工业型SPM的电控系统设计-仪器科学与技术专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘 要 扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）自发明以来，在生物、 化学、物理和材料等诸多领域都取得了广泛的应用。SPM 家族中的原子力显微 镜（Atomic Force Microscope，AFM）因其无损检测和高分辨率成像能力，在半 导体行业的关键尺寸（Critical Dimension，CD）检测上表现出巨大潜力，但传统 AFM 成像速度慢限制了其工业应用。另一方面，随着集成电路的工艺节点越来 越小，半导体结构的复杂化，对检测设备的三维成像能力提出了迫切的需求。本 项目针对工业领域应用的特点，研发出一种具有快速扫描、三维扫描、快速无损 进针和自动换针等特性的适于工业检测的 SPM 系统。 本论文主要完成了工业型扫描探针显微测试系统的电控系统的下位机硬件 与软件的设计，并对 AFM 实现侧壁形貌扫描的方法作了初步的实验，论文的主 要内容包括： 1、介绍了扫描探针显微镜的发展概况和 AFM 的工作原理，其中重点介绍 了用于半导体行业的 CD-AFM 的发展概况。 2、介绍了工业 SPM 系统的总体设计，包括整机结构设计、光路系统设计、 探针夹持器结构设计和电控系统整体框架与功能。 3、 实现了电控系统的硬件设计，包括 FPGA 最小系统、以太网通信模块、 QPD 信号处理电路、电机控制模块、探针夹持器驱动和模拟锁相放大电 路。 4、 实现了各部分硬件对应的下位机软件设计，包括嵌入式 TCP/IP 协议栈的 实现、电机控制软件和 DDS 控制软件的实现。 5、进行了样品侧壁扫描的相关实验，包括横向灵敏度标定和扭转谐振实验， 并在此基础上对侧壁进行了单线扫描。 关键词：工业 SPM，FPGA，嵌入式以太网，侧壁扫描 ABSTRACT Since scanning probe microscope (SPM) was invented, it has been widely used in many fields such as biology, chemistry, physics, materials, and so on. In SPM family, atomic force microscope (AFM) shows enormous potential in critical dimension (CD) measurement of semiconductor industry because of its non-destructive testing and high resolution imaging capability. But conventional AFM’s low scanning speed limits its industrial applications. On the other hand, as the technology node of integrated circuit (IC) is getting smaller and the structure of IC is getting complex, there is pressing need to develop testing equipment with three-dimensional imaging capability. According to the characteristic of industrial testing equipment, the project develops a new SPM system, which has characteristics of fast scanning, three-dimension metrology, quick and non-destructive needle insertion and automatic needle replacement. The thesis is mainly concentrated on the electronic control system’s hardware and embedded software design of the SPM. In addition, several experiments about sidewall imaging were implemented. The main content of the thesis include: An introduction to the development of SPM and the principle of AFM, with an emphasis on