摘 要:在扫描探针纳米加工技术的基础上,提出了利用原子力显微镜(AFM)来制作高频光栅的新工艺。利用AFM硅制探针,在接触模式下对光盘(聚碳酸酯材料)进行刻划试验。对刻划光栅的工艺参数进行优化,得到了纳米量级光栅。并将刻划所得光栅应用于数字云纹法,与数字参考栅干涉形成微/纳米数字云纹。实验结果表明,该法所制得的光栅可以应用于实际变形的测量。
1 引 言
1986年世界上第一台原子力显微镜(AFM)问世[1],近20来,AFM的分辨率得到了极大地提高,达到了在纳米级和埃级的分辨率,观测物体的表面形貌并成像。此外,AFM的应用范围也越来越广。除了可以用来探测样品表面的纳米机械性质和定域粘附力等性质外,利用AFM针尖诱导,即在针尖尖端处进行纳米化学反应,AFM对试件可进行局域氧化、局域改性、纳米刻蚀,改变试件的表面形貌。另外,利用AFM操纵单分子和原子,对有序分子膜、硅、金属、超导体表面等进行纳米加工。用AFM的针尖拨动纳米颗粒以及碳纳米管纳米操纵原理与方法的研究是纳米加工的基础性工作[2]。
最早的纳米刻蚀和纳米加工技术出现于1987年,AT &T公司Bell[3]实验室的Becker等人利用扫描隧道显微镜(STM)的针尖首次实现了单晶锗表面的原子级加工,即在表面形成人造的原子级结构,表明了利用SPM进行纳米级加工的可能性。在这之后,利用SPM进行纳米刻蚀和纳米加工的方法层出不穷,加工的材料和加工所需的条件也发生了很大的变化,扫描探针纳米加工技术逐渐发展成为纳米科技的核心技术之一。
本文采用扫描探针显微镜刻蚀技术,在高分辨率下进行微纳米加工,利用扫描探针显微镜刻蚀技术制作微纳米光栅,提出了AFM制作微纳米光栅的新型工艺。
2 原子力显微镜(AFM)的基本原理
图1所示为AFM扫描原理示意图,图2为探针针尖同被测试样面接触处的示意图,图中小圆分别代表探针同接触面的原子。由物理学理论可知,当两个物体之间的距离很近时,物体之间会产生与距离平方成反比的相互作用的原子间力(既可能是引力,也可能是斥力)。当AFM的探针接近试样表面时,探针_针尖相互作用的原子力使得微悬臂梁发生形变。当探针在水平面上扫描时,针尖同试样表面间的距离在垂直方向上的变化,引起针尖同试样表面之间原子间力的变化。从而引起微悬臂梁形变量的变化,即微悬臂的形变可以直接反映出样品_针尖相互作用力的变化。一束激光照射到微悬臂的背面,微悬臂上的微反射镜将激光束反射到一个光电检测器,检测器不同象限接收到的激光强度的差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系。反馈系统根据检测器电压的变化不断调整针尖高度,保持针尖_样品间作用力恒定不变。从而记录下的探针高度的变化就反映了试件表面高度的起伏。由于AFM是基于原子间力的理论,因此,被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘体领域,其横向分辨率可达0·01nm[4]。
3 AFM刻划法制作平行光栅
结合微纳米云纹法的需要,考虑利用原子力显微镜制作微纳米精度范围的光栅。利用Nano_Man/Nanolithography Vision 6可以操作原子力显微镜进行扫描和刻蚀。原子力显微镜专用探针选用硅制探针,在光盘表面进行刻划试验。利用硅制tapping模式专用针,首先在tapping模式下选取的1.4μm×1.4μm区域内扫描成图,然后在contact模式下利用Nano_Man Function进行刻划。此时原子力显微镜探针采用contact模式。以试样表面为X_Y平面,其垂直方向为Z方向,则将原子力显微镜探针在Z方向的位移设为-50nm,即最终刻划深度为50nm;Z方向探针移动速度设为10nm/s;X_Y平面内探针移动速度设为1μm/s。AFM设定参数见表1。
3.1 实验结果
图3中所得光栅刻划深度设定为50nm,其中(a)图中栅距依次设定为40nm、30nm、50nm,(b)图中栅距设定为80nm、60nm,(c)图中栅距设定为70nm、90nm。
利用Nano_Man Function功能中的section功能,沿图中所示划线,在与栅线垂直的方向上取一剖面,分别以截面宽度和表面高度为横纵坐标,绘制截面表面高度分布图,如图4。
由图4(b)左侧可见,在栅距为80nm的光栅的高度剖面图上有明显台阶出现。选取宽度为0.2nm~0.4nm区间的一条栅线上作三条标记线,分析该剖面处表面形貌。标记线1与标记线3为实际探针下针刻划的地方,刻划深度分别为-6nm和5.5nm,可见实际深度远小于设定刻划深度。标记线1与标记线3之间距离即为实际刻划栅距,依次为85nm、82nm、81nm、79nm、82nm,与刻划前设定的80nm接近。在标记线3处,探针下针刻划时将光盘材料聚酯挤出表面,形成标记线2、3之间的凸起部分高度为6nm到7nm;而标记线1、2之间的光盘表面没有受到影响,依然保持下针刻划之前的形貌,使得下针处与突起部分之间形成一个“台阶部分”。
然而,(b)图右侧刻划前设定栅距为60nm的栅线组,由于下针刻划的间距过小,使得相邻凸起部分相互叠加,没有明显凸起的台阶出现,与(a)图中设定栅距为30nm、40nm、50nm的情况一致。
3.2 讨 论
由上述实验结果可知:
(1)探针在刻划时,总是将光盘材料聚酯挤出到左边,形成栅线凸起部分(图4(b)中标记线2—3之间的部分);而右边光盘表面形貌不受影响,形成栅线台阶部分(图4(b)中标记线1—2之间的部分)。
(2)当刻划栅距设为30nm、40nm、50nm、60nm时,所得栅线没有明显的台阶部分;当栅距增大到70nm,有不明显台阶出现;当栅距增加至80nm时,所得栅线会有明显台阶出现。
(3)在刻划深度一定时,若栅距足够大,刻划后形成的栅线凸起部分宽度是定值。例如前面试验的刻划深度为50nm,栅距依次为70nm、80nm、90nm、100nm、120nm时形成凸起部分宽度见下表2。取平均值:width=48.8nm最大相对误差为14.7%。
(4)当刻划之前设置的栅线间距正好等于栅线凸起部分宽度时,即台阶部分正好消失时,形成栅线的分辨率较高,刻划光栅质量较好。如图4(a)中下针50nm时,所示栅线间距60nm时没有台阶部分,而栅线间距70nm时有台阶部分,故60nm和70nm之间有一个值d作为栅距时,使得台阶正好消失。经分析,图中台阶左端沿与下针处间距约为10nm,加上台阶部分右边凸起部分宽度48.8nm,为58.8nm。考虑误差,估计d值比60nm略大。
(5)每一个刻划下针深度,将对应一个d值,使得刻划光栅质量较好。
3.3 栅线形貌
图5(a)是增加刻划栅线数目增加到30线时,所得刻划光栅的形貌图,图5(b)是其三维立体图[5]。
3.4 AFM刻划法所得平行光栅在数字云纹法中的应用
AFM刻划法制得的30线光栅做为试件栅(图6(b)),25线正弦型数字光栅作为参考栅(图6(a)),根据数字云纹法原理和相位转移技术,所得包络图(图6(c))。
4 AFM刻划法制作正交光栅
利用Nano_Man/Nanolithography Vision 5软件,选用indent模式,利用AFM点阵刻划模式,制得的栅距为120nm的正交光栅(图7)。
5 结 论
本文介绍了AFM刻划法制作光栅的原理,研究了实验工艺,并讨论了实验中设定栅距对制得栅线质量的影响。实验结果表明对于平行光栅,当刻划前设置的栅线间距接近栅线凸起部分宽度,即所得栅线的台阶部分正好消失时,形成栅线的分辨率较高,刻划光栅质量较好。
实验证明此方法是可行的。与一般的制栅方法相比,本方法不需要专门的仪器和复杂的实验步骤,从而有效的提高了实验效率。AFM刻划法制作光栅为制作纳米级光栅提供了一种很有应用前景的方感谢张庆明教授对本工作的帮助与指导,感谢北京理工大学爆炸灾害预防、控制国家重点实验室开放基金对本研究工作的资助。
参考文献:
[1]鞠挥,吴一辉,王立鼎.硅光栅的制作与应用[J].MEMS器件与技术,2002,(2):29—33.
[2]朱守星,丁建宁,等.基于AFM纳米加工机理和方法的研究进展[J].江苏大学学报(自然科学版),2002,(3):8—13.
[3]宫建茹,万立骏,白春礼.扫描探针纳米加工技术的现状和发展趋势[J].大学化学,2003,(1):7—11.
[4]白春礼,田芳,罗克.扫描力显微术[M].北京:科学出版社,2000.
[5] Xie HM, Kishimoto S, Asundi A,et al. In_plane deformation mea-surement using the atomic force microscope moirémethod[J]. Nan-otechnology, 2000,11(1): 24—29.
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(项目20020003025);教育部优秀青年教师资助计划、国家重点基础研究发展计划(项目2004CB619304);国家自然科学基金(项目10232030, 10121202, 10472050)
作者简介:张鸣(1982_),女,山东省人,清华大学硕士研究生,从事光栅制作研究。
E_mail:xiehm@mail.tsinghua.edu.cn; zhangming03@mail.tsinghua.edu.cn
