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纳米尺度的线宽测量一直以来都是纳米计量领域的重点和难点,集成电路的快速发展又对线宽测量提出了更高的要求。作为扫描探针显微镜(SPM)的一种,原子力显微镜(AFM)可实现准三维测量,在纳米尺度的线宽测量中被广泛应用。不过,相比于线高度和线间隔的测量来说,传统的AFM受限于探针尺寸和测量原理,无法实现线宽的准确测量。本文提出双探针原子力显微镜可以消除普遍存在于AFM中的探针尺寸对测量结果的影响。其关键在于两个探针在三维方向上的对准。论文研究双探针对准方法,并设计出一套用于双探针对准的实验装置,最终实现纳米级的双探针对准。具体研究内容归纳如下：1、研究单个特殊形状探针与双探针AFM在测量线宽时的区别,分析双探针AFM如何消除探针尺寸对测量结果的影响,提出一种利用基于石英音叉的Akiyama探针实现双探针线宽测量方法以及双探针对准方案。利用有限元技术分析探针针尖的运动轨迹,为利用近场力进行针尖对准提供理论依据。2、开发基于Akiyama探针的AFM测头和信号处理系统。针对双探针AFM在针尖对准和线宽测量时的两种测量模式：顶端模式和关键尺寸(CD)模式,开发不同结构的测头并进行性能测试,实现了纳米级测量分辨率。特别是CD模式下测头的性能测试为双探针纳米级对准提供实验依据。3、研究双探针AFM对准方法。针对Akiyama探针提出基于亚像素边缘检测的视觉对准方法。研究利用近场力对准的纳米级对准方法,即在恒高模式下逐步缩小扫描范围和扫描步进的扫描成像方法。4、设计了双探针AFM针尖对准的实验装置并测试其性能。建立集成了基于图像视觉以及近场力扫描的对准装置。利用垂直方向和水平方向实时的高分辨率探针图像,通过视觉对准方法可以将两个探针对准到1μm左右。视觉对准结束后用一侧探针对另一侧探针扫描成像并计算幅度或频偏信号的极值点坐标,以该坐标作为针尖坐标。随后逐步缩小扫描范围和扫描步进,得到更为精确的针尖图像,最终实现了双探针的纳米级对准,对准精度为3nm。