[发明专利]基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法

说明书

基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，属于物体表面物理特性表征技术领域。本发明针对现有测量方法只能对待测样品的水平表面进行性能表征，无法实现样品整体三维表面形貌和三维表面电势同步测量的问题。包括：对正交探针实施一阶弯曲共振频率下的机械激励，并逐渐接近待测三维样品，直到弯曲振幅衰减到机械激励振幅设定值；记录当前测试点的三维坐标值；在正交探针与待测三维样品之间施加预设频率的直流补偿电激励信号，获得关系曲线；选取电激励频率下的振幅设定值；再调节电激励信号，使正交探针的弯曲振幅等于电激励振幅设定值；记录接触电势差；逐点测试完成表面测量。本发明实现了对样品表面形貌和局部表面电势的同时测量。

技术领域

本发明涉及基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，属于物体表面物理特性表征技术领域。

背景技术

开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy,KPFM)是扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy，SPM)家族中的一员，它将开尔文技术与原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)相结合，能实现样品表面电势和表面形貌的表征。根据检测方式的不同，KPFM可分为两种工作模式：调幅模式(Amplitude modulation，AM)和调频模式(Frequency modulation,FM)，两种模式分别是基于静电力和静电力梯度检测的。目前，基于矩形梁探针法向信号的开尔文探针力显微镜测量系统及方法对样品水平表面的形貌和局部表面电势表征的技术已经十分成熟并已得到广泛应用，然而针对半导体元器件上常见的三维微纳结构的表面形貌及表面电势的表征仍然存在一定的问题，现下存在部分成熟的面向立体微纳结构三维表面形貌成像的技术，但并未出现针对立体微纳结构的三维表面电势同步测量的技术。

表面电势能准确反映材料表面结构特征及其物理化学变化，是反映催化剂活性、半导体的掺杂和带弯曲、电介质中的电荷捕获和腐蚀过程中的重要参数之一，而且定量分析局部表面电势对于理解材料微纳米尺度下的性能、微生物活性、以及微电子器件的功能是非常重要的，因此，准确测量样品的局部表面电势是非常有意义的。高集成度的三维微纳电子器件的发展使得三维表面物理特性的表征与监测变得日趋重要。对样品中存在的三维表面进行测量是半导体行业中检测样件加工性能的重要手段，如何实现对样件三维表面扫描获得立体微纳结构的三维表面电势参数是提高微纳电子器件整体性能的关键。

鉴于传统的基于矩形梁探针法向信号的开尔文探针力显微镜只能对待测样品的水平表面进行性能表征，即只能在待测样品表面垂直于矩形梁探针针尖法向的情况下实现对其表面形貌和表面电势的测量的问题，需要提供一种方法来实现微纳样品整体三维表面形貌和三维表面电势的同步测量。

发明内容

针对现有测量方法只能对待测样品的水平表面进行性能表征，无法实现样品整体三维表面形貌和三维表面电势同步测量的问题，本发明提供一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法。

本发明的一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，包括，

利用正交探针的探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用；

对正交探针实施一阶弯曲共振频率下的机械激励，使正交探针在预设弯曲振幅下振动；采用样品XYZ纳米定位台与探针手XYZ纳米定位台配合调节探针针尖与待测三维样品的相对位置，使正交探针沿自定义斜向角度逐渐接近待测三维样品，直到正交探针的弯曲振幅衰减到机械激励频率下的振幅设定值A_m；记录扫描器在当前测试点获得的探针针尖X向坐标值、Y向坐标值和Z向坐标值；