[发明专利]一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微结构面形质量检测技术领域，特别涉及一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法。

背景技术

随着精密加工技术的发展，各种微结构器件不断出现，这些微结构器件通常具有复杂的面形几何特征，具体表现为垂直侧壁、陡峭斜坡、尖端锐角等。目前对于这些微结构器件的测量主要难点在于：受测量系统本身最大可探测角的限制，导致在陡峭斜坡区域存在一定的测量盲区，在测量结果中引入不可补偿的测量误差；如何快速准确地测量这些微结构器件已成为亟待解决的科学难题。

近年来人们做了大量研究工作来解决这个问题，白光干涉技术是测量深沟槽型微结构最为常见的测量方法，这其中以华中科技大学、合肥工业大学和中北大学为代表，该方法受物镜数值孔径限制，测量系统具有较小的最大可测量角，测量误差对被测面形的斜率非常敏感。探针主动偏置技术实现了对大斜率样品完整形貌的准确测量，但该方法的测量可靠性与精度依赖于实验员的操作经验，在形貌重构中采用的数据融合算法偶尔也会发生特征匹配失误等情况。浙江大学居冰峰教授自主研发了一种新型STM系统和高纵横比的STM探针，通过旋转被测样品的方法成功地测量了斜率90°的梯形结构的表面形貌，但该方法的测量过程耗时较长，通过旋转扫描引入的测量误差较大，无法通过补偿消除。

Weckenmann,A.等提出了旋转探针的方法来减小测量偏差，并通过仿真验证了该方法的可行，Henselmans et al设计了一种非接触式测量机，测量光学自由曲面表面轮廓，这两种方法都通过适当旋转触针来测量陡峭斜坡表面，然而由于所采用的触针的横向分辨率为几百微米，因此不能对几到几百微米的微结构的表面轮廓进行测量，限定了其使用范围。

发明内容

为解决已有形貌测量方法中存在的技术难题，提高对复杂面形微形貌的测量能力，我们发明了一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法。该测量方法的具体技术方案详见下文描述：

本发明所涉及的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，建立在已有的发明专利(专利申请号为201510219579.5)“一种XYZ—β四维扫描探针微形貌测量系统”基础之上。所述的一种XYZ—β四维扫描探针微形貌测量系统，如图1包括：精密气浮隔震工作台(1)、XYZ—β四维扫描模块(2)、微探针模块(3)、龙门式桥架(4)、信号采集转换模块(5)、信号分析处理模块(6)、四维扫描控制模块(7)等。所述的微探针模块为一种触针式位移传感器，固定在所述的龙门式桥架上，可对样品(8)进行扫描测量；所述的XYZ—β四维扫描模块由基座(2-1)、β旋转轴承(2-2)和XYZ微位移平台(2-3)三部分组成，所述的β旋转轴承固定在基座(2-1)上，所述的XYZ微位移平台刚性连接在β旋转轴承(2-2)的凸台上，其中XYZ微位移平台上放置有被测样品(8)，所述的XYZ—β四维扫描模块可使样品(8)在X、Y、Z三个方向作直线运动，在X-Z平面内做旋转运动；以上所述的XYZ—β四维扫描模块和龙门式桥架都设置在精密气浮隔震工作台(1)，确保测量过程不受外界振动干扰。

在此测量系统的基础上，本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法的测量步骤如流程图2所示：

第一步将被测样品固定在XYZ微位移平台上，在所述的XYZ微位移平台的驱动下使触针与样品表面平滑区域接触；确定接触后，再在XYZ微位移平台的驱动下使样品沿X轴方向匀速运动；此时所述的触针将以一定的采样频率等间距扫描样品，当扫描几个点后，当前测量点Pi处的斜率角ρ可以通过已测点的值一阶拟合预测。

第二步系统通过计算分析可将当前测量点Pi处的斜率角ρ与触针的最大可探测角θ进行比较。若ρ小于或等于某一设定角度(比如)则系统默样品表面斜率变化在一个合理范围内，此时只需对样品保持平移扫描而不用进行旋转扫描；ρ＝θ为触针与样品发生轮廓干涉的临界条件，考虑到测量中测量和计算误差的影响，因此若θ－1°＜ρ＜θ+1°可以推测触针与样品之间发生了轮廓干涉，触针与样品表面的接触点位于触针的侧壁上而不是其尖端，因此会产生轮廓干涉误差，此时需要对样品进行旋转扫描；若可知虽然触针与样品之间没有发生轮廓干涉，但系统认为样品表面的斜率变化超出了一个合理的范围，需要对样品进行旋转扫描。

第三步在上述所述的需要旋转扫描的情况下，所述的XYZ微位移平台和样品将会在β旋转轴承的驱动下旋转，其特征是：所述的β旋转轴承由步进电机驱动，可按照设定好的步进指令，逐次旋转一个特定角度。