（测试计量技术及仪器专业论文）纳米梁谐振器的测试与表征方法研究.pdf

中文摘要 本论文在调研和分析n e m s 测试技术研究现状的基础上，确定以一种重要 的n e m s 器件一纳米梁谐振器为测试对象，以原子力显微镜( a f m ) 和显微 激光多普勒测振系统为测试平台开展n e m s 力学特性和动态特性技术的研究， 并将测试结果作为评价n e m s 加工工艺和器件性能的依据。论文主要完成了以 下几个方面的工作： l 、从方法的类别、应用领域、研究现状和发展趋势等方面系统地调研了 n e m s 力学特性测试技术及动态特性测试技术的概况，分析和讨论了n e m s 力 学特性测试及动态特性测试在n e m s 加工工艺评价中的重要性。 2 、针对广泛应用的扫描电镜和台阶仪测量纳米厚度方法中存在的破坏性和 近似性的局限性，提出了一种基于a f m 的弯曲测试技术实现纳米梁厚度精密测 量的方法，使用单晶硅双端固支梁为测试对象进行了厚度测量，并采用纳米压痕 仪进行了比对测试。 3 、建立了双端固支梁杨氏模量和残余应力的弯曲测试模型，针对同一工艺 流程下相同杨氏模量和残余应力的双端固支梁阵列，提出了将拉曼频移测试与 a f m 弯曲测试相结合的实验方案，并将应力刚化理论应用到几何非线性有限元 分析中用于弯曲测试模型理论误差的评价手段。 4 、建立了静电激励双端固支梁的工艺相关电学模型、机械模型和下拉电压 模型，并全面分析了双端固支梁结构的动态响应。 5 、建立了存在残余应力的双端固支梁的谐振频率模型，并以显微激光多普 勒测振系统为实验平台测量了钨碳化硅双层固支梁结构的幅频响应特性，随后 采用数值迭代方法和有限元模态分析相结合的实验数据处理方案计算了测试结 构的残余应力分布，并对相应的加工工艺进行了评价。 6 、建立了a f m 的轻敲力模型以及轻敲模式和轻敲力曲线模式下a f m 测振 系统的物理模型，在此基础上论述了a f m 测振方法的可行性和工作带宽。以 a f m 为实验平台测量了钨碳化硅双层固支梁器件的幅频响应特性，将显微激光 多普勒测振系统的比对测试结果与a f m 测振系统的物理模型计算结果相结合， 对a f m 轻敲模式和轻敲力曲线模式离面振动测试技术的测量误差以及误差来源 进行了评定。 关键词：原子力显微镜显微激光多普勒弯曲测试离面振动测试厚度测量 杨氏模量残余应力 a b s t r a c t a c c o r d i n gt om ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nn e m st e s t i n gt e c h n i q u e s ，r c s e a r c h w o r ki sf i n a l l yf o c u s e do nn e m sm e c h a n i c a la n dd y n a m i ct e s t i n gt e c h n i q u e sb a s e d o na t o m i cf o r c em i c r o s c o p e 锄dm i c r 0 - l a s e rd o p p l e rv m r a t i o nm e a s u r e m e ms ys _ t e m ， t a l ( i n g 锄i m p o 砌n tn e m s d e v i c eo fn a n o b e a mr e s o n a t o ra st e s t i n go b j e c t t e s t i n g r e s u l t sw i l lb eu s e dt oe s t i m a t et h es p e c i f i cn e m sp r o c e s sa n dt h ep e r f o m a n c eo f n e m sd e v i c e s t h er e s e a r c h 、o r ko ft h ed i s s er t a _ t i o nm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 t h ei m p o r t 锄c e 锄dg e n e r a ls i t u a t i o no fn e m sm e c h a n i c a la n dd y n a m i c t e s t i ! n gt e c h n i q u e s 锄dm ec o 仃e s p o n d i n ge s t 硫a t i o no fn e m sp r o c e s si sr o u n d l y i n v e s t i g a t e d 锄da i l a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ec l a s s i f i c a t i o no ft e c h n i q u e s ，a p p l i c a t i o nf i e l d ， c u r r e n ts 1 ：a _ t u sa n dd e v e l o p m e n tt f e n d 2 t 0s o l v em el i m i t a t i o no ft l l ea p p r o x i m a t o n 锄dd e s 仃u c t i v ee 侬c te x i s t i n gi n t h en 柚ot h i c l ( n e s sm e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gs e m ，ap r e c i s em e t h o do fn a n o b e a m t h i c k n e s sm e a s u r e m e n tb 硒e do na f mb e n d i n gt e s ti sp r e s e n t e d n a n oi n d e n t e ri s u s e df o rt l ec o m p 撕s o nt e s t 3 b e n d i n gm o d e lo fy b u n g sm o d u l u sa n dr e s i d u a ls t r e s so ff i x e d - f i x e db e 锄i s s e tu p a i m e da taf 政e d - f i x e db e 锄a 1 1 r a yw i t hu n i f 0 册r e s i d u a ls 由r e s su n d e ras i n g l e p r o c e s s ，觚e x p e r i m e n t a ls 仃a t e g ) ，o fc o m b i n i n gr 锄a ns h i rt e s ta n da f mb e n d i n g t e s ti sb r o u 曲tf o r w a r d 。s t r e s ss t r e n g t h e nt h e o r yi sa p p l i e di nt h eg e o m e n y n o n l i n e a r f i n i t ce l e m e n tm o d e ls oa st oe s t i m a t et h et h e o r e t i c a ie r r o r so fb e n d i n gm o d e l 4 、p r o c e s sr e l a t e de i e c 仃i c a lm o d e l ，m e c h a n i c a lm o d e la n dp u l l o f fv o l t a g em o d e l a r es e tu p ，锄dr 0 1 帅d e da n a l y s i so ft h ed y n a m i cr e s p o n o ff i x e d f i x e db e 锄i sd o n e ， b ( ) t ho fw h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ed y n a m i cp r o p e r 眵t e s t i n go ff i x e d - f i x e d b e 锄u n d e re l e c t r o 僦i ca c t u a t i o n 5 、t h er e s o n a n c ef r e q u e n c ym o d e lo ff i x e d n x e db e a mw i t hr e s i d u a ls t r e s si ss e t u p t i l ea m p l i t l l d e 舭q u e n c yr e s p o n s ec h a r ，l c t e r i s t i c s0 ft u n g s t e n s i l i c o nc a r b i d e d o u b l e - l a y e rf i x e d f i x e db e 锄a r em e a s u r e m e n tu s i n gm i c r 0 一l a s e rd o p p l e rv i b r a t i o n m e a s u r e m e ms y s t e m f o rt h ee v a l u a t i o no ft l l ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s ，t h ed i s 仃i b “o n o fr e s i c i u a l 蛐r e s so ft e s ts t l l j c t u r e si sc a l c u l a t e du s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ep r o c e s s i n g 昀眦e g yo fc o m b i n gn 啪e r i c a li t e r a t i o nm e t h o d 锄df i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i s 6 、1 1 1 ep h y s i c a lm o d e lo f a f m 郇p i n gf o r c e 柚dt h ea f mo u t o f - p l a n ev i b r a t i o n m e a s u r c m e n ts y s t e mo ft a p p i n gm o d e 锄d 泖p i n gf o r c ec u r v em o d ea r ee s t a b l i s h e d ， b a s e do nw h i c ht h ef e a s i b i l i 钞a 1 1 db a n d w i d t ho fa f m v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d i sd i s c u s s e d t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft u n g s t e n s i l i c o n c a r b i d e d o u b l e l a y e rf i x e d f i x e db e 锄a r em e a s u r e m e n tu s i n ga f mv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m t h em e a s u r e m e n te r r o r so fa f mo u t o f - p l a n e v i b r a t i o n m e a s u r e m e n tt e c h n l q u e su n d e rt 印p i n gf o r c e 锄dt 印p i n gf o r c ec u r v em o d ea r e e v a l u a 钯dc o m b i n i n gt t l ec o m p a r i s o nt e s tr e s u l t sa n dt h ec a i c u l a t i o nr e s u l t so fa f m v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mm o d a l k e yw o r d s ：a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，m i c r o l a s e rd o p p l e r ，b e n d i n gt e 瓯 o u t o 邱l a n et e 瓯n i c k n e s sm e a s u r e m e 毗y o u n g sm o d u l u s ，r e s i d 豫ls 仃e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究上作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同t 作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。 学位论文作者签名：彳岔i l 品蒸签字日期：嘲年i 工月引日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向嗣家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢徐j 癌 签字e j 期：嘲年f 月3 i 【j 导师签名： 网 i - _ 二 签字h 期：加d 8 年i 月；1 日 第一覃绪论 第一章绪论 本章首先综述了纳电子机械系绩的特性和应用，随后讨论了纳电子机械系统 的概念和组成、制造工艺和材料、特性和应用以及纳机电系统测试技术的研究现 状与发展趋势，最后提出了本课题研究的主要目的与内容。 11 纳电子机械系统概述 1 9 5 9 年1 2 月，美国物理学家f e y 砌a n 在加州技术学院举行的美国物理学会 会议上对纳米技术作出了一个振奋 心的预言“n e 陀i 8p l e n t y o f r o o m 砒t h e b o n o m ”。报告中，他设想在原子尺度上咀我们想要的方式逐个操纵原子，给 出了纳米技术的第一个定义。后人对纳米科学与拄术的定义有很多版本，但都不 违背f e y n m a n 教授最初对其作出的定义的最本质的内容。纳米尺度介于宏观和 微观之间，属于价观尺度更接近于微观的都分，迄今为止仍是人类非常陌生的领 域，大量的新现象、新规律有待发现，充满了原始刨新的机会，是新技术发展的 源头。图1 一为加利福尼亚理工学院物理学家首次利用纳米桥器件观察到热传 导的量子化，即微小物体热流动的基本限度。氮化硅薄膜上四个刻蚀孔( 黑色心 形) 界定出一个独立的熟容器( 中央绿色方形区域) 。圈中一个变换器( 黄色镂 空t 型) 用于电加热热窖器，另一个变换罂( 黄色镂空t 型) 用于测量热容器 的温度。刻蚀后的氯化硅薄膜形成四个窄桥，一方面，这四个窄桥使热容器悬浮 起来：另一方面窄桥上表面的超导薄膜将变换器与片外测试设备进行电连接， 但无热传导。这样，热容器只能通过氮化硅窄桥冷却，氮化硅桥的宽度小到只允 许最低能量的热波通过。 图1 1 纳米桥器件：首次观察到热传导的量子化 * 肆大学博 论i 纳米科技已不能归附于任何一门传统的学科领域，人们必须重新审视、理解 和创立新理论。纳米科技渗透到多个学科和领域，形成了一系列新兴交叉学科 如纳米材料体系物理学、纳米化学、纳米屯子学、纳米生物学、纳米材料学、纳 米机械学、纳米测量学等。如果以研究对象和工作性质来区分，纳术科技必须包 括纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征。材料是基础。器件是应用水平 的标志，检测和表征是纳米技术研究与发展的实验基础和必要条件”1 。 1 1 1纳机电系统的概念和纳米机械学 纳机电系统( n 卸o e 】e c 们m e c h a n i c a is y s l e m s ，n e m s ) 是基于m e m s 技术而 提出的概念。n e m s 是指在特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机 电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新 效应( 量子效应、界面效应和尺度效应) 为工作特征的器件和系统”j 。n e m s 的 尺度范围如图】2 所示。甚至可以这样理解n e m s ；纳米尺度上的机械设备， 电子器件，计算机和传感器。 l mm mm 图1 之n e m s 的尺度范围 由于n e m s 的更多优良特性，大量研究人员正致力于n e m s 集成系统的研 究，使之成为更广泛意义上的集成芯片系统( s y s i c mo nc h i p ，s o c ) 。微观世界 的一些特性使n e m s 系统和m e m s 系统区别很大| 6 j 。首先n e m s 器件可以提 供很多m e m s 器件不能提供的特性和功能比如超高频率、低能耗、高灵敏度、 对表面质量和吸附性的前所未有的控制能力，以及在纳米尺度上的有效的驱动方 式。但是同时在小尺度下产生的一些新的物理特性将影响器件的操作方式和制 造手段。与m e m s 系统相比，n e m s 对微加工技术提出了更高的要求。具体说 就是研究的材料范围更宽，加工过程的空间分辨率更高口”。n e m s 技术潜在的 巨大效益将渗透到科技发展的各个领域，从宏观到微观，从医药技术到生命科学， 从制造业到信息通讯等等。世界各地的许多工程师和科学工作者正在积极致力 于这一领域的研究。一类新的n e m s 器件分辨率可以满足诸如传感、致动、射 第一章绪论 频( i 玎) 、光学、生化和医学诊断等方面的应用。但n e m s 要真正的应用到生产 生活的实际中，需要我们以其为载体充分对纳米机械掣3 j 进行研究，了解n e m s 的不同于宏观机械构件甚至是m e m s 器件的特性。 纳米机械学是适应微型机电系统设计研究的需要而产生的一门学科。所谓纳 米机械学，就是研究纳米尺度对象的机械结构、特性及其测量分析，以及进行相 关微系统设计的学科。通常，机械工程包含机械学和机械制造学两大学科，它们 分别对应于机械系统从构思到实现所经历的设计和制造两个阶段。纳米机械学的 任务就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性 和设计理论与方法，并对系统进行功能综合和定量描述其性能的学科；它是通过 创新思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微型机电系统组 合机构的探索性学科。 根据微型机械的特点和发展情况，现阶段纳米机械学的研究范围主要包括： 研究机械中的运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机 构学；研究适用于制造微型构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应 和失效规律的微结构材料力学；从原予、分子尺度出发，研究相互运动接触界面 上的作用、变化与损伤机理和对策的纳米摩擦学或微摩擦学：与纳米机械原理、 制造及应用相关的关键技术等。此外，还有将微机械学应用于研究特定机械系统 的如微型机器人等。因此，纳米机械学研究的内容不仅与微电子密切相关，而且 还广泛涉及到现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、 仿生学、材料科学以及表面物理与化学等领域，所以纳米机械学又是一门多学科 的综合技术。可见，纳米机械学与纳米技术的其它分支相互渗透相互依存1 9 】。 然而，n e m s 领域的研究还只是刚刚起步，距离真正的可以应用于实际的阶 段还相差很远，许多研究机构都在从最基本的纳米结构开始研究，如梁、桥、管、 薄膜、槽、孔等。以纳米结构作为载体，纳米尺度测试技术为手段，我们可以对 纳米机械学进行探索性研究。 1 1 2 纳机电系统的制造工艺和材料 n e m s 的制造工艺和材料对测试工作至关重要，测试方法的选择和测试技术 的方方面面都与之息息相关。例如，薄膜的生长条件和工艺过程直接影响其杨氏 模量和内应力等特性参数，从而决定了应如何建立模型，应采取怎样的测试方法 对其实现正确的评价。 ( 1 ) n e m s 加工工艺 纳机电系统加工技术现主要继承于微机电系统加工技术，很多科研单位正致 力于基于m e m s 加工技术的n e m s 加工技术的研究。另外，根据n e m s 的特点， 一些不同于m e m s 加工技术的独特的纳米加工技术也应运而生，其中一些纳米 加工技术可以独立完成n e m s 结构或器件的加工，一些纳米加工技术可以与 m e m s 加工工艺结合，共同完成n e m s 结构或器件的加工。 1 、微机电加工技术的发展 m e m s 加工技术分为硅微机械加工技术、l i g a 技术和三维微制造技术。 硅微机械工艺主要包括本体微机械工艺和表面微机械工艺。本体微机械技术将结 构直接刻蚀在硅片衬底上( 图1 3 ) ；表面微机械技术是一种多层微机械结构加工 技术，微机械层面由沉积在表面的多层膜构成( 图1 - 4 ) 。在硅片的微制造中，通 常都要进行硅晶片键合工艺( 图1 5 ) 。而l l g a 和三维微制造( 图l - 6 ) 一直都 是m e m s 高纵横比结构及三维结构的制造方法。 l a i 带疆盖硬层的异向翔蚀 阻挡层 掩膜 巾l 背面本体梭去除后留下的介质薄 图1 3 本体微机械 。曲画量t 园 多晶硅 图1 5 阳极键合 图1 6 任意搭建的三维微型制造( 叠加的) 4 第一章绪论 在这里，我们要提及一下激光退火技术，这种方法经过适当调整对降低微机 械结构内应力十分有用| i 。它类似于激光穿孔技术，但需要较低的能量和较大的 光斑进行退火处理。在实际操作中大部分覆盖层的退火使用快速热处理( 如高功 率的红外灯) 而不是用速度慢、效率低的激光来完成。 2 、扫描探针加工技术 1 9 8 7 年，a t t 公司b e l 】实验宣的b e c k e r 等人利用扫描隧道显微镜( s c 蛐i n g t u n 帖l i 血gm i c s c o p e ，s 1 m ) 的针尖首次实现了单晶锗表面的原子级加工，即 在表面形成人造的原子级结构，表明了利用s p m 进行纳米级加工的可能性，预 示着原子级加工时代已经到来j 。特别值得一提的是，1 9 9 3 年n a y 和a l l 成 功地实现了硅表面的纳米结构制备，给徽电子工业的持续发展带来了新的曙光。 在这之后，利用s p m 进行纳米刻蚀和纳米加工的方法层出不穷，加工的材料和 加工所需的条件也发生了很大的变化。基于s p m 技术的机械刻蚀、电致刻蚀、 光致刻蚀、热致刻蚀和浸笔印刷术等重要的扫描探针纳米加工技术”正迅猛 发展。下面仅咀电致刻蚀1 1 3 】方法举倒，分别说明基于s p m 技术的n e m s 加工方 法是如何独立加工n e m s 结构，而又如何与微电子工艺相结合实现n e m s 器件 加工的。 。m ：? 一一 p 。 ；。艺 ：葶。? ? ， 叠 彰 “= l 一； 图l - 7 中田科学陆院蠹图l - g 纳米尺度硅粱制备过程示意图 电致刻蚀主要由一个施加在样品与表面间短的偏压脉冲引起当所加电压超 过某一阈值时，暴露在电场下的样品表面会发生化学或物理变化。这些变化或者 可逆或者不可逆，其机理可以直接归因于电场效应，高度局域化的强电场可以诱 导原子的场蒸发，也可以由电流焦耳热或原子电迁移引起样品表面的变化来解 释。通过控制脉冲宽度和脉幅可以限制刻蚀表面的横向分辨率，这些变化通常并 不引起根明显的表面形貌变化，然而检测其导电性或摩擦力可以清晰地分辨出衬 底的修饰情况。电致刻蚀很重要的一个实例便是基于a f m 的诱导氧化加工法， 到目前为止，利用电脉冲诱导氧化方法，已经在多种半导体和金属( 如s i ，c r ， n b ，g “s ，a u 和t i 等) 表面上，制各了所需的纳米结构或器件。中国科学院 分子结构与纳米技术重点实验室在氢钝化的p 型s j ( 1 l1 ) 表面上，利用此法刻 蚀出了图案清晰的中国科学院院徽( 图1 7 ) 。电致刻蚀方法还可以在i c 芯片上 氧化材料，形成电阻、电容或p n 结之类的电子器件，大大提高电路的集成化水 平。同样是基于原子力显微镜的诱导氧化加工方法，可以替代传统微电子工艺中 的掩模工艺，与微电子工艺结合，达到较之更小的线宽，图1 8 为通过热氧化过 以硅梁为基础制备置n 梁的方法。 3 、分子原子组装技术 分子原子组装技术也是n e m s 工艺中具有代表性的工艺之一，它把具有某 种性质的功能分子、原子，借助内部作用力，精密地构成纳米尺度的分子线、分 子膜或其他结构，再由纳米结构与功能单元集成为n e m s 。图】9 | l “为使用碳纳 米管由原于组装法生成的齿轮。这种加工技术可以实现很多复杂结构的n e m s 器件加工，但目前仍处于起步阶段。可阻预见在不久的将来，通过精确放置数百 万个原子或者利用一些自组装的技术，可以构成分子尺度的n e m s 器件。 f ! l _ ! 蠢渭 【j “- 1 ( 2 ) n e m s 中的材料 n e m s 中的主要材料同m b m s 一样，应用硅材料、金属材料、陶瓷和聚合 物四种主要材料。但由于n e m s 中一些不同于m e m s 的加工工艺和m e m s 中 所不具有的功能器件或结构，也采用了一些特殊材料，如自组装单分子层。 自组装单分子层s a m ( s e l f a s s e m b l ym o n o l a y 盯，s a m ) 是通过衬底表面 和分子顶基之间化学键的吸引作用而形成的有序分子单层，可由不同分子在不同 衬底上形成。图形化的s a m 可在加工二氧化硅和金属线的过程中作为很好的化 学抗蚀剂，实现添加或去除工艺。利用l b ( l 柚g m u i rb k d g e n ) 技术加工分子 薄膜是一个自组装分子层的典型例子。l b 沉积是在固体衬底上制备有序分子薄 膜最可靠的技术之一。它可以精确控制薄膜厚度，可便薄膜在很大面积上保持 致性并允许多层结构的材料不同。l b 技术的另一优点是，各个单层可以在大多 第一章绪论 数固体衬底上形成。两性分子可以自动导向，亲水头基沉浸在水面下方，疏水尾 基保持在水面外部并存在相互作用。l b 技术正是利用了两性分子的这一特殊性 质。沉积过程如图i - 1 0 所示。图1 一l o ( a ) 中，将村底抬起，单层将吸附在衬底 的两面；图1 1 0 ( b ) 通过顺序的抬起和浸入使衬底沉积了多层膜。 。i 薯蓖i - _ _ - _ u 。1 l - - 划蓬菲蓁一 翻1 - 1 0 从漂浮的髓缨尔层形成l b 膜的沉积过程 11 3 纳机电系统的特性 纳机电系统之所以得到越来越广泛的关注，很重要的原因之一就是它优良的 特性。由于纳米尺度下器件表现出的强烈的尺度效应和表面效应，纳机电系统具 有超高频率、超低功率、超高力灵敏度和超高品质因数等特性。 ( 1 ) 超高频率 n e m s 可以在保留较高机械响应度的基础上获得很高的谐振频率，这两种特 性的组合带来的效应可以直接转换为很高的力学灵敏度，超低功率下的可操作 性，以及在一种适度的控制力下产生有用的非线性化响应的能力。使机械系统在 自然角额率嘞= k m d 下振动，这里，表示器件的有效弹性系数，k 表 示有效质量。如果在保持器件形状的基础上缩小其尺寸器件的质量一，会以其 尺寸的立方缩小，而相应的弹性系数b 会线性缩小，这种状况会使频率变大， 而较快的频率意味着对外力的快速反应速度。也就是缩小器件尺寸可以不通过设 计复杂的器件结构就可以获得较快的响应速度。加州理工大学研制的双端固支 s i c 谐振器的频率可以达到1 3 4 m h z ，见图1 1 p ”。 图l - 1 1 双蜡同支s i c 谐振器 天津大学博士学位论文 ( 2 ) 超低功率 n e m s 器件的功率可以用热能和响应时间的比值来表达。具体公式如下1 1 8 l ： k 砜q ( 1 - 1 ) 式中q 为品质因数，k 丁为热能量，为工作频率。n e m s 系统的q 值通常 高达1 0 3 1 0 5 ，因此它的功率很小。目前通过电子束刻蚀技术加工成的n e m s 器件的功率可以小到1 0 1 7 形。基于n e m s 技术的信号处理器或者计算机系统所 消耗的能量理论上只有1 形，这与当前同等计算能力的计算机系统消耗的能量 相比少了6 个数量级。为了充分利用n e m s 器件的低能耗这个特点，要求位移 传感器能够提供热电振动级别的分辨率。这可以理解为要求位移传感器内部产生 的噪声在反馈回输入端的时候，其振幅必须小于热电振动的振幅。 ( 3 ) 超高力灵敏度 n e m s 器件的微小尺寸意味着它们具有很高的局部空间响应，其几何形状可 设计为只对某一方向的力产生响应，这个特性对于设计快速扫描隧道显微镜至关 重要。同时，器件振动部分非常小的质量使n e m s 对外加力的灵敏度大大提高。 可以用下面的公式简单估计n e m s 器件对外力的灵敏度【1 8 】： 跏l 曲= ( a 绒锄够) 卅a ( 1 - 2 ) 在通常情况下，这个灵敏度还可以表示为下面的形式： 刮订l 曲= ( 2 历够) ( 钒2 q ) = 所够q ( 1 - 3 ) 目前，有的n e m s 器件可以获得l o - 2 4 的分辨率。不过，这么高的测力灵 敏度有一个很大的不利之处，它对器件的再现能力提出了更高的要求。 ( 3 ) 超高q 值 q 值通常指谐振器的品质因数。较高的q 值可以使器件对外部阻尼运动非常 敏感，这一点对于各种传感器有非常重要的影响【l9 1 。因为与电阻中的约翰逊噪声 相似的热噪声的大小与q 值成反比，所以较高q 值下的热噪声比较小，还可以抑 制随机的机械振动，从而提高对外力的灵敏度，并因此对于反射和谐振传感器有 着更加重要的意义。在信息领域，高q 值意味着比较低的插入损耗和能量消耗汪。 n e m s 器件可以获得1 0 3 1 0 5 的q 值，这已经大大超过了只能提供几百q 值的典 型电子谐振器。通常来讲，只有在高真空条件下，单晶硅上生成的谐振器的q 值才有可能达到这种要求。但是，加州理工的r o u k e s 和他的研究小组加工的多 晶硅材料的谐振器的谐振频率达到了2 0 m h z 【1 8 】。同时较大的q 值并不意味着带 宽将变窄，因为一个在l g h z 下工作的谐振腔，它的q 值可能高达1 0 0 0 0 0 ，但 是还是可以获得1 0 l ( h z 的带宽。而且，用一个没有引入过大额外噪音的反馈阻 尼可以提高带宽。不过，器件外部和内部的一些特性限制了q 值。内部因素，如 第章绪论 材料接触面的缺陷、材料表面的吸附性等会影响谐振器的运动。外部因素，如空 气阻力、筘位误差等也会影响口值的太小。采用理想的器件材料如没有缺陷的单 晶体和高纯度的异质结构可以抑制能量的损失并因此获得更高的q 值。 1 1 4 纳机电系统的应用 纳机电系统的尺度特征和优良特性使得它在许多领域得到特殊应用，如下文 将介绍的生物领域、信息领域、纳米流体领域等。 ( ”生物领域 许多酶可以充当分子电机利用这一技术，可h 生产有机或无机的杂交 n e m s 器件，进而生产三磷酸腺苷酶与n e m s 相结合的纳米尺寸器件i “】。这项 技术将影响当前的纳米研究尺度，并且会大大带动杂交器件的发展。n e m s 技术 与生物领域的结合是伴随着一个被称为b ；o n e m s 的新概念应运而生的。加州理 工大学和麻省理工学院的科学家团队正致力研究b l o n e m s 领域的纳米尺度悬臂 粱以鉴别生物体独一无二的动态标识。基于b 1 0 n e m s 的生物芯片技术可以用来 检测生物领域的微小力，具体的方法是用一个纳米尺度的悬臂粱利用感受配合基 和感受器之间的作用力检测生物分子之间的作用力，见图1 - 1 2 吲。n e m s 的研 究者们正在这个领域探索物理系统中与生物系统同尺度的问题其成果对生物系 统的研究有十分关键的作用。 图i 【2 用b i o h e m s 进行生物系统微小力的检测 ( 2 ) 信息领域 当前的信息技术是基于半导体器件和磁盘的，在未来十年中，这些技术的发 展会达到其物理极限。而n e m s 或者m e m s 会成为下一代信息技术的主要载体 ”l 。例如，在可预期的未来，会产生分子超级计算机和在微波功率下工作的超低 能耗的信号处理器。i b m 苏黎世研究中心的p a 、恤i g e r 等人提出了a f m 阵列器 件的概念，这种器件可以提供超高的存储密度几太( 1 0 ”) 字节的容量，几百 兆字节每秒的数据传辅率。 天津大学博士学位论文 n e m s 技术也会对射频( r f ) 电路的设计带来深远影响【2 4 】，其主要的推动 力来自n e m s 提供的一个高质量的谐振器，它可以以很高的频率振动，这是传 统的集成电路无法做到的；同时，n e m s 器件在很小的振幅下就可以显现出一些 非线性机械特性。这有助于高灵敏度的谐振器或力传感器的开发。 n e m s 技术也在影响着无线通讯领域f 2 5 j ，比如法国l a a s g r e m o ( 电磁 微波研究中心) 的d u b u c 等人正在致力于基于n e m s 技术的电磁仿真和对电信 号精确描述的机械和热模型等方面的研究。 ( 3 ) 纳米流体领域 许多化学和生物的反应是在液体环境下进行的。微流体系统可以使化学反应 系统小型化，也就是所谓的片载实验室系统。具体的方法是用微流体系统在一个 很小的通道内传输液体1 26 | 。在此基础上产生的纳米流体系统，其尺寸可以和流体 环境的相关尺寸( 包括分子的扩散长度，分子本身的大小等) 相当。在这个尺度 下，可以用外加电场对水中离子产生作用力，从而驱动和控制单个水分子的运动。 斯坦福大学的、o u d e n 髓r d e n 等人已经建立了一个尺寸可以与单个分子的散射 长度相当的不对称散射阵列器件【2 7 】。h a n 和c r a i 曲e a d 的研究小组可以通过建立小 于分子旋转半径的微结构来检测较大的d n a 分子| 2 8 ，2 9 ，训。 可以看出，通过n e m s 系统可以开展一些单分子检测、分析及应用方面的 研究。这也是n e m s 系统所独有的能力。 1 2 纳机电系统测试技术的研究现状 n e m s 的设计方法、制造技术和器件的表征需要n e m s 测试技术的支持， n e m s 测试技术是研究并优化n e m s 设计方法、评价n e m s 加工工艺和器件各 种特性的必要手段。n e m s 测试技术通常可分为静态形貌测试技术，力学特性测 试技术，动态特性测试技术和可靠性测试技术。 1 2 1n e m s 器件的几何尺寸测试 n e m s 器件几何形貌测量的常用仪器有s e m ( 扫描电子显微镜) 和a f m ， 前者仅可满足平面纳米尺度测量，而后者可满足三维纳米尺度的测量。同时，两 种仪器各有优势和适用性。 ( 1 ) s e m s e m 具有纳米级分辨率，可利用这种仪器对固体材料n e m s 器件进行静态 形貌测试。s e m 是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。当电子束照射到样 品上，电子将与样品发生多种相互作用，除了一部分入射电子能从样品原子之间 l o 第一章绪论 的间踪穿过而成为透射电子外，其他入射电子将与样品原子的原于核或电子发生 碰撞。如果入射电于与原子核碰撞。由于原子核的质量远大于电子质量，因此发 生弹性碰撞，即电子基本上不损失能量而只改变方向；如果入射电子与轨道电 子碰撞，则发生非弹性碰撞，不仅会改变方向而且会损失一部分能量。入射电 子损失的能量可能会激发样品发射携带样品成分信息的信号，如二次电子、俄歇 电子、x 射线等。电子与样品相互作用产生的各种信号如图1 1 3 所示m i ，其中 二次电子与背射电子用s e m 分析。将对应二次电子信号的数据，记录射线照射 位置坐标对应的像素数据到存储器中。记录在存储器中的像素数据可以在电脑显 示器上显示，于是可以观察射线照射领域的显微镜图像圳。图1 1 4 为日本电 子光学公司的j s m - 5 6 0 0 l v 型s e m 例它的分辨率为3 5 n m ，用于对各种固体材 料进行表面形貌的观察。s e m 要求被测材料为导体或半导体，对于绝缘材料要 在剥试前对其表面喷金层。其优点在于可实现对材料的非接触测量，扫描速度较 快。但扫描电镜只能对样品表面形貌进行定性的分析，不能得到精确的量化指标。 图l - 1 3 电子与样品相互作用产生的各种信号图1 1 4 扫描电子显微镜系统圈 一般情况下。s e m 可用来粗略测量n e m s 粱的厚度。若待测粱无需进行后 续测试，可将粱从截面位置裂开，利用s e m 图像中的标尺和器件摆放的角度粗 略估计其厚度值( 图1 1 5 ) ，这属于一种具有破坏性的厚度测量。 图l - 1 5s e m 薷t 集的厚度i 意臣 l l 天津大学* 学位* 女 ( 2 ) 原子力显微镜 与s e m 相比，a f m 可对表面状况较好的器件进行静态形貌测试。目前商品 化的a f m 普遍采用激光反射检测法检测微悬臂粱探针和样品之间的相互作用， 通过测试悬臂粱的偏转的变化得到样品表面形貌的三维信息如图1 1 6 所示。 a f m 的面内分辨率可达0 1 n m ，垂直分辨率可达00 l n m ”【，如图1 一1 6 所示为 a f m 扫描图像，其中图l 一1 7 ( a ) 为接触模式下得到的s ，r q 表面溅射 琅，c 。q 。薄膜形成的螺旋形错位；图l - 1 7 ( b ) 为非接触模式下得到的硅【i l i 】 表面7 x 7 原子排列。但a f m 测试样品表面形貌时，针尖与样品表面之间存在着 机械接触作用。测试中要注意根据样品表面的性质合理选择仪器的工作模式及扫 描参数，以保证针尖对样品损伤最小，成像效果最佳。 图】一1 6 激光反射形变检测法示意图 图1 1 7 原子力显微镜扫描母像 ( 3 ) 光学测量技术 对于平面尺寸在微米量级，厚度在纳米量级的n e m s 器件来说，光学测量 技术也可以用于三维几何尺寸的定量分析，如自动调焦法、显微相移干涉法、显 微白光干涉法等。 l 、自动调焦法 自动调焦法源于c d 技术，它采用自动调焦的激光束对c d 盘上所压制的数 字音乐信号进行非接触式扫描，其测量原理可用图1 1 8 来描述。由红外激光二 极管发出的激光束，经准直镜准直后成为一束平行光，该平行光又经能实现聚焦 跟踪功能的扫描物镜被聚焦在被测物表面上。被测物表面所反射的发散光咀和入 射光相反的方向返回，其中一部分光经分光镜分光后入射到聚焦检测器上形成 一个光点。聚焦检测器为一个双象限的光电转换元件。该光点位置根据被测表面 结构可以有三种不同情形，如图1 18 ( b ) 所示。当光点位置如图l - 1 8 ( b ) 中b 所示时，亦即正好位于聚焦检钡4 器平面上，光点则对称位于检测器两象限之间， 此时两感光象限能提供相同的光电信号。当光点位于聚焦检测器平面前方或后方 位置时( 图1 】8 ( b ) 中a 和c ) ，此时对应于被测表面和未跟踪扫描物镜距离较 第一章绪论 大的情形光点则仅落在聚焦检测器象限之一上，其形状为一个发散的非清晰半 圆。由上述离焦信号产生一个控制电平信号，用于驱动一个动圈式马达，使扫描 物镜产生跟随运动，直至使扫描物镜到达聚焦位置为止。其跟踪的规律显示出如 图l _ 1 8 ( c ) 所示的特性曲线。因此当自动调焦传感器扫描过被测物表面时，物 镜便始终能跟随被测物表面结构的轮廓，因此产生的垂直方向的位移经一个电感 式位移传感器转换为测量信号被记录下来。该方法的水平分辨率由聚焦光点直径 所决定，光点直径一般为1 坤? ；图1 - 1 8 所示为一种基于自动调焦传感器的三维 测量系统，垂直测量范围为1 m m ，垂直分辨率为2 5 0 n m 。 ：目j 正二亡 口 ：一埋。愫厂- 十h 一 ：；i 七日了寸口二口二 筻薛鬻 1 奇；j = i 气r i t ； 图1 1 8 自动调焦法测量原理： ( a ) 自动调焦装置光学结构围；( b ) 三种不同的聚焦位置；( c ) 检测器特性曲线 2 、相移干涉法 相移干涉”0 3 卅的基本思想是：通过相移改变两干涉光波的相对位移，通过对 干涉场中同一点在不同相移量下光强的变化求解初始位相差。干涉场的相位信息 与被测表面的高度信息具有下面的对应关系： b ，y ) ：! 型兰 ( 1 - 4 ) 2 口2 式中，丑为测量波长，硝y ) 为测量光束和参考光束在某像素点上的初始相 位差， ( x ，) 为该点对应的表面相对高度。 如图卜1 9 所示光路，照明光源经准直阔束后形成一束平行光，被分束器分 为测量光束与参考光束两部分。两路光束分别经待铡样品和参考镜后在分束器处 会台发生干涉，形成干涉条纹，该干涉条纹受被测物体表面形貌调制而发生变形。 微位移扫描器驱动参考镜产生亚波长量级的光程变化，以改变参考相位，即相移， 并产生时间序列上的多帧干涉图。相移的方式可以有两种，一种是分步式，另一 种是连续式。 天津大学博士学位论文 分步时相移干涉的参考相位变化是按分步方式，为简化求解，一般使相移在 2 万范围内等间距进行。在分步式相移干涉光路中，每次相移后，干涉场的干涉 条