大尺度原子栅纳米测量装置

摘要

本发明公开了大尺度原子栅纳米测量装置，包括多级减振系统、基座；其特征在于：设置在基座上的组合减振平台上设置纳米进给工作台，可移动式纳米进给工作台上设置原子栅，纳米进给工作台带动原子栅移动；扫描隧道显微镜上的探针设置在原子栅上方，探针在压电陶瓷驱动器驱动下移动；信号采集器与扫描隧道显微镜相连接，脉冲电路将模拟信号转换为脉冲信号触发计数器计数，再输入计算机计算处理。本发明的测量装置，大大增加了测量范围，适应纳米构件加工技术的需要；在X方向的最大范围为20mm，在Y方向的最大范围为20mm；在X方向和Y方向上均可进行纳米测量，测量范围的大小决定于纳米进给工作台最大行程。

权利要求

1.大尺度原子栅纳米测量装置，包括多级减振系统、基座(4)；其特征在于：组合减振平台(5)设置在基座(4)上；在组合减振平台(5)上设置纳米进给工作台(6)，可移动式纳米进给工作台(6)上设置原子栅(7)，纳米进给工作台(6)移动时带动原子栅(7)移动；扫描隧道显微镜(13)上的探针(8)设置在原子栅(7)上方，探针(8)在压电陶瓷驱动器(9)驱动下移动；信号采集器(14)与扫描隧道显微镜(13)相连接，将隧道电流的周期变化采集后送入脉冲电路(15)，脉冲电路(15)将模拟信号转换为脉冲信号触发计数器(16)计数，再输入计算机(17)计算处理；

所述的多级减振系统由设置在支架(2)上的两个减振弹簧(1)构成两级弹簧减震，再通过磁性减振系统(3)和组合减振平台(5)构成，减振弹簧(1)和磁性减振系统(3)与基座(4)相连接。

2.根据权利要求1所述的大尺度原子栅纳米测量装置，其特征在于：原子栅(7)为具有严格点阵结构的材料构成。

3.根据权利要求1或2所述的大尺度原子栅纳米测量装置，其特征在于：纳米进给工作台(6)通过压电陶瓷直线步进电机驱动。

4.根据权利要求1所述的大尺度原子栅纳米测量装置，其特征在于：计算机(17)与显示打印设备(18)连接，将计算处理结果通过显示打印设备(18)显示或打印。

说明书

大尺度原子栅纳米测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种原子栅纳米测量装置，尤其是大尺度原子栅纳米测量装置；它是测量物体表面形貌、长度、位移等机械、物理量的仪器，其用途是作固体表面分析、原子/分子组装、纳米测量和纳米加工。

背景技术

[0002] 随着制造技术向着微观及高精度方向的发展，纳米测量技术及纳米加工技术已迅速发展。目前，纳米测量主要有①扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)测量；②X射线干涉仪测量；③法布里-珀罗标准具测微系统以及各类光学纳米测量等测量方法。扫描隧道显微镜在探针与被测工件之间加上偏置电压，当探针与工件间的间隙小于5纳米时产生隧道效应，流过这一间隙的电流对间隙大小十分敏感，保持隧道电流恒定或保持间隙恒定，通过三维压电陶瓷驱动，可获得物体表面三维尺寸和轮廓形状。这种方法可获0.01nm的垂直方向分辨率和0.1nm的水平方向分辨率。X射线干涉仪是通过X射线照射硅晶片产生衍射来进行测量，由于硅的晶格间距很稳定，约为0.2nm，可实现纳米精度测量。法布-8里-珀罗标准具测微系统结构复杂，具有很高的分辩率，可达2.1×10 nm。以上测量方法虽都可以进行纳米或纳米精度的测量，但有一个共同的弱点，就是测量范围太小，扫描隧道显微镜的扫描范围约为10μm，法布里-珀罗标准具测微系统的最大量程约为1.1μm，X射线干涉仪的测量范围为：200μm，难于满足工程应用的需要。对于大尺度的纳米测量，德国Heidenhain公司已研制生产出了具有纳米分辨率的光栅尺，其分辨率为：2nm，最大量程为：20mm，这为纳米精度的加工提供了测量技术的支撑。但对于纳米构件(包括原子分子级加工、表面原子重构等)，由于原子的直径<1nm(如硅原子的直径为0.2nm)，需要更高分辨率的测量技术。

[0003] 纳米构件(包括原子分子级加工、表面原子重构等)的加工技术是在扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等基础上发展起来的一种加工技术。这一技术有着不可估量的应用前景。美国IBM公司的科学家用扫描隧道显微镜(STM)在铜表面上用48个原子组成一个圆环，中国科学家用扫描隧道显微镜(STM)在石墨表面上刻写出中国地图，中国科学院化学研究所用扫描隧道显微镜(STM)刻出了2000nm长、10nm宽的线条，这一技术将在超大规模集成电路的制造中有广阔的应用前景。但由于扫描隧道显微镜(STM)的扫描范围约为10μm×10μm，不能完整的一次性的刻出集成电路芯片上的全部图案，因此要应用这一技术制造集成电路芯片，需要研制大尺度的纳米测量系统。

[0004] 在纳米技术中，纳米测量技术、纳米加工技术和纳米结构是纳米技术的三大研究领域，而纳米测量技术是纳米技术的基础。因此，大尺度的纳米测量装置是纳米技术发展的迫切要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有纳米测量技术中测量范围小的不足之处，为纳米测量和纳米加工等纳米技术提供一种大尺度原子栅纳米测量装置。

[0006] 本发明的技术方案可以通过以下措施来达到：大尺度原子栅纳米测量装置，包括多级减振系统、基座；其特征在于：组合减振平台设置在基座上；在组合减振平台上设置纳米进给工作台，可移动式纳米进给工作台上设置原子栅，纳米进给工作台移动时带动原子栅移动；扫描隧道显微镜上的探针设置在原子栅上方，探针在压电陶瓷驱动器驱动下移动；信号采集器与扫描隧道显微镜相连接，将隧道电流的周期变化采集后送入脉冲电路，脉冲电路将模拟信号转换为脉冲信号触发计数器计数，再输入计算机计算处理。

[0007] 所述的多级减振系统由设置在支架上的两个减振弹簧构成两级弹簧减震，再通过磁性减振系统和组合减振平台构成，减振弹簧和磁性减振系统与基座相连接。

[0008] 本发明的大尺度原子栅纳米测量装置，相对于现有技术，具有如下特点：

[0009] 1、大大增加了测量范围，适应纳米构件加工技术的需要；在X方向的最大范围为20mm，在Y方向的最大范围为20mm。

[0010] 2、本发明的大尺度纳米测量装置在X方向和Y方向上均可进行纳米测量，测量范围的大小决定于纳米进给工作台最大行程。

[0011] 3、在本发明的大尺度纳米测量装置上再配置一个纳米加工系统，可实现大尺度的纳米加工，结合CAD/CAM技术，可以构成了一个完备的纳米测量与加工系统。

附图说明

[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：

[0013] 图1是大尺度纳米测量装置结构示意图。

[0014] 图2是大尺度纳米测量装置测量原理示意图。

[0015] 图3是石墨原子结构(原子栅)示意图。

[0016] 图4是压电陶瓷直线步进电机工作原理图。

具体实施方式

[0017] 如图1中，1—减振弹簧、2—支架、3—磁性减振系统、4—基座、5—组合减振平台、6—纳米进给工作台、7—原子栅、8—探针、9—压电陶瓷驱动器、10—不锈钢块、11—铜块、
12—磁铁、13—扫描隧道显微镜、14—信号采集器。

[0018] 图2中，14—信号采集器、15—脉冲电路、16—计数器、17—计算机、18—显示打印设备。

[0019] 本发明的大尺度原子栅纳米测量装置，包括多级减振系统，该多级减振系统由设置在支架2上的两个减振弹簧1构成两级弹簧减震，再通过磁性减振系统3和组合减振平台5构成，其中的磁性减振系统3包括不锈钢块10、铜块11、磁铁12等部件，减振弹簧1和磁性减振系统3与基座4相连接，组合减振平台5设置在基座4上；该多级减振系统能消除环境中的各种振动因素对测量装置的影响，尤其是消除其对基座4的影响，以保证测量精度。在组合减振平台5上设置纳米进给工作台6，可移动式纳米进给工作台6上设置原子栅7，纳米进给工作台6驱动或带动原子栅7移动。图中具体的驱动装置是压电陶瓷直线步进电机，其带动与之连接的纳米进给工作台6移动，使原子栅7同步可控移动。

[0020] 扫描隧道显微镜13上的探针8设置在原子栅7上方，与原子栅7保持合适的距离，符合工艺要求。探针8在压电陶瓷驱动器9驱动下移动，靠近或远离原子栅7(图示的上、下移动)，探针8与原子栅7的相对位置变化时，隧道电流随之变化。探针8测出探针8与原子栅7之间隧道电流的变化，信号采集器14与扫描隧道显微镜13相连接，将隧道电流的周期变化采集后送入脉冲电路15，脉冲电路15将模拟信号转换为脉冲信号触发计数器16计数，再输入计算机17，经计算机17计算、处理后，结果通过显示打印设备18显示或打印输出。测量原理如图2所示。

[0021] 纳米进给工作台6通过压电陶瓷直线步进电机驱动(其工作原理如图4所示)，进给步长可达0.1nm。

[0022] 原子栅7如图3所示，原子栅具有严格的点阵结构，原子栅7为具有严格点阵结构的材料构成，在X方向和Y方向均排列有序，构成了正交原子栅，可实现X方向和Y方向的测量。

[0023] 如图4所示的压电陶瓷直线步进电机驱动原理，状态1表示夹紧，2表示膨胀，3表示放松等，都是现有技术，在此不作详述。

[0024] 以石墨、硅等原子排列具有严格点阵结构的材料为原子栅，其相邻两个原子的间隔为刻度，如石墨的原子点阵结构，其原子间隔约为0.32nm、硅的原子点阵结构，其原子间隔约为0.2nm。根据隧道效应原理，当扫描隧道显微镜的探针与原子栅尺的相对位置变化时，隧道电流随之变化。当纳米进给工作台移动时，隧道电流随之成周期性变化，当隧道电流变化一个周期，表示工作台移动了一个原子间隔δ。通过电子技术将隧道电流转化为脉冲电压，再以脉冲电压触发计数器进行计数，就得到位移量：S＝Nδ(其中：N为脉冲数，δ为原子间隔)。