專利名稱:用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法
用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及微納測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro Electro Mechanical System)是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而高速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。具有垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)在微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造工藝中，被普遍采用。通常這種微納結(jié)構(gòu)高(深)度約為 10-500 μ m,而且具有垂直側(cè)壁特征。微納結(jié)構(gòu)的尺寸精度對(duì)微納器件的性能，如驅(qū)動(dòng)力、使用頻率范圍、靈敏度和位移量等方面起著重要的作用。例如，采用光刻技術(shù)結(jié)合電鍍工藝制造的大幅度微納結(jié)構(gòu)射頻機(jī)械(Radio Frequency MEMS, RF MEMS)器件和電路，對(duì)高度的變化量以及側(cè)壁傾角具有很高靈敏度；另外深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE，Deep Reactive Ion Etch)是制作高深-寬比集成電路和MEMS結(jié)構(gòu)的一種行之有效的加工工藝，但DRIE加工過程中如何有效控制刻蝕深度以及側(cè)壁角度一直沒有得到很好解決。因此，對(duì)具有垂直側(cè)壁傾角的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破壞性的超精密檢測(cè)具有極其廣闊的應(yīng)用前景及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)需求。[0003]當(dāng)前對(duì)微納結(jié)構(gòu)的測(cè)量手段以及設(shè)備主要有光學(xué)顯微鏡如反射顯微鏡、衍射顯微鏡、干涉顯微鏡以及激光橢偏儀等，基于剖面制樣的掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)，基于干涉的表面形貌測(cè)量?jī)x，針式探頭輪廓測(cè)量?jī)x以及以原子力顯微鏡(AFM，Atomic Force Microscope)和掃描隧道顯微鏡(STM，Scanning Tunneling Microscope)作為代表的掃描探針顯微鏡等。光學(xué)顯微鏡受到光波波長(zhǎng)的限制測(cè)量精度有限，而且其探測(cè)角一般在40°以內(nèi)，不具備測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的能力?；谄拭嬷茦拥膾呙桦婄R具有非常高的圖像分辨率，是一種非常有用的測(cè)量手段顯微技術(shù)，但是，需要制作剖面樣品，這就需要將樣品截?cái)啵瑢?duì)樣品造成不可恢復(fù)的損壞。針式探頭輪廓測(cè)量橫向分辨率非常有限，而且其探頭針尖角過大，不適用于垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的測(cè)量。掃描探針顯微鏡包括原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡。原子力顯微鏡能夠測(cè)量3D幾何形貌并且具有較高的分辨率，但是其能夠測(cè)量的微結(jié)構(gòu)的高度受限于安裝在懸臂梁下面的探針，一般其長(zhǎng)度只有10 μ m左右。[0004]掃描隧道顯微測(cè)量方法仍然是微納測(cè)量最有效工具。但如何消除掃描探針自身針尖角對(duì)具有垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)的底角的測(cè)量所造成的影響是亟待解決的問題。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)掃描探針由于本身具有一定的針尖角，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)具有垂直側(cè)壁或者接近垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行超精密測(cè)量的缺點(diǎn)，提供了一種新型的用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法，可適用于對(duì)具有垂直傾角或者接近垂直傾角的具有垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)的底角進(jìn)行超精密測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容
[0005]本發(fā)明的目的是克服了傳統(tǒng)掃描探針由于本身具有一定的針尖角，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)具有垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行超精密測(cè)量的缺點(diǎn)，提供一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法。[0006]用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法的步驟如下[0007]1)將二維角度調(diào)整平臺(tái)固定在二維微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，待測(cè)樣品固定在二維角度調(diào)整平臺(tái)之上；[0008]2)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為識(shí)度，掃描隧道顯微鏡探針置于待測(cè)樣品上方，使用掃描隧道顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0009]3)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為-<P度’再次使用掃描隧道顯微鏡掃描測(cè)量待測(cè)樣品并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0010]4)掃描結(jié)束后分別對(duì)兩次掃描的形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯正，再將兩次旋轉(zhuǎn)矯正之后的形貌圖像進(jìn)行拼接，即可準(zhǔn)確測(cè)量出具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)待測(cè)樣品的表面形貌。[0011]所述的待測(cè)樣品具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)特征。所述的傾斜角0 = 90°，其中θ為掃描隧道顯微鏡探針側(cè)邊與水平面的夾角。[0012]所述的步驟4)為[0013](1)導(dǎo)入待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0014](2)將繞Y軸的傾斜角為識(shí)度的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)繞Y軸旋轉(zhuǎn)就得到矯正的數(shù)據(jù)[0015][0016]其中(X，y，z)為實(shí)際測(cè)量待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)，Ty為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，(xt, yt, zt)為旋轉(zhuǎn)后的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)，[0017]繞Y軸的傾斜角為度的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)繞Y軸旋轉(zhuǎn)^就得到矯正的數(shù)據(jù)XtX0sin(-^z>)0Yty0100=Tv,T =ZtyZy-sin(-^z>)00110001XtXCOS(P)0sin(^)0yt=Tvy,T =0100ztyZy-sin(^)0COS(P)0110001[0018][0019]其中(X，y，z)為實(shí)際測(cè)量待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)，Ty為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，(xt, yt, zt)為旋轉(zhuǎn)后的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)。[0020]最后旋轉(zhuǎn)矯正之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像拼接，得到具有垂直側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)的超精密測(cè)量結(jié)果。[0021]本發(fā)明與傳統(tǒng)掃描顯微鏡測(cè)量方法相比，最大的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)在于由傳統(tǒng)掃描探針由于本身具有一定的針尖角，無法探測(cè)具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)待測(cè)樣品的表面形貌。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)樣品傾斜角度的方法，使得掃描探針能夠完整地探測(cè)到待測(cè)樣品的垂直側(cè)壁， 實(shí)現(xiàn)其表面形貌的超精密測(cè)量功能。4
[0022]圖1 (a)是用于測(cè)量待測(cè)樣品繞Y軸傾斜角為識(shí)度的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法示意圖；[0023]圖1 (b)是掃描隧道顯微鏡探針側(cè)邊與平臺(tái)平面的夾角示意圖；[0024]圖1 (c)是用于測(cè)量待測(cè)樣品繞Y軸傾斜角為度的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法示意圖；[0025]圖2 傾斜測(cè)量方法圖像處理步驟示意圖；圖中，掃描隧道顯微鏡探針1、待測(cè)樣品 2、二維角度調(diào)整平臺(tái)3、二維微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4、掃描隧道顯微鏡掃描測(cè)量并記錄形貌數(shù)據(jù) 5、傾斜矯正后的形貌數(shù)據(jù)6、圖像拼接后的最終測(cè)量結(jié)果7。[0026]圖3 具有垂直側(cè)壁特征的微結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果；具體實(shí)施方式
[0027]下面結(jié)合
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。[0028]采用本發(fā)明所公開的方法對(duì)具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示， 用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法的步驟如下[0029]1)將二維角度調(diào)整平臺(tái)3固定在二維微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4上，待測(cè)樣品2固定在二維角度調(diào)整平臺(tái)3之上；[0030]2)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)( 調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為識(shí)度，掃描隧道顯微鏡探針(1)置于待測(cè)樣品上方，使用掃描隧道顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0031]3)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)3調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為度，再次使用掃描隧道顯微鏡掃描測(cè)量待測(cè)樣品并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0032]4)掃描結(jié)束后分別對(duì)兩次掃描的形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯正，再將兩次旋轉(zhuǎn)矯正之后的形貌圖像進(jìn)行拼接，即可準(zhǔn)確測(cè)量出具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)待測(cè)樣品的表面形貌。[0033]所述的待測(cè)樣品2具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)特征。所述的傾斜角<3 = 90°，其中θ 為掃描隧道顯微鏡探針側(cè)邊與水平面的夾角。[0034]所述的步驟4)為[0035](1)導(dǎo)入待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；[0036](2)將繞Y軸的傾斜角為識(shí)度的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)繞Y軸旋轉(zhuǎn)就得到矯正的數(shù)據(jù)[0037]
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法，其特征在于它的步驟如下1)將二維角度調(diào)整平臺(tái)( 固定在二維微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(4)上，待測(cè)樣品( 固定在二維角度調(diào)整平臺(tái)( 之上；2)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)( 調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為識(shí)度，掃描隧道顯微鏡探針(1)置于待測(cè)樣品上方，使用掃描隧道顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；3)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)( 調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為-<P度’再次使用掃描隧道顯微鏡掃描測(cè)量待測(cè)樣品并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；4)掃描結(jié)束后分別對(duì)兩次掃描的形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯正，再將兩次旋轉(zhuǎn)矯正之后的形貌圖像進(jìn)行拼接，即可準(zhǔn)確測(cè)量出具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)待測(cè)樣品的表面形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法，其特征在于所述的待測(cè)樣品(2)具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法，其特征在于所述的傾斜角<3 = 90°，其中θ為掃描隧道顯微鏡探針側(cè)邊與平臺(tái)平面的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法，其特征在于所述的步驟4)為(1)導(dǎo)入待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；(2)將繞Y軸的傾斜角為識(shí)度的待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)繞Y軸旋轉(zhuǎn)就得到矯正的數(shù)據(jù)
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于測(cè)量具有垂直側(cè)壁微結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡傾斜測(cè)量方法。它的步驟如下1)將二維角度調(diào)整平臺(tái)固定在二維微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，待測(cè)樣品固定在二維角度調(diào)整平臺(tái)之上；2)通過二維角度調(diào)整平臺(tái)調(diào)節(jié)待測(cè)樣品的傾斜角度，使待測(cè)樣品繞Y軸的傾斜角為度，使用掃描隧道顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；3)再將二維角度調(diào)整平臺(tái)調(diào)整為繞Y軸的傾斜角為-度，再次使用掃描隧道顯微鏡測(cè)量待測(cè)樣品并記錄待測(cè)樣品的形貌數(shù)據(jù)；4)掃描結(jié)束后分別對(duì)兩次掃描的形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯正，將兩次旋轉(zhuǎn)矯正之后的形貌圖像進(jìn)行拼接。本發(fā)明使得掃描探針能夠完整地探測(cè)到待測(cè)樣品的垂直側(cè)壁，實(shí)現(xiàn)其表面形貌的超精密測(cè)量。
文檔編號(hào)G01Q30/00GKCN102507985SQ201110339077
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月1日
發(fā)明者居冰峰, 張威, 朱吳樂, 陳遠(yuǎn)流 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan