雙測頭復合型微納米測量儀的研制

吳俊杰，劉 儉，魏佳斯，傅云霞，李 源*

(1. 上海市計量測試技術研究院 機械與制造計量技術研究所，上海 201203；2. 哈爾濱工業大學 儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

近年來，隨著微納加工技術的迅速發展，器件特征尺寸和與之關聯的公差不斷減小，而其形狀結構的復雜程度卻不斷增加，這就對微納尺度的幾何量檢測提出了更高的需求。在表面三維形貌檢測中，廣泛采用光學方法、掃描探針顯微法、機械觸針測量法，以及坐標測量法等[1-2]。按傳統方式分類，表面測量大致可分為接觸式測量和非接觸式測量[3]。

接觸式測量方法主要包括掃描探針顯微法、機械觸針法及坐標測量方法等。接觸式測量方法精度高、量程大，且不受光學方法中存在的衍射極限的限制，不受樣品表面顏色及光照的影響，但由于測量時與樣品接觸，易劃傷樣品表面。接觸式測量方法有多種傳感方式，如基于電容、電感、壓電、壓阻等原理，也有與光學原理相結合的，其共同特征是測量過程中測頭通過一根探針與樣品接觸，掃描樣品表面，進而得到樣品表面輪廓[4-5]。非接觸式測量一般指光學測量，光學測量方法操作過程簡單，測量速度快，便于工業現場在線測量。隨著超精密加工技術的進步，光學測量方法已經成為了目前微納米尺度三維形貌測試的主要手段，特別是在半導體產業中，光學測量方法得到了廣泛應用[6-7]。典型的光學測量方法包括激光三角法、自動聚焦法、光學顯微干涉法、共聚焦顯微法等。

微納米測量儀器根據原理和方法的不同可分為很多種類，每種原理和方法都可衍生出一臺儀器。目前市場上常用的微納米測量設備有原子力顯微鏡、白光干涉顯微鏡、共聚焦顯微鏡、掃描電鏡，以及各種類型的納米坐標測量機等，這些儀器多為單一測頭結構[8-10]。在多測頭方面，國際上的一些知名公司也進行了相關研究。德國SIOS公司的納米測量機，可集成激光聚焦式測頭、白光干涉測頭、微接觸式測頭、原子力顯微鏡測頭等不同類型和功能的測頭，這些測頭采用同一機械結構進行固定，在使用時需進行拆卸互換[11]；卡爾蔡司公司的F25同時搭載接觸式測頭和光學測頭，接觸式測頭可實現單點測量和連續掃描，光學測頭由高品質的十倍物鏡和ViScan相機傳感器組成，可實現2D測量[12]；日本三豐公司開發的UMAP微納米測量儀器同時搭載視覺影像傳感器和接觸式測頭，并兼容TP200型觸發式測頭，適合應用于工業現場測量[13]。

被測對象和測量尺度的不同，使得微納米測量儀器的發展呈現出多元化趨勢。在測量尺度方面，目前尚無一種方法可以實現尺度從納米到毫米的全范圍覆蓋。在被測對象材料特性、表面特征方面，很難用一種方法測量所有材料及特征。

因此，在進行一些尺度跨度大或者形狀結構復雜的場合，常采用多種測量方法相結合的方式，以實現對目標樣品特定參數的表征。本文針對當前微納米測量中存在的大范圍、高精度、多參數表征問題，設計了一種基于白光干涉和原子力顯微鏡雙測頭的微納米測量儀，并對儀器的結構和原理進行闡述；開發了宏/微兩級驅動定位平臺，并對平臺性能進行測試。最后，對儀器整機進行了校準和測試。

2 儀器結構設計

2.1 橋架結構

微納米測量儀器作為一種精密測量儀器，其主體結構的加工精度及變形是儀器設計過程中必須考慮的因素。目前的微納米測量儀大多是在傳統三坐標測量機的基礎上發展而來，其典型橋架結構有龍門結構、拱形結構、移動橋式等。移動橋式多用于大型的坐標測量機，龍門結構和拱形結構均具有較好的靜力學特性。理論上，拱形結構在靜力學性能上優于龍門結構，但本文考慮到儀器的雙測頭結構及工作空間，采用傳統的龍門結構進行設計，并采用剛度和熱膨脹系數均較理想的大理石材料作為儀器的基座及橋架材料。

為使龍門結構橫梁的自重和抗形變能力達到一個較優的水平，需對橫梁的厚度進行優化設計。采用有限元方法對厚度為80，120，160，200，240 mm的橫梁分別進行仿真，計算橫梁中心位置的形變量。仿真時，橫梁長度取1 100 mm，寬度取230 mm，梁厚和形變的關系曲線如圖1所示。

圖1 梁厚-形變量關系曲線Fig.1 Beam thickness-deformation relation curve

可見，當梁厚大于160 mm時，隨著厚度的增加，形變量的變化逐漸減小。因此，本文將橫梁厚度參數確定為160 mm。在該厚度下，橫梁中心測頭安裝位置的最大形變為0.675 μm，形變仿真結果如圖2所示。

圖2 形變仿真結果Fig.2 Simulation result of deformation

2.2 定位平臺

定位平臺是微納米測量儀的重要組成部分，其性能指標直接決定儀器的量程、精度及動態特性等。根據微納米測量儀的設計要求，儀器運動平臺采用宏/微兩級驅動方式。其宏動平臺的X-Y向運動范圍需達到300 mm×300 mm，定位精度2 μm；雙Z軸運動范圍均需達到100 mm，定位分辨力50 nm，以滿足對大尺寸晶圓及其他尺寸較大樣品的定位需求。同時，微動平臺的X，Y軸要求達到150 μm×150 μm的運動范圍以及1 nm的定位分辨力。

綜合考慮儀器平臺工作空間、開發成本、實現難度以及應用場合等因素，宏動平臺采用伺服電機加滾珠絲杠的驅動模式，利用光柵尺作為位移反饋裝置；微動平臺采用壓電陶瓷加柔性鉸鏈的驅動方式，利用電容傳感器作為位移反饋裝置，其X，Y軸的運動分別由呈正交分布的兩個壓電陶瓷驅動。

宏動定位系統包括水平方向的X,Y軸，豎直方向的Z1，Z2軸以及位于橫梁上的S軸。儀器采用雙測頭配置，測頭之間的切換通過S軸驅動，Z1，Z2軸通過一塊共用連接板與S軸相連。當測頭需要切換時，S軸電機工作，驅動Z1，Z2到指定位置。測頭切換時，S軸的驅動距離與分別位于Z1，Z2軸的測頭中心距離相等，該距離需在測頭安裝好后進行精確標定，以便測頭切換后被測特征仍能位于視場中間。

Z1，Z2軸電機與橫梁垂直安裝，用于驅動測頭上下運動，進而調節測頭與樣品之間的距離。微動定位系統僅需提供X-Y方向的定位，Z向的微動定位由測頭提供。此外，儀器還配備了轉臺和傾斜臺，用于調整樣品姿態。微動平臺置于傾斜臺上方，并在其上安裝了直徑300 mm的真空吸盤，以滿足12英寸晶圓的測試需求。儀器整機裝配如圖3所示。

平臺搭建完成后，采用Renishaw XL-80激光干涉儀對其定位性能進行測試和校準。首先，對宏動定位系統進行測試。由于X,Y軸與Z1,Z2軸設計參數不同，在進行測試時，X,Y軸每行走30 mm進行一次采樣，各采樣點實際讀數與設定值之間的偏差曲線如圖4所示。由測試結果可知，X,Y軸的定位精度分別為1.95 μm和1.90 μm，雙向重復精度分別為0.30 μm和0.36 μm。

圖3 儀器整機裝配Fig.3 Assembling drawing of instrument

圖4 X,Y軸定位精度測試Fig.4 Positioning accuracy test of X and Y axes

圖5 Z1,Z2軸分辨力測試Fig.5 Resolution test of Z1 and Z2 axis

Z1,Z2軸由于測量時不需要往復運動，僅用于測頭與樣品表面之間的趨近，因此僅對其定位分辨力指標進行測試。測試時，以50 nm為步距進行趨近，得設定趨近值與激光干涉儀讀數關系曲線如圖5所示?？梢?，Z1,Z2在以50 nm為步距趨近時，趨近曲線均具有較好的線性，且前后趨近點不混淆。

微動平臺由于采用壓電陶瓷驅動，因此需對其線性和遲滯進行測試，測試結果如圖6所示。X,Y軸的可決系數(也叫擬合優度)均為1，最大遲滯分別為0.15 μm和0.13 μm。

圖6 線性及遲滯測試Fig.6 Linear and hysteresis test

3 測頭系統及原理

本文設計的首要目標是實現大范圍、高精度測量，因此，所選擇的測頭系統應在測量范圍和測量精度上實現互補。同時，在測量模式上，光學測頭和原子力測頭也可實現很好地互補。選擇將白光干涉測頭和原子力顯微鏡測頭進行集成。

白光干涉測頭的干涉光路如圖7所示，主要部件包括CCD相機、白光光源、聚光透鏡、分光鏡、物鏡移相器(PZT)和干涉物鏡等。在干涉光路中，光源發出的光經匯聚后進入分光鏡，部分光經分光鏡反射后進入干涉物鏡，再由干涉物鏡中的半透半反膜分為兩路，一路經被測樣品表面反射后回到干涉物鏡，另一路經鍍在參考板上的鏡面反射后再次被分光鏡反射，最后與樣品表面的反射光匯合形成干涉。干涉條紋被CCD相機記錄并存儲到計算機進行后續的圖像處理。

圖7 干涉光路Fig.7 Interference light path

常用的圖像處理算法有傅里葉變換法、小波變換法和空間頻域法?？臻g頻域法因其具有較強的抗干擾能力，且對光源強度和光譜分布的變化不敏感，其采樣間隔甚至可以低于Nyquist采樣頻率。因此，本文在后續的測試中均采用空間頻域法進行圖像處理和數據重構。

測頭的分辨率是表征測頭測量能力的一個重要參數，白光干涉測頭光學系統的橫向分辨率可根據瑞利判據，按式(1)計算：

(1)

式中：λ為光源波長；NA為物鏡數值孔徑。由式(1)可知，光學系統的橫向分辨率僅與光源波長和物鏡數值孔徑有關。對于整個白光干涉測量系統，其橫向分辨率除受系統光學系統分辨率影響外，還受CCD像素尺寸影響。當被測點在CCD上的成像尺寸大于2 pixel尺寸時才能被分辨。因此，系統橫向分辨力應取光學系統和CCD分辨力中值較大者。

系統軸向分辨力與系統能探測到的最小光強變化εI有關，該值由CCD采樣位數N決定：

(2)

Imax-Imin對應相位變化為π，系統能分辨的最小相位變化為：

(3)

采用空間頻域法進行解算，系統在軸向能分辨的最小高度變化為[15-16]：

(4)

白光干涉測頭采用中心波長為590 nm的白光光源，其CCD具有1 392×1 040的分辨力，像素尺寸為6.45 μm×6.45 μm，幀率可達14.8 frame/s。物鏡移相器具有250 μm的行程，并內置電容傳感器作為反饋。其開環分辨率為0.4 nm，閉環分辨率為0.75 nm，具有0.03%的線性度和±5 nm的重復定位精度。當搭載50×干涉物鏡時，測頭橫向分辨力可達500 nm；縱向分辨力不受物鏡放大倍率影響，其分辨力優于1 nm。

圖8 AFM測頭原理Fig.8 Schematic of the AFM

原子力顯微鏡測頭選擇瑞士Nanosurf公司的NaniteAFM進行集成，該測頭系統包括掃描頭、控制器及測量軟件三大模塊，可工作于靜態力模式(接觸和非接觸模式)和動態力模式(輕敲模式)。測量原理如圖8所示。激光二極管發出的光照射到探針懸臂，經懸臂反射后進入四象限探測器(QPD)。當針尖與樣品相互作用時，懸臂會產生形變，進而使照射到四象限探測器上的光斑產生位移，探測器輸出的信號反饋到C3000控制器，控制壓電陶瓷進行跟隨掃描，掃描結果經控制器預處理后傳到PC進行進一步的處理、分析和顯示。

NaniteAFM測頭的掃描范圍為110 μm×110 μm×20 μm，其X,Y的線性誤差小于0.6%，Z軸的典型噪聲水平在靜態力模式時為0.35 nm，動態力模式時為0.09 nm。測頭整體的橫向及縱向分辨力均優于1 nm。為方便觀察和操作，NaniteAFM測頭配備了照明LED、俯視(310萬像素)和傾斜觀察攝像頭(130萬像素)。俯視攝像頭用于輔助尋找待測特征區域，傾斜觀察攝像頭用于觀察探針與樣品表面的接近情況，以及在掃描時實時顯示掃描狀態。

兩個測頭之間可通過上位機軟件實現一鍵切換，在切換過程中，必須保證S軸運動起始點和運動停止位置具有較高的重復性，以避免測頭切換后因偏離距離過大，導致在切換后的測頭視場中找不到被測特征。圖9為安裝完成的測頭實物。

圖9 雙測頭配置Fig.9 Dual probe configuration

4 整機測試及校準

為保證儀器測量結果的準確性，需對開發完成的儀器進行校準，以使測量結果可溯源。在表面形貌測量的溯源鏈中，長度可溯源至米的定義。在工業中，微納米測量儀器通常采用標準樣板進行校準，用于校準的標準樣板通常由計量型的測量儀器進行校準。表面形貌測量的溯源體系如圖10所示。

圖10 表面形貌測量溯源體系Fig.10 Typical traceability infrastructure for surface texture measurement

4.1 白光干涉測頭校準

對于白光干涉測頭，主要利用臺階標準樣板對其軸向測量參數進行校準。校準完成后利用白光干涉測頭對粗糙度標準樣板進行測量，以驗證其性能。本文利用校準值為(100.6±1.9)nm(置信系數k=2)的臺階標準樣板進行校準，測量時，白光干涉測頭的干涉物鏡選擇5×的Michelson型干涉鏡頭，測量結果采用ISO5436-1: 2000中定義的方法進行評價。10次重復測量的平均值為101.39 nm，標準偏差0.83 nm。被測臺階的3D重構及單線輪廓如圖11所示。

4.2 原子力顯微鏡測頭校準

原子力顯微鏡測頭校準主要包括水平方向的X,Y軸及豎直方向的Z軸。Z軸校準采用與白光干涉測頭相同的臺階標準樣板，10次重復測量平均值為100.18 nm，標準偏差1.12 nm。為比較白光干涉測頭與原子力顯微鏡測頭對臺階標準樣板同一臺階區域測量結果的差異，將兩者的測量數據繪制到同一圖表進行對比，如圖12所示。通過圖中的對比曲線可見，白光干涉測頭和原子力顯微鏡測頭的測量結果具有較好的一致性，兩者的測量值均落在標準樣板的校準區間內。

圖11 臺階3D重構及單線輪廓Fig.11 3D reconstructed image and single line profile of step

圖12 測量結果比較Fig.12 Comparison of measurement results

原子力顯微鏡測頭的X,Y軸校準采用1D和2D柵格標準樣板進行，1D柵格用于確定X,Y軸的測量重復性，2D柵格用于確定X,Y坐標的正交性誤差。將原子力顯微鏡掃描范圍設置為20 μm×20 μm，分別對校準值為(2 999.7±3)nm(k=2)的1D柵格和正交角為90.0°的2D柵格進行掃描。采用優化的傅里葉變換算法進行評價，得到沿X軸方向掃描時，1D柵格的測量均值為3 001.3 nm，標準偏差2.21 nm；沿Y軸方向掃描時，1D柵格的測量均值為3 000.5 nm，標準偏差2.44 nm。X,Y坐標的正交性誤差采用2D柵格標準樣板進行，通過測得的形貌圖中的坐標值分別確定樣板中行、列刻線的斜率，然后計算行、列擬合線的夾角，以此角度作為X,Y坐標的正交角，在進行10次重復測量后，得到X,Y坐標正交角均值為89.9°。1D，2D柵格測量結果的三維重構圖如圖13所示。

圖13 1D，2D柵格測量結果Fig.13 Measurement result of 1D and 2D gratings

由校準結果可見，儀器搭載的原子力顯微鏡測頭在X,Y,Z三軸均具有很高準確性，且掃描圖像清晰，結果穩定。

5.3 微球表面測量

為充分發揮儀器雙測頭、多尺度測量優勢，本文利用校準后的儀器對微球樣品的表面形貌進行了測量，以驗證儀器的測量能力。被測微球直徑為2 mm，采用碳氫材料制備。為清晰呈現微球表面形貌特征，實驗選擇白光干涉測頭配合50×的顯微干涉物鏡，對微球樣品頂端表面進行測量，測量結果如圖14所示(彩圖見期刊電子版)。選取過球面頂點(最高點)的直線作為粗糙度評價的輪廓線，對微球表面的線粗糙度進行評價。圖14(b)中，黑線為微球表面粗糙度評價輪廓線；紅線為粗糙度評價過程中的高斯擬合評定基線；綠線為去除微球輪廓紋波后的表面粗糙度曲線。經評定，微球表面粗糙度參數Ra，Rq，Rz的值分別為0.25，0.34，2.28 μm。

圖14 白光干涉測量結果Fig.14 Measurement result of white light interference microscope

由白光干涉測頭的測量結果可知微球表面起伏的大致范圍，而表面粗糙度僅為一個統計數據。為更清晰地表征微球表面顆粒物的尺寸，可采用原子力顯微鏡進行小范圍的掃描，獲取微球表面更精細的形貌信息，以便為微球制備工藝的分析和優化提供參考。采用原子力顯微鏡進行掃描時，利用白光干涉測頭視場的預先觀察和高精度的測頭切換機構，可將原子力測頭針尖趨近到指定的區域進行掃描，將掃描范圍設為1 μm×1 μm，掃描結果如圖15所示。過原子力顯微鏡的掃描圖像可以清晰地觀察微球表面顆粒的尺寸和分布，為分析微球加工過程中使用的粉末顆粒粒徑和其表面粗糙度關系提供了參考。

圖15 原子力顯微鏡掃描圖像Fig.15 Scanning image of AFM

5 結 論

本文基于白光干涉和原子力顯微測量技術，開發了一臺可用于微納結構大范圍、高精度測量的雙測頭復合型微納米測量儀。儀器將自研的白光干涉測頭和商用原子力顯微鏡測頭進行集成，通過整機機械結構和大范圍宏/微兩級驅動定位平臺的設計，實現兩套測量系統的整合。兩套系統對測量平臺實行分時調用，共享定位平臺，從而節約了儀器成本。

通過微球測量實驗，驗證儀器對復雜微結構的測量能力，體現儀器雙測頭配置的優勢。本文開發的雙測頭復合型微納米測量儀具有多尺度、多測頭、多模式等特點，可對微納米標準樣板、微球面、集成電路和MEMS器件等復雜結構實現準確測量和表征，解決半導體、國防軍工及精密制造中的一些測量難題。