双探针原子力显微镜测头机电系统的研究

摘要

现代集成电路制造工艺中芯片上所能容纳的电子元器件数目越来越多，对集成电路微纳米尺寸的测量提出了更高的要求。微纳米级别的线宽作为表征集成电路芯片的主要参数之一，从一定程度上的决定了集成芯片的性能。原子力显微镜以其超高分辨率、可测量非导电样品等优点广泛应用于集成电路的微纳米级别的线宽的测量。但是，由于探针本身的尺寸、针尖的角度、针尖的大小、形状等会对测量结果产生一定的影响，因此现有原子力显微镜无法准确的表征样品的真实线宽、形貌等表面信息。本论文依托国家科技支撑课题“计量型扫描电镜及双探针原子力显微镜标准装置的搭建（课题编号：2011BAK15B02）”，就双探针原子力显微镜线宽测量技术进行研究，旨在建立起可以真实表征样品线宽及形貌的双探针原子力显微镜系统。
　　论文首先分析了原子力显微镜技术的国内外研究现状和原子力显微镜在微纳米测量中的重要应用，描述了几种常见的线宽测量方式，介绍了现阶段商用原子力显微镜的测量原理和测量方法。设计了双探针原子力显微镜测头机电系统方案，并描述了其工作原理和组成，采用Ansys有限元软件对测头机电系统进行了分析，确定了测头机械结构组成的稳定性及线宽测量的可行性，完成了双探针原子力显微镜测头系统的机械结构设计。在双探针对准方法方面，分别采用依次步进的方式和PID反馈对准的方式完成了双探针在纳米级别的对准。在样品扫描方法方面，使用石英音叉探针对标准样品进行扫描并和商用扫描电镜以及商用原子力显微镜的扫描测量结果进行对比，完成了单个探针对1μm栅格样品的表面形貌测量。
　　为验证本论文中构建的双探针原子力显微镜测头机电系统的可行性及稳定性，使用A-Probe石英音叉探针、PI超高精度纳米定位台、HF2LI锁相放大器、Renishaw激光干涉仪等仪器完成了双探针原子力显微镜实验系统装置的构建，分别进行了以下实验：（1）系统的稳定性分析，通过石英音叉探针针尖坐标的偏移量来判定系统的稳定性，实验结果证明探针的漂移量在纳米级别，系统的稳定性较好；（2）石英音叉探针的对准实验，通过视场范围内对准两个探针之间的距离可以达到1μm，在随后的近场力扫描对准中，实现了1nm步进的双探针对准；（3）通过使用单个石英音叉探针A-Probe对标准样品进行了测量，通过对测量结果的分析可以得到待测样品的表面线宽及形貌，并将该实验结果和商用扫描电镜和商用原子力显微镜的测量结果进行对比以验证其可行性和稳定性。

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第一章 综述

1.1 双探针原子力显微镜研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究内容及组织结构

第二章 双探针原子力显微镜测头机电系统的设计与分析

2.1 双探针原子力显微镜系统方案设计2.1.1 单探针原子力显微镜测量原理

2.2 双探针原子力显微镜测头机电系统的方案设计

2.3 双探针原子力显微镜测头仿真分析

2.4 本章小结

第三章 双探针对准方法的研究

3.1 视场范围内的对准

3.2 数字控制近场力扫描对准

3.3 PID反馈控制近场力扫描对准

3.4 本章小结

第四章 样品扫描方法的研究

4.1 石英音叉探针A-Probe

4.2 样品扫描方法的研究

4.3本章小结

第五章 实验及数据分析

5.1 测头系统的稳定性分析

5.2 双探针对准及数据分析

5.3 样品扫描实验及数据分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 论文展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢