一种计量型微纳台阶高度测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种计量型微纳台阶高度测量装置，包括支撑系统以及安装在支撑系统上的白光显微测头、位移扫描系统和计量系统。本实用新型专利技术的有益效果为：该计量型微纳台阶高度测量装置主要用来测量微纳台阶的高度或沟槽的深度。系统采用粗细两级位移扫描系统，压电陶瓷驱动的纳米位移台可在微米级扫描范围内实现亚纳米级步进；压电陶瓷驱动的升降台可在毫米级扫描范围内实现亚微米级步进；Z向测量范围最大可达200微米。显微干涉测头采用白光光源(即采用白光显微测头)，基于白光干涉原理，可实现0.1nm的Z向分辨率，同时可直接获得被测表面的三维形貌。采用激光干涉仪组成计量系统，将位移直接溯源到国际单位制中米定义的波长基准。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微纳台阶高度测量
，具体涉及一种计量型微纳台阶高度测量装置。
技术介绍
目前，一般利用触针扫描和显微扫描两种方法测量纳米沟槽深度，但该两种测量方法均存在一定技术缺陷，具体缺陷如下:利用触针扫描方法测量。测量时，触针与被测表面接触并沿被测表面直线运动，触针的上下位移通过杠杆机构传递给测量传感器，传感器的输出值即为获得被测纳米沟槽的深度或纳米台阶的高度。但是所测得的轮廓是触针和被测表面表面形貌的卷积，触针的形貌会带入轮廓中，引起测量误差；同时触针直径有一定的大小，无法与具有较深的小沟槽、小孔等零件表面直接接触，也会影响表面测量准确度。触针扫描方法采用传感器测量位移，其基于电感或激光原理，无法实现位移量值溯源，必须进行校准之后才能进行测量。触针扫描方法单次测量只能得到一条轮廓线，无法实现快速三维扫描。利用显微扫描方法测量。测量时，压电陶瓷驱动显微测头垂直于样品表面扫描，采集纳米沟槽或台阶上下表面干涉图像，拟合出上下表面三维图像，图像上下表面间距即为被测纳米沟槽的深度或纳米台阶的高度。显微扫描方法虽然可以得到三维图像，但是其纵向位移都来自于光栅尺，依然需要校准之后才能进行测量。综上所述，目前还没有一台能够实现量值直接溯源的，具有毫米级测量范围，纳米级测量准确度的，可以直接得到三维图像的沟槽深度(台阶高度)测量仪器设备。
技术实现思路
为解决现有技术中还没有一台能够实现量值直接溯源的，具有毫米级测量范围，纳米级测量准确度的，可以直接得到三维图像的纳米沟槽深度测量装置的技术缺陷，本技术设计出一种实现了量值直接溯源、具有毫米级测量范围、纳米级测量准确度的，可以直接得到三维图像的计量型微纳台阶高度测量装置。为实现上述目的，本技术采用的技术方案为:一种计量型微纳台阶高度测量装置，包括支撑系统以及安装在支撑系统上的白光显微测头、位移扫描系统和计量系统，支撑系统包括底板以及固接在底板上的“[”形立柱；白光显微测头包括光源模块、照明模块、CCD模块、管镜模块以及干涉物镜模块，光源模块与照明模块通过第一光纤连接，CCD模块与管镜模块以及干涉物镜模块与照明模块之间均通过螺纹连接，管镜模块与照明模块之间通过卡口卡接；位移扫描系统包括安装在“[”形立柱内壁的升降台、固接在升降台侧壁的升降载板以及安装在升降载板上的纳米位移台和可调倾斜载物台，可调倾斜载物台固接在纳米位移台上方，升降载板通过直线轴承结构与“[”形立柱滑动连接；计量系统包括固接在升降载板底部的激光干涉仪，参考反射镜以及测量反射镜，其中激光干涉仪包括干涉头和激光光源，干涉头通过第二光纤与激光光源相连接；干涉头上开设有测量光束进出口和参考光束进出口，参考反射镜固接在干涉头表面且垂直于参考光束；位移扫描系统底端固接有倾斜调节结构，测量反射镜固接在倾斜调节结构底端面上且垂直于测量光束；白光显微测头的光轴与激光干涉仪的光轴同轴。该计量型微纳台阶高度测量装置主要用来测量纳米台阶的高度或沟槽的深度。系统采用粗细两级位移扫描系统，压电陶瓷驱动的纳米位移台可在微米级扫描范围内实现亚纳米级步进；压电陶瓷驱动的升降台可在毫米级扫描范围内实现亚微米级步进；z向测量范围最大可达200微米。显微干涉测头采用白光光源(即采用白光显微测头)，白光干涉图像具有零级干涉条纹比两侧的次级干涉条纹幅值大的特点，根据这个特点采用零级干涉条纹中心定位被测对象上下表面位置，可实现0.1nm的Z向分辨率，同时可直接获得被测表面的三维形貌。光源模块和照明模块之间采用第一光纤传导，减小了光源发热带来的热误差；此外，该设计也使得更换光源灯泡比光源照明一体型结构更简便。进一步的，底板与“[”形立柱之间安装有弧面座。“[”形立柱的左右两侧以及背面均安装有走线盒，走线盒上开设有供第一光纤通过的钣金线槽。进一步的，“[”形立柱的左右两侧以及背面均安装有走线盒，走线盒上开设有供第一光纤通过的钣金线槽。进一步的，升降载板上设置有上肋板和下肋板，且升降载板为一体成型结构。升降载板采用上下肋板结构，可以分散纳米位移台和可调倾斜载物台的压力以及增强升降台的运动平稳性。进一步的，可调倾斜载物台与纳米位移台之间安装有转接板；纳米位移台中部开设有通孔，倾斜调节结构由螺栓固定到转接板底端并通过纳米位移台的通孔。进一步的，倾斜调节结构采用柔性铰链结构。进一步的，纳米位移台与升降台的扫描方向与光轴平行，并且纳米位移台和升降台均竖直放置/水平放置。优选的，测量反射镜与参考反射镜之间的距离为3_-5_。可减小激光干涉仪的死光程误差。进一步的，直线轴承结构包括两组结构相同的滑动组件，每组滑动组件均包括导轴座以及固接在导轴座顶端的导轴，导轴底端通过两个配套的半圆锁紧件与导轴座固定连接，顶端向上延伸至伸出升降载板并穿过固接在升降载板上方的轴承。该直线轴承结构有效减小了升降载板的侧应力。本技术的有益效果为:1、光源模块和照明模块之间采用第一光纤传导，减小了光源发热带来的热误差；此外，该设计也使得更换光源灯泡比光源照明一体型结构更简便。2、白光显微测头采用Mirau型干涉物镜，参考镜及分光镜位于内部，光束受外界影响较小；此处的Mirau型干涉物镜也可简便的更换为Michelson和Linnik干涉物镜，实现不同类型样品的测量。3、系统采用粗细两级位移扫描系统，压电陶瓷驱动的纳米位移台可在微米级扫描范围内实现亚纳米级步进；压电陶瓷驱动的升降台可在毫米级扫描范围内实现亚微米级步进；Z向测量范围最大可达到200微米。4、采用测头不动，载物台扫描方式，可使白光显微干涉系统不受运动结构振动的影响，稳定可靠。5、“ [”形立柱及底板采用重量很大、不易产生变形的大理石制作而成，机械性能稳定可靠。6、白光显微测头的重心位于大理石底座的台面内，因大理石重量较大，可以保证测头的机械稳定性。7、位移扫描系统采用直线轴承结构支撑，有效保证了位移扫描系统的单向移动，减小了运动轴与测量轴不同轴带来的阿贝误差。8、白光显微测头的光轴与激光干涉仪的光轴同轴减小了阿贝误差和余弦误差。9、采用激光干涉仪、参考反射镜和测量反射镜构成计量系统，可以将位移直接溯源到国际单位制中米定义的波长基准。10、测量反射镜与参考反射镜的反射面平行且纵向距离为3mm-5mm,可减小激光干涉仪的死光程误差。【附图说明】图1为本技术所述计量型微纳台阶高度测量装置的结构示意图；图2为本技术所述白光显微测头的结构示意图；图3为本技术所述白光显微测头的光路设计框图；图4为本技术所述位移扫描系统(包括“[”形立柱)的结构示意图；图5为图4A处的局部放大图；图6为图4B处的局部放大图；图7为本技术所述计量系统的结构示意图；图8为本技术所述干涉头的结构示意图；图9为本技术所述倾斜调节结构的结构示意图。图中，1、支撑系统；11、底板；12、“ [”形立柱；121、走线盒；122、钣金线槽；13、弧面座；2、白光显微测头；21、壳体；22、光源模块；23、照明模块；24、C⑶模块；25、管镜模块；26、干涉物镜模块；27、第一光纤；28、被测样品；3、位移扫描系统；31、升降台；32、升降载板；321、上肋板；322、下肋板；33、纳米位移台；34、可调倾本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计量型微纳台阶高度测量装置，包括支撑系统(1)以及安装在支撑系统上的白光显微测头(2)、位移扫描系统(3)和计量系统(4)，其特征在于，支撑系统包括底板(11)以及固接在底板上的“[”形立柱(12)；白光显微测头包括光源模块(22)、照明模块(23)、CCD模块(24)、管镜模块(25)以及干涉物镜模块(26)，光源模块与照明模块通过第一光纤(27)连接，CCD模块与管镜模块以及干涉物镜模块与照明模块之间均通过螺纹连接，管镜模块与照明模块之间通过卡口卡接；位移扫描系统包括安装在“[”形立柱内壁的升降台(31)、固接在升降台侧壁的升降载板(32)以及安装在升降载板上的纳米位移台(33)和可调倾斜载物台(34)，可调倾斜载物台固接在纳米位移台上方，升降载板通过直线轴承结构(35)与“[”形立柱滑动连接；计量系统包括固接在升降载板底部的激光干涉仪，参考反射镜(42)以及测量反射镜(43)，其中激光干涉仪包括干涉头(41)和激光光源(422)，干涉头通过第二光纤(421)与激光光源相连接；干涉头上开设有测量光束进出口(411)和参考光束进出口(412)，参考反射镜固接在干涉头表面且垂直于参考光束；位移扫描系统底端固接有倾斜调节结构(37)，测量反射镜固接在倾斜调节结构底端面上且垂直于测量光束。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：施玉书，高思田，沈飞，王兴旺，李适，李伟，李琪，王鹤群，皮磊，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：新型
国别省市：北京;11