基于視覺檢測的原子力顯微鏡探針自動定位技術(shù)研究.pdf

1、近些年來，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，其關(guān)鍵單元的特征尺寸已經(jīng)達到數(shù)十納米。這對現(xiàn)有的工業(yè)檢測手段提出了新的要求與挑戰(zhàn)。目前普遍采用的光學(xué)檢測技術(shù)與電子顯微檢測技術(shù)已經(jīng)很難滿足高集成度集成電路(Integrated Circuit，IC)關(guān)鍵單元特征尺寸的檢測需求。
　　原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是一種具有亞納米級分辨精度，環(huán)境適應(yīng)能力強，可實現(xiàn)對掃描樣品進行無損檢測的高

2、精密實驗儀器。目前，AFM已經(jīng)在生物、材料、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于當(dāng)前AFM的使用多集中在實驗室環(huán)境中，掃描探針與樣品逼近、目標(biāo)位置的逼近以及掃描探針更換等過程均為手動實現(xiàn)，尚不能滿足工業(yè)級應(yīng)用所要求的自動化水平。所以AFM工業(yè)化自動化的實現(xiàn)仍存在大量的技術(shù)難題。
　　本論文在實驗室自主研發(fā)的AFM操作平臺的基礎(chǔ)上展開研究，著重解決AFM工業(yè)化過程中存在的若干技術(shù)難題，在詳細(xì)分析產(chǎn)業(yè)需求的基礎(chǔ)之上，著重開展以下研究工作：<

3、br>　　1.AFM探針自動逼近方法研究。常規(guī)科學(xué)型AFM下針過程均為目視手動操作完成，無法實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中連續(xù)檢測的要求。本文提出了一種基于機器視覺與精確力控制的AFM自動逼近技術(shù)。該方法采用粗精結(jié)合的分段式方法實現(xiàn)AFM探針與掃描樣品的自動逼近。與此同時，本文對計算機視覺中的自動聚焦算法進行了改進工作，提高了聚焦的精度與算法的普適性。
　　2.目標(biāo)位置自動逼近方法研究。在AFM掃描成像過程中，要實現(xiàn)對樣品特定位置進行掃描是很困難

4、的，由于視覺差異，很難實現(xiàn)樣品與探針的定位問題。本文基于機器視覺提出了一種掃描探針針尖盲定位技術(shù)。通過二維視覺坐標(biāo)，三維運動平臺坐標(biāo)以及三維納米平臺坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，將掃描樣品特定位置移動至掃描探針針尖之下，進而實現(xiàn)對樣品的特定位置進行掃描。
　　3.AFM探針自動更換方法研究。為實現(xiàn)掃描過程的連續(xù)性，AFM必須實現(xiàn)掃描探針的自動更換。本文中設(shè)計了一種新的AFM探針自動更換機構(gòu)，采用電磁力與永磁力相結(jié)合的方式，實現(xiàn)AFM探針夾持器的自動

5、抓取與釋放，進而完成掃描探針更換工作。并采用機器視覺的方法實現(xiàn)更換之后的掃描探針懸臂梁末端與激光光斑的自動對準(zhǔn)。
　　4.AFM控制系統(tǒng)搭建?；谝陨先齻€方面的工作，搭建了一整套AFM系統(tǒng)，并將自動逼近、目標(biāo)逼近、自動換針等工作進行了移植。實驗結(jié)果表明，本文中提出的方法能夠利用視覺算法完成AFM探針在多個層面上的定位工作，能夠?qū)崿F(xiàn)了AFM操作的自動化。
　　上述研究工作，為工業(yè)型AFM研制過程中的若干技術(shù)問題提供有一種有效的