高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

　　1　引　言

　　原子力显微镜(AFM)[1-2]因具有空间分辨率高的特点而在微观测量，成像和纳米加工[3]等研究领域发挥着巨大的支撑作用。近年来，研究者开始致力于高速甚至视频级的扫描探针显微镜的研究工作。这些研究主要集中在生物学应用领域，如针对蛋白质大分子和DNA[4-5]解链的观察研究。这种高速AFM系统的局限性是扫描范围比较小，一般在几百纳米到数个微米的尺寸内，这是由过分强调获取图像，而采用高谐振频率，小尺度的扫描器导致的;当然也与生物学研究对图像的精确度和畸变的要求比样品形貌像质量要低有关。

　　半导体芯片制作领域的权威机构ITRS预测在未来原子力显微镜将逐渐成为半导体生产线上的在线测量工具。尽管现在关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)在半导体生产线上的检测领域占据着主导地位，但随着芯片检测从传统的二维检测逐渐过渡到真三维结构尺寸的测量以及高介电常数半导体材料的应用，CD-SEM的技术性缺点暴露得越来越明显。而未来的AFM系统不仅能够实现高分辨，无损伤的三维表面形貌图[6-7]，而且还可以获得诸如表面导电性，载流子浓度，表面电荷分布，表面磁场分布[8]等数据信息供研究分析，这些工作通过改变探针类型即可实现。实现半导体材料样品结构的测量需要百微米级大范围尺寸系统能够提供纳米级别的测量分辨率和测量精度，在实际使用中，由于在线检测和观察动态过程的需要，AFM的扫描过程需要在数秒钟内完成。这就是半导体行业中所强调的高通量检测能力。

　　基于上述分析，本科研小组探索研制了新型的具有计量能力的高速原子力显微镜，该AFM可应用于样品的精确尺寸测量和无畸变成像过程。本文主要探讨AFM实现高速大范围扫描的结构设计思路，扫描器驱动信号分析和图像采样方法[9]等。

　　2　大扫描范围的AFM扫描器机械结构设计

　　在半导体检测工艺中，被检测区域的尺寸一般从数百纳米到一百微米不等。由于压电陶瓷管的非线性引起的迟滞效应使得一般的AFM系统很难在100μm范围提供无畸变的扫描图像。针对上述问题，设计了一种基于压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链位移台的AFM扫描系统，具体结构如图1所示。柔性铰链位移结构依靠局部变形和连杆传动原理产生移动，它具有高刚性，无摩擦，无爬行等特点。同时柔性铰链位移台还具有比较好的动态响能力，因此它适合作为高速AFM系统的样品台使用。本系统选用德国PI公司的高性能柔性铰链装置(P517)。柔性铰链位移台的内框相对外框可以实现X和Y方向的移动。AFM扫描头被安装在内框的中心位置(在图1中未画出)。当高压扫描驱动信号传递给位移台的X和Y方向的压电陶瓷致动器时，内框带动扫描头进行光栅式扫描运动，扫描范围可以达到100μm×100μm。