張華坤，高思田，，李 偉，施玉書(shū)，王鶴群

（1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽　合肥　230009；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京　100029）

雙探針原子力顯微鏡針尖對(duì)準(zhǔn)方法研究

張華坤1，高思田1，2，李 偉2，施玉書(shū)2，王鶴群2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029）

雙探針對(duì)頂測(cè)量可以有效地消除傳統(tǒng)原子力顯微鏡（AFM）的探針形狀對(duì)關(guān)鍵尺寸（CD）測(cè)量的影響。測(cè)量前需要將兩個(gè)探針針尖（A和B）接觸到一起作為測(cè)量零點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)雙探針納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，提出一種漸進(jìn)式平面掃描方法。首先，通過(guò)視覺(jué)圖像引導(dǎo)兩個(gè)探針對(duì)準(zhǔn)到1μm以?xún)?nèi)。然后，兩個(gè)探針繼續(xù)接近，同時(shí)探針A在YOZ平面內(nèi)對(duì)探針B掃描成像，并逐步縮小掃描范圍和掃描步進(jìn)，得到其針尖的納米級(jí)坐標(biāo)（YB，ZB）。最后，將探針A在Y和Z方向分別移動(dòng)至YB和ZB，在X方向繼續(xù)接近探針B直至兩探針接觸。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可有效地實(shí)現(xiàn)雙探針對(duì)準(zhǔn)，且對(duì)準(zhǔn)精度為10nm。

計(jì)量學(xué)；雙探針；原子力顯微鏡；對(duì)準(zhǔn)方法；關(guān)鍵尺寸

1　引言

集成電路中需測(cè)量的三維參數(shù)包括線(xiàn)邊緣粗糙度、線(xiàn)寬變化度、側(cè)壁夾角、側(cè)壁輪廓及粗糙度等［1］，其中，通常所說(shuō)的關(guān)鍵尺寸（CD）即線(xiàn)寬在三維測(cè)量中尤為重要。多種儀器可對(duì)納米尺度的線(xiàn)寬進(jìn)行測(cè)量，光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）以及掃描探針顯微鏡（SPM）等在微納測(cè)量中被廣泛應(yīng)用。光學(xué)顯微鏡的使用較為簡(jiǎn)便，測(cè)量速度快，但是受衍射極限影響，只能應(yīng)用在100nm以上的線(xiàn)寬測(cè)量中；SEM可以獲得焦平面上的二維圖像且分辨率較高（1nm），但難以得到幾何結(jié)構(gòu)的三維信息；TEM能夠達(dá)到極高的分辨率（0.1nm），但是對(duì)樣品的破壞性處理使得TEM難以用于量值溯源。

原子力顯微鏡（AFM）是SPM的一種，現(xiàn)在已成為微納測(cè)量領(lǐng)域最重要的工具［2］。AFM的優(yōu)勢(shì)在于：（1）實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維測(cè)量；（2）動(dòng)態(tài)AFM對(duì)樣品具有非破壞性；（3）分辨率高（可達(dá)幾個(gè)nm）。但是，由于AFM探針的針尖有一定的錐角且在測(cè)量時(shí)傾斜放置，傳統(tǒng)的AFM很難獲得準(zhǔn)確的CD尺寸。因此，對(duì)AFM的改進(jìn)成為當(dāng)前線(xiàn)寬測(cè)量的研究熱點(diǎn)。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）研制了多種特殊探針，其中組合式探針［3］是在傳統(tǒng)的探針末端粘接一個(gè)垂直的懸臂，以實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的測(cè)量，但是并不能完成真正的三維測(cè)量；喇叭形探針［4］用于接觸式測(cè)量，其測(cè)量模式分為測(cè)量頂端的Top-down模式和測(cè)量側(cè)壁的CD模式，測(cè)量重復(fù)性?xún)?yōu)于1nm。然而，該方法需要預(yù)先了解被測(cè)物的幾何形狀，而且逐點(diǎn)接觸式測(cè)量消耗大量的時(shí)間，增加了測(cè)量的復(fù)雜性。碳納米管探針（CNT）［5］具有極高的長(zhǎng)寬比，可深入到溝槽中進(jìn)行測(cè)量，因此眾多的AFM制造商試圖采用CNT作為探針，可是，CNT極易彎曲，且彎曲程度不可預(yù)知，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)產(chǎn)生較大的偏差。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：用CNT測(cè)量線(xiàn)寬時(shí)，探針根部的偏轉(zhuǎn)達(dá)到了5.8nm。2003年，美國(guó)Xidex公司開(kāi)發(fā)了dualprobe NanoCaliperTMAFM［6］，即兩個(gè)探針作為卡鉗獨(dú)立測(cè)量線(xiàn)條的兩側(cè)。其測(cè)量關(guān)鍵是將兩個(gè)探針相互接觸來(lái)定義一個(gè)零點(diǎn)。但是，NanoCaliperTMAFM并未成功實(shí)現(xiàn)。

本文提出一種雙探針對(duì)準(zhǔn)方案，將兩個(gè)探針在三維方向上納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，消除AFM探針尺寸對(duì)CD測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)真三維測(cè)量。

2　雙探針測(cè)量原理

測(cè)量之前先將兩個(gè)探針在三維方向上對(duì)準(zhǔn)，如圖1所示。xAC和xBC分別代表探針接觸時(shí)相對(duì)參考點(diǎn)的位置，然后將兩個(gè)探針?lè)珠_(kāi)，分別測(cè)量線(xiàn)條的兩側(cè)，xA和xB表示測(cè)量時(shí)探針與參考點(diǎn)的距離。線(xiàn)寬WF的測(cè)量結(jié)果為：

其中：dM=dL+dR為測(cè)量線(xiàn)寬時(shí)探針與側(cè)壁的間距，當(dāng)兩個(gè)探針對(duì)準(zhǔn)時(shí)，兩者尺寸之和wL+wR等于xBC-xAC-dA，dAB為雙探針對(duì)準(zhǔn)時(shí)兩針的間距，因此，式（1）又可寫(xiě)成：

其中xB-xBC和xAC-xA分別為兩個(gè)探針在測(cè)量中的位移，當(dāng)采用接觸模式測(cè)量時(shí)，dM=dAB=0，上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

圖1　雙探針對(duì)頂測(cè)量原理

當(dāng)采用非接觸式測(cè)量時(shí)，（dM-dA）≤dM。因此，雙探針對(duì)頂測(cè)量消除了探針形狀的影響，而且消除了部分測(cè)量誤差，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性［6］。

3　Akiyama音叉探針

音叉式探針是一種自激勵(lì)自傳感的AFM探針，它通過(guò)外部激勵(lì)而振動(dòng)，同時(shí)能感知振動(dòng)的變化（包括幅度、相位和頻率）。它不需要光學(xué)探測(cè)部分，簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)。Akiyama探針（AProbe）將懸臂對(duì)稱(chēng)地固定在音叉的兩個(gè)叉指上，把音叉在平面內(nèi)的張合運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為懸臂在垂直方向上的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)［7，8］（圖2）。探針尺寸（懸臂的寬度、厚度，探針的長(zhǎng)度等）為微米級(jí)，針尖直徑甚至只有15nm左右，圖3為采用SEM獲取探針準(zhǔn)確的幾何尺寸。由于針尖外傾，能夠接觸到納米結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，所以這種探針適用于線(xiàn)寬測(cè)量。

圖2　A-Probe（運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化）

探針工作在調(diào)幅（AM）模式下，即外部激勵(lì)使音叉諧振并帶動(dòng)懸臂振動(dòng)。外界條件不變（溫度、濕度等），當(dāng)探針自由振蕩時(shí)，探針的固有頻率保持不變；當(dāng)探針逐漸接近樣品時(shí)，近場(chǎng)力作用到探針上，導(dǎo)致音叉的固有頻率發(fā)生改變，此時(shí)激勵(lì)保持恒定，因此探針的振幅減小，音叉產(chǎn)生的電信號(hào)減弱，電信號(hào)的幅度和相位信息通過(guò)外接電路獲得，見(jiàn)圖4。

圖3　A-Probe的SEM圖像

圖4　A-Probe AM模式

4　對(duì)針?lè)桨?/h2>

鑒于A-Probe的尺寸在微米范圍，采用高分辨率鏡頭和CCD獲取探針?biāo)胶痛怪狈较虻膱D像，參考SEM下的探針圖像（圖3），利用亞像素邊緣檢測(cè)算法計(jì)算出針尖的位置，再通過(guò)位移機(jī)構(gòu)使得兩個(gè)探針接近到亞微米范圍［9］。對(duì)于實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的雙探針對(duì)準(zhǔn)，尚需對(duì)兩針之間的近場(chǎng)力做深入的研究。

近場(chǎng)力涵蓋的范圍很廣，包括靜電力、離子斥力、范德華力和毛細(xì)管力等。AFM針尖到樣品之間距離為幾百納米時(shí)就存在近場(chǎng)力的作用，一般的動(dòng)態(tài)AFM工作距離在樣品上方十幾納米至幾十納米處，而靜態(tài)AFM則距離樣品只有0.2～0.3nm［10］。因此，當(dāng)兩個(gè)探針之間的距離足夠小時(shí)，兩者之間的近場(chǎng)力可以被檢測(cè)出來(lái)。

選用音叉探針實(shí)現(xiàn)雙探針對(duì)準(zhǔn)，外接信號(hào)源激勵(lì)音叉使其在諧振頻率點(diǎn)處振動(dòng)，屬于動(dòng)態(tài)AFM。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)AFM在測(cè)量樣品時(shí)，探針沿Z軸的位移隨樣品表面的起伏而變化，因而Z軸的變化即代表樣品表面的輪廓。然而，由于探針針尖僅有15nm左右，用一側(cè)探針對(duì)另一側(cè)探針成像很容易造成針尖的損壞，使得對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生較大的誤差，不利于后續(xù)測(cè)量。故提出一種漸進(jìn)式平面掃描方式，既可對(duì)針尖成像，又可避免探針的損壞。如圖5所示，將固定的探針B的頂點(diǎn)設(shè)置為零點(diǎn)，垂直方向?yàn)閆軸，與鏡頭平行和垂直方向分別為X、Y軸，A、B兩探針沿X方向相對(duì)放置。固定在納米臺(tái)上的探針A 沿YOZ平面掃描，在平面掃描過(guò)程中，X向位移始終保持不變。這種掃描方式類(lèi)似AFM的恒高模式，既能對(duì)探針成像，又能使兩個(gè)探針保持一定距離，從而避免損壞。由圖3可知，探針的外邊緣與懸臂的夾角約為105°，探針傾斜放置，與水平面夾角為10°，探針外邊緣與垂直方向的夾角約為5°，見(jiàn)圖6。

圖5　一側(cè)探針掃描另一側(cè)探針

圖6　探針夾具示意圖

對(duì)針按以下步驟進(jìn)行：（1）在視覺(jué)對(duì)針完成后，將探針A在Y和Z軸沿正向分別移動(dòng)1.5 μm，然后對(duì)探針B進(jìn)行掃描，掃描范圍為3 μm×3 μm，步進(jìn)為30nm。當(dāng)探針B的形貌出現(xiàn)在圖像中時(shí)，計(jì)算其頂點(diǎn)位置，然后移動(dòng)探針A使得探針B在A的2 μm掃描范圍內(nèi)。（2）繼續(xù)對(duì)探針B成像，掃描范圍為2 μm×2 μm，步進(jìn)為20nm。同第一步，移動(dòng)探針A使得探針B在A的1 μm掃描范圍內(nèi)。（3）繼續(xù)掃描探針B，掃描范圍為1 μm×1 μm，步進(jìn)為10nm。通過(guò)逐步縮小掃描范圍并減少掃描步進(jìn)的方式獲得探針B納米級(jí)的二維坐標(biāo)。

5　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，Zurich HF2LI型鎖相放大器內(nèi)置有信號(hào)源，可以提供音叉探針的外部激勵(lì)（通過(guò)前置放大電路輸入到音叉上）。同時(shí)音叉探針輸出電信號(hào)，通過(guò)前置放大電路將微弱的電信號(hào)放大后輸入鎖相放大器。探針工作在AM模式時(shí)，鎖相放大器可同時(shí)輸出幅度信號(hào)和相位信號(hào)。

圖7　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

AM模式下外部激勵(lì)信號(hào)的頻率始終等于音叉探針的諧振頻率，探針的諧振頻率一般在44～46 kHz之間，在此范圍內(nèi)對(duì)探針掃頻以確定其諧振頻率點(diǎn)。圖8顯示了實(shí)驗(yàn)所用探針的幅頻和相頻曲線(xiàn)。

獲得探針的諧振頻率后，鎖相環(huán)輸出同頻率的激勵(lì)信號(hào)讓探針諧振。當(dāng)兩個(gè)探針距離較遠(yuǎn)時(shí)近場(chǎng)力較弱，音叉探針難以檢測(cè)到力的變化，因此整個(gè)掃描圖像比較平坦（圖9a，圖中縱坐標(biāo)為1V-探針的信號(hào)幅度值）。X方向繼續(xù)接近，每10nm掃描一次，當(dāng)雙探針足夠接近時(shí)，A探針可對(duì)B探針成像，圖中顯示為錐形（圖9b）。X向位移臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，探針A繼續(xù)平面掃描，在掃描過(guò)程中當(dāng)兩探針接觸時(shí)探針A的振幅降至最低，在圖中顯示為比較平坦的圖像頂部（圖9c）。

圖9（b）中出現(xiàn)的錐體的頂點(diǎn)即為探針的針尖，Y和Z方向移動(dòng)探針A都會(huì)使錐體頂點(diǎn)的位置發(fā)生變化。如圖10所示，圖10（a）是探針A移動(dòng)前對(duì)探針B掃描成像；當(dāng)探針A在Y方向上移動(dòng)400nm，并且在Z方向上移動(dòng)200nm時(shí)，探針B的針尖位置也隨之變化，見(jiàn)圖10（b）。

圖8　音叉探針的幅頻和相頻曲線(xiàn)

圖9　恒距離平面掃描圖像

圖11（a）、（b）分別顯示了2 μm×2 μm和1 μm×1 μm的掃描圖像，計(jì)算可得探針B在圖11 （b）中的坐標(biāo)為YB=630nm，ZB=650nm。將探針A在Y和Z方向分別移動(dòng)至YB和ZB，再將其在X方向退后1 μm，以10nm為步進(jìn)向探針B移動(dòng)，得到探針A的力接近曲線(xiàn)，見(jiàn)圖12（部分顯示），圖中箭頭處即為兩個(gè)探針的接觸點(diǎn)，此時(shí)探針A振幅最小。

6　結(jié)論

本文研究了一種雙探針納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)方法。高分辨率成像系統(tǒng)將雙探針接近至1 μm以?xún)?nèi)，避免了探針相互碰撞而損壞。利用漸進(jìn)式平面掃描方法在納米尺度上對(duì)探針針尖成像，精確地獲取探針針尖的二維坐標(biāo)。當(dāng)兩個(gè)探針在二維方向上對(duì)準(zhǔn)后，繼續(xù)接近使得兩針接觸，實(shí)現(xiàn)三維方向上的納米級(jí)雙探針對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)精度為10nm。利用更小的步進(jìn)可以進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)的精度。如何減小噪聲和位移系統(tǒng)精度對(duì)雙探針對(duì)準(zhǔn)精度的影響將是今后研究的重點(diǎn)。

圖10　探針B針尖位置隨探針A位置的變化

圖11　逐步縮小掃描范圍和掃描步進(jìn)的圖像

圖12　探針A的力接近曲線(xiàn)

［1］高思田，王春艷，葉孝佑，等.納米技術(shù)與納米計(jì)量［J］.現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試，2000，（1）：3-12.

［2］盧明臻，高思田，杜華，等.計(jì)量型原子力測(cè)頭用于納米臺(tái)階高度樣板的測(cè)量［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29（3）：193-197.

［3］Dai G L，Wolff H，Pohlenz P，et al.Atomic force probe for sidewall scanning of nano and microstructures［J］.Applied physics letters，2006，88（17）：171908.

［4］Dai G L，Heidelmann M，Kübel C，et al.Reference nano-dimensional metrologybyscanningtransmission electronmicroscopy［J］.MeasurementScienceand Technology，2013，24（8）：085001.

［5］Solares S D.Characterization of deep nanoscale surface trenches with AFM using thin carbon nanotube probes in amplitude-modulationandfrequency-force-modulation modes［J］.Measurement Science and Technology，2008，19（1）：015503.

［6］Mancevski V，McClure P F.Development of a dual-probe CaliperTMCD-AFMfornearmodel-independent nanometrology［C］//SPIE.Metrology，Inspection and Process Control for Microlithography XVI，Santa Clara，US，2002，83-91.

［7］Akiyama T，Staufer U，Rooij N F，et al.Symmetrically arranged quartz tuning fork with soft cantilever for intermittent contact mode atomic force microscopy［J］.Review of Scientific Instruments，2003，74（1）：112-117.

［8］Akiyama T，Rooij N F，Staufer U，et al.Implementation and characterization of a quartz tuning fork based probe consisted of discrete resonators for dynamic mode atomic force microscopy［J］.Review of Scientific Instruments，2010，81（6）：063706.

［9］Zhang H K，Gao S T，Lu M Z，et al.Dual AFM probes alignment based on vision guidance［C］//ICMI.Sixth InternationalSymposiumonPrecisionMechanical Measurements，Guiyang，China，2013，891627.

［10］Giessibl F J.Advances in atomic force microscopy［J］.Review of Modern Physics，2003，75（3）：949-983.

Study on Tip Alignment Method of Dual-probe Atomic Force Microscopy

ZHANG Hua-kun1，GAO Si-tian1，2，LI Wei2，SHI Yu-shu2，WANG He-qun2
（1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China；2.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

Dual probes alignment measurement can virtually eliminate the effect of tip shape of traditional atomic force microscopy（AFM）on critical measurement（CD）.Two tips（probe A and probe B）need contact to each other before measurement to establish a zero reference point.A method of progressive two-dimensional scanning is used to realized dualprobe nanoscale alignment.Firstly，it will align two probes to within 1μm through vision guidance.Secondly，the two probes continue to close，probe B is scanned by probe A in plane XOZ while reducing the scanning range and scanning step gradually to get the nanometer coordinate of probe B（YB，ZB）.Lastly，the probe A will be move to YBand ZBin X and Z directions respectively，untill the probe A moves to touch the probe B in X direction.Results indicated that this method can effectively align dual probes，and the alignment accuracy is 10nm.

Metrology；Dual probes；Atomic force microscopy；Alignment method；Critical dimensional

TB92

A

1000-1158（2015）01-0001-05

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.01

2014-05-08；

2014-08-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAK158B02）

張華坤（1986-），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)在讀博士生，主要從事精密測(cè)量和納米計(jì)量方面的研究。zhanghk@nim.ac.cn