与基体相连接位置的绝对长度，这个长度就是该 实物基准的有效长度。梁上的"带十字的圆形"和刻度尺标识4的每条线段的长度可以根据 梁的宽度设置，如，为梁的宽度的3/2或1/2,按绝对值可以为100nm、200nm、500nm或Ιμπι 等，而最小刻度可以为50nm或100nm。所述两种标识的加工可以选用聚焦离子束（Focused Ion Beam)加工工艺，该工艺为去除工艺，在微悬臂梁上将形成的刻度是凹陷的；也可以选 用最新的半导体加工工艺，基于不同的工艺过程，在微悬臂梁上形成的刻度可能是凹陷的， 也可能是凸起的。FIB聚焦离子束是将液态金属离子源产生的离子束经过离子枪加速、聚焦 后照射到被加工器件上，离子束通过对被加工器件上表面原子的剥离实现纳米加工，其加 工的纳米结构的最小尺寸可以达到10~15nm。而目前的半导体加工工艺也可以达到20nm 的最小线宽。
[0021] 关于所述的微悬臂梁实物基准的安装定位，如图2所示加以说明，以基体上的边 线带刻度的"矩形"标识2的任意一个直角的两条边线为定位参考，使得测量仪器上的微悬 臂梁夹持器上的两条垂直边线6与所述的基体上的边线带刻度的"矩形"标识2的两条参 考边线分别对齐。而所述的基体上的边线带刻度的"矩形"标识2边线上的刻度可以作为 重复定位时，安装微悬臂梁实物基准的夹持器5上的某个特征点相对于矩形标识对应边线 的距离设置依据。
[0022] 关于所述的微悬臂梁实物基准在原子力显微镜上与光杠杆的调试，如图3所示， 在参考图2将微悬臂梁实物基准安装在原子力显微镜上后，进一步调整原子力显微镜的光 杠杆的入射光束7,使得所述的入射光束7和反射光束9在所述的微悬臂梁实物基准1的梁 3上而形成的光斑8的中心与梁3上的"带十字的圆形"和刻度尺4的"带十字的圆形"的 十字线的交叉点重合。
[0023] 在用微悬臂梁实物基准对原子力显微镜的弹性常数测量功能进行标定时，原子力 显微镜光杠杆的入射光束在实物基准的梁上形成的光斑的位置对标定准确度至关重要，位 置的变化会带来较大的标定不确定度。所述的梁上的"带十字的圆形"标识和刻度尺4就 是为了保证重复定位的准确度而设计的。
[0024] 所述的溯源实验方法包括两个步骤：
[0025] 第一步：将每个弹性常数区间所对应的微悬臂梁实物基准，如标记为Ci的实物基 准。在所述的弹性常数溯源装置上用静态加载模式标定其弹性常数。根据加载过程中微悬 臂梁实物基准的力一位移曲线，采用最小二乘法将其拟合为一条直线，则该直线的斜率就 是本次测量得到的微悬臂梁的弹性常数值，通过5~8次测量取平均值的方法可以获得弹 性常数的溯源值，把每次测量的弹性常数值记为，它表示对Ci号微悬臂梁的第j 次测量的弹性常数值。这样,Ci号微悬臂梁实物基准的弹性常数溯源值&实可 以用以下公式计算得到：
[0026]
【主权项】
1. 一种原子力显微镜微息臂梁弹性常数热噪声标定法的溯源方法，所述溯源方法是在 原子力显微镜上通过微息臂梁弹性常数的溯源标定装置进行标定的，该方法包括有微息臂 梁弹性常数范围的区间划分、微息臂梁实物基准、溯源实验方法、溯源修正因子的计算公式 W及原子力显微镜上标定任意一个微息臂梁的弹性常数的热噪声法的计算公式： 1) 所述的微息臂梁弹性常数范围的区间划分，把原子力显微镜上常用微息臂梁弹性常 数量值范围划分为五个区间，即，区间一 ；0. 001~0. 0099N/m;区间二；0. 01~0. 099N/m; 区间H;0. 1 ~0. 99N/m;区间四：1. 0/m~9. 9N/m;区间五；10. 0 ~99. 9N/m; 2) 所述的微息臂梁实物基准，微息臂梁实物基准包括一组共五个微息臂梁实物基准， 分别用于所述五个区间内原子力显微镜上用热噪声法标定弹性常数时的量值传递，将所述 五个微息臂梁用符号记为Ci，i=a，b，C，山e的弹性常数区间；所述微息臂梁均包括用微纳 加工得到的梁和基体两部分，对应于上述五个弹性常数区间，所述的五个微息臂梁弹性常 数的设计值分别为Ca;0. 005 + 10%N/m、Cb;0. 05 + 10%N/m、Cc;0. 5± 10%N/m、Cd点 0± 10%N/ m、C。；50. 0±10%N/m;而在量值传递过程中，每个微息臂梁实物基准用于将实物基准本身的 量值传递到原子力显微镜上，过程是，在所述的微息臂梁弹性常数的溯源标定装置上，标定 所得到的微息臂梁实物基准的结果作为准确值，再用该微息臂梁实物基准去校对原子力显 微镜，并得到溯源修正因子和原子力显微镜上标定任意一个微息臂梁弹性常数的热噪声法 的计算公式； 3) 所述的微息臂梁弹性常数的溯源标定装置上的多次测量结果的算术平均值作为实 际的微息臂梁弹性常数溯源值，在每个微息臂梁实物基准上用微纳加工技术制作出两种标 识，用于实物基准在安装和溯源标定实验时的定位参考，W减小在量值传递过程中由于安 装定位和激光光斑定位不准带来的不确定度：一种为加工在微息臂梁基体的上表面上的边 线带刻度的矩形标识，用于安装实物基准时与原子力显微镜的定位参考，在安装时参考矩 形的任意两条边线，使得原子力显微镜上的装夹装置的参考边线与所述基体上的矩形标识 的参考边线分别对齐；另一种为加工在梁的自由端上表面上的带十字的圆形标识和刻度 尺，带十字的圆形标识用于实物基准在量值传递实验过程中激光光斑的定位参考，调试过 程中，使得测量光束的光斑中也位于带十字的圆形标识的交叉点；而刻度尺则标识出带十 字的圆形标识与梁的起点，即梁与基体相连接位置的绝对长度，该个长度就是该实物基准 的有效长度； 将原子力显微镜上的微息臂梁弹性常数的热噪声标定法溯源到国际单位制，需要计 算出所述的微息臂梁实物基准的溯源修正因子，用目i表示，i对应于微息臂梁的序号，即 i=a，b，C，山e ;并进一步通过溯源修正因子目i建立基于原子力显微镜标定任意微息臂梁的 弹性常数的公式；所述的热噪声所述的溯源实验方法包括两个步骤；第一步：将每个弹性 常数区间所对应的微息臂梁实物基准，在弹性常数溯源装置上用静态加载模式标定所述微 息臂梁实物基准的弹性常数Ci，根据加载过程中微息臂梁实物基准的力一位移曲线，采用 最小二乘法将其拟合为一条直线，则此直线的斜率就是通过本步骤测量得到的微息臂梁的 弹性常数值，通过多次测量取平均值的方法获得弹性常数的溯源值，记为A实物基准、細源装置； 则<^斟蜡准S,渊戚畏置就是溯源到国际单位的微息臂梁的弹性常数值；第二步，对每一个微息 臂梁实物基准在原子力显微镜上用热噪声法测量弹性常数，采取多次测量取平均值的方法 获得原子力显微镜上的测量值，记为准r,,AFM，根据所述的溯源实验方法的两个步骤 分别得到的所述的人'实物甚准。翔源装置和A割尴准r,,AFM用来计算所述的溯源修正因子； 所述的溯源修正因子，第i个微息臂梁实物基准所对应弹性常数区间的溯源修正因子 目i的计算公式为：
所述的微息臂梁弹性常数的计算公式，基于热噪声法在原子力显微镜上标定任意一个 微息臂梁弹性常数的计算公式为：
式中，k是任意一个被测微息臂梁的弹性常数，目i是第i个微息臂梁所对应的弹性常 数区间的溯源修正因子，ke是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，X是弯曲模态修正因子，Y是 光杠杆修正因子，Aa、ft、Q分别是微梁热噪声谱一阶振动谐振峰的归一化幅值、谐振频率、品 质因数。
【专利摘要】本发明提供一种原子力显微镜微悬臂梁弹性常数热噪声标定法的溯源方法，所述溯源方法是在原子力显微镜上通过微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置进行标定的，该方法步骤包括有微悬臂梁弹性常数范围的区间划分、微悬臂梁实物基准、溯源实验方法、溯源修正因子的计算公式以及原子力显微镜上标定任意一个微悬臂梁弹性常数的热噪声法的计算公式。本发明的效果是实现了在原子力显微镜上标定微悬臂梁弹性常数的热噪声法的量值与国际单位SI的溯源，保证原子力显微镜上微悬臂梁弹性常数的标定和力值测量的准确度，从而使得不同实验室利用原子力显微镜进行微悬臂梁弹性常数标定、微力测量或者微力加载实验时数据的统一性、可靠性和可比性。
【IPC分类】G01Q40-00
【公开号】CN104793019
【申请号】CN201410022927
【发明人】李艳宁, 魏亚旭, 吴森, 刘璐, 汪维忠, 胡晓东, 傅星, 多伦雷丹特, 胡小唐
【申请人】天津大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年1月18日