微阵列型复杂表面的复合测量系统与方法研究

摘要

在超精密加工技术向更多种类、更高水平发展的同时，微纳米测量技术也在不断寻求发展与进步。针对测量对象的不同的制造工艺和材质，微纳米测量技术所面临的测量要求也各有不同。因此单一的测量方法无法满足当今超精密加工技术的全面的测量要求，光学显微术(OM)、扫描探针显微技术(SPM)与扫描电子显微技术(SEM)不能够同时满足高效、高分辨率、三维形貌特征获取的测量需求。为此本课题提出了一种包含白光垂直扫描干涉测量与原子力显微镜（AFM）测量两种测量方式的复合测量方法。为了验证该方法的可行性，构建了复合测量系统，并通过对一种微阵列结构表面的测量实验对复合测量系统进行了验证。论文主要工作包含以下几个方面：
　　介绍了幅度调制模式（AM）和频率调制模式(FM)两种AFM工作模式的原理与特点，对两种工作模式做了对比与选择。分别介绍了白光垂直扫描干涉测量原理、相干峰感知算法与三维图像的拼接方法，对大范围白光垂直扫描干涉测量进行了系统地说明。
　　针对一类微阵列结构提出了一种微阵列结构表面测量结果的调平方法。介绍了微阵列结构上的单元结构的顶点坐标提取方法。通过仿真对上述两种方法进行了验证。
　　搭建了复合测量系统，系统主要包括AFM测头、白光干涉模块、PI反馈控制单元、双反馈运动平台。设计了AFM测头的信号处理电路与机械结构，利用测头的旋转机构，方便系统能够在AFM测量与白光垂直扫描干涉测量两种测量方法之间自由切换。利用纳米测量机（NMM）运动平台和压电陶瓷（PZT）位移台搭建双反馈运动平台。在测头上方安装白光干涉模块，结合NMM运动平台实现白光垂直扫描干涉测量功能。通过实验分别验证了AFM系统与白光干涉系统的测量功能。
　　介绍了复合测量系统的测量思路，提出了统一两种测量结果坐标系的方法。在复合测量过程中，先通过白光垂直扫描干涉测量方法与图像拼接方法获得微阵列结构样品表面的较低分辨率的大范围的形貌信息，然后将测量结果调平，提取单元结构顶点坐标，利用复合测量系统的坐标统一的方法获取AFM探针扫描单元结构顶点时所对应的测量机坐标数值，最后确定AFM扫描的参数，并通过AFM对该结构的轮廓线进行扫描与评价。

目录

声明

第1章 绪论

1.1微纳米测量技术发展现状

1.2原子力显微镜及其发展现状

1.3课题的意义与论文主要工作

第2章 测量系统工作原理

2.1动态AFM的工作原理

2.2白光干涉信号分析方法

2.3本章小结

第3章 复合测量系统优化

3.1复合测量系统架构

3.2复合测量基本思路

3.3本章小结

第4章 图像拼接与单元结构顶点坐标提取

4.1无重叠图像拼接原理

4.2调平平面拟合方法

4.3微阵列结构单元结构定点坐标提取

4.4本章小结

第5章 系统验证与实验分析

5.1原子力显微镜系统的测量实验

5.2白光垂直扫描干涉测量验证

5.3微阵列结构复合测量验证实验

5.4本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢