面向復(fù)合式測(cè)量的自感應(yīng)AFM測(cè)頭開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著微納米制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求不斷提高。原子力顯微鏡(AFM)作為一種重要的測(cè)量手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微納結(jié)構(gòu)或器件表面的納米甚至亞納米級(jí)分辨力的尺寸表征。目前，原子力顯微鏡在測(cè)量精度、測(cè)量范圍、測(cè)量效率等多方面，朝更高的方向發(fā)展。本文圍繞這一主題，開(kāi)發(fā)自感應(yīng)AFM測(cè)頭，在此基礎(chǔ)上一方面研究測(cè)頭與大范圍納米定位平臺(tái)結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨力的基礎(chǔ)上，使測(cè)量范圍達(dá)到25 mm×25 mm×5 mm，另一方面研究AFM結(jié)合白光掃描干涉的

2、復(fù)合式測(cè)量方法，以提高原子力顯微測(cè)量的效率。課題的研究?jī)?nèi)容和成果可歸納為以下幾個(gè)方面：
　　 1.對(duì)新型音叉式探針進(jìn)行理論建模和有限元分析。構(gòu)建新型音叉式探針的二自由度力學(xué)等效模型，分析探針存在的兩個(gè)固有一階諧振頻率。建立探針的電學(xué)等效模型，討論探針內(nèi)寄生電容和由此產(chǎn)生的并聯(lián)諧振干擾。利用有限元分析方法構(gòu)建探針模型，通過(guò)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，解釋了音叉式探針的工作原理，分析探針存在的幾個(gè)固有諧振頻率，并從中選擇出探針合理的工作頻

3、率。
　　 2.基于自感應(yīng)音叉式探針開(kāi)發(fā)原子力顯微測(cè)頭。研究探針自感應(yīng)信號(hào)的處理方法，實(shí)現(xiàn)納安級(jí)電流的放大和寄生電容的補(bǔ)償。提出針對(duì)測(cè)頭的動(dòng)態(tài)調(diào)制方法，采用輔助跟蹤振蕩式調(diào)頻模式，節(jié)省補(bǔ)償寄生電容而帶來(lái)的調(diào)試步驟，提高測(cè)頭的工作穩(wěn)定性。提出基于激光多普勒測(cè)振儀的探針機(jī)電耦合系數(shù)的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)懸臂梁振幅的快速計(jì)算。
　　 3.將測(cè)頭與大范圍納米定位平臺(tái)結(jié)合，構(gòu)建大范圍原子力顯微測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用雙反饋的復(fù)合測(cè)量模式實(shí)現(xiàn)三

4、維方向的大范圍測(cè)量。提出簡(jiǎn)便的壓電陶瓷位移臺(tái)的標(biāo)定方法，并通過(guò)內(nèi)嵌激光干涉儀將測(cè)量數(shù)據(jù)溯源至“米”定義。提出基于大范圍納米定位平臺(tái)的將AFM與白光掃描干涉測(cè)量相結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量方法，通過(guò)白光掃描干涉測(cè)量的輔助定位提高原子力顯微測(cè)量的效率。
　　 4.對(duì)復(fù)合式測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)樣板，驗(yàn)證系統(tǒng)具有大范圍的測(cè)量能力、納米級(jí)的分辨力和較好的測(cè)量重復(fù)性。在雙反饋模式下，對(duì)大尺寸光學(xué)正弦曲面進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了器