CN116026271A - 膜厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜厚测量装置，包括：减震台、测量装置本体；测量装置本体设于减震台上，测量装置本体包括基座、垂直显微镜、纳米微动力台、电动旋转样品台、移动扫描台、XY电动台；垂直显微镜、纳米微动力台、XY电动台均安装在基座上，移动扫描台设于XY电动台上，电动旋转样品台设于移动扫描台上，纳米微动力台与电动旋转样品台相对设置；纳米微动力台与探针相连，纳米微动力台用于控制探针的下压距离和力度；移动扫描台用于在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，在扫描过程中带动电动旋转样品台移动。本发明能够保证检测过程中对探针位移控制与力控制的稳定性、以及样品台的平稳性。

Description

膜厚测量装置

技术领域

本发明涉及检测仪器技术领域，特别是涉及一种膜厚测量装置。

背景技术

膜厚测量装置是一种可以用来完成材料表面形貌表征和厚度测量的检测仪器，主要用于检测微电子器件、半导体、电池、高亮度发光二管以及材料科学领域中元器件的表面轮廓状态。

膜厚测量装置通常包括探头和探针，探针夹持安装于探头上。当探针沿被测表面滑过时，被测表面上的微小峰谷可使探针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动，即探针可相对探头伸缩运动；探针的运动情况就反映了被测表面的轮廓。

准确测量探针的相对运动值对于整个检测的结果起着重要作用，因此，如何保证检测过程中对探针位移控制与力控制的稳定性、以及样品台的平稳性是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种膜厚测量装置，以保证检测过程中对探针位移控制与力控制的稳定性、以及样品台的平稳性。

本发明提供一种膜厚测量装置，包括：减震台、测量装置本体；

所述测量装置本体设于所述减震台上，所述测量装置本体包括基座、垂直显微镜、纳米微动力台、电动旋转样品台、移动扫描台、XY电动台；

所述垂直显微镜、所述纳米微动力台、所述XY电动台均安装在所述基座上，所述移动扫描台设于所述XY电动台上，所述电动旋转样品台设于所述移动扫描台上，所述纳米微动力台与所述电动旋转样品台相对设置；

所述纳米微动力台与探针相连，所述垂直显微镜用于观察所述电动旋转样品台上的样品，所述纳米微动力台用于控制所述探针的下压距离和力度；

所述XY电动台用于在测试初始阶段带动所述电动旋转样品台移动到放样位置，所述电动旋转样品台用于放置以及旋转样品，所述移动扫描台用于在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，配合所述纳米微动力，在扫描过程中带动所述电动旋转样品台移动。

作为一种可选的实施方式，其中，所述纳米微动力台包括粗调机构和细调机构，所述粗调机构用于初步调整所述探针的针尖到所述电动旋转样品台上样品的位置，所述细调机构包括力传感器和位移传感器，所述细调机构用于在所述粗调机构将所述针尖调整到一定位置后，通过所述力传感器和所述位移传感器控制所述针尖继续下移，并接触样品，其中，所述力传感器用于控制所述针尖接触样品的力度，所述位移传感器用于根据力度的反馈，调整所述针尖上下移动，以维持压力的恒定不变。

作为一种可选的实施方式，其中，所述粗调机构采用压电陶瓷驱动或电机驱动。

作为一种可选的实施方式，其中，所述力传感器采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种，所述位移传感器采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种。

作为一种可选的实施方式，其中，所述移动扫描台包括传动机构、导向机构、台面、调平机构，所述传动机构设于所述导向机构上，所述台面设于所述传动机构上，所述电动旋转样品台设于所述台面上，所述调平机构设于所述台面的底部。

作为一种可选的实施方式，其中，所述传动机构包括主动轮、从动轮、压板、同步带、滑动板，所述同步带设于所述主动轮和所述从动轮之间，所述压板用于将所述滑动板固定在所述同步带上。

作为一种可选的实施方式，其中，所述导向机构包括超精密平板、摩擦片、侧板、基板，所述超精密平板设于所述基板上，所述侧板设于所述基板的两侧，所述摩擦片设于所述超精密平板上，所述滑动板能够在所述超精密平板上滑动。

作为一种可选的实施方式，其中，所述超精密平板为滑动表面达到纳米级精度的平板。

作为一种可选的实施方式，其中，所述垂直显微镜上设有垂直上下移动的电动调焦结构和角度旋转的手动调节结构。

作为一种可选的实施方式，其中，所述基座为大理石基座，所述膜厚测量装置还包括保护罩，所述保护罩套设在所述测量装置本体外。

根据本发明提供的膜厚测量装置，纳米微动力台与电动旋转样品台相对设置，纳米微动力台与探针相连，通过纳米微动力台控制探针的下压距离和力度，能够有效保证检测过程中对探针位移控制与力控制的稳定性，使探针下压力精度稳定在mg级别，探针下压的位移检测精度稳定在nm级别，此外，在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，在扫描过程中通过移动扫描台带动电动旋转样品台移动，能够保证样品台的平稳性，使样品台在移动过程中的上下跳动在nm级别，最终能够满足纳米尺度的检测准确性和稳定性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例提供的膜厚测量装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的膜厚测量装置(不含保护罩)的结构示意图；

图3是图2中圈A的放大图；

图4是纳米微动力台的结构示意图；

图5是移动扫描台的结构示意图；

图6是传动机构的结构示意图；

图7是导向机构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

请参阅图1至图7，本发明一实施例提供的膜厚测量装置，包括：减震台10、保护罩20、测量装置本体30、控制装置。

其中，保护罩20套设在测量装置本体30外。控制装置具体可以采用电脑，控制装置中安装有用于控制膜厚测量装置的软件，该软件可以采用传统技术中的软件，在此不予赘述。

测量装置本体30设于减震台10上，测量装置本体30包括基座31、垂直显微镜32、纳米微动力台33、电动旋转样品台34、移动扫描台35、XY电动台36、辅助显微镜37。

减震台10主要用来隔绝地面振动引起的影响；保护罩20主要起隔绝保护测量装置本体30的作用。

具体的，基座31为大理石基座。基座31可以为龙门架或其它形式，主要承载其它组件，需要保证一定的平面度。

垂直显微镜32、纳米微动力台33、XY电动台36、辅助显微镜37均安装在基座31上，移动扫描台35设于XY电动台36上，电动旋转样品台34设于移动扫描台35上，纳米微动力台33与电动旋转样品台34相对设置。

纳米微动力台33与探针301相连，垂直显微镜32用于观察电动旋转样品台34上的样品，具有电动聚焦功能，观察过程中，可以通过电脑控制XY电动台36和电动旋转样品台34来移动样品，控制电脑实现规划扫描路径。

辅助显微镜37用于观察探针301的针尖以及电动旋转样品台34上的样品，也具有电动聚焦功能。

其中，辅助显微镜37上设有垂直上下移动的电动调焦结构和角度旋转的手动调节结构，来保证能准确观察纳米微动力台33连接的探针301的针尖和电动旋转样品台34上的样品。

垂直显微镜32上设有垂直上下移动的电动调焦结构和角度旋转的手动调节结构，以保证能清晰观察到电动旋转样品台34上样品的微观结构。

具体的，辅助显微镜37和垂直显微镜32的相机画面中的光标均可控制XY电动台36来移动样品到达用户想要观察或扫描的样品结构点处。光标可随着样品厚度不一样进行探针针尖校准的功能。具体实施时，可以在显微镜界面选取光标校准功能按钮，点击探针下压接触样品时的针尖位置，光标即可移动到该位置，实现光标校准。

纳米微动力台33用于控制探针301的下压距离和力度。

XY电动台36用于在测试初始阶段带动电动旋转样品34台移动到放样位置，电动旋转样品台34用于放置以及旋转样品，移动扫描台35用于在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，配合纳米微动力台33，在扫描过程中带动电动旋转样品台34移动。

需要指出的是，XY电动台36和电动旋转样品台34是在进出样品，寻找样品上的位置时使用。移动扫描台35是通过XY电动台36和电动旋转样品台34找到样品测试的位置且规划好扫描路径后，用来进行扫描过程中的移动，这个时候XY电动台36和电动旋转样品台34是不动的。

具体的，纳米微动力台33包括粗调机构331和细调机构332，粗调机构331用于初步调整探针301的针尖到电动旋转样品台34上样品的位置，细调机构332包括力传感器和位移传感器，细调机构332用于在粗调机构331将针尖调整到一定位置后，通过力传感器和位移传感器控制针尖继续下移，并接触样品，其中，力传感器用于控制针尖接触样品的力度，位移传感器用于根据力度的反馈，调整针尖上下移动，以维持mg级的压力恒定不变。

其中，粗调机构331可以采用压电陶瓷驱动或电机驱动。力传感器用来控制针尖接触样品的力度，可稳定在mg级或者更高，可以采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种。位移传感器可以采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种。

通过粗调机构331和细调机构332的配合，能够使探针301下压力精度稳定在mg级别，探针301下压的位移检测精度稳定在nm级别。

具体的，移动扫描台35包括传动机构351、导向机构352、台面353、调平机构354，传动机构351设于导向机构352上，台面353设于传动机构351上，电动旋转样品台34设于台面353上，调平机构354设于台面353的底部。

传动机构351具体包括主动轮3511、从动轮3512、压板3513、同步带3514、滑动板3515，同步带3514设于主动轮3511和从动轮3512之间，压板3513用于将滑动板3515固定在同步带3514上。

导向机构352具体包括超精密平板3521、摩擦片3522、侧板3523、基板3524，超精密平板3521设于基板3524上，侧板3523设于基板3524的两侧，摩擦片3522设于超精密平板3521上，滑动板3515能够在超精密平板3521上滑动。

具体的，超精密平板3521为滑动表面达到纳米级精度的平板，且摩擦系数较小，具体可选用玻璃材质；超精密平板3521与基板3524的固定方式可根据需要选择侧面固定、正面压紧、粘胶等。摩擦片3522选用机械滑动轨道可实现无油润滑的耐磨防粘不留痕材料。摩擦片3522与超精密平板3521、侧板3523的接触可为点接触，亦可为面接触；但都需保证所有滑动面的平整度。侧板3523可选用常见的金属材质。

由于超精密平板3521为滑动表面达到纳米级精度的平板，同时，传动机构351的传动采用同步带的方式来实现，隔绝了电机振动对传动机构的影响，很好的解决了传统结构中丝杠传动周期性、动力源振动导致样品台发生um级跳动的问题，具有上述结构的移动扫描台35能够使样品台在移动过程中的上下跳动在nm级别。

上述膜厚测量装置的使用流程为：

1.将保护罩20的投递口打开，使用控制装置中的软件控制XY电动台36移动电动旋转样品台34到放样位置；

2.将样品放置在电动旋转样品台34上；

3.关闭保护罩20的投递口，使用软件控制XY电动台36移动电动旋转样品台34到载样位置；

4.观察垂直显微镜32的相机界面，使用软件控制XY电动台36移动到垂直相机的中心，用户根据相机界面的图像情况来使用软件控制垂直相机调焦到清晰位置，实时观察扫描情况，判断测试的位置是否正确，探针下压是否过冲等现象；

5.移动垂直相机界面中的光标控制XY电动台36精确移动，选取纠偏参考点和对齐点；

6.移动垂直相机界面中的光标选取样品的扫描起始点，画出扫描线段或多个扫描点；移动扫描台35在扫描起始点待机；纳米微动力台33在原点待机；

7.点击软件中的扫描功能；

8.纳米微动力台33控制针尖下压以一定的压力接触样品；

9.移动扫描台35按照扫描线段或路径依次完成扫描动作；

10.扫描过程中相机界面可切换成辅助显微镜37观察扫描过程，判断是否需要切换模式更换扫描点等工作；

11.移动扫描台35完成扫描动作；

12.纳米微动力台33控制针尖抬升到原点位置；

13.移动扫描台35回到扫描起始点；

14.软件数据分析界面处理，得到相关数据，并可选择保存数据和图片等格式；

15.使用软件控制XY电动台36移动电动旋转样品台34到放样位置，打开保护罩20的投递口，取下样品；

16.将样品放到样品盒；

17.关闭保护罩20的投递口，使用软件控制膜厚测量装置整体回归初始位置；

18.扫描整个动作完成。

综上，根据本发明提供的膜厚测量装置，纳米微动力台33与电动旋转样品台34相对设置，纳米微动力台33与探针301相连，通过纳米微动力台33控制探针301的下压距离和力度，能够有效保证检测过程中对探针301位移控制与力控制的稳定性，使探针301下压力精度稳定在mg级别，探针301下压的位移检测精度稳定在nm级别，此外，在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，在扫描过程中通过移动扫描台35带动电动旋转样品台34移动，能够保证样品台的平稳性，使样品台在移动过程中的上下跳动在nm级别，最终能够满足纳米尺度的检测准确性和稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种膜厚测量装置，其特征在于，包括：减震台、测量装置本体；

所述测量装置本体设于所述减震台上，所述测量装置本体包括基座、垂直显微镜、纳米微动力台、电动旋转样品台、移动扫描台、XY电动台；

所述垂直显微镜、所述纳米微动力台、所述XY电动台均安装在所述基座上，所述移动扫描台设于所述XY电动台上，所述电动旋转样品台设于所述移动扫描台上，所述纳米微动力台与所述电动旋转样品台相对设置；

所述纳米微动力台与探针相连，所述垂直显微镜用于观察所述电动旋转样品台上的样品，所述纳米微动力台用于控制所述探针的下压距离和力度；

所述XY电动台用于在测试初始阶段带动所述电动旋转样品台移动到放样位置，所述电动旋转样品台用于放置以及旋转样品，所述移动扫描台用于在确定好样品测试的位置且规划好扫描路径后，配合所述纳米微动力，在扫描过程中带动所述电动旋转样品台移动。

2.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述纳米微动力台包括粗调机构和细调机构，所述粗调机构用于初步调整所述探针的针尖到所述电动旋转样品台上样品的位置，所述细调机构包括力传感器和位移传感器，所述细调机构用于在所述粗调机构将所述针尖调整到一定位置后，通过所述力传感器和所述位移传感器控制所述针尖继续下移，并接触样品，其中，所述力传感器用于控制所述针尖接触样品的力度，所述位移传感器用于根据力度的反馈，调整所述针尖上下移动，以维持压力的恒定不变。

3.根据权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述粗调机构采用压电陶瓷驱动或电机驱动。

4.根据权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述力传感器采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种，所述位移传感器采用电容传感器、LVDT传感器、激光干涉传感器中的任一种。

5.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述移动扫描台包括传动机构、导向机构、台面、调平机构，所述传动机构设于所述导向机构上，所述台面设于所述传动机构上，所述电动旋转样品台设于所述台面上，所述调平机构设于所述台面的底部。

6.根据权利要求5所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述传动机构包括主动轮、从动轮、压板、同步带、滑动板，所述同步带设于所述主动轮和所述从动轮之间，所述压板用于将所述滑动板固定在所述同步带上。

7.根据权利要求6所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述导向机构包括超精密平板、摩擦片、侧板、基板，所述超精密平板设于所述基板上，所述侧板设于所述基板的两侧，所述摩擦片设于所述超精密平板上，所述滑动板能够在所述超精密平板上滑动。

8.根据权利要求7所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述超精密平板为滑动表面达到纳米级精度的平板。

9.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述垂直显微镜上设有垂直上下移动的电动调焦结构和角度旋转的手动调节结构。

10.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述基座为大理石基座，所述膜厚测量装置还包括保护罩，所述保护罩套设在所述测量装置本体外。

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