第五章 扫描探针加工技术

激光检测AFM基本原理图
接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样
品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的 变形进行测量。
该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨 率高，但成像时针尖对样品的作用力较大， 适合表面结构稳定的样品。
轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针
对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬 臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品 的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行 “敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克 服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向 力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品 的检测。
引言 扫描探针显微镜的产生及原理 扛蚀剂曝光加工 局部氧化加工 添加式纳米加工 抽减式纳米加工 高产出率扫描探针加工
扫描探针加工技术出现于扫描隧道显微镜发明以后 长时间使用STM观察硅后，在样品表面留下了一些
扫描线图形。
这些图形是表面局部氧化现象。 标志着扫描探针加工的开始。 扫描隧道显微镜STM,原子力显微镜AFM,近场扫描光
隧道电流法： 基于STM原理实现的。将微悬梁
看成样品，在微悬梁上还有一微小 探针接触。微悬梁和探针间施、加 一偏置电压，他们之间便产生了隧 道电流。当微悬梁因为和样品间的 原子间力的作用而位置发生改变， 那么他和探针之间的位置也发生相 应的变化，导致隧道电流发生指数 级的变化，那么测量原理就变成了 STM的测量原理了。
STM曝光
STM通过场致发射电子对抗蚀剂曝光 场致发射电流密度与电场强度有关 发射阀值电场强度 2×107Vcm-1 只有大于这个阀值 才能够发射电子 一旦发射，电流随 电场强度迅速增加
STM曝光
较低电压下，获得发射体表面高电场强度有两个办法 一是采用非常尖细的发射体 二是将发射体尽量靠近阳极电极 STM的结构和工作方式能够满足这两个条件 STM探针半径一般几纳米或几十纳米 STM探针与样品表面距离不超过10纳米 探针与样品间十几伏的电压即产生2×107Vcm-1以上
NSOM曝光
3种不同的探针结构
金属沉积层： 防止光泄露 孔径大
无金属沉积层 光泄露 孔径小
金属针尖 激光侧面照射 孔径小 40nm
NSOM曝光应用
适合对一些自组装单层膜(Self-assembled monolayer, SAM)的曝光
有些分子能够根据与衬底材料表面的亲和势而自动组 装形成紧密排列的单分子层
获得样品表面形貌是通过检测微悬 梁位置的变化而实现的。
检测微悬梁位置变化的主要有： 隧道电流法和激光检测法。
AFM探针的针尖
原子力显微镜基本原理
检测器能精确检测 到反射激光光斑上 下左右的移动。
此信息经反馈系统 转化为控制压电扫 描器的电压信号。 样品表面每一点上 压电扫描器的起伏 信息被计算机记录, 经信号转换处理后 获得样品图象。
电子显微镜
透射
电子
显微 镜
场电
子显 微镜
场离
子显 微镜
电子 探针
低能
电子 衍射
光电
子能 谱
扫描
电子
显微 镜
扫描探针显微镜的产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
扫描电子显微镜
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期性结构
用于薄层样品的体相和界面研究 不足分辨出表面原子 只能提供空间平均的电子结构信息
扫描探针显微镜的原理
隧道效应是波动性的结果：
量子力学 U(x) 微观粒子行为，具有波动性，粒子性
U0 入射波+反射波
透射波
0
a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度的物理下限…
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扫描探针显微镜的原理
量子隧道效应
➢ 经典
➢ 量子
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电子围绕原子核转一周大约需要150阿秒的时间(1阿 秒=10-18 秒)
只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a
monolayer of poly(acrylic acid)block-polystyrene [2]
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
激光检测法 二极管激光器发出的激光束经
过光学系统聚焦在微悬臂背面，并 从微悬臂背面反射到由光电二极管 构成的光斑位置检测器。在样品扫 描时，由于样品表面的原子与微悬 臂探针尖端的原子间的相互作用力， 微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起 伏，反射光束也将随之偏移，因而， 通过光电二极管检测光斑位置的变 化，就能获得被测样品表面形貌的 信息。目前的AFM都是采用这种检 测模式。
扫描探针显微镜的产生：1982年
公认为20世纪80年代十大科技成就之一。 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
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扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜（AFM） 近场扫描光学显微境
（SNOM） 弹道电子发射显微镜
（BEEM） 扫描力显微镜（SFM）
的三维移动，就可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记 录下来。
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扫描隧道显微镜系统基本组成示意图
极细探针与研究物质作为两个探极
针尖样品间距离：小于1nm 逐点扫描获得各点隧道电流谱
电路计算Hale Waihona Puke Baidu信号处理
显示屏上显示原子排列结构
恒电流式：适观察表面形貌起伏较大样品。
恒高式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表 面起伏大于1nm 的样品。
理
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经典物理学: 物体越过势垒，有一阈值能量；粒子 能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越 过。
量子力学: 即使粒子能量小于阈值，很多粒子冲向 势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去， 好像有一个隧道，故名隧道效应。就像在山坡上开 一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确 定性在微观上往往就具有不确定性。
原子力显微镜基本原理
AFM是利用原子之间的范德华力 （Van Der Waals Force）作用来呈 现样品的表面特性。
两个原子之间的作用力与他们之间距 离有关
原子力显微镜就是利用原子之间微妙 的关系来把原子样子给呈现出来。
σ：原子的直径 r ： 原子之间的距离
原子力显微镜基本原理
真空度：STM以来于隧道电流成像要求真空度高， AFM可在大气液体中测量
近场扫描光学显微镜(NSOM)
与STM和AFM的区别： 固体探针变成扫描光源 扫描光源是有极细尖端的玻璃
或石英光学纤维 光纤探针的外壁沉积一层金属
防止光波泄露 探针开口处形成一个极细光点 即光探针，光探针照射样品的 反射光由光子探测器接受，获得 样品的表面光学像。
STM 应用
QUANTUM MIRAGE (量子幻影)
Nature, Feb. 2000
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）
1985年，IBM公司的 Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原 子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可 以用来测量任何样品 的表面。
STM基本原理
扫描探针显微镜的原理
STM中的物理原理：量子隧道效应
用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)接近样品表面； 当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)，针尖头部原子和样品表
面原子的电子云发生重迭（波函数重叠）； 在针尖和样品之间加上偏压，电子便会穿过针尖和样品构成
的势垒而形成隧道电流； 通过控制针尖与样品表面的间距，并使针尖沿表面进行精确
STM成像电压要高，十几伏或几十伏电压
STM曝光
STM曝光的特点
1）要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过50nm 2）STM探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统
电子束曝光系统有透镜聚焦系统 3）STM曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大
传统电子束与STM曝光计量比较
相同曝光线宽STM曝光需要的曝光剂量更多
扫描探针显微镜 （SPM）
什么是扫描隧道显微镜
Scanning Tunnelling Microscope，扫描隧道显微镜
STM能干什么？ 空间高分辨率: 横向0.1nm，纵向<0.01nm， 直接观察物质表面原子结构，进入微观世界。
STM怎么工作的？
量子隧道效应 + 精密机电控制 + 微弱信号处
烷硫醇分子在金表面的自组装 NSOM曝光可以在烷硫醇分子层上形成小于光探针孔径
的图形
SNOM图像： 玻璃表面 单层聚苯乙烯纳米球 （200nm）
SNOM加工：20nm的线 条图形
5.4 局部加工氧化
局部加工氧化
硅在空气中表面几个原子层厚的二氧化硅层，即氧化层 氢氟酸可以去除氧化层，留下一个单原子层氢原子即氢钝化 探针高电场下，108Vcm-1 水分子与氢原子反应使硅表面氧化 探针在表面扫描 氧化硅图形形成 可作刻蚀掩模
将一个对微弱力极敏感的微悬臂一 端固定，另一端有一微小的针尖， 针尖与样品表面轻轻接触，
针尖原子与样品表面原子间存在极 微弱的排斥力，扫描时控制这种力 的恒定，带有针尖的微悬臂在垂直 于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法， 可测得微悬臂对应于扫描各点的位 置变化，从而可以获得样品表面的 形貌。
学显微镜NSOM 统称扫描探针显微镜SPM
优点： 简单易操作 任何探针都可以附带进行纳米加工
局限性： 加工精度有限: 几十纳米 加工深度有限：几十纳米 加工速度低：扫描速度低，每秒微米亚微米 加工面积小：几十微米
扫描探针显微镜的产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1933年
Ruska Knoll
STM 应用
材料表面结构特征研究
槽宽=253.4nm 槽深=35.294nm 条宽=154.2nm
STM 材料表面结构相变研究 应用
两个Si原子的二聚体结构 单原子缺陷
具有加热功能的STM研究Si结构相变
结构发生变化
STM 应用
QUANTUM CORRAL (量子栅拦)
Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)
4HF + SiO2 = SiF4 (气体）+ 2H2O 2HF + SiF4 = H2[SiF6]
局部加工氧化
影响局部氧化的因素 施加的探针偏压 探针扫描速度，即每点逗留时间 环境空气湿度：
湿度大形成散焦 局部氧化范围增加 二氧化硅线条变宽
原子力显微镜的构造
控制器
激光头 扫描管
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
CCD Camera
防震台
AFM 应用
纳米结构加工
用AFM技术能搬运分子、原子，构建纳米结构器件， 可以用AFM在某些金属表形成纳米级的点阵，以实 现超密度信息存储等等。
STM和AFM的区别
对样品要求：STM要求样品是导体或半导体，AFM 也可用于非导体
电场 如样品是涂覆抗蚀剂的平面材料，电子即可以导致抗
蚀剂曝光，机理类似低能电子束曝光 AFM以STM方式工作时，也可以实现抗蚀剂的曝光
STM曝光
STM曝光最早报道于20世纪80年代 获得22nm宽的曝光线条，用金属溶脱工艺形成相
应的金属线条图形 STM做电子束曝光时，在恒电流模式，但电压比
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限 于表面边界之内。即，电子密度并不在表面边界突 然降为零
如果探针和待测样品互相靠得很近，那么，它们表 面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加 一微小电压Vt，那就可以观察到它们之间的电流 Jt(隧道电流）
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的 依赖关系