摘 要: 针对微小结构几何量测量的需求, 通过集成M EM S 微触觉测头和纳米测量机构建了高精度的测量系统。在验证测头性能的基础上, 完成了一系列判断测头测量分辨力和精度的实验, 在轴向、同向横向、异向横向三个方向测量的标准偏差分别为41. 755 2 nm, 6. 05 um, 6. 16 um, 同时, 在扫描实验中进程回程扫描差值的标准偏差为23. 088 nm。

　　关键词: 微机电系统; 微触觉测头; 尺寸测量; 纳米测量机

　　近些年微加工技术的发展对器件、结构的特征几何量测量和表征提出了更高的要求, 而以三坐标测量机为代表的传统测量方法通常会受到测量精度和分辨力的限制, 而原子力显微镜等纳米级的测量仪器会受到测量对象和测量范围的限制, 所以, 针对微米量级器件和结构测量的方法和装置是当前高精度测量领域的一个研究热点[ 1] 。主要的研究工作集中在微坐标测量机及与之配套的测头的研究上[ 2-3] ,以实现对器件和结构精确的尺寸测量, 以及结构的表面形貌表征。

　　本文通过将一种自主开发的MEMS 微触觉测头[ 4] 与纳米测量机( Nanomeasuring machine,NMM) [ 5] 相结合, 构建了高精度的几何量测量平台。在验证测头输出性能的基础上, 开展一系列判断测头测量分辨力和精度的实验, 包括轴向、同向横向、异向横向三个方向的尺寸测量, 以及对表面形貌的扫描实验。

　　1 微触觉测头的工作原理

　　如图1 所示, 三维MEMS 微触觉测头由测杆、悬挂系统、封装结构、连接结构几部分组成。测头在进行测量的过程中, 测杆用来将检测到的位移变化传递到悬挂系统中, 悬挂系统的敏感梁发生弯曲, 并通过表面扩散的压阻检测应力的变化。通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理, 输出与被测几何量成正比的电压信号, 从而实现对微位移或微力的高精度检测[ 6] 。其中测头的测杆和测端采用超精密加工技术制成。中心连接体和敏感梁构成的悬挂系统采用标准MEMS 体硅工艺加工。

　　2 测量系统的构建

　　三维尺寸测量系统采用了纳米测量机( NMM)作为高精度的定位和测量平台, NMM 通过x 、y 、z方向测量轴上的3 个激光干涉仪对定位过程进行实时测量[ 7] , 在25 mm x 25 mm x 5 mm 范围内实现分辨力为0. 1 nm 的三维定位功能。NMM 可以通过特定的接口与微触觉测头的硬件和软件连接和通讯。

　　在微触觉测头与NMM 的安装过程中, 需要注意NMM 使用了零膨胀玻璃Zerodur 作为测头的支撑框架, 为了进一步减少测头对温度的敏感程度。测头的相关连接部件也使用了膨胀系数较少的Fe-N i36 合金( 铟钢) 和铝, 同时也减小了测头的重量。测头与NMM 的连接除了需要遵从A bbe 原则外,也需要考虑NMM 的预留空间, 如图2 所示。

　　考虑到NMM 的固定结构和测试平台之间狭小的空间, 整个测头的体积应该限制在40 mm x40 mm x 12 mm 的范围内。测头架应该方便与测量机的连接和拆装; 同时能够引出电路板上的导线;采用热膨胀系数小的材料加工等。基于以上的要求, 设计的连接结构实物照片如图3 所示。

　　为了检测测头z 方向上的输出特性是否能够满足纳米测量机对微触式测头的线性要求, 因此开展了测头在该方向的输出特性验证实验。实验中首先设定测量机以较大的步距粗动, 使得载物台上的加力中心连接体靠近测头的测量端, 当通过监视器看到测头即将与被测物体接触时, 则缩小步距, 以便寻找接触零点。找到后设定纳米测量机载物台从接触零点开始, 以5 nm 为步距给测量端施加z 向力, 通过数据采集器和上位机软件记录测头在z 方向的输出电压。测得的测量曲线和拟合直线如图4 ( a) 所示, 5 nm 分辨力测试的线性拟合直线为: y= 0. 2742+ 024147x , 回归标准偏差为0. 039 5。电路检测分辨力为0. 049 038 095 238 1 mV/ nm。

　　利用同样的测量方法, 设定NMM 载物台按x方向移动, 步距为10 nm, 选择测量点后做出该方向的测量和拟合线如图4( b) 所示。图中拟合得到的直线方程为: y= 19. 65513+ 0. 10952x , 回归标准偏差为0. 01238。电路平均检测分辨力为0. 0109667mV / nm。

　　3 测量结果及误差分析

　　在完成上述对测头输出线性的验证实验后, 又开展了一系列判断测头对轴向、同向横向、异向横向三个测量分辨率和精度的测量实验, 以及对器件表面形貌的扫描实验, 并分析测量过程中引起误差、偏差的原因。

　　3. 1 轴向测量精度实验

　　图5 所示为测量系统开展标准台阶高度测量的照片, 台阶扫描曲线如图6 所示。

　　为了更好地定量分析测头在轴向测量中的精度, 对2 mm 标准台阶的基准面和测量面进行了多次重复性实现, 结果如表1 所示。

　　求得测量平均值: 1. 999 996 mm, 标准偏差为41. 755 2 nm。

　　3. 2 横向测量精度实验

　　图7 所示为测量系统对标准台阶高度的测量实验, 通过将不同高度的标准量块研和在一个大量块表面, 构成了一个横向台阶。表2 为相应的测量结果。

　　测量的平均值为1. 006 05 mm, 标准偏差566. 286 nm, 测量的误差值为6. 05 um。通过前面的分析可以看到, 测头在横向和轴向的分辨力的差异不超过5 倍, 但是测量结果显示的差别却大得多,经过分析, 发现主要原因在于测头和样品的定位问题, 因为测头与纳米测量机的定位缺乏严格正交方向精度保证, 所以上述策略值并不一定就是实际的台阶高度差。如图8 所示, 当被测物摆放方向偏离正交方向U时, 测得的台阶高度为D, 这与台阶实际高度d 之间有较大的差距, 除了被测物与正交方向的偏离外, 测量点的位置也是导致这个误差的主要原因。从图8 可以得到以下关系:

　　其中, l 1 , l2 分别是台阶上下表面接触点与台阶边缘的位置偏差。

　　图9 为测头对标准量块宽度的测试, 这个实验与图7 实验的主要区别在于: 在上面的实验中, 测头只是从同一个方向横向接触被测物, 而下面的实验需要测头从两个方向接触被测物体, 所以实测值是标准物宽度与测头直径之和。测量结果如表3 所示。

　　测量平均值为2. 306 16 mm, 标准偏差为826. 105 nm, 减去测头的直径0. 3 mm 后, 得到的2. 006 16 mm, 误差为6. 16 Lm, 这个测量结果的误差比上面的横向测量误差还要大, 通过多次对测头的两侧进行接触, 在位移负载完全一致的情况下, 输出电压有0. 185 mV 左右的偏差, 因为自身的电路检测灵敏度限制[ 8] , 说明测杆自身的偏差约有15~20 nm, 这主要是因为测杆底部的胶不均匀, 导致测杆相对倾斜造成的。同时, 测端红宝石的加工精度也会影响测量结构, 实验中采用的测端球度偏差小于0. 25 um, 表面平整度小于0. 013 um。

　　选取量块作为测量对象是受到测头可视化装置和测端直径的限制, 我们正在采用新的光学观察系统, 开发具有更小测端的测头, 并进一步开展针对更细微结构的测量评价实验。针对横向测量过程中的精度较差的问题, 拟开展精密合理的夹具设计来改善测量结果, 同时开展器件结构侧向的形貌扫描实验。

　　3. 3 扫描实验

　　通过引入测头的输出信号反馈到纳米测量机,开展了针对GCr15 钢抛光表面的扫描, 扫描结果如图10 所示。

　　上述扫描结果分为进程扫描和回程扫描两个部分, 通过计算可以得到各个扫描点差值的标准偏差为23. 088 nm。同时, 从上述的扫描曲线可以看到, 扫描曲线的边缘远低于扫描曲线的中央部分, 类似原子力显微镜中的卷积现象, 这是由于红宝石测端是一个300 um 球状物体, 不同于传统的针式测端, 所以在起始接触点就会存在进程回程曲线的异常变化。

　　4 结论

　　本文通过结合MEMS 微触觉测头和纳米测量机构建了针对微结构特征几何量的高精度测量系统。在验证测头输出性能的基础上, 完成了一系列判断测头测量分辨力和精度的实验, 轴向、同向横向、异向横向三个方向测量的标准偏差41. 755 2 nm,6. 05 um, 6. 16 um, 进程回程扫描插值的标准偏差为23. 088 nm。

　　下一步的工作包括对夹持系统的改进设计, 开发更小测端的测头和新的光学观察系统, 从而拓展测量对象范围、进一步提高测量精度。

　　参考文献:

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