[发明专利]一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种长度计量测试和微纳米坐标测量的装置及方法，特别是公开一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置。

背景技术

微纳米测量技术是微米纳米技术发展的保障，也是其重要的组成部分。随着以半导体技术、MEMS技术、超精密加工技术为代表的微纳米制造技术的迅速发展，对微纳米尺度下的几何量测量也有了更多的需求，其测量任务主要包括以下几个方面[1]：1)沿着同一方向的两个表面之间的距离2)两个相反表面之间的距离3)沿着垂直方向的两个平面之间的距离4)表面形貌5)厚度6)结构的深宽比7)粗糙度8)平整度。这些测量任务具有以下特点[2]：1)测量力引起的误差较大2)定位误差较大3)温度引起的误差小4)被测件轮廓影像易受异物的影响5)衍射效应的影响大。从测量分类来讲，可以分为平面测量、离面测量、2.5维测量、三维测量等几个方面。

微纳米尺度测量的仪器有很多种。其中，光学显微技术和扫描电镜技术主要应用在平面测量中，而触针式轮廓仪(包括机械和光学触针两种)等方法主要应用在台阶高度等离面测量中，而扫描隧道显微镜、原子力显微镜等主要用于表征器件和结构表面的尺寸信息。在微纳尺度三维测量领域，共聚焦显微镜、白光干涉测量、微纳坐标测量机等仪器和方法是目前比较常见的测量手段。但是，由于受到光学衍射极限的限制、被测器件的光学反射率的要求、以及光学方法对被测结构的侧壁、边沿无法测量的缺陷，光学测量方法并不能开展真正的三维测量。

因此，微纳坐标测量技术是目前解决微纳尺度三维测量问题的相对有效的手段，也是当前微纳米尺度几何量测量的一个研究热点。为了应对微纳米尺度下的几何量测量的要求(包括提高测量精度、提高工作效率、应对愈加复杂的被测结构和器件等)，研制特殊用途的测头系统，利用超精密三维位移平台，组建一套测量装置，经过对测头系统三维位移平台的校准，用于微纳米坐标测量，对于微纳米尺度几何量测量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置，可对多测头系统进行校准，多个测头协同完成被测工件的测量工作，减少测头较长距离移动，提高工作效率。还有，可将多测头系统的各个测头看作独立的单测头工作模式，各个测头分别对被测尺寸进行测量，并将多次测量结果求取平均值和标准差，减少由于工作原理缺陷引入的误差，提高测量精度。同时，解决测量时测头意外损坏的问题，不需要重新安装和校准测头，而是切换测头，继续进行测量。因此，多测头系统的测量装置可以提高测量的可靠性，工作效率和精度。

本发明是这样实现的：用于微纳米坐标测量的多测头测量装置如图1所示。一种用于微纳米坐标测量的多测头系统的测量装置，将微纳米多测头系统安装在三维高精度位移平台上，构成一套测量装置，三维位移平台由X向平移台，Y向平移台和Z向平移台组装而成，Z向平移台上安装载物台，载物台上表面为水平面，用于放置被测工件，载物台下面有俯仰和偏摆微调机构，可以调整载物台的承载面，使之与三维平台的Z向严格垂直；在三维位移平台的周围位置有4个立柱，4个立柱上安装一块平板，多测头系统通过夹持机构固定在平板上。三维位移平台的X，Y和Z轴的精度，可用激光干涉仪进行校准，4个立柱之间留有很大空间，便于放置干涉仪的镜组和调试校准。多测头系统的测量装置放置在隔离腔中，与外界环境相隔离，减少干扰。测量装置的控制信号和多测头系统的传感信号的各导线由隔离腔上的孔引到外面，与数据采集卡(DAQ卡)，控制箱和计算机相连。多测头系统的三维测量装置的工作原理框图如图2所示。

多测头系统的统一坐标系。在载物台上放置标准块，依次对各个测头的X+，X-，Y+，Y-的各个方向的灵敏度，分辨力，以及各测头之间位置进行校准。给各测头编号，从俯视测头的角度看去，将左下角的测头作为1号测头，按照顺时针顺序，依次测头编号为1号，2号，……，n号，其中n＞2。在图1，图2和图3中均取n＝4。将1号测头作为主测头，其中心作为多测头系统坐标系的原点，将其他几个测头所在位置坐标依次匹配到坐标系中。