传统的原子力显微镜(AFM)受针尖形状和放置方式的影响很难测量线条的宽度和两个侧壁的形状, 故本文提出采用双探针对顶测量方案来消除AFM针尖形状对测量结果的影响。介绍了一种基于机器视觉的双探针原子力显微镜对准系统, 该系统将两个探针接触到一起, 实现了双探针在三维方向上的对准。系统采用具有亚微米级分辨率的镜头, 配合高分辨率的CCD来获得探针的清晰图像, 用于在水平和垂直两个方向实时监控双探针的运动情况。采用基于石英音叉式的自传感自调节的原子力探针, 无需外加光学探测系统, 缩小了系统体积, 避免了杂散光对视觉对准系统的干扰。最后对针尖进行了亚像素边缘提取, 精确地获取了探针之间的相对位置, 实现了亚微米级的双探针对准(1 μm以内)。该结论由探针之间距离与幅度/相位曲线得到了验证。

针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要，中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量。为了将位移精确溯源到国际单位米，研制了单频8倍程干涉仪测量位移，样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量。一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定，作为干涉仪的参考镜。两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x -y方向的相对位置。样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上，由压电陶瓷位移台驱动。另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移，探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差。由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差，采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差，修正后干涉仪测量误差减小为0.7 nm。