[發明專利]微陣列型復雜曲面光學元件的復合測量系統與測量方法

有效

• 申請號: 201410181248.2
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103983205B
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 郭彤;武志超;陳津平;傅星;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01Q60/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種微結構形貌測試。特別是涉及一種將白光掃描干涉法與自感應音叉式原 子力顯微測頭相結合的微陣列型復雜曲面光學元件的復合測量系統與測量方法。

背景技術

超精密加工技術是指加工的尺寸、形狀精度優于0.1μm，表面粗糙度Ra≤0.01μm的所有 加工技術。超精密加工技術向前延伸，當加工精度達到納米級或加工對象的尺度在納米級時， 稱為納米加工技術。目前，超精密加工和納米加工技術呈現出的特點是：加工方法多樣、加 工材料種類豐富、加工結構和形狀趨向復雜、加工表面精度高(面形誤差小、表面粗糙度低)。

多種加工方法包括：由傳統加工方法發展而來的超精密加工方法，例如：單點金剛石車 削、磨削方法、銑削方法等；由微電子集成電路(IC)制造發展而來的加工方法，例如：光 刻、ICP刻蝕、RIE刻蝕、化學氣相沉積(CVD)等；可實現非硅類材料加工的方法，例如： LIGA、飛秒激光加工、聚焦離子束(FIB)加工、電子束加工等；以及一些新興的納米加工 方法，例如：分子自主裝加工、納米壓印、探針誘導氧化加工等。可加工材料種類也很豐富， 包括金屬、半導體、高分子聚合物和復合材料等，采用不同的加工方法可以在不同材料表面 加工出形狀各異的微納米結構和高精度表面，滿足不同需求。舉例來說，微電子芯片制造的 特征尺寸就是以光刻技術所能達到的最小線寬為標志的，形成了一代線寬一代微電子產品的 格局。目前美國INTEL公司的制造水平已經達到了45nm，預計2011年實現22nm，這需要 光刻掩模板的定位精度優于2nm。將宏觀大器件縮小到顯微尺寸甚至是納米尺寸，對生產者 提出的一個挑戰就是器件的魯棒性和整體性能會受到微小缺陷或是加工過程變化的影響，因 此正確測量器件的特性對于實現預期的性能是必需的。

加工技術的發展，必將對其測量技術有了越來越高的要求，這主要體現在測量精度、測 量范圍和測量速度三個方面。針對加工方法和器件材料的不同，對加工表面的要求也不盡相 同，有的對表面粗糙度有很高要求，有的則是對面形信息要求很高，而有的則對兩者都有著 很高的要求。例如，光學自由曲面是一類特殊要求的自由曲面，其主要特點是形狀精度和表 面粗糙度都必須同時達到很高的要求，它的幾何形狀精度將直接影響其工作性能和使用效果， 形狀精度通常要求達到與光波長同量級甚至于更高的要求(一般為微米或亞微米級)，表面粗 糙度一般為納米、亞納米級。

復雜曲面元件的形狀精度要求高，正向小型高精度化和大型高精度化方向發展。采用現 有的加工工具、加工工藝和加工設備不易直接保證更小或是更大尺寸的產品達到高精度。因 為有許多原因會造成設計形狀與加工形狀的差異，為消除這些因素的影響，常常利用被加工 的復雜曲面形狀的檢測信息進行多次的誤差修正。復雜曲面加工中可能需要幾次乃至幾十次 的測試和修正才能達到目標精度，也就是說，沒有高精度的測試手段也就無法加工出高精度 的復雜曲面。另外，不同因素影響在表面信息中體現在不同的參數內，有的影響面形精度， 有的影響波紋度，還有的影響粗糙度，通過對表面信息所表現出來的多參數進行分析，即可 分析出產生誤差的原因，提出對加工系統、加工工藝或是加工工具的改進措施。

近10年來在國家科技計劃的支持下，我國的超精密加工和納米加工技術已經取得了很大 的進步，多家研究單位采用單點金剛石車削、磨削、極紫外光刻、LIGA等技術加工出了具有 納米級特征結構或超精密表面的元件,在理論研究和工程應用等方面都取得了重要進展，而 且還有結合基本傳統加工工藝而不斷產生新的加工技術，但其中也暴露出一些不足之處，如： 加工工藝穩定性不高、器件成品率及可靠性偏低等問題，問題形成的重要原因之一就是缺乏 相應的測試手段。十五期間，我國開始重視微納米測試技術的研究，在光學和掃描探針等高 精度測試方面取得了一定進展，但是由于時間較短，所解決的測試問題只是有限的幾個方面， 且應用存在較多的限制條件。

具有微結構陣列的復雜曲面核心關鍵件，例如：高清晰投影技術中的微鏡陣列、生化分 析中的芯片實驗室(LOC)、光纖通訊中的微透鏡陣列、慣性制導中的“復眼”透鏡陣列和天文 望遠系統中的菲涅爾透鏡等，在航空航天、國防軍工、汽車工業、現代通訊、生物醫療等領 域日益廣泛的應用。對于這一類元件，其整體與單個微結構的形狀精度和表面質量以及微結 構陣列的一致性等參數都很重要，大掃描范圍、納米級分辨力的表面幾何參數測量就成為其 加工過程質量控制的關鍵。