雙探頭三維表面輪廓測量系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，表面形貌與輪廓測量日益成為測量學(xué)重要的測量對象，表面測量技術(shù)也已成為科學(xué)測量技術(shù)的一個重要發(fā)展分支，在高分子材料科學(xué)、微納米電子科學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)、薄膜科學(xué)以及生命科學(xué)等研究領(lǐng)域，與精密儀器及零件制造、新材料制造技術(shù)、芯片制造工藝檢測及加工質(zhì)量評定等工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛而重要的應(yīng)用。近年來，結(jié)合微電子技術(shù)、計算技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感技術(shù)以及信息處理技術(shù)等高新技術(shù)，基于各種原理的表面形貌與輪廓測量儀器相繼問世，其測

2、量范圍小至亞納米級，大到毫米級，為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供了先進(jìn)的觀測和分析手段。
　　 在實(shí)際測量工作中，采用原子力顯微術(shù)(Atomic Force Microscope，AFM)獲取物質(zhì)三維表面形貌的測量技術(shù)因縱向分辨率高而在納米級表面測量領(lǐng)域得到較多應(yīng)用，但是卻有探頭易損壞、掃描范圍小、掃描速度慢等缺點(diǎn)?；谖恢妹舾刑綔y器(Position Sensitive Detector，PSD)光電探頭的表面輪廓測量技術(shù)的掃描范圍大

3、，可達(dá)到毫米級，但只有微米級縱向分辨率，無法得到表面細(xì)節(jié)信息。
　　 基于此，本文提出了將AFM探頭與PSD光電探頭相結(jié)合的三維表面輪廓測量新方法，并研制了雙探頭三維表面輪廓測量系統(tǒng)。這種方法克服了當(dāng)前表面形貌測量儀器在分辨率與測量范圍難以兼容的問題，初步實(shí)現(xiàn)了在同一開放式工作平臺進(jìn)行高精度表面形貌與大范圍輪廓的綜合測量。
　　 本文從系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)設(shè)計研制以及實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)三個方面對雙探頭三維表面輪廓測量系統(tǒng)進(jìn)行了

4、研究，主要的創(chuàng)新點(diǎn)及研究工作如下：
　　 首次提出了將AFM探頭與PSD光電探頭測量技術(shù)相結(jié)合的三維表面輪廓測量新方法。由本方法，可實(shí)現(xiàn)樣品在同一工作站中完成納米級表面形貌及輪廓的測量工作。
　　 研制開發(fā)了一套雙探頭三維表面輪廓測量系統(tǒng)。設(shè)計了雙探頭的工作模式；設(shè)計了二維電控掃描臺，設(shè)計了本測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案與光柵式電控掃描控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了時間最優(yōu)與成本最優(yōu)的掃描方法。
　　 基于測量系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計了功能

5、完善、界面友好、控制參數(shù)豐富的軟件系統(tǒng)。本軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從微米級掃描范圍到毫米級掃描范圍的有序銜接，并可實(shí)現(xiàn)高精度表面形貌測量控制、大范圍表面輪廓測量控制、圖像采集、圖像處理以及表面三維重建功能。
　　 利用本系統(tǒng)進(jìn)行了三維表面輪廓測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括AFM探頭測量范圍標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，PSD光電探頭的表面輪廓測量實(shí)驗(yàn)，包括零件、芯片、墊片等一系列樣品，最后，還進(jìn)行了大范圍表面輪廓測量和局部形貌測量綜合實(shí)驗(yàn)，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了系