CN102507985A - 用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法。它的步骤如下：1）将二维角度调整平台固定在二维微位移运动平台上，待测样品固定在二维角度调整平台之上；2）通过二维角度调整平台调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，使用扫描隧道显微镜对待测样品进行测量并记录待测样品的形貌数据；3）再将二维角度调整平台调整为绕Y轴的倾斜角为-

Description

用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法

技术领域

本发明涉及微纳测量领域，尤其涉及一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而高速发展的一项新技术。具有垂直侧壁的微纳结构在微机电系统设计与制造工艺中，被普遍采用。通常这种微纳结构高(深)度约为10-500μm，而且具有垂直侧壁特征。微纳结构的尺寸精度对微纳器件的性能，如驱动力、使用频率范围、灵敏度和位移量等方面起着重要的作用。例如，采用光刻技术结合电镀工艺制造的大幅度微纳结构射频机械(Radio Frequency MEMS，RF MEMS)器件和电路，对高度的变化量以及侧壁倾角具有很高灵敏度；另外深度反应离子刻蚀(DRIE，Deep Reactive Ion Etch)是制作高深-宽比集成电路和MEMS结构的一种行之有效的加工工艺，但DRIE加工过程中如何有效控制刻蚀深度以及侧壁角度一直没有得到很好解决。因此，对具有垂直侧壁倾角的微结构进行非破坏性的超精密检测具有极其广阔的应用前景及知识产权保护需求。

当前对微纳结构的测量手段以及设备主要有：光学显微镜如：反射显微镜、衍射显微镜、干涉显微镜以及激光椭偏仪等，基于剖面制样的扫描电子显微镜(SEM，Scanning ElectronMicroscope)，基于干涉的表面形貌测量仪，针式探头轮廓测量仪以及以原子力显微镜(AFM，Atomic Force Microscope)和扫描隧道显微镜(STM，Scanning Tunneling Microscope)作为代表的扫描探针显微镜等。光学显微镜受到光波波长的限制测量精度有限，而且其探测角一般在40°以内，不具备测量具有垂直侧壁微结构的能力。基于剖面制样的扫描电镜具有非常高的图像分辨率，是一种非常有用的测量手段显微技术，但是，需要制作剖面样品，这就需要将样品截断，对样品造成不可恢复的损坏。针式探头轮廓测量横向分辨率非常有限，而且其探头针尖角过大，不适用于垂直侧壁微结构的测量。扫描探针显微镜包括原子力显微镜和扫描隧道显微镜。原子力显微镜能够测量3D几何形貌并且具有较高的分辨率，但是其能够测量的微结构的高度受限于安装在悬臂梁下面的探针，一般其长度只有10μm左右。

扫描隧道显微测量方法仍然是微纳测量最有效工具。但如何消除扫描探针自身针尖角对具有垂直侧壁的微纳结构的底角的测量所造成的影响是亟待解决的问题。本发明克服了传统扫描探针由于本身具有一定的针尖角，无法实现对具有垂直侧壁或者接近垂直侧壁的微纳结构进行超精密测量的缺点，提供了一种新型的用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法，可适用于对具有垂直倾角或者接近垂直倾角的具有垂直侧壁的微纳结构的底角进行超精密测量。

发明内容

本发明的目的是克服了传统扫描探针由于本身具有一定的针尖角，无法实现对具有垂直侧壁的微纳结构进行超精密测量的缺点，提供一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法。

用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法的步骤如下：

1)将二维角度调整平台固定在二维微位移运动平台上，待测样品固定在二维角度调整平台之上；

2)通过二维角度调整平台调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，扫描隧道显微镜探针置于待测样品上方，使用扫描隧道显微镜对待测样品进行扫描测量并记录待测样品的形貌数据；

3)通过二维角度调整平台调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，再次使用扫描隧道显微镜扫描测量待测样品并记录待测样品的形貌数据；

4)扫描结束后分别对两次扫描的形貌数据进行旋转矫正，再将两次旋转矫正之后的形貌图像进行拼接，即可准确测量出具有垂直侧壁微结构待测样品的表面形貌。

所述的待测样品具有垂直侧壁微结构特征。所述的倾斜角

其中θ为扫描隧道显微镜探针侧边与水平面的夹角。

所述的步骤4)为：

(1)导入待测样品的形貌数据；

(2)将绕Y轴的倾斜角为

度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据，

绕Y轴的倾斜角为

度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据。

最后旋转矫正之后的数据进行图像拼接，得到具有垂直侧壁的微纳结构的超精密测量结果。

本发明与传统扫描显微镜测量方法相比，最大的区别与优势在于：由传统扫描探针由于本身具有一定的针尖角，无法探测具有垂直侧壁微结构待测样品的表面形貌。本发明通过调节样品倾斜角度的方法，使得扫描探针能够完整地探测到待测样品的垂直侧壁，实现其表面形貌的超精密测量功能。

附图说明

图1(a)是用于测量待测样品绕Y轴倾斜角为

度的扫描隧道显微镜倾斜测量方法示意图；

图1(b)是扫描隧道显微镜探针侧边与平台平面的夹角示意图；

图1(c)是用于测量待测样品绕Y轴倾斜角为

度的扫描隧道显微镜倾斜测量方法示意图；

图2：倾斜测量方法图像处理步骤示意图；图中，扫描隧道显微镜探针1、待测样品2、二维角度调整平台3、二维微位移运动平台4、扫描隧道显微镜扫描测量并记录形貌数据5、倾斜矫正后的形貌数据6、图像拼接后的最终测量结果7。

图3：具有垂直侧壁特征的微结构测量结果；

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做进一步详述。

采用本发明所公开的方法对具有垂直侧壁微结构的样品进行测量，如图1所示，用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法的步骤如下：

1)将二维角度调整平台3固定在二维微位移运动平台4上，待测样品2固定在二维角度调整平台3之上；

2)通过二维角度调整平台(3)调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为度，扫描隧道显微镜探针(1)置于待测样品上方，使用扫描隧道显微镜对待测样品进行扫描测量并记录待测样品的形貌数据；

3)通过二维角度调整平台3调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，再次使用扫描隧道显微镜扫描测量待测样品并记录待测样品的形貌数据；

4)扫描结束后分别对两次扫描的形貌数据进行旋转矫正，再将两次旋转矫正之后的形貌图像进行拼接，即可准确测量出具有垂直侧壁微结构待测样品的表面形貌。

所述的待测样品2具有垂直侧壁微结构特征。所述的倾斜角

其中θ为扫描隧道显微镜探针侧边与水平面的夹角。

所述的步骤4)为：

(1)导入待测样品的形貌数据；

(2)将绕Y轴的倾斜角为度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据，

绕Y轴的倾斜角为

度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据。

在该实施例中，所用探针的侧边与水平面的夹角为80°，因此，经过倾斜角度计算，该实施例中的值为10°。扫描结束后对两次倾斜扫描数据进行旋转矫正，最后旋转矫正之后的数据，根据边缘特征进行图像拼接，得到具有垂直侧壁的微纳结构的超精密测量结果，如图3所示。

Claims (4)

1.一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法，其特征在于它的步骤如下：

1)将二维角度调整平台(3)固定在二维微位移运动平台(4)上，待测样品(2)固定在二维角度调整平台(3)之上；

2)通过二维角度调整平台(3)调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，扫描隧道显微镜探针(1)置于待测样品上方，使用扫描隧道显微镜对待测样品进行扫描测量并记录待测样品的形貌数据；

3)通过二维角度调整平台(3)调节待测样品的倾斜角度，使待测样品绕Y轴的倾斜角为

度，再次使用扫描隧道显微镜扫描测量待测样品并记录待测样品的形貌数据；

4)扫描结束后分别对两次扫描的形貌数据进行旋转矫正，再将两次旋转矫正之后的形貌图像进行拼接，即可准确测量出具有垂直侧壁微结构待测样品的表面形貌。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法，其特征在于所述的待测样品(2)具有垂直侧壁微结构特征。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法，其特征在于所述的倾斜角

其中θ为扫描隧道显微镜探针侧边与平台平面的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量具有垂直侧壁微结构的扫描隧道显微镜倾斜测量方法，其特征在于所述的步骤4)为：

(1)导入待测样品的形貌数据；

(2)将绕Y轴的倾斜角为

度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据，

绕Y轴的倾斜角为

度的待测样品的形貌数据绕Y轴旋转

就得到矫正的数据：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]=T_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right],$

其中(x，y，z)为实际测量待测样品的形貌数据，T_y为绕Y轴旋转的旋转矩阵，(x_t，y_t，z_t)为旋转后的待测样品的形貌数据。

最后旋转矫正之后的数据进行图像拼接，得到具有垂直侧壁的微纳结构的超精密测量结果。

Images