一种自适应步进扫描模块及其三维原子力显微镜的制作方法

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。

技术实现要素：

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；

所述DSP芯片的CLKX引脚、FSX引脚、DX0引脚分别与所述数模转换芯片AD5542 的SCLK引脚、REFS引脚、DIN引脚相连；

所述外接模数转换芯片AD7725和数模转换芯片AD5542的输出端连接所述探针驱动器的输入端。

在上述技术方案中，所述数据采集卡是PXI-6366高速数据采集卡。

在上述技术方案中，所述控制模块通过所述数据采集卡PXI-6366的第0通道引脚AI0与所述数模转换芯片AD5542的引脚Vout相连。

本实用新型的另一方面，还包括三维原子力显微镜，包括所述的自适应步进扫描模块、探针驱动器、微悬臂梁、样品驱动器和横向控制器，其中，所述探针驱动器的底部固定有微悬臂梁，所述微悬臂梁上集成有探针，所述样品驱动器用于驱动样品在X轴、Y轴方向移动，所述样品驱动器与所述横向控制器通讯连接，所述横向控制器通过所述数据采集卡与所述控制模块通讯连接。

本实用新型的另一方面，还包括所述的三维原子力显微镜的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对样品整体进行盲扫：探针驱动器驱动探针以恒力趋近样品，探针接触样品时，通过智能反馈控制器的输出获得此扫描点的高度信息，探针驱动器驱动探针在Z轴方向上抬起额定高度，同时样品驱动器驱动样品在X和Y轴方向上移动，待移到下一个扫描点，采集该扫描点的高度信息，同时记录该扫描点的三坐标信息，如此循环，获得预扫描图像数据，通过数据采集卡输出后存储于控制模块中；

步骤2，控制模块根据预扫描图像数据，定位侧壁位置，并依据所述扫描点Z轴方向高度数据的变化大小确定每个扫描点需倾斜的角度后存储；

步骤3，扫描侧壁位置：控制模块通过所述数据采集卡将侧壁位置每个扫描点对应的倾斜角度发送给所述六轴位移台，原子力显微镜采集侧壁位置的扫描点的位置信息，具体的，所述六轴位移台带动探针驱动器旋转以带动所述探针旋转，实现探针对侧壁的自适应倾斜，倾斜后的探针受探针驱动器的驱动在Z轴方向上移动，采集一处侧壁位置的高度信息，随着样品驱动器驱动样品在X、Y轴方向上移动，采集所有侧壁位置的三坐标信息，得到样品的三维形貌信息。

在上述技术方案中，所述步骤2中，当高度数据变化小于50nm时，探针倾斜角度为5°，当高度数据变化大于50nm小于200nm时，探针倾斜角度为10°，当高度数据变化大于200nm 小于300nm时，探针倾斜角度为15°，当高度数据大于300nm小于500nm时，探针倾斜角度为20°。

本实用新型的另一方面，所述控制方法在半导体形貌测量中的应用。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型可应用于传统的AFM系统中，将传统AFM改进为3D-AFM，实现对半导体结构双侧侧壁的精确测试，进而实现三维形貌测试。

2、本实用新型可大大提高AFM的扫描速度，改善AFM的工作效率。

3、本实用新型可消除针尖横向力和摩擦力对测试结果的影响，提高测试准确度，同时也可大大减小针尖对样品表面形貌和特性的破坏，同时提高针尖的使用寿命。

附图说明

图1是三维原子力显微系统结构图。

图2是自适应步进扫描模式工作原理图((a)为盲扫，(b)为本实用新型的三维扫描模式)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

面向三维原子力显微镜的自适应步进扫描模块，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。

传统原子力显微镜的探针驱动器的底部固定有微悬臂梁，所述微悬臂梁上集成有探针，所述探针驱动器用于驱动所述探针在样品表面做Z向运动，本实施例中将所述探针驱动器固定于所述六轴位移台上，所述智能反馈控制器与所述探针驱动器通讯连接以保证探针与样品之间作用力的恒定，所述数据采集卡与所述智能反馈控制器电连接以采集所述样品Z向高度信息；所述数据采集卡与所述六轴位移台通讯连接以驱动所述探针驱动器倾斜，所述数据采集卡与控制模块(计算机)通讯连接，用于向计算机传输采集到的X、Y、Z轴三个方向的位置信息，并接收计算机传送来的运动指令，起到中间枢纽的作用。

工作方式：

探针驱动器用以驱动微悬臂梁(集成有探针)沿Z向扫描样品，智能反馈控制器可保证探针与样品表面作用力的恒定，其输出Z向高度信息发送给数据采集卡。

样品驱动器(传统AFM自带模块)驱动样品沿X、Y方向作扫描运动，横向控制器(传统AFM自带模块)可保证X、Y向扫描定位的精确性，横向控制器与所述数据采集卡通讯连接，以将X、Y向的位置信息发送给数据采集卡。

通过以上，计算机读取数据采集卡中的X、Y、Z向信息，并在显示器中显示为一幅三维图像。

步进扫描模式由控制模块(计算机)控制实现，通过数据采集卡发送给智能反馈控制器，控制器控制探针驱动器的伸缩，实现探针的步进式扫描(Z向移动)。探针对样品的倾斜角度通过预设方法实现，计算机将探针应倾斜的角度通过数据采集卡发送给六轴位移台，六轴位移台带动探针倾斜对应的角度。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，对各部件的型号进行详细说明。

所述探针驱动器为高刚性压电陶瓷促动器P-841.1(德国PI公司)，Z向驱动范围为15μm，共振频率达18kHz，可满足Z向的高速扫描。

所述智能反馈控制器为DSP芯片(DSP开发版TMS320VC5509A数字智能反馈控制器)。该数字智能反馈控制器集成一种基于压电陶瓷迟滞逆模型的前馈控制算法和一种基于模糊控制器的反馈控制算法，实现探针对样品Z向高度信息的快速响应。所述DSP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。

具体的，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；

所述DSP芯片的CLKX引脚、FSX引脚、DX0引脚分别与所述数模转换芯片AD5542 的SCLK引脚、REFS引脚、DIN引脚相连。通过这样的连接方式，由此实现DSP芯片与AD7725 和AD5542的串行数据通信，所述外接模数转换芯片AD7725和数模转换芯片AD5542的输出端连接所述探针驱动器的输入端。

所述数据采集卡为美国国家仪器(NI)有限公司的PXI-6366高速数据采集卡。

所述计算机通过所述数据采集卡PXI-6366的第0通道引脚AI0与所述数模转换芯片AD5542的引脚Vout相连，实现与所述DSP芯片的通信，控制探针完成步进扫描操作。

所述六轴位移台为六轴六足位移台H840。该六轴位移台可带动探针驱动器旋转的最大角度达到30°，满足该应用，从而实现探针对侧壁的自适应倾斜。

实施例3

三维原子力显微镜，包括如实施例1或实施例2所述的自适应步进扫描模块，还包括探针驱动器、微悬臂梁、样品驱动器、横向控制器，其中，所述探针驱动器的底部固定有微悬臂梁，所述微悬臂梁上集成有探针，所述样品驱动器用于驱动样品在X轴、Y轴方向移动，所述样品驱动器与所述横向控制器通讯连接，所述横向控制器通过所述数据采集卡与所述控制模块通讯连接。

探针驱动器驱动探针沿Z向扫描样品，样品驱动器驱动样品沿X、Y方向作扫描运动，横向控制器可保证X、Y向扫描定位的精确性，横向控制器与所述数据采集卡通讯连接，以将X、Y向的位置信息发送给数据采集卡，智能反馈控制器输出Z向高度信息发送给数据采集卡。通过以上，计算机读取数据采集卡中的X、Y、Z向信息，并在控制模块的显示器中显示为一幅三维图像。

实施例4

实施例1或实施例2中面向三维原子力显微镜的自适应步进扫描模块的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对样品整体进行盲扫：探针驱动器驱动探针在以恒力趋近样品，探针接触样品时，通过智能反馈控制器的输出获得此扫描点的高度信息，探针驱动器驱动探针在Z轴方向上抬起额定高度，同时样品驱动器驱动样品在X和Y轴方向上移动，待移到下一个扫描点，采集该扫描点的高度信息，同时记录该扫描点的三坐标信息，如此循环，获得预扫描图像数据(样品初始三维形貌数据)，通过数据采集卡输出后存储于控制模块(计算机)中；

步骤2，控制模块(计算机)根据预扫描图像数据，定位侧壁位置(Z轴方向出现高度差的位置即侧壁所在位置)，并依据所述扫描点Z轴方向高度数据的变化大小确定每个扫描点需倾斜的角度后存储；

步骤3，扫描侧壁位置：控制模块通过所述数据采集卡将侧壁位置每个扫描点对应的倾斜角度发送给所述六轴位移台，原子力显微镜采集侧壁位置的扫描点的位置信息，具体的，所述六轴位移台带动探针驱动器旋转以带动所述探针旋转，实现探针对侧壁的自适应倾斜，倾斜后的探针受探针驱动器的驱动在Z轴方向上移动，采集一处侧壁位置的高度信息，随着样品驱动器驱动样品在X、Y轴方向上移动，采集所有侧壁位置的三坐标信息，得到样品的三维形貌信息。

作为优选方式，所述步骤2中，假设所测样品高度变化的最大值为500nm，为保证侧壁扫描测试的精确度在纳米级别，设置当高度数据变化小于50nm时，探针倾斜角度为5°，当高度数据变化大于50nm小于200nm时，设置倾斜角度为10°，当高度数据变化大于200nm 小于300nm时，设置倾斜角度为15°，当高度数据大于300nm小于500nm时，设置倾斜角度为20°。

自适应步进式扫描方法为三维原子力显微术提供一种新颖的扫描方法，本方法可实现对半导体刻线结构侧壁形貌的准确测量，改善AFM的测量效率，同时可消除针尖横向力和摩擦力对测试结果的影响，提高测试准确度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。