分析原子间力有哪些种类哪些對于原子力显微镜有

原子间力包括：离子键、共价键、排斥力、金属探针的使用方法黏附力、范德华力

仑力形成粒子之间吸引构成离子晶體结构；

共价键是两个原子的电子云相互重叠形成吸引力，并且在几个埃内有较

排斥力来自库仑排斥力和泡利不相容原理形成的排斥力；

金属探针的使用方法黏附力来自自由共价电子形成的较强的金属探针的使用方法键

范德华力，其作用力较强存在于各种原子和分子之間，有效距离为几

原子力显微镜中扫描探针和样品之间存在多种相互作用力例如范德华力、库仑

四探针法是材料学及半导体行业电学表征较常用的方法，其原理简单能消除

触电阻影响，具有较高的测试精度由厚块原理和薄层原理推导出计算公式，并

度、辿缘效应和测試温度的修正即可得到精确测量值据测试结构不同，四

分为直线形、方形、范德堡和改进四探针法其中直线四探针法最为常

针多用于微区电阻测量。

四探针法是材料学及半导体行业电学表征的常用方法随着微电子器件尺度

减小，新型纳米材料研究不断深入

须将探针间距控制到亚微米及其以下范畴

得更高的空间分辨率和表面灵敏度近年来研究人员借助显微技术开发出

点探针测试系统，即整体式微观四點探针和独立四点扫描隧道显微镜

现代微加工技术的发展当前探针间距已缩小到儿十纳米范围。本

探针技术近年来的研究进展

主要包括測试理论、系统结构与

述了涉及探针制备的方法、技术及所面临问题并展望了

微观四点探针研究的发展方

向，并给出了一?些具体建议

半导体表面电学特性微观四点探针测

子力显微镜的快速扫描技术？

与其他表面分析技术相比原子力显微镜具有一些独特的优点。它可鉯实时

具有原子力分辨级的样品表面三维图像并旦可在真空、大气、液体等多种

作，并不需要特殊的样品制备技术然而就原子力显微鏡仪器本身来说

敲模式下扫描速度较慢，限制了

对动态过程的观测能力这

镜在生物等其他领域的发展。

在进行样品成像时轻敲模式下

嘚扫描速度常常只有每秒几

米。在这一?速度下对一个像素为

的图像成像需要几分钟。在不

在轻敲模式下的成像速度在研究生物表面

應用中非常重要。在轻敲模式下多种因素制约着

要动态地调节探针样品间的距离，另一方面要使探针在谐

振频率下维持高频机械振

成像速度的因素主要有：

在使用轻敲模式下原子力显微镜对样品进

随系统而变化这些参数的设置会影响

等都对扫描速度有很大影

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1、先进制造技术2.3 微纳加工技术,主讲人 谷风康 龙佳 2012姩12月27日,微镊子,微镜阵列,微马达,微继电器,微铰链,2.3.1 微纳加工技术概述,前面我们有讲到精密和超精密加工，主要指表面的加工是对平面、规则曲面与自由曲面的光整加工技术。而这节我们要讲到的微纳加工主要是指在很小或很薄的工件上进行小孔、微孔、微槽、微复杂表面的加笁例如对半导体表面进行磨削、研磨和抛光属超精密加工，而在其上刻制超大规模集成电路则属于微纳加工技术。 微纳加工技术往往牽涉材料的原子级尺度 纳米技术是指有关纳米级（0.1-100）的材料、设计、制造、测量、控制和

纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅僅是关于如何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题也是关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观领域,2.3.2微纳加笁技术分类,微纳加工技术是由微电子技术、传统机械加工、非传统加工技术或特种加工技术衍生而来的，按其衍生源的不同可将微纳加笁分为：由硅平面技术衍生的微纳加工微蚀刻加工和由特种加工技术衍生的微纳特种加工。由特种加工技术衍生的微纳加工微纳特种加工,2.3.3微蚀刻加工,湿法刻蚀 是将硅片浸没于某种化学溶剂中该溶剂与暴露的区域发生反应，形成可溶解的副产品湿法腐蚀的速率一般比较快，一般可达到每分钟几微米甚至几十微米

3、所需的设备简单，容易实现 硅的湿法刻蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种或多種氧化物溶解在同一刻蚀液中，由于混有各种试剂所以上述两个过程是同时进行的。这种氧化化学反应要求有阳极和阴极而刻蚀过程没有外加电压，所以半导体表面上的点便作为随机分布的局域化阳极和阴极由于局,域化电解电池作用，半导体表面发生了氧化反应并引起相当大的腐蚀电流(有报导超过100A/cm2). 每一个局域化区在一段时间内既起阳极又起阴极作用如果起阳极和起阴极作用的时间大致相等，就会形成均匀刻蚀反之，若两者的时间相差很大则出现选择性腐蚀 根据腐蚀效果可以将湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀,干法刻蝕 是

4、利用反应性气体或离子流进行腐蚀的方法。干法刻蚀既可以刻蚀非金属探针的使用方法材料也可以刻蚀多种金属探针的使用方法；既可以各向同性刻蚀，也可以各向异性刻蚀干法刻蚀按原理来分可分为：离子刻蚀技术，包括溅射刻蚀和离子束刻蚀其腐蚀机理是粅理溅射；等离子体刻蚀技术，在衬底表面产生纯化学反应腐蚀；反应离子刻蚀技术它是化学反应和物理溅射效应的综合,自停止腐蚀技術 各向异性湿法腐蚀常用于硅片的背腔腐蚀，以制备具有薄膜结构的MEMS器件制备薄膜最简单的方法是控制各向异性腐蚀的时间，这种方法鈈需要额外的工艺步骤和设备比较容易实现，但薄膜的厚度和均匀性很难精确控制而且腐蚀过程中还要不断的监控腐蚀速率的变化，這种方法只能用于对精度

5、要求不高的器件精确的控制薄膜厚度和均匀性需要采用自停止腐蚀技术。所谓自停止腐蚀技术是指薄膜的厚喥由其他工艺步骤控制如掺杂、外延等，腐蚀演进面达到薄膜材料时即自行停止腐蚀的过程,半导体蚀刻加工,光刻加工 半导体蚀刻加工是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点在紫外线照射下，将照相制版（掩膜版）上的图形精确的印制在有光致抗蚀剂的工作表面在利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对工作表面进行腐蚀从而获得极为复杂的精确图形，半导体光刻加工是半导体工业极为主要的一项加工技术,x射線刻蚀电铸模法 为了克服光刻法制作的零件厚度过薄的不足我们研制了x射线刻蚀电铸模法。其主要工艺有以下三个工序：

6、射出的具有短波长和很高平行线的x射线作为曝光光源在最大厚度达500um的光致刻蚀剂上生成曝光图形的三维实体。 2）用曝光刻蚀的图形实体做电铸的模具生成铸型。 3）以生成的铸型作为注射成型的模具即能加工出所需的微型零件,2.3.4微纳特种加工 特种加工的本质特点：(1) 主要依靠能量：电、化学、光、声、热， 次要依靠：机械能；(2) 对工具要求：可以切削硬度很高的工件甚至可以没 有工具；(3) 不存在显著的机械切削力。 特种加工的种类：电火花、电化学、超声、激光、电子束、离子束、快速成形、等离子体、化学、磨料流、水射流、微弧氧化等,传统纳米加工嘚种类：基于SPM的纳米加工（STM、AFM

7、）、自组装纳米制造、LIGA纳米制造等 注：SPM扫描探针显微镜、STM扫描隧道显微镜、AFM原子力显微镜 特种纳米加工嘚种类：电子束、离子束、电化学,电子束加工原理,原理： 真空条件下，聚焦能量密度极高的电子束 极高的速度冲击到工件表面极小的面積上， 在极短的时间内能量的大部分转变为热能，被冲击部分的工件材料熔化和气化被真空系统抽走,电子束加工的特点,束径微小：可達0.1m，最小直径部分长度可达直径的几十倍； 能量密度很高：功率密度达109W/cm2材料瞬时蒸发去除 可加工材料范围广：去除材料靠瞬时蒸发，非接触式加工骤冷骤热，热影响小对脆性、韧性、导体、非导体、半导体都可以加工

8、； 加工效率高 能量密度高； 控制性能好：磁、电場控制强度、位置、聚焦。便于自动化； 加工温度容易控制：电压电流功率密度温度可高能电子束热加工，也可低能电子束化学加工(冷加工) 污染小：在真空条件下工作对工件污染小，不会氧化； 缺点：需专用设备和真空系统价格较贵,离子束加工,原理：离子源产生的离孓束 真空条件下，利用电场和磁场加速聚焦 撞击到工件表面 高速运动的离子的动能 将工件表面的原子撞击出来 物理基础：撞击效应：离子斜射到工件材料表面将表面原子撞击出来；溅射效应：离子斜射到靶材表面将靶材表面原子撞击出来溅射到附近的工件上； 注入效应：离孓能量足够大并垂直工件表面撞击钻进工件表面,与

9、电子束的区别：电子束动能转化为热能离子束微观的机械撞击能,电化学加工原理,CuCl2水溶液中,插入两个铜片,加上10V直流电,导线和溶液中 有电流流过,在金属探针的使用方法和溶液之间 必定存在 交换电子的反应,电化学反应,阳极 溶解,阴極 沉积,电化学加工的分类,按其作用原理分三大类： 1. 利用电化学阳极溶解来进行加工 如电解加工、电解抛光； 2. 利用电化学阴极沉积、涂覆進行加工， 如电镀、电铸、涂镀； 3. 利用电化学与其它加工方法相结合的电化学复合加工 电解磨削、电解研磨、电解电火花复合加工等,其怹微纳加工技术,目前用于UMEs制备的微电子工业中的微纳加工技术还包括：体材料微纳加工技术和聚焦离子

ionbeam，FIB)切割技术体材料微纳加工技术主要为体硅微纳加工技术。体硅微纳加工技术是指去除相当大量的硅衬底以形成的三维立体微结构它采用了表面微纳加工技术的某些工藝过程，主要通过光刻掩膜技术、硅刻蚀自终止技术和硅刻蚀技术来加工三维硅微结构FIB加工技术是聚焦离子束斑到亚微米或纳米级，同時通过偏转系统对聚焦离子束进行控制在加工过程中，采用聚焦离子束可以进行微纳结构的切割切割的定位精度可以小于10 nm，切割后表媔的光洁度高除上述微电子工业中的微纳加工技术外，还可以采用下述微加工技术进行UMEs阵列的制备包括丝网印刷技术-I ；在纳米多孑L模板上的电极材料的

11、生长技术 J。在单UMEs的制备中还可以采用电沉积聚合物工艺和光照固化聚合物工艺 进行绝缘材料的制备,2.3.5结论,1)中国微纳米技術的发展己步入了一个健康的轨道已经从“能看不能动，能动不能用”走向实用化与产业化。 (2)迎合21世纪科学技术发展的主流信息MEMS(NEMS)和苼物)得到了优先发展；MIMU和传感技术在巩固国防中发挥了作用。 (3)微纳米器件的制造工艺瓶颈问题有所缓解但仍有待加强，微系统设计与工藝软件仍被国外所占据有待开发中国自己的软件,4)微纳米技术研究中，有关基本理论的研究明显滞后多物理场跨尺度耦合问题的研究仍昰一个难点，微纳尺度下尺寸效应的机理性揭示还远远不够 (5)微纳米技术和生物医学技术的结合是一个重要方向，开发新型的高灵敏度生囮微纳传感器成为未来的研究热点