一種XYZ-β四維掃描探針微形貌測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微結(jié)構(gòu)加工及微結(jié)構(gòu)面形質(zhì)量檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種XYZ-0 四維掃描探針微形貌測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著精密加工技術(shù)的發(fā)展，各種微結(jié)構(gòu)器件不斷出現(xiàn)，該些微結(jié)構(gòu)器件通常具有 復(fù)雜的面形幾何特征，具體表現(xiàn)為垂直側(cè)壁、睹峭斜坡、尖端銳角等。在測量具有復(fù)雜面形 特征的微結(jié)構(gòu)表面形貌時，測量結(jié)果中樣品形貌失真和噪聲干擾是當(dāng)前精密形貌測量亟待 解決的技術(shù)難題。
[0003] 精密形貌測量技術(shù)主要包括非接觸式測量和接觸式測量兩大類。
[0004] 非接觸式測量主要包括基于光學(xué)的共聚焦和自聚焦顯微測量技術(shù)等。此類測量技 術(shù)的缺點(diǎn)是；受物鏡數(shù)值孔徑限制，測量系統(tǒng)具有較小的最大可測量角，測量誤差對被測面 形的斜率非常敏感，測量大斜率表面時有明顯噪聲W及信號失真，甚至無法測量。
[0005] 接觸式測量主要包括機(jī)械探針式輪廓儀、掃描探針顯微鏡和=坐標(biāo)測量機(jī)等。機(jī) 械探針式輪廓儀的缺點(diǎn)是；探針尖端最大可探測角為45度或60度，在測量具有大斜坡特征 的微結(jié)構(gòu)表面時，容易出現(xiàn)輪廓干設(shè)和探針慣性跳動現(xiàn)象，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地測量樣品表面 形貌。掃描探針顯微鏡的缺點(diǎn)是；橫向測量范圍一般為10微米至100微米，縱向測量范圍 小于10微米，因此掃描探針顯微鏡通常用于納米結(jié)構(gòu)的形貌測量，而不用于微結(jié)構(gòu)的形貌 測量。=坐標(biāo)測量機(jī)缺點(diǎn)是；探頭尖端尺寸過大，其最小尺寸在幾十至幾百微米范圍，在運(yùn) 用于微結(jié)構(gòu)形貌檢測時容易產(chǎn)生測量盲區(qū)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果失真。
[0006] 當(dāng)前形貌測量技術(shù)能夠有效測量具有平滑特征的微結(jié)構(gòu)，獲取較高的測量精度和 可靠性。但是，受各種測量技術(shù)的最大可探測角的制約W及測量誤差對樣品斜率敏感等因 素的影響，針對具有復(fù)雜面形特征微形貌的測量，其測量結(jié)果會引入不可補(bǔ)償或超過允許 界限的測量誤差，降低測量精度和測量可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決已有形貌測量技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷（如測量誤差對斜率敏感的問題，測 量的最大可探測角過小），提高對復(fù)雜面形微形貌的測量能力，我們發(fā)明了一種XYZ-0四 維掃描探針微形貌測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)采用的具體技術(shù)方案詳見下文描述：
[0008] 測量系統(tǒng)如圖1所示，主要由精密氣浮隔震工作臺（l)、XYZ-e四維掃描模塊（2)、 微探針模塊（3)、龍口式橋架（4)、信號采集轉(zhuǎn)換模塊巧）、信號分析處理模塊化）、四維掃 描控制模塊（7)等組成。所述的XYZ-0四維掃描模塊固定在精密氣浮隔震工作臺（1)上， 其上方放置被測樣品巧），被測樣品（8)的正上方為所述的微探針模塊；所述的龍口式橋架 的兩個立柱分列XYZ-0四維掃描模塊（2)的兩側(cè)，并固定在精密氣浮隔震工作臺（1)上， 龍口式橋架（4)的橫梁上承載有所述的微探針模塊，所述的橫梁經(jīng)兩個立柱支撐，橫跨在 所述的XYZ-0四維掃描模塊的上方；所述的微探針模塊通過信號采集轉(zhuǎn)換模塊（5)與信號 分析處理模塊（6)連接；所述的信號分析處理模塊通過四維掃描控制模塊（7)與XYZ-e四 維掃描模塊（2)連接，用于控制掃描模塊的掃描運(yùn)動。
[0009] 所述的精密氣浮隔震工作臺，固有頻率低、阻振性好，可減小外界震動對測量的干 擾，保證XYZ-0四維掃描模塊（2)和微探針模塊（3)能夠有效地配合工作，減小測量誤差， 提高測量精度。
[0010]所述的XYZ- 0四維掃描模塊由基座（2-1)、0旋轉(zhuǎn)軸承（2-2)和XYZ微位移平臺 (2-3)=部分組成。其組成結(jié)構(gòu)為；基座（2-1)剛性連接在精密氣浮隔震工作臺（1)上，0 旋轉(zhuǎn)軸承（2-2)固定在基座（2-1)的正側(cè)面上，其軸線與基座的正側(cè)面垂直，XYZ微位移平 臺（2-如剛性連接在0旋轉(zhuǎn)軸承（2-。的凸臺上。所述的XYZ微位移平臺可精確控制樣 品（8)在X、Y、ZS個方向作直線運(yùn)動，0旋轉(zhuǎn)軸承（2-2)可使樣品（8)在X-Z平面內(nèi)按照 控制指令做旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動。W上=維空間的線性掃描和旋轉(zhuǎn)掃描形成復(fù)合運(yùn)動掃描方式， 可使具有睹峭斜坡、垂直峭壁、尖端銳角、峰谷凹槽等復(fù)雜面形特征樣品表面的微形貌得到 精確測量。
[0011] 所述的微探針模塊主要由微探針和微位移傳感器組成，用來檢測被測樣品（8)表 面的微觀形貌變化。
[0012] 所述的龍口式橋架由兩個立柱和一個橫梁組成，其材質(zhì)均為花崗巖。所述的立柱 固定在精密氣浮隔震工作臺（1)上用來支承橫梁，所述的橫梁剛性連接在兩個立柱上用來 承載微探針模塊（3)。龍口式橋架（4)采用花崗巖材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是；花崗巖的剛度較大，熱膨 脹系數(shù)較小，抗震性好，可減小系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的熱彈性變形，有利于提高測量精度。
[0013] 所述的信號分析處理模塊通過信號采集轉(zhuǎn)換模塊巧），采集微探針模塊（3)的測 量信號，經(jīng)過計(jì)算處理后，向四維掃描控制模塊（7)發(fā)出指令，控制XYZ-0四維掃描模塊 (2)的運(yùn)動。通過XYZ-0四維掃描模塊的運(yùn)動，微探針模塊（3)掃描樣品表面微觀形貌，經(jīng) 過信號分析處理模塊化）的分析處理，重構(gòu)樣品（8)表面微觀形貌。
[0014] 所述的信號分析處理模塊經(jīng)信號采集轉(zhuǎn)換模塊（5)與微探針模塊（3)連接，再經(jīng) 四維掃描控制模塊（7)與XYZ-0四維掃描模塊（2)連接，已測量的形貌結(jié)果通過信號分析 處理模塊（6)分析處理后，形成新的掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案，并通過四維掃描控制模塊（7)控制 XYZ-0四維掃描模塊（2)的運(yùn)動方式。該樣的閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，可有效地提高系統(tǒng)對具有復(fù) 雜面形特征的微結(jié)構(gòu)表面形貌的測量能力并提高測量精度和可靠性。
[0015] 本發(fā)明的有益效果
[0016] 與已有的表面形貌測量系統(tǒng)相比，本發(fā)明帶來的有益效果是：
[0017] 該測量系統(tǒng)可根據(jù)被測樣品斜率的分布，改變微探針與樣品之間的受力情況，W 減小和避免微探針和被測樣品的損傷。
[0018] 該測量系統(tǒng)實(shí)時修正樣品和微探針模塊之間的相對夾角，提高了形貌測量系統(tǒng)的 最大可探測角，降低了測量過程中微探針對樣品斜率變化的敏感特性，因此該測量系統(tǒng)對 微形貌的復(fù)雜面形具有較強(qiáng)的測量能力。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明一種XYZ-0四維掃描探針微形貌測量系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明一種XYZ- 0四維掃描探針微形貌測量系統(tǒng)，沿水平方向掃描被測樣 品的不意圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明一種XYZ