AFM橫向測量中串?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。半導(dǎo)體刻線加工精度的不斷提高對檢測設(shè)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(yīng)半導(dǎo)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(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量結(jié)果均存在較大的測量誤差。為克服上述缺點(diǎn)，本課題在研究各因素對測量結(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)對測量結(jié)果的影響。
　　在對恒力模式下影響測量結(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平行掃描和橫向掃描下測量結(jié)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?qū)悠沸蚊驳臏y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(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)對測量結(jié)果的影響，通過理論分

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)對測量結(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。對不同試樣的仿真結(jié)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(gè)較小值，以避免對樣品表面造成損傷，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)量來表征該點(diǎn)的高度信息。在該方法中對AFM中的串?dāng)_效應(yīng)分別進(jìn)行了修正，首先通過實(shí)驗(yàn)法測量并計(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測量結(jié)果的影響。在理