原子力顯微術輪廓儀的新方法研究及系統(tǒng)研制.pdf

1、二十世紀八十年代以來，隨著掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)相繼問世，納米科技正給人類的生產(chǎn)生活帶來深刻變革。在納米檢測方面，AFM因為它突出的分辨率、廣泛的適用性，成為應用最廣泛的檢測儀器之一。但是AFM的掃描范圍有限，一般是幾微米或十幾微米。由于范圍太小，導致它在很多特定場合無法使用。在輪廓測量方面，各類表面臺階儀、光學輪廓儀也正廣泛應用于生產(chǎn)和科研之中。原理各不相同，種類也是不計其數(shù)。但是它們在分辨率、穩(wěn)定性等方面總

2、是存在或多或少的問題，滿足不了生產(chǎn)和科研的需求。針對越來越多的納米檢測需求，研制了一套全新的原子力顯微術輪廓儀(AFMProfiler)系統(tǒng)。 AFMProfiler系統(tǒng)是一套新型的系統(tǒng)，目前國內(nèi)外都很少有類似的產(chǎn)品。它用步進電機實現(xiàn)樣品與針尖的相對運動，將步進電機與AFM相結合，進行大范圍高精度的納米輪廓測量。它既具有AFM納米級測量精度，又具有步進電機長程掃描范圍，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，操作簡單，自動化程度高。 本文共分為七

3、章。第一章介紹納米科技、課題背景；第二章介紹AFMProfiler系統(tǒng)主要組成部分的工作原理；第三章介紹了本課題的新方法；第四章講述了AFMProfiler整個系統(tǒng)的研制；第五章是性能分析和系統(tǒng)標定；第六章是該系統(tǒng)的應用研究；第七章包括總結和展望。 本課題的主要研究工作內(nèi)容和創(chuàng)新之處包括： 理論上，提出將AFM與步進電機相結合以實現(xiàn)大范圍輪廓測量的新的系統(tǒng)設計思想，并將這種新的儀器系統(tǒng)稱作AFMProfiler系統(tǒng)。否定

4、了一些其它的系統(tǒng)設計思想，并對這種設計思想進行了可行性研究。提出輪廓和粗糙度測量新方法、膜厚測量新方法。 技術方法上，研制了一套AFMProfiler系統(tǒng)實驗裝置。系統(tǒng)的掃描采用等高模式，即探頭不動，步進電機載著樣品實現(xiàn)相對運動；檢測方式采用光束偏轉(zhuǎn)法；分析了步進電機的運動特點，設計了掃描控制電壓波形；設計了步進電機的選通電路和信號處理電路；設計了連接AFM探頭和步進電機的零件，將這兩個部分緊密連接起來形成一個統(tǒng)一的整體；完成了

5、系統(tǒng)軟件的編寫，包括掃描控制、圖形顯示、粗糙度和膜厚計算的算法；改變電感測微儀的數(shù)據(jù)輸出方式，建立電感測微儀與計算機的連接，用來檢測比較粗糙的表面。 在實驗和應用方面，利用研制成功的AFMProfiler系統(tǒng)，選取大量樣品進行了實驗。樣品包括多孔氧化鋁、光滑玻璃、標準薄鐵片、MgAl2O4薄膜、TiN薄膜、銅膜。獲得了具有高度重復性的輪廓圖形，除了普通輪廓之外，還檢測到了樣品表面的缺陷、樣品邊緣的輪廓等。計算了多種樣品的表面粗糙