扫描探针显微镜主动隔振研究

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1、广东T业大学T学顾1：学位论文独创性声明秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。78指导老师签字：论文

2、作者签字：储匆匆邱毒、脊I1们譬年；月占日第一章绪论1．1本课题的研究背景和意义随着科学技术的发展和人类社会的进步，加工领域尺度越发不断地朝微观方向迈进，由毫米级到微米级、纳米级，同时检测手段也不断细化。纳米科技将加工和测量精度从微米级提高到纳米级，从宏观领域步入到微观领域，即从微米尺度深入到了分子、原子级的纳米层次。l959年，R．Feynman曾设想微型机械系统llJ。1981年，G．Binnig和H．Rohrer发明扫描隧道显微镜(STM)t引，其测量分辨率极高，能观测物体表面单个原子和分子的排列以及电子在物体表面的行为。19

3、86年，G．Binnig和C．Quate等发明原子力显微镜(AFM)【3】，检测非导体材料和软质材料试件的表面微观形貌能达到原子级分辨率并能在液体中进行检测。STM、AFM和利用探针试件间不同作用力发明的高分辨率显微镜统称为扫描探针显微镜(SPM)。目前STM已成功应用于单原子操纵，并且STM和AFM等已经开始用于纳米级微结构的精密加工14~5】。和现在所有的加工方法相比，SPM能够加工特别微小的纳米尺度的微结构。现在加工微电子器件的电子束光刻技术，仅能加工的最小线宽度为0．1／am厚度的极小线条，而用SPM光刻可以加工出线宽小于1

4、Onto，高宽比大于1O的立体线条。使用SPM连续操纵原子，可以加工出宽度为2～3nm的沟槽和纳米线。要利用SPM实现如此精密加工系统必须要能有效隔离外界微小振动的干扰。随着科学研究技术的深入，SPM作为超精密加工测量工具对环境振动要求也更加趋于严格。这是因为各种频率与振幅的振动在很大程度上限制着高精密仪器的性能发挥r7^H¨。例如，STM工作时，探针针尖．试件间的距离小于lnm，隧道电流和隧道距离成指数关系，极为敏感，因此极为微小的振动都将干扰仪器的稳定工作。STM使用恒电流扫描模式检测时，不少试件，特别是金属试件，如要求达到原子

5、级分辨率，就必须能检测出O．01y／m的表面起伏，因此对一台性能优异的STM就必须要能很好的应对外界振动干扰，要求由振动引起的扰动导致的隧道间隙变化小于0．001ylm；半导体行业中的平版印刷术系统将掩模精确投射到工件台广东T业人学工学硕．1j学位论文上的晶圆曝光，掩模与工件的对准由激光干涉测量精密定位的掩模台和工件台及专门的光学对准系统完成。现在制造集成电路的光刻技术在生产中已经达到的最小线宽为0．13／比mt⋯。理论上分析，现代光刻加工技术的物理极限为0．1／vm[12】，光刻中的最小光刻线宽除了和光波的波长有关外，成为最小光刻

6、线宽的一个瓶颈就是曝光机的镜头受到振动干扰Il3

7、，影响到聚焦成像和垫板的位置。要做到这些，超精密仪器必须有十分优良的隔振装置，因此开展对超精密仪器隔振技术研究具有非常重要的理论意义和实用价值。针对这些振动干扰以往国内外传统的做法就是采用技术较为成熟的被动隔振(无源隔振)方法，即弹簧．阻尼系统进行隔振。虽然被动隔振方法有结构简单，容易实现，经济性好可靠性高等优点，但是其控制效果和适应性都不太好，被动隔振一旦设计结构完成其参数就已经确定很难做出修改，而且只能对特定很窄的高频段内振动进行衰减，有时甚至是产生共振不但没有减轻振动反而增强了

8、振动。虽然通常人们把被动隔振系统的本征频率做的很低，但是在实际应用上很难把被动隔振系统固有频率控制在低于1．OHz(一般能做到2-5Hz)

9、14l范围内，所以对于低频振动隔振仍然是一个亟待解决的问题，由表1．1所示纳米测试实验室主要振源干扰可知，超精密隔振系统设计主要需要考虑的振动频率范围就在O～lOOHz[15J，这就要求所设计的隔振系统能对低频(通常以100Hz为界)超低频干扰力具有良好的隔振效果，但由于～般被动隔振系统的低通滤波【16l特性不能对纳米测试实验室内的振动起到很好的效果，而主动隔振技术却能很好的解决这些问题。表1．

10、1纳米测试实验室的振源分析‘15】Tab．1—1Analysisofvibrationsourcesinnanometermeasurementlaboratory振源频率／Hz振源频率／Hz人员走动1～3隔振工作台的气泵100～15