随着集成电路制造业的迅速发展,芯片内的刻线宽度作为其工艺特征尺寸已下降到100nm以下量级。半导体刻线加工精度的不断提高对检测设备的测量精度提出了更高的要求。原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)因具有以纳米级分辨率获得样品表面三维形貌的能力而被用作纳米测量的重要工具。为了使AFM适应半导体刻线测量的要求,对AFM的扫描方式及其测量误差的研究有着十分重要的理论意义和实用价值。恒力模式是AFM的主要工作模式之一,它具有分辨率高和测量速度快的优点。根据扫描方式的不同,它包括平行扫描和横向扫描,由于针尖-样品夹角不确定性、摩擦力、光斑位移传感器(PSPD)的旋转角度、探针与悬臂梁中线位置偏差等因素的存在会产生串扰效应,使得两种扫描方式的测量结果均存在较大的测量误差。为克服上述缺点,本课题在研究各因素对测量结果影响的基础上,提出了一种新的扫描方法以消除串扰效应对测量结果的影响。在对恒力模式下影响测量结果的因素进行综述的基础上,分析针尖-样品夹角及摩擦力分别对平行扫描和横向扫描下测量结果的影响,包括对形貌的影响和针尖-样品间作用力的影响,并证明了针尖-样品夹角使得平行扫描存在测量盲区,而摩擦力决定横向扫描下不可测量区域的大小。理论上横向扫描在可测量区域对样品形貌的测量不存在误差,因此更适用于形貌测量,但过大的作用力可能导致样品表面的损伤。在研究AFM中串扰效应产生机理的基础上,分析了光路串扰效应、几何串扰效应及机械串扰效应对测量结果的影响,通过理论分析和仿真结果发现,几何串扰效应相比较其他串扰效应对测量结果的影响最大。分析结果还显示,悬臂梁的横向扭转是导致光路串扰效应的直接原因,因此针尖-样品夹角及摩擦力是影响光路串扰效应的主要原因。对不同试样的仿真结果证明了横向扫描下样品形貌的测量也存在较大误差。为消除上述影响,本文提出了一种恒力横向扫描方法,该方法在测量过程中通过反馈控制器始终保持针尖-样品作用力恒定在一个较小值,以避免对样品表面造成损伤,在每一扫描点处同时采用扫描器的位移量和悬臂梁末端的偏转量来表征该点的高度信息。在该方法中对AFM中的串扰效应分别进行了修正,首先通过实验法测量并计算出PSPD的旋转角,进而消除几何串扰效应;其次,采用相应的算法,根据PSPD的信号输出直接计算得到悬臂梁的实际形变量以消除光路中串扰效应的影响;最后,采用实验法得到垂直作用力下悬臂梁扭转角与偏转角的比值,以消除机械串扰效应的影响。由于采用横向扫描,因此该方法同时还可以消除针尖-样品夹角及摩擦力对测量结果的影响。在理论和仿真研究基础上,利用测量梯形截面的Si刻线样品,对恒力横向扫描方法的可行性进行了实验验证,并与平行扫描和横向扫描下的测量结果进行对比。结果证明所建立的扫描方法可有效地减小串扰对测量的影响。本文最后还通过实验证明了针尖张角所导致的卷积效应和悬臂梁刚度对新扫描方法下测量结果产生的影响,并提出相应的抑制手段。