AFM橫向測量中串擾效應的分析與消除方法的研究.pdf

1、隨著集成電路制造業(yè)的迅速發(fā)展，芯片內的刻線寬度作為其工藝特征尺寸已下降到100nm以下量級。半導體刻線加工精度的不斷提高對檢測設備的測量精度提出了更高的要求。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)因具有以納米級分辨率獲得樣品表面三維形貌的能力而被用作納米測量的重要工具。為了使 AFM適應半導體刻線測量的要求，對 AFM的掃描方式及其測量誤差的研究有著十分重要的理論意義和實用價值。恒力模式是AFM的主要工作

2、模式之一，它具有分辨率高和測量速度快的優(yōu)點。根據(jù)掃描方式的不同，它包括平行掃描和橫向掃描，由于針尖-樣品夾角不確定性、摩擦力、光斑位移傳感器（PSPD）的旋轉角度、探針與懸臂梁中線位置偏差等因素的存在會產(chǎn)生串擾效應，使得兩種掃描方式的測量結果均存在較大的測量誤差。為克服上述缺點，本課題在研究各因素對測量結果影響的基礎上，提出了一種新的掃描方法以消除串擾效應對測量結果的影響。
　　在對恒力模式下影響測量結果的因素進行綜述的基礎上，分

3、析針尖-樣品夾角及摩擦力分別對平行掃描和橫向掃描下測量結果的影響，包括對形貌的影響和針尖-樣品間作用力的影響，并證明了針尖-樣品夾角使得平行掃描存在測量盲區(qū)，而摩擦力決定橫向掃描下不可測量區(qū)域的大小。理論上橫向掃描在可測量區(qū)域對樣品形貌的測量不存在誤差，因此更適用于形貌測量，但過大的作用力可能導致樣品表面的損傷。
　　在研究AFM中串擾效應產(chǎn)生機理的基礎上，分析了光路串擾效應、幾何串擾效應及機械串擾效應對測量結果的影響，通過理論分

4、析和仿真結果發(fā)現(xiàn)，幾何串擾效應相比較其他串擾效應對測量結果的影響最大。分析結果還顯示，懸臂梁的橫向扭轉是導致光路串擾效應的直接原因，因此針尖-樣品夾角及摩擦力是影響光路串擾效應的主要原因。對不同試樣的仿真結果證明了橫向掃描下樣品形貌的測量也存在較大誤差。
　　為消除上述影響，本文提出了一種恒力橫向掃描方法，該方法在測量過程中通過反饋控制器始終保持針尖-樣品作用力恒定在一個較小值，以避免對樣品表面造成損傷，在每一掃描點處同時采用掃描

5、器的位移量和懸臂梁末端的偏轉量來表征該點的高度信息。在該方法中對AFM中的串擾效應分別進行了修正，首先通過實驗法測量并計算出PSPD的旋轉角，進而消除幾何串擾效應；其次，采用相應的算法，根據(jù) PSPD的信號輸出直接計算得到懸臂梁的實際形變量以消除光路中串擾效應的影響；最后，采用實驗法得到垂直作用力下懸臂梁扭轉角與偏轉角的比值，以消除機械串擾效應的影響。由于采用橫向掃描，因此該方法同時還可以消除針尖-樣品夾角及摩擦力對測量結果的影響。在理