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原文传递一种超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统及测量方法

专利名称：	一种超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统及测量方法
摘要：	本发明的超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统，包括XY轴位移调节平台、Z轴位移调节平台、角度调节平台、扫描探针、激励源、锁相放大器及上位机；角度调节平台设于Z轴位移调节平台上，XY轴位移调节平台的上方和角度调节平台的下方分别固定压电晶片一和压电晶片二，样品固定于压电晶片一上，扫描探针固定于压电晶片二上；激励源的两个输出端分别与压电晶片一和压电晶片二连接，扫描探针与样品携带的弹性波和倏逝波相互作用后的信号连接于锁相放大器的输入端、扫描探针的振动频率与样品的振动频率相互作用后的参考频率连接于锁相放大器的参考端，锁相放大器的输出端连接至上位机。实现了对超精密元件亚表面维纳尺寸缺陷三维形态特征的高精度测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	陈远流;谭鹏;赵冉;居冰峰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910393584.6
公开号：	CN110133108A
代理机构：	杭州宇信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	刘艳艳
分类号：	G01N29/06(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统，其特征在于，包括位移调节平台、角度调节平台（3）、扫描探针（4）、激励源（5）、锁相放大器（6）及上位机（7）；所述位移调节平台包括用于对样品（8）进行平面扫描的XY轴位移调节平台（1）和用于对扫描探针（4）进行高度调节的Z轴位移调节平台（2），角度调节平台（3）设置于Z轴位移调节平台（2）上，XY轴位移调节平台（1）的上方和角度调节平台（3）的下方分别固定有压电晶片一（9）和压电晶片二（10），样品（8）固定于压电晶片一（9）上，扫描探针（4）的上端固定于压电晶片二（10）上；激励源（5）的两个输出端分别与压电晶片一（9）和压电晶片二（10）连接，扫描探针（4）与样品（8）携带的弹性波和倏逝波相互作用后的信号连接于锁相放大器（6）的输入端、扫描探针（4）的振动频率与样品（8）的振动频率相互作用后的参考频率连接于锁相放大器（6）的参考端，锁相放大器（6）的输出端连接至上位机（7）。 2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述XY轴位移调节平台（1）在X方向和Y方向上的行程均为100mm，分辨率为1nm；所述Z轴位移调节平台（2）的行程为100mm，分辨率为1nm；所述角度调节平台（3）的旋转和俯仰两个方向上的分辨率均为1″。 3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述扫描探针（4）为基于石英晶体的扫描探针，其长径比为200:1，尖端直径为70nm。 4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述激励源（5）为信号发生器；所述样品（8）为单晶硅、单晶锗或蓝宝石制成的光学元件。 5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤： S1、调节XY轴位移调节平台（1）和Z轴位移调节平台（2）的位置，使扫描探针（4）能检测到样品（8）的散射波和倏逝波的扰动； S2、通过激励源（5）分别对压电晶片二（10）和压电晶片一（9）施加频率为和的正弦信号，进行声场激励； S3、在扫描探针（4）的振动频率和样品（8）的振动频率的情况下，进行逐点采样； S4、通过逐点采样，获得整个样品（8）不同深度的二维特征信息，通过去噪处理获得无层间衬底噪声的超声信号； S5、将去噪后的二维特征信息进行亚表面缺陷三维形态特征的重构。 6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述逐点采样具体包括： S3.1、调节扫描探针（4）的下端距离样品（8）上表面的高度为h1，在该高度h1下的某个采样点，改变扫描探针（4）的角度采集该采样点位置不同角度下的数据； S3.2、使样品（8）平移距离s使得扫描探针（4）对准下一个采样点，再改变扫描探针（4）的角度采集该采样点位置不同角度下的数据； S3.3、按照步骤S3.2依次使样品（8）平移距离s，平移的范围最大不超过XY轴位移调节平台（1）在X和Y方向上的行程，得到高度h1下各采样点位置的不同角度下的数据； S3.4、使Z轴位移调节平台（2）移动高度h，使扫描探针（4）的下端距离样品（8）上表面的高度为h2，在该高度h2下，通过对样品（8）平移和改变扫描探针（4）的角度，得到高度h2下各采样点位置的不同角度下的数据； S3.5、按照步骤S3.4依次使Z轴位移调节平台（2）移动高度h，最后使扫描探针（4）的下端距离样品（8）上表面的高度为hn，在该高度hn下，通过对样品（8）平移和改变扫描探针（4）的角度，得到高度hn下各采样点位置的不同角度下的数据；通过上述步骤依次采集不同高度下各采样点位置的不同角度下的数据，完成对整个样品的多高度、多点、多角度采样。 7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述s取值为0.1μm；扫描探针（4）与垂直方向的夹角最大不超过30°，每个采样点位置对扫描探针（4）每改变1°采集一次数据；所述h取值为0.1μm。 8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述逐点采样过程中，通过预测控制算法实现扫描探针（4）的空间调制与平面扫描的之间的速度匹配。 9.根据权利要求5或6或7所述的测量方法，其特征在于，步骤S4中，所述去噪处理具体包括：收集不同层间的扫描探针信号；通过对信号进行傅里叶变换、自相关或互相关信号处理，得到信号中的频率成分；认定信号中相同的高频成分为层间衬底噪声；消除相同的高频成分以消除层间衬底噪声。 10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S5中，三维形态特征的重构具体包括：将扫描探针（4）的位姿与该位姿下的超声信号关联起来；通过对比不同位置下超声信号的频率和幅度信息，判断出缺陷的二维尺寸；将多个缺陷的二维尺寸信息拼合，获得包括深度和尺寸的三维形态特征信息。
所属类别：	发明专利