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1、几何量微纳米级精密测量技术 研究的若干新进展叶孝佑 高思田 2006-09-12 中国计量测试学会几何量专业委员会2006年年会论文报告中国计量科学研究院长度所1报告提纲v前言v一维微纳米级长度尺寸测量v二维微纳米级坐标测量 v微型坐标测量机 v纳米尺度计量 v结束语中国计量科学研究院长度所2前言v20世纪末至21世纪初，精密、超精密制造（加工 ）的精度水平向微米和纳米级发展。发达国家的 计量院对基标准的研究是长期和连续不断的，而 且投入很大，如美国的标准与技术研究院（ NIST ）、英国的物理研究所（NPL）和德国的物理技 术研究院（PTB）。在亚洲，日本的NIMJ、韩国 的KRISS近几年
2、在微纳米测量技术研究方面发展 也非常迅速，步入了世界先进水平行列。在我国 ，中国计量科学研究院一直坚持不断地研究，近 年来取得的一些科研成果也达到了世界先进水平 。 中国计量科学研究院长度所31. 一维微纳米级长度尺寸测量v在集成电路工业领域，由于在一片光学掩膜板上集成的电 路越来越多，需要研究其几何特性，因此必须提升长度测 量系统的不确定度，目前，对7掩膜板的结构距离测量 的重复性达到了3 nm，溯源到长度单位的不确定度水平达 到的电路制造水平约30nm。v在机械工程领域，对长度测量系统不确定度的要求越来越 高，特别是在长度测量系统中对短周期长度测量偏差的不 确定度要求更高（例如，对光栅尺的
3、测量）。 中国计量科学研究院长度所41. 一维微纳米级长度尺寸测量v德国：PTB一维纳米比长仪 德国：PTB测量范围：610 mm。测量不确定度：线纹尺：Uaim 5 nm，光学掩膜板长度： Uaim 5 nm，线性光栅编码器：Uaim 3 nm，激光干涉仪：Uaim 2 nm。指标：中国计量科学研究院长度所51. 一维微纳米级长度尺寸测量v中国：中国计量科学研究院F-P 拍频激光干涉仪 测量范围3m， 分辨率优于0.5nm ，测量不确定度 3nm。 中国计量科学研究院长度所62. 二维微纳米级坐标测量v 为了解决在集成电路、仪表、机械制造、塑胶等工业测量中广泛应用的v非接触坐标测量机及测量显
4、微镜的校准和溯源，工业发达国家在近十年v来纷纷研制了高精度二维线纹标准器及其标准装置，其测量范围达到v600mm600mm，测量不确定度达到10300nm。与一维微纳米级长度尺v寸测量相比，其引用的关键技术除了上述的激光测长和瞄准定位外，还v需要考虑进行两维测量的平面参考镜的制造测量和安装调整。平面参考v镜的直线度、平面度和两个平面镜正交性是主要的测量误差来源。 中国计量科学研究院长度所72. 二维微纳米级坐标测量v德国PTB:v 二维微纳米级坐标测 量装置v测量范围 : 280 mm 280 mm v测量不确定度: 35nm（3） v 扫描电镜头定位的二 维测量系统 v测量范围 : 300
5、mm 300 mm v测量不确定度: 5nm 中国计量科学研究院长度所82. 二维微纳米级坐标测量v 瑞士METAS研制的掩膜板测量仪v用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到 400mm300mm。仪器由具有空气轴承的XY位 移台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位 移台的位置，用数字视频显微镜系统瞄准定 位，对于短周期的测量重复性3nm(1)。 中国计量科学研究院长度所92. 二维微纳米级坐标测量v韩国计量院（KRISS）二维微纳米级坐标测量装置结构与德国PTB的Leica LMS 2020类似，使用激光干涉仪测长 ，原子力显微镜（AFM）的测 量头瞄准定位，其单轴位移测量 不确定度为10nm
6、，测量范围为 200mm200mm。中国计量科学研究院长度所102. 二维微纳米级坐标测量v瑞士METAS研制的掩膜板测量仪v用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到400mm300mm。仪器由具 有空气轴承的XY位移台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移台的 位置，用数字视频显微镜系统瞄准定位，对于短周期的测量重复性 3nm(1)。v美国NIST和英国NPL v 研制了用于在掩膜板表面结构测量的装置，其测量不确定度20nmv中国计量科学研究院正在启动研制的激光两坐标测量装置 v 测量范围 : v 350mm350mm v 此处安装瞄准定位 系统被测件大理石平台激光束固定桥中国计量科学研究院长度
7、所113. 微型坐标测量机v主要用于测量超精密、极小零部件v涉及的应用范围有：v 精密机械方面：v 微电机、精密轴承、导向系统、手表、微型机电系统（MEMS） ；v 光学工程方面：v 光学零件测量；v 其他领域：v 医学领域的镶牙技术、输液细管；如整形技术、模具制造、汽车自 动加油器、磁盘驱动器的基板部件、半导体器件封装等。中国计量科学研究院长度所12微型坐标测量机的关键技术v主要是框架结构设计和测头设计。v在框架结构设计中主要考虑以下几方面：械 机构的热稳定性、测量中结构变形的影响最 小、最小阿贝误差、好的坐标参考点、足够 的硬度等。v在测头设计中主要考虑以下几方面：小半径 、小探针、高硬度
8、、低测力、低运动质量、 高稳定性、高分辨力和低噪声等。 中国计量科学研究院长度所13国家计量院中的 微型坐标测量机v英国NPL高精度微型CMM测量范围：50 mm 50 mm 50 mm； 测量不确定度：50100 nm；采用Leitz CMM 的运动控制和CNC编程和数据分 析系统；计量型框架结构。六轴外差激光干涉仪测量系统；微型 3D测头：测针直径0.5mm或1mm， 测头内嵌三个电容传感器，其X、Y、 Z 测量范围为 20m 。 中国计量科学研究院长度所14国家计量院中的 微型坐标测量机v德国PTB高精度微型CMM测量范围：25 mm40 mm25 mm；3D测量 不确定度100 nm；
9、具有三个CMM的高分辨 力（10nm）光栅尺和改进的空气轴承；计量 型框架结构；光学坐标测量系统；触觉微型 测头：光纤测头直径0.025mm，3D微型Boss 测头测针直径为0.5mm，X、Y测量范围为 20m；Z测量范围为5m 。 3D微型Boss测头 中国计量科学研究院长度所15国家计量院中的 微型坐标测量机v瑞士METAS高精度微型CMM测量范围：90 mm90 mm38 mm； 测量不确定度为50 nm。使用三个激光 干涉仪测量X、Y、Z位移；计量型框 架结构；3D接触微型测头：测针直径 为0.1mm0.8mm；测量力0.5mN。电感传感器测量范围为 200m； 3D接触微型测头 中国
10、计量科学研究院长度所16国家计量院中的 微型坐标测量机v美国NIST正在研发中的先进CMM测头技术 v它是一种接触型光纤测头，其测量范围 100m、测量力0.5mN、测量不确定度 100 nm(K=2)。 中国计量科学研究院长度所17商品化的微型坐标测量机 v日本三丰（Mitutoyo）公司微形状测量系统 NANOCORD 测量范围：300 mm 300 mm 100 mm；测量不 确定度：U (XY)= (0.3+2L/1000) m； 分辨力1nm；两种类型的测头：超小和超精密型 （UMAP）和大范围纳米型（LNP），UMAP测 头用于小范围测量，LNP测头用于大范围扫描测 量，如测量轮廓
11、、台阶和坐标， Z轴最大测量角 为40。UMAP测头的技术指标：测量力1N，测针直径15m、重复性0.1m(K=3)。LNP测头的技术指 标：测量范围20 mm，分辨力0.25nm，示值精度 (0.05+0.1H/20) m，其中H为高度(mm)，测量力 10750N，2m钻石尖测针，红宝石球半径 0.15mm。 特殊型测头 中国计量科学研究院长度所18商品化的微型坐标测量机vISARA，IBS精密工程公司超精密micro CMM 测量范围：100 mm 100 mm 40 mm；X 、Y向的测量不确定度为15 nm，Z向的测量 不确定度为25 nm。它采用测头固定、工作 台运动的测量方式；3
12、D的阿贝误差采用平 面镜干涉仪进行修正；在距离、直径、光 学非球面轮廓等测量中有单点测量和扫描 测量两种方式。测头1由硅片、张力规、平 行片簧机构构成；测头直径500m，硬度 100N/m，运动质量20mg，分辨力1nm。测 头2由平行片簧、电容传感器测量系统构成 ；测头直径300m，硬度10N/m，运动质量 370mg，分辨力3nm。 两种测头 中国计量科学研究院长度所19商品化的微型坐标测量机v德国Carl Zeiss公司F25精密CMM 测量范围：100 mm 100 mm 100 mm；测量 不确定度为250 nm。配备有视觉测头和接触测 头，视觉测头可进行二维和台阶高测量，接触 测头
13、可进行3D测量，在距离、直径、光学非球 面轮廓等测量中有单点测量和扫描测量两种方 式。接触测头在一个薄膜硅芯片上集成有压阻 元件，测量力500N、测针针尖120m、有单 点和扫描方式两种方式。视觉测头有13倍的放 大率，15mm 的工作距离，探测容差0.4m。 中国计量科学研究院长度所204.纳米尺度计量 v目前众多的国家计量院，如美国的NIST、德国的PTB、英国的NPL、瑞士的METAS、韩国的KRISS、加拿大的ARC、日本的NMIJ、中国的NIM、新加坡的SPRING等，都在持续不断地研究并开展如下领域的工作：1）表面特征的测量服务：以触针扫描（纳米表面轮廓）和扫描探针显微镜（SPM）
14、为基础的线宽和台阶高度的测量；2）校准SPM：用测量标准器（衍射光栅）、激光干涉仪或纳米级的位移传感器校准测量位置；3）校准纳米位移传感器，如压电传感器（PZT）、电容传感器和电感传感器等；4）掩膜板计量；5）研发计量标准器。 中国计量科学研究院长度所214.纳米尺度计量v美国NIST的分子测量机 在测量范围为50 mm 50 mm的任意区域内定位精度达到纳米量级，它集成了许多前沿技术，例如原子分辨力的扫描测头，可进行位移测量的超高精度干涉仪，纳米级精密位移发生器以及振动隔离系统。其在5 mm 5 mm的区域内测量平均线间隔为212.69nm的一维光栅的标准测量不确定度为0.03nm 。在10
15、mm的范围内测量一块平均线间隔为200.011nm的光栅，连续测量了49996条线，这块光栅作为X射线分光仪的参考标准被美国宇航局（NASA）使用。 中国计量科学研究院长度所224.纳米尺度计量v德国PTB在纳米尺度计量方面的研究 v计量型原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）、激光共焦 显微镜、电光计量系统(EOMS)、激光干涉仪与X射线干涉仪相结合的 测量系统（COXI）；v可开展大规模集成电路样板（台阶高度、线宽、线间隔、膜层厚度） 、掩膜板、显微硬度压痕等标准器的检测和溯源服务；测量不确定度为140nm 中国计量科学研究院长度所234.纳米尺度计量v韩国KRISS在纳米尺度计量方面的研究 v将具有计量型原子力显微镜（AFM）的激光干涉仪与X射线干涉仪相结 合以提高测量分辨力，使用具有两个激光波长（=488 nm、325 nm） 的激光衍射装置测量光栅间距；v可进行微粒尺寸测量；v采用光学显微镜、激光散射测量装置和透射
