所示。 任何一套纳米测量系统一般都由纳米传感系统、三 维（或二维）扫描工作台及其测量控制系统（即 扫描测试系统）和信息处理及图像分析技术等三 部分组成。 非光学测量方法代表有扫描隧道显微镜（STM）,原 子力显微镜（AFM）,电子显微镜（TEM和SEM）， 俄歇电子能谱等。 纳米测量技术- -非光学测量方法 在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时， 粒子是无法越过势垒的，

6、而根据量子力学原理， 粒子可能会穿过势垒而出现在另一侧，这种现象 称之为隧道效应。STM就是基于量子隧道效应制成 的。以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一 电极，当它们之间的距离小到1nm左右时，会出现 隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另 一电极形成电流。隧道电流对于间距的变化非常 敏感，可以通过测量电流的变化来反映表面上原 子尺度的起伏，这就是STM的基本工作原理。 扫描隧道显微镜（STMSTM）- -工作原理 压电陶瓷 计算机控制 样品 监视器 PI反馈 针尖 STM结构示意图 扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（STMSTM）- -结构 由于扫描探针显微技术最终还要由一些

7、光学的 方法来进行标定和校准，所以光学的纳米测量尤其 倍受国内外关注。 在光学纳米测量方法中，主要为激光干涉的方 法，它采用光程倍频和锁相放大等技术，在很大程 度上提高了干涉仪的分辨力和准确度。理论上，各 种激光干涉仪都能达到纳米尺度的测量，但实际上 均受一些条件所限。因此，研究各种干涉仪及其相 关的测量原理就先得很有必要。 纳米测量技术- -光学测量方法 主要利用塞曼效应效应和声光调制方法实现双 频激光。采用外差干涉的原理，克服了普通单频激 光器直流信号漂移的缺点，具有噪声小，抗干扰能 力强等优点。但光学结构比较复杂，成本比较高。 双频激光干涉仪- -原理 双频激光干涉仪结构示意图 双频激光

8、在双频激光干涉仪的测量光路中存在模式间 耦合现象，为了克服这种现象又发展了超外差干涉仪方案， 抑制了模式耦合误差；另外，这种干涉仪在工业中进行纳 米测量的主要问题是如何解决抗干扰、消除空气流动、温 度漂移等一些环境问题。良好控制环境下能够达到很高准 确度。因此，发展趋势就是超外差、共光路、用光纤简化 光路等。 光子在疏密介质组成的界面上发生全反射时，其 波动将会渗透到光疏介质中并沿界面传播。其强度沿 界面法线方向指数衰减。 光子扫描隧道显微镜 若用一只极细的光导纤维与该表面贴近到小于光 波波长的距离，光子会通过隧道效应而被耦合到光 纤中而被检测到。由于被检测表面所产生的衰减磁 场与该表面相似，

9、如果使光纤上下移动而获得相同 强度的信号，则光纤的高度位置就反映了表面形态。 光子扫描隧道显微镜 脂质子光子扫描显微镜下的图像 扫描近场光学显微镜（SNOMSNOM） 近场光学显微镜（近场光学显微镜（SNOM）是建立在对隐失波的探 测的基础上，利用光学隧道效应，完成对样品纳米 级精细结构的探测。 光学隧道效应光学隧道效应：在棱镜发生全反射时，棱镜内表面 有场的存在，在与其相邻的外表面也必然有场的存 在，这个场在垂直方向上迅速消失。如果用足够细 的探针作为偶极子，浸入隐失场，由于连续性边界 条件，偶极子会将隐失场转变为传播场，从而可以 探测到局限在物体表面几纳米以内的隐失波的信息。 这些信息反应

10、物体纳米级的精细结构。 激光双法布里珀罗干涉(DFPI) 纳米测量 激光双法布里珀罗干涉(DFPI) (DFPI) 纳米测量 激光双法布里珀罗干涉(DFPI) 纳米测量系统装置 如上图 。两个法布里珀罗干涉腔FP1 、FP2 组成类 似迈克尔逊干涉仪的两个臂,其中FP1 是测量腔,FP2 为参考腔。将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端与 FP1 腔的一侧固定联接,另一端固定有一微小探针。 该系统的工作过程为:激光束经分光器分成两束分 别至FP1 、FP2 ,形成双法布里珀罗干涉; 开始测 量时,给微悬臂施加振动信号,其振动频率f 恰好高 于微悬臂的最低机械共振频率f n ;把这种受迫振动 的探针

11、调节至被测样品表面一定距离(通常2 20nm) ; 调节FP1 、FP2 干涉腔长,使其输出稳定的间 隔为自由光谱范围的两个光脉冲信号;设开始 测量时探针位于位置1 ,如图2 所示,当样品随 工作台移动,探针位于位置2 (或位置3) 时,由 于探针与样品表面间距离的改变而使它们之 间的作用力发生变化,导致微悬臂的振幅发生 相应变化。 图2 若保持微悬臂的振幅不变,则探针应向样品 表面方向(或背离样品表面方面) 移动d , 这个d 的移动量是通过控制FP1 的伸长 (或缩短) 来实现的。通过双F P 系统、 经计算机处理得到d值.工作台作X、Y方 向运动,样品表面轮廓形貌就表现出来了。 多波长干

12、涉测量法适用于纳米级微间距的实时动 态非接触测量。纳米级间隙之间的空气形成一层 具有光学特性的空气薄膜。该空气薄膜的光强反 射率是关于入射光波长和薄膜厚度的函数。在多 波长干涉法中,以包含多种波长的复合入射光照射 薄膜,入射光被空气薄膜分成2 部分,一部分穿过薄 膜,另一部分则被反射回来。 多波长干涉测量方法 利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率, 进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强 反射率之间的函数关系建立方程组。通过对方 程组求解,计算出薄膜的厚度。多波长干涉测量 法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差, 并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校 正,提高了测量精度。 测试系统原理图测试系统原理图 如上图 所示, 由白光源发出的光束经分束片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,其中一束穿过空气薄膜,从被测表 面反射回来, 并