负刚度隔震台结合新型AFM探针来增强纳米光刻和SPM显微镜成像技术

Minus k负刚度隔振台配合激光扫描和光谱技术相结合可以增强纳米光刻的制图能力。Busani研究小组用于半导体图案化的AFM探针配备了用作光刻探针的硝酸铝激光纳米线（an aluminum nitrate laser nanowire），可在进行传统激光扫描的同时，使用光谱仪记录材料的荧光信号。

负刚度隔振(Vibration isolation)：

由于Busani的研究小组处理的是纳米结构，因此地面振动的大小非常重要。Busani 说："我们需要一套减震系统有两个原因：一、是为了我们的激光光学系统；二、是为了我们与外部激光源集成的原子力显微镜AFM系统。"另外，暴露在AFM激光束下的样品必须具有光学稳定性。

2022年1月，Busani的研究小组开始使用Minus K Technology公司开发的负刚度隔振台（如图1），Minus K Technology是一家为扫描探针显微镜、显微硬度测试仪以及其他隔振台和设备制造商的OEM供应商。

图1. Minus K负刚度隔震台示意图

这些Minus K隔振台的结构紧凑，不需要电力或压缩空气，因此，敏感的仪器可以放置在任何需要的地方。它们没有电机、泵或腔室，也没有维护，因为几乎没有磨损的设备零件，而且这些设备是以被动机械模式运行的。

负刚度隔振台可在多个方向上实现高水平的隔震，并可灵活定制垂直和水平方向0.5Hz的共振频率（部分水平方向为1.5Hz）。对于固有频率为0.5Hz的隔离系统，隔震从0.7Hz开始，并随着振动频率的增加而提高，其中，固有频率更常用于描述系统性能。

"Minus K Technology 公司工程副总裁 Erik Runge 说："垂直运动隔振是由一个支撑重量负载的刚性弹簧和一个负刚度机制共同提供的。”“净垂直刚度非常低，而不会影响弹簧的静载荷支撑能力，与垂直运动隔振台串联的梁柱提供水平运动隔震，梁柱的作用就像弹簧与负刚度机构的结合。因此，这种结构紧凑的无源隔振台能够实现极低的垂直和水平自然频率以及较高的内部结构频率。“

负刚度隔振台具备很高的性能，并且是通过透射率曲线进行测量。另外，隔振效率是衡量通过隔振台传递的振动相对于输入振动的程度。负刚度隔震台在固定频率调整到0.5Hz时，在2Hz时的隔离效率约为93%，在5Hz时大约是99%，在10Hz时是99.7%。Busani说：“负刚度隔振用于激光设置，以减少振动和微运动，其中，稳定样品对于降低噪音是至关重要的，隔振台能更好地对准探针，使我们能够缩短测试时间。另外，负刚度隔振台为探针的精密操作提供了所需的支持。”

作者：吉姆·麦克马洪（Jim McMahon）

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是一种先进的表面分析技术，目前在聚合物、金属、半导体和绝缘材料的SPM方面取得的进展主要源于原子力显微镜 (Atomic Force Microscopy，AFM) 的发展。原子力显微镜AFM是一款能够获取纳米级材料表面结构信息的强大设备，它不仅可用于测量金属和半导体等无机材料，还可用于测量有机材料和生物材料。

AFM图案化和成像技术主要用于纳米级设备的制造和研究，在原子力显微镜AFM中，用一个由微型悬臂和锋利针尖组成的探针来扫描样品表面。另外，在AFM接触模式下进行成像时，探针顶点与表面连续接触，或者在轻敲模式下与样品间歇接触。然而，由于大多数市售探针的机械性能和锥形几何形状，在纳米级计量中，通过AFM对具有锋利边缘和直壁的高纵横比纳米结构进行成像是一件具有挑战性的事情。

纳米线(Nanowires)增强AFM探针的功能：

一维（One-dimensional，1D）半导体纳米结构，如纳米线和纳米管（通常定义为直径小于100nm的线性结构），由于其独特的物理和化学特性而成为下一代电子和光电纳米设备的构件。

氮化镓（GaN）纳米线被嵌入用于高纵横比结构的纳米级计量的探针中，主要是用来提高AFM成像的分辨率。另外，纳米线还允许将AFM与其他工具（如扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）和近场扫描光学显微镜（Near-field s、Scanning Optical Microscopy，NSOM））结合使用，能够产生通用的多用途探头，这种组合可以用来增强纳米光刻技术和显微镜技术。

用于光刻的AFM探针：激光扫描和光谱分析

利用GaN纳米线和激光器在AFM探针上进行的用于半导体图案化的开创性研究，不仅为记录形貌，还为记录材料的荧光信号创造了更广泛的可能性。

新墨西哥大学（新墨西哥州阿尔伯克基市）的Busani研究小组正在研究一维1D纳米结构材料，近场光谱，纳米激光器和纳米膜以及它们与多功能设备的集成，该小组的多学科研究范围从光伏和硅光子学到半导体研究中的数据科学技术应用。

图2. Busani研究小组用于半导体图案化的AFM探针配备了用作光刻探针的硝酸铝激光纳米线，可在进行传统激光扫描的同时，使用光谱仪记录材料的荧光信号。

Tito Busani的研究小组研究和制造用于亚纳米在线纳米光刻的光谱表面计量的激光器和探针。他们开发了一种AFM探针，在探针上安装了GaN纳米线和激光，可以在进行传统激光扫描的同时用光谱仪记录材料的荧光信号（如图1）。

Busani的研究小组将原子力显微镜AFM与激光探针集成在一起，对物理过程和分子力进行探测。在使用AFM探针测量表面形貌的过程中，纳米线可以通过集成波导从外部激光激活，从而使尖端本身成为激光源，这意味着它可以用来辐射材料表面。然后，AFM探针本身通过集成在硅探针上的波导收集光线，纳米线连接到硅探针上。

场发射扫描探针光刻（FE-SPL）是一种用于纳米制造的高分辨率方法，其图案化过程是基于超锐利探针在靠近样品（距离低于100nm）的电子场发射，发射的电子会形成一层超薄薄膜。

Busani的团队进行纳米制造，实时写入图案，并进行掩膜光刻对准。用作纳米光刻探针的纳米线可通过光发射或电子发射来实现自对准和双重光刻技术。