高端表面测量系列仪器研究与开发

作者:卢文龙       发布于:2015-12-31 10:01:00       浏览次数:2557次

《机械学院科研进展简报》2015年第8期(总第18期) 

编辑:科研管理科 日期:2015年12月25日

1.立项意义

表面形貌是高端制造产品和科学研究样件的重要几何特征,影响其摩擦、磨损、润滑、疲劳、密封、配合性质、黏附性、抗腐蚀性、导电性、导热性、反射性能、信息存储性能和其他功能特性。表面形貌测量、分析和评定,是制造产品质量表征的重要环节和质量控制与功能可靠保证的前提,是科研领域基于表面形态了解进行相关因素分析的基础。

随着科学研究和先进制造技术的发展,表面形貌越来越多样化,由传统工程表面发展到科学表面,由平滑表面发展到结构性表面,由简单几何表面发展到自由曲面,由毫米微米尺度形貌发展到纳米尺度形貌,精度要求也越来越高。表面形貌的多样化发展,需要适应其质量、制造工艺和功能分析的高端表面形貌测量仪器。

本项目针对先进制造与科研领域多样化表面形貌测量分析不断提高的现实需要,深入研究了表面形貌的先进测量分析方法和关键技术,开发系列高端表面形貌测量仪器,包括大范围触针扫描表面形貌综合测量仪、白光干涉光学轮廓仪、可溯源原子力探针扫描显微镜,对于满足我国先进制造、IC、MEMS、光学、材料、信息、生物医学等重点领域的表面形貌与结构的测量分析需要,具有重要意义。同时,对于提高我国表面形貌测试计量仪器的水平,改变国外在高端表面形貌仪器领域的垄断现状,具有重要意义。本项目获得国家重大科学仪器设备开发专项支持。

2.技术创新

1)提出了一种基于宽带光显微干涉和纳米探针扫描相结合的超精密表面形貌/结构测量新方法

 

图1 宽带光显微干涉和纳米探针扫描相结合的超精密表面形貌/结构测量原理图

基于宽带光显微干涉和纳米探针扫描相结合的超精密表面形貌/结构测量新方法原理如图1所示。该方法克服了国际上现有原子力显微镜易受背景光强干扰、无计量溯源等缺点,具有国际创新性。

2)提出了一种基于SIFT特征匹配与噪声辨识及其影响抑制的高精度三维图像拼接算法

图2 三维自动拼接技术流程

白光显微干涉测量视场小,对于科学表面结构性功能特征而言,获得的单幅测量结果不能实现对表面功能质量的分析、评价,必须辅助拼接技术。本项目提出一种将白光垂直扫描测量原理与SIFT特征匹配算法相融合,结合噪声辨识及其影响抑制技术,实现MEMS微结构的高精度三维自动拼接,拼接流程如图2所示。

3)提出了大范围表面结构连续垂直扫描白光干涉快速测量原理及重建算法

提出光积分相移干涉测量原理,及基于白光极值判定与相移干涉技术结合的表面高速重建算法,实现大范围表面结构连续垂直扫描白光干涉快速测量。

 

图3 极值判定与相移干涉技术结合的大范围表面高速测量与重建算法原理

4)针对大范围触针仪器的非线性问题,提出了一种多源误差复合的非线性误差补偿模型及非均匀插值重采样技术

 

图4 非线性误差补偿

围绕测量探针在大量程测量过程中存在严重的非线性误差问题,提出了一种多源误差复合的非线性误差补偿模型。根据所提出的非线性误差补偿模型,对采样数据非均匀插值,有效减小了仪器非线性误差,显著提高了其测量精度。

5)针对高深宽比纳米结构对可溯源原子力仪器纳米探针的需求,提出了一种基于动态电化学腐蚀原理实现大长径比纳米探针的制备工艺

基于所提出的大长径比纳米探针制备工艺,设计了纳米探针制备装置,并实验得到最优制备工艺参数。

6)提出了一种基于GP-GPU的表面形貌/结构功能算法的并行高速实现

围绕纳米精度表面三维形貌/结构分析中需要处理的数据量大(基于宽带光显微干涉原理的大范围高精度垂直扫描测量需要几千幅图,且每幅图有上百万个点)而导致的功能算法执行速度慢的问题,提出了一种基于计算统一设备构架(CUDA)、在GP-GPU上对功能算法实现高速并行处理的方法,其加速比与CPU串行处理方法相比可提高40倍以上,有效提高了系统的测量数据分析效率。

7)开发了表面形貌/结构测量软件工具箱

表面形貌/结构测量软件工具箱包括系列仪器测量功能软件,和丰富的、针对不同特征的表面分析、参数评定工具模块。

3. 研发成果情况

项目已完成了3个品种4个型号系列仪器的开发工作(如图5~8),具有我国自主知识产权,目前已在数控加工、IC、MEMS等领域得到应用。项目共申请国家发明专利12项,已授权6项,获软件著作权3项。

图5 大范围触针扫描表面形貌综合测量仪

 

图6 可溯源原子力探针扫描显微镜

 

图7 白光干涉光学轮廓仪A型

 

图8 白光干涉光学轮廓仪B型

所开发的系列仪器已服务于上海微电子装备有限公司、香港理工大学、武汉国家光电实验室(筹)、复旦大学、华中科技大学等单位的相关科研活动(如图9)。

 

(a)  二维光栅测量结果

 

(b)  MEMS微电机表面结构测量结果

 

(c)  单刻线样板测量结果

 

(d)  多刻线样板测量结果

 

(e)  光刻结构测量结果

  

(f)  铣削和车削表面测量结果

 

(g)  微镜阵列表面测量结果

图9 系列仪器表面形貌与结构测量应用示例

 

(供稿:卢文龙)