CN111487441A - 基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，原子力显微镜扫描头固定设置，在测量过程中静止不动，原子力显微镜扫描头扫描测量被测物体表面的轮廓面参数并生成检测信号，原子力显微镜信号调理装置将检测信号调理之后传递给平台控制器，平台控制器根据检测信号控制定位平台相对原子力显微镜扫描头运动而使原子力显微镜扫描头沿着被测物体表面扫描检测，计算机对检测信号进行处理而得出被测物体表面轮廓的参数。由此可见，本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，能够方便地进行测量，测量过程中，原子力显微镜扫描头保持静止，避免了振动导致的测量误差，提高了测量准确性。

Description

基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法。

背景技术

纳米测量技术是纳米科技发展的基础和保障，甚至是纳米技术的关键，直接关系到国家的半导体加工工业和国防工业的发展。近年来，随着微纳加工技术的迅速发展，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构的复杂程度却不断增加，这就对微纳尺度的几何量检测提出了更高的需求。台阶结构是微纳制造中的常见结构，也是校准仪器纵向振幅响应函数的标准结构。例如用于扫描探针显微镜、台阶仪、光学轮廓仪等表面形貌测量设备校准的微纳米台阶标准样板、半导体工艺中的导线、MEMS加工中的沟槽等均为台阶结构，这些结构作为实现器件功能的关键，对参数的准确性要求极高。

目前，用于台阶结构测量的方法总体可分为光学测量法和非光学测量法。其中，光学测量法包括显微视觉法、干涉测量法、激光扫描法(包括自聚焦、共聚焦)等，非光学测量法主要包括扫描探针显微镜、机械触针法、坐标测量法等。在台阶结构的测量中，市场上常用的仪器主要有共聚焦显微镜、原子力显微镜、台阶仪等设备。这些设备测量范围一般不超过百微米量级，且很难同时满足大范围和高精度要求。此外，对于大于2μm的台阶，普通原子力显微镜由于受针尖尺寸及扫描器行程限制，已无法实现测量；对于百微米量级及以上的超高台阶结构，大部分仪器由于受运动机构行程限制，也无法实现测量。因此，开发可用于超高台阶测量及表征的装置和方法，实现超高台阶结构的高精度、可溯源测量，对微纳制造及半导体加工中尺寸参数的精确控制具有重要意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，能够方便地进行测量。

为实现上述目的，本发明提供一种基于原子力显微镜的测量装置，包括原子力显微镜扫描头、原子力显微镜信号调理装置、定位平台、平台控制器和计算机；

所述原子力显微镜扫描头固定设置；

所述定位平台用于安装被测物体，所述定位平台由平台控制器控制而运动，所述原子力显微镜扫描头用于扫描检测所述被测物体表面并产生检测信号；

所述原子力显微镜信号调理装置用于接收并调理原子力显微镜扫描头产生的检测信号并向平台控制器反馈检测信号；

所述平台控制器根据原子力显微镜扫描头反馈的检测信号控制定位平台相对原子力显微镜扫描头运动而使原子力显微镜扫描头沿着被测物体表面扫描检测；

所述计算机用于接收并处理平台控制器所传递的检测信号，所述计算机还用于向平台控制器发送控制指令。

优选地，所述原子力显微镜扫描头包括激光二极管、四象限探测器、探针和连接臂，所述探针安装在连接臂的端部，所述探针上设有反射面，所述激光二极管发出的激光由所述反射面反射至四象限探测器，四象限探测器接收反射面反射的光线而产生所述检测信号。

优选地，所述定位平台包括移动式的载物台和固定设置的定位检测仪，所述载物台上设有相互正交的X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面，所述定位检测仪包括X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪，X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪分别通过X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面检测载物台的坐标位置信息，并将坐标位置信息反馈给平台控制器。

更为优选地，所述载物台采用零膨胀玻璃加工而成。

更为优选地，在所述载物台的表面镀覆反射材料形成所述X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面。

更为优选地，所述载物台由驱动机构驱动而运动。

进一步地，所述驱动机构为线性电机、音圈马达或超声马达驱动。

进一步地，所述定位检测仪与所述驱动机构分离设置。

与本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置相应地，本发明还提供一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法，利用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的基于原子力显微镜的测量装置进行作业，其特征在于，包括如下步骤：

1)划分确定台阶面的测量区域：在台阶低位面上确定测量区域A，测量区域A与台阶立壁之间具有一段距离，在台阶高位面上确定测量区域B，测量区域B与台阶立壁之间也具有一段距离；

2)通过原子力显微镜扫描头扫描测量所述测量区域A和测量区域B的表面轮廓参数并拟合出台阶面的表面轮廓。

优选地，所述测量区域A的宽度为台阶低位面宽度的三分至二，测量区域A与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一；所述测量区域B的宽度为台阶高位面宽度的三分至一，测量区域B与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一。

如上所述，本发明涉及的一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，具有以下有益效果：在本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，原子力显微镜扫描头固定设置，在测量过程中静止不动，原子力显微镜扫描头扫描测量被测物体表面的轮廓面参数并生成检测信号，原子力显微镜信号调理装置将检测信号调理之后传递给平台控制器，平台控制器根据检测信号控制定位平台相对原子力显微镜扫描头运动而使原子力显微镜扫描头沿着被测物体表面扫描检测，计算机对检测信号进行处理而得出被测物体表面轮廓的参数。由此可见，本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，能够方便地进行测量，测量过程中，原子力显微镜扫描头保持静止，避免了振动导致的测量误差，提高了测量准确性。本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法也具有上出有益效果，此处不再赘述。

附图说明

图1显示为本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置的结构示意图。

图2显示为原子力显微镜扫描头的结构示意图。

图3显示为定位平台的结构示意图。

图4显示为台阶面及其测量区域划分的示意图。

图5显示为台阶面上测量区域划分的示意图。

图6显示为拟合的台阶面的单条轮廓线结构示意图。

元件标号说明

1 原子力显微镜扫描头

2 原子力显微镜信号调理装置

3 定位平台

4 平台控制器

5 计算机

6 激光二极管

7 四象限探测器

8 探针

9 连接臂

10 载物台

11 定位检测仪

12 X轴激光干涉仪

13 Y轴激光干涉仪

14 Z轴激光干涉仪

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种基于原子力显微镜的测量装置，包括原子力显微镜扫描头1、原子力显微镜信号调理装置2、定位平台3、平台控制器4和计算机5；

所述原子力显微镜扫描头1固定设置；

所述定位平台3用于安装被测物体，所述定位平台3由平台控制器4控制而运动，所述原子力显微镜扫描头1用于扫描检测所述被测物体表面并产生检测信号；

所述原子力显微镜信号调理装置2用于接收并调理原子力显微镜扫描头1产生的检测信号并向平台控制器4反馈检测信号；

所述平台控制器4根据原子力显微镜扫描头1反馈的检测信号控制定位平台3相对原子力显微镜扫描头1运动而使原子力显微镜扫描头1沿着被测物体表面扫描检测；

所述计算机5用于接收并处理平台控制器4所传递的检测信号，所述计算机5还用于向平台控制器4发送控制指令。

在本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，原子力显微镜扫描头1固定设置，在测量过程中静止不动，原子力显微镜扫描头1扫描测量被测物体表面的轮廓面参数并生成检测信号，原子力显微镜信号调理装置2将检测信号调理之后传递给平台控制器4，平台控制器4根据检测信号控制定位平台3相对原子力显微镜扫描头1运动而使原子力显微镜扫描头1沿着被测物体表面扫描检测，计算机5对检测信号进行处理而得出被测物体表面轮廓的参数。由此可见，本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置及台阶面测量方法，能够方便地进行测量，测量过程中，原子力显微镜扫描头1保持静止，避免了振动导致的测量误差，提高了测量准确性。

本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，平台控制器4根据原子力显微镜信号调理电路反馈的检测信号对定位平台3进行控制，进而实现对被测物体的跟随扫描。测量时，原子力显微镜扫描头1静止不动，所有的位移驱动和数据记录均通过定位平台3和平台控制器4完成，这种方式结构上更稳定，并可避免因测头运动增加自由度引入新误差，原子力显微镜扫描头1可直接采用商用原子力显微镜扫描头1，也可自行搭建类似的传感结构。

本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，定位平台3运动范围大、定位精度高，原子力显微镜分辨力高，可实现纳米级精度测量。由于该装置中原子力显微镜扫描头1相当于零点定位传感器，测量***的数据记录和扫描控制均通过定位平台3的移动来实现，因而可以打破传统原子力显微镜移动扫描范围较小的限制，原子力显微镜扫描头1工作时，原子力显微镜扫描头1静止不动，原子力显微镜扫描头1作为零点定位传感器为定位平台3的移动提供反馈信号，定位平台3提供X、Y、Z三轴的位移，并根据原子力显微镜扫描头1反馈的信号实现跟随扫描，记录测量数据。原子力显微镜扫描头1与移动式定位平台3组合，使测量装置的测量范围达到定位平台3的运动范围，实现毫米级的测量范围。由此可见，本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置可有效提高测量范围，并在毫米级的测量范围内达到纳米级的测量精度。

作为一种优选的实施方式，如图1和图2所示，所述原子力显微镜扫描头1包括激光二极管6、四象限探测器7、探针8和连接臂9，所述探针8安装在连接臂9的端部，所述探针8上设有反射面，所述激光二极管6发出的激光由所述反射面反射至四象限探测器7，四象限探测器7接收反射面反射的光线而产生所述检测信号。在定位平台3移动时，定位平台3上的被测物体的表面与探针8接触并使得探针8产生微量的位移，连接臂9会由于被测物体表面的起伏变化产生变形，该形变量通过由激光二极管6和四象限探测器7组成的探测***捕获，探测***中，激光二极管6发出的光束打在连接臂9的反射面上，光束经反射后进入四象限探测器7，当连接臂9发生形变时，激光光斑在四象限探测器7表面的位置也随之发生改变，四象限探测器7将该位置变化转换为检测信号输出至原子力显微镜信号调理装置2，原子力显微镜信号调理装置2将检测信号调理之后传递给平台控制器4，平台控制器4将检测信号传递给计算机5，计算机5根据检测信号得出被测物体表面的轮廓信息，并向平台控制器4发出控制指令，平台控制器4根据控制指令控制定位平台3移动。平台控制器4主要用于接收检测信号、向计算机5传递检测信号、接收计算机5发出的控制指令以及向定位平台3发出控制指令，平台控制器4也可以和计算机5集成为一个整体模块。

本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，定位平台3需提供纳米量级的定位精度，其采用激光干涉仪作为反馈，以确保定位的精准性和测量结果的可溯源性。本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置，除探测精度要求达到纳米甚至亚纳米级外，对定位平台3的要求也很高，定位平台3需同时满足大范围和高精度要求，且定位平台3的精度直接影响整个测量***的精度，常用的步进电机配合滚柱丝杠的驱动结构在定位分辨力和定位精度上无法满足要求，普通原子力显微镜搭载的压电陶瓷在线性和运动范围上无法达到要求。为同时满足运动范围和定位精度要求，可采用直线电机作为驱动，激光干涉仪作为反馈搭建定位平台3，也可采用其他满足要求的方案。本发明介绍一种采用激光干涉仪作为位移反馈的方案，如图3所示，所述定位平台3包括移动式的载物台10和固定设置的定位检测仪11，所述载物台10上设有相互正交的X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面，所述定位检测仪11包括X轴激光干涉仪12、Y轴激光干涉仪13和Z轴激光干涉仪14，X轴激光干涉仪12、Y轴激光干涉仪13和Z轴激光干涉仪14发出的光束呈正交分布，其光束的延长线交于一点。X轴激光干涉仪12、Y轴激光干涉仪13和Z轴激光干涉仪14分别通过X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面检测载物台10的坐标位置信息，并将坐标位置信息反馈给平台控制器4，平台控制器4将载物台10的坐标位置信息反馈给计算机5，计算机5根据载物台10的坐标位置信息以及原子力显微镜信号调理装置2传递的检测信号向平台控制器4发出控制指令，平台控制器4根据控制指令控制定位平台3的移动。作为一种优选的实施方式，所述载物台10采用零膨胀玻璃加工而成，这样可以避免热胀冷缩效应引起的***误差。优选地，可以在所述载物台10的表面镀覆反射材料形成所述X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面。

本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置中，定位平台3的移动通过载物台10来实现，所述载物台10由驱动机构驱动而运动。作为一种优选的实施方式，所述驱动机构为线性电机、音圈马达或超声马达驱动。为了避免驱动机构产生的振动影响定位检测仪11的测量准确性，所述定位检测仪11与所述驱动机构分离设置。

与本发明的一种基于原子力显微镜的测量装置相应地，本发明还提供一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法，利用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的基于原子力显微镜的测量装置进行作业，其特征在于，包括如下步骤：

1)划分确定台阶面的测量区域：请参考图4和图5，在台阶低位面(图4中测量区域A所在的平面)上确定测量区域A，测量区域A与台阶立壁之间具有一段距离，在台阶高位面上确定测量区域B(图4中测量区域B所在的平面)，测量区域B与台阶立壁之间也具有一段距离；

2)通过原子力显微镜扫描头1扫描测量所述测量区域A和测量区域B的表面轮廓参数并拟合出台阶面的表面轮廓，拟合的轮廓如图6所示，a表示台阶低位面，b表示台阶高位面。

优选地，如图5所示，所述测量区域A的宽度为台阶低位面宽度的三分至二，测量区域A与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一；所述测量区域B的宽度为台阶高位面宽度的三分至一，测量区域B与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一。

本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法可以实现微纳级测量中超高台阶的测量，测量超高台阶时，与传统微纳米台阶测量方法不同，由于台阶的高度较高，不能直接进行扫描获取整个台阶轮廓，需分区域进行扫描。本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法借助定位平台3大范围、高精度的定位能力和原子力显微镜扫描头1高分辨力的特性，并结合特定的分区组合测量方法，可实现超高台阶高度的纳米级精度测量。

对于如图4和图5所示的双边台阶，其测量方法可根据上述本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法直接得出，按照本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法将台阶的测量区域划分为测量区域A、测量区域B和测量区域C，分别对三个区域进行独立测量，获取三个区域的测量数据，测量完成后，需对测量区域A、测量区域B和测量区域C的测量数据进行拼接，组合出新的台阶结构，并截取单条轮廓线进行评价，最终拟合成图6所示的轮廓，a、b、c分别表示测量区域A、测量区域B和测量区域C的轮廓。测量区域A、测量区域B和测量区域C的选取，应参考ISO5436中定义的轮廓线评价位置。测量区域A扫描长度约为台阶上表面宽度的三分之二，相应区域的扫描起始点和终点应分别对应该区域台阶面评价线的起点和评价线终点；测量区域B扫描长度约为台阶上表面宽度的三分之一，测量区域C扫描长度约为台阶上表面宽度的三分之二。从测量区域组合截取的单条轮廓线如图6所示，其高度评价采用ISO5436中定义的最小二乘拟合法进行计算。

本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法由于采用大范围、高精度的定位平台3和高分辨力的原子力显微镜，测量装置可在毫米级的测量范围内，实现超高台阶结构的纳米级精度测量。超高台阶结构的高度范围可以从几微米拓展至几十毫米。此外，该装置还可测量高度低至几纳米的台阶结构，对于此类低台阶结构，可直接进行完整台阶轮廓的扫描，无需采用本发明中介绍的超高台阶测量方法。由于定位平台3采用激光干涉仪作为定位反馈，因而测量结果具有溯源性。综上，本发明的一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法可以实现高度从几纳米至几十毫米的台阶高度测量，测量精度可达纳米量级，测量结果可溯源。

需要说明的是，本发明的一种基于原子力显微镜的装置及台阶面测量方法的技术方案涉及的是硬件***及测量方法，与硬件***相关的控制程序及数据处理程序是现有技术，此处无需详述。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于原子力显微镜的测量装置，其特征是，包括原子力显微镜扫描头、原子力显微镜信号调理装置、定位平台、平台控制器和计算机；

所述原子力显微镜扫描头固定设置；

所述定位平台用于安装被测物体，所述定位平台由平台控制器控制而运动，所述原子力显微镜扫描头用于扫描检测所述被测物体表面并产生检测信号；

所述原子力显微镜信号调理装置用于接收并调理原子力显微镜扫描头产生的检测信号并向平台控制器反馈检测信号；

所述平台控制器根据原子力显微镜扫描头反馈的检测信号控制定位平台相对原子力显微镜扫描头运动而使原子力显微镜扫描头沿着被测物体表面扫描检测；

所述计算机用于接收并处理平台控制器所传递的检测信号，所述计算机还用于向平台控制器发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述原子力显微镜扫描头包括激光二极管、四象限探测器、探针和连接臂，所述探针安装在连接臂的端部，所述探针上设有反射面，所述激光二极管发出的激光由所述反射面反射至四象限探测器，四象限探测器接收反射面反射的光线而产生所述检测信号。

3.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述定位平台包括移动式的载物台和固定设置的定位检测仪，所述载物台上设有相互正交的X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面，所述定位检测仪包括X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪，X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪分别通过X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面检测载物台的坐标位置信息，并将坐标位置信息反馈给平台控制器。

4.根据权利要求3所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述载物台采用零膨胀玻璃加工而成。

5.根据权利要求3所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：在所述载物台的表面镀覆反射材料形成所述X方向反射面、Y方向反射面和Z方向反射面。

6.根据权利要求3所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述载物台由驱动机构驱动而运动。

7.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述驱动机构为线性电机、音圈马达或超声马达驱动。

8.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜的测量装置，其特征在于：所述定位检测仪与所述驱动机构分离设置。

9.一种基于原子力显微镜的台阶面测量方法，利用权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜的测量装置进行作业，其特征在于，包括如下步骤：

1)划分确定台阶面的测量区域：在台阶低位面上确定测量区域A，测量区域A与台阶立壁之间具有一段距离，在台阶高位面上确定测量区域B，测量区域B与台阶立壁之间也具有一段距离；

2)通过原子力显微镜扫描头扫描测量所述测量区域A和测量区域B的表面轮廓参数并拟合出台阶面的表面轮廓。

10.根据权利要求9所示的基于原子力显微镜的台阶面测量方法，其特征是：所述测量区域A的宽度为台阶低位面宽度的三分至二，测量区域A与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一；所述测量区域B的宽度为台阶高位面宽度的三分至一，测量区域B与台阶立壁之间的距离为台阶低位面宽度的三分至一。

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