精密測量中，對于正確評價測量不確定度的重要性，人們已經(jīng)取得了廣泛的共識。然而，作為要考慮溯源性的一方，產(chǎn)業(yè)界對于一般性測量評價方面的認識有所提高，而對于溯源性及不確定度的爭議仍在進行中。在長度和形狀測量方面，使用一般測量儀器進行長度測量時，其不確定度需要考慮以下因素：測量儀器具有的不確定度，校準后測量儀器的不確定度（包括作為校準基準的標準件），測量過程的不確定度，環(huán)境的影響（尤其是溫度的影響）等。對一般長度測量的不確定度進行評價是可能的，而且比較簡單。
不確定度的主要因素－確定方法
①測量儀器：重復性、標尺誤差等－JIS、制造商的技術(shù)規(guī)范
?、谛剩夯鶞?標準－校準證書；重復性－實驗
?、蹨y量：環(huán)境：溫度等－實驗、理論分析；重復性－實驗
本文針對納米測量和三維測量時不確定度的評價進行闡述。在進行納米測量時，如按表1對測量不確定度進行評價，作為校準基準的標準件就成為一個重要問題。因此在評價納米測量的不確定度時，需重點闡述納米標準件的建立和確定。而在進行三維測量時，測量步驟較復雜，必須考慮多種因素，取決于測量策略的不確定度評價十分重要。在考慮測量策略的情況下來確定三維測量的不確定度，關(guān)于這方面，本文將闡明有關(guān)ISO標準化的動向。
一、納米測量不確定度的評價
?。?）納米標準
納米測量對于半導體產(chǎn)業(yè)十分重要，產(chǎn)業(yè)界強烈要求確立納米測量的基準/標準。作為納米基準/標準，采用圖1所示一維的步距規(guī)、階規(guī)、線值規(guī)和二維的步距規(guī)等來確定并建立納米基準/標準。
與此相適應，針對用于建立納米基準/標準的測量機，各國提出了多種方案。NPL（英國標準研究所）研究開發(fā)了4種測量機，它們在納米標準的建立中起到了重要作用。其中用途最廣的是測長AFM（測長原子力顯微鏡）。測長AFM是組合了激光測長儀的原子力顯微鏡，各國都在進行開發(fā)。
NPL用于建立納米基準/標準的4種重要測量儀器：
①組合激光測長儀的表面粗糙度測量儀：NanoSurf
?、诮M合激光測長儀的原子力顯微鏡：計量型AFM
?、酃鈱W干涉儀和X射線干涉儀的組合：COXI
④高精度三坐標測量機：小型CMM
?。?）測長AFM的構(gòu)成
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所計量標準部開發(fā)的測長AFM具有當今世界最高性能。X、Y、Z各軸裝有激光干涉儀，利用光路反射和電氣細分，分辨力達到0.04nm。利用五面鏡將測量對象放置于工作臺上，由于不存在阿貝誤差，降低了儀器的測量不確定度。激光干涉儀與作為國家長度標準的碘穩(wěn)定化激光進行了比較，確保了溯源性。這樣對于檢測基準/標準而言，構(gòu)成了一臺完整的可溯源的測量機。
?。?）用測長AFM對步距規(guī)基準賦值
對于240nm步距規(guī)，激光干涉儀的非線性誤差是測長AFM儀器自身不確定度因素中最主要的因素。對于240nm步距規(guī)這種狹小測量范圍的測量對象而言，由于機構(gòu)上采用了五面鏡，避免了機構(gòu)誤差（如阿貝誤差等）這種大的不確定因素的影響。
用測長AFM測量240nm步距規(guī)時的不確定度主要因素：
不確定度主要因素－標準偏差
?、贉y量儀：干涉儀的非線性－0.12nm；干涉儀的分辨力－0.02nm；阿貝誤差－0.01nm
?、跍y量對象和測量操作：材料的不均勻性－0.09nm；測量的重復性－0.05nm
由于基準/標準件制造的離散性及場所不同，所造成的步距規(guī)基準/標準的不同一性成為除測量機以外的不確定度的一大因素。這在納米基準/標準中是一個典型問題。即使開發(fā)了很好的測量機，但由于測量對象的形狀偏差偏大或穩(wěn)定性太差，要給該基準/標準賦值也很困難。給240nm步距規(guī)基準/標準賦值的實例表明，其擴展不確定度可達到±0.04nm
?。?）關(guān)于納米測量不確定度的課題
有一個實例，在給70nm階差規(guī)基準/標準賦值時，因表面形貌狀態(tài)不好引起的不確定度超過1nm，占階差的1%還多，相當于100mm量塊的表面有1mm的凹凸不平。這表明在微米級測量時不必考慮的因素在納米級測量中將成為重大問題。
在納米測量中，通常先用納米基準/標準來校準掃描電子顯微鏡或一般的AFM，然后進行測量。在這種場合下，測量不確定度的評定是將納米基準/標準的不確定度與測量機以及測量操作的不確定度加起來進行評定。納米基準/標準的不確定度在其中所占的比例不小。
由此可見，在納米測量中，納米基準/標準是很重要的。今后在日本，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所為中心，準備日本的納米基準/標準是很重要的，實現(xiàn)高質(zhì)量基準/標準的自我供給是必要和不可缺少的。
三維測量不確定度的評定
?。?）三坐標測量機的高精度化
三坐標測量機用于測量三維形狀、尺寸等，為了實現(xiàn)測量的高精度化，首先有必要對三坐標測量機進行高精度校準。然后用經(jīng)過高精度校準的三坐標測量機進行三維測量時，為了確保其溯源性，有必要對測量不確定度進行評定。
如今在ISO/TC213/WG10（坐標測量機）標準中，已經(jīng)對三坐標測量機精度評定作了規(guī)定，并正在對測量不確定度的評定規(guī)范進行研討。
（2）三坐標測量機的運動精度
關(guān)于三坐標測量機的測量精度，根據(jù)日本JIS B7440-2的規(guī)定，在尺寸測量場合下，采用的指標為最大容許指示誤差MPEE。為了在大的溫度范圍和測量范圍內(nèi)獲得高的測量精度，采用了儀器運動精度計算機補償技術(shù)。
門式結(jié)構(gòu)三坐標測量機的運動精度狀況：將儀器整體作為一個剛體來考慮，評定其X、Y、Z各軸方向上的移動誤差和回轉(zhuǎn)誤差。首先考慮X軸，在Y軸和Z軸方向上的直線度和X軸的位置（標尺）誤差作為平動誤差，而扭擺、搖擺和滾擺誤差屬于轉(zhuǎn)動誤差。每個軸有著6種誤差、各軸之間的垂直度誤差共有3個，儀器包含的運動誤差有（3′6+3）共21種。
采用球板規(guī)來校準三坐標測量機的方法：采用反轉(zhuǎn)法預先對球板規(guī)各球的中心位置進行高精度測定賦值。通過在4個不同位置、6個方向上對球板規(guī)進行測量，就可以計算得出三坐標測量機的21項運動誤差。從球板規(guī)的性質(zhì)可知，推算時測量空間的間隔大，在測量空間之間的誤差采用多項式方式進行補充推算。
?。?）三坐標測量不確定度的評定
利用三坐標測量機進行測量時，為了確保溯源性，有必要對測量不確定度加以評估。測量不確定度的主要因素見表4。通過對各個誤差因素進行評價后，計算出測量不確定度是有必要的。
表4 三維測量的不確定度主要因素
①三坐標測量機的誤差：幾何誤差、重復性誤差；標尺分辨力；探測系統(tǒng)誤差；重復性誤差、方向性誤差
?、诃h(huán)境誤差：溫度的影響、振動的影響
?、蹨y量件：固定方法、操作方法；表面粗糙度、形狀誤差
④測量策略
三坐標測量機的測量特點是其測量策略。用三坐標測量機測量圖7所示工件的各個平面和圓柱面，通過計算求出平面法線與圓柱面軸線之間的夾角（此例中夾角為88.52°）。這是個簡單的測量實例。為了求得該夾角的不確定度，除了三坐標測量機本身的誤差因素外，測量點的位置、測量點的數(shù)目等測量策略也具有重大意義。
即使在同一臺三坐標測量機上對同一測量對象的內(nèi)孔直徑進行測量，在測量點均勻分布或不均勻分布、測量點數(shù)目不同的情況下，其測量結(jié)果的不確定度也不相同。
對于在考慮測量策略的情況下求取測量不確定度的方法，已經(jīng)提出了多種方案。在ISO15530文件中，主要采用了以下3種方法：
·比較測量法（替換法）
·計算機仿真法（計算機仿真，虛擬坐標測量機法）
·復數(shù)測量法（多次測量）
其中，計算機仿真法的應用最為廣泛。采用球板規(guī)或標準球?qū)θ鴺藴y量機以及探測系統(tǒng)的誤差進行評價，由計算機構(gòu)建三坐標測量機的誤差模型。在這個誤差模型中，由于誤差按統(tǒng)計紀錄，根據(jù)實際測量策略進行測量并存放于計算機中的統(tǒng)計誤差是能夠進行仿真的，利用蒙特卡羅仿真，推算出測量的不確定度。虛擬CMM法首先由德國標準研究所提出，此后NEDO設(shè)立課題，日本、德國、澳大利亞共同對此作了深入細致的研究。
（4）評定三坐標測量不確定度的課題
粗糙度測量儀、形狀測量儀、圖像測量儀等利用計算機進行復雜測量的測量儀已得到普及。與三坐標測量機一樣，這些測量儀器的校準方法和基于測量策略的不確定度計算方法具有重要作用。為此，我們期待采用計算機仿真來評定測量不確定度的方法能得到進一步的研究，并實現(xiàn)實用化。
結(jié)論
作為精密測量的課題，對納米測量和三維測量中測量不確定度的評定現(xiàn)狀進行了闡述。今后，對更高精度的復雜形狀進行高效測量變得更為重要。測量不確定度不僅是對測量結(jié)果的評價，而且從整體來講，對于考慮測量成本、構(gòu)建測量效率更高的測量系統(tǒng)也是重要的。
提供經(jīng)高精度賦值的基準/標準件，研究針對復雜測量不確定度的、更為精確的計算機仿真評價技術(shù)，并實現(xiàn)實用化，這些都是今后精密測量領(lǐng)域內(nèi)的重要課題。
（轉(zhuǎn)載）
