AFM橫向測(cè)量中串?dāng)_效應(yīng)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(nèi)的刻線寬度作為其工藝特征尺寸已下降到100nm以下量級(jí)。半導(dǎo)體刻線加工精度的不斷提高對(duì)檢測(cè)設(shè)備的測(cè)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(jí)分辨率獲得樣品表面三維形貌的能力而被用作納米測(cè)量的重要工具。為了使 AFM適應(yīng)半導(dǎo)體刻線測(cè)量的要求，對(duì) AFM的掃描方式及其測(cè)量誤差的研究有著十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)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(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)角度、探針與懸臂梁中線位置偏差等因素的存在會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)，使得兩種掃描方式的測(cè)量結(jié)果均存在較大的測(cè)量誤差。為克服上述缺點(diǎn)，本課題在研究各因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的基礎(chǔ)上，提出了一種新的掃描方法以消除串?dāng)_效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
　　在對(duì)恒力模式下影響測(cè)量結(jié)果的因素進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，分

3、析針尖-樣品夾角及摩擦力分別對(duì)平行掃描和橫向掃描下測(cè)量結(jié)果的影響，包括對(duì)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(cè)量盲區(qū)，而摩擦力決定橫向掃描下不可測(cè)量區(qū)域的大小。理論上橫向掃描在可測(cè)量區(qū)域?qū)悠沸蚊驳臏y(cè)量不存在誤差，因此更適用于形貌測(cè)量，但過(guò)大的作用力可能導(dǎo)致樣品表面的損傷。
　　在研究AFM中串?dāng)_效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了光路串?dāng)_效應(yīng)、幾何串?dāng)_效應(yīng)及機(jī)械串?dāng)_效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過(guò)理論分

4、析和仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾何串?dāng)_效應(yīng)相比較其他串?dāng)_效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響最大。分析結(jié)果還顯示，懸臂梁的橫向扭轉(zhuǎn)是導(dǎo)致光路串?dāng)_效應(yīng)的直接原因，因此針尖-樣品夾角及摩擦力是影響光路串?dāng)_效應(yīng)的主要原因。對(duì)不同試樣的仿真結(jié)果證明了橫向掃描下樣品形貌的測(cè)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(cè)量過(guò)程中通過(guò)反饋控制器始終保持針尖-樣品作用力恒定在一個(gè)較小值，以避免對(duì)樣品表面造成損傷，在每一掃描點(diǎn)處同時(shí)采用掃描

5、器的位移量和懸臂梁末端的偏轉(zhuǎn)量來(lái)表征該點(diǎn)的高度信息。在該方法中對(duì)AFM中的串?dāng)_效應(yīng)分別進(jìn)行了修正，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)法測(cè)量并計(jì)算出PSPD的旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而消除幾何串?dāng)_效應(yīng)；其次，采用相應(yīng)的算法，根據(jù) PSPD的信號(hào)輸出直接計(jì)算得到懸臂梁的實(shí)際形變量以消除光路中串?dāng)_效應(yīng)的影響；最后，采用實(shí)驗(yàn)法得到垂直作用力下懸臂梁扭轉(zhuǎn)角與偏轉(zhuǎn)角的比值，以消除機(jī)械串?dāng)_效應(yīng)的影響。由于采用橫向掃描，因此該方法同時(shí)還可以消除針尖-樣品夾角及摩擦力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在理