随着半导体制造工艺的不断发展,晶圆尺寸越来越大,晶圆上的特征结构则越来越小。为保证不同工序的定位重复性和尺寸一致性,具有计量效果的晶圆检测变得至关重要。原子力显微镜(AFM)具有高分辨三维测量能力,在半导体检测领域有着广泛的应用。但目前大多数具备计量功能的AFM系统均采用样品扫描方式,样品台难以承载大尺寸晶圆样品;而能够用于晶圆检测的探针扫描式AFM又大多采用管式扫描器,扫描轨迹存在拱形畸变,不满足计量要求。针对上述问题,本文研制一种面向12英寸晶圆检测的探针扫描式AFM系统,该系统采用平板扫描器消除了拱形畸变;设置六路激光干涉仪安装孔位用于尺寸测量结果的溯源。课题完成的具体工作如下:1.介绍了晶圆特征结构的典型检测方法,分析了现有原子力显微镜系统在用于晶圆计量性检测时的局限性。2.搭建了一套可用于12英寸晶圆检测的AFM测量平台。完成了大理石框架结构的设计组装以及三维大行程粗定位平台的安装调试;基于量值溯源的需求提出了计量方案的设计思路。3.研制了一种具有三维正交扫描功能的AFM测头。完成了三维随动式光杠杆检测光路和正置显微观察光路的搭建和调试;设计了基于串联式二维平板扫描器、Z扫描器及补偿扫描器的扫描系统;开发了适用于该测头的探针夹持机构及换针方法。4.对所搭建的AFM系统进行了整体性能测试。标定了检测光路和扫描器的灵敏度,测量了由扫描器运动引起的光杠杆检测误差,评估了系统的成像噪声,验证了系统在接触模式和轻敲模式下的扫描成像能力和测量结果准确性。