基于二维伺服控制的扫描探针三维测量方法研究

The rapid development of micro/nano manufacturing technology has contributed a lot for the developments of some advanced technologies, such as IC, NEMS, NEMS and Ultra-Precision Manufacturing. But now, the 3D nano metrology is still a difficult problem. This project studies the 3D nano metrology based on the 2D servo control of the scanning probe for the demand of 3D metrology of nano structures. This project studies the bi-directional driving and excitation method based on the phase difference theory, the 2D force feedback servo control method, the high-precision identification method of 2D scanning signals, the scanning attitude motion control and path planning methods based on normal vector probing, the method of 3D surface topography characterization and image reconstruction. This metrology method will be verified in an independently developed scanning probe microscope through the experiments of 3D metrology and characterization for nano trench structures. The research findings will provide a meaningful metrology method for the micro and nano manufacturing technology.

微纳米制造技术的飞速发展，有力促进了IC、MEMS、NEMS、超精密加工等重要前沿技术领域的发展，但微纳米尺度的高分辨率三维形态测量仍然是一个亟待解决的难题。本项目以微纳米尺度结构的三维形态测量需求为背景，开展基于二维伺服控制的扫描探针三维测量方法研究。本项申请以扫描探针成像机理为基础，研究基于相位差原理的探针双向驱动与激励方法，二维力反馈伺服控制方法，二维扫描信号的高分辨率提取方法，基于法向探测的扫描姿态控制与路径规划方法，纳米尺度三维形貌表征及重建方法，在实验平台上实现纳米尺度形态（沟槽尺寸、侧壁状态）的三维测量与表征，为微纳米制造技术的发展提供有意义的测量技术。

大规模集成电路（LSI）的加工尺寸已进入纳米尺度，加工形成的3D形态如关键尺寸CD和各项参数（如线边缘粗糙度LER、线宽粗糙度LWR等）对IC芯片电气性能的影响越来越大，精确测量与控制IC的3D结构形态已成为提升IC芯片性能和质量的关键。因而，实现IC的3D结构形态测量对IC制造业具有重要意义。本项目以微纳米尺度结构的三维形态测量需求为背景，开展基于二维伺服控制的扫描探针三维测量方法研究。本课题以扫描探针成像机理为基础，研究基于相位差原理的探针双向驱动与激励方法，基于变角度反馈控制的三维形貌获取方法，探针形变信号高速/高分辨率获取方法，探针形貌标定及三维图像重建方法，基于梯形算子的压电驱动器迟滞性前馈校正方法，并在自主开发的原子力显微镜实验平台上实现纳米尺度形态（沟槽尺寸、侧壁状态）的三维测量与表征，为微纳米制造技术的发展提供有意义的测量技术。.通过本项目的研究，开发了探针双向振动探针加持装置，实现了探针双向谐振；开发了高带宽光电信号调理电路以及基于改进型数字锁相放大器，实现了高速、高分辨率探针形变信号检测；完成了三维形貌获取方法研究，实现了对晶圆刻线结构高精度三维形貌表征。本项目发表论文13篇，其中SCI论文6篇，EI论文8篇。申请专利4项，其中发明专利3项，授权实用新型专利1项。