微納尺度三維粗糙度樣塊的設計、加工及表征.pdf

1、掃描探針顯微鏡(SPM)因其具有原子級的分辨力和柔性的操作環(huán)境等優(yōu)勢，被廣泛地應用于納米級的表面測量與表征中。SPM系統的校準是進行精確測量的基礎。由于SPM是一個復雜的納米測量系統，當前單一參數的納米樣塊僅僅在坐標方向上進行儀器校準和溯源，忽略了測量系統多參數的耦合作用，勢必影響復雜功能表面參數測量時的定值和量值傳遞結果。因此，微納米尺度三維樣塊的設計與制作，發(fā)展相應的標定、校準方法顯得尤為重要。本文圍繞SPM系統的綜合校準，針對三維

2、粗糙度樣塊的設計、加工與表征，主要進行了以下幾個方面的研究工作:
　　 1、三維樣塊的設計。設計了參數可控的三維粗糙度樣塊，為解決快速傅立葉變換與二維數字濾波技術相結合的設計方法精度較低、耗時較長的不足，引入遺傳算法進行設計優(yōu)化。實驗結果表明，該方法通常在經過10次迭代之后，表面幅值參數的相對誤差優(yōu)于1％，效率提高約75％，能夠滿足三維樣塊的設計要求。
　　 2、三維樣塊的制作。首先，利用飛秒激光雙光子三維加工設備，摸索

3、三維樣塊的加工方法，初步加工出特征較為符合的樣塊，并分析了加工中存在的問題。然后，使用德國Raith公司的電子束曝光設備(RAITH150TWO)加工出10μm×10μm×1μm的粗糙度樣塊。
　　 3、三維樣塊的表征。首先，利用原子力顯微鏡對電子束曝光加工的樣塊進行了測量，根據當前常用的三維粗糙度參數表征體系對測量結果進行定量分析。結果表明，加工的樣塊與設計的數據相比，大部分表面參數的相對誤差在10％以內，并對少數誤差顯著的參

4、數的誤差來源進行了定性的分析。然后，研究了三維樣塊的綜合表征方法，包括結構相似度和迭代最近點方法。實驗結果表明，兩種方法均能有效地對樣塊進行綜合的表征與評價。
　　 4、三維樣塊的應用。研究不同相關長度的三維樣塊對SPM針尖效應的影響以及針尖半徑的估計。仿真結果表明，隨著相關長度的增加，針尖估計結果的相對誤差逐漸增大;隨著掃描時針尖半徑的增加，相對誤差逐漸減小。
　　 本文的研究工作對用于校準SPM等儀器的三維樣塊的設計