[发明专利]探针测量的控制方法、处理方法以及装置

说明书

本发明提供了一种探针测量的控制方法、处理方法以及装置，所述探针测量的控制方法包括，控制M个测量探针与N个预警探针扫描待测表面时，通过所述预警探针检测所述待测表面的障碍物，获取对应的障碍物检测信号，其中，沿扫描运动方向，所述M个测量探针与所述N个预警探针依次分布；N、M均为大于或等于1的整数；根据所述障碍物检测信号，控制所述测量探针跨越过所检测到的障碍物。其中的预警探针可以识别障碍物，当检测到障碍物时，对测量探针产生预警，使得测量探针在到达障碍物之前就进行高度调整，而不需要降低横向速度来避免撞上障碍物，进而提高测量速度；本发明能够实现高速、精确的表面扫描测量。

技术领域

本发明涉及微纳测量领域，尤其涉及一种探针测量的控制方法、处理方法以及装置。

背景技术

表面物理和化学性质在微纳米领域的测量和成像是科学研究，产业应用非常普遍的技术，其重要性不言而喻，然而如何快速和精确地实施测量始终是一个挑战。

尤其在芯片产业中，制造出5纳米技术节点的芯片已经实现，制造3纳米技术节点的芯片已经研发成功，然而芯片产业的测量技术则远远落后。不仅检测手段不足，而且达到纳米级表面测量的速度往往很慢，不能满足芯片产业在线检测，甚至抽检的水平。

现有技术中，扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，简称SPM)可以测到亚纳米级的纵向和横向分辨率，尤其是几个纳米到几十个纳米的三维结构。但是其测量速度很慢，据估算，完整测量一个晶圆上的晶片(DIE)需要至少30天时间。测量速度慢的主要原因之一是，探针必须距离表面只有几个纳米至几十纳米的距离才能测出纳米级的三维形貌。为了避免探针与待测表面三维结构相撞而影响测量精度，探针在测量过程中必须以极其缓慢的速度行进。

现有扫描探针显微镜技术中，如原子力显微镜，在其常用的调幅模式测量过程中，探针在其本征共振频率附近作一定振幅的机械振动，针尖与待测表面之间的相互作用会改变探针振动的振幅。振幅的变化量作为反馈信号，被用来调节针尖与待测表面之间的距离来使探针的振动振幅恢复到设定值，从而实现对被测表面形貌的追踪。在这个过程中，影响测量的几个关键参数如下：

1)针尖的本征共振频率fo

取决于探针的结构设计，一般这个频率可达1MHz至25MHz，针尖电子信号的取样频率受到针尖振动频率的限制。如果设定针尖电子信号的取样频率等于一个针尖振动周期，则即一个测量点的时间最高为1微秒至0.4微秒。

2)针尖在扫描方向的平行运动速度Vx和Vy

在没有障碍物的情况下，这个速度可以非常快。其驱动装置可以是压电陶瓷或者音圈电机。极限运动速度可以超过1m/s，即一个微秒可以运动1微米。假设运动中间测量1000个取样点，每个点的测量时间为1微秒，间距为10纳米，则所需的横向运动速度为10mm/s。这个横向速度以目前的驱动机制，完全没有问题。

3)运动速度最低的是针尖下降和抬起的纵向运动速度，尤其是遇到障碍物时反馈回路的反应速度。

制约扫描探针显微镜扫描速度的主要因素来自于针尖的纵向反馈速度。常规扫描探针显微镜在扫描过程中，针尖在反馈回路的控制下，上下快速运动，实现对表面起伏形貌的追踪。然而，由于反馈电路响应时间以及扫描器机械构造的限制，整个反馈过程的带宽受到极大的制约。如果维持较快的横向速度，将导致针尖在纵向上无法及时反馈，极易产生针尖和样品表面三维结构的碰撞，导致针尖或样品表面结构的损坏。为了配合针尖纵向的反馈，横向扫描速度就必须相应地降低，从而影响整体的扫描速度。