基于視覺(jué)檢測(cè)的原子力顯微鏡探針自動(dòng)定位技術(shù)研究.pdf

1、近些年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，芯片的集成度越來(lái)越高，其關(guān)鍵單元的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到數(shù)十納米。這對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)檢測(cè)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(cè)技術(shù)與電子顯微檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)很難滿(mǎn)足高集成度集成電路(Integrated Circuit，IC)關(guān)鍵單元特征尺寸的檢測(cè)需求。
　　原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是一種具有亞納米級(jí)分辨精度，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描樣品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的高

2、精密實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)程均為手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，尚不能滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)應(yīng)用所要求的自動(dòng)化水平。所以AFM工業(yè)化自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)仍存在大量的技術(shù)難題。
　　本論文在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的AFM操作平臺(tái)的基礎(chǔ)上展開(kāi)研究，著重解決AFM工業(yè)化過(guò)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(kāi)展以下研究工作：<

3、br>　　1.AFM探針自動(dòng)逼近方法研究。常規(guī)科學(xué)型AFM下針過(guò)程均為目視手動(dòng)操作完成，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中連續(xù)檢測(cè)的要求。本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)與精確力控制的AFM自動(dòng)逼近技術(shù)。該方法采用粗精結(jié)合的分段式方法實(shí)現(xiàn)AFM探針與掃描樣品的自動(dòng)逼近。與此同時(shí)，本文對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的自動(dòng)聚焦算法進(jìn)行了改進(jìn)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(dòng)逼近方法研究。在AFM掃描成像過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品特定位置進(jìn)行掃描是很困難

4、的，由于視覺(jué)差異，很難實(shí)現(xiàn)樣品與探針的定位問(wèn)題。本文基于機(jī)器視覺(jué)提出了一種掃描探針針尖盲定位技術(shù)。通過(guò)二維視覺(jué)坐標(biāo)，三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)以及三維納米平臺(tái)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，將掃描樣品特定位置移動(dòng)至掃描探針針尖之下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的特定位置進(jìn)行掃描。
　　3.AFM探針自動(dòng)更換方法研究。為實(shí)現(xiàn)掃描過(guò)程的連續(xù)性，AFM必須實(shí)現(xiàn)掃描探針的自動(dòng)更換。本文中設(shè)計(jì)了一種新的AFM探針自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)，采用電磁力與永磁力相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)AFM探針夾持器的自動(dòng)

5、抓取與釋放，進(jìn)而完成掃描探針更換工作。并采用機(jī)器視覺(jué)的方法實(shí)現(xiàn)更換之后的掃描探針懸臂梁末端與激光光斑的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。
　　4.AFM控制系統(tǒng)搭建。基于以上三個(gè)方面的工作，搭建了一整套AFM系統(tǒng)，并將自動(dòng)逼近、目標(biāo)逼近、自動(dòng)換針等工作進(jìn)行了移植。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文中提出的方法能夠利用視覺(jué)算法完成AFM探針在多個(gè)層面上的定位工作，能夠?qū)崿F(xiàn)了AFM操作的自動(dòng)化。
　　上述研究工作，為工業(yè)型AFM研制過(guò)程中的若干技術(shù)問(wèn)題提供有一種有效的