大尺度可溯源3D原子力显微测量技术
技术描述
传统的原子力显微镜（AFM）在科学研究和工业制造中被广泛应用，但本质上作为1D传感系统，其缺乏真正的3D测量能力，主要适用于相对平坦表面的测量。然而，随着纳米制造技术的飞速发展，所能制造出的元器件的特征尺寸不断缩小、结构日益复杂，整体尺度却逐渐扩大，这对纳米测量技术提出了更高的挑战。不仅需要测量设备具备更高的精度和准确度，更要求其具备更高的测量速度和全面的3D测量能力。 针对上述挑战，本项目旨在前期研究成果和经验积累的基础上，开发一台大尺度（晶圆级）可溯源3D原子力显微测量系统。该系统将采用光学偏转检测（OBD）技术测量悬臂梁角度的变化（弯曲和扭转），并通过正交相位差干涉技术精准探测探针针尖位置的变化。悬臂梁的位置、弯曲、扭转信息结合其弹性常数和尺寸数据，可精确计算出探针针尖处的正交力矢量，从而实现高精度的3D测量。 正交相位差干涉技术直接测量探针针尖位置的变化，不仅能够提高测量的定量化程度，而且能够有效避免OBD测量中垂直和侧向偏转信号间的串扰以及OBD校准过程中的不确定性，从而显著提高AFM的测量精度。同时，物理量长度的测量可以直接追溯到国际单位SI米，确保测量的准确性和可靠性。
技术优势
1. 本技术核心竞争优势 本技术致力于形成具有革新意义的晶圆级尺度可溯源3D原子力显微测量(AFM)系统，其将突破现有技术界限，实现以下主要技术指标： （1）同步3D形变测量：实现AFM悬臂梁3D(位置和角度）形变同步测量，显著提升测量的全面性和准确性。 （2）高速扫描：扫描速度将超越现有标准，达到 > 4mm/s，极大提升检测效率。 （3）多样化扫描模式：支持接触模式和动态模式，兼容LFM、EFM和PFM等多种高级扫描模式，满足多样化研究需求。 （4）晶圆尺度原子级分辨率：系统将在晶圆尺度范围内实现原子级分辨率成像，为纳米结构分析提供前所未有的精确数据。 （5）高溯源性：系统将具备高度的溯源性，确保测量结果的可靠性和可重复性。 2. 市场竞争预测(其他同类产品情况、其他公司情况) 全球范围内主要量检测设备企业包括科磊半导体、应用材料、日立等。科磊半导体一家独大，根据VLSI Research的统计，2020年其在量检测设备的合计市场份额占比为50.8%，全球前五大公司合计市场份额占比超过82.4%，均来自美国和日本，市场集中度高，国内企业市场份额不足1%。 全球AFM市场格局与半导体量检测市场呈现相似分布，AFM厂商包括布鲁克、牛津仪器、Park等。布鲁克全球市场份额占比45%，全球前五大AFM厂商合计市场份额占比接近80%，市场集中度高，国内企业市场份额依旧不足1%。
效果指标
1. 目标市场、市场规模等 1.1目标市场 半导体量检测： 半导体量检测：在半导体制造中，量检测贯穿始终，是良率的重要保证。光学显微镜、电子显微镜、散射测量等由于原理性的限制，往往难以在特定的环境下实现更高的分辨率，不能进行3D测量。AFM作为一种具有原子级高分辨率的尖端仪器，被广泛应用于半导体制造领域，能够3D成像，实时监测和分析器件的表面结构和性能，优化制造工艺，提高半导体器件性能和生产效率。 除在半导体领域的应用外，AFM也可应用于生命科学、医药研发、材料科学等领域。在生命科学领域，用于细胞生化生理过程、分子操纵（切割染色体、细胞膜打孔）等；在医药研发领域，用于疾病研究和诊断（肿瘤细胞结构观察和机械特性研究）、药物有效性评价（药物刺激下活体细胞构象变化）等；在材料科学领域，除形貌测量之外，用于测量材料弹性模量、介电常数、磁学性质、观察聚合物链的排列和相变过程等。 1.2市场规模 据SEMI统计，2021年全球半导体量检测设备市场规模为80.3 亿美元，2016-2021其市场的CAGR为11.0%。受益于下游晶圆厂大幅度扩产，近年来大陆量检测设备市场迅速扩张。2021年中国大陆半导体量检测设备的市场规模为25.3亿美元，同比增长20.5%，是全球第一大市场，同时，大陆市场增长迅速，2016-2021年复合增长率为29.3%，显著高于全球市场的增长率。 据GII数据研究表明，AFM市场规模将从2023年的4.86亿美元增至2030年10.14亿美元。其中亚太区市场增速最快，将以16.35%的年复合增长率从1.51亿美元增至4.74亿美元，届时成为全球最大的AFM地区市场。 2. 成果的推广、应用、示范情况 本技术所开发的晶圆级尺度的可溯源3D AFM测量系统将通过技术转让、技术许可和孵化企业等方式迅速、全面推向市场，实现技术价值的最大化。 团队将寻求与行业内外的技术领先企业（如半导体制造和量检测设备厂商）或研究机构进行技术转让合作。对于AFM有使用需求但自身不具备研发能力的企业，团队将提供技术许可服务，使更多企业能够受益于该技术，同时也通过技术许可获得稳定收益。团队还将积极考虑孵化相关企业，推动整个产业链的繁荣发展。