微納尺度三維粗糙度樣塊的設(shè)計、加工及表征.pdf

1、掃描探針顯微鏡(SPM)因其具有原子級的分辨力和柔性的操作環(huán)境等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于納米級的表面測量與表征中。SPM系統(tǒng)的校準(zhǔn)是進(jìn)行精確測量的基礎(chǔ)。由于SPM是一個復(fù)雜的納米測量系統(tǒng)，當(dāng)前單一參數(shù)的納米樣塊僅僅在坐標(biāo)方向上進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和溯源，忽略了測量系統(tǒng)多參數(shù)的耦合作用，勢必影響復(fù)雜功能表面參數(shù)測量時的定值和量值傳遞結(jié)果。因此，微納米尺度三維樣塊的設(shè)計與制作，發(fā)展相應(yīng)的標(biāo)定、校準(zhǔn)方法顯得尤為重要。本文圍繞SPM系統(tǒng)的綜合校準(zhǔn)，針對三維

2、粗糙度樣塊的設(shè)計、加工與表征，主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究工作:
　　 1、三維樣塊的設(shè)計。設(shè)計了參數(shù)可控的三維粗糙度樣塊，為解決快速傅立葉變換與二維數(shù)字濾波技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計方法精度較低、耗時較長的不足，引入遺傳算法進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，該方法通常在經(jīng)過10次迭代之后，表面幅值參數(shù)的相對誤差優(yōu)于1％，效率提高約75％，能夠滿足三維樣塊的設(shè)計要求。
　　 2、三維樣塊的制作。首先，利用飛秒激光雙光子三維加工設(shè)備，摸索

3、三維樣塊的加工方法，初步加工出特征較為符合的樣塊，并分析了加工中存在的問題。然后，使用德國Raith公司的電子束曝光設(shè)備(RAITH150TWO)加工出10μm×10μm×1μm的粗糙度樣塊。
　　 3、三維樣塊的表征。首先，利用原子力顯微鏡對電子束曝光加工的樣塊進(jìn)行了測量，根據(jù)當(dāng)前常用的三維粗糙度參數(shù)表征體系對測量結(jié)果進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，加工的樣塊與設(shè)計的數(shù)據(jù)相比，大部分表面參數(shù)的相對誤差在10％以內(nèi)，并對少數(shù)誤差顯著的參

4、數(shù)的誤差來源進(jìn)行了定性的分析。然后，研究了三維樣塊的綜合表征方法，包括結(jié)構(gòu)相似度和迭代最近點方法。實驗結(jié)果表明，兩種方法均能有效地對樣塊進(jìn)行綜合的表征與評價。
　　 4、三維樣塊的應(yīng)用。研究不同相關(guān)長度的三維樣塊對SPM針尖效應(yīng)的影響以及針尖半徑的估計。仿真結(jié)果表明，隨著相關(guān)長度的增加，針尖估計結(jié)果的相對誤差逐漸增大;隨著掃描時針尖半徑的增加，相對誤差逐漸減小。
　　 本文的研究工作對用于校準(zhǔn)SPM等儀器的三維樣塊的設(shè)計