一種計量型微納臺階高度測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納臺階高度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種計量型微納臺階高度測量
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]目前，一般利用觸針掃描和顯微掃描兩種方法測量納米溝槽深度，但該兩種測量方法均存在一定技術(shù)缺陷，具體缺陷如下:
[0003]利用觸針掃描方法測量。測量時，觸針與被測表面接觸并沿被測表面直線運動，觸針的上下位移通過杠桿機構(gòu)傳遞給測量傳感器，傳感器的輸出值即為獲得被測納米溝槽的深度或納米臺階的高度。但是所測得的輪廓是觸針和被測表面表面形貌的卷積，觸針的形貌會帶入輪廓中，引起測量誤差；同時觸針直徑有一定的大小，無法與具有較深的小溝槽、小孔等零件表面直接接觸，也會影響表面測量準確度。觸針掃描方法采用傳感器測量位移，其基于電感或激光原理，無法實現(xiàn)位移量值溯源，必須進行校準之后才能進行測量。觸針掃描方法單次測量只能得到一條輪廓線，無法實現(xiàn)快速三維掃描。
[0004]利用顯微掃描方法測量。測量時，壓電陶瓷驅(qū)動顯微測頭垂直于樣品表面掃描，采集納米溝槽或臺階上下表面干涉圖像，擬合出上下表面三維圖像，圖像上下表面間距即為被測納米溝槽的深度或納米臺階的高度。顯微掃描方法雖然可以得到三維圖像，但是其縱向位移都來自于光柵尺，依然需要校準之后才能進行測量。
[0005]綜上所述，目前還沒有一臺能夠?qū)崿F(xiàn)量值直接溯源的，具有毫米級測量范圍，納米級測量準確度的，可以直接得到三維圖像的溝槽深度(臺階高度)測量儀器設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一臺能夠?qū)崿F(xiàn)量值直接溯源的，具有毫米級測量范圍，納米級測量準確度的，可以直接得到三維圖像的納米溝槽深度測量裝置的技術(shù)缺陷，本發(fā)明設(shè)計出一種實現(xiàn)了量值直接溯源、具有毫米級測量范圍、納米級測量準確度的，可以直接得到三維圖像的計量型微納臺階高度測量裝置。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種計量型微納臺階高度測量裝置，包括支撐系統(tǒng)以及安裝在支撐系統(tǒng)上的白光顯微測頭、位移掃描系統(tǒng)和計量系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)包括底板以及固接在底板上的“[”形立柱；白光顯微測頭包括光源模塊、照明模塊、CCD模塊、管鏡模塊以及干涉物鏡模塊，光源模塊與照明模塊通過第一光纖連接，CCD模塊與管鏡模塊以及干涉物鏡模塊與照明模塊之間均通過螺紋連接，管鏡模塊與照明模塊之間通過卡口卡接；位移掃描系統(tǒng)包括安裝在“[”形立柱內(nèi)壁的升降臺、固接在升降臺側(cè)壁的升降載板以及安裝在升降載板上的納米位移臺和可調(diào)傾斜載物臺，可調(diào)傾斜載物臺固接在納米位移臺上方，升降載板通過直線軸承結(jié)構(gòu)與“[”形立柱滑動連接；計量系統(tǒng)包括固接在升降載板底部的激光干涉儀，參考反射鏡以及測量反射鏡，其中激光干涉儀包括干涉頭和激光光源，干涉頭通過第二光纖與激光光源相連接；干涉頭上開設(shè)有測量光束進出口和參考光束進出口，參考反射鏡固接在干涉頭表面且垂直于參考光束；位移掃描系統(tǒng)底端固接有傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，測量反射鏡固接在傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)底端面上且垂直于測量光束；白光顯微測頭的光軸與激光干涉儀的光軸同軸。
[0009]該計量型微納臺階高度測量裝置主要用來測量納米臺階的高度或溝槽的深度。系統(tǒng)采用粗細兩級位移掃描系統(tǒng)，壓電陶瓷驅(qū)動的納米位移臺可在微米級掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)亞納米級步進；壓電陶瓷驅(qū)動的升降臺可在毫米級掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)亞微米級步進；z向測量范圍最大可達200微米。顯微干涉測頭采用白光光源(即采用白光顯微測頭)，白光干涉圖像具有零級干涉條紋比兩側(cè)的次級干涉條紋幅值大的特點，根據(jù)這個特點采用零級干涉條紋中心定位被測對象上下表面位置，可實現(xiàn)0.1nm的Z向分辨率，同時可直接獲得被測表面的三維形貌。光源模塊和照明模塊之間采用第一光纖傳導，減小了光源發(fā)熱帶來的熱誤差；此外，該設(shè)計也使得更換光源燈泡比光源照明一體型結(jié)構(gòu)更簡便。
[0010]進一步的，底板與“[”形立柱之間安裝有弧面座?！癧”形立柱的左右兩側(cè)以及背面均安裝有走線盒，走線盒上開設(shè)有供第一光纖通過的鈑金線槽。
[0011]進一步的，“[”形立柱的左右兩側(cè)以及背面均安裝有走線盒，走線盒上開設(shè)有供第一光纖通過的鈑金線槽。
[0012]進一步的，升降載板上設(shè)置有上肋板和下肋板，且升降載板為一體成型結(jié)構(gòu)。升降載板采用上下肋板結(jié)構(gòu)，可以分散納米位移臺和可調(diào)傾斜載物臺的壓力以及增強升降臺的運動平穩(wěn)性。
[0013]進一步的，可調(diào)傾斜載物臺與納米位移臺之間安裝有轉(zhuǎn)接板；納米位移臺中部開設(shè)有通孔，傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)由螺栓固定到轉(zhuǎn)接板底端并通過納米位移臺的通孔。
[0014]進一步的，傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)采用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。
[0015]進一步的，納米位移臺與升降臺的掃描方向與光軸平行，并且納米位移臺和升降臺均豎直放置/水平放置。
[0016]優(yōu)選的，測量反射鏡與參考反射鏡之間的距離為3_-5_?？蓽p小激光干涉儀的死光程誤差。
[0017]進一步的，直線軸承結(jié)構(gòu)包括兩組結(jié)構(gòu)相同的滑動組件，每組滑動組件均包括導軸座以及固接在導軸座頂端的導軸，導軸底端通過兩個配套的半圓鎖緊件與導軸座固定連接，頂端向上延伸至伸出升降載板并穿過固接在升降載板上方的軸承。該直線軸承結(jié)構(gòu)有效減小了升降載板的側(cè)應(yīng)力。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:1、光源模塊和照明模塊之間采用第一光纖傳導，減小了光源發(fā)熱帶來的熱誤差；此外，該設(shè)計也使得更換光源燈泡比光源照明一體型結(jié)構(gòu)更簡便。2、白光顯微測頭采用Mirau型干涉物鏡，參考鏡及分光鏡位于內(nèi)部，光束受外界影響較??；此處的Mirau型干涉物鏡也可簡便的更換為Michelson和Linnik干涉物鏡，實現(xiàn)不同類型樣品的測量。3、系統(tǒng)采用粗細兩級位移掃描系統(tǒng)，壓電陶瓷驅(qū)動的納米位移臺可在微米級掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)亞納米級步進；壓電陶瓷驅(qū)動的升降臺可在毫米級掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)亞微米級步進；Z向測量范圍最大可達到200微米。4、采用測頭不動，載物臺掃描方式，可使白光顯微干涉系統(tǒng)不受運動結(jié)構(gòu)振動的影響，穩(wěn)定可靠。5、“ [”形立柱及底板采用重量很大、不易產(chǎn)生變形的大理石制作而成，機械性能穩(wěn)定可靠。6、白光顯微測頭的重心位于大理石底座的臺面內(nèi)，因大理石重量較大，可以保證測頭的機械穩(wěn)定性。7、位移掃描系統(tǒng)采用直線軸承結(jié)構(gòu)支撐，有效保證了位移掃描系統(tǒng)的單向移動，減小了運動軸與測量軸不同軸帶來的阿貝誤差。8、白光顯微測頭的光軸與激光干涉儀的光軸同軸減小了阿貝誤差和余弦誤差。9、采用激光干涉儀、參考反射鏡和測量反射鏡構(gòu)成計量系統(tǒng)，可以將位移直接溯源到國際單位制中米定義的波長基準。10、測量反射鏡與參考反射鏡的反射面平行且縱向距離為3mm-5mm,可減小激光干涉儀的死光程誤差。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所述計量型微納臺階高度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明所述白光顯微測頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明所述白光顯微測頭的光路設(shè)計框圖；
[0022]圖4為本發(fā)明所述位移掃描系統(tǒng)(包括“[”形立柱)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為圖4A處的局部放大圖；
[0024]圖6為圖4B處的局部放大圖；
[0025]圖7為本發(fā)明所述計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8為本發(fā)明所述干涉頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9為本發(fā)明所述傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中，
[0029]1、支撐系統(tǒng)；11、底板；12、“ [”形立柱；121、走線盒；122、鈑金線槽；13、弧面座；
2、白光顯微測頭；21、殼體；22、光源模塊；23、照明模塊；24、C⑶模塊；25、管鏡模塊；26、干涉物鏡模塊；27、第一光纖；28、被測樣品；3、位移掃描系統(tǒng)；31、升降臺；32、升降載板；321、上肋板；322、下肋板；33、納米位移臺；34、可調(diào)傾斜載物臺；35、直線軸承結(jié)構(gòu)；351、導軸座；352、導軸；353、半圓鎖緊件；354、軸承；37、傾斜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；38、轉(zhuǎn)接板；4、計量系統(tǒng)；41、干涉頭；411、測量光束進出口 ；412、參考光束進出口 ；42、參考反射鏡；421、第二光纖；422、激光光源；43、測量反射鏡。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進行詳細解釋說明。
[0031]如圖1-9所示，本發(fā)明提供的一種計量型微納臺階高度測量裝置，包括支撐系統(tǒng)I以及安裝在支撐系統(tǒng)上的白光顯微測頭2、位移掃描系統(tǒng)3和計量系統(tǒng)4，支撐系統(tǒng)包括底板11以及固接在底板上的“[”形立柱12 ;白光顯微測頭包括光源模塊22、照明模塊23、(XD模塊24、管鏡模塊25以及干涉物鏡模塊26，光源模塊與照明模塊通過第一光纖27連接，CCD模塊與管鏡模塊以及干涉物鏡模塊與照明模塊之間均通過螺紋連接，管鏡模塊與照明模塊之間通過卡口卡接；位移掃描系統(tǒng)包括安裝在“[”形立柱內(nèi)壁的升降臺31、固接在升降臺側(cè)壁的升降載板32以及安裝在升降載板上的納米位移臺33和可調(diào)傾斜載物臺34，可調(diào)傾斜載物臺固接在納米位移臺上方，升降載板通過直線軸承結(jié)構(gòu)35與“[”形立柱滑動連接；計量系統(tǒng)包括固接在升降載板底部的