微尺寸探针测量技术

　　1　引　　言

　　微小尺寸传统测量法是依靠高精度触针式传感器或光学测微传感器。常规接触式传感器测头的缺点是接触力造成的局部弹性变形及测杆弯曲变形影响测量精度。常规非接触式光学测头不存在测量力,但由于光线的干涉和衍射现象,其测头精度也只在微米量级。

　　1994年日本松下电器公司开发的装有原子力测头的UA3P型三坐标测量机[1]。这种测头被报导为目前测量机中的有最高准确度并可进行非接触连续测量的测头,其原子力测头的曲率半径有0.5mm和2μm两种。但经过计算其2μm半径测头的测量力为10-4N～5×10-4N(10～50mg),已远远超出原子力范畴,原子力是指被测表层对测针之间的原子排斥力,一般在10-7～10-9N之间。经分析,该测量机测头的测量力仍完全属于宏观机械接触力,只是接触力较小而已。仍可根据接触力的经验公式,计算出其接触力造成的变形误差在亚微米级,仍会造成较大的测量误差。

　　基于近些年扫描探针显微技术(Scanning ProbeMicroscope,简称SPM)的发展以及国际上已经成熟的计量型探针显微技术[2-3],并依据日本松下电器公司原子力测头的设想,以原子力微探针做为瞄准装置传感器,并结合二维微位移系统和高精度电容传感器,研制了真正意义的原子力测头,并在一定范围内高分辨力对微小尺寸进行了三维测量研究。

　　2　测量系统组成及探针测量原理

　　整体测量结构采用三坐标机的龙门式结构,采用工作台与测头分离型,参见图1。

　　这样的结构制造装调容易,对x-y方向的运动控制也比较简单。两只高精度电容传感器作为柔性工作台的反馈测量元件,其监测范围为±3μm,分辨力为1nm。二维x-y工作台采用双柔性对称结构,并经1:4杠杆缩小以满足小量程下的高分辨力。Z向经过粗、精两级调整后,保证针尖与样品的表面接触,此时即可进行三维坐标测量。

　　目前扫描探针制作及其位置检测系统已商品化,已出现Si、SiN、金刚石等材料制成的多种规格原子力微探针,其微悬臂的检测方法也有隧道电流检测法、电容检测法、各种干涉法、光学杠杆法、压阻及压电检测法等。本文采用光学杠杆方式,激光器发出的光径准直后照射到探针悬臂背面,并反射给四象限位置检测器PSD上,当探针接触被测件并产生原子排斥力而变形时,光点在PSD上的位置发生变化,PSD输出的光电流产生变化,系统处理其变化方向信息并反馈给与微悬臂相联的PZT,控制PZT伸缩重新恢复PSD输出恒定的光电流,这时电容传感器测得的位移量即为测头的位移量。

　　这种测头由于具有极其微小的接触力,因而其接触力误差在坐标测量中几乎可以不计。经测定其Z向重复性包括测量用电容传感器的误差在内为±0.02μm。