随着半导体工业的发展,元件的集成度越来越高,其关键单元的特征尺寸已经达到数十纳米。在生产过程中,测量样品特征尺寸往往是难以突破的重点,在不得已的情况下,甚至需要破坏样品进行测量。目前采用的技术方法已经很难满足当前元件尺寸的要求。原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是纳米科学技术领域中的常用工具,其扫描过程中可以不损伤样品。AFM扫描成像前需要手动或半自动操作步骤实现探针与样品逼近过程,自动化程度低、操作繁琐,探针容易受损。而且目前大多数科研型AFM只能对样品实现2维或2.5维的扫描成像过程。上述存在的问题,严重影响了生产过程中的自动化水平和检测样品的技术方法。所以,AFM在工业生产中往往面临着大量的技术提高。本文的主要研究内容如下:(1)查阅国内外相关技术文献,总结综述了原子力显微镜系统的研究现状和相关技术的发展趋势,制定了粗精结合的分段式自动定位方法进行自动聚焦,确定了探针-样品自动逼近的方法,提出了实现样品三维测量的方案。(2)采用自动聚焦定位方法,对计算机视觉中的自动聚焦算法进行了改进,提出了一种最强边缘拉普拉斯算子均值算法,实验验证了方法具有良好的抗噪性能,提高了聚焦的精度与算法的普适性,适用AFM长行程、不同纹理样品自动聚焦。(3)提出了一种粗精结合的分段式自动定位方法。在粗定位阶段,确定探针和样品的相对位置;在精定位阶段,采用精确力反馈控制方法,当样品和探针作用力超过设定值时,探针在Z向纳米平台的带动下能够自动回退,使针尖得到有效保护。通过这两种方法的有效技术融合,可以实现探针-样品逼近过程的自动化操作,提高AFM的易用性和使用效率。(4)对AFM成像方法进行研究,提出了一种基于反馈控制的三维结构测量方法,控制系统能够根据不同侧壁方向调整探针的反馈运动角度,实现探针针尖与样品侧壁的有效触碰,达到侧壁形貌检测的目的。在自制3D-AFM平台上进行了三维测量方法实验验证,获得了栅格结构的侧壁形貌信息和三维形貌,实验结果证明该方法能够有效地实现刻线结构样品三维形貌测量。