对计量型原子力显微镜纳米测量系统的比对验证

原子力显微镜是广泛应用的纳米测量仪器。中国计量科学研究院成功研制了计量型原子力显微镜纳米测量系统,本文介绍了该系统的技术特点和指标,并通过与发达国家的比对测试验证了该系统在测量原理、测量精度及可溯源性方面已达到了国际先进水平。

计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)

针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要,中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量。为了将位移精确溯源到国际单位米,研制了单频8倍程干涉仪测量位移,样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量。一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定,作为干涉仪的参考镜。两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x-y方向的相对位置。样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上,由压电陶瓷位移台驱动。另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移,探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差。由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差,采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差,修正后干涉仪测量误差减小为0.7nm。

利用计量型原子力显微镜进行纳米台阶高度测量

计量型原子力显微镜纳米测量系统主要由扫描器、测针位置传感器和一体化微型激光干涉三维测量系统等部分构成.针对计量型原子力显微测量系统,采用三维激光干涉测量系统作为测量基准,以实现原子力测量系统的纳米尺度量值溯源和校准工作.建立了校准模型,分析了扫描器9项主要误差项,并将该模型应用到原子力显微镜扫描器的校准中.校准后的结果表明,除x轴位置误差不超过±2,nm外,其他8项的残余误差均不超过±1,nm.通过台阶高度国际比对,建立了台阶高度标准计算方法及不确定度分析模型.台阶高度国际比对的测量结果表明,计量型原子力显微镜的测量值与参考值相差均小于1.5,nm.

利用纳米测量机实现大范围的计量型原子力显微镜

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了大范围的计量型AFM,测量范围可以达到25mmⅹ25mmⅹ5mm,分辨力为0.1nm。纳米测量机扩展了普通AFM测头的测量范围,减小了压电扫描器固有特性的影响。运动全范围内的自适应误差补偿通过5个自由度的闭环操作得以实现。系统的高精度是通过3个微型激光干涉仪的零阿贝误差设置,一个表面传感AFM测头以及两个角度传感器实现。系统具有4种工作模式,其中第4种为最佳工作模式。实验结果表明系统具有高精度和大范围的特点。

利用计量型原子力显微镜进行两维纳米格栅的测量

二维纳米格栅是纳米测量仪器的重要校准标准之一,也是国际计量局长度咨询委员会(BIPM/CCL)组织的五种纳米计量标准比对项目之一.计量院研制的计量型原子力显微镜在x,y,z三个方向固接有无阿贝误差布局的激光干涉仪,干涉仪的激光光源用碘稳频激光进行了校准,使得二维纳米格栅的测量结果可以直接溯源到米定义SI单位.使用高斯滤波器对测量数据进行了预处理,并研究了重心法二维格栅间距与夹角的计算方法.最后根据不确定度分析导则给出了格栅测量的不确定度评定分析.

计量型原子力显微镜的位移测量系统

计量型的原子力显微镜是进行纳米级测量的重要手段，原子力显微镜的测量系统研究对于我国的科研事业有重要的意义。在现阶段科学技术不断发展的形势下，生命科学逐渐的走向定量化，实验的研究逐渐的生物分子化。计量型的原子力显微镜使用范围很广泛，对于生物工程、医学等各方面的研究都有重要的意义。本文对计量型原子力显微镜的位移测量系统进行了研究和分析。

纳米的绝对测量与计量型原子力显微镜

纳米技术和微机械是世纪之交,特别是21世纪将会迅速发展的新型科学技术。发展纳米技术与微机械的重要工具是扫描隧道显微镜。常规的扫描隧道显微镜仅能作为观察工具,还不能作为纳米范围内的科学计量仪器,用来定量研究分子与分子和原子与原子间的结构以及它们之间的定量物理性能和准确地发现更多原子之间的微观物理效应。随着纳米科学和微机械的深入发展,不论在纳米技术和微机械的研究方面。

无阿贝误差计量型原子力显微镜

中国计量科学研究院与德国联邦物理技术研究院、德国伊尔门脑技术大学和耶那蔡司厂合作 ,于 1997年研制成功计量型原子力显微镜。限于当时的技术水平 ,它还存在有不可忽略的阿贝误差 ,特别是在x与y方向的阿贝误差可达 2～ 3nm。所以 ,在其测量空间范围内 ,两点间的测量不确定度为 :U =5nm +2× 10 - 4L(L为两点间的距离 )。本文报导 1999年以来在原基础上所作的改进 ,消除了 3个坐标方向上的阿贝误差 ,将测量不确定度提高到 :U =2nm +1× 10 - 4L。

湿度对原子力显微镜测量金纳米栅格几何形貌的影响

对不同湿度环境下原子力显微镜(AFM)对金纳米栅格几何形貌的测量结果进行了探究。通过在恒温条件下对仪器整体环境湿度进行有规律的调控,实现了在相对湿度35%~75%范围内对金纳米栅格高度及表面粗糙度的准确测量。结果表明:对于实验中使用的线宽标称值2μm的金纳米栅格,栅格高度随相对湿度的增加而有所降低;粗糙度随相对湿度增加而增加,且相对湿度升高至75%时对测量结果影响尤为显著。因此,在使用AFM对纳米几何栅格结构进行精确测量和定值时,需要对环境湿度进行记录和监控。

计量型紫外显微镜微纳米线宽测量技术的研究

计量型紫外显微镜微纳米线宽测量技术是利用光电倍增管的光电转换效应，将线宽的光学信号转换为电信号，并利用后续信号采样处理电路，提取出线宽的轮廓信号。利用激光干涉仪等精密定位装置，搭建了一套线宽测量系统，对线宽标称值为3μm的标准样板进行测量，得到的线宽测量值为3．025μm，与标称值仅相差25nm。实验表明：该方法可以准确地获取线宽的边界信号，实现线宽的准确测量。

计量型AFM力曲线功能的开发及其在纳米振动测量中的应用

提出了一种在计量型原子力显微镜(AFM)上开发力曲线功能模块的方法.通过在计量型原子力显微镜上增加可调三角波发生器、信号切换和缓冲电压保护电路,对计量型原子力显微镜的内部驱动信号和外加驱动信号进行了平滑切换,避免了原子力显微镜压电陶瓷驱动器的剧烈变化,实现了计量型原子力显微镜的力曲线功能.采用开发的力曲线模块绘制了计量型原子力显微镜的力曲线图形,基于力曲线功能测量了纳米梁谐振器的离面振动特性,并与显微激光多普勒测振仪的测振结果进行了比对,实验结果表明本文提出的方法和建立的系统是正确的.

基于AFM的纳米尺度线宽计量模型及其算法的研究

纳米尺度线宽的测量广泛应用于半导体制造、数据存储、微机电系统等领域。随着制造技术的进步,线宽的极限尺寸也变得越来越小,目前已经缩小至100 nm左右。在这一尺度范围内,由于样本制造技术的限制和测量仪器的影响,目前很难得到准确的测量结果。为了获得样本的真实几何尺寸信息,剔除测量方法和仪器本身对测量结果的影响,建立了一个基于AFM测量技术的线宽计量模型和相应算法。该模型将被测样本的截面轮廓用20个关键点分成5个部分共19段,用基于最小二乘的直线来拟合实际轮廓。应用该模型和算法可以分别得到单刻线轮廓拟合前后的顶部线宽b_T、b_(TF),中部线宽b_M、b_(MF),底部线宽b_B、b_(BF),左右边墙角A_L、A_R,以及高度h_。使用NanoScope Ⅲa型AFM对一个单晶硅(Si)线宽样本进行了测量,测量结果表明该模型和算法可以满足纳米尺度线宽计量的基本要求。

用计量型AFM对一维纳米基准栅的标定及不确定度估计

利用轻敲模式的计量型AFM对公称栅距为240nm一维基准样板进行了标定,在充分分析AFM的结构和特性、测量过程、数据处理的基础上,得到了基准栅的平均栅距估计值和扩展不确定度。通过全面的不确定度分析,估计值的扩展不确定度达到了亚纳米量级。该不确定度分析表明,对于纳米量级测量,不确定度估计不仅需要全面掌握测量仪器、测量过程中各种测量不确定因素的影响,还需要考虑和估计常规测量过程中可以忽略的二次误差的影响。

使用AFM测量纳米尺度线宽的不确定度研究

针对NanoscopeIII型原子力显微镜,进行了纳米尺度线宽测量的不确定度分析。提出一个线宽测量的误差校正步骤,确定并分析了影响测量结果不确定度的4方面因素。根据实验和测量过程,分析和计算得到被测样品的线宽值、不确定度分量以及合成不确定度。

纳米测量及纳米样板

介绍了纳米测量系统的组成以及纳米样板的研究现状 .提出了两种制备纳米结构样板的方法 :Si基底上的原子力显微镜 (AFM )探针诱导阳极氧化工艺和Au膜上的AFM探针机械划刻工艺 .

纳米科学测量与传感技术

本文首先介绍了纳米测量技术的现状，纳米测量系统的三个主要部分即纳米传感技术；扫描测量系统；信息处理及图象分析技术，最后就纳米测量技术的前景题提出了看法。

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围，设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统，测量系统中有两条反馈回路：一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成，动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息；另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成，利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动，NMM的mm级=向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验，实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息，测量范围能够达到mm级，纵向分辨率达到nm级，具有良好测量重复性。

集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了高精度的台阶高度评价,该系统的测量范围可以达到25 mm×25 mm×5 mm。文中描述了NMM和AFM的工作原理,说明了NMM的高精度定位性能,系统利用NMM实现x、y方向的扫描,AFM测头只是作为零点传感器,通过将AFM的悬臂梁反馈控制信号引入到NMM的数字信号控制器中,NMM实现在z方向的辅助测量,这种测量模式减小了AFM的PZT扫描器固有特性对测量的影响。根据ISO 5436—1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的标准偏差为0.52 nm。

纳米尺度线宽的测量与Nano1国际关键比对

现代集成电路制造业、数据存储工业和微机电系统等行业的不断发展,对纳米尺度线宽的测量提出了越来越高的要求.目前的一些测量方法分别存在各自的缺点与不足,在缺少更高准确度计量标准的情况下,往往采用比对的方法使计量结果趋于一致.国际计量局在1998年把纳米尺度线宽计量确定为纳米尺度基本特征国际关键比对项目之一.文章对它的主要研究内容以及进展情况作了介绍.

一种用于微米/纳米硬度测试的具有纳米分辨率的压痕成像系统(英文)

与包括原子力显微镜在内的其他压痕形貌测量方法相比,光学显微镜以其非接触、大测量范围及较快的测量速度等优点在硬度测试中应用广泛,但包括共焦显微镜在内的常规显微镜其分辨率,特别是纵向分辨率,一直不能满足要求.为此开发了一种沿光轴方向的具有纳米分辨率的压痕成像系统.该系统基于层析全场显微术,即在常规光学显微镜的基础上引入结构光照明,应用移相方法得到样品的三维形貌.成像系统样机的测量结果表明,系统的纵向分辨率可达2,nm,可以高精度地实现压痕的三维形貌测量,并量化揭示纳米压痕测试中常见的"坟起(pile-up)"及"沉入(sink-in)"现象.该系统有助于进一步研究显微及纳米硬度计量方法并降低计量的不确定度.