微/納米級精密測量技術(shù)

科學技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展，由毫米級、微米級繼而涉足到納米級，即微/納米技術(shù)。

納米級加工技術(shù)可分為加工精度和加工尺度兩方面。加工精度由本世紀初的最高精度微米級發(fā)展到現(xiàn)有的幾個納米數(shù)量級。金剛石車床加工的超精密衍射光柵精度已達1nm，已經(jīng)可以制作10nm以下的線、柱、槽。

微/納米技術(shù)的發(fā)展，離不開微米級和納米級的測量技術(shù)與設(shè)備。具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如HP5528雙頻激光干涉測量系統(tǒng)（精度10nm）、具有1nm精度的光學觸針式輪廓掃描系統(tǒng)等。

因為掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡用來直接觀測原子尺度結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，使得進行原子級的操作、裝配和改形等加工處理成為近幾年來的前沿技術(shù)。

1、掃描探針顯微鏡

1981年美國IBM公司研制成功的掃描隧道顯微鏡，把人們帶到了微觀世界。它具有極高的空間分辨率，廣泛應用于表面科學、材料科學和生命科學等研究領(lǐng)域，在一定程度上推動了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。與此同時，基于STM相似的原理與結(jié)構(gòu)，相繼產(chǎn)生了一系列利用探針與樣品的不同相互作用來探測表面或接口納米尺度上表現(xiàn)出來的性質(zhì)的掃描探針顯微鏡（SPM），用來獲取通過STM無法獲取的有關(guān)表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的各種信息，成為人類認識微觀世界的有力工具。下面為幾種具有代表性的掃描探針顯微鏡。

（1）原子力顯微鏡（AFM）

為了彌補STM只限于觀測導體和半導體表面結(jié)構(gòu)的缺陷，Binning等人發(fā)明了AFM，AFM利用微探針在樣品表面劃過時帶動高敏感性的微懸臂梁隨表面的起伏而上下運動，通過光學方法或隧道電流檢測出微懸臂梁的位移，實現(xiàn)探針尖端原子與表面原子間排斥力檢測，從而得到表面形貌信息。

就應用而言，STM主要用于自然科學研究，而相當數(shù)量的AFM已經(jīng)用于工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。1988年中國科學院化學所研制成功國內(nèi)首臺具有原子分辨率的AFM。安裝有微型光纖傳導激光干涉三維測量系統(tǒng)，可自校準和進行絕對測量的計量型原子力顯微鏡可使目前納米測量技術(shù)定量化。

利用類似AFM的工作原理，檢測被測表面特性對受迫振動力敏組件產(chǎn)生的影響，在探針與表面10～100nm距離范圍，可以探測到樣品表面存在的靜電力、磁力、范德華力等作用力，相繼開發(fā)磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等，統(tǒng)稱為掃描力顯微鏡。

原子力顯微鏡及工作原理

（2）光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）

PSTM的原理和工作方式與STM相似，后者利用電子隧道效應，而前者利用光子隧道效應探測樣品表面附近被全內(nèi)反射所激起的瞬衰場，其強度隨距接口的距離成函數(shù)關(guān)系，獲得表面結(jié)構(gòu)信息。

光子掃描隧道顯微鏡

（3）其它顯微鏡

如掃描隧道電位儀（STP）可用來探測納米尺度的電位變化；掃描離子電導顯微鏡（SICM）適用于進行生物學和電生理學研究；掃描熱顯微鏡已經(jīng)獲得了血紅細胞的表面結(jié)構(gòu)；彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）則是目前唯一能夠在納米尺度上無損檢測表面和接口結(jié)構(gòu)的先進分析儀器，國內(nèi)也已研制成功。

掃描隧道電位儀

2、納米測量的掃描X射線干涉技術(shù)

以SPM為基礎(chǔ)的觀測技術(shù)只能給出納米級分辨率，卻不能給出表面結(jié)構(gòu)準確的納米尺寸，這是因為到目前為止缺少一種簡便的納米精度（0.10～0.01nm）尺寸測量的定標手段。

美國NIST和德國PTB分別測得硅（220）晶體的晶面間距為192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒溫下對220晶間距進行穩(wěn)定性測試，發(fā)現(xiàn)其18天的變化不超過0.1fm。實驗充分說明單晶硅的晶面間距具有較好的穩(wěn)定性。

掃描X射線干涉測量技術(shù)是微/納米測量中的一項新技術(shù)，它正是利用單晶硅的晶面間距作為亞納米精度的基本測量單位，加上X射線波長比可見光波波長小兩個數(shù)量級，有可能實現(xiàn)0.01nm的分辨率。該方法較其它方法對環(huán)境要求低，測量穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，是一種很有潛力的方便的納米測量技術(shù)。

自從1983年D.G.Chetwynd將其應用于微位移測量以來，英、日、意大利相繼將其應用于納米級位移傳感器的校正。國內(nèi)清華大學測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室在1997年5月利用自己研制的X射線干涉器件在國內(nèi)首次清楚地觀察到X射線干涉條紋。軟X射線顯微鏡、掃描光聲顯微鏡等用以檢測微結(jié)構(gòu)表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微缺陷。邁克爾遜型差拍干涉儀，適于超精細加工表面輪廓的測量，如拋光表面、精研表面等，測量表面輪廓高度變化最小可達0.5nm，橫向（X，Y向）測量精度可達0.3～1．0μm。渥拉斯頓型差拍雙頻激光干涉儀在微觀表面形貌測量中，其分辨率可達0.1nm數(shù)量級。

邁克爾遜型差拍干涉儀