[发明专利]一种跨尺度微纳结构三维测量装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种跨尺度微纳结构三维测量装置及测量方法，其特征在于：包括原子力探针扫描显微镜组件、物镜转台、白光干涉系统、纳米级垂直微位移平台、激光干涉位移计量系统一、测控系统、激光干涉位移计量系统二、样件、二维压电陶瓷扫描平台、二维电动扫描平台以及激光干涉位移计量系统三；通过转动物镜转台，使测量装置在白光干涉测量模式和原子力探针扫描测量模式中切换。白光干涉测量模式主要用于微米尺度结构的大范围测量，原子力探针扫描测量模式对纳米尺度特征区域进行水平高分辨力测量，实现跨尺度微纳结构表面大范围与高分辨力测量，能够在一套系统中实现跨尺度(微米尺度、亚微米及以下尺度)结构的测量。

技术领域

本发明属于超精密表面形貌测量领域，具体涉及一种跨尺度微纳结构三维测量装置及测量方法。

背景技术

随着光刻、超精密加工、光学加工等先进制造技术的发展，跨尺度微纳结构表面成为太阳能电池、激光全息防伪、平面显示等领域关键部件重要的表面特征。这些特征整体宏观尺寸逐渐增大，而局部微观特征更加精细化，产生了兼顾大范围与高分辨力的测量需求。传统的表面形貌测量仪器，如触针式轮廓仪、光学轮廓仪、原子力显微镜等，虽然已广泛应用于超精密表面测量，但由于针尖半径和瑞利衍射极限的限制，触针式轮廓仪和光学轮廓仪无法测量水平方向为亚微米尺度及以下的微纳结构特征。尽管原子力显微镜在水平和垂直方向上都具有纳米级分辨力，但由于其测量范围小、测量速度慢，难以实现局部微纳结构特征定位和大范围测量。

针对跨尺度微纳结构特征大范围与高分辨力的测量需求，一方面，现有的商业仪器，如日本基恩士的三维激光扫描共焦显微镜，通过使用不同倍率的显微物镜进行拼接测量可以在一定程度上满足大范围和垂直方向高分辨力的测量需求，但其水平方向测量精度有限；FEI、 ZEISS、HITACHI等的电子显微镜，虽然在水平方向倍率可调，但是无法测量三维特征。另一方面，可用白光干涉轮廓仪、共聚焦激光扫描显微镜等对跨尺度微纳结构特征中的目标微纳结构特征进行定位，并对其中的微米尺度结构进行大范围测量，但难点在于如何在另一台高分辨力仪器上快速定位该目标微纳结构特征中的亚微米级尺度以下的特征并对其测量，以及如何实现不同仪器间测量数据的融合，以保证测量的准确性。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种跨尺度微纳结构三维测量装置，可以实现跨尺度微纳结构表面的大范围与高分辨力测量，能够在一套系统中实现跨尺度(微米尺度、亚微米及以下尺度)结构的测量，避免了微米尺度结构和亚微米及以下尺度结构需采用不同测量仪器测量而带来的定位基准误差问题，以及高分辨力仪器测量亚微米及以下尺度结构时难以找到被测区域的问题，以及多台仪器协同测量时带来的数据融合问题和耗时长问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种跨尺度微纳结构三维测量装置，其特征在于：该测量装置包括原子力探针扫描显微镜组件、物镜转台、白光干涉系统、纳米级垂直微位移平台、激光干涉位移计量系统一、测控系统、激光干涉位移计量系统二、样件、二维压电陶瓷扫描平台、二维电动扫描平台及激光干涉位移计量系统三；

所述物镜转台通过转动使测量装置在白光干涉测量模式和原子力探针扫描测量模式中切换；所述白光干涉系统在白光干涉测量模式下通过样件反射回来的光与通过显微物镜一的参考光在显微物镜一的分光板上会聚而产生白光干涉条纹，在原子力探针扫描测量模式下通过原子力探针的悬臂表面反射回来的光与所述原子力探针扫描显微镜组件的显微物镜二的参考光在原子力探针扫描显微镜组件的显微物镜二的分光板上会聚而产生白光干涉条纹，所述白光干涉系统的CCD相机用于获取白光干涉测量模式和原子力探针扫描测量模式的白光干涉条纹图像；

所述显微物镜一和所述原子力探针扫描显微镜组件的显微物镜二对称安装在所述物镜转台上，所述显微物镜一和显微物镜二的中心线经所述物镜转台转动到测量位置后均与所述白光干涉系统的测量光轴重合；

所述纳米级垂直微位移平台用于白光干涉测量模式的垂直扫描和原子力探针扫描测量模式的探针标定、探针接近样件及预压量调节；