[發(fā)明專利]一種跨尺度微納結(jié)構(gòu)三維測(cè)量裝置及測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010718315.5
• 申請(qǐng)日: 2020-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN111854638B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧文龍;劉曉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24;G01B11/02;G01B9/02
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42224
• 代理人: 宋敏

本發(fā)明公開了一種跨尺度微納結(jié)構(gòu)三維測(cè)量裝置及測(cè)量方法，其特征在于：包括原子力探針掃描顯微鏡組件、物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、白光干涉系統(tǒng)、納米級(jí)垂直微位移平臺(tái)、激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)一、測(cè)控系統(tǒng)、激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)二、樣件、二維壓電陶瓷掃描平臺(tái)、二維電動(dòng)掃描平臺(tái)以及激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)三；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)，使測(cè)量裝置在白光干涉測(cè)量模式和原子力探針掃描測(cè)量模式中切換。白光干涉測(cè)量模式主要用于微米尺度結(jié)構(gòu)的大范圍測(cè)量，原子力探針掃描測(cè)量模式對(duì)納米尺度特征區(qū)域進(jìn)行水平高分辨力測(cè)量，實(shí)現(xiàn)跨尺度微納結(jié)構(gòu)表面大范圍與高分辨力測(cè)量，能夠在一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)跨尺度(微米尺度、亞微米及以下尺度)結(jié)構(gòu)的測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密表面形貌測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種跨尺度微納結(jié)構(gòu)三維測(cè)量裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著光刻、超精密加工、光學(xué)加工等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，跨尺度微納結(jié)構(gòu)表面成為太陽(yáng)能電池、激光全息防偽、平面顯示等領(lǐng)域關(guān)鍵部件重要的表面特征。這些特征整體宏觀尺寸逐漸增大，而局部微觀特征更加精細(xì)化，產(chǎn)生了兼顧大范圍與高分辨力的測(cè)量需求。傳統(tǒng)的表面形貌測(cè)量?jī)x器，如觸針式輪廓儀、光學(xué)輪廓儀、原子力顯微鏡等，雖然已廣泛應(yīng)用于超精密表面測(cè)量，但由于針尖半徑和瑞利衍射極限的限制，觸針式輪廓儀和光學(xué)輪廓儀無(wú)法測(cè)量水平方向?yàn)閬單⒚壮叨燃耙韵碌奈⒓{結(jié)構(gòu)特征。盡管原子力顯微鏡在水平和垂直方向上都具有納米級(jí)分辨力，但由于其測(cè)量范圍小、測(cè)量速度慢，難以實(shí)現(xiàn)局部微納結(jié)構(gòu)特征定位和大范圍測(cè)量。

針對(duì)跨尺度微納結(jié)構(gòu)特征大范圍與高分辨力的測(cè)量需求，一方面，現(xiàn)有的商業(yè)儀器，如日本基恩士的三維激光掃描共焦顯微鏡，通過(guò)使用不同倍率的顯微物鏡進(jìn)行拼接測(cè)量可以在一定程度上滿足大范圍和垂直方向高分辨力的測(cè)量需求，但其水平方向測(cè)量精度有限；FEI、 ZEISS、HITACHI等的電子顯微鏡，雖然在水平方向倍率可調(diào)，但是無(wú)法測(cè)量三維特征。另一方面，可用白光干涉輪廓儀、共聚焦激光掃描顯微鏡等對(duì)跨尺度微納結(jié)構(gòu)特征中的目標(biāo)微納結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定位，并對(duì)其中的微米尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍測(cè)量，但難點(diǎn)在于如何在另一臺(tái)高分辨力儀器上快速定位該目標(biāo)微納結(jié)構(gòu)特征中的亞微米級(jí)尺度以下的特征并對(duì)其測(cè)量，以及如何實(shí)現(xiàn)不同儀器間測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)以上缺陷或改進(jìn)需求中的至少一種，本發(fā)明提供了一種跨尺度微納結(jié)構(gòu)三維測(cè)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)跨尺度微納結(jié)構(gòu)表面的大范圍與高分辨力測(cè)量，能夠在一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)跨尺度(微米尺度、亞微米及以下尺度)結(jié)構(gòu)的測(cè)量，避免了微米尺度結(jié)構(gòu)和亞微米及以下尺度結(jié)構(gòu)需采用不同測(cè)量?jī)x器測(cè)量而帶來(lái)的定位基準(zhǔn)誤差問(wèn)題，以及高分辨力儀器測(cè)量亞微米及以下尺度結(jié)構(gòu)時(shí)難以找到被測(cè)區(qū)域的問(wèn)題，以及多臺(tái)儀器協(xié)同測(cè)量時(shí)帶來(lái)的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題和耗時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種跨尺度微納結(jié)構(gòu)三維測(cè)量裝置，其特征在于：該測(cè)量裝置包括原子力探針掃描顯微鏡組件、物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、白光干涉系統(tǒng)、納米級(jí)垂直微位移平臺(tái)、激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)一、測(cè)控系統(tǒng)、激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)二、樣件、二維壓電陶瓷掃描平臺(tái)、二維電動(dòng)掃描平臺(tái)及激光干涉位移計(jì)量系統(tǒng)三；

所述物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使測(cè)量裝置在白光干涉測(cè)量模式和原子力探針掃描測(cè)量模式中切換；所述白光干涉系統(tǒng)在白光干涉測(cè)量模式下通過(guò)樣件反射回來(lái)的光與通過(guò)顯微物鏡一的參考光在顯微物鏡一的分光板上會(huì)聚而產(chǎn)生白光干涉條紋，在原子力探針掃描測(cè)量模式下通過(guò)原子力探針的懸臂表面反射回來(lái)的光與所述原子力探針掃描顯微鏡組件的顯微物鏡二的參考光在原子力探針掃描顯微鏡組件的顯微物鏡二的分光板上會(huì)聚而產(chǎn)生白光干涉條紋，所述白光干涉系統(tǒng)的CCD相機(jī)用于獲取白光干涉測(cè)量模式和原子力探針掃描測(cè)量模式的白光干涉條紋圖像；

所述顯微物鏡一和所述原子力探針掃描顯微鏡組件的顯微物鏡二對(duì)稱安裝在所述物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述顯微物鏡一和顯微物鏡二的中心線經(jīng)所述物鏡轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到測(cè)量位置后均與所述白光干涉系統(tǒng)的測(cè)量光軸重合；

所述納米級(jí)垂直微位移平臺(tái)用于白光干涉測(cè)量模式的垂直掃描和原子力探針掃描測(cè)量模式的探針標(biāo)定、探針接近樣件及預(yù)壓量調(diào)節(jié)；