基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法

1.本发明涉及基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，属于物体表面物理特性表征技术领域。


背景技术：

2.开尔文探针力显微镜(kelvin probe force microscopy,kpfm)是扫描探针显微镜(scanning probe microscopy，spm)家族中的一员，它将开尔文技术与原子力显微镜(atomic force microscopy,afm)相结合，能实现样品表面电势和表面形貌的表征。根据检测方式的不同，kpfm可分为两种工作模式：调幅模式(amplitude modulation，am)和调频模式(frequency modulation,fm)，两种模式分别是基于静电力和静电力梯度检测的。目前，基于矩形梁探针法向信号的开尔文探针力显微镜测量系统及方法对样品水平表面的形貌和局部表面电势表征的技术已经十分成熟并已得到广泛应用，然而针对半导体元器件上常见的三维微纳结构的表面形貌及表面电势的表征仍然存在一定的问题，现下存在部分成熟的面向立体微纳结构三维表面形貌成像的技术，但并未出现针对立体微纳结构的三维表面电势同步测量的技术。
3.表面电势能准确反映材料表面结构特征及其物理化学变化，是反映催化剂活性、半导体的掺杂和带弯曲、电介质中的电荷捕获和腐蚀过程中的重要参数之一，而且定量分析局部表面电势对于理解材料微纳米尺度下的性能、微生物活性、以及微电子器件的功能是非常重要的，因此，准确测量样品的局部表面电势是非常有意义的。高集成度的三维微纳电子器件的发展使得三维表面物理特性的表征与监测变得日趋重要。对样品中存在的三维表面进行测量是半导体行业中检测样件加工性能的重要手段，如何实现对样件三维表面扫描获得立体微纳结构的三维表面电势参数是提高微纳电子器件整体性能的关键。
4.鉴于传统的基于矩形梁探针法向信号的开尔文探针力显微镜只能对待测样品的水平表面进行性能表征，即只能在待测样品表面垂直于矩形梁探针针尖法向的情况下实现对其表面形貌和表面电势的测量的问题，需要提供一种方法来实现微纳样品整体三维表面形貌和三维表面电势的同步测量。


技术实现要素：

5.针对现有测量方法只能对待测样品的水平表面进行性能表征，无法实现样品整体三维表面形貌和三维表面电势同步测量的问题，本发明提供一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法。
6.本发明的一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，包括，
7.利用正交探针的探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用；
8.对正交探针实施一阶弯曲共振频率下的机械激励，使正交探针在预设弯曲振幅下振动；采用样品xyz纳米定位台与探针手xyz纳米定位台配合调节探针针尖与待测三维样品的相对位置，使正交探针沿自定义斜向角度逐渐接近待测三维样品，直到正交探针的弯曲
振幅衰减到机械激励频率下的振幅设定值am；记录扫描器在当前测试点获得的探针针尖x向坐标值、y向坐标值和z向坐标值；
9.然后，在正交探针与待测三维样品之间施加预设频率的直流补偿电激励信号u
dc
，获得直流补偿电激励信号u
dc
与正交探针弯曲振幅的关系曲线；根据所述关系曲线，选取正交探针在电激励频率下的振幅设定值ae；调节直流补偿电激励信号u
dc
，使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值ae；记录直流补偿电激励信号u
dc
；
10.将待测三维样品的高度方向作为z向，长度方向作为x向；
11.以y向为快速扫描方向，x向为慢速扫描方向，配合z向坐标的变化，依次变换下一个测试点；在每一个测试点重复使正交探针在机械激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值am的步骤，直至获得每一个测试点的三维坐标值，实现待测三维样品的三维形貌测量；同时在每一个测试点重复使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值ae的步骤，直至获得每一个测试点正交探针与待测三维样品之间接触电势差，实现待测三维样品的三维表面电势差成像；
12.所述自定义斜向角度包括斜率在0到1之间，在yz平面内变化以接近待测三维样品的角度；
13.正交探针与待测三维样品之间接触电势差的获得方法包括：
14.在每个测试点，正交探针与待测三维样品之间总的电势差δu为：
15.δu＝u
dc-u
cpd
u
ac sin(ωt)，
16.式中u
cpd
是正交探针与待测三维样品之间的固有接触电势差，u
ac
sin(ωt)是正交探针与待测三维样品之间的外加预设频率交流电压；
17.使u
dc
＝u
cpd
，消除外加预设频率交流电压的影响，记录测试点的直流补偿电激励信号u
dc
作为正交探针与待测三维样品之间固有接触电势差u
cpd
，由所有测试点对应的固有接触电势差获得正交探针与待测三维样品之间表面电势差成像。
18.作为优选，在变换测试点的过程中，探针针尖与待测三维样品之间的距离误差通过两个独立设置的样品xyz纳米定位台与探针手xyz纳米定位台配合运动实现补偿；其中探针手xyz纳米定位台用于带动正交探针运动，样品xyz纳米定位台用于带动待测三维样品运动，两个xyz纳米定位台通过解耦式的运动实现待测三维样品与探针针尖之间沿自定义斜向角度的相对运动。
19.作为优选，获得使u
dc
＝u
cpd
，消除外加预设频率交流电压的影响的方法包括：
20.正交探针与待测三维样品表面之间的静电力f
el
为：
[0021][0022]
式中，c为正交探针与待测三维样品表面之间的电容，z为正交探针与待测三维样品表面之间的距离；
[0023]
由静电力f
el
的表达式确定，静电力f
el
在ω频率下对正交探针的影响将被消除；利用锁相放大器得到ω频率下正交探针反馈信号的振幅信息，将所述振幅信息作为反馈信号，采用开尔文控制算法调节u
dc
以消除锁相放大器输出的振幅偏移，得到u
dc
＝u
cpd
。
[0024]
作为优选，探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用，导致正交探针受力产生法向挠曲变形。
[0025]
作为优选，正交探针的一阶弯曲共振频率的获得方法包括：
[0026]
调整正交探针至预期位置后，通过扫频激振器进行扫频操作，获得一阶弯曲共振频率。
[0027]
作为优选，确定测试点位置的方法包括：
[0028]
1)对于高度为微米级的待测三维样品，在三维扫描过程中探针针尖不接触待测三维样品底部；首先粗调正交探针至待测三维样品侧壁y向的前方，再使正交探针沿z向运动至目标位置；使正交探针以平行于底部平面的0
°
矢量角伺服接触待测三维样品侧壁后停止伺服，再使待测三维样品沿y向以侧壁远离探针针尖的方向移动1至2nm，保证两个xyz纳米定位台在配合实现沿自定义斜向角度伺服时，所需补偿的由于正交探针上激光光斑移动造成的振幅衰减量在2.2％-6.8％之间。
[0029]
作为优选，确定测试点位置的方法包括：
[0030]
2)对于高度为纳米级或亚微米级的待测三维样品，在三维扫描过程中探针针尖接触待测三维样品底部；首先粗调正交探针至待测三维样品的待测位置；使正交探针在待测三维样品的底部以垂直于底部平面的90
°
矢量角伺服接触待测三维样品后停止伺服，再使待测三维样品的z向坐标下降1至2nm，减少以自定义斜向角度伺服过程中由于正交探针上激光光斑移动产生的补偿误差。
[0031]
作为优选，对正交探针机械激励的驱动方式包括压电陶瓷驱动和磁场驱动。
[0032]
作为优选，所述压电陶瓷驱动包括：
[0033]
所述正交探针通过探针座连接探针手基座，探针座和探针手基座之间设置压电陶瓷；
[0034]
通过正弦电压驱动下的压电陶瓷实现正交探针在一阶弯曲共振频率下的机械振动。
[0035]
作为优选，所述磁场驱动包括：
[0036]
所述正交探针包括探针针尖、横梁、纵梁和磁球，探针针尖末端对应待测三维样品，首端连接纵梁的末端，纵梁的首端连接横梁的侧边框；在横梁与纵梁对应形成的空间内设置磁球；待测三维样品放置在开尔文样品台上；开尔文样品台内设置电感线圈；
[0037]
采用正弦电压信号驱动电感线圈产生交变的磁场，交变的磁场驱动指定方向磁化后的磁球，从而通过电磁力矩的作用实现正交探针在一阶弯曲共振频率下的机械振动。
[0038]
本发明的有益效果：本发明方法面向微纳器件表面物理特性表征，它基于三维开尔文探针力显微镜测量系统正交探针法向弯曲信号进行测量，可实现微纳米级三维结构样品表面形貌和表面电势的同步测量，实现样品表面特性的三维成像。
[0039]
本发明方法采用正交探针，结合新型的矢量角度伺服方法，利用正交探针的法向弯曲信号作为反馈实现微纳样品整体三维表面形貌和三维表面电势的同步测量。本发明方法工作在am模式下，基于afm系统、开尔文样品台和上位机实现。测量过程中，同时在两个频率下对探针进行驱动，其中包括：1)探针一阶弯曲共振频率下的机械驱动；2)探针-样品间指定频率的电激励。上位机通过将正交探针的法向弯曲信号作为反馈实现扫描器的位移控制和电势补偿，从而实现对样品表面形貌和局部表面电势的同时测量。
[0040]
本发明突破了基于矩形梁探针法向信号进行二维水平表面电势测量的传统kpfm的空间限制，利用正交探针的法向弯曲信号反馈，结合矢量角度伺服可实现微纳结构三维
表面形貌及三维表面电势的同步表征；本发明方法为进一步研究三维样品空间表面电势提供了新的思路；利用探针的前突针尖，本发明探针可深入密度较高的三维样品间隙中对待测立体结构进行扫描，可避免传统三维表面形貌扫描中使用的喇叭式探针带来的附加尖端效应。
附图说明
[0041]
图1是本发明所述基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法的流程图；
[0042]
图2是三维开尔文探针力显微镜的系统结构示意图；图中
①
为压电陶瓷驱动，
②
为磁场驱动；
[0043]
图3是图2中圆圈区域内的局部放大图；图中b为电磁场方向，m为磁球磁化方向，τ为磁球所受力矩方向；
[0044]
图4是正交探针的轴测图；
[0045]
图5是图4的后视图；
[0046]
图6是图4的左侧视图；图中7-4-1为横梁；7-4-2为磁球；7-4-3为纵梁；7-4-4为探针针尖；
[0047]
图7是实现本发明方法所采用的系统整体结构示意图；图中1为机架；2为四象限位置检测器二维调整微平台；3为一维调整微平台i；4为四象限位置检测器；5为反射激光凸透镜；6为激光反射镜；7为探针手；8为xyz微米定位台；9为探针手xyz纳米定位台；10为探针手支架；11为一维大量程调整微平台；12为台面；13为xy微米定位台；14为样品xyz纳米定位台；15为样品台支架；16为开尔文扫描样品台；17为入射激光聚焦凸透镜；18为一维调整微平台ii；19为半导体激光发生器；20为激光发生器角度调整机构；21为光学显微镜；
[0048]
图8是三维开尔文探针力显微镜中探针手的结构示意图；图中7-1为探针手基座；7-2为压电陶瓷；7-3为探针座；7-4为正交探针；7-5为屏蔽片；7-6为正交探针固定板；7-7为接线端子；
[0049]
图9是开尔文样品台的结构示意图；
[0050]
图10是开尔文样品台的俯视图；16-1为开尔文样品台基座；16-2为电感线圈接线端子；16-3为电感线圈；16-4为样品座；16-5为连接线；16-6为紧定螺丝；16-7为束线块；16-8为铜压片；16-9为样品；16-10为绝缘固定螺丝；
[0051]
图11是对于高度为纳米级或亚微米级的待测三维样品的扫描位置确定过程示意图；图中第一步表示正交探针在样品三维侧壁结构最低点处伺服；第二步表示停止伺服，样品台z向下降1-2nm；第三步表示正交探针以自定义角度伺服并开始扫描；
[0052]
图12是扫描系统的主视图；
[0053]
图13是扫描系统的轴测图；
[0054]
图14是扫描系统的俯视图；
[0055]
图15是采用本发明方法对三维光栅样品进行三维扫描获得的三维表面形貌图；
[0056]
图16是采用本发明方法对三维光栅样品进行三维扫描获得的三维表面电势图；
[0057]
图17是对应图15和图16的数据表征的四维视图；其中不同灰度的条带表示表面电势信息；
[0058]
图18是对应图17中虚线位置的样品表面形貌剖面线图；
[0059]
图19是对应图17中虚线位置的样品表面电势差剖面线图；
[0060]
图20是对应图16的数据统计分布及拟合结果图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0063]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0064]
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种基于三维开尔文探针力显微镜的三维结构表面测量方法，包括，
[0065]
利用正交探针的探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用；
[0066]
对正交探针实施一阶弯曲共振频率下的机械激励，使正交探针在预设弯曲振幅下振动；采用样品xyz纳米定位台与探针手xyz纳米定位台配合调节探针针尖与待测三维样品的相对位置，使正交探针沿自定义斜向角度逐渐接近待测三维样品，直到正交探针的弯曲振幅衰减到机械激励频率下的振幅设定值am；记录扫描器在当前测试点获得的探针针尖x向坐标值、y向坐标值和z向坐标值；
[0067]
然后，在正交探针与待测三维样品之间施加预设频率的直流补偿电激励信号u
dc
，获得直流补偿电激励信号u
dc
与正交探针弯曲振幅的关系曲线；根据所述关系曲线，选取正交探针在电激励频率下的振幅设定值ae；设置上位机-开尔文控制器的参数然后开启，调节直流补偿电激励信号u
dc
，使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值ae；记录直流补偿电激励信号u
dc
；
[0068]
将待测三维样品的高度方向作为z向，长度方向作为x向；
[0069]
以y向为快速扫描方向，x向为慢速扫描方向，配合z向坐标的变化，依次变换下一个测试点；在每一个测试点重复使正交探针在机械激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值am的步骤，直至获得每一个测试点的三维坐标值，实现待测三维样品的三维形貌测量；同时在每一个测试点重复使正交探针在电激励频率下的弯曲振幅等于振幅设定值ae的步骤，直至获得每一个测试点正交探针与待测三维样品之间接触电势差，实现待测三维样品的三维表面电势差成像；
[0070]
所述自定义斜向角度包括斜率在0到1之间，在yz平面内变化以接近待测三维样品的角度；自定义斜向角度的设定是为了使正交探针在y和z轴方向均产生位移；
[0071]
正交探针与待测三维样品之间接触电势差的获得方法包括：
[0072]
在测试过程中，探针和样品之间的表面电势差通过将探针由于指定频率的电激励产生的弯曲信号作为反馈来测量。
[0073]
在每个测试点，正交探针与待测三维样品之间总的电势差δu为：
[0074]
δu＝u
dc-u
cpd
u
ac sin(ωt)，
[0075]
式中u
cpd
是正交探针与待测三维样品之间的固有接触电势差，u
ac
sin(ωt)是正交探针与待测三维样品之间的外加预设频率交流电压(电激励)；
[0076]
使u
dc
＝u
cpd
，消除外加预设频率交流电压的影响，记录测试点的直流补偿电激励信号u
dc
作为正交探针与待测三维样品之间固有接触电势差u
cpd
，由所有测试点对应的固有接触电势差获得正交探针与待测三维样品之间表面电势差成像。
[0077]
本实施方式中涉及的基于正交探针的三维开尔文探针力显微镜结合图2、图3和图7所示，包括台面12，台面12上安装机架1、一维大量程调整微平台11、xy微米定位台13和光学显微镜21。其中，开尔文样品台16通过样品台支架15和样品xyz纳米定位台14安装在xy微米定位台13上，激光测力系统安装在机架1上，探针手7通过探针手支架10、探针手xyz纳米定位台9和xyz微米定位台8安装在一维大量程调整微平台11上。探针手xyz纳米定位台9和样品xyz纳米定位台14各自独立，通过解耦式的运动配合完成探针与样品之间的矢量角度伺服。
[0078]
激光测力系统分别由激光发生器角度调整机构20、半导体激光发生器19、入射激光聚焦凸透镜17、激光反射镜6、反射激光凸透镜5和四象限位置检测器4，以及一维调整微平台ii18、一维调整微平台i3和四象限位置检测器二维调整微平台2组成。
[0079]
再结合图9和图10所示，开尔文样品台16分别由开尔文样品台基座16-1、电感线圈接线端子16-2、电感线圈16-3、样品座16-4、连接线16-5、紧定螺丝16-6、束线块16-7、铜压片16-8、样品16-9、和绝缘固定螺丝16-10组成。其中电感线圈16-3固定于样品座16-4中空的内腔中，并引出了电感线圈接线端子16-2与对应的电气设备电连接，它可以产生均匀的磁场从而实现对正交探针的磁驱动。开尔文样品台基座16-1和样品座16-2之间、样品座16-2和样品16-9之间均有绝缘片，并且样品16-9和铜压片16-8、铜压片16-8和连接线16-5之间均为电连接。连接线16-5与对应的电气设备电连接。
[0080]
进一步，结合图2和图7所示，在变换测试点的过程中，探针针尖与待测三维样品之间的距离误差通过两个独立设置的样品xyz纳米定位台与探针手xyz纳米定位台配合运动实现补偿；其中探针手xyz纳米定位台用于带动正交探针运动，样品xyz纳米定位台用于带动待测三维样品运动，两个xyz纳米定位台通过解耦式的运动实现待测三维样品与探针针尖之间沿自定义斜向角度的相对运动。
[0081]
再进一步，获得使u
dc
＝u
cpd
，消除外加预设频率交流电压的影响的方法包括：
[0082]
正交探针与待测三维样品表面之间的静电力f
el
为：
[0083][0084]
式中，c为正交探针与待测三维样品表面之间的电容，z为正交探针与待测三维样品表面之间的距离；
[0085]
由静电力f
el
的表达式确定，当u
dc
＝u
cpd
时，静电力f
el
在ω频率下对正交探针的影响将被消除；利用锁相放大器得到ω频率下正交探针反馈信号的振幅信息，将将锁相放大器输出的所述振幅信息作为反馈信号输入给上位机-开尔文控制算法，采用开尔文控制算法调节u
dc
以消除锁相放大器输出的振幅偏移，得到u
dc
＝u
cpd
。
[0086]
当u
dc
＝u
cpd
时，锁相放大器输出振幅偏移将被消除。通过记录测试点的u
dc
，便可得到对应的探针和样品表面之间的表面局部电势差图像(u
cpd
)。对应此时记录的x向坐标值、y
向坐标值和z向坐标值，便可得到对应样品表面形貌和表面电势的四维数据。
[0087]
本实施方式中，探针针尖与待测三维样品表面发生相互作用，导致正交探针受力产生法向挠曲变形。
[0088]
再进一步，正交探针的一阶弯曲共振频率的获得方法包括：
[0089]
调整正交探针至预期位置后，通过扫频激振器进行扫频操作，获得一阶弯曲共振频率。
[0090]
作为示例，确定测试点位置的方法包括以下两种情况：
[0091]
1)对于高度为微米级的待测三维样品，在三维扫描过程中探针针尖不接触待测三维样品底部；首先粗调正交探针至待测三维样品侧壁y向的前方，再使正交探针沿z向运动至目标位置；使正交探针以平行于底部平面的0
°
矢量角伺服接触待测三维样品侧壁后停止伺服，再使待测三维样品沿y向以侧壁远离探针针尖的方向移动1至2nm，保证两个xyz纳米定位台在配合实现沿自定义斜向角度伺服时，所需补偿的由于正交探针上激光光斑移动造成的振幅衰减量在2.2％-6.8％之间。
[0092]
2)结合图11所示，对于高度为纳米级或亚微米级的待测三维样品，在三维扫描过程中探针针尖接触待测三维样品底部；首先粗调正交探针至待测三维样品的待测位置；使正交探针在待测三维样品的底部以垂直于底部平面的90
°
矢量角伺服接触待测三维样品后停止伺服，再使待测三维样品的z向坐标下降1至2nm，减少以自定义斜向角度伺服过程中由于正交探针上激光光斑移动产生的补偿误差。
[0093]
再进一步，对正交探针机械激励的驱动方式包括压电陶瓷驱动和磁场驱动。
[0094]
本实施方式中，所述压电陶瓷驱动包括：
[0095]
所述正交探针通过探针座连接探针手基座，探针座和探针手基座之间设置压电陶瓷；
[0096]
通过正弦电压驱动下的压电陶瓷实现正交探针在一阶弯曲共振频率下的机械振动。
[0097]
结合图8所示，探针手7分别由探针手基座7-1、压电陶瓷7-2、探针座7-3、正交探针7-4、屏蔽片7-5、正交探针固定板7-6和接线端子7-7组成。其中，探针手基座7-1和压电陶瓷7-2之间、压电陶瓷7-2和探针座7-3之间以及屏蔽片7-5和正交探针固定板7-6之间均有绝缘片，并且探针手基座7-1、压电陶瓷7-2、屏蔽片7-5和正交探针固定板7-6均与对应的接线端子7-7的接口电连接，正交探针固定板7-6和正交探针7-4电连接。接线端子7-7与对应的电气设备电连接。探针的受力变形由激光测力系统测量。
[0098]
结合图4至图6所示，正交探针7-4分别由横梁7-4-1、磁球7-4-2、纵梁7-4-3和前突探针针尖7-4-4组成。其中磁球7-4-2具有2个作用：1连接横梁7-4-1和纵梁7-4-3；2通过电感线圈16-3产生的磁场对正交探针进行驱动。测试中，探针针尖7-4-4和三维样品表面发生相互作用，从而导致探针受力产生法向挠曲变形，该信号由激光测力系统检测，并用于反馈控制整个扫描过程。基于矢量角度伺服方法，样品与探针尖端之间的距离误差可通过两个xyz纳米定位台沿自定义斜向角度的相对运动实现补偿，进而结合光栅式扫描实现三维成像。该发明突破了基于传统矩形梁探针法向信号的测量只能在水平面内进行二维表面特性表征的局限，利用正交探针的法向弯曲信号可实现样品三维表面的形貌和表面电势测量。
[0099]
所述磁场驱动包括：
[0100]
所述正交探针包括探针针尖、横梁、纵梁和磁球，探针针尖末端对应待测三维样品，首端连接纵梁的末端，纵梁的首端连接横梁的侧边框；在横梁与纵梁对应形成的空间内设置磁球；待测三维样品放置在开尔文样品台上；开尔文样品台内设置电感线圈；
[0101]
采用正弦电压信号驱动电感线圈产生交变的磁场，交变的磁场驱动指定方向磁化后的磁球，从而通过电磁力矩的作用实现正交探针在一阶弯曲共振频率下的机械振动。
[0102]
本实施方式提供了压电驱动与磁驱动集成的三维测量系统配置。与传统的kpfm相比，本发明方法通过正交探针的弯曲信号作为反馈实现了样品三维表面形貌和三维表面电势的同步表征，对于三维微纳电子器件整体性能的监测控制与技术改革具有重大意义，并且无需对kpfm测试系统或开尔文控制器进行任何改动，兼容现有kpfm测试系统，在kpfm测试方法及系统研究领域具有很高的实用价值。
[0103]
下面，结合图1至图20，对本发明的具体实施方式进行详细的说明：
[0104]
1、系统初始化，把准备好的样品16-9固定到样品座16-4上、正交探针7-4安装在探针手7上，然后分别将开尔文样品台16和探针手7安装在样品台支架15和探针手支架10上，最后将接线端子与对应的设备进行电连接；
[0105]
2、移动xy微米定位台13，通过光学显微镜21初步定位样品16-9，选择合适的测量区域，并移动该区域到光学显微镜21的视场中心；
[0106]
3、移动一维大量程调整微平台11和xyz微米定位台8，粗对准正交探针7-4，将探针针尖置于第2步中所选择的合适测量区域上方，调整正交探针7-4的激光光斑于探针横梁的前端中心；
[0107]
4、通过扫频激振器对正交探针7-4进行扫频操作，以获得正交探针7-4的一阶弯曲共振频率；
[0108]
5、确定扫描位置，根据样品的不同主要分为两种：1)三维结构高度较大的样品，在三维扫描过程中针尖不会接触三维结构底部，通过xyz微米定位台8粗调移动正交探针7-4至待测样品侧壁y向的前方，直接下降正交探针7-4至待测z向位置。以平行于底部平面的0
°
矢量角伺服接触侧壁，停止伺服并迅速移动样品xyz纳米定位台14的y向坐标向远离侧壁面方向撤回约1至2nm，保证探针手xyz纳米定位台9和样品xyz纳米定位台14配合实现斜向矢量角度伺服时，所需补偿的由于探针上激光光斑移动造成的振幅衰减量较小以减少误差；2)对于侧壁高度较小的样品，在扫描过程中针尖7-4-4需要接触三维结构底部，因此，首先通过xyz微米定位台8粗调移动正交探针7-4至待测位置。在三维结构的底部以垂直于底部平面的90
°
矢量角伺服接触，停止伺服并迅速下降样品xyz纳米定位台14的z向坐标约1至2nm高度，尽可能减少斜向矢量角度伺服过程中由于激光光斑移动产生的补偿误差；
[0109]
5、将正交探针7-4的激光光斑重新调整到探针横梁的前端中心，准备开启上位机-位置伺服控制；
[0110]
6、在探针一阶弯曲共振频率下对探针进行机械激励(um)，本发明介绍了两种驱动方式，但并不局限此两种驱动方式：1)压电陶瓷驱动，通过正弦电压驱动下的压电陶瓷7-2实现探针在一阶弯曲共振频率下的机械振动；2)磁场驱动，利用开尔文样品台16中的电感线圈16-3在正弦电压信号驱动下产生交变的磁场驱动指定方向磁化后的磁球7-4-2，从而通过电磁力矩τ的作用实现探针一阶弯曲共振频率下的机械振动。利用激光测力系统检测正交探针7-4产生的谐振信号，并通过图2所示锁相放大器1获得探针的弯曲振幅信号，然后
启动位置伺服控制，控制探针手xyz纳米定位台9的y轴坐标和样品xyz纳米定位台14的z轴坐标，使得样品16-9在yz平面内以自定义矢量角度快速接近正交探针7-4，直至正交探针7-4的弯曲振幅等于设定值；
[0111]
7、在正交探针7-4和样品16-9之间施加指定频率的电激振(u
ac
)，并通过锁相放大器2获得弯曲振动信号中该指定频率下的振幅，然后获得u
dc
与该指定频率下探针弯曲振动振幅信号的关系曲线，并选取探针弯曲振动振幅信号的设定值；
[0112]
8、开启开尔文控制器，该程序将锁相放大器2输出的振幅作为反馈信号，控制直流电源输出一个直流补偿电压(u
dc
)作用在正交探针7-4和样品16-9之间，从而补偿正交探针7-4和样品16-9表面之间的局部电势差(u
cpd
)，以确保锁相放大器2输出的振幅等于探针弯曲振动振幅信号的设定值；
[0113]
9、通过以上步骤，可由直流电源输出的电压(u
dc
)及其与探针弯曲振幅的关系曲线，获得正交探针7-4和样品16-9的局部电势差(u
cpd
)；
[0114]
10、设置扫描步距和扫描点数，然后启动图像扫描。
[0115]
实验效果：利用本发明中的装置和方法对三维光栅结构进行测量扫描；图15至图20是光栅样品的三维扫描图像结果，其中图15为三维表面形貌图，右侧条带表示z向坐标高度；图16为三维表面电势图，右侧条表示表面电势差值，即接触电势差(contact potential difference，cpd)大小；图17为对应图15和图16数据表征的四维视图，右侧条带表示表面电势信息，x、y、z三坐标轴表示了三维结构的空间分布范围。图18和图19是对应图13中虚线的剖面线图，分别是表面形貌和表面电势差图像，结果显示三维光栅高度为560nm，其顶部与底部的表面电势差为0.3v。图20是对应图16的数据统计分布及拟合结果图，结果显示三维光栅样品顶部材料与底部材料存在表面电势差，这与该光栅底部为si，顶部为sio2相关。其中扫描范围为2μm*6.5μm,扫描点数为100*325。
[0116]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。