基于AFM的線寬測(cè)量中探針運(yùn)動(dòng)影響及不確定度的研究.pdf

1、納米尺度線寬的測(cè)量是納米計(jì)量研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要問題。它是在納米尺度對(duì)刻線或其它表面特征的寬度進(jìn)行測(cè)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(dòng)納米線寬測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要源動(dòng)力之一。微機(jī)電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域的發(fā)展同樣需要對(duì)納米線寬進(jìn)行高精度的測(cè)量。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）由于其具有納米級(jí)分辨率的三維成像能力，以及對(duì)樣本材料和測(cè)量環(huán)境廣泛的適應(yīng)性而成為納米線寬測(cè)量研究中的重要工具。本

2、文針對(duì)目前 AFM測(cè)量線寬中所存在的探針膨脹效應(yīng)問題，進(jìn)行了基于 AFM的納米尺度線寬測(cè)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(gè)AFM成像的數(shù)學(xué)模型。分析了AFM在線寬測(cè)量中的應(yīng)用以及對(duì)測(cè)量圖像影響較大的一些因素，并對(duì)AFM探針的膨脹作用、壓電晶體的非線性以及測(cè)量環(huán)境和儀器參數(shù)的設(shè)置等進(jìn)行了研究。
　　根據(jù)AFM的掃描過程和特點(diǎn)，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(duì)線寬測(cè)量結(jié)果的影響。研究了圖像中物體刻線進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)和平移的計(jì)算方法以及轉(zhuǎn)動(dòng)后的插值和擬合。為了獲得樣本的真實(shí)幾何尺寸信息，剔除測(cè)量方法和儀器誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本文建立了一個(gè)線寬測(cè)量模型和相應(yīng)算法，并利用Matlab開發(fā)了相關(guān)軟件來計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。
　　為了研究 AFM輕敲模式下探針振動(dòng)對(duì)測(cè)量刻線邊墻的影響，建立了AFM輕敲模式工作時(shí)的微懸臂振動(dòng)模型，并在此基礎(chǔ)上建立了描述探針頂點(diǎn)振動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型，分析了微懸臂和探針等參數(shù)

4、對(duì)探針頂點(diǎn)振動(dòng)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(shí)由探針振動(dòng)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(cè)量值產(chǎn)生了較大失真，并隨著探針頂點(diǎn)振動(dòng)軌跡掃描方向的最大偏移增大而增大。對(duì)微懸臂參數(shù)、探針輪廓和探針頂點(diǎn)振動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明在實(shí)際測(cè)量中修改微懸臂參數(shù)無法消除由振動(dòng)引起的膨脹效應(yīng)，不能測(cè)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(cè)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(gè)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(cè)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(cè)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(diǎn)集，實(shí)現(xiàn)一幅圖像中像素位置對(duì)應(yīng)物

6、理點(diǎn)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(jì)算和修正方法。用裝有納米管探針的AFM測(cè)量了納米尺度刻線樣本，并進(jìn)行了圖像重建和圖像拼接。依據(jù)測(cè)量不確定度估計(jì)的相關(guān)理論，提出了評(píng)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(cè)量線寬的不確定度估計(jì)體系，并進(jìn)行了相關(guān)評(píng)定。計(jì)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(kuò)展不確定度。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果表明