[01144086]微纳表面结构双模式跨尺度高效测量关键技术及系统

随着先进制造技术（例如,超精密切削、飞秒激光加工、光刻、离子束和电子束加工等）的发展,微纳结构表面已广泛应用于集成电路、微机电系统（MEMS）、先进光学成像、激光全息防伪、光伏新能源、仿生制造、军事隐身等诸多领域,对相关高端功能实现和性能提升起重要作用。这些微纳结构几何特征测量、分析和评定,是其制造质量评价、控制和功能可靠保证的基础。然而,这些微纳结构尺度小、精度高,跨越毫米-微米-纳米尺度,给其精密测量和质量保证提出了新的挑战。 本项目在国家重大科学仪器设备开发专项（2011YQ160013）、国家自然科学基金仪器研制专项（50927502）、国家863重点项目课题（2008AA042409）、国家自然科学基金面上项目（51075169,51205147,51475192）等项目的支持下,围绕多样性应用领域微米尺度、纳米尺度、微纳米组合表面结构精密测量的广泛需求,创新性地将白光干涉术与原子力探针扫描术进行了共光路融合,提出了白光干涉原子力探针扫描测量原理与方法,以实现微纳表面结构的多模式跨尺度高效测量。本项目主要围绕微纳结构测量的跨尺度、可溯源、高效率和稳定高精度等四个核心关键问题开展研究,解决了现有微纳表面结构测量难以兼顾测量范围、测量分辨力和测量效率的难题。主要的技术突破点包括： 1)提出了将白光干涉术与原子力探针扫描术进行共光路融合,结合激光干涉位移计量形成二者基准坐标统一,实现白光干涉原子力探针扫描表面微纳结构多模式跨尺度高效测量的原理与方法,解决了微纳结构测量难以兼顾测量范围、分辨力和测量速度的难题。纳米尺度原子力探针测量垂直动态范围提升了10倍。 2)提出了结合高分辨垂直扫描激光干涉位移计量与白光干涉对被测表面和原子力探针定位的方法,实现了白光干涉原子力探针扫描微纳表面结构跨尺度测量系统的各种测量模式对于光波长的溯源,保证了测量系统的计量溯源特性。 3)提出了连续扫描动态曝光积分的白光干涉测量方法、面向针飞抑制的原子力探针动力学建模及表面形貌测量策略规划方法,及基于迟滞模型前馈控制的压电纳米二维工作台快速扫描方法等创新方法和技术,在光学轮廓仪模式下测量速度提升了10倍,在原子力探针扫描测量模式下测量速度提升了20%以上,显著提升了测量效率。 4)提出了白光干涉信号包络匹配和相位判别的高精度峰值定位算法、结合激光干涉计量的白光干涉扫描定位与原子力探针扫描测量实时全程标定技术、基于干涉质量评价的高精度表面拼接算法,以及基于阿贝补偿的工作台二维扫描平面度误差高精密补偿方法等创新方法和技术,保证了系统的测量精度和稳定性。 本项目共计申请发明专利32件,其中获授权发明专利25件;取得软件著作登记4项;发表SCI/EI收录论文40篇。德国先进三维测量技术领航者BMT公司技术总监Drexel博士等评价：“;提出的白光干涉信号包络匹配和相位判别的高精度峰值定位算法,是the most popular的方法”;;亚洲精密工程与纳米技术学会前会长范光照教授等评价：“;华中科技大学提出了一种novel的白光干涉原子力探针扫描探头,以用于纳米精度测量,与商业AFM相比,其测量速度提升了22%”;。 通过攻克系列关键技术,研制了具有我国自主知识产权的白光干涉原子探针扫描测量仪等系列微纳表面结构测量仪器,其横向动态范围达2000万:1,远超国内外同类商业仪器。所研制的仪器被纳入了由中国计量院组织的支持国际标准制定的微纳结构关键尺寸国际比对,并在领域内有影响力的企业和研究院所进行了应用,取得了显著的经济效益,为国家重大工程和前沿科研领域中微纳表面结构的跨尺度测量提供了技术保障。