[發明專利]基于原子力顯微鏡的納米結構中納米間隙的精密測量方法

無效

• 申請號: 200810053708.8
• 申請日: 2008-06-30
• 公開（公告）號: CN101303221A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 栗大超;徐臨燕;傅星;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B7/14
• 分類號: G01B7/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 江鎮華

技術領域

本發明涉及一種微/納電子機械系統測量方法。特別是涉及一種能夠基于原子力顯微鏡力曲線實現納米梁和納米電容傳感器等一大類納米結構中納米懸浮間隙非破壞精密測量的基于原子力顯微鏡的納米結構中納米間隙的精密測量方法。

背景技術

納電子機械系統(Nanoelectromechanical?systems，NEMS)是在微電子機械系統(MEMS)基礎上發展起來的新興技術領域，同時也是納米技術的重要組成部分。納米懸浮間隙存在于多種NEMS結構和器件中(比如納米梁和納米電容傳感器等)，納米懸浮間隙高度的精密測量對于評價這類納米結構的器件性能和加工工藝具有重要意義。在納米技術領域，目前廣泛采用掃描電鏡來測量納米懸浮間隙的高度，這種方法首先需要通過破壞納米結構獲得納米結構的剖面，然后再利用掃描電鏡通過分析納米結構的剖面，從而獲得納米懸浮間隙的高度。由于破壞后的納米結構無法再使用，因此具體操作過程中一般是利用相同工藝流程加工出一批具有相同尺寸的納米結構后，選擇其中一部分用來做這種破壞性的納米懸浮間隙高度測量，但相同工藝流程并不能保證加工出來的所有結構具有完全相同的尺寸特征，因此這種方法實際上往往不能得到目標待測結構納米懸浮間隙的真實高度。

發明內容

提供一種能夠基于原子力顯微鏡力曲線實現納米梁和納米電容傳感器等一大類具有懸浮間隙的納米結構中納米間隙高度的非破壞精密測量方法，同時也可以用于精確測量對于被測樣品上表面和襯底之間距離在原子力顯微鏡Z軸測量范圍之內的微米結構，其下表面和襯底之間的微米或納米懸浮間隙的高度的基于原子力顯微鏡的納米結構中納米間隙的精密測量方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于原子力顯微鏡的納米結構中納米間隙的精密測量方法，首先通過掃描測量被測樣品上表面中心區域，將針尖定位于被測樣品的中心作為待測點；然后利用原子力顯微鏡探針進行垂直力的加載/卸載，直至被測樣品的下表面與襯底發生接觸，即力曲線中出現轉折；最后在加載/卸載過程中實時記錄原子力顯微鏡的力曲線，獲得被測樣品下表面與襯底之間的納米間隙。

測量過程包括如下步驟：

(1)標定原子力顯微鏡微懸臂梁的靈敏度；

(2)將原子力顯微鏡的針尖定位于被測樣品上表面的幾何中心；

(3)力曲線模式下，設置原子力顯微鏡微懸臂梁偏轉電壓極限為一個較小值，得到一致力曲線；

(4)力曲線模式下，設置原子力顯微鏡微懸臂梁偏轉電壓極限為一個較大值，得到轉折力曲線；

(5)比較靈敏度力曲線、一致力曲線和轉折力曲線三者斜率關系，驗證轉折力曲線的轉折點前后是否分別為被測樣品的彈性變形狀態和被測樣品與襯底的接觸狀態；

(6)通過計算起始點和轉折點的相對坐標，提取出被測樣品下表面與襯底的距離，即待測納米結構中納米懸浮間隙的高度。

步驟(1)所述的標定原子力顯微鏡微懸臂梁的靈敏度，是在接觸模式下，在待測樣品表面作力曲線，保存力曲線數據，將該力曲線的斜率定義為原子力顯微鏡微懸臂梁的靈敏度S。

步驟(2)所述的將原子力顯微鏡的針尖定位于被測樣品上表面的幾何中心，是通過采用原子力顯微鏡輕敲模式掃描測量被測樣品表面中心區域來實現的。

步驟(3)和(4)所述的得到一致力曲線和得到轉折力曲線，是在力曲線模式下，通過實時記錄彎曲測量過程中原子力顯微鏡的力曲線來實現的。

所述的步驟(5)是由如下過程實現的：

1)利用最小二乘法擬合靈敏度力曲線，計算其斜率；

2)利用最小二乘法擬合一致力曲線，計算其斜率；

3)利用最小二乘法擬合轉折力曲線中轉折點前后的兩個直線段，分別計算其斜率；

4)將一致力曲線和靈敏度力曲線的斜率分別和轉折力曲線的兩個直線段的斜率比較。

本發明還可應用于對于被測樣品上表面和襯底之間距離在原子力顯微鏡Z軸測量范圍之內的微米結構，其下表面和襯底之間的微米或者納米懸浮間隙的精確測量。

本發明的基于原子力顯微鏡的納米結構中納米間隙的精密測量方法，具有如下技術特點和技術優勢：

1.本發明的方法是一種非破壞測量方法，測量中不需要破壞待測納米器件的結構，可獲得目標待測結構納米懸浮間隙的真實高度。

2.采用原子力顯微鏡輕敲模式掃描測量被測樣品表面中心區域，可以非破壞地精確獲得待測納米結構表面的中心，通過原子力顯微鏡的微懸臂梁針尖在該點進行原位加載/卸載，可消除待測點不在被測樣品表面中心所帶來的測量誤差。