双探针原子力显微镜测量系统开发

摘要

半导体工业与微纳米测量技术息息相关,精确可靠的几何尺寸测量是集成电路制造业飞速发展的保障,同时半导体工艺推动着纳米尺度测量技术不断进步。片上几何尺寸及形状的偏差严重影响了集成电路芯片电气性能,关键尺寸(Critical dimension)作为其中重要的技术参数,其测量和控制是今后需要解决的技术难点。传统检测手段均不能对关键尺寸实现真三维形貌的表征,本文提出双探针原子力显微镜(AFM)对顶测量方案,采用音叉探针作为力传感器,以单测头为基础,搭建了双探针测量系统,并通过实验验证了双探针对顶测量方案的可行性。课题主要开展工作如下:
　　1.基于ANSYS建立Akiyama Probe(A-Probe)有限元模型,通过对其压电和静力学分析,解释了A-probe工作原理;通过模态分析和谐响应分析,确定了探针振型和工作频率;通过改变探针几何尺寸探究探针几何尺寸对谐振频率的影响;同时,利用弹簧单元模拟仿真样品针尖作用时谐振频率变化情况。
　　2.实验系统搭建及测头开发。系统主要包括测头、纳米定位平台、光学辅助进针系统。测头开发主要设计了探针夹持装置和对探针微弱信号放大处理电路。
　　3.基于锁相放大器(LIA)和锁相环(PLL)实现了测头动态模式的测量需求,在幅度、频率和相位信号调制下对测头性能进行测试,经实验验证,整个系统分辨力在三种模式下均优于1nm。
　　4.在幅度调制模式下,对双探针对顶测量方案进行了验证分析。经扫描探针对静止探针区域扫描,两探针针尖可在百纳米内完成对准,通过近场力实验分析验证了双探针对顶测量方案可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2关键尺寸检测的研究现状

1.3课题研究意义和工作内容

第二章 音叉探针的有限元分析

2.1原子力显微镜

2.2基于石英音叉的自感应探针

2.3石英音叉探针的有限元仿真分析

2.4本章小结

第三章 系统搭建和测头开发

3.1测量实验系统

3.2探针信号处理电路的设计

3.3本章小结

第四章 原子力显微镜测头性能测试及实验分析

4.1纳米位移台校准实验

4.2单测头性能实验分析

4.3 AFM动态测量具体实施方案

4.4 AFM动态测量信号实验分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢