基于磁驱动正交悬臂探针的三维原子力显微镜技术开发

本文介绍了一种基于磁驱动正交悬臂探针(magnetically driven-orthogonal cantilever probes,MDOCP)的三维原子力显微镜(three-dimensional atomic force microscopy,3D-AFM)表征方法,该方法采用两个独立的三自由度纳米扫描器,能够实现探针沿可控矢量角度跟踪扫描样品表面。该3D-AFM系统还配备了高精度旋转台,可实现360°全向成像。定制的MD-OCP包含水平悬臂、垂直悬臂和磁球三部分,其中磁球可在磁场中机械驱动OCP实现激振。垂直悬臂具有一个突出的尖端,可检测深槽和具有悬垂/凹边特征的结构。首先,对MD-OCP的设计、模拟、制造和性能分析进行了描述;其次,详细介绍了探针振幅补偿和360°旋转原点定位的方法。通过使用标准AFM阶梯光栅进行对比实验,验证了所提出方法对于陡峭侧壁和拐角处细节的表征能力,其中采用了三维地形重建方法将图像整合。通过对具有微梳结构的微机电系统(MEMS)器件进行3D表征,进一步证实了所提出基于MD-OCP的3D-AFM技术的有效性。最后,该技术被用于确定微阵列芯片的关键尺寸(critical dimensions,CD)。实验结果表明,所提出的方法可以高精度地获取三维结构的CD信息,相比于难以获得侧壁信息的二维技术,在三维微纳制造检测领域具有更好的潜力。