CN101793499B - 一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置。将微纳米多测头***安装在三维高精度位移平台上，Z向平移台上安装载物台，载物台下面有俯仰和偏摆微调机构。多测头***的测量装置放置在隔离腔中，测量装置的控制信号和多测头***的传感信号与隔离腔外的DAQ卡，控制箱和计算机相连。将一个测头中心作为坐标系的原点，把其他几个测头所在位置坐标依次匹配到坐标系中。对多测头***进行校准，对各测头在统一坐标系中的位置坐标进行校准。测量时，由与被测点最近的测头进行测量。将各被测点对应的三维位移平台的位移量，转换为各被测点在坐标系中的坐标，计算出被测尺寸。本发明方法具有工作效率高、测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种长度计量测试和微纳米坐标测量的装置及方法，特别是公开一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置。
背景技术
微纳米测量技术是微米纳米技术发展的保障，也是其重要的组成部分。随着以半导体技术、MEMS技术、超精密加工技术为代表的微纳米制造技术的迅速发展，对微纳米尺度下的几何量测量也有了更多的需求，其测量任务主要包括以下几个方面[1]：1)沿着同一方向的两个表面之间的距离2)两个相反表面之间的距离3)沿着垂直方向的两个平面之间的距离4)表面形貌5)厚度6)结构的深宽比7)粗糙度8)平整度。这些测量任务具有以下特点[2]：1)测量力引起的误差较大2)定位误差较大3)温度引起的误差小4)被测件轮廓影像易受异物的影响5)衍射效应的影响大。从测量分类来讲，可以分为平面测量、离面测量、2.5维测量、三维测量等几个方面。
微纳米尺度测量的仪器有很多种。其中，光学显微技术和扫描电镜技术主要应用在平面测量中，而触针式轮廓仪(包括机械和光学触针两种)等方法主要应用在台阶高度等离面测量中，而扫描隧道显微镜、原子力显微镜等主要用于表征器件和结构表面的尺寸信息。在微纳尺度三维测量领域，共聚焦显微镜、白光干涉测量、微纳坐标测量机等仪器和方法是目前比较常见的测量手段。但是，由于受到光学衍射极限的限制、被测器件的光学反射率的要求、以及光学方法对被测结构的侧壁、边沿无法测量的缺陷，光学测量方法并不能开展真正的三维测量。
因此，微纳坐标测量技术是目前解决微纳尺度三维测量问题的相对有效的手段，也是当前微纳米尺度几何量测量的一个研究热点。为了应对微纳米尺度下的几何量测量的要求(包括提高测量精度、提高工作效率、应对愈加复杂的被测结构和器件等)，研制特殊用途的测头***，利用超精密三维位移平台，组建一套测量装置，经过对测头***三维位移平台的校准，用于微纳米坐标测量，对于微纳米尺度几何量测量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法与装置，可对多测头***进行校准，多个测头协同完成被测工件的测量工作，减少测头较长距离移动，提高工作效率。还有，可将多测头***的各个测头看作独立的单测头工作模式，各个测头分别对被测尺寸进行测量，并将多次测量结果求取平均值和标准差，减少由于工作原理缺陷引入的误差，提高测量精度。同时，解决测量时测头意外损坏的问题，不需要重新安装和校准测头，而是切换测头，继续进行测量。因此，多测头***的测量装置可以提高测量的可靠性，工作效率和精度。
本发明是这样实现的：用于微纳米坐标测量的多测头测量装置如图1所示。一种用于微纳米坐标测量的多测头***的测量装置，将微纳米多测头***安装在三维高精度位移平台上，构成一套测量装置，三维位移平台由X向平移台，Y向平移台和Z向平移台组装而成，Z向平移台上安装载物台，载物台上表面为水平面，用于放置被测工件，载物台下面有俯仰和偏摆微调机构，可以调整载物台的承载面，使之与三维平台的Z向严格垂直；在三维位移平台的周围位置有4个立柱，4个立柱上安装一块平板，多测头***通过夹持机构固定在平板上。三维位移平台的X，Y和Z轴的精度，可用激光干涉仪进行校准，4个立柱之间留有很大空间，便于放置干涉仪的镜组和调试校准。多测头***的测量装置放置在隔离腔中，与外界环境相隔离，减少干扰。测量装置的控制信号和多测头***的传感信号的各导线由隔离腔上的孔引到外面，与数据采集卡(DAQ卡)，控制箱和计算机相连。多测头***的三维测量装置的工作原理框图如图2所示。
多测头***的统一坐标系。在载物台上放置标准块，依次对各个测头的X+，X-，Y+，Y-的各个方向的灵敏度，分辨力，以及各测头之间位置进行校准。给各测头编号，从俯视测头的角度看去，将左下角的测头作为1号测头，按照顺时针顺序，依次测头编号为1号，2号，……，n号，其中n＞2。在图1，图2和图3中均取n＝4。将1号测头作为主测头，其中心作为多测头***坐标系的原点，将其他几个测头所在位置坐标依次匹配到坐标系中。
多测头***的校准。以对各测头的Y-方向校准为例，如图3(a)所示。将标准块放在载物台上的中间位置，调整标准块的工作面朝向Y+方向，并与Y轴垂直。通过计算机控制三维位移平台的移动，当标准块工作面接触1号测头时，产生触发信号，作为坐标系Y轴零点。控制三维平台的移动，用标准块依次接触2号，3号，……，n号测头，并分别记录Y轴平移台的位移量，作为2号，3号，……，n号测头的Y-向在坐标系中的坐标。同样，用标准块校准各测头的X+，X-和Y+方向在坐标系中的坐标。然后，将标准块的基准面放置在载物台上，工作面朝向Z+方向，依次对各测头的Z向在坐标系中的坐标，如图3(b)所示。在每次用标准块接触测头时，测头传感单元感应的信号，转换为电压大小，由计算机记录数据和绘制曲线。根据三维平台的位移量，分析测头的灵敏度和分辨力。各个测头在组成多测头***之前，需要对测头的球面半径，灵敏度，分辨力等测头参数进行校准，校准数据用于测量过程中的误差补偿。
利用多测头***的测量装置进行测量。测量工件时，多测头***是固定的，被测工件随着三维平台移动，由与被测点最近的测头进行测量。测量下一个点时，切换测头，选择距离该点最近的测头。切换测头时，由计算机进行控制，在软件界面上选择待用的测头，将DAQ卡的相应通道打开，关闭其他通道。测量时，工作测头将感应信号传输到DAQ卡，其他测头处于不工作状态。根据多测头***的校准数据，将每个被测点对应的三维平台各轴的位移量，转换为坐标系中的各被测点对应的坐标，计算出被测尺寸。
本发明的有益效果是：(1)多个测头协同完成被测工件的测量工作，减少测头较长距离移动，提高工作效率。(2)可将多测头***的各个测头看作独立的单测头工作模式，各个测头分别对被测尺寸进行测量，并将多次测量结果求取平均值和标准差，减少由于工作原理缺陷引入的误差，提高测量精度。(3)解决测量时测头意外损坏的问题，不需要重新安装和校准测头，而是切换测头，继续进行测量。因此，多测头***的测量装置可以提高测量的可靠性，工作效率和精度。
附图说明
图1是本发明测量方法所用的测量装置示意图；
图2是本发明测量方法所用的测量装置的工作原理框图；
图3a是本发明测量方法所用的测量装置校准多测头的X和Y轴坐标的原理图；
图3b是本发明测量方法所用的测量装置校准多测头的X和Z轴坐标的原理图；
图4是本发明测量方法所用的测量装置测量工作流程图。
在图1中：1、平板；2、多测头***；3、立柱；4、载物台；5、微调机构；6、三维位移平台。
具体实施方式
根据附图1和2，本发明方法所用的测量装置，Z向平移台上安装载物台4，载物台下面有俯仰和偏摆微调机构5。在三维位移平台6四周有4个立柱3，上面安装一块平板1用于固定多测头***2。多测头***2的测量装置放置在隔离腔中，测量装置的控制信号和多测头***的传感信号与隔离腔外的DAQ卡，控制箱和计算机相连。将一个测头中心作为坐标系的原点，把其他几个测头所在位置坐标依次匹配到坐标系中。对多测头***进行校准，对各测头在统一坐标系中的位置坐标进行校准。测量时，由与被测点最近的测头进行测量。测量下一点时，切换测头，选择距离该点最近的测头。将各被测点对应的三维位移平台的位移量，转换为各被测点在坐标系中的坐标，计算出被测尺寸。
多测头***的校准和其测量装置的测量工作流程图如图4所示，其原理如附图3a、3b所示。多测头***的测量装置要经过安装，校准，测量和计算机软件处理这几个主要环节，才能开展测量工作。对于测量精度要求较高的工件，可将多测头***的各个测头看作独立的单测头工作模式。各个测头分别对被测尺寸进行测量，并将多次测量结果求取平均值和标准差，作为测量的最终结果。这种方法可以利用误差的平均效应，减少由于工作原理缺陷引入的误差，提高测量精度。
测量工件时，多测头***是固定的，被测工件随着三维平台移动，由与被测点最近的测头进行测量。测量下一个点时，切换测头，选择距离该点最近的测头。切换测头时，由计算机进行控制，在软件界面上选择待用的测头，将DAQ卡的相应通道打开，关闭其他通道。测量时，工作测头将感应信号传输到DAQ卡，其他测头处于不工作状态。根据多测头***的校准数据，将每个被测点对应的三维平台各轴的位移量，转换为坐标系中的各被测点对应的坐标，计算出被测尺寸。
Claims (3)
1.一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法，其特征在于：将微纳米多测头***安装在三维位移平台上，构成一套测量装置，三维位移平台由X向平移台，Y向平移台和Z向平移台组装而成，Z向平移台上安装载物台，载物台上表面为水平面，用于放置被测工件，载物台下面有俯仰和偏摆微调机构，可以调整载物台的承载面，使之与三维位移平台的Z向严格垂直；在三维位移平台的周围位置有4个立柱，4个立柱上安装一块平板，多测头***通过夹持机构固定在平板上；具体包括如下步骤：
(1)多测头***的统一坐标系：在所述的载物台上放置标准块，依次对各个测头的X+，X-，Y+，Y-的各个方向的灵敏度，分辨力，以及各测头之间位置进行校准，给各测头编号，从俯视多测头***的角度看去，将左下角的测头作为1号测头，按照顺时针顺序，依次测头编号为1号，2号，...，n号，其中n＞2，将1号测头作为主测头，其中心作为多测头***坐标系的原点，将其他几个测头所在位置坐标依次匹配到坐标系中；
(2)多测头***的校准：对各测头的X-方向校准时，将标准块放在载物台上的左侧中间位置，调整标准块的工作面朝向X+方向，并与X轴垂直，通过计算机控制三维位移平台的移动，当标准块工作面接触1号测头时，产生触发信号，作为坐标系X轴零点，控制三维位移平台的移动，用标准块依次接触2号，3号，……n号测头，并分别记录X轴平移台的位移量，作为2号，3号，……n号测头的X-向在坐标系中的坐标，同样，用标准块校准各测头的X+，Y-和Y+方向在坐标系中的坐标，然后，将标准块的工作面朝向Z+方向，依次校准各测头的Z向在坐标系中的坐标，在每次用标准块接触测头时，测头传感单元感应的信号，转换为电压大小，由计算机记录数据和绘制曲线，根据三维位移平台的位移量，分析测头的灵敏度和分辨力，各个测头在组成多测头***之前，需要对测头的球面半径、灵敏度和分辨力测头参数进行校准，校准数据用于测量过程中的误差补偿；
(3)利用多测头***的测量装置进行测量：测量工件时，多测头***是固定的，被测工件随着三维位移平台移动，由与被测点最近的测头进行测量，测量下一个点时，切换测头，选择距离该点最近的测头，切换测头时，由计算机进行控制，在软件界面上选择待用的测头，将DAQ卡的相应通道打开，关闭其他通道，测量时，工作测头将感应信号传输到DAQ卡，其他测头处于不工作状态，根据多测头***的校准数据，将每个被测点对应的三维位移平台各轴的位移量，转换为坐标系中的各被测点对应的坐标，计算出被测尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种用于微纳米坐标测量的多测头测量方法，其特征在于：所述的三维位移平台的X，Y和Z轴的精度，可用激光干涉仪进行校准，4个立柱之间留有很大空间，便于放置干涉仪的镜组和调试校准，多测头***的测量装置放置在隔离腔中，与外界环境相隔离，减少干扰，测量装置的控制信号和多测头***的传感信号的各导线由隔离腔上的孔引到外面，与DAQ卡，控制箱和计算机相连。
3.一种用于权利要求1所述测量方法的微纳米坐标测量多测头测量装置，其特征在于：所述的多测头测量装置安装在三维位移平台上，所述的三维位移平台由X向平移台、Y向平移台和Z向平移台组装而成，Z向平移台上安装载物台，载物台上表面为水平面，载物台下面有与承载物连成一体的俯仰和偏摆微调机构，在三维位移平台的周围位置有4个立柱，4个立柱上安装一块平板，所述的微纳米多测头***通过夹持机构固定在平板中心的底面上。
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