用于线宽测量的双探针原子力显微镜系统研究

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1、用于线宽测量的双探针原子力显微镜系统研究ResearchonDual-probeAtomicForceMicroscopeSystemusedforLinewidthMeasurement学科专业：仪器科学与技术研究生：刘雷华指导教师：郭彤副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2015年12月中文摘要近年来随着半导体工业的不断发展，集成电路的关键尺寸正向着22nm以下的技术节点迈进。器件尺寸的不断减小，导致关键尺寸成为影响器件电气性能的重要因素。如何有效测量和控制关键尺寸成为纳米计量领域的一大难题。传统的测量工具如光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)都不能对关

2、键尺寸进行有效的真三维测量。为此本文提出构建双探针原子力显微镜测量系统，利用双探针针尖对顶测量，有效消除探针尺寸对测量结果的影响。为验证双探针测量的可行性，基于石英音叉探针(A-Probe)开发了原子力显微镜测头。具体工作如下：1.介绍了A-Probe的结构特点及工作原理；建立了音叉探针的力学和电学等效模型；介绍并分析了动态AFM在幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)模式下的工作原理及特点；最后分析了双探针测量如何能消除探针尺寸的影响并给出对针方案。2.为了实现双探针AFM系统测量结果的量值溯源,课题采用了激光干涉仪系统。基于FPGA设计了细分卡接口电路，实现了上位机软件对位

3、置数据的读取、复位操作。验证了等位移间隔触发的功能。3.基于A-Probe探针搭建了单测头实验装置，系统主要由测头、纳米位移台、视觉观测模块、锁相放大器和数字反馈控制系统构成。主要开发了探针夹持机构、探针微弱信号检测电路及基于DSP的数字反馈控制电路。基于此实验装置完成了测头在调幅、调频和调相三种工作模式下的灵敏度及分辨力测试。并对二维栅格样品进行了测量。实验表明，该测头具有纳米级分辨力，能有效对微纳结构进行成像。4.在调幅和调频模式下，进行了双探针对针实验。利用扫描探针对静止探针进行近场力扫描成像。实验结果验证了双探针对顶测量方案具有可行性。关键词：关键尺寸，双探针，石英音叉探针，原子力显

4、微镜，锁相放大器ABSTRACTWiththedevelopmentofthesemiconductorindustryinrecentyears,thecriticaldimensionsofintegratedcircuitsaretowardbelowthe22nmtechnologynodes.Thesizeofthedevicebecomessmaller,whichmakescriticaldimensionbecomeanimportantfactortoaffecttheelectricalpropertiesofthedevice.Howtomeasureandcontro

5、lthecriticaldimensionsbecomesamajorprobleminthefieldofnanometermeasurement.Thetraditionalmeasurementtoolssuchasopticalmicroscopy(OM),scanningelectronmicroscopy(SEM)andatomicforcemicroscopy(AFM)can’tachievetruethree-dimensionalmeasurementeffectivelyforcriticaldimension.Inthispaper,adual-probeAFMmeas

6、urementsystemisbuilt,anditcaneliminatetheprobesizeeffectonthemeasurementresultsthroughtwoprobesalignment.Inordertodemonstratethefeasibilityofdual-probemeasurement,theAFMmeasuringheadbasedonaquartztuningforkprobe(A-Probe)isdeveloped.Themaincontentsareasfollows:1.Thestructurecharacteristicsandworking

7、principleofA-Probeareintroduced.Themechanicsandelectricalequivalentmodelofquartztuningforkprobearedescribed.TheprinciplesandfeaturesofdynamicAFMinamplitudemodulation(AM),frequencymodulation(FM)andphasemodul