隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）器件向微型化、高深寬比發(fā)展，其內(nèi)部微細(xì)臺階結(jié)構(gòu)的精確測量成為保障器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有測量手段面臨兩難選擇：非接觸式方法（如光學(xué)干涉、原子力顯微鏡）往往設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜或?qū)悠酚刑囟ㄏ拗?；而傳統(tǒng)接觸式臺階儀雖簡單可靠，但其探針測量力較大，易劃傷MEMS中常見的軟質(zhì)材料（如硅片），Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究提出并實現(xiàn)了一套經(jīng)濟實用的解決方案。核心在于設(shè)計了一種基于變截面薄片簧回轉(zhuǎn)支撐的新型微力電感測頭，從根源上實現(xiàn)了無摩擦、小測量力（約0.5mN）的接觸式探測。圍繞此測頭，通過仿真驗證設(shè)計，系統(tǒng)測試確認(rèn)其優(yōu)異靜態(tài)性能（線性度約0.16%，分辨率約0.005μm），并構(gòu)建了完整的測量系統(tǒng)。針對系統(tǒng)集成中步進電機引發(fā)的振動與偏心力干擾，提出了有效的軟硬件抑制措施，最終通過標(biāo)準(zhǔn)樣塊與實際硅片測試，驗證了該系統(tǒng)在實現(xiàn)高精度測量的同時，能有效保護工件表面，滿足了當(dāng)前微細(xì)臺階結(jié)構(gòu)的測量需求。

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微機電臺階儀測頭設(shè)計

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電感傳感器工作原理

螺管型

重點研究了螺管型電感傳感器，對比了單線圈與差動式結(jié)構(gòu)。差動式結(jié)構(gòu)在靈敏度、線性度及抗干擾能力方面更優(yōu)，故被選用。

電感測頭理論設(shè)計

左：測頭結(jié)構(gòu)示意圖；右：變截面薄片簧結(jié)構(gòu)示意圖

核心創(chuàng)新在于采用變截面薄片簧作為測桿機構(gòu)的回轉(zhuǎn)支撐，替代傳統(tǒng)摩擦副，實現(xiàn)無磨損和微測量力。

方案與材料：設(shè)計了水平布局測頭，片簧選用Ni42CrTi恒彈性合金。

片簧設(shè)計：基于柔性鉸鏈理論計算，確定了片簧幾何參數(shù)（長1 mm，中心厚0.05 mm，寬2 mm），并進行了強度校核。

測桿機構(gòu)設(shè)計：建立了機構(gòu)運動方程，計算了系統(tǒng)固有頻率（33.01 Hz）和測量力變化率（1.42 N/m）。

壓簧設(shè)計：設(shè)計了鉸青銅壓簧，確保觸針接觸并控制測量力變化。

測桿機構(gòu)的仿真分析

測桿機構(gòu)受力示意圖

利用ANSYS進行有限元分析，仿真得到的測量力-位移關(guān)系線性良好，測量力變化率為1.33 N/m，一階固有頻率為34.634 Hz，與理論值吻合，驗證了設(shè)計正確性。

電感測頭的測量力測試

電感測頭整體設(shè)計圖

測量力測量裝置

實測最大測量力約為0.5mN，測量力變化率為1.25N/m。實測值與理論值、仿真值的誤差較小，證明設(shè)計與仿真方法可靠。

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電感測頭的測試

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搭建測試平臺，對測頭進行系統(tǒng)性能評估。

線性度：三個量程檔（±193μm， ±33μm， ±3.5μm）的線性度分別為0.16%、0.096%和0.10%。

靈敏度與分辨率：最高靈敏度達(dá)1428 mV/μm，系統(tǒng)實際分辨率約0.005μm。

穩(wěn)定性：60分鐘零點漂移小于0.081μm（中檔）。

重復(fù)精度：優(yōu)于0.12% F.S.。

標(biāo)定：使用高精度光柵長度計進行標(biāo)定，建立了電壓-位移的線性擬合關(guān)系。

測試表明，該測頭靜態(tài)性能良好，滿足精密測量要求。

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微機電臺階儀系統(tǒng)設(shè)計

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測量原理與系統(tǒng)搭建

臺階儀系統(tǒng)組成簡圖

系統(tǒng)基于接觸式掃描原理，硬件包括自制電感測頭、步進電機驅(qū)動的精密絲杠導(dǎo)軌平臺、信號處理電路、A/D采集卡、CCD觀測系統(tǒng)及PC控制主機。

振動問題分析與抑制

振動主要源于步進電機。采取的綜合抑制措施包括：選用混合式電機并采用細(xì)分驅(qū)動；測頭調(diào)零后使豎直電機斷電；水平電機與絲杠間用軟軸連接并加裝減振墊；電源加裝濾波器。措施實施后，測量噪聲從0.075μm顯著降低至0.02μm。

偏心力問題分析與抑制

信號處理電路簡圖

偏心力源于傳動鏈的同軸度誤差，會導(dǎo)致測量曲線周期性失真。通過提高裝配精度、改進工作臺與滑塊的連接方式（采用銷連接并增設(shè)導(dǎo)塊和拉簧）、使用軟軸傳遞扭矩等措施，有效消除了偏心力對測量的影響。

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數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)測試軟件

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數(shù)據(jù)處理與誤差分析

針對采樣數(shù)據(jù)中的隨機噪聲，對比了多種數(shù)字濾波算法，最終選用改進的中值平均濾波法（N=20，兩層），在有效濾噪的同時保證了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

控制軟件設(shè)計

基于C++ Builder開發(fā)了集成化軟件，包含主控制模塊（量程選擇、電機控制、實時數(shù)據(jù)顯示與CCD觀測）、數(shù)據(jù)處理模塊（濾波、去趨勢、參數(shù)提?。┖?/span>標(biāo)定模塊，界面友好，操作便捷。

系統(tǒng)實物測試

對15 μm標(biāo)準(zhǔn)單刻線樣板和刻有1.2 μm槽的硅片進行實測，結(jié)果分別為15.105μm和1.205μm，測量準(zhǔn)確且未損傷硅片表面，驗證了系統(tǒng)實用性。

本研究成功研制了一套測量力小、精度可靠的微機電臺階測量儀系統(tǒng)。主要貢獻在于：設(shè)計了基于變截面片簧的微力電感測頭；通過仿真與實驗驗證了設(shè)計；構(gòu)建了完整測量系統(tǒng)并有效解決了振動與偏心力干擾；開發(fā)了配套控制軟件。未來工作可圍繞以下方面展開：進一步優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)以徹底隔離振動；改進CCD調(diào)焦機構(gòu)；擴展平臺行程；增加位置反饋；拓展軟件功能（如表面粗糙度測量）。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。