一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率自適應(yīng)形貌測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)面形質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率 自適應(yīng)形貌測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著精密加工技術(shù)的發(fā)展，各種微結(jié)構(gòu)器件不斷出現(xiàn)，這些微結(jié)構(gòu)器件通常具有 復(fù)雜的面形幾何特征，具體表現(xiàn)為垂直側(cè)壁、陡峭斜坡、尖端銳角等。目前對(duì)于這些微結(jié)構(gòu) 器件的測(cè)量主要難點(diǎn)在于：受測(cè)量系統(tǒng)本身最大可探測(cè)角的限制，導(dǎo)致在陡峭斜坡區(qū)域存 在一定的測(cè)量盲區(qū)，在測(cè)量結(jié)果中引入不可補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量誤差；如何快速準(zhǔn)確地測(cè)量這些微 結(jié)構(gòu)器件已成為亟待解決的科學(xué)難題。
[0003] 近年來人們做了大量研宄工作來解決這個(gè)問題，白光干涉技術(shù)是測(cè)量深溝槽型微 結(jié)構(gòu)最為常見的測(cè)量方法，這其中以華中科技大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)和中北大學(xué)為代表，該方 法受物鏡數(shù)值孔徑限制，測(cè)量系統(tǒng)具有較小的最大可測(cè)量角，測(cè)量誤差對(duì)被測(cè)面形的斜率 非常敏感。探針主動(dòng)偏置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大斜率樣品完整形貌的準(zhǔn)確測(cè)量，但該方法的測(cè)量 可靠性與精度依賴于實(shí)驗(yàn)員的操作經(jīng)驗(yàn)，在形貌重構(gòu)中采用的數(shù)據(jù)融合算法偶爾也會(huì)發(fā)生 特征匹配失誤等情況。浙江大學(xué)居冰峰教授自主研發(fā)了一種新型STM系統(tǒng)和高縱橫比的 STM探針，通過旋轉(zhuǎn)被測(cè)樣品的方法成功地測(cè)量了斜率90°的梯形結(jié)構(gòu)的表面形貌，但該 方法的測(cè)量過程耗時(shí)較長(zhǎng)，通過旋轉(zhuǎn)掃描引入的測(cè)量誤差較大，無法通過補(bǔ)償消除。
[0004] Weckenmann, A.等提出了旋轉(zhuǎn)探針的方法來減小測(cè)量偏差，并通過仿真驗(yàn)證了該 方法的可行，Henselmans et al設(shè)計(jì)了一種非接觸式測(cè)量機(jī)，測(cè)量光學(xué)自由曲面表面輪廓， 這兩種方法都通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)觸針來測(cè)量陡峭斜坡表面，然而由于所采用的觸針的橫向分辨 率為幾百微米，因此不能對(duì)幾到幾百微米的微結(jié)構(gòu)的表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，限定了其使用范 圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決已有形貌測(cè)量方法中存在的技術(shù)難題，提高對(duì)復(fù)雜面形微形貌的測(cè)量能 力，我們發(fā)明了一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率自適應(yīng)形貌測(cè)量方法。該測(cè)量方法的具體技術(shù) 方案詳見下文描述：
[0006] 本發(fā)明所涉及的一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率自適應(yīng)形貌測(cè)量方法，建立在已有的 發(fā)明專利（專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510219579. 5)"一種XYZ - β四維掃描探針微形貌測(cè)量系統(tǒng)" 基礎(chǔ)之上。所述的一種XYZ - β四維掃描探針微形貌測(cè)量系統(tǒng)，如圖1包括：精密氣浮隔震 工作臺(tái)（1)、ΧΥΖ - β四維掃描模塊（2)、微探針模塊（3)、龍門式橋架（4)、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模 塊（5)、信號(hào)分析處理模塊(6)、四維掃描控制模塊（7)等。所述的微探針模塊為一種觸針 式位移傳感器，固定在所述的龍門式橋架上，可對(duì)樣品（8)進(jìn)行掃描測(cè)量；所述的XYZ - β 四維掃描模塊由基座（2-1)、β旋轉(zhuǎn)軸承（2-2)和XYZ微位移平臺(tái)（2-3)三部分組成，所述 的β旋轉(zhuǎn)軸承固定在基座（2-1)上，所述的XYZ微位移平臺(tái)剛性連接在β旋轉(zhuǎn)軸承（2-2) 的凸臺(tái)上，其中XYZ微位移平臺(tái)上放置有被測(cè)樣品（8)，所述的XYZ - β四維掃描模塊可使 樣品（8)在X、Y、Z三個(gè)方向作直線運(yùn)動(dòng)，在X-Z平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；以上所述的XYZ - β 四維掃描模塊和龍門式橋架都設(shè)置在精密氣浮隔震工作臺(tái)（1)，確保測(cè)量過程不受外界振 動(dòng)干擾。
[0007] 在此測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率自適應(yīng)形貌測(cè)量方法 的測(cè)量步驟如流程圖2所示：
[0008] 第一步將被測(cè)樣品固定在XYZ微位移平臺(tái)上，在所述的XYZ微位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下 使觸針與樣品表面平滑區(qū)域接觸；確定接觸后，再在XYZ微位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下使樣品沿X軸 方向勻速運(yùn)動(dòng)；此時(shí)所述的觸針將以一定的采樣頻率等間距掃描樣品，當(dāng)掃描幾個(gè)點(diǎn)后，當(dāng) 前測(cè)量點(diǎn)Pi處的斜率角P可以通過已測(cè)點(diǎn)的值一階擬合預(yù)測(cè)。
[0009] 第二步系統(tǒng)通過計(jì)算分析可將當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)Pi處的斜率角P與觸針的最大可探 測(cè)角Θ進(jìn)行比較。若ρ小于或等于某一設(shè)定角度（比如)則系統(tǒng)默樣品表面斜率變 化在一個(gè)合理范圍內(nèi)，此時(shí)只需對(duì)樣品保持平移掃描而不用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描；P = Θ為觸針 與樣品發(fā)生輪廓干涉的臨界條件，考慮到測(cè)量中測(cè)量和計(jì)算誤差的影響，因此若Θ - 1° < P < Θ+Γ可以推測(cè)觸針與樣品之間發(fā)生了輪廓干涉，觸針與樣品表面的接觸點(diǎn)位于 觸針的側(cè)壁上而不是其尖端，因此會(huì)產(chǎn)生輪廓干涉誤差，此時(shí)需要對(duì)樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描；若 可知雖然觸針與樣品之間沒有發(fā)生輪廓干涉，但系統(tǒng)認(rèn)為樣品表面的斜率 變化超出了一個(gè)合理的范圍，需要對(duì)樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。
[0010] 第三步在上述所述的需要旋轉(zhuǎn)掃描的情況下，所述的XYZ微位移平臺(tái)和樣品將會(huì) 在β旋轉(zhuǎn)軸承的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，其特征是：所述的β旋轉(zhuǎn)軸承由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可按照設(shè)定 好的步進(jìn)指令，逐次旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定角度。
[0011] 應(yīng)當(dāng)指出的是：由于β旋轉(zhuǎn)軸承在旋轉(zhuǎn)過程中存在一定的運(yùn)動(dòng)誤差，并且誤差范 圍會(huì)隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，因此根據(jù)測(cè)量誤差要求，能夠確定一個(gè)最大可旋轉(zhuǎn)角Φ ;被 測(cè)樣品的累積旋轉(zhuǎn)角γ將受到P的限制，其大小應(yīng)為0° 之間。當(dāng)所述的被測(cè)樣品的 累積旋轉(zhuǎn)角γ大于最大可旋轉(zhuǎn)角P時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)停止測(cè)量；或者當(dāng)觸針在被測(cè)樣品旋轉(zhuǎn)過 程中有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，證明觸針與被測(cè)樣品之間發(fā)生了擠壓，為防止所述的觸針和被 測(cè)樣品的損壞，系統(tǒng)也要停止測(cè)量。
[0012] 第四步在滿足上述旋轉(zhuǎn)測(cè)量要求后，所述的被測(cè)樣品每旋轉(zhuǎn)一次，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)樣 品進(jìn)行重新掃描，從而得到一組新的掃描數(shù)據(jù)。根據(jù)新的掃描數(shù)據(jù)，可對(duì)當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)Pi處 的斜率角ρ進(jìn)行重新擬合預(yù)測(cè)，然后再將新的預(yù)測(cè)值ρ與最大可探測(cè)角Θ進(jìn)行比較。以 上所述過程將重復(fù)循環(huán)進(jìn)行，直到當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)Pi處的斜率角P< 為止。
[0013] 第五步根據(jù)掃描結(jié)果重構(gòu)樣品表面形貌。系統(tǒng)首先判斷樣品表面掃描是否結(jié)束， 若沒有結(jié)束則返回第一步繼續(xù)進(jìn)行掃描。若掃描已經(jīng)結(jié)束，則系統(tǒng)根據(jù)觸針式位移傳感器 的輸出值，XYZ微位移平臺(tái)的移動(dòng)量、β旋轉(zhuǎn)軸承的旋轉(zhuǎn)量和觸針尖端半徑的大小可以重 構(gòu)出樣品表面形貌特征。
[0014] 如上所述的一種用于微結(jié)構(gòu)工件的斜率自適應(yīng)形貌測(cè)量方法，更進(jìn)一步說明為， 上述第二步中判斷采用何種掃描方式時(shí)，是根據(jù)當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)Pi處的斜率角P與的大小 關(guān)系判定的。其中是依據(jù)測(cè)量誤差要求人為設(shè)定的，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可根據(jù)測(cè)量要 求自行調(diào)節(jié)其大小。
[0015] 本發(fā)明的有益效果
[0016] 與以往的微結(jié)構(gòu)形貌測(cè)量方法相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0017] 提供了一種簡(jiǎn)單、有效地測(cè)量具有復(fù)雜面形特征的微結(jié)構(gòu)的方法，該方法能夠根 據(jù)樣品表面形貌變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)觸針與樣品間的相對(duì)夾角，使觸針在掃描樣品時(shí)適應(yīng)樣品 表面的斜率變化，不至于發(fā)生輪廓干涉現(xiàn)象。掃描結(jié)束后根據(jù)觸針式位移傳感器的輸出值， XYZ微位移平臺(tái)的移動(dòng)量、β旋轉(zhuǎn)軸承的旋轉(zhuǎn)量和觸針尖端半徑的大小可