复合测头的表面特征尺寸检测方法与技术研究

The surface quality inspection and measurement are the core foundation of advanced manufacturing technology and key issues. With the development of super finishing and nano-manufacturing the requirement of multi-scale integration measurement for surface quality become more higher, and it would raise some new challenges to the existing methods and technology. The project would carry out the research of dual-frequency laser heterodyne interferometry technology, micro-probe scanning for the surface characteristics,the edge localization with second harmonic and so on. At the same time some studies would be done in this project, including exploring the surface forming mechanism, study on the key issues in the detection of multi-scale surface featuresm, constructing a contact model between probe and sample for edge localization,proposing a method of imaging position through the second harmonic signal,analysis on the key measurement methods for the morphology and feature size with the integration of dual-frequency laser heterodyne interferometry and micro probe scanning, study on visual data processing technology and digital three-dimensional re-construction, at last building an experimental system for surface quality measurement based on multi-scale integrated dual-frequency laser heterodyne interferometry and scanning probe. The project would provide some technical assurances and theoretical foundation for high-quality ultra-fine surface finish.

表面质量检测与评价是制造技术的核心基础与关键。先进制造及纳米制造发展对加工及表面质量的不同尺度一体化检测要求越来越高，对现有检测方法与技术提出了新挑战。本项目将开展双频激光干涉、微探针扫描探测、二次谐波边界探测、快速预置点设置、多参量神经网络分析等关键技术与方法研究；探究表面轮廓特征成型机理，设计光探针与扫描探针复合探测头，研究不同尺度特征一体化测量关键技术与方法；采用扫描探针与样品接触模型进行仿真计算与实验验证边界定位的高度阈值参量；探索基于双频激光干涉与扫描探针探测的表面特征尺寸检测新方法；分析微探针敲击模式与二次及高阶谐波规律，探索工作预置点快速定位方法；基于 BP网络分类提取表面轮廓多尺度多特征参数及数据可视化；构建基于双频激光干涉、微探针探测、压电扫描与神经网络处理的表面轮廓参数集成一体化检测系统，实现高效率检测与测量便携化，为表面质量分析提供测量评价手段。

电子产业高集成度和高性能发展，技术进步需要越来越多的超精表面。随着制造尺度永不停息地朝着微小化方向发展，超精表面特征尺寸检测越来越引起人们关注，对精密测量技术与仪器提出了更高要求。我们建立了双频干涉扫描探针技术相结合的复合测头表面特征尺寸检测系统。主要由双频干涉扫描探针检测系统、样品扫描成像与特征尺寸检测系统、三维扫描台扫描控制系统等组成。.研究了双频干涉与扫描探针两者技术优势来测量纵向位移变化。采用外差干涉与相位测量技术，系统纵向位移分辨率优于纳米级。采用压电陶瓷驱动、柔性铰链和电容反馈技术实现扫描台位移测量，横向位移分辨率可达纳米尺度。对相位检测数据进行快速傅立叶变换、带通滤波等处理，提高系统测量稳定性和抗外界环境干扰能力。实验结果表明，在普通实验室条件下，1.5小时之内系统探针振幅漂移优于0.98nm。检测系统可满足复合测头表面特征尺寸检测基本要求。.建立探针敲击样品数学模型，有限元分析探针振动、高阶谐波产生。数值计算与实验测试研究探针基频、高阶谐波振幅变化与探针至样品间距离变化的关系。分析表明：谐波振幅变化反映探针与样品接触程度，探针振幅变化可表征样品形貌轮廓。基于上述分析，使用研制的探针检测机构测试基频、二次谐波信号振动性能，提出探针二次谐波预置点（成像工作点）设置方法。该方法具有稳定性好、抗干扰能力强等特点。同时，提出检测系统扫描成像与特征尺寸检测方法。采用双频干涉扫描探针振幅变化表征样品纵向起伏，利用三维扫描台控制样品横向位移进行扫描成像，以及用图像检测技术对扫描图像进行边缘检测与特征尺寸计算。.利用建立的复合测头表面特征尺寸检测系统，对SPM标准样品和光栅样品等多种不同尺寸样品进行扫描成像并与样品特征周期实验对比。结果表明，不同尺寸样品周期测量值与其标称值比较，测量结果与标称值吻合，从而验证了系统可行性。