基于AFM的線寬測量中探針運動影響及不確定度的研究.pdf

1、納米尺度線寬的測量是納米計量研究領(lǐng)域中的一個重要問題。它是在納米尺度對刻線或其它表面特征的寬度進行測量的技術(shù)。近年來迅猛發(fā)展的半導(dǎo)體集成電路制造業(yè)是推動納米線寬測量技術(shù)發(fā)展的主要源動力之一。微機電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域的發(fā)展同樣需要對納米線寬進行高精度的測量。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）由于其具有納米級分辨率的三維成像能力，以及對樣本材料和測量環(huán)境廣泛的適應(yīng)性而成為納米線寬測量研究中的重要工具。本

2、文針對目前 AFM測量線寬中所存在的探針膨脹效應(yīng)問題，進行了基于 AFM的納米尺度線寬測量技術(shù)的研究。
　　分析了AFM的工作原理、儀器結(jié)構(gòu)和工作模式，從形態(tài)學(xué)的角度提出了一個AFM成像的數(shù)學(xué)模型。分析了AFM在線寬測量中的應(yīng)用以及對測量圖像影響較大的一些因素，并對AFM探針的膨脹作用、壓電晶體的非線性以及測量環(huán)境和儀器參數(shù)的設(shè)置等進行了研究。
　　根據(jù)AFM的掃描過程和特點，研究了掃描過程中去除噪聲的方法，分析了不同濾波方

3、法對線寬測量結(jié)果的影響。研究了圖像中物體刻線進行剛體轉(zhuǎn)動和平移的計算方法以及轉(zhuǎn)動后的插值和擬合。為了獲得樣本的真實幾何尺寸信息，剔除測量方法和儀器誤差對測量結(jié)果的影響，本文建立了一個線寬測量模型和相應(yīng)算法，并利用Matlab開發(fā)了相關(guān)軟件來計算相應(yīng)參數(shù)。
　　為了研究 AFM輕敲模式下探針振動對測量刻線邊墻的影響，建立了AFM輕敲模式工作時的微懸臂振動模型，并在此基礎(chǔ)上建立了描述探針頂點振動軌跡的數(shù)學(xué)模型，分析了微懸臂和探針等參數(shù)

4、對探針頂點振動軌跡的影響。建立了AFM輕敲模式成像的數(shù)學(xué)模型，仿真分析了掃描具有陡峭邊墻的樣本線寬時由探針振動引起的膨脹效應(yīng)，該效應(yīng)使刻線的中部線寬和底部線寬測量值產(chǎn)生了較大失真，并隨著探針頂點振動軌跡掃描方向的最大偏移增大而增大。對微懸臂參數(shù)、探針輪廓和探針頂點振動軌跡進行了仿真分析，分析結(jié)果表明在實際測量中修改微懸臂參數(shù)無法消除由振動引起的膨脹效應(yīng)，不能測得雙側(cè)邊墻都不失真的刻線，只有通過采用適當(dāng)形狀的探針來解決單側(cè)邊墻失真問題。<

5、br>　　建立了圖像重建模型，研究了圖像重建如何消除探針膨脹效應(yīng)的問題。應(yīng)用納米管探針測量了刻線線寬，經(jīng)過圖像重建恢復(fù)了刻線一側(cè)邊墻數(shù)據(jù)。為了使刻線的兩個邊墻都能消除由探針引起的失真，采用了一種雙圖像拼接的方法，把樣本旋轉(zhuǎn)180°前后兩次測量的圖像中邊墻失真較小的部分拼成一幅圖像。提出了一種基于刻線頂部中線的方法拼接前后兩次測量圖像，采用圖像配準(zhǔn)技術(shù)中的ICP算法，以兩幅圖像的中刻線的頂部中線為基準(zhǔn)選取點集，實現(xiàn)一幅圖像中像素位置對應(yīng)物

6、理點在另一幅圖像中像素位置的定位。
　　研究了樣本位置誤差的計算和修正方法。用裝有納米管探針的AFM測量了納米尺度刻線樣本，并進行了圖像重建和圖像拼接。依據(jù)測量不確定度估計的相關(guān)理論，提出了評定包括來源于圖像重建和圖像拼接等多種誤差的不確定度的方法，建立了使用NanoscopeIII型 AFM測量線寬的不確定度估計體系，并進行了相關(guān)評定。計算出了刻線頂部線寬、中部線寬和底部線寬及其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴展不確定度。測量和計算結(jié)果表明