纳米尺度线宽的测量是纳米计量研究领域中的一个重要问题。它是在纳米尺度对刻线或其它表面特征的宽度进行测量的技术。近年来迅猛发展的半导体集成电路制造业是推动纳米线宽测量技术发展的主要源动力之一。微机电系统和数据存储等领域的发展同样需要对纳米线宽进行高精度的测量。原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）由于其具有纳米级分辨率的三维成像能力，以及对样本材料和测量环境广泛的适应性而成为纳米线宽测量研究中的重要工具。本文针对目前 AFM测量线宽中所存在的探针膨胀效应问题，进行了基于 AFM的纳米尺度线宽测量技术的研究。　　分析了AFM的工作原理、仪器结构和工作模式，从形态学的角度提出了一个AFM成像的数学模型。分析了AFM在线宽测量中的应用以及对测量图像影响较大的一些因素，并对AFM探针的膨胀作用、压电晶体的非线性以及测量环境和仪器参数的设置等进行了研究。　　根据AFM的扫描过程和特点，研究了扫描过程中去除噪声的方法，分析了不同滤波方法对线宽测量结果的影响。研究了图像中物体刻线进行刚体转动和平移的计算方法以及转动后的插值和拟合。为了获得样本的真实几何尺寸信息，剔除测量方法和仪器误差对测量结果的影响，本文建立了一个线宽测量模型和相应算法，并利用Matlab开发了相关软件来计算相应参数。　　为了研究 AFM轻敲模式下探针振动对测量刻线边墙的影响，建立了AFM轻敲模式工作时的微悬臂振动模型，并在此基础上建立了描述探针顶点振动轨迹的数学模型，分析了微悬臂和探针等参数对探针顶点振动轨迹的影响。建立了AFM轻敲模式成像的数学模型，仿真分析了扫描具有陡峭边墙的样本线宽时由探针振动引起的膨胀效应，该效应使刻线的中部线宽和底部线宽测量值产生了较大失真，并随着探针顶点振动轨迹扫描方向的最大偏移增大而增大。对微悬臂参数、探针轮廓和探针顶点振动轨迹进行了仿真分析，分析结果表明在实际测量中修改微悬臂参数无法消除由振动引起的膨胀效应，不能测得双侧边墙都不失真的刻线，只有通过采用适当形状的探针来解决单侧边墙失真问题。　　建立了图像重建模型，研究了图像重建如何消除探针膨胀效应的问题。应用纳米管探针测量了刻线线宽，经过图像重建恢复了刻线一侧边墙数据。为了使刻线的两个边墙都能消除由探针引起的失真，采用了一种双图像拼接的方法，把样本旋转180°前后两次测量的图像中边墙失真较小的部分拼成一幅图像。提出了一种基于刻线顶部中线的方法拼接前后两次测量图像，采用图像配准技术中的ICP算法，以两幅图像的中刻线的顶部中线为基准选取点集，实现一幅图像中像素位置对应物理点在另一幅图像中像素位置的定位。　　研究了样本位置误差的计算和修正方法。用装有纳米管探针的AFM测量了纳米尺度刻线样本，并进行了图像重建和图像拼接。依据测量不确定度估计的相关理论，提出了评定包括来源于图像重建和图像拼接等多种误差的不确定度的方法，建立了使用NanoscopeIII型 AFM测量线宽的不确定度估计体系，并进行了相关评定。计算出了刻线顶部线宽、中部线宽和底部线宽及其合成标准不确定度和扩展不确定度。测量和计算结果表明图像重建和图像拼接对测量不确定度没有明显影响，刻线宽度和边墙角却都得到了较好地改善。图像重建和基于刻线顶部线宽的双图像拼接方法的提出，对消除探针拓宽作用提供了一个新的思路。