随着微纳米制造技术的发展,对测量技术的要求不断提高。原子力显微镜(AFM)作为一种重要的测量手段,可以实现对微纳结构或器件表面的纳米甚至亚纳米级分辨力的尺寸表征。目前,原子力显微镜在测量精度、测量范围、测量效率等多方面,朝更高的方向发展。本文围绕这一主题,开发自感应AFM测头,在此基础上一方面研究测头与大范围纳米定位平台结合,在实现纳米级分辨力的基础上,使测量范围达到25 mm×25 mm×5 mm,另一方面研究AFM结合白光扫描干涉的复合式测量方法,以提高原子力显微测量的效率。课题的研究内容和成果可归纳为以下几个方面:1.对新型音叉式探针进行理论建模和有限元分析。构建新型音叉式探针的二自由度力学等效模型,分析探针存在的两个固有一阶谐振频率。建立探针的电学等效模型,讨论探针内寄生电容和由此产生的并联谐振干扰。利用有限元分析方法构建探针模型,通过模态分析和谐响应分析,解释了音叉式探针的工作原理,分析探针存在的几个固有谐振频率,并从中选择出探针合理的工作频率。2.基于自感应音叉式探针开发原子力显微测头。研究探针自感应信号的处理方法,实现纳安级电流的放大和寄生电容的补偿。提出针对测头的动态调制方法,采用辅助跟踪振荡式调频模式,节省补偿寄生电容而带来的调试步骤,提高测头的工作稳定性。提出基于激光多普勒测振仪的探针机电耦合系数的标定方法,实现悬臂梁振幅的快速计算。3.将测头与大范围纳米定位平台结合,构建大范围原子力显微测量系统。系统利用双反馈的复合测量模式实现三维方向的大范围测量。提出简便的压电陶瓷位移台的标定方法,并通过内嵌激光干涉仪将测量数据溯源至“米”定义。提出基于大范围纳米定位平台的将AFM与白光扫描干涉测量相结合的复合式测量方法,通过白光扫描干涉测量的辅助定位提高原子力显微测量的效率。4.对复合式测量系统进行性能测试和应用实验。通过测量一系列标准样板,验证系统具有大范围的测量能力、纳米级的分辨力和较好的测量重复性。在双反馈模式下,对大尺寸光学正弦曲面进行测量,实现了器件表面轮廓信息和粗糙度信息的自动分离。采用白光扫描干涉方法在毫米级范围对样品预先粗测量以定位感兴趣区域,之后使用AFM对微米级范围局部区域进行精密测量,实现了原子力显微测量效率的提升。