基于视觉检测的原子力显微镜探针自动定位技术研究

摘要

近些年来，随着半导体工业的发展，芯片的集成度越来越高，其关键单元的特征尺寸已经达到数十纳米。这对现有的工业检测手段提出了新的要求与挑战。目前普遍采用的光学检测技术与电子显微检测技术已经很难满足高集成度集成电路(Integrated Circuit，IC)关键单元特征尺寸的检测需求。
　　原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是一种具有亚纳米级分辨精度，环境适应能力强，可实现对扫描样品进行无损检测的高精密实验仪器。目前，AFM已经在生物、材料、化学等领域得到广泛应用。但由于当前AFM的使用多集中在实验室环境中，扫描探针与样品逼近、目标位置的逼近以及扫描探针更换等过程均为手动实现，尚不能满足工业级应用所要求的自动化水平。所以AFM工业化自动化的实现仍存在大量的技术难题。
　　本论文在实验室自主研发的AFM操作平台的基础上展开研究，着重解决AFM工业化过程中存在的若干技术难题，在详细分析产业需求的基础之上，着重开展以下研究工作：
　　1.AFM探针自动逼近方法研究。常规科学型AFM下针过程均为目视手动操作完成，无法实现工业应用中连续检测的要求。本文提出了一种基于机器视觉与精确力控制的AFM自动逼近技术。该方法采用粗精结合的分段式方法实现AFM探针与扫描样品的自动逼近。与此同时，本文对计算机视觉中的自动聚焦算法进行了改进工作，提高了聚焦的精度与算法的普适性。
　　2.目标位置自动逼近方法研究。在AFM扫描成像过程中，要实现对样品特定位置进行扫描是很困难的，由于视觉差异，很难实现样品与探针的定位问题。本文基于机器视觉提出了一种扫描探针针尖盲定位技术。通过二维视觉坐标，三维运动平台坐标以及三维纳米平台坐标的转化，将扫描样品特定位置移动至扫描探针针尖之下，进而实现对样品的特定位置进行扫描。
　　3.AFM探针自动更换方法研究。为实现扫描过程的连续性，AFM必须实现扫描探针的自动更换。本文中设计了一种新的AFM探针自动更换机构，采用电磁力与永磁力相结合的方式，实现AFM探针夹持器的自动抓取与释放，进而完成扫描探针更换工作。并采用机器视觉的方法实现更换之后的扫描探针悬臂梁末端与激光光斑的自动对准。
　　4.AFM控制系统搭建。基于以上三个方面的工作，搭建了一整套AFM系统，并将自动逼近、目标逼近、自动换针等工作进行了移植。实验结果表明，本文中提出的方法能够利用视觉算法完成AFM探针在多个层面上的定位工作，能够实现了AFM操作的自动化。
　　上述研究工作，为工业型AFM研制过程中的若干技术问题提供有一种有效的技术解决方案，在工业型AFM的国产化研究中具有重要的意义。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 AFM简介

1.3 工业型AFM研究现状

1.4 显微视觉概述

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 AFM探针自动逼近方法研究

2.1 引言

2.2 聚焦评价函数

2.3 自动逼近系统平台搭建

2.4自动逼近流程设计

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第3章 目标位置自动逼近方法研究

3.1引言

3.2 AFM探针针尖视觉定位技术

3.3目标逼近技术研究

3.4 本章小结

第4章 AFM探针自动更换方法研究

4.1 引言

4.2 探针自动更换机构

4.3 探针自动更换流程设计

4.4 AFM光电反馈自动校准

4.5本章小结

第5章 AFM扫描控制系统搭建与实现

5.1 引言

5.2 AFM控制系统工作原理

5.3 AFM控制系统软硬件平台实现

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢