MEMS技术打造全球首台单芯片原子力显微镜
2016-08-15 20:05:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微访谈：加拿大ICSPI公司管理团队

麦姆斯咨询 编译

ICSPI公司创始人兼总裁Neil Sarkar博士和产品开发总监Duncan Strathearn，在接受AzoNano的采访中，介绍了全球首台基于MEMS技术的单芯片原子力显微镜。

AzoNano：请介绍下您的公司情况，以及你们正在从事的工作？

ICSPI：我们的公司——Integrated Circuit Scanning Probe Instruments（ICSPI），是加拿大滑铁卢大学培育孵化的企业。在MEMS领域有着近10年的研发积累，已研发出世界上第一台单芯片原子力显微镜（AFM），这个显微镜小到你必须用另一台显微镜去观测它。AFM是当今世上分辨率最高的显微镜，在许多科技领域拥有广泛的应用。通过小型化、集成化技术，这样的设备能够帮助我们更加容易地获取那些为我们带来便利的资源，并为资深用户带来新的应用体验。我们的单芯片AFM技术正通过一个小型、简便和经济的桌面工具----nGauge AFM而实现商业化。

AzoNano：什么是单芯片AFM？

ICSPI：将一个AFM的X/Y/Z轴扫描器、传感器和探针都集成在一个1 x 1毫米的MEMS芯片上，除了粗略的方法机理以外，这个芯片实际上就是一个完整的AFM，我们就把这样的芯片称之为单芯片AFM。极其精确的MEMS执行器提供了亚埃米级的定位功能，而集成的压阻传感器则提供精确、低噪的测量功能。传统的AFM通常需要大型外设扫描器、相对复杂的激光校准系统、小型探针和一个大型振动隔离平台，而nGuage AFM仅需要一个芯片和一些小型、廉价的硬件设施，就能够匹敌昂贵百倍的设备。

AzoNano：你们在制作AFM时使用了何种材料？

ICSPI：CMOS是现在最先进和最精准的的制造工艺。它被用于制作处理器、随机存储器（RAM）、照相机的图像传感器以及我们的AFM。我们充分利用了CMOS的高分辨率和可靠性，以及晶圆级量产的能力，制作高性价比的AFM。AFM的探针是铝制的，是CMOS堆栈的一部分，其表面能够自然形成一层坚硬的氧化物（铝在空气中容易氧化成氧化铝），这种氧化铝探针能够连续拍摄超过1万张照片，而不会出现明显的磨损。

AzoNano：你们为什么会研发单芯片的AFM？

ICSPI：长期以来，业界已经认识到AFM设备的尺寸越小，其速度越快、抗振性越好并且更稳定。近年来，包括斯坦福大学Quate和康奈尔大学MacDonald的STM芯片研究、IBM的Millepede项目、Hierlemann关于固定AFM悬臂的CMOS研究，均验证了上述观点。传统AFM的客户一直在推动厂商不断提高设备的分辨率，而不是去改进设备的尺寸、易用性和价格，我们认为这就是AFM仍然无法成为利基应用的主要原因。我们应用纳米技术开发了nGauge AFM，并在需要坚固、低价和高速测量的纳米尺度实现新的应用。

AzoNano：你们是如何大幅降低芯片的尺寸和成本的？

ICSPI：我们关于CMOS-MEMS AFM方面的研究，从对AFM进行系统性的微型化开始，我们将AFM的每一个元件都缩小到了微米级尺寸。我们成功地在一个1 x 1毫米的芯片上，集成了一个3自由度执行器、共振传感器和一个探针（本质上是一个完整的AFM）。因而我们不再需要像传统的AFM那样拥有笨重昂贵的压敏电组探测器和激光检测系统。AFM芯片通过CMOS工艺制作，这种制造工艺扩展性很强，能够通过批量生产降低成本。下一步工艺是将微机械结构“放置”在CMOS芯片上，这些微机械结构便是MEMS，这种结构（MEMS）具有极高的分辨率和灵敏度，完美契合AFM的需求。

AzoNano：单芯片AFM与普通AFM有何区别？

ICSPI：尽管现在的单芯片AFM还无法达到目前最好的AFM所能达到的亚埃米级分辨率，但其性能已经能与目前传统的中档AFM相当。事实上，与传统AFM相比它已经具有很多优势。它较小的尺寸带来了更好的抗振性、更低的偏移度和更高的扫描速度。MEMS执行器有效消除了压力带来的蠕变和磁滞。它较紧凑的尺寸规格能够使它方便地集成在探测器、电子显微镜、装配线等标准设备中，从而实现许多新的应用。。它完整的集成性也使其能够在无需匹配激光器的条件下直接使用，由于整个芯片都是可抛弃替换的，因此探针也能够方便地更换。同时，芯片的可抛弃替换，也意味着随着芯片设计的定期更新，能够使AFM芯片紧随最先进的技术发展。

AzoNano：它有一些什么样的具体应用？

ICSPI：AFM有许多应用，而nGauge AFM将能够前所未有地实现纳米级成像，我们预期这将使它能够实现很多新应用。在大学和企业中关于微细加工、材料、表面科学、纳米技术、电镀技术、磨削技术、抛光技术等方面的研究中，都需要纳米级精度的表面成像工具。目前这些机构或者共享一个AFM，或者将他们的样品送到AFM实验室检测。现在有了nGauge，所有人都可以随时随地方便地使用AFM。

小尺寸和多功能性的单芯片AFM还可通过系统集成产生新的应用。通过集成，一个电子探测系统能够转变为一个AFM，在同样的平台上进行更高精度的电子测量和成像。单芯片AFM还能够整合在一个扫描电子显微镜（SEM）中，提供样品表面纳米级的地貌测量信息，有效完善SEM数据。已经实现的一个设计小突破是将AFM放置在样品上，而不是相反。大型AFM阵列的集成能够实现高通量计量解决方案。单芯片AFM的各种应用可以说无穷无尽。

AzoNano：单芯片AFM将如何影响我们的科学研究？请举几个已经取得实际进展的案例。

ICSPI：nGauge AFM 正在接近现有高端传统型AFM的分辨率，传统AFM可以达到的性能，nGauge几乎都可以达到。我们能够用它识别单壁碳纳米管、DNA、67纳米胶原蛋白。过去使用AFM的研究者，需要花上好几周时间等待送样后的检验影像，现在他们可以自己来决定时间了。

目前有很多小公司通过AFM的使用在研发上获益。我们身边有两个创业企业，在使用nGauge后，缩短了产品投放市场的时间，改善了产品的质量控制，获得了品质更好的产品。在nGauge出现以前，小公司很难获取到这类能够有效帮助他们成功的设备。

AzoNano：单芯片AFM对产业的未来有何意义？

ICSPI：单芯片AFM将为大众提供一款强大的纳米科技工具，从纳米层面上转变我们对事物的发现和认识。它既可以作为一个标准的科学研发工具，也可以在抛光打磨行业中检测表面粗糙度，在光学行业检测表面擦痕与瑕疵，以及在电镀行业检测工艺质量。AFM能够被整合在装配线上，检测沉积薄膜的厚度、硬盘读头的质量以及物体表面纳米粒子的分布。在此之前，纳米测量设备从未变得像现在这样如此易获取和廉价。