專利名稱:用于原子力顯微鏡的二維微動平臺和微力學(xué)參數(shù)測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于原子力顯微鏡的二維微動平臺和微力學(xué)參數(shù)的測試方法，進
行檢測和分析微加工制造的微結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，屬于微力學(xué)測試分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)加工制造的各種微小器件均是由微懸臂梁、薄膜等基本結(jié)構(gòu)單元組成，這些微小結(jié)構(gòu)單元能夠感知外界的振動、熱等并將其以電或其它形式的信號傳遞出去。振動和熱等外界作用將導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的形變，形變量的大小決定了器件的靈敏度和量程等參數(shù)。因此，為了獲得達到設(shè)計需要的參數(shù)，加工制造控制工藝至關(guān)重要。同時，對微結(jié)構(gòu)尤其是微懸臂梁彈性系數(shù)的檢測更是不可缺少，這直接為設(shè)計和加工提供極為必要的數(shù)據(jù)。 一般而言，微懸臂梁等結(jié)構(gòu)單元的尺寸從納米到幾百微米長度，制備的微結(jié)構(gòu)具有三維結(jié)構(gòu)特征。對微結(jié)構(gòu)進行基本的力學(xué)量檢測是一個重要的研究內(nèi)容，包括如彈性系數(shù)、共振頻率、楊氏模量、疲勞特性等靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)。微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)成為微納系統(tǒng)實用化道路上人們最為關(guān)注的一個核心內(nèi)容。目前已有一些設(shè)備儀器可以用來表征微結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在各種微分析測試系統(tǒng)中，如利用原子力顯微鏡、納米壓痕儀、光學(xué)干涉儀等設(shè)備已應(yīng)用在微結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性測試中，往往需要設(shè)備能夠給出納牛納米尺度分辨的精度。在納米壓痕儀中，設(shè)備能夠精確地給出從微牛頓到毫牛頓的力及納米分辨的位移，但在纟內(nèi)牛載荷(nN)下精度不高[Holbery J D and Eden V L， Acomparison of scanningmicroscopy cantilever force constants determined using ananoindentetion testingapparatus. Journal of Micromechanics andMicroenginering. 2000， 10 :85-92.]。 通常的光學(xué)檢測方法有較大的視場但只能進行靜態(tài)測試而不能主動施加力載荷[0' Mahony C，Hill M，Br皿et M，DuaneR and Mathewson A 2003 Characterization of micromechanicalstructures usingwhite-light interferometry Meas， Sci. Technol. 14 1807-14]。 目前基于原子力顯微鏡(AFM)的測試方法，能夠給出納牛頓納米尺度分辨的精度。利用其能夠精確給出的位移和共振頻率等參數(shù)，并利用已知的懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)等，就可得到懸臂梁等結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)[Cornelia B T，Scanlon M R，The determination ofthe elastic modulusof microcantilever beams using atomic force microscopy, Journal of MaterialsScience,2000， 35 :567-572]。
原子力顯微鏡是目前較為廣泛使用的一種用于表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測設(shè)備，具有很高的橫向和縱向位移分辨率，縱向分辨率可以達到0. Olnm ;通過Z軸垂直方向的驅(qū)動機構(gòu)壓電陶瓷PZT(PbZrTi(^鋯鈦酸鉛陶瓷)掃描管可以施加給掃描探針微小的力載荷。當(dāng)被測試的微結(jié)構(gòu)放置在平臺上，置于掃描探針下時，就可以通過其中的探針和微結(jié)構(gòu)接觸的彈性形變測量相應(yīng)的力學(xué)量。原子力顯微鏡是微納米尺度科學(xué)研究中具有較高力和位移分辨的儀器，科研人員一直都在使用其中的某些功能用來測試，但是不能夠直接有效地進行表征和綜合分析，不能自動提取力學(xué)參數(shù)。因此，需要專用的測試設(shè)備和相應(yīng)的專用測試分析軟件控制系統(tǒng)。[0004] 目前，基于原子力顯微鏡下的微納米尺度的力學(xué)測試平臺和相應(yīng)的用來原位提取力學(xué)參數(shù)的測試軟件系統(tǒng)卻始終是一個空白，研究和開發(fā)基于原子力顯微鏡的力學(xué)相關(guān)測試系統(tǒng)成為發(fā)展的趨勢。更主要的一個問題是原子力顯微鏡掃描面積通常只在幾個平方微米的尺度，如DI公司的原子力顯微鏡，其掃描管PZT的掃描面積約為5X5平方微米，所觀察的表面通常是二維的。而微結(jié)構(gòu)器件一般都在幾十、幾百甚至幾千微米，樣品一旦置于測試平臺上，就只能采用手動方式移動樣品，使樣品定位到微探針下，這極大限制了它在微結(jié)構(gòu)力學(xué)測試上的應(yīng)用。日本精工Seiko II， SPA 400型系統(tǒng)具有微動平臺結(jié)構(gòu)，可以在毫米和厘米尺度間移動，其特征是移動平臺置于探針上，就是當(dāng)微動平臺移動時，探針隨之一起移動，這樣可以有較大的移動空間范圍，方便實用，但其相應(yīng)的系統(tǒng)只含有常規(guī)的掃描測試和表面分析，沒有相應(yīng)的力學(xué)測試分析和數(shù)據(jù)自動提取功能。因此，本發(fā)明試圖開發(fā)一種基于原子力顯微鏡的微結(jié)構(gòu)測試用的移動平臺和微力學(xué)測試方法，使之能夠完成較大尺度的測量同時又具有較高的微納米尺度的分辨精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于原子力顯微鏡的二維微動平臺及微力學(xué)測試方法，本發(fā)明重點進行了適應(yīng)微納結(jié)構(gòu)測試的基于原子力顯微鏡的平臺測試系統(tǒng)的開發(fā)和相關(guān)力學(xué)測試方法。本發(fā)明旨在上海愛建納米科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的AJ-III型號的原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上開發(fā)了用于微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)測試微動平臺，其中，該設(shè)備原來不具備在較大尺寸毫米量級上的水平移動功能。因此，所以本發(fā)明在硬件上設(shè)計了二維微動平臺(圖1中2)，使之具有較大的橫向位移，保證微納結(jié)構(gòu)器件在原子力顯微鏡下方便移動和測試。圖2是二維微動平臺和掃描管PZT聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。這樣就能夠方便地調(diào)整微動平臺上微結(jié)構(gòu)樣品在探針下的精確定位的需求，而探針保持不動。基于原子力顯微鏡中主要的力_位移曲線等測試功能所建立的測試方法，用來直接進行微結(jié)構(gòu)、微器件的力學(xué)測量和評估，直接提取微結(jié)構(gòu)的力學(xué)量，針對懸臂梁等結(jié)構(gòu)，獲得彈性系數(shù)、楊氏模量、應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)。這樣能夠方便、自動、有效進行微結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的測試分析和參數(shù)的提取，可以實施固定點的力學(xué)參數(shù)提取、多點微區(qū)分辨的測量和單線連續(xù)掃描下的彈性系數(shù)獲取等測試功能。測試具有較好的一致性和使用性，能夠方便地進行力學(xué)量的提取。研發(fā)出的微區(qū)力學(xué)特性和參數(shù)提取的算法已經(jīng)固化在原測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)微力微位移下的微區(qū)力學(xué)特性精確分析，并在MEMS加工平臺上實現(xiàn)應(yīng)用。
原設(shè)備包括底座可視CCD (coupled charge device,電荷耦合器件)系統(tǒng)，PZT掃描管和相應(yīng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)。掃描管PZT在電壓驅(qū)動下能夠在X、Y、Z三個方向上進行微納米尺寸移動，PZT掃描管的最大掃描位移為5微米，因原有的掃描管PZT是固定在底座上，底座不能在水平方向上移動，因此，原有的PZT掃描管系統(tǒng)只能移動、觀察和掃描的很小面積。底座上包含自動馬達螺桿固定槽(圖2中4)，手動進針螺桿固定槽(圖2中3)，掃描檢測用的懸臂梁探針安裝在探針夾具中，激光照射到懸臂梁上反射進入光學(xué)檢測器。本發(fā)明提供的二維微移動平臺是由鋼材制備的，中心的開孔用來安裝PZT掃描管(圖2中7);其中在互相垂直的水平X和Y位置上，有兩個X、 Y方向的調(diào)節(jié)旋鈕(圖1中5，6)，兩個旋鈕連接兩個驅(qū)動桿(外面不可見)，兩個驅(qū)動桿與PZT掃描管固定連接。當(dāng)旋轉(zhuǎn)X、Y調(diào)節(jié)旋鈕時，旋鈕帶動連接桿驅(qū)動掃描管就能夠在水平方向進行移動。光學(xué)反饋原理和微力測試原理的部分結(jié)構(gòu)裝置如圖3所示意。
對制造好后的二維微移動平臺進行了調(diào)試，其在水平方向上的移動范圍可達3X3平方毫米，這滿足了一般微器件結(jié)構(gòu)尺寸的測試。將安裝在AFM系統(tǒng)上的二維微動平臺上進行了標準掃描測試，包括對光柵和DNA分子的檢測，用來考察分辨率，漂移等。系統(tǒng)硬件的分辨率可以通過掃描光柵或者掃描DNA樣品得以實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以多次重復(fù)得到DNA的圖像，分辨率達到了原AFM測試的要求；系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過長時間掃描樣品表面固定特征點圖像的漂移程度，在掃描間隔時間為40分鐘內(nèi)，特征點在X方向漂移0. 5微米左右，Y方向漂移小于O. l微米，這表明系統(tǒng)很穩(wěn)定。測試表明移動平臺的引入沒有造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。加工制作的微動平臺系統(tǒng)具有較好的抗震作用，系統(tǒng)通過測試具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。也就是系統(tǒng)在安裝配置二維微移動平臺后，AFM系統(tǒng)的性能沒有受到影響。[0008] 在測試上，基于原有操作系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計了力學(xué)特性測試控制程序，可以原位提取力學(xué)參數(shù)。主要包括下面幾個方面的力學(xué)測試功能微結(jié)構(gòu)上固定點的力學(xué)參數(shù)測試；微區(qū)內(nèi)逐個點的連續(xù)測試分析和微區(qū)內(nèi)連續(xù)各點的力學(xué)測試等，實現(xiàn)彈性常數(shù)k、楊氏模量E等參數(shù)的提取。涉及到的主要數(shù)據(jù)包括參考懸臂梁的彈性系數(shù)，被測試懸臂的長、寬、厚尺寸和在懸臂梁上進行選擇長度的位置參數(shù)。參考懸臂梁在硬基底上固定點、微區(qū)逐點的力曲線斜率，以及微區(qū)內(nèi)連續(xù)點掃描下恒定力和掃描長度(X， Y)、Z方向形變數(shù)據(jù)；參考懸臂梁在被測試懸臂梁上的固定點和微區(qū)內(nèi)逐點的力曲線斜率，以及微區(qū)內(nèi)連續(xù)點的恒定力和掃描長度(X， Y)、懸臂梁在Z方向的形變數(shù)據(jù)。由此獲得被測試懸臂梁固定點的楊氏模量，微區(qū)內(nèi)逐點彈性系數(shù)，微區(qū)內(nèi)連續(xù)點的彈性系數(shù)和形變量等數(shù)據(jù)。[0009] 系統(tǒng)的主要力學(xué)測試方法簡述如下基于原子力顯微鏡中對掃描管PZT和懸臂梁的力-位移控制功能，利用彈性系數(shù)已知的參考懸臂梁對被測試懸臂梁施加力載荷進行懸臂梁壓懸臂梁的接觸測試，從懸臂梁的形變量和所施加的力載荷等數(shù)據(jù)獲得未知懸臂梁的力學(xué)參數(shù)。測試分兩個步驟來完成，首先將彈性系數(shù)為kMf的已知參考懸臂梁與一個光滑的表面硬度或者彈性系數(shù)很大的樣品表面接觸(如平坦的硅表面，稱之為硬基底)，獲得其總形變量St。t，然后將參考懸臂梁與未知彈性系數(shù)k的懸臂梁(相當(dāng)于軟的結(jié)構(gòu))相互接觸獲得在未知懸臂梁上的形變量、^數(shù)據(jù)；考慮到原子力顯微鏡中懸臂梁是以一定傾斜角度e放置的，9為兩個懸臂梁之間的夾角，如圖3(a)(b)所示，其中，(a)為一個懸臂梁在硬基底上測試過程，(b)為一個懸臂梁在另外一個懸臂梁上的測試過程，圖中的PSD是四
象限位置敏感檢測器。經(jīng)適當(dāng)推導(dǎo)可以得到未知懸臂梁的彈性系數(shù)為,
,
cos(61)
,，、
"、/ ; x (1)
上式中，k是待測的未知懸臂梁的彈性系數(shù)，kref是已知懸臂梁的彈性系數(shù)，S w是參考懸臂梁的總形變量，S test是在被測試懸臂梁上的形變量，對于厚度t，寬度W，長度L的懸臂梁，其法向方向的彈性系數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和楊氏模量E的關(guān)系為
(2)4丄3
在普遍情況下，當(dāng)在懸臂梁上施加力載荷AF時(差分力AF為施加力的大小，是兩個不同力的差)，懸臂梁在法向Z方向?qū)l(fā)生形變A Z， A Z可以稱之為差分位移，隨在懸臂梁上位置的不同，當(dāng)施加同一載荷時候，AZ不同。在彈性范圍內(nèi)，彈性系數(shù)表示為[0014]"—— (3)Az
具體實施步驟
原有的AJ-III型測試系統(tǒng)不具有水平移動功能，根據(jù)現(xiàn)有的AJ-III型的結(jié)構(gòu)，采用將掃描管安裝在移動平臺上的方案，這對原設(shè)備系統(tǒng)是一次更新。通過移動平臺移動掃描管，達到在XY平面上精確移動掃描管上樣品的目的。設(shè)計的XY平面微動平臺的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要包括安裝固定在底座上的二維微動平臺2，以及兩個相互垂直用來連接和驅(qū)動二維微動平臺的螺桿，兩個螺桿由兩個相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺鈕控制(圖1中5和6)，旋轉(zhuǎn)螺鈕則可以在X和Y方向水平移動平臺。二維微動平臺和底座均由鋼材制備的。利用環(huán)氧膠將PZT掃描管7(圖2中7)固定安裝到二維微動平臺的中心孔上，包含PZT掃描管的二維微動平臺然后再固定到原AFM系統(tǒng)中。這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺鈕時，螺鈕帶動連接桿驅(qū)動掃描管就能夠在水平方向進行移動，獲得較大的移動范圍，微動平臺在X和Y方向上的移動位移均為3毫米，PZT掃描管的最大掃描位移為20微米，以次來保證懸臂梁探針能夠在微結(jié)構(gòu)上進行大范圍移動。原有結(jié)構(gòu)中包含的手動進針和馬達進針控制螺桿槽均安裝在底座下部，底座下還包含減少振動的裝置，避免在水平位移和進針過程中的震動干擾。圖4是安裝了PZT后的微動平臺。
對裝配了二維微動平臺后的AFM系統(tǒng)主要測試了分辨率，漂移和定位三方面的性能。在微米量級，參考懸臂梁探針可以成功定位在懸臂梁上的某一特定位置。系統(tǒng)硬件的分辨率可以通過掃描光柵或者掃描DNA樣品得以實現(xiàn)，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以多次重復(fù)得到DNA的圖像，這滿足使用要求。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過長時間掃描時，測試樣品表面固定特征點圖像的漂移程度，在掃描范圍IO微米X10微米上，掃描間隔時間為40分鐘。特征點的X方向漂移在0. 5微米左右，Y方向漂移小于0. 1微米，結(jié)果表明系統(tǒng)很穩(wěn)定。[0018] 試驗測試前，將樣品放置在包含微動平臺的PZT表面，然后在可視CCD的視野下，調(diào)節(jié)二維微動平臺，使參考懸臂梁探針移動到被測試的微懸臂梁上，一旦位置選定，即可進行力學(xué)測試。
力學(xué)參數(shù)測試主要包括以下幾個方面微結(jié)構(gòu)上固定點的力學(xué)參數(shù)測試；微區(qū)內(nèi)逐個點的連續(xù)測試分析和微區(qū)內(nèi)連續(xù)各點的力學(xué)測試等，實現(xiàn)彈性常數(shù)k、楊氏模量E等參數(shù)的提取。涉及到的主要數(shù)據(jù)參數(shù)如下。輸入的主要參數(shù)包括參考懸臂梁的彈性系數(shù)和在懸臂梁上進行選擇長度的位置參數(shù)，被測試懸臂的長、寬、厚尺寸。實施測試的數(shù)據(jù)包括參考懸臂梁在硬基底上固定點、微區(qū)逐點的力曲線斜率，以及微區(qū)內(nèi)連續(xù)點掃描下恒定力和掃描長度(X，Y)、Z方向形變數(shù)據(jù)；參考懸臂梁在被測試懸臂梁上的固定點和微區(qū)內(nèi)逐點的力曲線斜率，以及微區(qū)內(nèi)連續(xù)點的恒定力和掃描長度(X，Y)、懸臂梁在Z方向的形變數(shù)據(jù)。輸出得到的數(shù)據(jù)包括被測試懸臂梁固定點的楊氏模量等參數(shù)，微區(qū)內(nèi)逐點彈性系數(shù)，微區(qū)內(nèi)連續(xù)點的彈性系數(shù)和形變量等數(shù)據(jù)。
在微結(jié)構(gòu)上固定點的力學(xué)參數(shù)測試，實際上是單點的單次力曲線測試，測試過程如圖4所示意。首先用已知彈性系數(shù)的參考懸臂梁探針在硬基底進行第一個力-位移曲線測試，獲得其斜率數(shù)據(jù)；然后，在待測試的懸臂梁上，在CCD視野觀察下，移動二維微動平臺，選擇好待測試的位置，將參考懸臂梁置于待測試的微懸臂梁上所選定的位置進行第二個力-位移曲線測試，得到相應(yīng)的斜率。由給定參考懸臂梁的彈性系數(shù)，利用公式(1)計算待測試懸臂梁的彈性系數(shù)；由給定待測試懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再由相應(yīng)的公式(2)計算直接獲得待測試的未知懸臂梁的楊氏模量和懸臂梁根部的應(yīng)力等。
在微區(qū)逐點進行力-位移功能測試是為了獲得在微結(jié)構(gòu)內(nèi)一定微區(qū)域上微納米尺度上不同點的力分辨，測試過程如圖5所示意，如小于1微米尺度內(nèi)的不同位置點的自動移動測量，避免了手動測量的定位不準確性所帶來的誤差。首先選定掃描面積，然后設(shè)定數(shù)個待測試點。基本操作順序同固定點相同。然后執(zhí)行力-位移測試，進行逐點自動測試，得到懸臂梁上逐點力-曲線數(shù)據(jù)，提取其斜率數(shù)據(jù)，按照給定公式(1)計算。經(jīng)過測試和計算得到各個位置點對應(yīng)的彈性系數(shù)。
微區(qū)連續(xù)彈性系數(shù)測試實際上是參考懸臂梁探針對被測試懸臂梁上某一微小區(qū)域內(nèi)連續(xù)彈性系數(shù)分析測試，是單線的力掃描方式，測試過程如圖6所示意。首先在硬基底上進行選區(qū)，然后設(shè)置力載荷和掃描尺寸，執(zhí)行參考懸臂梁在硬基底上的連續(xù)掃描，獲取恒定力下和掃描位置(懸臂梁X、Y方向，如圖3內(nèi)坐標示意)、Z方向形變數(shù)據(jù)；然后在CCD視野下和微動平臺的操作下，將參考懸臂梁置于被測試懸臂梁上微區(qū)內(nèi)，設(shè)置幾個不同水平大小的力載荷和相同掃描尺寸，執(zhí)行掃描測試，程序自動變化載荷(差分力)將力施加到懸臂梁上，這樣能夠獲得懸臂梁在不同載荷下的位移變化(形變量)，按照公式(3)，通過差分力和位移就可以得到在懸臂梁的掃描長度方向上微結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)隨掃描長度的變化關(guān)系。圖8是一個測試結(jié)果。


圖l，二維移動平臺結(jié)構(gòu)圖
圖2， 二維微動平臺和PZT聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3，原子力顯微鏡下基于探針的力學(xué)測試方法，其中(a)是一個探針在硬基底上
的形變測試，(b)是此探針在另一個懸臂梁上的形變測試；
圖4，固定點測試流程。
圖5，微區(qū)逐點力分辨測試流程。
圖6，微區(qū)連續(xù)點單線掃描流程。
圖7，參考懸臂梁分別在硬基底(左)和微懸臂梁上(右)的力曲線示意圖。[0030] 圖8，微懸臂梁在力載荷的作用下位移撓曲分辨，懸臂梁探針在硬基底上的單線力曲線掃描示意，初始掃描點和結(jié)尾掃描點的縱向位移形變沒有變化(a)，圖(b)是在掃描范圍為IO微米的范圍內(nèi)，靠近根部和尾部的形變分析。其中上半部分是在不同力載荷設(shè)置點下的形變，而下半部分是在長度方向上的彈性系數(shù)變化(只計算了其中的一組)。[0031] 圖中1表示底座，2表示二維微動平臺，3表示手動進針螺桿固定槽，4表示自動馬達螺桿固定槽，5和6分別表示相應(yīng)的兩個螺鈕5和6 (以及互相垂直的驅(qū)動螺桿)，7表示PZT掃描管，8表示樣品或者是待測懸臂梁，9表示入射激光，10表示參考懸臂梁，11表示光檢測器。
具體實施方式
實施例1 ， 二維微動機械平臺的實施
二維微動平臺如圖l和2所示，主要包括安裝固定在底座上的二維微動平臺2，PZT掃描管通過環(huán)氧膠固定在二維微動平臺2的中心孔中，二維微動平臺是由兩個調(diào)節(jié)旋鈕(圖1中5)和(圖1中6)控制互相垂直的驅(qū)動螺桿。二維微動平臺和底座均由鋼材制備的，在二維微動裝置上再固定安裝PZT掃描管7，調(diào)節(jié)旋鈕5和6連接驅(qū)動桿，驅(qū)動桿與二維微動平臺與PZT掃描管固定連接，以便移動掃描管和相應(yīng)樣品的位置。然后將微動平臺再放置到底座8上固定。當(dāng)調(diào)節(jié)旋鈕時，旋鈕帶動連接桿驅(qū)動掃描管就能夠在X和Y水平方向進行移動，獲得較大的移動范圍，微動平臺在X和Y方向上的移動位移均為3毫米，PZT掃描管的最大掃描位移為20微米，以保證懸臂梁探針能夠在微結(jié)構(gòu)上進行移動。結(jié)構(gòu)圖中的手動進針和馬達進針控制螺桿槽均安裝在頭部的底盤下部。底盤上還包含減少振動的裝置，避免在水平位移和進針過程中的震動干擾。
實施例2，固定點、微區(qū)逐點和連續(xù)點三種情況下的懸臂梁力學(xué)參數(shù)的測試[0035]
試驗是在室溫超凈間環(huán)境下進行的，溫度251:，濕度40-60%之間。按照圖4程序進行測試，在長度為100iim、寬度40iim、厚度1.55iim的硅(100)表面上，沿著〈110〉晶向制備的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，利用彈性系數(shù)k = 16N/m的懸臂梁測試(廠家提供)，得到待測量的懸臂梁尾端的彈性系數(shù)為6.2N/m。由計算得到單晶硅的楊氏模量E二 165GPa，接近目前公
認的169GPa。按照理論計算，由公式& = 4^4<^3計算可以得到彈性系數(shù)，其中，E是硅的楊
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氏模量，w是懸臂梁的寬度，t是厚度，1是長度。如果取單晶Si的楊氏模量為169GPa，得到彈性系數(shù)為6. 3N/m，同測試數(shù)值比較，估計誤差在2%。理論計算表明，在懸臂梁橫向上的彈性系數(shù)最大誤差不超過2%，因此，微區(qū)彈性系數(shù)分辨測試主要體現(xiàn)在懸臂梁的長度方向上。圖7是測試的一個例子，參考懸臂梁分別在硬基底和未知懸臂梁上的力-位移曲線。[0036] 按照圖5程序進行類似的微區(qū)力分辨功能測試，是為了獲得在微結(jié)構(gòu)內(nèi)一定微區(qū)域上不同點的力分辨，如小于1微米尺度內(nèi)的不同位置點的自動測量，避免手動測量定位不準確所帶來的誤差。測試后，經(jīng)計算得到各個位置點對應(yīng)的彈性系數(shù)。選擇1微米X 1微米掃描面積，然后沿懸臂梁的長度方向選擇3個點進行測試，如，均勻點間距200nm。從懸臂梁的根部到端部，連續(xù)選擇三個點后進行測試，彈性系數(shù)分別為9. 04N/m，8. 40N/m，8. 15N/m。經(jīng)比較，結(jié)果偏差在3. 5%-7%之間。
按照圖6流程進行測試，保持探針在恒定力的作用下，連續(xù)在微結(jié)構(gòu)上自動移動探針。通過設(shè)置幾個不同力的參考點，系統(tǒng)自動變化載荷(差分力)將力施加到懸臂梁上，這樣能夠獲得懸臂梁在不同載荷下的位移變化，即形變量，通過差分力和形變量就可以得到在懸臂梁的掃描長度方向上微結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)隨掃描長度的變化關(guān)系。圖8示意的一個例子。
試驗選擇彈性系數(shù)為0. 8N/m的懸臂梁，其長度為200 y m，寬度為40 P m，厚度為1. 55 ii m。利用彈性系數(shù)為16N/m的參考懸臂梁壓在靠近懸壁根部70-80 y m處，掃描長度lOym，實驗中探針的掃描速率為lHz。測試的位移分辨達到2nm。除了在懸臂根部外，存在較大誤差，在整個測試的長度上，得到了懸臂梁彈性系數(shù)隨長度的變化關(guān)系，結(jié)果與理論是一致的，彈性系數(shù)k與長度L的三次方成反比，彈性系數(shù)從14. 20N/m變化到11. 39N/m。遠離根部彈性系數(shù)明顯變小，測試結(jié)果曲線中的起伏可以明顯觀察到。這是由于，即使沒有外界噪聲，兩個懸臂梁在掃描過程中相互接觸運動產(chǎn)生了類似于共振效應(yīng)的結(jié)果。單線掃描測試后，保持探針在原位，將測試模式轉(zhuǎn)換到單次模式下進行單點的彈性系數(shù)測試，用來比較與單線掃描模式下所獲得的彈性系數(shù)。原位測量得到彈性系數(shù)為13.40N/m，這位于單線掃描模式下的彈性系數(shù)從14. 20N/m到11. 39N/m之間，由此結(jié)果可知系統(tǒng)具有較好的一致性。
權(quán)利要求
一種用于原子力顯微鏡的二維微動平臺，其特征在于，二維微動平臺(2)的中心開孔用于安裝PZT掃描管(7)，其中在互相垂直的X和Y位置上分別有兩個調(diào)節(jié)旋鈕(5)、(6)，兩個調(diào)節(jié)旋鈕連接兩個驅(qū)動桿，兩個驅(qū)動桿與PZT掃描管連接，所述的二維微動平臺固定在底座(1)上。
2. 按權(quán)利要求
1所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺，其特征在于所述二維微動 平臺水平方向上的位移范圍為3X3平方毫米。
3. 按權(quán)利要求
1所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺，其特征在于二維微動平臺 和底座是由鋼材制備的。
4. 按權(quán)利要求
1所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺，其特征在于通過環(huán)氧膠在 二維微動平臺的中心孔中固定PZT掃描管，該二維微動平臺固定在原子力顯微鏡系統(tǒng)中。
5. 按權(quán)利要求
1或4所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺，其特征在于PZT掃描 管的最大掃描位移為20微米。
6. 利用權(quán)利要求
1-5中任一項所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺進行力學(xué)參 數(shù)的測試方法，其特征在于原位提取懸臂梁的彈性系數(shù)和楊氏模量的參數(shù)測試分下述三種 情形中任一種A. 在微結(jié)構(gòu)上固定點的力學(xué)參數(shù)測試，也即單點的單次力曲線測試，測試步驟是首 先用已知彈性系數(shù)的參考懸臂梁探針在硬基底進行第一個力-位移曲線測試，獲得其斜率 數(shù)據(jù)；然后，在待測試的懸臂梁上，在CCD視野觀察下，移動二維微動平臺，選擇好待測試 的位置，將參考懸臂梁置于待測試的微懸臂梁上所選定的位置進行第二個力_位移曲線測 試，得到相應(yīng)的斜率，由給定參考懸臂梁的彈性系數(shù)，利用公式(1)計算待測試懸臂梁的彈 性系數(shù)；由給定待測試懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再由相應(yīng)的公式(2)計算直接獲得待測試的未 知懸臂梁的楊氏模量和懸臂梁根部的應(yīng)力；B. 在微區(qū)逐點進行力-位移功能測試，首先選定掃描面積，然后設(shè)定數(shù)個待測試點，基 本操作順序同A所述的固定點相同，然后進行力-位移測試，進行逐點自動測試，得到懸臂 梁上逐點的力-曲線數(shù)據(jù)，提取其斜率數(shù)據(jù)，按照給定公式(1)計算，經(jīng)過測試和計算得到 各個位置點對應(yīng)的彈性系數(shù)；C. 微區(qū)連續(xù)彈性系數(shù)測試，也即參考懸臂梁探針對被測試懸臂梁上某一微小區(qū)域內(nèi)連 續(xù)彈性系數(shù)分析測試，是單線的力掃描方式，步驟是首先在硬基底上進行選區(qū)，然后設(shè)置 力載荷和掃描尺寸，進行參考懸臂梁在硬基底上的連續(xù)掃描，獲取恒定力下和懸臂梁X、 Y 方向的掃描位置、Z方向形變數(shù)據(jù)；然后在CCD視野下和微動平臺的操作下，將參考懸臂梁 置于被測試懸臂梁上微區(qū)內(nèi)，設(shè)置幾個不同水平大小的力載荷和相同掃描尺寸，執(zhí)行掃描 測試，程序自動變化載荷將差分力施加到懸臂梁上，獲得懸臂梁在不同載荷下的位移變化 的形變量，按照公式(3)，通過差分力和位移就得到待測的未知懸臂梁的彈性系數(shù)；所述的公式(1) 、 (2) 、 (3)為 ^ (1)(2)(3)式中，k是待測的未知懸臂梁的彈性系數(shù)，k^是已知的參考懸臂梁的彈性系數(shù)，s w是參考懸臂梁的總形變量，s^t是在被測試懸臂梁上的形變量，e為兩懸臂梁之間的夾角；厚度t，寬度W，長度L為待測懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，E為楊氏模量；AF為差分力，AZ為懸臂梁在法向Z方向發(fā)生形變，也稱之為差分位移；所述的硬基底是指平坦的硅表面，所述的CCD視野為可視的電荷耦合器件系統(tǒng)的視野。
7.按權(quán)利要求
6所述的用于原子力顯微鏡的二維微動平臺進行力學(xué)參數(shù)的測試方法， 其特征在于在B情況下對應(yīng)小于1微米尺度的微區(qū)內(nèi)不同位置點的自動移動測量。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種用于原子力顯微鏡的二維微動平臺及力學(xué)參數(shù)的測定方法，其特征在于二維微動平臺的中心開孔用于安裝PZT掃描管，其中在互相垂直的X和Y位置上分別有兩個調(diào)節(jié)旋鈕，兩個調(diào)節(jié)旋鈕連接兩個驅(qū)動桿，兩個驅(qū)動桿與PZT掃描管連接，所述的二維微動平臺固定在底座上。本發(fā)明所述的二維微動平臺水平方向上的移動范圍為3×3平方毫米，PZT掃描管的最大掃描位移為20微米。利用經(jīng)改進的二維微動平臺的AFM顯微鏡可進行在微結(jié)構(gòu)上固定點的力學(xué)參數(shù)測試，在微取逐點進行力學(xué)-位移功能測試以及微區(qū)連續(xù)彈性系數(shù)的測試，均獲得很好的一致性結(jié)果。
文檔編號G01Q60/24GKCN101339816 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200810041517
公開日2010年7月21日 申請日期2008年8月8日
發(fā)明者張波, 李昕欣, 郭久福, 鮑海飛 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan