CN105674911A - 非接触式微纳三维测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式微纳三维测量方法，在白光干涉测量模式下，测量样品的三维分布；在扫描探针精密测量模式下，使用扫描探针技术，将白光干涉和非接触扫描探针测量技术有机结合在一起，最终实现三维形貌的精确测量；非接触式微纳三维测量装置，包括白光干涉系统，探针传感系统、Z轴精密扫描系统、探针定位系统，XY轴精密扫描系统、控制与数据处理系统。本发明将白光干涉和非接触扫描探针测量技术有机结合在一起，可实现高速，高精度三维形貌测量。

Description

非接触式微纳三维测量方法及其装置

技术领域

本发明属于光学精细测量技术领域，具体涉及一种非接触式微纳三维测量方法及其装置。

背景技术

近年IC装备、半导体工业、超精密加工工业的迅猛发展对于高精密测量提出了迫切的需求。纳米技术的研究如火如荼，MEMS技术逐渐从实验室进入产业化发展阶段，并在近几年有加速发展的迹象。中国作为MEMS技术未来最大的消费市场，产业化的发展迫在眉睫，对于高精密微纳三维测量仪器，尤其是对快速、高精度、可实时在线检测的仪器提出迫切的市场需求。

现有的微纳测量方法主要包括激光干涉和白光干涉等光学干涉方法，包括共聚焦显微镜、机械探针表面轮廓仪、扫描探针显微镜和扫描力显微镜在内的微表面轮廓测量仪，扫描电子显微镜，微纳三坐标测量机以及其它相关的技术。

光学干涉测量技术是最为经典的高精度位移测量方法，用于微纳测量可以分为位移干涉测量和表面干涉测量。位移干涉测量以激光干涉仪为代表，可以实现亚纳米分辨率的微小位移测量，并被广泛应用于半导体芯片的加工，也经常作为一种标准技术对其他设备进行标定。表面干涉测量以白光干涉仪为代表，可以实现垂直分辨率在亚纳米的表面轮廓测量。如白光干涉仪可以在相对较短的时间内完成样品的3维高度的高精度测量。测量高度的精度可以达到0.1纳米，完成一次测量大约仅需要3秒左右的时间(PR-106，西安普瑞光学仪器有限公司)。

在国际上，美国、日本和德国的一些大公司在近十几年投入大量人力和资金，进行白光干涉技术的产品化研发，并于近年相继推出相关产品。其中美国ZYGO公司研制的NewView6300白光干涉仪代表当今白光干涉仪的最高水平。该型仪器的最大特点是功能齐全，可以测量各种不同样品表面的形状，测量精度达到0.1纳米，但价格昂贵，操作的复杂性让用户望而却步。日本东丽公司推出SP500系列白光干涉仪产品。欧洲也投入大量人力和物力进行白光干涉仪的研制，具有代表性的是德国三维形状公司研制开发出的KORADS18系列。目前市场上已有的白光干涉仪产品，普遍具有结构复杂，测量时间长、对测量环境要求苛刻和价格高等不足之处。为了满足特殊用户对测量时间的要求，一般采用成本昂贵的高速相机。这无形中增加了仪器本身的成本。目前开发高速、高稳定性、性能价格比合理的白光干涉仪是近期的国内外主要研究、开发方向。

目前国内大部分对于白光干涉仪这些精密检测仪器的科研和生产需求依靠进口国外产品来满足。国内仅有西安普瑞光学仪器有限公司的PR-L06型白光干涉仪可以达到垂直测量精度0.1nm的高技术水准，与国际各大品牌产品性能相当。微表面轮廓测量仪包括机械式触针表面轮廓测量仪、扫描探针显微镜和光扫描技术等，通过点对点的扫描确定位置相对高度信息，以获取表面轮廓信息。由于采用点对点的扫描，因此对于高精度测量来说，存在速度慢和测量范围小的缺点。机械式触针轮廓仪可以以很高的精度测量台阶高度，但不适合测量自由结构，因为触针会损坏测试器件。光扫描技术涵盖大多数的光轮廓仪、共聚焦显微镜和干涉仪，非接触测量是它的优点，缺点是横向分辨率不够。

扫描探针显微镜和扫描力显微镜等扫描系列的表面形貌测量技术，可以实现纳米级的三维表面形貌测量，但分析过程很慢(大约每个器件20min)，扫描范围有限(100μm×100μm×5μm，Veeco多功能型)，这说明它不适合观察大的样品或是离面器件。但是扫描探针显微镜本质上是一种无损检测技术，适用于金属、半导体甚至生物样本，所以应用范围比较广。

扫描电子显微镜是一种最为普遍的微纳三维测量工具，但几乎所有的非导电样品在利用该方法测量时都需要在表面镀一层很薄的导电材料，将导致器件的弯曲和变形，特别是对于自由结构，例如悬臂粱，并且扫描电子显微镜测试十分耗时，并不适合大生产的环境。

三坐标测量机是工业产品尺寸精度检测的重要工具.近年来，随着微纳加工技术的迅速发展，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，尤其对于半导体工业，检测的精度要求已经达到亚微米或者纳米水平.传统的坐标测量机的不确定度在几百纳米，已经不能满足上述的测量要求.因此，具有大范围、高精度，可以用于测量微小尺寸，位置和其它形貌特征的三坐标测量仪器成为研究热点。目前，国内外很多著名大学和机构都在致力于这一领域的研究开发.这些研究主要集中在两个方面，一是开发新型三坐标定位平台；二是根据不同的测量要求，开发具有不同测量功能的三坐标测头。纳米三坐标测量机如美国NIST的分子测量机(M3)、飞利浦制造研究中心的Rulys三维三坐标测量机，日本东京大学的三坐标测量机以及台湾大学精密测量实验室的纳米三坐标测量机等，而且已经有商业化的产品销售。三坐标测量机可以获得三维测量，但是在纳米级精度目前测量速度慢。

国内在微纳三维表面轮廓测量技术上的研究上也做了大量的工作，包括清华大学、天津大学、中国计量院、中科院上海光机所、哈尔滨工业大学、合肥工业大学等在内的多家单位先后开展上述各个技术路线的纳米级精度测量技术，但是均没有形成产品。国内对该领域的产品需求基本依靠进口满足。

综合来看，所有基于光学原理的形貌测量方法，由于存在衍射受限和系统的横向分辨率由物镜的数值孔径决定，所以一般横向分辨率相对较低，在μm量级，这也就决定了它们不能分辨μm以下更细微的形貌特征，无法满足在三维尺度上进行纳米级精度的形貌测量。但是光学测量方法的优势在于其本质上是一种非接触测量技术，能最大程度做到对样品无损伤；而机械探针扫描、扫描探针和扫描力显微镜、三坐标测量机这些逐点扫描工作方式的表面形貌测量技术在纳米级精度测量时，普遍存在测量速度慢和测量范围受限等缺点，因此无法用于大规模实时在线的工业测量。

从技术发展趋势和市场需求来看，开发体积紧凑和高速的微纳三维表面形貌测量技术是一个重要的发展方向。

发明内容

本发明提出一种非接触式微纳米三维测量方法及其装置，将白光干涉和非接触扫描探针测量技术有机结合在一起，可实现高速，高精度三维形貌测量，弥补了现有技术中的不足之处。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种非接触式微纳三维测量方法，首先在白光干涉测量模式下，利用白光干涉技术，测量样品的三维分布，推测样品的三维分布概貌；然后，将样品的测量范围按照纵向高度大小划分成不同的区域；最后，在扫描探针精密测量模式下，使用扫描探针技术，完成各个区域的细微测量；采用数据采集与解算方法对于测量信号进行提取，并采用可编程数字信号处理器提高解析速度和数据解析精度，同时对系统的环境噪声和固有噪声的消除进行研究，采用误差分析技术对随机误差进行校正，最终实现三维形貌的精确测量。

所述纵向高度可以在0.1纳米精度内。

非接触式微纳三维测量装置，包括白光干涉系统，探针传感系统、Z轴精密扫描系统、探针定位系统，XY轴精密扫描系统、控制与数据处理系统；所述Z轴精密扫描系统与所述白光干涉系统相连，所述白光干涉系统与所述探针定位系统相连，所述XY轴精密扫描系统位于所述白光干涉系统、所述Z轴精密扫描系统和所述探针定位系统的下方；所述探针定位系统底部连接有探针。

所述白光干涉系统可以实现01.纳米垂直测量精度。

所述探针尖端大小决定横向分辨率，探针最小尺寸为0.5微米。

所述Z轴精密扫描系统采用闭环压电陶瓷驱动机构，实现Z轴精密移动；采用变加速和变减速相结合的扫描方式，减少压电陶瓷在移动过程中共振。

本发明的有益效果为：

1、将白光干涉和扫描探针测量技术有机结合在一起，实现高速，高精度三维形貌测量。通过特殊的工作程序，有效缩短了全体测量时间。通过特殊的工作程序，有效缩短了全体测量时间，并可以拓展扫描探针的纵向测量范围。例如，即使样品具有几个微米的台阶分布，也可以有效测量。而现有的扫描探针在测量台阶分布样品时，一般都不能给出满意的结果，而且突变的凸起台阶往往容易造成探针损伤。另外，由于采用白光干涉技术精密测量样品的概貌，通过精密控制扫描探针的纵向位置，可以避免在横向扫描过程中探针和样品表面的接触。白光干涉仪避免了单色激光干涉仪固有的测量不确定问题，增加了干涉仪的有效测量范围，扩大了干涉仪的应用范围。

2、在数据解析算法方面，提出“相关插值算法理论”。该算法不仅利用干涉条纹的强弱信息，还利用干涉条纹的位相信息，有效地解析包罗线出现的中心位置。由于干涉条纹的位相信息不易受噪声信号影响，该新型算法的数据处理精度得到很大程度的提高。

3、利用特殊设计的微探针系统，实现非接触的原子显微测量，这是一种无损测量方式，避免了传统AFM技术中探针的磨损和损伤问题，进一步提高了系统的测量精度。

4、本发明所述的装置结构紧凑，抗振能力强，对安装环境没有苛刻的要求。与同类测量仪器相比，它具有非接触，非破坏，高精度，快速测量等特长，并能实时动态画面显示测量结果。应用范围广，不仅是用于测量液晶显示器面板(LCD)、等离子体显示器面板(PDP)以及有机发光显示器面板(EL)的表面测量，还可应用于半导体集成电路和MEMS基板等样品的表面三维立体微细形状结构。仪器光学部分的显微物镜和显微目镜可根据客户需求选择不同的放大倍数。附带多种可选择附件，用户可根据需求来随意调换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的非接触式微纳三维测量装置在白光干涉测量模式的示意图；

图2为本发明实施例所述的非接触式微纳三维测量装置在扫描探针精密测量模式的示意图。

图中：

1、白光干涉系统；2、Z轴精密扫描系统；3、探针定位系统；4、XY轴精密扫描系统；5、探针；6、样品表面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明实施例所述的非接触式微纳三维测量装置，包括白光干涉系统1，探针传感系统、Z轴精密扫描系统2、探针定位系统3，XY轴精密扫描系统4、控制与数据处理系统；所述Z轴精密扫描系统2与所述白光干涉系统1相连，所述白光干涉系统1与所述探针定位系统3相连，所述XY轴精密扫描系统4位于所述白光干涉系统1、所述Z轴精密扫描系统2和所述探针定位系统3的下方；所述探针定位系统3底部连接有探针5。

各部分技术路线分别为：

1、白光干涉系统

白光干涉系统采用课题组已经成熟的技术，可以实现0.1nm垂直测量精度。

2、探针传感器系统

主要采用光刻技术制作微探针。探针尖端大小决定横向分辨率，目前最小尺寸为0.5微米左右。另外通过筛选探针横臂的弹性功能，使它对微小的原子间作用力具有灵敏的反应。另外考虑采用集成光栅式位移检测方法对探针位移进行测量。

3、Z轴精密伺服和光学干涉位移检测

采用闭环压电陶瓷驱动机构，实现Z轴精密移动。另外，采用变加速和变减速相结合的扫描方式，尽量减少压电陶瓷在移动过程中共振。为了精密检测探针的位移，我们提出一种新算法。这种算法，利用光学干涉的固有频率(光源波长的半值)，借助位相移动解析原理，能够精密检测出0.1纳米以下的位移变化。应用DSP所具有的并行处理功能，提高数据解析能力，缩短解析时间。

4、探针定位系统与XY轴精密扫描技术

由于采用逐点扫描测量原理，现有AFM的测量时间一般很长。为了克服这个缺陷，我们提出XYZ轴联动扫描工作方式。具体工作过程为：首先，进行全面积粗扫描，并推测出各个区域的大概位置。然后，调整探针的位置，对各个区域进行精密扫描测量。

5、控制和数据处理技术

采用已经申请专利的算法对于测量信号进行提取，并首次采用可编程数字信号处理器提高解析速度和数据解析精度。同时对系统的环境噪声和固有噪声的消除进行研究，采用误差分析技术对随机误差进行校正。

运用本发明实施例所述的装置进行非接触式微纳三维测量的方法，包括首先在白光干涉测量模式下，利用白光干涉技术，测量样品的三维分布，推测样品的三维分布概貌；然后，将样品的测量范围按照纵向高度(可以在0.1纳米精度内)大小划分成不同的区域；最后，在扫描探针精密测量模式下，使用扫描探针技术，完成各个区域的细微测量；采用数据采集与解算方法对于测量信号进行提取，并采用可编程数字信号处理器提高解析速度和数据解析精度，同时对系统的环境噪声和固有噪声的消除进行研究，采用误差分析技术对随机误差进行校正，最终实现三维形貌的精确测量。

本发明的技术方案将白光干涉和非接触扫描探针测量技术有机结合在一起，可实现高速，高精度三维形貌测量。扫描探针测量技术具有较高的横向分辨率和较高的纵向测量精度，但是存在测量时间长和每次测量面积较小等缺点。例如，使用现有扫描探针测量仪器测量50微米×50微米的面积大约需要10分钟甚至更长的时间。为了保证测量精度，要求测量环境(温度，空气对流，振动等因素)在测量期间尽量保持安定不变。这种苛刻的要求限制了该型仪器的使用范围；白光干涉仪可以在相对较短的时间内完成样品的三维高度的高精度测量。测量高度的精度可以达到0.1纳米，完成一次测量大约仅需要3秒左右的时间。但是，由于使用光学成像技术，白光干涉仪的横向分辨率相对较低。我们的提出方案将两个技术的优点结合起来。一方面有效缩短了全体测量时间，另一方面可以拓展扫描探针的纵向测量范围。例如，即使样品具有几个微米的台阶分布，也可以有效测量。而现有的扫描探针在测量台阶分布样品时，一般都不能给出满意的结果，而且突变的凸起台阶往往容易造成探针损伤。另外，由于采用白光干涉技术精密测量样品的概貌，通过精密控制扫描探针的纵向位置，可以避免在横向扫描过程中探针和样品表面6的接触。

对于扫描探针测量技术，利用探针和样片表面之间的相互作用力大小，决定二者之间的距离，从而达到检测样品表面6一点的形貌分布。通过二维平面扫描机构，实现面内逐点测量，最后合成样品表面6三维形貌分布。其中的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂。该悬臂由硅或者氮化硅采用MEMS工艺制作，并在悬臂上表面镀上反光材质，探头尖端的曲率半径在纳米量级。当探头被放置到样品表面6附近的地方时，悬臂会因为受到探头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移。采用光学干涉法精密测出这种微小偏移，进而解析样品表面6形貌分布。

在这里我们采用非接触原子力显微技术，既可以避免探针自身的损伤，也可以避免划伤样品表面，实现无损测量。当探针和样品之间的距离逐渐接近时，二者之间开始相互吸引，而且吸引力随着间隔的减小而逐渐增大，最后达到最大值。随着间隔的进一步缩小，探针和样品之间的吸引力逐渐减小，并最后转换成排斥力。非接触式AFM检测由吸引力引起的探针位置的微小变化，解析样品的高度，非接触AFM技术与常规AFM技术之间最大的区别是探针和样品之间的距离不同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (6)

1.一种非接触式微纳三维测量方法，其特征在于：首先在白光干涉测量模式下，利用白光干涉技术，测量样品的三维分布，推测样品的三维分布概貌；然后，将样品的测量范围按照纵向高度大小划分成不同的区域；最后，在扫描探针精密测量模式下，使用扫描探针技术，完成各个区域的细微测量；采用数据采集与解算方法对于测量信号进行提取，并采用可编程数字信号处理器提高解析速度和数据解析精度，同时对系统的环境噪声和固有噪声的消除进行研究，采用误差分析技术对随机误差进行校正，最终实现三维形貌的精确测量。

2.根据权利要求1所述的非接触式微纳三维测量方法，其特征在于：所述纵向高度可以在0.1纳米精度内。

3.实施权利要求1或2所述方法的非接触式微纳三维测量装置，其特征在于：包括白光干涉系统，探针传感系统、Z轴精密扫描系统、探针定位系统，XY轴精密扫描系统、控制与数据处理系统；所述Z轴精密扫描系统与所述白光干涉系统相连，所述白光干涉系统与所述探针定位系统相连，所述XY轴精密扫描系统位于所述白光干涉系统、所述Z轴精密扫描系统和所述探针定位系统的下方；所述探针定位系统底部连接有探针。

4.根据权利要求3所述的非接触式微纳三维测量装置，其特征在于：所述白光干涉系统可以实现01.纳米垂直测量精度。

5.根据权利要求3所述的非接触式微纳三维测量装置，其特征在于：所述探针尖端大小决定横向分辨率，探针最小尺寸为0.5微米。

6.根据权利要求3所述的非接触式微纳三维测量装置，其特征在于：所述Z轴精密扫描系统采用闭环压电陶瓷驱动机构，实现Z轴精密移动；采用变加速和变减速相结合的扫描方式，减少压电陶瓷在移动过程中共振。