CN106840032A - 三维微纳米非接触触发探头以及mems器件测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS器件测量技术领域，具体是涉及一种三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置，探头由可视化模块和测量模块构成，可视化模块由白光LED、第一准直透镜、非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、第二准直透镜、聚焦透镜、偏振片、场透镜和CCD相机组成；测量模块由激光器、光栅、偏振分光棱镜及四分之一波片、圆柱透镜、光电集成电路和四象限传感器组成。探头基于深紫外光源以及象散原理和激光反射能量法，该探头在三轴方向的分辨率均达到1nm，触发重复性均小于30nm，以满足MEMS器件测量的需要，尤其擅长测量带有精细边缘特征的器件。同时具有体积小、精度高、调试简单、装配方便、造价低等优点。

Description

三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置

技术领域

本发明涉及MEMS器件测量技术领域，具体是涉及一种三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置。

背景技术

近年来，MEMS技术快速发展，各种微型器件相继问世，如微传感器、微执行器、微型构件、微光学器件、微电力电子器件等，这些器件已在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事等方面获得了应用。MEMS器件正朝着复杂化、集成化方向发展，在众多领域有着广阔的应用前景，正在发展成为一个巨大的产业，迫切需要有准确(精度高)、高效(速度快)、安全(非接触)的检测技术和手段。

高精度的探头作为纳米三坐标机的重要组成部分，它的精度、分辨率、重复性等性能是保证整个纳米三坐标系统具有纳米精度的关键因素。探头可以分为接触式探头和非接触式探头，光学非接触式测量方法比较适合测量软薄工件、微型工件，非接触式测量不会造成被测工件表面的磨损和破坏；探头本身也不存在磨损的问题，因此探头在使用过程中不会因为其工作时数而降低测量精度；同时非接触式测量的测量速度比接触式测量要快许多；而且非接触式测量不需要进行探头的半径补偿，这使得非接触式测量探头成为了人们关注的焦点。

微型工件的高精度测量是非常具有挑战性的工作，尤其当工件中有边缘特征时，如微线宽、凹槽、凸台、微孔等。因为接触式测量方法受限于探球的(探针)直径，非接触式光学测量受到光学衍射极限的限制。非接触式测量有很多方式，也有多种不同的光学方式，比如：激光三角测量法，主要特点是测量速度快，分辨率可达1μm；相位移技术法，优点是纵向精度高，缺点横向分辨率智能达到微米级；激光自动聚焦法，分为影像原理和象散原理，在10μm的范围内分辨率能达到纳米级，但仅限于一维测量；白光干涉测量技术，该技术可以重建物体三维轮廓，但达不到纳米分辨率；共焦显微测量技术同样可以进行物体三维轮廓重建，纵向分辨率为0.5μm、横向分辨率为1μm；全像测量技术可以快速重建物体影像，并实时测量，但只能达到微米级精度。

国内外也有一些著名大学或研究机构都在研究高精度微纳米非接触式探头。如：德国的OPM公司研制的激光自动聚焦探头(AF16)，是利用像散的原理来得到物体形貌，然后分析物体影像实现测量，激光波长为780nm，竖直方向分辨率是10nm，水平方向分辨率依赖于二维定位平台的定位精度。法国ESYCOM实验室研发了一种基于光学干涉原理的非接触式微纳米探头。该探头可同时测量几百微米大小的待测件的宽度和厚度，其横向分辨率只能达到微米级。日本KEYENCE公司研制的三维激光扫描显微镜(VK-9700)，利用激光共焦法实现XY平面的扫描，并且同时获取待测物体的影像，它所使用的激光波长为408nm，纵向分辨率可以达到1nm，横向分辨率只达到微米级。2010年Cheng-Hsiang Lin研制了一种用于微孔深度测量的的非接触式测量系统，可以实现对激光加工的微孔的深度进行实时测量，分辨率为0.5nm。当钻孔速率为1000转/分时，可测量的最大深度为347.1nm，但无法测量孔的直径。2009年Manske等人研发出了一种既可以用于接触式测量又可以用于非接触式测量的探头。该探头量测原理是像散法。使用的激光波长为632nm，纵分辨率可小于1nm。2009年德国PTB Ehert等人使用激光共焦法进行线宽测量，该系统的横向分辨率可达100nm。因此，现有探头的精度和分辨率都较高，但主要是进行一维测量，而且结构复杂，造价高。

发明内容

针对现有测量方法的分辨率和精度无法满足MEMS器件高精度测量的需求的技术问题，本发明的目的在于提供一种具有纳米精度的三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种三维微纳米非接触触发探头，由可视化模块和测量模块构成，

所述可视化模块由白光LED、第一准直透镜、非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、第二准直透镜、聚焦透镜、偏振片、场透镜和CCD相机组成；

白光LED发出的光经过第一准直透镜准直后，再经过非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜后进入由第二准直透镜和聚焦透镜组成的显微物镜，经过显微物镜聚焦在工件表面；工件表面反射回的光同样经过显微物镜、偏振分光棱镜、非偏振分光棱镜后以平行光线进入偏振片、场透镜，然后场透镜将携带影像信息的平行光线成像在CCD相机上；

测量模块由激光器、光栅、偏振分光棱镜及四分之一波片、圆柱透镜、光电集成电路和四象限传感器组成；

从激光器发出的光经光栅射入偏振分光棱镜及四分之一波片后被分为P光和S光，P光射到远方，S光则经四分之一波片并绕出射光方向整体旋转45度后进入到可视化模块的偏振分光棱镜，然后经过显微物镜后聚焦在工件表面；由工件表面反射回的光线则依次通过显微物镜、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜及四分之一波片和圆柱透镜后回到光电集成电路中的四象限传感器上，四象限传感器的信号经过光电集成电路处理后用于三维测量。

一种基于三维微纳米非接触触发探头的MEMS器件测量装置，由探头系统、纳米微动台、激光干涉仪和被测微器件组成，激光干涉仪作为长度标准，纳米微动台作为三维方向的移动部件，通过该装置对探头进行标定和测试。

本发明的三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置，其有益效果表现在：

1)、本发明的三维微纳米非接触触发探头，是一种基于深紫外光源以及象散原理和激光反射能量法的探头，该探头在三轴方向的分辨率均达到1nm，触发重复性均小于30nm，以满足MEMS器件测量的需要，尤其擅长测量带有精细边缘特征的器件。同时具有体积小、精度高、调试简单、装配方便、造价低等优点，结合相应软件可以实现实时测量。

2)、利用280nm以下深紫外光波长短的特点，通过设计大NA值的聚焦透镜系统，最大限度的减小聚焦光斑的直径，进而提高测量精度。基于象散原理和激光反射能量法，根据激光在三维方向触发测量的实际情况，建立了三维触发测量模型，设计了系统的机械结构和光学系统，设计了处理信号的软件和硬件等。

3)、本发明为解决带有边缘特征的MEMS器件高精度测量的难题，研究三维微纳米非接触触发测量探头的触发模型和关键技术，使得探头在三轴方向的分辨率均达到1nm，在三轴方向的触发重复性均小于30nm。

附图说明

图1为三维微纳米非接触触发探头的光路示意图。

图2为测量模块的光路示意图。

图3为MEMS器件测量装置的结构示意图。

图4为探头横向触发光斑位置变化示意图。

具体实施方式

为进一步描述本发明的三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置，下面结合附图对其作进一步说明。

一种三维微纳米非接触触发探头，由可视化模块2和测量模块1构成，如图1所示，可视化模块2由白光LED21、第一准直透镜22(Collimator Lens)、非偏振分光棱镜23(Non-polarized Beam Splitter，NPBS)、偏振分光棱镜27(PBS)、第二准直透镜28、聚焦透镜29、偏振片24、场透镜25(Tube Lens)和CCD相机26组成。

可视化模块2是基于共焦光路设计的，其光路原理是：白光LED21发出的光经过第一准直透镜22准直后，再经过非偏振分光棱镜23、偏振分光棱镜27后进入显微物镜(由第二准直透镜28和聚焦透镜29组成)，经过显微物镜聚焦在工件3表面。工件3表面反射回的光同样经过显微物镜、偏振分光棱镜27、非偏振分光棱镜23后以平行光线进入偏振片24、场透镜25，然后场透镜25将携带影像信息的平行光线成像在CCD相机26上。因为偏振分光棱镜27的存在，白光LED21发出的白光不会对测量信号造成干扰。

测量模块1的原理如图2所示，测量模块1由激光器11、光栅12、偏振分光棱镜及四分之一波片13、圆柱透镜14、光电集成电路16和四象限传感器15组成，测量模块1的光路原理是：从激光器11发出的光经光栅12射入偏振分光棱镜及四分之一波片13后被分为P光和S光。P光射到远方，S光则经四分之一波片并绕出射光方向整体旋转45度后进入到可视化模块2的偏振分光棱镜27，然后经过显微物镜后聚焦在工件3表面。由工件3表面反射回的光线则依次通过显微物镜、偏振分光棱镜27、偏振分光棱镜及四分之一波片13和圆柱透镜14后回到光电集成电路16中的四象限传感器15上，四象限传感器15的信号经过光电集成电路16处理后可以用于三维测量。

一种基于三维微纳米非接触触发探头的MEMS器件测量装置，请参阅图3，由探头系统4、纳米微动台6、激光干涉仪7和被测微器件5组成，激光干涉仪7作为长度标准，纳米微动台6作为三维方向的移动部件，通过该装置对探头4进行标定和测试。

探头横向触发光斑位置变化示意图如图4所示，由a和b组成一对台阶，当光点在不同的位置时，反射回四象限传感器的光能量是不同的。分别计算不同情况下四象限传感器接收到的光能量，找出其变化规律，建立相应的数学模型，并确定合理的阈值作为探头的触发点。探头的纵向触发依据象散原理，确定合适的输出电压值作为触发阈值。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三维微纳米非接触触发探头，由可视化模块(2)和测量模块(1)构成，

所述可视化模块(2)由白光LED(21)、第一准直透镜(22)、非偏振分光棱镜(23)、偏振分光棱镜(27)、第二准直透镜(28)、聚焦透镜(29)、偏振片(24)、场透镜(25)和CCD相机(26)组成；

白光LED(21)发出的光经过第一准直透镜(22)准直后，再经过非偏振分光棱镜(23)、偏振分光棱镜(27)后进入由第二准直透镜(28)和聚焦透镜(29)组成的显微物镜，经过显微物镜聚焦在工件(3)表面；工件(3)表面反射回的光同样经过显微物镜、偏振分光棱镜(27)、非偏振分光棱镜(23)后以平行光线进入偏振片(24)、场透镜(25)，然后场透镜(25)将携带影像信息的平行光线成像在CCD相机(26)上；

测量模块(1)由激光器(11)、光栅(12)、偏振分光棱镜及四分之一波片(13)、圆柱透镜(14)、光电集成电路(16)和四象限传感器(15)组成；

从激光器(11)发出的光经光栅(12)射入偏振分光棱镜及四分之一波片(13)后被分为P光和S光，P光射到远方，S光则经四分之一波片并绕出射光方向整体旋转45度后进入到可视化模块(2)的偏振分光棱镜(27)，然后经过显微物镜后聚焦在工件(3)表面；由工件(3)表面反射回的光线则依次通过显微物镜、偏振分光棱镜(27)、偏振分光棱镜及四分之一波片(13)和圆柱透镜(14)后回到光电集成电路(16)中的四象限传感器(15)上，四象限传感器(15)的信号经过光电集成电路(16)处理后用于三维测量。

2.一种基于如权利要求1所述三维微纳米非接触触发探头的MEMS器件测量装置，其特征在于：由探头系统(4)、纳米微动台(6)、激光干涉仪(7)和被测微器件(5)组成，激光干涉仪(7)作为长度标准，纳米微动台(6)作为三维方向的移动部件，通过该装置对探头(4)进行标定和测试。