基于納米測量機的微結構三維坐標測量

吳俊杰，李 源

(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)

1 引 言

納米測量技術是納米科技發展的基礎和保障，隨著微納加工技術的快速發展，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，對微納尺度的幾何量檢測提出了更高的需求。近年來，超精密加工中產生的微孔、微槽、側壁、自由曲面等結構的測量問題日益突出，這些結構的尺寸一般在毫米、微米尺度，并要求達到納米級精度。因此，解決高深寬比、大尺寸器件的高精度測量和表征問題顯得尤為迫切[1]。

目前，接觸式坐標測量仍是生產測量技術領域通用的測量手段。該方法通過一根探針探測樣品表面，獲取接觸點的空間坐標，然后改變位置逐點重復該過程或拖動探針在樣品表面掃描，獲取樣品表面特征的點云信息，從而實現測量。與光學方法相比，接觸式測量法測量范圍大、重復性好，且不受樣品表面光學特性及光學衍射極限的影響。對于微納尺度的接觸測量而言，其測量力小，橫向和縱向探測精度都很高，且可實現高深寬比結構的測量。接觸式測量有多種傳感方式，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[2-3]。

在微納坐標測量領域，通常采用高分辨的微接觸測頭結合高精度的定位平臺構建測量系統，典型的有英國國家物理實驗室(NPL)研制的基于電容傳感器的三維微接觸測頭，結合自研的Small CMM測量平臺構建的微納坐標測量系統；德國聯邦物理研究院(PTB)研制的薄膜結構壓阻測頭，結合商用坐標測量平臺構建的Special CMM；荷蘭IBS精密工程公司在代爾夫特理工大學研制的定位平臺基礎上，集成NPL的電容測頭和埃因霍溫大學的壓阻測頭，構建的Isara系列超精密坐標測量機[4-7]。

此外，類似的研究成果還有德國卡爾蔡司的F25、日本三豐的UMAP、合肥工大的納米坐標測量機等[8-11]。此類儀器的核心技術主要包括精密定位平臺、高精度測頭和測量軟件三部分。其中，精密定位平臺正朝著大范圍、高精度、可溯源的方向發展；微接觸測頭主要往低測量力、高分辨力和低測量不確定度方向發展；測量軟件也在測量效率、誤差補償和數據后處理等方面不斷完善[12-13]。

本文針對微納米測量中存在的大范圍、高精度測量需求和高深寬比結構三維表征難題，基于商用納米測量定位平臺，采用壓阻型三維微接觸測頭作為零點定位傳感器，構建了測量范覆蓋25 mm × 25 mm × 5 mm，測量分辨力達到納米量級的微納米坐標測量系統，并采用標準球對測頭探測誤差進行校準。最后，利用搭建的測量系統對超高臺階、硅臂側壁傾角進行了測量。

2 測量系統構建

2.1 納米測量定位平臺

本文采用德國SIOS公司的NMM-1型納米測量機作為納米測量定位平臺，NMM-1最早由德國伊爾梅瑙工業大學的G. Jager教授團隊開發，后經SIOS公司商業化。NMM-1可在25 mm×25 mm×5 mm范圍內，實現三軸方向0.1 nm的定位分辨力。儀器主要由計量模塊、定位驅動模塊和控制系統組成，采用零阿貝誤差設計，其計量框架和驅動機構分離，計量框架采用零膨脹玻璃加工，以保證良好的熱穩定性。儀器計量模塊包括三個激光干涉儀和兩個角度傳感器，三個激光干涉儀呈正交分布，其光路交匯于一點，用于記錄運動平臺三軸方向的位置，兩個角度傳感器分布在X和Y方向，用于監控樣品臺的俯仰、偏擺和滾轉，并實時反饋給控制系統進行修正。儀器的計量學框架如圖1所示。

圖1 NMM-1計量框架Fig.1 Metrological structure of NMM-1 (Courtesy of SIOS Meβtechnik GmbH)

平臺X，Y軸采用線性滑軌配合直流線性馬達驅動，最小定位分辨力取決于閉環控制系統及激光測長系統的分辨力；Z軸采用滾柱導軌配合四組音圈馬達驅動，用于調整平臺的位姿。儀器采用開放式的軟硬件接口，便于集成不同類型的測頭。定位平臺控制器可接收測頭輸出的電壓信號，并根據反饋信號控制平臺運動，實現測量。儀器可集成激光聚焦測頭、白光干涉測頭、原子力顯微鏡測頭及微接觸測頭等不同類型和功能的測頭，以實現不同尺度、不同結構及不同表面特性的樣品測量。

2.2 三維微接觸測頭

相比傳統的三坐標測頭，三維微接觸測頭具有結構簡單、接觸力小、靈敏度高等優點。本文采用荷蘭Xpress公司的Gannen-XP壓阻型三維微接觸測頭與定位平臺進行集成，構建三維納米坐標測量系統。該測頭傳感范圍30 μm，三軸重復性2 nm，并搭載長度6.8 mm，測端球直徑120 μm,300 μm和500 μm三種探針，可進行模擬掃描測量和觸發測量。測頭采用三梁拓撲彈性懸掛結構，如圖2所示。該結構具有接觸力各向同性的特點，測頭接觸力為0.4 mN/μm。

圖2 Gannen-XP測頭Fig.2 Gannen-XP probe

測頭懸掛結構采用體硅MEMS工藝加工，懸梁末端厚度僅為幾微米，并通過刻蝕、沉積和離子注入等復雜半導體工藝制作壓阻條，構建敏感電橋，進而將針尖受力后引起的微位移轉換為電信號。測頭三梁末端均設置了惠斯通電橋，電橋輸出的三路模擬電壓信號經信號調理模塊處理后，反饋至納米測量機控制器，用于對定位平臺的控制。

2.3 測頭集成及校準

測頭與納米測量機的集成工作主要包括機械集成、電氣集成和軟件集成三部分。在機械集成中，根據測頭和納米測量機安裝單元尺寸，采用熱膨脹系數較低的殷鋼材料，設計了測頭的夾持機構；在電氣集成中，采用BNC接口，將測頭輸出的三路模擬信號輸入至納米測量機控制器的DSP單元，作為定位平臺測量控制過程中的反饋信號；在軟件集成中，采用與納米測量機控制軟件相同的Matlab語言，實現3D測頭軟件模塊的無縫嵌入。測量系統工作時，測頭靜止不動，由定位平臺驅動樣品，實現三軸方向的運動。

在測頭和定位平臺的反饋系統中，測頭輸出的模擬信號經平臺控制器內置的A/D轉換器轉換為受位移調制的數字信號，并保存在一個系數矩陣中。該系數矩陣通過對測頭進行校準獲取。由于測頭輸出三路模擬信號，對其每路輸出的特性曲線進行三階擬合，既可獲取相應的擬合系數矩陣。獲取相應的系數矩陣后，根據圖3所示的測頭輸出特性曲線確定各參數點的位置，作為反饋系統的控制參數。當測頭輸出達到設定下限閾值時，控制系統進入反饋控制模式，并根據設定點進行自動測量控制；當測頭輸出超過設定上限閾值時，測量系統跳出反饋控制模式，運動平臺急停并發出報警信息，以防止測頭超量程而損壞。

圖3 典型的測頭輸出特征曲線Fig.3 Typical probe characteristic curve

集成后的測量系統如圖4所示，為使測量過程可視化，并保證測頭和樣品在測量過程中的安全性，在X,Y方向設置了兩個CCD相機，用于觀察測頭探針與樣品表面的接近情況。CCD相機采用光學支桿和通用夾具進行固定，可方便調節位置和角度。CCD傳感器前部的光學鏡頭可進行焦距和光圈大小的調節，以使圖像焦點聚焦于測頭針尖位置，從而獲取高質量的圖像。

圖4 三維坐標測量系統Fig.4 3D coordinate measurement system

與傳統三坐標測量機一樣，系統在進行測量任務前，需對測頭探針進行校準，以獲取測球的精確直徑和空間位置，方便后續的半徑補償和偏移校正。采用直徑5 mm，圓度RONt 57 nm的紅寶石標準球進行校準，分別從X+,X-,Y+,Y-,Z+五個方向對測頭進行觸發，并將校準系數矩陣保存，供后續數據修正。圖5為測頭在X,Y,Z三軸五個方向的校準曲線，其中，SA,SB,SC分別為測頭三梁末端敏感電橋的輸出信號。

圖5 測頭校準Fig.5 Calibration of the probe

由于納米測量機的測量數據通過三軸激光干涉儀讀取，為保證測量結果的溯源性，對三軸激光干涉儀的激光器進行了拍頻測試，并記錄三軸激光器與標準激光器的頻差，結果如圖6所示。圖中，S為標準激光器，綠線為標準激光器頻率。其中，X,Y,Z三軸激光器的波長漂移均小于0.01 nm，頻差分別為167.581 MHz,167.972 MHz和170.663 MHz，波長漂移和頻率穩定度指標均在誤差允許范圍。

圖6 拍頻結果Fig.6 Result of laser beat frequency

3 微結構測量實驗

完成測量系統校準后，為驗證系統性能和對不同類型幾何參數的測量能力，利用目標系統對超高臺階和硅臂側壁傾角進行測量。臺階作為半導體、MEMS器件和超精密加工中的常規結構，其尺寸的精確表征對促進加工工藝提升、保證產品質量具有重要意義。對于大多數測量儀器，測量范圍和測量精度是一對矛盾體。對高度介于幾十微米至幾毫米范圍的臺階，實現納米級精度的測量仍是一個值得研究的問題。

3.1 超高臺階測量

本文利用搭建的測量系統，對高度10 μm和2 mm這兩種尺度的臺階進行測量。10 μm臺階采用日本小坂實驗室的SS-G41C型標準樣板，該樣板校準值為(10.291±0.100)μm。2 mm臺階采用量塊研合的方式實現，并對研合的量塊進行校準。量塊標稱值2 mm，校準偏差為0.20 μm。量塊校準儀的不確定度為±(0.03 μm+0.3×10-6L)，L為被測長度。被測樣品如圖7所示。

圖7 超高臺階樣品Fig.7 Ultra-high step samples

由于被測臺階尺寸較大，很難實現完整結構的測量，本文采用分區域測量的方法，分別對臺階結構的A,B,C三個區域進行測量，如圖所示。然后將測量結果進行拼接，采用ISO5436-1中定義的方法進行評價。對于單邊臺階，測量和評價方法類似。

圖8 測量區域Fig.8 Measurement areas

在10 μm臺階的測量中，A，B，C三個區域的測量范圍均設置為0.5 mm× 0.5 mm，每個區域測25個點；由于2 mm臺階為單邊臺階結構，僅對A，B區域進行測量，測量范圍均設置為1 mm× 1 mm，每個區域測25個點。每次掃描可依次獲取5條臺階輪廓線，對輪廓線進行評價，結果如表1所示。

表1 超高臺階測量結果

10 μm臺階5次輪廓測量均值為10.332 μm，標準偏差0.008 μm；2 mm臺階5次輪廓測量均值為2.000 103 7 mm，標準偏差0.000 023 7 mm。可見，測量系統可精確表征超高臺階尺寸。圖為測量數據的點云。

圖9 超高臺階測量點云Fig.9 Measurement point clouds of the ultra-high steps

3.2 側壁傾角測量

在MEMS工藝中，廣泛采用高深寬比的深溝槽結構，其側壁傾角、粗糙度等形貌參數直接影響著器件的性能，并在器件失效分析中發揮著重要作用。硅臂作為某系統中的關鍵部件之一，主要用于某試驗中靶丸的夾持，其待評價參數包括硅臂卡爪厚度、卡爪側面陡直度等。硅臂卡爪寬度小于1 mm，厚度約500 μm，如圖10所示。對于該尺度的樣品，傳統三坐標方法已無法實現測量，而普通光學方法難以測量傾角較大的側壁，雖然有改進的掃描隧道顯微方法可以測量較大角度的傾角[14-15]，但在接近90°且傾角未知的側壁測量中仍有一定局限性，且無法與坐標測量法一樣實現真正意義上的3D測量。本文采用集成三維微接觸測頭的納米坐標測量系統對硅臂厚度和側壁傾角進行測量。

圖10 硅臂卡爪Fig.10 Clamping jaw of the silicon arm

測量時，分別對硅臂卡爪的上表面、側壁和載物臺面選定區域進行測量，其中上表面和載物臺面每條輪廓線分別測量5個點，側壁每條輪廓線測量10個點，共5組。測量數據點云如圖11所示。硅臂厚度采用與臺階高度相同的方法進行評價，側壁傾角通過計算側壁數據擬合直線與上表面測量數據擬合直線的夾角獲得。計算得到硅臂厚度5次測量均值為502.147 μm，標準偏差0.319 μm;側壁傾角均值84.82°，標準偏差0.61°。測量結果如表2所示。

圖11 硅臂測量點云Fig.11 Measurement point cloud of the silicon arm

表2 硅臂測量結果

3.3 測量不確定度分析

受測量環境、儀器本體噪聲及測量對象的影響，儀器的測量結果與真值之間存在一定偏差。以10 μm臺階的測量為例，對測量系統的誤差來源和測量不確定度進行分析。測量時，環境溫度保持在(20±0.2)℃，濕度為(50±5)%。按測量結果的誤差來源，其不確定度包含如下分量：(1)測量重復性引入的不確定度us；(2)激光干涉儀波長引入的不確定度uλ；(3)Z軸激光干涉儀軸向運動誤差引入的不確定度uz；(4)測頭引入的不確定度up；(5)溫度變化引入的不確定度ut；(6)樣品表面污染引入的不確定度；(7)樣品表面粗糙度引入的不確定度；(8)樣品表面濕度引入的不確定度；(9)樣品表面硬度引入的不確定度；(10)測量時范德華力引入的不確定度；(11)測量時探針磨損引入的不確定度。

上述誤差來源中，第6～11項不確定度分量的影響數值無法準確測量，本文將其影響歸入測量重復性，通過重復性的評定綜合反映這些因素對測量結果不確定度的影響。分別對前5項不確定度分量進行計算，得到各不確定度分量值如表3所示。

表3 標準不確定度匯總

利用各標準不確定度分量，根據式(1)計算合成標準不確定度u：

(1)

將各不確定度分量值代入式(1)，得合成標準不確定度為0.010 640 μm。擴展不確定度(k=2)為0.021 280 μm。

4 結 論

本文基于納米測量機和三維微接觸測頭，構建了大范圍、高精度、可溯源的微納米坐標測量系統，并利用標準球對測量系統進行了校準。系統可對尺度范圍從毫米到納米的特征進行納米級精度的表征，同時具備高深寬比結構的測量能力，可實現真正意義上的3D測量。通過對超高臺階和硅臂卡爪的測量實驗，驗證了目標系統對大尺寸結構和復雜MEMS器件的跨尺度、多參數表征能力。

儀器的測量結果可以通過激光波長溯源至米的定義，定位平臺的激光干涉模塊實行定期校準機制，從源頭保證了測量結果的準確性和溯源性。除文中列舉的測量案例外，系統還可實現諸如臺階寬度、微孔直徑、側壁形貌和自由曲面等結構的測量，為半導體、精密制造和國防軍工等領域的復雜微結構表征提供計量支撐。