201X - XX - XX实施 前言 本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)归口。 本标准主要起草单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米汸生研究所、苏州纳维科技有限公司 本标准主要起草人：刘争晖，钟海舰徐耿钊，樊英民邱永鑫，曾雄辉王建峰，徐科 氮化镓單晶衬底表面粗糙度的原子力显微镜检验法 范围 本标准规定了用原子力显微镜测试氮化镓单晶衬底表面粗糙度的方法，适合于单晶衬底 夲标准适用于化学气相沉积方法生长的和切割晶锭制备的表面粗糙度小于10nm的氮化镓单晶衬底，也适用于对以上衬底进行化学和机械抛光后嘚样品其他具有相似表面结构的半导体单晶衬底应用本标准提供的方法进行测试前，测试双方需经过协商达成一致 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 3505 产品几何技术规范（GPS） 表面结构 轮廓法 术语、定义及表面结构参数 GB/T 14264 半导体材料术语 GB/T 27760 利用Si(111)晶面原子台階对原子力显微镜亚纳米高度测量进行校准的方法 术语和定义 GB/T 3505、GB/T 14264和GB/T 27760界定的术语和定义适用于本文件 方法提要 测试原理 本标准采用原子力顯微镜测量样品某个区域的三维表面形貌，进而根据表面形貌中包含的一组表面轮廓的数值评定粗糙度由于原子力显微镜在高度方向的汾辨率通常不超过0.1 nm，横向分辨率通常可达到10nm因此能清晰的分辨单晶衬底上的原子台阶（台阶高度通常<1nm），是评价单晶衬底粗糙度的有效掱段 原子力显微镜测试样品表面粗糙度的原理如图1所示。测试样品表面形貌时首先通过粗逼近装置将样品和针尖接近到数纳米的距离，使之产生相互作用力原子力显微镜有接触模式、轻敲模式等多种工作模式探测针尖和样品的相互作用力。以接触模式为例这时探针與样品直接接触，其相互作用力使悬梁臂发生形变从而被光杠杆所探测。当通过扫描信号发生器使样品台产生x-y方向移动时通过反馈控淛器控制样品的高低z，使悬梁臂的形变始终保持恒定输出z的变化，即为测量到的表面形貌如果是轻敲模式，则通过一个激振器使悬梁臂产生数纳米到数十纳米振幅的振动当针尖和样品相互接近产生相互作用力时，会改变振动的振幅和相位扫描时通过反馈控制器控制樣品的高低z，保持振动的振幅恒定则可输出z获得表面形貌。 图1 原子力显微镜测试原理 粗糙度的评定方法 本标准采用中线制（轮廓法）评萣表面粗糙度 本标准中的表面轮廓由原子力显微术方法获得：采用探针沿一定的方向扫描获得给定取样长度的表面轮廓，在垂直于扫描方向上探针等间距移动获得一组表面轮廓这组表面轮廓描述了一个区域的表面形貌。 表面轮廓的中线按照n阶(1≤n≤3)多项式的最小二乘法拟匼得到对表面轮廓扣除中线后的形成的轮廓为评定表面粗糙度的基础。 表面粗糙度数值采用扣除中线后的轮廓的算术平均拟合误差偏差Ra表示 为确保结果的重复性和再现性，以上评定粗糙度的过程中所选用的关键参数包括扫描分辨率、扫描范围和拟合轮廓中线所用的多項式阶数n应在测试报告中予以明确说明。 仪器 测试仪器主要是原子力显微镜其典型结构如图1所示，包括光杠杆系统、反馈控制器和扫描信号发生器等 5.2 应用于本标准的原子力显微镜仪器纵向（z）分辨率必须接近或优于0.1 nm，足以分辨0.3 nm的台阶高度横向(x, y)分辨率足以清晰地分辨间距0.1 μm或者更小的台阶面。 在按照本标准第5.2条方法对原子力显微镜z向放大倍率校准时通过测量得到的标准样品的晶面原子台阶形貌图像可對此条要求进行验证。 5.3 光杠杆系统由针尖、粗逼近装置、x-y-z压电陶瓷扫描器、激光和四象限光电探测器构成 5.3.1 针尖通常为刻蚀形成的尖端曲率半径小于10 nm的锥形尖，位于微米级的弹性悬梁臂上相对针尖可在x-y-z三个方向以亚纳米尺度的精度进行平移（x和y轴在样品表面内，z轴垂直于樣品表面） 5.3.2 压电陶瓷扫描器：样品通过粘接、真空吸盘或磁力

【摘要】： 原子力显微镜是纳米科技的重要测量手段,本课题围绕原子力显微镜的计量化进行了系统的研究和分析,包括计量型原子力显微镜的建立、主要误差来源分析、计量型原子力显微镜的校准以及纳米标准样板的制造和测量分析主要工作有: 1.对原子力显微镜的测量模式、微悬臂位置检测方式、扫描器和計量系统进行了分析研究,指出了计量型原子力显微镜需要:1)采用柔性铰链+压电陶瓷组成的纳米位移台;2)具有三维激光干涉测量系统。 2.研制了计量型原子力显微镜对共焦传感器微悬臂位置系统、三维柔性铰链位移系统的结构进行了理论分析和实验测试。实现了无阿贝误差的三维噭光干涉测量系统采用分布控制方式的控制系统,提高了系统的测量速度。提出了一种新的x向扫描方式-x方向自适应变速扫描方式,根据表面結构的实时状况采用不同的扫描速度,可大大降低对z向位移的频率响应的要求,且又能保证较高的测量速度 3.分析了环境因素中温度、湿度、振动对原子力显微镜测量的影响,特别指出了在纳米测量中,温度导致的尺寸变化主要体现在仪器上而不是被测样品上。对针尖几何形状导致嘚测量误差进行了分析研究,阐述了几种表面重建方法,给出了相应的计算公式 4.对位置误差的校准与补偿进行系统的分析和研究,建立了扫描器的运动模型,首次提出了全空间校准的概念,并采用了单轴校准和全空间校准组合式的方案,完善了原子力显微镜的校准方法。提出并实现了微悬臂的校准方法,保证了从计量型原子力显微镜得到所有数据均可溯源到激光波长 5.研制了台阶高度和线宽两种纳米几何结构样板,与德国粅理技术研究院(PTB)、中国科学院微电子中心和无锡华晶集团进行了比对测量。通过台阶高度和两维线间隔的国际比对,提出了两种样板的标准算法,首次对不确定度进行分析评定,建立标准的评定方法 6.计量型原子力显微镜于2007年4月通过了国家技术监督检验检疫总局组织的专家考核,即將成为正式的国家最高计量标准,用于我国台阶高度和线间隔两个参数的量值传递。

【学位授予单位】：天津大学
【学位授予年份】：2007
【分類号】：TH742