雙探針原子力顯微鏡針尖對準(zhǔn)方法研究

張華坤，高思田，，李 偉，施玉書，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.中國計量科學(xué)研究院，北京　100029）

雙探針原子力顯微鏡針尖對準(zhǔn)方法研究

張華坤1，高思田1，2，李 偉2，施玉書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.中國計量科學(xué)研究院，北京100029）

雙探針對頂測量可以有效地消除傳統(tǒng)原子力顯微鏡（AFM）的探針形狀對關(guān)鍵尺寸（CD）測量的影響。測量前需要將兩個探針針尖（A和B）接觸到一起作為測量零點，為實現(xiàn)雙探針納米級對準(zhǔn)，提出一種漸進式平面掃描方法。首先，通過視覺圖像引導(dǎo)兩個探針對準(zhǔn)到1μm以內(nèi)。然后，兩個探針繼續(xù)接近，同時探針A在YOZ平面內(nèi)對探針B掃描成像，并逐步縮小掃描范圍和掃描步進，得到其針尖的納米級坐標(biāo)（YB，ZB）。最后，將探針A在Y和Z方向分別移動至YB和ZB，在X方向繼續(xù)接近探針B直至兩探針接觸。實驗證明，該方法可有效地實現(xiàn)雙探針對準(zhǔn)，且對準(zhǔn)精度為10nm。

計量學(xué)；雙探針；原子力顯微鏡；對準(zhǔn)方法；關(guān)鍵尺寸

1　引言

集成電路中需測量的三維參數(shù)包括線邊緣粗糙度、線寬變化度、側(cè)壁夾角、側(cè)壁輪廓及粗糙度等［1］，其中，通常所說的關(guān)鍵尺寸（CD）即線寬在三維測量中尤為重要。多種儀器可對納米尺度的線寬進行測量，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）等在微納測量中被廣泛應(yīng)用。光學(xué)顯微鏡的使用較為簡便，測量速度快，但是受衍射極限影響，只能應(yīng)用在100nm以上的線寬測量中；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)在已成為微納測量領(lǐng)域最重要的工具［2］。AFM的優(yōu)勢在于：（1）實現(xiàn)準(zhǔn)三維測量；（2）動態(tài)AFM對樣品具有非破壞性；（3）分辨率高（可達(dá)幾個nm）。但是，由于AFM探針的針尖有一定的錐角且在測量時傾斜放置，傳統(tǒng)的AFM很難獲得準(zhǔn)確的CD尺寸。因此，對AFM的改進成為當(dāng)前線寬測量的研究熱點。德國聯(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垂直的懸臂，以實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的測量，但是并不能完成真正的三維測量；喇叭形探針［4］用于接觸式測量，其測量模式分為測量頂端的Top-down模式和測量側(cè)壁的CD模式，測量重復(fù)性優(yōu)于1nm。然而，該方法需要預(yù)先了解被測物的幾何形狀，而且逐點接觸式測量消耗大量的時間，增加了測量的復(fù)雜性。碳納米管探針（CNT）［5］具有極高的長寬比，可深入到溝槽中進行測量，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)致測量時產(chǎn)生較大的偏差。據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明：用CNT測量線寬時，探針根部的偏轉(zhuǎn)達(dá)到了5.8nm。2003年，美國Xidex公司開發(fā)了dualprobe NanoCaliperTMAFM［6］，即兩個探針作為卡鉗獨立測量線條的兩側(cè)。其測量關(guān)鍵是將兩個探針相互接觸來定義一個零點。但是，NanoCaliperTMAFM并未成功實現(xiàn)。

本文提出一種雙探針對準(zhǔn)方案，將兩個探針在三維方向上納米級對準(zhǔn)，消除AFM探針尺寸對CD測量的影響，實現(xiàn)真三維測量。

2　雙探針測量原理

測量之前先將兩個探針在三維方向上對準(zhǔn)，如圖1所示。xAC和xBC分別代表探針接觸時相對參考點的位置，然后將兩個探針分開，分別測量線條的兩側(cè)，xA和xB表示測量時探針與參考點的距離。線寬WF的測量結(jié)果為：

其中：dM=dL+dR為測量線寬時探針與側(cè)壁的間距，當(dāng)兩個探針對準(zhǔn)時，兩者尺寸之和wL+wR等于xBC-xAC-dA，dAB為雙探針對準(zhǔn)時兩針的間距，因此，式（1）又可寫成：

其中xB-xBC和xAC-xA分別為兩個探針在測量中的位移，當(dāng)采用接觸模式測量時，dM=dAB=0，上式可進一步簡化為：

圖1　雙探針對頂測量原理

當(dāng)采用非接觸式測量時，（dM-dA）≤dM。因此，雙探針對頂測量消除了探針形狀的影響，而且消除了部分測量誤差，提高了測量結(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自傳感的AFM探針，它通過外部激勵而振動，同時能感知振動的變化（包括幅度、相位和頻率）。它不需要光學(xué)探測部分，簡化了測量裝置的結(jié)構(gòu)。Akiyama探針（AProbe）將懸臂對稱地固定在音叉的兩個叉指上，把音叉在平面內(nèi)的張合運動轉(zhuǎn)化為懸臂在垂直方向上的簡諧運動［7，8］（圖2）。探針尺寸（懸臂的寬度、厚度，探針的長度等）為微米級，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寬測量。

圖2　A-Probe（運動轉(zhuǎn)化）

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

圖3　A-Probe的SEM圖像

圖4　A-Probe AM模式

4　對針方案

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算法計算出針尖的位置，再通過位移機構(gòu)使得兩個探針接近到亞微米范圍［9］。對于實現(xiàn)納米級的雙探針對準(zhǔn)，尚需對兩針之間的近場力做深入的研究。

近場力涵蓋的范圍很廣，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就存在近場力的作用，一般的動態(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)兩個探針之間的距離足夠小時，兩者之間的近場力可以被檢測出來。

選用音叉探針實現(xiàn)雙探針對準(zhǔn)，外接信號源激勵音叉使其在諧振頻率點處振動，屬于動態(tài)AFM。一般來說，動態(tài)AFM在測量樣品時，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)探針對另一側(cè)探針成像很容易造成針尖的損壞，使得對準(zhǔn)產(chǎn)生較大的誤差，不利于后續(xù)測量。故提出一種漸進式平面掃描方式，既可對針尖成像，又可避免探針的損壞。如圖5所示，將固定的探針B的頂點設(shè)置為零點，垂直方向為Z軸，與鏡頭平行和垂直方向分別為X、Y軸，A、B兩探針沿X方向相對放置。固定在納米臺上的探針A 沿YOZ平面掃描，在平面掃描過程中，X向位移始終保持不變。這種掃描方式類似AFM的恒高模式，既能對探針成像，又能使兩個探針保持一定距離，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

對針按以下步驟進行：（1）在視覺對針完成后，將探針A在Y和Z軸沿正向分別移動1.5 μm，然后對探針B進行掃描，掃描范圍為3 μm×3 μm，步進為30nm。當(dāng)探針B的形貌出現(xiàn)在圖像中時，計算其頂點位置，然后移動探針A使得探針B在A的2 μm掃描范圍內(nèi)。（2）繼續(xù)對探針B成像，掃描范圍為2 μm×2 μm，步進為20nm。同第一步，移動探針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，步進為10nm。通過逐步縮小掃描范圍并減少掃描步進的方式獲得探針B納米級的二維坐標(biāo)。

5　實驗

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

圖7　實驗系統(tǒng)

AM模式下外部激勵信號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)對探針掃頻以確定其諧振頻率點。圖8顯示了實驗所用探針的幅頻和相頻曲線。

獲得探針的諧振頻率后，鎖相環(huán)輸出同頻率的激勵信號讓探針諧振。當(dāng)兩個探針距離較遠(yuǎn)時近場力較弱，音叉探針難以檢測到力的變化，因此整個掃描圖像比較平坦（圖9a，圖中縱坐標(biāo)為1V-探針的信號幅度值）。X方向繼續(xù)接近，每10nm掃描一次，當(dāng)雙探針足夠接近時，A探針可對B探針成像，圖中顯示為錐形（圖9b）。X向位移臺繼續(xù)移動，探針A繼續(xù)平面掃描，在掃描過程中當(dāng)兩探針接觸時探針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)的錐體的頂點即為探針的針尖，Y和Z方向移動探針A都會使錐體頂點的位置發(fā)生變化。如圖10所示，圖10（a）是探針A移動前對探針B掃描成像；當(dāng)探針A在Y方向上移動400nm，并且在Z方向上移動200nm時，探針B的針尖位置也隨之變化，見圖10（b）。

圖8　音叉探針的幅頻和相頻曲線

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方向分別移動至YB和ZB，再將其在X方向退后1 μm，以10nm為步進向探針B移動，得到探針A的力接近曲線，見圖12（部分顯示），圖中箭頭處即為兩個探針的接觸點，此時探針A振幅最小。

6　結(jié)論

本文研究了一種雙探針納米級對準(zhǔn)方法。高分辨率成像系統(tǒng)將雙探針接近至1 μm以內(nèi)，避免了探針相互碰撞而損壞。利用漸進式平面掃描方法在納米尺度上對探針針尖成像，精確地獲取探針針尖的二維坐標(biāo)。當(dāng)兩個探針在二維方向上對準(zhǔn)后，繼續(xù)接近使得兩針接觸，實現(xiàn)三維方向上的納米級雙探針對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度為10nm。利用更小的步進可以進一步提高對準(zhǔn)的精度。如何減小噪聲和位移系統(tǒng)精度對雙探針對準(zhǔn)精度的影響將是今后研究的重點。

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的圖像

圖12　探針A的力接近曲線

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

［2］盧明臻，高思田，杜華，等.計量型原子力測頭用于納米臺階高度樣板的測量［J］.計量學(xué)報，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

國家科技支撐計劃（2011BAK158B02）

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