CN104913735B - 一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，涉及微结构面形质量检测技术领域。该方法主要包括：斜率预测、旋转扫描、误差补偿、形貌重构等步骤，在测量样品时能够根据被测样品表面形貌变化，自动调节触针与样品间的相对夹角，使扫描触针能够适应样品表面的斜率变化，不至于发生轮廓干涉等现象，扫描结束后系统根据触针式位移传感器的输出值、XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小可以重构出样品表面形貌特征。与已有的形貌测量方法相比，本发明提供了一种简单、有效地测量具有复杂表面形貌特征的微结构的方法，可以在较短时间内准确地重构出样品表面形貌特征。

Description

一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法

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。

应当指出的是：由于β旋转轴承在旋转过程中存在一定的运动误差，并且误差范围会随着转角的增大而增大，因此根据测量误差要求，能够确定一个最大可旋转角φ；被测样品的累积旋转角γ将受到的限制，其大小应为0°之间。当所述的被测样品的累积旋转角γ大于最大可旋转角时，系统将会停止测量；或者当触针在被测样品旋转过程中有向上运动的趋势时，证明触针与被测样品之间发生了挤压，为防止所述的触针和被测样品的损坏，系统也要停止测量。

第四步在满足上述旋转测量要求后，所述的被测样品每旋转一次，系统将会对样品进行重新扫描，从而得到一组新的扫描数据。根据新的扫描数据，可对当前测量点Pi处的斜率角ρ进行重新拟合预测，然后再将新的预测值ρ与最大可探测角θ进行比较。以上所述过程将重复循环进行，直到当前测量点P_i处的斜率角为止。

第五步根据扫描结果重构样品表面形貌。系统首先判断样品表面扫描是否结束，若没有结束则返回第一步继续进行扫描。若扫描已经结束，则系统根据触针式位移传感器的输出值，XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小可以重构出样品表面形貌特征。

如上所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，更进一步说明为，上述第二步中判断采用何种扫描方式时，是根据当前测量点P_i处的斜率角ρ与的大小关系判定的。其中是依据测量误差要求人为设定的，因此在实际应用当中可根据测量要求自行调节其大小。

本发明的有益效果

与以往的微结构形貌测量方法相比，本发明的有益效果是：

提供了一种简单、有效地测量具有复杂面形特征的微结构的方法，该方法能够根据样品表面形貌变化，自动调节触针与样品间的相对夹角，使触针在扫描样品时适应样品表面的斜率变化，不至于发生轮廓干涉现象。扫描结束后根据触针式位移传感器的输出值，XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小可以快速、准确地重构出样品表面形貌特征。

附图说明

图1是一种XYZ—β四维扫描探针微形貌测量系统，整体结构图。

图2是本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，整体流程图。

图3(a)是本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，斜率预测示意图。

图3(b)是本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，位移修正示意图。

具体实施方式

对于本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，下面结合具体实例作进一步说明。如图3所示在测量一个具有陡峭斜坡的样品表面时，我们可以采用如下扫描测量方法。

首先从样品表面平滑区域开始对样品进行等间距扫描，在所述的平滑区域样品表面被测点的斜率角处在合适的范围内，因此不需旋转扫描就可以直接测出被测点的形貌信息。当测得最初的三个点P_i-3、P_i-2、P_i-1的形貌信息后，当前测量点P_i处的斜率角ρ可通过P_i-3、P_i-2、P_i-1点的测得值一阶拟合得出，如图3(a)所示。

拟合完成之后根据拟合结果，将ρ与所述的触针的最大可探测角θ进行比较，若则系统默认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；若θ-1°＜ρ＜θ+1°或在所述的β旋转轴承的驱动下，所述的XYZ微位移平台和被测样品将会按照设定的角度逐次旋转(在本实施例中我们将旋转角度设为1°)。当所述的被测样品的累积旋转角γ大于最大可旋转角时系统将会停止测量，或者当触针在被测样品旋转过程中有向上运动的趋势时，为防止所述的触针和被测样品损坏，系统也要停止测量。在满足上述旋转扫描要求后，所述的被测样品每旋转1°，系统将会对样品进行重新扫描，从而得到一组新的扫描数据。根据新的扫描数据，可对当前测量点P_i处的斜率角ρ进行重新拟合预测，然后再将新的预测值ρ与最大可探测角θ进行比较，如此重复循环进行，直到当前测量点P_i处的斜率角为止。

被测样品旋转完成之后，其相对位置将会发生改变。如图3(b)所示，当前测量点P_i在所述的XYZ微位移平台的X轴方向，相对于正确的测量位置(也就是所述的触针的中轴线O₁O₂)产生了一个ΔX的位移偏差。因此在测量P_i点之前要先驱动XYZ微位移平台在X轴负方向发生ΔX的移动，从而将当前测量点P_i调整到所述的触针的中轴线O₁O₂上，然后再对P_i点进行扫描测量。

当P_i点测量完成之后，系统会自动判断样品表面扫描是否全部结束，若没有全部结束则返回第一步继续进行扫描。若扫描已经结束，则系统中的计算机通过对触针式位移传感器的输出值，XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径大小的综合分析计算，重构出样品表面形貌特征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，其特征是包括以下测量步骤：

(1)将被测样品固定在XYZ微位移平台上，通过控制XYZ微位移平台的移动调整被测样品的相对位置，使触针与样品平滑表面区域接触，确定接触后，再在XYZ微位移平台的驱动下使被测样品沿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P_i处的斜率角ρ可以通过已测点的值拟合得出；

(2)将当前测量点P_i处的斜率角ρ与触针的最大可探测角θ进行比较，若ρ小于或等于某一特定角度，其中该角度为则系统默认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，若θ－1°＜ρ＜θ+1°，可以判定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；

(3)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旋转轴承的驱动下按照一个特定的小角度逐次旋转；

(4)当所述的被测样品的累积旋转角γ大于最大可旋转角时系统将会停止测量，或者当触针在被测样品旋转过程中有向上运动的趋势时，为防止所述的触针和被测样品损坏，系统也要停止测量；

(5)在满足上述旋转要求后，所述的被测样品每旋转一次，系统将会对样品进行重新扫描，从而得到一组新的扫描数据，根据新的扫描数据，可对当前测量点Pi处的斜率角ρ进行重新拟合预测，然后再将新的预测值ρ与最大可探测角θ进行比较，如此循环进行，直到被测点P_i处的斜率角ρ小于为止；

(6)最后系统通过分析，判断样品表面扫描是否结束，若没有结束则返回第一步继续进行扫描，若扫描已经结束，则根据触针式位移传感器的输出值，XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小，可重构出样品表面形貌。

2.如权利要求1所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，其特征是：所述的当前测量点P_i处的斜率角ρ的拟合方法为一阶拟合算法。

3.如权利要求1所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，其特征是：在所述的第二步测量中的设定，是根据测量误差的要求人为设定的。

4.如权利要求1所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，其特征是：所述的β旋转轴承采用步进电机驱动，每一步的旋转角度为1°。

5.如权利要求1所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，其特征是：所述的被测样品的累积最大旋转角度γ，受限于β旋转轴承的最大可旋转角其大小应为 之间。