[发明专利]微阵列型复杂曲面光学元件的复合测量系统与测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微结构形貌测试。特别是涉及一种将白光扫描干涉法与自感应音叉式原 子力显微测头相结合的微阵列型复杂曲面光学元件的复合测量系统与测量方法。

背景技术

超精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度优于0.1μm，表面粗糙度Ra≤0.01μm的所有 加工技术。超精密加工技术向前延伸，当加工精度达到纳米级或加工对象的尺度在纳米级时， 称为纳米加工技术。目前，超精密加工和纳米加工技术呈现出的特点是：加工方法多样、加 工材料种类丰富、加工结构和形状趋向复杂、加工表面精度高(面形误差小、表面粗糙度低)。

多种加工方法包括：由传统加工方法发展而来的超精密加工方法，例如：单点金刚石车 削、磨削方法、铣削方法等；由微电子集成电路(IC)制造发展而来的加工方法，例如：光 刻、ICP刻蚀、RIE刻蚀、化学气相沉积(CVD)等；可实现非硅类材料加工的方法，例如： LIGA、飞秒激光加工、聚焦离子束(FIB)加工、电子束加工等；以及一些新兴的纳米加工 方法，例如：分子自主装加工、纳米压印、探针诱导氧化加工等。可加工材料种类也很丰富， 包括金属、半导体、高分子聚合物和复合材料等，采用不同的加工方法可以在不同材料表面 加工出形状各异的微纳米结构和高精度表面，满足不同需求。举例来说，微电子芯片制造的 特征尺寸就是以光刻技术所能达到的最小线宽为标志的，形成了一代线宽一代微电子产品的 格局。目前美国INTEL公司的制造水平已经达到了45nm，预计2011年实现22nm，这需要 光刻掩模板的定位精度优于2nm。将宏观大器件缩小到显微尺寸甚至是纳米尺寸，对生产者 提出的一个挑战就是器件的鲁棒性和整体性能会受到微小缺陷或是加工过程变化的影响，因 此正确测量器件的特性对于实现预期的性能是必需的。

加工技术的发展，必将对其测量技术有了越来越高的要求，这主要体现在测量精度、测 量范围和测量速度三个方面。针对加工方法和器件材料的不同，对加工表面的要求也不尽相 同，有的对表面粗糙度有很高要求，有的则是对面形信息要求很高，而有的则对两者都有着 很高的要求。例如，光学自由曲面是一类特殊要求的自由曲面，其主要特点是形状精度和表 面粗糙度都必须同时达到很高的要求，它的几何形状精度将直接影响其工作性能和使用效果， 形状精度通常要求达到与光波长同量级甚至于更高的要求(一般为微米或亚微米级)，表面粗 糙度一般为纳米、亚纳米级。

复杂曲面元件的形状精度要求高，正向小型高精度化和大型高精度化方向发展。采用现 有的加工工具、加工工艺和加工设备不易直接保证更小或是更大尺寸的产品达到高精度。因 为有许多原因会造成设计形状与加工形状的差异，为消除这些因素的影响，常常利用被加工 的复杂曲面形状的检测信息进行多次的误差修正。复杂曲面加工中可能需要几次乃至几十次 的测试和修正才能达到目标精度，也就是说，没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度 的复杂曲面。另外，不同因素影响在表面信息中体现在不同的参数内，有的影响面形精度， 有的影响波纹度，还有的影响粗糙度，通过对表面信息所表现出来的多参数进行分析，即可 分析出产生误差的原因，提出对加工系统、加工工艺或是加工工具的改进措施。

近10年来在国家科技计划的支持下，我国的超精密加工和纳米加工技术已经取得了很大 的进步，多家研究单位采用单点金刚石车削、磨削、极紫外光刻、LIGA等技术加工出了具有 纳米级特征结构或超精密表面的元件,在理论研究和工程应用等方面都取得了重要进展，而 且还有结合基本传统加工工艺而不断产生新的加工技术，但其中也暴露出一些不足之处，如： 加工工艺稳定性不高、器件成品率及可靠性偏低等问题，问题形成的重要原因之一就是缺乏 相应的测试手段。十五期间，我国开始重视微纳米测试技术的研究，在光学和扫描探针等高 精度测试方面取得了一定进展，但是由于时间较短，所解决的测试问题只是有限的几个方面， 且应用存在较多的限制条件。

具有微结构阵列的复杂曲面核心关键件，例如：高清晰投影技术中的微镜阵列、生化分 析中的芯片实验室(LOC)、光纤通讯中的微透镜阵列、惯性制导中的“复眼”透镜阵列和天文 望远系统中的菲涅尔透镜等，在航空航天、国防军工、汽车工业、现代通讯、生物医疗等领 域日益广泛的应用。对于这一类元件，其整体与单个微结构的形状精度和表面质量以及微结 构阵列的一致性等参数都很重要，大扫描范围、纳米级分辨力的表面几何参数测量就成为其 加工过程质量控制的关键。