新型复合式三维原子力显微镜成像理论与技术的基础研究

The development of semiconductor industry brings an urgent requirement of nondestructive 3D metrology methods for critical dimensions of small line structures. 3D-AFM is believed to be the most potential technology to meet the needs. Recently, two kinds of 3D-AFMs based on Z-axis tilting and flared tip technology are devoloped，respectively. However, the way of Z-axis tilting is normaly low effciency and the flared tip is not able to reach some important region such as the boot of sidewalls. This study proposes a new hybrid 3D-AFM solution, in which the flared tip is used for fast scanning of the major surface of the sample with standard direction, and then the probe head is tilted to scan the regions which used to be unreachable. With image processing technique including deconvolution and stitching, the complete topography of the sample can be reconstructured. The research includes the following three issues: 1.Developing a hybrid 3D-AFM and the corresponding scanning strategy; 2.Modeling the mechanical behaviors of the flared tip integrated with the cantilever, and calibrating the omnibearing senstivity of the probe; 3.Eliminating the tip-convolution effects by morphological method, and reconstructing the entire 3D topography of the sample. This research contributes to the true 3D characterization of various micro-structures and nanomaterials. It also provides theory and techneque support for the design and development of related instruments.

半导体工业的发展日益突出了对微电子结构三维关键尺寸的无损检测需求。三维原子力显微镜是满足此类需求的最具潜力的测量设备。近年来业内形成了分别基于Z轴倾斜技术和异形针尖技术的两种三维原子力显微镜实现方案，但二者各自有着测量效率不高以及存在扫描盲区等不足。本研究拟提出一种新的复合式三维原子力显微镜方案，以异形针尖完成对样品大部分表面的快速扫描，以Z轴倾斜方式完成对少量残留盲区的扫描，最终通过图像去卷积及拼接等技术重构出样品的完整形貌。具体的研究内容包括三个方面：1.开发一套复合式三维原子力显微镜样机并制订相应的复合式扫描策略；2.建立异形针尖的动力学模型并对其三维检测灵敏度进行全角度标定；3.基于形态学方法和图像处理技术消除针尖卷积效应，实现对样品真实三维形貌的拼接与重构。本项目的研究成果将为各类微结构和纳米材料提供新的真三维表征手段，并为相关仪器的开发提供理论支持与技术积累。

半导体工业的持续发展使得微电子结构真三维关键尺寸的无损检测需求日益突出，而这一需求也对现代检测技术提出了新的挑战。受衍射极限制约，经典的光学显微镜在分辨力上无法满足要求，而微电子工艺线上常用的电镜技术又不能提供形貌高度信息。相比之下，近年新发展起来的三维原子力显微镜（3D-AFM）或称关键尺寸原子力显微镜（CD-AFM）技术已成为实现此类检测的最佳工具。然而与传统AFM相比，3D-AFM技术目前尚不成熟，在检测原理和实现方法上仍有诸多值得探讨的问题，相关研究此前在国内也极少开展。本项目旨在研究一种新的3D-AFM成像关键技术与装置，以填补我国在该研究领域的空白。在过去的三年中，本课题针对3D-AFM的难点——侧壁扫描，先后尝试了多种技术路线，并最终选定了基于喇叭口型（倒T型）探针的侧壁扫描方案。在此基础上，课题围绕3D-AFM系统结构，喇叭口型探针力学行为、工作模式以及灵敏度标定方法，真三维图像拼接方法，针尖标定与形貌重构方法等方面展开了一系列研究工作，所取得的主要成果包括：1.搭建了一套3D-AFM样机，实现了包括接触模式、轻敲模式和扭转谐振模式在内的多模式扫描成像功能以及样品自动定位功能；2.建立了一种基于特征匹配的真三维图像拼接算法，并对该方法的可行性进行了实验验证；3.开发了基于形态学方法的针尖形貌标定算法，利用盲建模技术实现了对针尖形貌的重构，并借助标定所得针尖形貌重构了样品图像，得到了更真实的样品形貌特征。利用本项目所研制的3D-AFM样机，我们成功实现了对微栅格样品的真三维形貌检测，获得了栅格棱边处的缺陷图像。这也是国内首次公开发表的基于3D-AFM的微结构三维测量结果。相关工作发表国内外论文12篇，其中SCI检索3篇，申请发明专利2项，实用新型专利1项，其中实用新型专利已授权。项目期间共培养硕士生3名，博士生1名。