复杂微结构三维形貌测量方法的研究

微结构三维形貌测量是研究微加工工艺和微尺寸特性的重要测试内容。本文提出一种基于相移显微干涉术、利用干涉陶建立二维结构模板指导相位展开的新方法，它不仅适用于静态测量，而且能应用于在动态测量中，特别是微机电系统（MEMS）器件的运动测量。以微谐振器为测试器件，对其运动梳齿结构进行了静态三维形貌测量，实验的离面理论测量精度优于0．5nm，测试结构内部的面内理论测量精度优于0．5μm，而边缘尺寸因受到边缘提取方法的影响，其测量精度仅在μm量级。对该方法的缺点和发展方向做了探讨。     

基于弯曲测试的纳结构机械力学特性的表征

利用原子力显微镜对聚焦离子束刻蚀技术制备的不同纵横比的氮化硅纳米梁结构进行了弯曲测试,并讨论了一种标定原子力显微镜微悬臂梁弹簧常数的方法.实验中严格界定了欧拉细长梁的条件,在分析了纳米梁组纵横比对测试结果影响的基础上,讨论了如何修正弯曲测试结果.弯曲测试得到了纳米梁的平面模数,并进一步推算氮化硅材料的杨氏模量.测试结果验证了基于原子力显微镜系统的弯曲方法测试纳米薄膜材料杨氏模量的可行性.     

基于显微激光多普勒的纳结构振动特性测试

为了分析NEMS典型器件静电激励纳米梁谐振器的振动特性,建立了测试中的关键模型静电激励纳米梁谐振器的等效电学模型、纳米梁谐振器的等效机械模型,以及静电激励纳梁谐振器在受激状态下受到的静电力与静电激励的相互关系模型.利用基于显微激光多普勒纳结构离面振动测试系统,对静电激励纳米梁谐振器的离面振动特性进行了测试,试结果验证了建模的正确性,同时对NENS加工工艺进行了评价和表征.     

基于AFM力曲线的纳米梁厚度的非破坏测量方法

本文阐述了基于原子力显微镜(AFM)的弯曲测试测量纳米梁厚度的理论和方法,并界定了基于AFM的厚度测量方法的适用条件,对基于AFM的厚度测量的两个典型应用进行了介绍.对硅纳米梁进行了厚度测量,并进行了重复性实验,梁的平均测量度为160.36nm.     

基于AFM的纳米梁杨氏模量和残余应力测量

针对同一工艺流程下相同杨氏模量和残余应力的双端固支梁阵列,建立了简化的杨氏模量和残余拉应力的弯曲测试模型,并将应力刚化理论应用到几何非线性有限元分析中用于上述模型的理论误差评价.提出将拉曼频移测试与原子力显微镜(AFM)弯曲测试相结合的实验方案,首先利用拉曼频移判断结构中的应力拉压性质,随后利用AFM测量梁阵列的弹性系数,最终利用MATLAB求解超定方程组的方法解得梁阵列的杨氏模量和残余应力,测试结果证明了该实验方案的可行性.     

基于白光相移干涉术的微结构几何尺寸表征

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.     

工业型扫描探针显微系统样品快速定位方法

针对工业型扫描探针显微镜(SPM)在大尺寸晶圆样品检测中对扫描区域进行粗定位的需要,提出了一种基于数字图像处理的快速定位方法.该方法首先实现对样品表面的快速自动聚焦,之后利用图像匹配技术寻找样品表面的定位标记,最后通过坐标变换得到各待测区域在系统坐标系下的位置.根据晶圆样品表面的特征,在自动聚焦过程中选取Robert算子作为聚焦评价函数,并以变步长的爬坡策略搜索焦平面;在图像匹配过程中采用SURF算法提取图像上的标记特征,并利用双向匹配方式提高匹配准确性.实验表明,采用该方法实现粗定位耗时小于30s,定位误差小于5μm.     

基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法

针对纳米振动测量方法中存在的间接性、低分辨率、低带宽等局限性,建立了原子力显微镜(AFM)的轻敲模式下探针与振动样品间相互作用的振动系统模型,采用Runge-Kutta数值积分方法分析了AFM测振技术的可行性和工作带宽.使用静电激励的双端固支纳米梁作为测试结构,采用AFM轻敲模式测试了样品的幅频响应特性.同时采用显微激光多普勒测振系统进行了比对测试,测量结果与AFM轻敲力曲线模式的测量结果相符,也表现出AFM轻敲模式的测量误差具有与测试样品相关的频率特性.     

AFM微悬臂梁探针弹性常数各种标定方法的比较与分析

微悬臂梁探针是基于原子力显微镜(AFM)的微纳尺度力学测试中重要的力传感元件,其弹性常数的准确程度直接影响力学测量结果的可靠性。但是,目前已有的众多标定微悬臂梁探针弹性常数的方法都有各自的局限性,且准确性各异,因此需要对各种方法进行对比来选择出最佳方法。选取三种商用悬臂梁探针利用本实验室搭建的基于天平法的可溯源微悬臂梁探针弹性常数标定仪对其法向弹性常数进行标定,之后再将相同悬臂梁用三种常用标定方法（尺寸参数法,Sader法,热噪声法）进行再次标定。对不同方法测量结果进行比较,分析并详细讨论每种方法的优缺点与适用范围。结果表明相比于其他方法,微悬臂梁探针弹性常数标定仪（天平法）可测范围广,精度高,可溯源,可成为精确标定各种悬臂梁探针弹性常数的最佳方法之一。     

利用显微激光多普勒测量纳米梁的残余应力

采用基于显微激光多普勒(MicroLD)技术的共振频率法,测量了纳米梁谐振器的残余应力。首先,根据梁的横向弯曲振动理论建立了轴向力作用下固支梁的振动偏微分方程,并根据轴向力的拉压性质解得方程的唯一解形式。随后,由被测梁的应力状况确定可采用最优化方法或数值迭代方法计算残余应力值,并提出结合有限元模态分析方法验证计算结果的正确性。最后,采用MicroLD测振系统对SiC-W固支梁谐振器的幅频响应特性进行了测试。计算结果表明,被测的一组梁的平均残余应力分散性较大,说明加工工艺不能消除结构内的残余应力,且不能控制残余应力的均匀性。