二十世纪八十年代以来,随着扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)相继问世,纳米科技正给人类的生产生活带来深刻变革。在纳米检测方面,AFM因为它突出的分辨率、广泛的适用性,成为应用最广泛的检测仪器之一。但是AFM的扫描范围有限,一般是几微米或十几微米。由于范围太小,导致它在很多特定场合无法使用。在轮廓测量方面,各类表面台阶仪、光学轮廓仪也正广泛应用于生产和科研之中。原理各不相同,种类也是不计其数。但是它们在分辨率、稳定性等方面总是存在或多或少的问题,满足不了生产和科研的需求。针对越来越多的纳米检测需求,研制了一套全新的原子力显微术轮廓仪(AFM Profiler)系统。 AFM Profiler系统是一套新型的系统,目前国内外都很少有类似的产品。它用步进电机实现样品与针尖的相对运动,将步进电机与AFM相结合,进行大范围高精度的纳米轮廓测量。它既具有AFM纳米级测量精度,又具有步进电机长程扫描范围,系统稳定性好,操作简单,自动化程度高。 本文共分为七章。第一章介绍纳米科技、课题背景;第二章介绍AFM Profiler系统主要组成部分的工作原理;第三章介绍了本课题的新方法;第四章讲述了AFM Profiler整个系统的研制;第五章是性能分析和系统标定;第六章是该系统的应用研究;第七章包括总结和展望。 本课题的主要研究工作内容和创新之处包括: 理论上,提出将AFM与步进电机相结合以实现大范围轮廓测量的新的系统设计思想,并将这种新的仪器系统称作AFM Profiler系统。否定了一些其它的系统设计思想,并对这种设计思想进行了可行性研究。提出轮廓和粗糙度测量新方法、膜厚测量新方法。 技术方法上,研制了一套AFM Profiler系统实验装置。系统的扫描采用等高模式,即探头不动,步进电机载着样品实现相对运动;检测方式采用光束偏转法;分析了步进电机的运动特点,设计了扫描控制电压波形;设计了步进电机的选通电路和信号处理电路;设计了连接AFM探头和步进电机的零件,将这两个部分紧密连接起来形成一个统一的整体;完成了系统软件的编写,包括扫描控制、