AFM探针自动逼近及三维测量方法研究

发布时间：2020-07-21 18:38

【摘要】：随着半导体工业的发展,元件的集成度越来越高,其关键单元的特征尺寸已经达到数十纳米。在生产过程中,测量样品特征尺寸往往是难以突破的重点,在不得已的情况下,甚至需要破坏样品进行测量。目前采用的技术方法已经很难满足当前元件尺寸的要求。原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是纳米科学技术领域中的常用工具,其扫描过程中可以不损伤样品。AFM扫描成像前需要手动或半自动操作步骤实现探针与样品逼近过程,自动化程度低、操作繁琐,探针容易受损。而且目前大多数科研型AFM只能对样品实现2维或2.5维的扫描成像过程。上述存在的问题,严重影响了生产过程中的自动化水平和检测样品的技术方法。所以,AFM在工业生产中往往面临着大量的技术提高。本文的主要研究内容如下:(1)查阅国内外相关技术文献,总结综述了原子力显微镜系统的研究现状和相关技术的发展趋势,制定了粗精结合的分段式自动定位方法进行自动聚焦,确定了探针-样品自动逼近的方法,提出了实现样品三维测量的方案。(2)采用自动聚焦定位方法,对计算机视觉中的自动聚焦算法进行了改进,提出了一种最强边缘拉普拉斯算子均值算法,实验验证了方法具有良好的抗噪性能,提高了聚焦的精度与算法的普适性,适用AFM长行程、不同纹理样品自动聚焦。(3)提出了一种粗精结合的分段式自动定位方法。在粗定位阶段,确定探针和样品的相对位置;在精定位阶段,采用精确力反馈控制方法,当样品和探针作用力超过设定值时,探针在Z向纳米平台的带动下能够自动回退,使针尖得到有效保护。通过这两种方法的有效技术融合,可以实现探针-样品逼近过程的自动化操作,提高AFM的易用性和使用效率。(4)对AFM成像方法进行研究,提出了一种基于反馈控制的三维结构测量方法,控制系统能够根据不同侧壁方向调整探针的反馈运动角度,实现探针针尖与样品侧壁的有效触碰,达到侧壁形貌检测的目的。在自制3D-AFM平台上进行了三维测量方法实验验证,获得了栅格结构的侧壁形貌信息和三维形貌,实验结果证明该方法能够有效地实现刻线结构样品三维形貌测量。
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH742
【图文】：

示意图,三维结构,参数,示意图

１．１．２课题研宄的意义逡逑随着１Ｃ、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ、超精密加工等重要前沿技术领域的发展，微纳米尺度结构逡逑的三维测量已成为一个亟待解决的难题。以微电子产业为例，其工艺流程如图１．１所示，逡逑大规模集成电路（１Ｃ）的加工尺寸己进入纳米尺度，加工形成的３Ｄ形态如关键尺寸ＣＤ逡逑和各项参数（如线边缘粗糙度ＬＥＲ、线宽粗糙度ＬＷＲ等）对１Ｃ芯片电气性能的影响越逡逑来越大，同时其样品的参数也很难获取，如图１．２所示精确测量与控制１Ｃ的３Ｄ结构形态逡逑已成为提升１Ｃ芯片性能和质量的关键［１１＿１２］。逡逑晶圆逦光刻逦检涵逦检p>逦其他工艺逦测试封装逡逑＿＿邋＿邋＿＿＿逦｜逦邋１邋Ｉ逡逑｜丨衮面检测逦ｊ邋（邋－邋－Ｔ逦＾逦！逦＾邋ｐ邋－邋－邋Ｉ逦？邋Ｊ邋灰绝！－赛ｉｊ邋ｊ逡逑？逦２邋—邋＾＂＂＾１逦｜邋Ｉ邋Ｏ）检测邋Ｉ邋｜逦ｌ邋［逦；逦｜邋Ｊ逦Ｊ逡逑ｊ邋ｍ邋ｉ邋ｊ邋－ｘ邋；邋；ｒ＾ｎ邋？邋ｔ＊．邋！逡逑ＮＬＡ．！＾－－－逦

扫描探针技术,形貌检测

逦３逡逑响，其三维形貌测量更是难点技术问［１３＿１４］。实现ＭＥＭＳ结构的微纳三维形态精密测量已逡逑经成为了邋ＭＥＭＳ设计、仿真、制造及质量控制的关键环节［１５＿１７］，如图１．３所示。逡逑■逡逑图１．３利用扫描探针技术实现ＭＥＭＳ形貌检测逡逑Ｆｉｇ．ｌ邋．３邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ＭＥＭＳ邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋Ｕｓｉｎｇ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｐｒｏｂｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑ｉｙ逡逑在超精密加工方面，天然金刚石刀具是进行超精密切削加工的重要工具，而ｉｆ具刃逡逑口锋利度对加工表面质量有着重要影响，如图１．４所示。目前金刚石刀具刃口半径往往在逡逑１０－ｌＯＯｎｍ之间，而测量精度在５－ｌＯｎｍ之间才能满足当今金刚石刀具刃磨技术对刃口半径逡逑检测的需求。因而，实现微纳米３Ｄ结构形态测量对各个元件制造业具有重要意义。在超逡逑精密加工方面，天然金刚石刀具是进行超精密切削加工的重要工具，而刀具刃口锋利度逡逑对加工表面质量有着重要影响［１８１。目前金刚石刀具刃门半径往往在１０－ｌＯＯｎｍ之间，而测逡逑量精度在５－ｌＯｎｍ之间才能满足当今金刚石刀具刃磨技术对刃口半径检测的需求［１９■。实逡逑现金刚石刀具纳米级刃口的高精度三维测量对超精密加丨：技术的发展具符重要意义［２１］。逡逑ｍ逡逑（ａ）天然金刚石刀具逡逑（ａ）邋Ｎａｔｕｒａｌ邋ｄｉａｍｏｎｄ邋ｔｏｏｌｓ逡逑

形貌,探针,针尖,方式

（ｂ）金刚石刀具形貌逡逑（ｂ）邋Ｄｉａｍｏｎｄ邋ｔｏｏｌ邋ｓｈａｐｅ逡逑图１．４利用扫描探针技术实现金刚石刀具刃口形貌检测逡逑Ｆｉｇ．１．４邋Ｕｓｉｎｇ邋ｔｈｅ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｐｒｏｂｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｔｏ邋Ｒｅａｌｉｚｅ邋ｔｈｅ邋Ｅｄｇｅ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｄｉａｍｏｎｄ邋Ｔｏｏｌ邋Ｅｄｇｅ逡逑１．２国内外发展现状与趋势逡逑目前，在ＩＣ、ＭＥＭＳ和超精密加工等领域主要检测设备有光学显微镜、扫描电子显逡逑微镜（ＳＥＭ）。其中，光学显微镜存在观测分辨率受限问题，ＳＥＭ存在微结构电子束损逡逑伤等问题，而且上述两类检测设备均无法实现３Ｄ观测［２２］。目前可以实现微纳米尺度３Ｄ逡逑观测的唯一手段是透射电子显微镜（ＴＥＭ），但需要对样品进行破坏性加工才能进行观逡逑测，而且ＴＥＭ使用成本昂贵，难以满足微纳米制造技术的发展需求。逡逑ＳＰＭ可以实现纳米尺度的３Ｄ测量，但受到探针形貌和扫描机理限制，目前普通扫逡逑描探针显微技术只能完成２维或２．５维的测量，目前仅有德国Ｂｒｕｋｅｒ公司生产的Ｉｎｓｉｇｈｔ逡逑３ＤＡＦＭ和韩国Ｐａｒｋ公司生产的ＸＥ－３ＤＭ邋ＡＦＭ能够用于１Ｃ工业纳米刻线的三维检测

【参考文献】