頻率控制元器件石英晶振是世界科技，智能化發(fā)展的推動(dòng)力，所以晶振產(chǎn)業(yè)發(fā)展了一百多年，仍然是市場(chǎng)上最重要的電子元件，產(chǎn)品里的核心零部件。全球有數(shù)不清的晶振廠家，知名的大概有幾十家到上百家，都是專業(yè)化設(shè)計(jì)，開發(fā)和生產(chǎn)各種石英晶體和石英晶體振蕩器，并且為了達(dá)到完美，創(chuàng)新了許多新技術(shù)，晶振的微力傳感器就是其中一種。

SFM的關(guān)鍵部件是微懸臂,為了準(zhǔn)確反映樣品的表面形貌,提高儀器的靈敏度,微懸臂應(yīng)滿足下列要求:(1)低的力彈性常數(shù),這樣受到很小的力就能產(chǎn)生很大的可檢測(cè)的位移。(2)高的橫向剛性,可以減小橫向力的影響。(3)傳感器帶有導(dǎo)電極和鏡子,以便可以通過隧道電流法或光學(xué)法檢測(cè)微懸臂的微小形變。(4)一-個(gè)盡可能尖銳的針尖。另外,一個(gè)檢測(cè)微懸臂形變的裝置也是必不可少的。理想的檢測(cè)方法應(yīng)具有納米級(jí)的靈敏度,并且檢測(cè)方法本身對(duì)懸臂的影響應(yīng)小到可以忽略不計(jì)的地步。

檢測(cè)懸臂形變的方式基本上可以分為三種:(1)隧道電流檢測(cè)法(2)電容檢測(cè)法(3)光學(xué)檢測(cè)法81。隧道電流檢測(cè)法是通過測(cè)量微懸臂表面和STM針尖之間的隧道電流變化來檢測(cè)微懸臂的形變。石英晶體諧振器電容檢測(cè)法是當(dāng)微懸臂受力的作用而產(chǎn)生微位移時(shí),將改變與之相連的電容的極板間距離,因此電容值發(fā)生變化。這兩種檢測(cè)方法已經(jīng)很少用了?，F(xiàn)在絕大多數(shù)用的是光學(xué)檢測(cè)方法,光學(xué)檢測(cè)法有兩種基本的檢測(cè)類型:干涉法和反射法,干涉法是通過參考光束和探測(cè)光束的干涉后產(chǎn)生的相移來反映微懸臂的位移,進(jìn)而得到微懸臂所受的力的大小。反射法比干涉法簡(jiǎn)單,但需要微懸臂具有較光滑的反射表面。不論哪種方法,必要的光學(xué)檢測(cè)儀器是不可缺少的(如四象限光電檢測(cè)器),而這種檢測(cè)儀器通常都是非常昂貴的。

根據(jù)探針同貼片晶振樣品作用力性質(zhì)的不同,SFM儀器主要有三種成像模式:接觸模式,非接觸(抬舉)模式和輕敲模式8,如圖12所示

在接觸模式中,針尖始終同樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上滑動(dòng)。當(dāng)針尖頂部原子的電子云壓迫樣品表面原子的電子云時(shí),會(huì)產(chǎn)生微弱的排斥力。大小通常為10-8~10-11N。接觸模式的優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨率圖像,但由于探針在樣品表面上的移動(dòng)以及針尖-表面間的粘附力,有可能使得進(jìn)口晶振樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形,同時(shí)表面摩擦力也使得針尖產(chǎn)生較大的損害。

非接觸模式是控制探針在樣品表面上方掃描,始終不與樣品表面接觸因而針尖不會(huì)對(duì)樣品造成污染或產(chǎn)生破壞,避免了接觸模式中遇到的一些問題。針尖和樣品之間的作用力是很弱的長(zhǎng)程作用力一范德華吸引力。非接觸模式是測(cè)量長(zhǎng)程力所采用的方法，其分辨率比接觸模式的分辨率要低,由于針尖很容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到樣品表面,造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對(duì)貼片石英晶振樣品的破壞。因此非接觸模式操作實(shí)際上較為困難,并且通常不適合在液體中成像。

輕敲模式介于接觸模式和非接觸模式之間(13l。其特點(diǎn)是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸更大的振幅(大于20nm),針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。由于針尖與樣品接觸,分辨率幾乎和接觸式掃描一樣的好,但由于接觸是短暫的,因此對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失,克服了常規(guī)掃描模式的局限性。輕敲模式還具有大而且線性的操作范圍,使得垂直反饋系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性,可重復(fù)進(jìn)行樣品測(cè)量。對(duì)于軟、粘和脆性樣品的研究具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)但輕敲模式同樣也增加了操作和設(shè)備的復(fù)雜性,在實(shí)際運(yùn)用中存在著不易控制的缺點(diǎn)。

SFM技術(shù)的發(fā)展強(qiáng)烈依賴于帶有特殊針尖的微懸臂制備技術(shù)的發(fā)展13-15。這種微懸臂和針尖必須是能夠簡(jiǎn)便而快速制備的。在原子力顯微鏡發(fā)展之初,懸臂幾何形狀一般為L(zhǎng)形。其主要是通過將一個(gè)很細(xì)的金屬絲或線圈彎曲90°后,頂端經(jīng)電化學(xué)腐蝕成一個(gè)針尖而制備得到的。這種制備方法完全依賴于實(shí)驗(yàn)技師的手工技能。第二種懸臂制備方法是微刻技術(shù)。第一代是簡(jiǎn)單的SiO2懸臂,形狀為直角和三角,是從氧化硅片上刻蝕得到的。其同腐蝕金屬針尖相比,不能很好的控制其尖銳程度。后來改用SiN4代替SiO2作為懸

臂材料。Si3N4脆性較低,而且厚度可以從1.5降到0.3um。這一代懸臂具有完整針尖,而且曲率半徑非常低。美國(guó)斯坦福大學(xué)是在硅片上刻蝕出金字塔形的小片,可以得到曲率半徑小于30nm的針尖。IBM公司則采用硅片(100)來制備具有完整針尖的硅懸臂,曲率半徑低于100nm。這些通過微電子加工將針尖集成于一體的微懸臂方法有很好的可重復(fù)性,不需粘另外的針尖,便于大批量生產(chǎn)。所以一般商用的AFM都采用這種力傳感器。但對(duì)于靜電力顯微鏡和磁力顯微鏡來說,由于針尖材料具有特殊的要求,還是要采用在微懸臂上粘針尖的方法。

從以上可以看出,這些基于微懸臂的SFM它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)；它們不僅需要一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微小懸臂作為力的傳感器,而且還要一個(gè)激光干涉儀用于檢測(cè)微懸臂的微小位移來獲得表面變化信息。因而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,成本也很高,操作難度增大,也就造成其在應(yīng)用中的局限性。所以必須采用其他的晶振傳感器和非光學(xué)的檢測(cè)方法。