【摘要】：近年來隨著半導(dǎo)體工業(yè)的不斷發(fā)展,集成電路的關(guān)鍵尺寸正向著22nm以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)。器件尺寸的不斷減小,導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸成為影響器件電氣性能的重要因素。如何有效測(cè)量和控制關(guān)鍵尺寸成為納米計(jì)量領(lǐng)域的一大難題。傳統(tǒng)的測(cè)量工具如光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)都不能對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行有效的真三維測(cè)量。為此本文提出構(gòu)建雙探針原子力顯微鏡測(cè)量系統(tǒng),利用雙探針針尖對(duì)頂測(cè)量,有效消除探針尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為驗(yàn)證雙探針測(cè)量的可行性,基于石英音叉探針(A-Probe)開發(fā)了原子力顯微鏡測(cè)頭。具體工作如下:1.介紹了A-Probe的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理;建立了音叉探針的力學(xué)和電學(xué)等效模型;介紹并分析了動(dòng)態(tài)AFM在幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)模式下的工作原理及特點(diǎn);最后分析了雙探針測(cè)量如何能消除探針尺寸的影響并給出對(duì)針方案。2.為了實(shí)現(xiàn)雙探針AFM系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的量值溯源,課題采用了激光干涉儀系統(tǒng)�；贔PGA設(shè)計(jì)了細(xì)分卡接口電路,實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件對(duì)位置數(shù)據(jù)的讀取、復(fù)位操作。驗(yàn)證了等位移間隔觸發(fā)的功能。3.基于A-Probe探針搭建了單測(cè)頭實(shí)驗(yàn)裝置,系統(tǒng)主要由測(cè)頭、納米位移臺(tái)、視覺觀測(cè)模塊、鎖相放大器和數(shù)字反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成。主要開發(fā)了探針夾持機(jī)構(gòu)、探針微弱信號(hào)檢測(cè)電路及基于DSP的數(shù)字反饋控制電路�；诖藢�(shí)驗(yàn)裝置完成了測(cè)頭在調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種工作模式下的靈敏度及分辨力測(cè)試。并對(duì)二維柵格樣品進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明,該測(cè)頭具有納米級(jí)分辨力,能有效對(duì)微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。4.在調(diào)幅和調(diào)頻模式下,進(jìn)行了雙探針對(duì)針實(shí)驗(yàn)。利用掃描探針對(duì)靜止探針進(jìn)行近場(chǎng)力掃描成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙探針對(duì)頂測(cè)量方案具有可行性。
[Abstract]:With the continuous development of semiconductor industry in recent years, the key dimensions of integrated circuits are moving towards the technical node below 22nm. The decreasing of the device size leads to the key size becoming an important factor affecting the electrical performance of the device. How to measure and control the key dimensions effectively becomes a difficult problem in the field of nanometer measurement. Traditional measuring tools such as optical microscope (OM),) scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) can not measure the key dimensions effectively. In order to eliminate the influence of probe size on the measurement results, a double probe atomic force microscope (AFM) measurement system is proposed in this paper. In order to verify the feasibility of double probe measurement, an atomic force microscope probe based on quartz tuning fork probe (A-Probe) was developed. The specific work is as follows: 1. The structure and working principle of A-Probe are introduced, and the mechanical and electrical equivalent models of tuning fork probe are established. This paper introduces and analyzes the working principle and characteristics of dynamic AFM in amplitude modulated (AM), frequency modulation (FM) and phase modulated (PM) mode, and finally analyzes how double probe measurement can eliminate the influence of probe size and give the needle scheme. 2. In order to trace the measurement results of double probe AFM system, a laser interferometer system is used. The interface circuit of the subdivision card is designed based on FPGA, and the position data reading and reset operation are realized by the upper computer software. The function of equal displacement interval trigger is verified. 3. A single probe experiment device based on A-Probe probe is built. The system is composed of probe, nanometer displacement table, visual observation module, phase-locked amplifier and digital feedback control system. The probe clamping mechanism, probe weak signal detection circuit and digital feedback control circuit based on DSP are developed. Based on this experimental device, the sensitivity and resolution of the probe in three modes of amplitude modulation, frequency modulation and phase modulation are tested. The two-dimensional grid samples were measured. The experimental results show that the probe has nanometer resolution and can be used to image micro-nano structure effectively. 4. 4. In the mode of amplitude modulation and frequency modulation, double probe pair experiments were carried out. The scanning probe is used for near field scanning imaging of the static probe. The experimental results verify the feasibility of the two-probe-to-top measurement scheme.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH742

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本文編號(hào)：2348901