一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微结构面形质量检测技术领域，特别涉及一种用于微结构工件的斜率 自适应形貌测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着精密加工技术的发展，各种微结构器件不断出现，这些微结构器件通常具有 复杂的面形几何特征，具体表现为垂直侧壁、陡峭斜坡、尖端锐角等。目前对于这些微结构 器件的测量主要难点在于：受测量系统本身最大可探测角的限制，导致在陡峭斜坡区域存 在一定的测量盲区，在测量结果中引入不可补偿的测量误差；如何快速准确地测量这些微 结构器件已成为亟待解决的科学难题。
[0003] 近年来人们做了大量研宄工作来解决这个问题，白光干涉技术是测量深沟槽型微 结构最为常见的测量方法，这其中以华中科技大学、合肥工业大学和中北大学为代表，该方 法受物镜数值孔径限制，测量系统具有较小的最大可测量角，测量误差对被测面形的斜率 非常敏感。探针主动偏置技术实现了对大斜率样品完整形貌的准确测量，但该方法的测量 可靠性与精度依赖于实验员的操作经验，在形貌重构中采用的数据融合算法偶尔也会发生 特征匹配失误等情况。浙江大学居冰峰教授自主研发了一种新型STM系统和高纵横比的 STM探针，通过旋转被测样品的方法成功地测量了斜率90°的梯形结构的表面形貌，但该 方法的测量过程耗时较长，通过旋转扫描引入的测量误差较大，无法通过补偿消除。
[0004] Weckenmann, A.等提出了旋转探针的方法来减小测量偏差，并通过仿真验证了该 方法的可行，Henselmans et al设计了一种非接触式测量机，测量光学自由曲面表面轮廓， 这两种方法都通过适当旋转触针来测量陡峭斜坡表面，然而由于所采用的触针的横向分辨 率为几百微米，因此不能对几到几百微米的微结构的表面轮廓进行测量，限定了其使用范 围。
【发明内容】
[0005] 为解决已有形貌测量方法中存在的技术难题，提高对复杂面形微形貌的测量能 力，我们发明了一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法。该测量方法的具体技术 方案详见下文描述：
[0006] 本发明所涉及的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，建立在已有的 发明专利（专利申请号为201510219579. 5)"一种XYZ - β四维扫描探针微形貌测量系统" 基础之上。所述的一种XYZ - β四维扫描探针微形貌测量系统，如图1包括：精密气浮隔震 工作台（1)、ΧΥΖ - β四维扫描模块（2)、微探针模块（3)、龙门式桥架（4)、信号采集转换模 块（5)、信号分析处理模块(6)、四维扫描控制模块（7)等。所述的微探针模块为一种触针 式位移传感器，固定在所述的龙门式桥架上，可对样品（8)进行扫描测量；所述的XYZ - β 四维扫描模块由基座（2-1)、β旋转轴承（2-2)和XYZ微位移平台（2-3)三部分组成，所述 的β旋转轴承固定在基座（2-1)上，所述的XYZ微位移平台刚性连接在β旋转轴承（2-2) 的凸台上，其中XYZ微位移平台上放置有被测样品（8)，所述的XYZ - β四维扫描模块可使 样品（8)在X、Y、Z三个方向作直线运动，在X-Z平面内做旋转运动；以上所述的XYZ - β 四维扫描模块和龙门式桥架都设置在精密气浮隔震工作台（1)，确保测量过程不受外界振 动干扰。
[0007] 在此测量系统的基础上，本发明一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法 的测量步骤如流程图2所示：
[0008] 第一步将被测样品固定在XYZ微位移平台上，在所述的XYZ微位移平台的驱动下 使触针与样品表面平滑区域接触；确定接触后，再在XYZ微位移平台的驱动下使样品沿X轴 方向匀速运动；此时所述的触针将以一定的采样频率等间距扫描样品，当扫描几个点后，当 前测量点Pi处的斜率角P可以通过已测点的值一阶拟合预测。
[0009] 第二步系统通过计算分析可将当前测量点Pi处的斜率角P与触针的最大可探 测角Θ进行比较。若ρ小于或等于某一设定角度（比如)则系统默样品表面斜率变 化在一个合理范围内，此时只需对样品保持平移扫描而不用进行旋转扫描；P = Θ为触针 与样品发生轮廓干涉的临界条件，考虑到测量中测量和计算误差的影响，因此若Θ - 1° < P < Θ+Γ可以推测触针与样品之间发生了轮廓干涉，触针与样品表面的接触点位于 触针的侧壁上而不是其尖端，因此会产生轮廓干涉误差，此时需要对样品进行旋转扫描；若 可知虽然触针与样品之间没有发生轮廓干涉，但系统认为样品表面的斜率 变化超出了一个合理的范围，需要对样品进行旋转扫描。
[0010] 第三步在上述所述的需要旋转扫描的情况下，所述的XYZ微位移平台和样品将会 在β旋转轴承的驱动下旋转，其特征是：所述的β旋转轴承由步进电机驱动，可按照设定 好的步进指令，逐次旋转一个特定角度。
[0011] 应当指出的是：由于β旋转轴承在旋转过程中存在一定的运动误差，并且误差范 围会随着转角的增大而增大，因此根据测量误差要求，能够确定一个最大可旋转角Φ ;被 测样品的累积旋转角γ将受到P的限制，其大小应为0° 之间。当所述的被测样品的 累积旋转角γ大于最大可旋转角P时，系统将会停止测量；或者当触针在被测样品旋转过 程中有向上运动的趋势时，证明触针与被测样品之间发生了挤压，为防止所述的触针和被 测样品的损坏，系统也要停止测量。
[0012] 第四步在满足上述旋转测量要求后，所述的被测样品每旋转一次，系统将会对样 品进行重新扫描，从而得到一组新的扫描数据。根据新的扫描数据，可对当前测量点Pi处 的斜率角ρ进行重新拟合预测，然后再将新的预测值ρ与最大可探测角Θ进行比较。以 上所述过程将重复循环进行，直到当前测量点Pi处的斜率角P< 为止。
[0013] 第五步根据扫描结果重构样品表面形貌。系统首先判断样品表面扫描是否结束， 若没有结束则返回第一步继续进行扫描。若扫描已经结束，则系统根据触针式位移传感器 的输出值，XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小可以重 构出样品表面形貌特征。
[0014] 如上所述的一种用于微结构工件的斜率自适应形貌测量方法，更进一步说明为， 上述第二步中判断采用何种扫描方式时，是根据当前测量点Pi处的斜率角P与的大小 关系判定的。其中是依据测量误差要求人为设定的，因此在实际应用当中可根据测量要 求自行调节其大小。
[0015] 本发明的有益效果
[0016] 与以往的微结构形貌测量方法相比，本发明的有益效果是：
[0017] 提供了一种简单、有效地测量具有复杂面形特征的微结构的方法，该方法能够根 据样品表面形貌变化，自动调节触针与样品间的相对夹角，使触针在扫描样品时适应样品 表面的斜率变化，不至于发生轮廓干涉现象。扫描结束后根据触针式位移传感器的输出值， XYZ微位移平台的移动量、β旋转轴承的旋转量和触针尖端半径的大小可