应用于纳米测量机的MEMS微接触式测头的结构设计和优化

　　近些年微纳加工测试技术的迅速发展, 使得器件特征尺寸和与之关联公差的不断减小, 尤其对于半导体工业, 检测的精度要求已经达到亚微米或者纳米水平. 同时, 为了获得微器件的特性信息, 如mN 或者LN 的微力、特征尺寸等, 对具有100 nm以下不确定度的测量方法和手段也提出了迫切的要求. 传统的坐标测量机已经不能满足上述的不确定度的要求; 虽然AFM 和ST M 在纳米尺度上可以用来进行微器件、微结构的表面形貌检测, 但是测量范围受到很大的限制; 光学方法还是不能测量某些特定的三维形貌, 如物体边缘的孔径, 物体表面的方向性和相关尺寸等信息, 所以不能实现真正的三维测量. 因此, 作为未来微加工领域不可或缺的重要工具, 具有大范围、高精度, 用于测量三维尺寸、位置和其他形貌特征的纳米/ 微米坐标测量仪器, 以及高精度、微小尺寸测头的研究和开发, 成为微纳器件结构测试领域的主要工作, 例如美国NIST 开发的分子测量机[ 1] , 英国NPL 开发SCMM[ 2] , 荷兰Eindhoven大学的3D-CMM[ 3] 等, 测头方面的工作诸如聚焦式测头, 光纤隧道探针, 电感式测头等.

　　本课题基于德国SIOS 公司NMM[ 4] ( N ano-Measurement-Machine, 纳米测量机) 的大范围( 25mm x 25 mm x 5 mm) 高精度( 10 nm 不确定度) 测量定位平台, 研究和开发了一种MEMS 工艺的三维微接触式测头, 并最终构建微器件微结构几何量测量和性能表征的测试系统.

　　本文主要针对MEMS 微测头的设计展开, 首先提出测头结构的各个部分设计的内容和设计目标,然后介绍了几种测头悬挂系统拓扑结构的设计方案并做出比较. 最后基于影响测头性能参数的机理, 利用有限元ANSYS 软件对测头的测杆, 中心连接体,梁等结构参数进行了仿真和优化, 从而获得了符合测头整体性能设计要求的参数. 关于测头研究的其他工作, 如加工方法和测试表征等另文介绍.

　　1 微测头结构设计

　　三维MEMS 微接触式测头在进行测量时, 测杆端部所测量的位移变化或者力的变化是微梁上的应力发生变化, 并通过分布在梁上的压阻, 通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理, 输出电压信号, 从而实现对微位移或者微力的高精度测量.

　　1. 1 微测头的整体结构方案

　　三维微接触式测头结构主要包括三个部分: 测头架、测杆测端和悬挂结构, 其中测头架需要进行模块化设计, 用于连接NMM 和固定测头电气部分,测头架的设计需要结合NMM 的系统结构和相应的接口, 如图1 所示. 测端及连接测杆实现接触被测物体, 并将力传递给悬挂系统的功能. 悬挂系统用以连接测杆和测头架, 并通过敏感元件转换测头的位移为易于测量的电信号, 同时限制测头的多余自由度. 利用MEMS 工艺和微机械加工手段制成的测头悬挂结构及测杆测端照片如图2 所示.