CN216791124U - 一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统，包括底座、高度误差分离模块、二维运动机台、测量桥组件；二维运动机台包括外置基准光学平晶、位移驱动机构，外置基准光学平晶配置在位移驱动机构上，外置基准光学平晶下表面与高度误差分离模块上表面耦合形成薄膜气隙，外置基准光学平晶上表面用于放置待测工件，测量桥组件用于采集待测工件形貌值，外置基准光学平晶随位移驱动机构作二维直线运动；高度误差分离模块配置为采集外置基准光学平晶下表面与高度误差分离模块发生靠近或分离位移转值；位移转值用于补偿测量桥组件采集待测工件形貌值。旨在解决现有工件面形精度测量方案存在测量精度低，成本高昂，装调要求严苛的问题。

Description

一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统

技术领域

本实用新型涉及微纳计量领域，具体涉及一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统。

背景技术

随着科技的进步，精密及超精密加工技术是先进加工制造技术的重要发展方向和重要研究领域，作为精密及超精密加工领域的一部分，高精度形貌测量是实现超精密工件品质控制和评价的关键技术。诸如半导体产业领域，晶圆片的面形质量对于GaN等外延薄膜生长的有重要的影响，如晶圆面形初始曲率取决于晶圆加工品控，从外延生长开始到结束，晶圆初始翘曲对外延的总翘曲有一个恒定的影响。故晶圆片在线切、研磨等加工过程中需要高精度形貌测量装置对晶圆片全场面形进行追踪。

精密及超精密加工的工件对面形精度极高，特别是高度向(轴向)测量需求往往达到微纳米级。随着相关产业技术进步，超精密加工工件的尺寸往往高达百毫米量级。当前表面计量领域，共焦显微镜、白光干涉测头等具有纳米级分辨力，可用于微纳表面形貌计量领域。然而其测量范围受限于数值孔径和视场范围等因素的限制，往往在几百微米至几毫米，远不能满足工件全域测量需求。为扩展测量范围，常用导向机构搭载高精度测头进行扫描采样，但是由于运动过程中由于导向机构直线度等在运动过程中将其误差耦合到高精度测头读数中，影响整个装置的测量精度。因此大行程下机构的运动误差对测量的影响限制着测量范围的扩展，同时实现高精度的形貌计量，其机构需要进行严苛的装调要求，而用于精密微纳测量静压导轨、磁悬浮导轨价格极为昂贵。

有鉴于此，提出本申请。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统，能够有效解决现有技术中的精密及超精密加工技术存在装置的测量精度低，装调要求严苛，成本高昂的问题。

本实用新型公开了一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,包括底座、配置在所述底座上的高度误差分离模块、配置在所述高度误差分离模块上的二维运动机台以及配置在所述二维运动机台上的测量桥组件；

其中，所述二维运动机台包括外置基准光学平晶以及配置在所述底座上的位移驱动机构，所述外置基准光学平晶配置在所述位移驱动机构上，所述外置基准光学平晶的下表面与所述高度误差分离模块的上表面耦合形成薄膜气隙，所述外置基准光学平晶的上表面用于放置待测工件，所述测量桥组件用于采集待测工件的形貌值，且所述外置基准光学平晶会随着所述位移驱动机构进行二维直线运动；

其中，所述高度误差分离模块配置为采集所述外置基准光学平晶的下表面与所述高度误差分离模块发生靠近或分离的位移转值；

其中，所述位移转值用于补偿所述测量桥组件采集待测工件的形貌值。

优选地，所述位移驱动机构包括驱动组件、从动组件以及两部线性高精度光栅，所述外置基准光学平晶的第一端部配置在所述驱动组件上，所述外置基准光学平晶的第二端部配置在所述从动组件上，所述两部线性高精度光栅配置在所述驱动组件上。

优选地，所述高度误差分离模块包括激光器、棱镜、相机以及光屏，所述激光器配置在所述底座上，所述激光器的发光端与所述棱镜的第一端面邸接，所述相机配置在所述底座上，所述光屏配置在所述相机摄像头的前端，且所述光屏与所述棱镜的第二端面相对，所述棱镜的第三端面与所述外置基准光学平晶的下表面形成薄膜气隙。

优选地，测量桥组件包括测量桥架以及测头，所述测量桥架配置在所述底座上，所述测头的第一端固定在所述测量桥架的中心部，所述测头的测量端对准所述棱镜第三端面的中心部，以保证所述高度误差分离模块的测量点与所述测头的测量点轴向共线。

优选地，所述测头为ConfocalDT 2422彩色共焦测头。

本实用新型还提供了一种实现高度误差分离的形貌测量系统，包括终端以及如上任意一项所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置，所述二维运动机台的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述测量桥组件的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述高度误差分离模块的输出端与所述终端的输入端电气连接。

综上所述，本实施例提供的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置及其系统，由于设备的二维导轨在微观上是不平的，在对待测工件进行测量时，会存在高低起伏的变化，固定所述误差光学测量组件，形成了一个参照物，所述外置基准光学平晶会随着二维运动机台作二维直线运动，在二维运动的过程中通过所述误差光学测量组件采集到的由于导轨不平引入的上下移动的误差，通过高度误差的获取对所述测量桥模块采集到的待测工件的形貌值进行补偿，从而解决现有技术中的精密及超精密加工技术存在装置的测量精度低，装调要求严苛，成本高昂的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的实现高度误差分离的形貌测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的实现高度误差分离的形貌测量系统的结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的实现高度误差分离的形貌测量装置的干涉现象条纹移动的仿真图及实现测头测点与干涉感知点共线示意示意图。

图4是本实用新型实施例提供的实现高度误差分离的形貌测量装置的薄膜干涉原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

请参阅图1至图4，本实用新型的第一实施例提供了一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,包括底座1、配置在所述底座上的高度误差分离模块、配置在所述高度误差分离模块上的二维运动机台以及配置在所述二维运动机台上的测量桥组件；

其中，所述二维运动机台包括外置基准光学平晶2以及配置在所述底座1上的位移驱动机构3，所述外置基准光学平晶2配置在所述位移驱动机构3上，所述外置基准光学平晶2的下表面与所述高度误差分离模块的上表面形成薄膜气隙，所述外置基准光学平晶2的上表面用于放置待测工件，所述测量桥组件用于采集待测工件的形貌值，且所述外置基准光学平晶2会随着所述位移驱动机构3进行二维直线运动；

其中，所述高度误差分离模块配置为采集所述外置基准光学平晶2的下表面与所述高度误差分离模块发生靠近或分离的位移转值；

其中，所述位移转值用于补偿所述测量桥组件采集待测工件的形貌值。

具体地，在本实施例中，所述二维运动机台在二维直线运动过程中，所述高度误差分离模块上表面与所述外置基准光学平晶2下表面产生的靠近或者远离的位移值转化为干涉图像，通过干涉图像来获得放大所述高度误差分离模块上表面与所述外置基准光学平晶2下表面产生的靠近或者远离产生的误差值，进而获得位移转值；根据得到的位移转值和所述测量桥组件采集的待测工件的形貌值，可以得到更加精准的待测工件的形貌值。

具体地，在本实施例中，由于设备的二维导轨在微米纳米尺度上是不平的，在对待测工件进行测量时，会存在高低起伏的变化，固定所述高度误差分离模块，形成了一个参照物，所述外置基准光学平晶2会随着所述位移驱动机构3作二维直线运动，在机台二维运动的过程中通过所述高度误差分离模块采集到的由于导轨不平及测量系统装调垂直度引入的上下移动的误差，通过高度误差的获取对所述测量桥模块采集到的待测工件的形貌值进行补偿；所述外置基准光学平晶2作为测量基准独立放置，所述外置基准光学平晶2的下表面于所述高度误差分离模块耦合，除了所述外置基准光学平晶2，其余部件刚性固定在所述测量模块的顶部；其中，被测工件诸如晶圆、衬底片、手机屏幕等低陡峭度工件。其中，所述外置基准光学平晶2可以选用双面光学平晶，所述的双面光学平晶平面度≤0.05μm，平行度≤1”，其精度决定了高度向误差分离的上限，可根据工件形貌的测量需求选择不同精度等级光学平晶基准。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的外置基准光学平晶，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，所述高度向误差分离的三维形貌测量装置在测量原理上，结合基于等厚干涉原理实现运动过程中高度误差分离，保证了测量装置三维形貌测量时轴向测量的精度，而集成拥有很强的安装灵活性；在测量装置结构设计上，引入高度误差分离模块和高精度外置基准，放宽了测量装置导向机构的精度要求与系统载物台的装调要求。当装置装调过程中运动模块的载物机台有一定角度倾斜和导向机构直线度误差耦合在一起，高度误差分离模块可实现其误差分离，保证测量装置采用一般精度的导向机构实现百毫米运动范围的微纳级三维形貌测量。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述位移驱动机构包括驱动组件、从动组件以及两部线性高精度光栅，所述外置基准光学平晶2的第一端部配置在所述驱动组件上，所述外置基准光学平晶2的第二端部配置在所述从动组件上，所述两部线性高精度光栅配置在所述驱动组件上。

具体地，在本实施例中，所述二维运动机台还包括电机以及滚珠丝杠导轨滑轨，设备启动时，电机开始工作，并通过带动滚珠丝杠导轨滑轨进行二维直线运动，进而带动所述外置基准光学平晶2进行前后左后平移的二维直线运动；所述两部线性高精度光栅用于追踪二维运动位移变化，所述外置基准光学平晶2和被测工件放置于二维运动机台上，所述二维运动机台带动所述外置基准光学平晶2做二维直线运动。所述二维运动机台可以选用卓立汉光公司行程100mm的二维电动位移台和从动滑轨组成，其直线度≤±50μm。当运动机构的行程扩大，由于导向元件直线度、机构的装调等因素影响形貌测量的精度。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的二维运动机台，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述高度误差分离模块包括激光器4、棱镜5、相机6以及光屏7，所述激光器4配置在所述底座1上，所述激光器4的发光端与所述棱镜5的第一端面邸接，所述相机6配置在所述底座1上，所述光屏7配置在所述相机6摄像头的前端，且所述光屏7与所述棱镜5的第二端面相对，所述棱镜5的第三端面与所述外置基准光学平晶2的下表面形成薄膜气隙。

具体地，在本实施例中，所述棱镜5和所述外置基准光学平晶2形成薄膜气隙，所述激光器4发生出的激光通过所述棱镜5与所述外置基准光学平晶2组成气隙的两个反射面由于光程差产生的干涉现象。所述光屏7上将出现明暗相间的干涉条纹，随着所述二维运动机台进行运动时，由于驱动机构和从动机构的直线度等因素的影响，所述棱镜5与所述外置基准光学平晶2相互耦合气间间距变化的过程中干涉条纹产生相应的变化会被工业高速相机获取，经线缆传输到所述计算机保存和处理得到高度向误差数据。

具体地，在本实施例中，所述二维运动机台台面有一部分中空，双面光学平晶作为外置基准，将其作为分离运动过程中高度误差的外置基准放置于所述二维运动机台之上。基准的上表面放置待测工件，将棱镜、工业相机、激光器、光屏独立固定在所述二维运动机台台面之下，所述棱镜5上表面与所述外置基准光学平晶2下表面形成薄膜气隙，调整所述激光器4激光的入射角度，使激光光束可通过所述棱镜5与所述外置基准光学平晶2组成气隙的两个反射面产生明暗相间干涉条纹呈现在所述光屏7中。所述棱镜5在高度方向的变化相对于所述光屏7的干涉图像条纹开始滚动和旋转，干涉条纹的相位相应出现变化。

其中，调整所述激光器4激光的入射角度应保证激光光束到达棱镜5与光学平晶反射面时应小于全反射的临界角，否则将不会出现干涉条纹。同时棱镜与基准光学平晶组成气隙的间距决定了干涉系统的最大量程，需根据运动系统导向机构直线度情况和运动范围合理的调整气隙的间距，使该测量方法可以实现运动系统工作距离的高度误差分离。

在本实施例中，所述光屏7可以为可将像呈现在其中的毛玻璃；所述相机6可以为Basler acA2000-165um面阵相机，感光芯片为CMOS类型，靶面尺寸2/3"，分辨率200万像素(2048×1088)，最高帧速率可达165fps，搭配Moritex公司ML-MC50HR微距镜头，焦距50mm，放大倍率在0.5～0.8的范围内，TV畸变小于0.07％。像素越高、像元越小能在图像处理中带来更高的分辨率，但是像素越高，图像所占内存越大，所用算力越高，本实用新型该款工业相机在实现测量系统的同时，可兼顾图像处理速度的影响；所述激光器4可以为功率50mW，出瞳光束直径15mm、发散角0.1mrad、波长650nm单色红光光源；所述棱镜5可以为尺寸30mm×30mm×30mm、表面面型为λ/10@632.8nm的直角棱镜。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的高度误差分离模块，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，测量桥组件包括测量桥架8以及测头9，所述测量桥架8配置在所述底座1上，所述测头9的第一端固定在所述测量桥架8的中心部，所述测头9的测量端对准所述棱镜第三端面的中心部，所述高度误差分离模块的测量点与所述测头9的测量点轴向共线。

具体地，在本实施例中，所述测量桥架8可以为拱形测量桥架，用于刚性固定测头；所述测头9可以为ConfocalDT 2422彩色共焦测头，彩色共焦测头，其基于多光谱轴向色散原理，该测头无需轴向机械结构辅助对焦即可获取工件高度方向(Z向)三维形貌数据；测头分辨力为6nm，测量范围600μm。高精度的测头是决定形貌测量精度的决定性因素之一，但是更高精度的测头将带来更高的成本，需根据工件形貌的测量需求选择不同精度等级的测头。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的测量桥架和测头，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，根据等厚干涉原理，可以推导出随着棱镜高度变化，即棱镜反射面与基准光学平晶反射面的距离变化与干涉条纹的相位变化成线性，通过所述相机采集干涉图像计算得到干涉条纹相位变化即可得到运动过程中运动模组对测量系统引入高度向的误差。

在本实施例中，所述高度向误差分离的三维形貌测量装置，具有一个测头，体积小巧，此时将所述高度向误差分离模块和所述测量桥组件进行固定，只驱动所述外置基准光学平晶2进行二维直线运动，可测量待测工件单面的形貌值。

本实用新型的第二实施例提供了一种实现高度误差分离的形貌测量系统，包括终端以及如上任意一项所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置，所述二维运动机台的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述测量桥组件的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述高度误差分离模块的输出端与所述终端的输入端电气连接。

具体地，在本实施例中，所述终端与运动控制器和各个感知元件相连接，并控制所述二维运动机台的二维运动，根据测头数据和高度误差分离装置采集的图像经过计算获取经过高度误差分离后的形貌信息。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,其特征在于，包括底座、配置在所述底座上的高度误差分离模块、配置在所述高度误差分离模块上的二维运动机台以及配置在所述二维运动机台上的测量桥组件；

其中，所述二维运动机台包括外置基准光学平晶以及配置在所述底座上的位移驱动机构，所述外置基准光学平晶配置在所述位移驱动机构上，所述外置基准光学平晶的下表面与所述高度误差分离模块的上表面耦合形成薄膜气隙，所述外置基准光学平晶的上表面用于放置待测工件，所述测量桥组件用于采集待测工件的形貌值，且所述外置基准光学平晶会随着所述位移驱动机构进行二维直线运动；

其中，所述高度误差分离模块配置为采集所述外置基准光学平晶的下表面与所述高度误差分离模块发生靠近或分离的位移转值；

其中，所述位移转值用于补偿所述测量桥组件采集待测工件的形貌值。

2.根据权利要求1所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,其特征在于，所述位移驱动机构包括驱动组件、从动组件以及两部线性高精度光栅，所述外置基准光学平晶的第一端部配置在所述驱动组件上，所述外置基准光学平晶的第二端部配置在所述从动组件上，所述两部线性高精度光栅配置在所述驱动组件上。

3.根据权利要求1所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,其特征在于，所述高度误差分离模块包括激光器、棱镜、相机以及光屏，所述激光器配置在所述底座上，所述激光器的发光端与所述棱镜的第一端面邸接，所述相机配置在所述底座上，所述光屏配置在所述相机摄像头的前端，且所述光屏与所述棱镜的第二端面相对，所述棱镜的第三端面与所述外置基准光学平晶的下表面形成薄膜气隙。

4.根据权利要求3所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,其特征在于，测量桥组件包括测量桥架以及测头，所述测量桥架配置在所述底座上，所述测头的第一端固定在所述测量桥架的中心部，所述测头的测量端对准所述棱镜第三端面的中心部，以保证所述高度误差分离模块的测量点与所述测头的测量点轴向共线。

5.根据权利要求4所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置,其特征在于，所述测头为ConfocalDT 2422彩色共焦测头。

6.一种高度向误差分离的三维形貌测量系统，其特征在于，包括终端以及如权利要求1至5任意一项所述的一种高度向误差分离的三维形貌测量装置，所述二维运动机台的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述测量桥组件的输出端与所述终端的输入端电气连接，所述高度误差分离模块的输出端与所述终端的输入端电气连接。

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