[实用新型]一种自适应步进扫描模块及其三维原子力显微镜

说明书

本实用新型公开了一种自适应步进扫描模块及其三维原子力显微镜，自适应步进扫描模块，其特征在于，包括智能反馈控制器、六轴位移台、数据采集卡和控制模块，其中，所述原子力显微镜的探针驱动器受所述六轴位移台驱动以发生倾斜，所述探针驱动器与所述智能反馈控制器通讯连接，所述智能反馈控制器通过所述数据采集卡与所述控制模块通讯连接，所述数据采集卡与所述六轴位移台通讯连接。该模块可实现样品两侧侧壁的精确测量。

技术领域

本实用新型涉及原子力显微镜技术领域，特别是涉及一种面向三维原子力显微镜的自适应步进扫描模块。

背景技术

原子力显微镜(AFM)可用于测试绝缘体、导体、半导体等微纳结构的表面形貌，测试分辨率较高(纵向可达0.01nm)，且测试过程中对被测样品无损坏，获得了广泛应用。目前半导体工业生产领域，集成电路加工过程中的刻线加工尺寸越来越小(30nm以内)，原子力显微镜以其高分辨率的优势备受青睐。

原子力显微镜的基本工作原理是：利用集成探针的微悬臂梁接触被测样品表面，两者距离很近时，探针尖端原子与样品表面原子之间产生作用力，该力引起微悬臂梁发生变形，变形量经光杠杆放大并由光电探测器转换为电信号，经计算机采集读取并显示。利用压电陶瓷驱动器驱动探针在样品上进行X、Y和Z三个方向的扫描，Z向设定作用力值，利用反馈控制器控制该作用力恒定得到样品表面形貌的二维图像。

传统AFM有三种扫描模式：接触、轻敲和非接触。接触模式下，针尖在扫描过程中一直接触样品，两者原子之间的排斥力其主要作用，但该模式下容易损坏样品。非接触模式下，针尖与样品之间主要表现为吸引力，测试不稳定，分辨率较低。轻敲模式下，针尖处于谐振状态，周期性接触样品表面，分辨率较高，但扫描速度较低。

半导体工业领域，微纳结构刻线侧壁尺寸(如侧壁粗糙度、侧壁倾角)直接影响器件的电气性能。然而，AFM在以上三种模式下测量半导体结构刻线尺寸时，只能测得一侧侧壁形貌，且准确度较低。这严重限制了AFM在半导体工业生产线上的进一步应用。因此，一种面向3D-AFM可实现侧壁形貌准确测试的扫描技术是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的接触、轻敲和非接触三种扫描模式都只能测得一侧侧壁形貌的问题，而提供一种集成在传统的AFM系统中的面向三维原子力显微镜的自适应步进扫描模块，在传统原子力显微镜的基础上，添加该模块，即可实现样品两侧侧壁形貌的准确测试。

本实用新型的另一方面是提供所述自适应步进扫描模块的控制方法，通过自适应扫描方法实现侧壁形貌的精确测量，提高测量的准确度。

本实用新型还提供了所述控制方法在半导体形貌测量中的应用，可精确的对侧壁进行测量。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

面向三维原子力显微镜的自适应步进扫描模块，其特征在于，包括智能反馈控制器、六轴位移台、数据采集卡和控制模块，其中，所述原子力显微镜的探针驱动器受所述六轴位移台驱动以发生倾斜，所述探针驱动器与所述智能反馈控制器通讯连接，所述智能反馈控制器通过所述数据采集卡与所述控制模块通讯连接，所述数据采集卡与所述六轴位移台通讯连接。

在上述技术方案中，所述探针驱动器为高刚性压电陶瓷促动器P-841.1，所述六轴位移台为六轴六足位移台H840。

在上述技术方案中，所述智能反馈控制器为DSP芯片。

在上述技术方案中，所述DSP芯片通过外接模数转换芯片AD7725和数模转换芯片AD5542与所述探针驱动器相连接。

在上述技术方案中，所述DSP芯片通过内置的多通道缓冲接口McBSP0的CLKR引脚、FSR引脚、DR0引脚分别与所述模数转换芯片AD7725的SCO引脚、FSO引脚、引脚SDO 相连；