双测头复合型微纳米测量仪的研制

吴俊杰，刘 俭，魏佳斯，傅云霞，李 源*

(1. 上海市计量测试技术研究院 机械与制造计量技术研究所，上海 201203；2. 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 引 言

近年来，随着微纳加工技术的迅速发展，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构的复杂程度却不断增加，这就对微纳尺度的几何量检测提出了更高的需求。在表面三维形貌检测中，广泛采用光学方法、扫描探针显微法、机械触针测量法，以及坐标测量法等[1-2]。按传统方式分类，表面测量大致可分为接触式测量和非接触式测量[3]。

接触式测量方法主要包括扫描探针显微法、机械触针法及坐标测量方法等。接触式测量方法精度高、量程大，且不受光学方法中存在的衍射极限的限制，不受样品表面颜色及光照的影响，但由于测量时与样品接触，易划伤样品表面。接触式测量方法有多种传感方式，如基于电容、电感、压电、压阻等原理，也有与光学原理相结合的，其共同特征是测量过程中测头通过一根探针与样品接触，扫描样品表面，进而得到样品表面轮廓[4-5]。非接触式测量一般指光学测量，光学测量方法操作过程简单，测量速度快，便于工业现场在线测量。随着超精密加工技术的进步，光学测量方法已经成为了目前微纳米尺度三维形貌测试的主要手段，特别是在半导体产业中，光学测量方法得到了广泛应用[6-7]。典型的光学测量方法包括激光三角法、自动聚焦法、光学显微干涉法、共聚焦显微法等。

微纳米测量仪器根据原理和方法的不同可分为很多种类，每种原理和方法都可衍生出一台仪器。目前市场上常用的微纳米测量设备有原子力显微镜、白光干涉显微镜、共聚焦显微镜、扫描电镜，以及各种类型的纳米坐标测量机等，这些仪器多为单一测头结构[8-10]。在多测头方面，国际上的一些知名公司也进行了相关研究。德国SIOS公司的纳米测量机，可集成激光聚焦式测头、白光干涉测头、微接触式测头、原子力显微镜测头等不同类型和功能的测头，这些测头采用同一机械结构进行固定，在使用时需进行拆卸互换[11]；卡尔蔡司公司的F25同时搭载接触式测头和光学测头，接触式测头可实现单点测量和连续扫描，光学测头由高品质的十倍物镜和ViScan相机传感器组成，可实现2D测量[12]；日本三丰公司开发的UMAP微纳米测量仪器同时搭载视觉影像传感器和接触式测头，并兼容TP200型触发式测头，适合应用于工业现场测量[13]。

被测对象和测量尺度的不同，使得微纳米测量仪器的发展呈现出多元化趋势。在测量尺度方面，目前尚无一种方法可以实现尺度从纳米到毫米的全范围覆盖。在被测对象材料特性、表面特征方面，很难用一种方法测量所有材料及特征。

因此，在进行一些尺度跨度大或者形状结构复杂的场合，常采用多种测量方法相结合的方式，以实现对目标样品特定参数的表征。本文针对当前微纳米测量中存在的大范围、高精度、多参数表征问题，设计了一种基于白光干涉和原子力显微镜双测头的微纳米测量仪，并对仪器的结构和原理进行阐述；开发了宏/微两级驱动定位平台，并对平台性能进行测试。最后，对仪器整机进行了校准和测试。

2 仪器结构设计

2.1 桥架结构

微纳米测量仪器作为一种精密测量仪器，其主体结构的加工精度及变形是仪器设计过程中必须考虑的因素。目前的微纳米测量仪大多是在传统三坐标测量机的基础上发展而来，其典型桥架结构有龙门结构、拱形结构、移动桥式等。移动桥式多用于大型的坐标测量机，龙门结构和拱形结构均具有较好的静力学特性。理论上，拱形结构在静力学性能上优于龙门结构，但本文考虑到仪器的双测头结构及工作空间，采用传统的龙门结构进行设计，并采用刚度和热膨胀系数均较理想的大理石材料作为仪器的基座及桥架材料。

为使龙门结构横梁的自重和抗形变能力达到一个较优的水平，需对横梁的厚度进行优化设计。采用有限元方法对厚度为80，120，160，200，240 mm的横梁分别进行仿真，计算横梁中心位置的形变量。仿真时，横梁长度取1 100 mm，宽度取230 mm，梁厚和形变的关系曲线如图1所示。

图1 梁厚-形变量关系曲线Fig.1 Beam thickness-deformation relation curve

可见，当梁厚大于160 mm时，随着厚度的增加，形变量的变化逐渐减小。因此，本文将横梁厚度参数确定为160 mm。在该厚度下，横梁中心测头安装位置的最大形变为0.675 μm，形变仿真结果如图2所示。

图2 形变仿真结果Fig.2 Simulation result of deformation

2.2 定位平台

定位平台是微纳米测量仪的重要组成部分，其性能指标直接决定仪器的量程、精度及动态特性等。根据微纳米测量仪的设计要求，仪器运动平台采用宏/微两级驱动方式。其宏动平台的X-Y向运动范围需达到300 mm×300 mm，定位精度2 μm；双Z轴运动范围均需达到100 mm，定位分辨力50 nm，以满足对大尺寸晶圆及其他尺寸较大样品的定位需求。同时，微动平台的X，Y轴要求达到150 μm×150 μm的运动范围以及1 nm的定位分辨力。

综合考虑仪器平台工作空间、开发成本、实现难度以及应用场合等因素，宏动平台采用伺服电机加滚珠丝杠的驱动模式，利用光栅尺作为位移反馈装置；微动平台采用压电陶瓷加柔性铰链的驱动方式，利用电容传感器作为位移反馈装置，其X，Y轴的运动分别由呈正交分布的两个压电陶瓷驱动。

宏动定位系统包括水平方向的X,Y轴，竖直方向的Z1，Z2轴以及位于横梁上的S轴。仪器采用双测头配置，测头之间的切换通过S轴驱动，Z1，Z2轴通过一块共用连接板与S轴相连。当测头需要切换时，S轴电机工作，驱动Z1，Z2到指定位置。测头切换时，S轴的驱动距离与分别位于Z1，Z2轴的测头中心距离相等，该距离需在测头安装好后进行精确标定，以便测头切换后被测特征仍能位于视场中间。

Z1，Z2轴电机与横梁垂直安装，用于驱动测头上下运动，进而调节测头与样品之间的距离。微动定位系统仅需提供X-Y方向的定位，Z向的微动定位由测头提供。此外，仪器还配备了转台和倾斜台，用于调整样品姿态。微动平台置于倾斜台上方，并在其上安装了直径300 mm的真空吸盘，以满足12英寸晶圆的测试需求。仪器整机装配如图3所示。

平台搭建完成后，采用Renishaw XL-80激光干涉仪对其定位性能进行测试和校准。首先，对宏动定位系统进行测试。由于X,Y轴与Z1,Z2轴设计参数不同，在进行测试时，X,Y轴每行走30 mm进行一次采样，各采样点实际读数与设定值之间的偏差曲线如图4所示。由测试结果可知，X,Y轴的定位精度分别为1.95 μm和1.90 μm，双向重复精度分别为0.30 μm和0.36 μm。

图3 仪器整机装配Fig.3 Assembling drawing of instrument

图4 X,Y轴定位精度测试Fig.4 Positioning accuracy test of X and Y axes

图5 Z1,Z2轴分辨力测试Fig.5 Resolution test of Z1 and Z2 axis

Z1,Z2轴由于测量时不需要往复运动，仅用于测头与样品表面之间的趋近，因此仅对其定位分辨力指标进行测试。测试时，以50 nm为步距进行趋近，得设定趋近值与激光干涉仪读数关系曲线如图5所示。可见，Z1,Z2在以50 nm为步距趋近时，趋近曲线均具有较好的线性，且前后趋近点不混淆。

微动平台由于采用压电陶瓷驱动，因此需对其线性和迟滞进行测试，测试结果如图6所示。X,Y轴的可决系数(也叫拟合优度)均为1，最大迟滞分别为0.15 μm和0.13 μm。

图6 线性及迟滞测试Fig.6 Linear and hysteresis test

3 测头系统及原理

本文设计的首要目标是实现大范围、高精度测量，因此，所选择的测头系统应在测量范围和测量精度上实现互补。同时，在测量模式上，光学测头和原子力测头也可实现很好地互补。选择将白光干涉测头和原子力显微镜测头进行集成。

白光干涉测头的干涉光路如图7所示，主要部件包括CCD相机、白光光源、聚光透镜、分光镜、物镜移相器(PZT)和干涉物镜等。在干涉光路中，光源发出的光经汇聚后进入分光镜，部分光经分光镜反射后进入干涉物镜，再由干涉物镜中的半透半反膜分为两路，一路经被测样品表面反射后回到干涉物镜，另一路经镀在参考板上的镜面反射后再次被分光镜反射，最后与样品表面的反射光汇合形成干涉。干涉条纹被CCD相机记录并存储到计算机进行后续的图像处理。

图7 干涉光路Fig.7 Interference light path

常用的图像处理算法有傅里叶变换法、小波变换法和空间频域法。空间频域法因其具有较强的抗干扰能力，且对光源强度和光谱分布的变化不敏感，其采样间隔甚至可以低于Nyquist采样频率。因此，本文在后续的测试中均采用空间频域法进行图像处理和数据重构。

测头的分辨率是表征测头测量能力的一个重要参数，白光干涉测头光学系统的横向分辨率可根据瑞利判据，按式(1)计算：

(1)

式中：λ为光源波长；NA为物镜数值孔径。由式(1)可知，光学系统的横向分辨率仅与光源波长和物镜数值孔径有关。对于整个白光干涉测量系统，其横向分辨率除受系统光学系统分辨率影响外，还受CCD像素尺寸影响。当被测点在CCD上的成像尺寸大于2 pixel尺寸时才能被分辨。因此，系统横向分辨力应取光学系统和CCD分辨力中值较大者。

系统轴向分辨力与系统能探测到的最小光强变化εI有关，该值由CCD采样位数N决定：

(2)

Imax-Imin对应相位变化为π，系统能分辨的最小相位变化为：

(3)

采用空间频域法进行解算，系统在轴向能分辨的最小高度变化为[15-16]：

(4)

白光干涉测头采用中心波长为590 nm的白光光源，其CCD具有1 392×1 040的分辨力，像素尺寸为6.45 μm×6.45 μm，帧率可达14.8 frame/s。物镜移相器具有250 μm的行程，并内置电容传感器作为反馈。其开环分辨率为0.4 nm，闭环分辨率为0.75 nm，具有0.03%的线性度和±5 nm的重复定位精度。当搭载50×干涉物镜时，测头横向分辨力可达500 nm；纵向分辨力不受物镜放大倍率影响，其分辨力优于1 nm。

图8 AFM测头原理Fig.8 Schematic of the AFM

原子力显微镜测头选择瑞士Nanosurf公司的NaniteAFM进行集成，该测头系统包括扫描头、控制器及测量软件三大模块，可工作于静态力模式(接触和非接触模式)和动态力模式(轻敲模式)。测量原理如图8所示。激光二极管发出的光照射到探针悬臂，经悬臂反射后进入四象限探测器(QPD)。当针尖与样品相互作用时，悬臂会产生形变，进而使照射到四象限探测器上的光斑产生位移，探测器输出的信号反馈到C3000控制器，控制压电陶瓷进行跟随扫描，扫描结果经控制器预处理后传到PC进行进一步的处理、分析和显示。

NaniteAFM测头的扫描范围为110 μm×110 μm×20 μm，其X,Y的线性误差小于0.6%，Z轴的典型噪声水平在静态力模式时为0.35 nm，动态力模式时为0.09 nm。测头整体的横向及纵向分辨力均优于1 nm。为方便观察和操作，NaniteAFM测头配备了照明LED、俯视(310万像素)和倾斜观察摄像头(130万像素)。俯视摄像头用于辅助寻找待测特征区域，倾斜观察摄像头用于观察探针与样品表面的接近情况，以及在扫描时实时显示扫描状态。

两个测头之间可通过上位机软件实现一键切换，在切换过程中，必须保证S轴运动起始点和运动停止位置具有较高的重复性，以避免测头切换后因偏离距离过大，导致在切换后的测头视场中找不到被测特征。图9为安装完成的测头实物。

图9 双测头配置Fig.9 Dual probe configuration

4 整机测试及校准

为保证仪器测量结果的准确性，需对开发完成的仪器进行校准，以使测量结果可溯源。在表面形貌测量的溯源链中，长度可溯源至米的定义。在工业中，微纳米测量仪器通常采用标准样板进行校准，用于校准的标准样板通常由计量型的测量仪器进行校准。表面形貌测量的溯源体系如图10所示。

图10 表面形貌测量溯源体系Fig.10 Typical traceability infrastructure for surface texture measurement

4.1 白光干涉测头校准

对于白光干涉测头，主要利用台阶标准样板对其轴向测量参数进行校准。校准完成后利用白光干涉测头对粗糙度标准样板进行测量，以验证其性能。本文利用校准值为(100.6±1.9)nm(置信系数k=2)的台阶标准样板进行校准，测量时，白光干涉测头的干涉物镜选择5×的Michelson型干涉镜头，测量结果采用ISO5436-1: 2000中定义的方法进行评价。10次重复测量的平均值为101.39 nm，标准偏差0.83 nm。被测台阶的3D重构及单线轮廓如图11所示。

4.2 原子力显微镜测头校准

原子力显微镜测头校准主要包括水平方向的X,Y轴及竖直方向的Z轴。Z轴校准采用与白光干涉测头相同的台阶标准样板，10次重复测量平均值为100.18 nm，标准偏差1.12 nm。为比较白光干涉测头与原子力显微镜测头对台阶标准样板同一台阶区域测量结果的差异，将两者的测量数据绘制到同一图表进行对比，如图12所示。通过图中的对比曲线可见，白光干涉测头和原子力显微镜测头的测量结果具有较好的一致性，两者的测量值均落在标准样板的校准区间内。

图11 台阶3D重构及单线轮廓Fig.11 3D reconstructed image and single line profile of step

图12 测量结果比较Fig.12 Comparison of measurement results

原子力显微镜测头的X,Y轴校准采用1D和2D栅格标准样板进行，1D栅格用于确定X,Y轴的测量重复性，2D栅格用于确定X,Y坐标的正交性误差。将原子力显微镜扫描范围设置为20 μm×20 μm，分别对校准值为(2 999.7±3)nm(k=2)的1D栅格和正交角为90.0°的2D栅格进行扫描。采用优化的傅里叶变换算法进行评价，得到沿X轴方向扫描时，1D栅格的测量均值为3 001.3 nm，标准偏差2.21 nm；沿Y轴方向扫描时，1D栅格的测量均值为3 000.5 nm，标准偏差2.44 nm。X,Y坐标的正交性误差采用2D栅格标准样板进行，通过测得的形貌图中的坐标值分别确定样板中行、列刻线的斜率，然后计算行、列拟合线的夹角，以此角度作为X,Y坐标的正交角，在进行10次重复测量后，得到X,Y坐标正交角均值为89.9°。1D，2D栅格测量结果的三维重构图如图13所示。

图13 1D，2D栅格测量结果Fig.13 Measurement result of 1D and 2D gratings

由校准结果可见，仪器搭载的原子力显微镜测头在X,Y,Z三轴均具有很高准确性，且扫描图像清晰，结果稳定。

5.3 微球表面测量

为充分发挥仪器双测头、多尺度测量优势，本文利用校准后的仪器对微球样品的表面形貌进行了测量，以验证仪器的测量能力。被测微球直径为2 mm，采用碳氢材料制备。为清晰呈现微球表面形貌特征，实验选择白光干涉测头配合50×的显微干涉物镜，对微球样品顶端表面进行测量，测量结果如图14所示(彩图见期刊电子版)。选取过球面顶点(最高点)的直线作为粗糙度评价的轮廓线，对微球表面的线粗糙度进行评价。图14(b)中，黑线为微球表面粗糙度评价轮廓线；红线为粗糙度评价过程中的高斯拟合评定基线；绿线为去除微球轮廓纹波后的表面粗糙度曲线。经评定，微球表面粗糙度参数Ra，Rq，Rz的值分别为0.25，0.34，2.28 μm。

图14 白光干涉测量结果Fig.14 Measurement result of white light interference microscope

由白光干涉测头的测量结果可知微球表面起伏的大致范围，而表面粗糙度仅为一个统计数据。为更清晰地表征微球表面颗粒物的尺寸，可采用原子力显微镜进行小范围的扫描，获取微球表面更精细的形貌信息，以便为微球制备工艺的分析和优化提供参考。采用原子力显微镜进行扫描时，利用白光干涉测头视场的预先观察和高精度的测头切换机构，可将原子力测头针尖趋近到指定的区域进行扫描，将扫描范围设为1 μm×1 μm，扫描结果如图15所示。过原子力显微镜的扫描图像可以清晰地观察微球表面颗粒的尺寸和分布，为分析微球加工过程中使用的粉末颗粒粒径和其表面粗糙度关系提供了参考。

图15 原子力显微镜扫描图像Fig.15 Scanning image of AFM

5 结 论

本文基于白光干涉和原子力显微测量技术，开发了一台可用于微纳结构大范围、高精度测量的双测头复合型微纳米测量仪。仪器将自研的白光干涉测头和商用原子力显微镜测头进行集成，通过整机机械结构和大范围宏/微两级驱动定位平台的设计，实现两套测量系统的整合。两套系统对测量平台实行分时调用，共享定位平台，从而节约了仪器成本。

通过微球测量实验，验证仪器对复杂微结构的测量能力，体现仪器双测头配置的优势。本文开发的双测头复合型微纳米测量仪具有多尺度、多测头、多模式等特点，可对微纳米标准样板、微球面、集成电路和MEMS器件等复杂结构实现准确测量和表征，解决半导体、国防军工及精密制造中的一些测量难题。