用于納米級表面形貌測量的光學顯微測頭

李強，任冬梅，蘭一兵，李華豐，萬宇

（航空工業北京長城計量測試技術研究所計量與校準技術重點實驗室，北京 100095）

0 引言

隨著超精密加工技術的發展和各種微納結構的廣泛應用，納米三坐標測量機等精密測量儀器受到了重點關注。國內外一些研究機構研究開發了納米測量機，并開展微納結構測量［1-4］。作為一個高精度開放型測量平臺，納米測量機可以兼容各種不同原理的接觸式測頭和非接觸式測頭［5-6］。測頭作為納米測量機的核心部件之一，在實現微納結構幾何參數的高精度測量中發揮著重要作用。原子力顯微鏡等高分辨力測頭的出現，使得納米測量機能夠實現復雜微納結構的高精度測量［7-8］，但由于其測量速度較慢，對測量環境要求很高，不適用于大范圍快速測量。而光學測頭從原理上可以提高掃描測量速度，同時作為一種非接觸式測頭，還可以避免損傷樣品表面，因此，在微納米表面形貌測量中有其獨特優勢。在光學測頭研制中，激光聚焦法受到國內外研究者的青睞，德國SIOS 公司生產的納米測量機就包含一種基于光學像散原理的激光聚焦式光學測頭，國內也有一些大學和研究機構開展了此方面的研究［9-11］。這些測頭主要基于像散和差動光斑尺寸變化檢測原理進行離焦檢測［12-13］。在CD和DVD播放器系統中常用的激光全息單元已應用于微位移測量［14-15］，其在納米測量機光學測頭的研制中也具有較好的實用價值。針對納米級表面形貌的測量需求，本文研制了一種基于激光全息單元的高分辨力光學顯微測頭，應用于自主研制的納米三維測量機，可實現被測樣品的快速瞄準和測量。

1 激光全息單元的工作原理

激光全息單元是由半導體激光器（LD）、全息光學元件（HOE）、光電探測器（PD）和信號處理電路集成的一個元件，最早應用于CD 和DVD 播放器系統中，用來讀取光盤信息并實時檢測光盤的焦點誤差，其工作原理如圖1 所示。LD 發出激光束，在出射光窗口處有一個透明塑料部件，其內表面為直線條紋光柵，外表面為曲線條紋全息光柵，兩組光柵相互交叉，外表面光柵用于產生焦點誤差信號。LD 發出的激光束在光盤表面反射回來后，經全息光柵產生的±1 級衍射光，分別回到兩組光電探測器P1～P5 和P2～P10 上。當光盤上下移動時，左右兩組光電探測器上光斑面積變化相反，根據這種現象產生焦點誤差信號。這種測量方式稱為差動光斑尺寸變化探測，焦點誤差信號可以表示為

圖1 激光全息單元Fig.1 Laser hologram unit

式中：P2，P3，P4，P7，P8，P9為光電探測器接收的信號。

根據焦點誤差信號，即可判斷光盤離焦量。

根據上述原理，本文設計了高分辨力光學顯微測頭的激光全息測量系統。

2 光學顯微測頭設計與實現

光學顯微測頭由激光全息測量系統和光學顯微成像系統兩部分組成，前者用于實現被測樣品微小位移的測量，后者用于對測量過程進行監測，以實現被測樣品表面結構的非接觸瞄準與測量。

2.1 激光全息測量系統設計

光學顯微測頭的光學系統如圖2 所示，其中，激光全息測量系統由激光全息單元、透鏡1、分光鏡1和顯微物鏡組成。測量時，由激光全息單元中的半導體激光器發出的光束經過透鏡1變為平行光束，該光束被分光鏡1反射后，通過顯微物鏡匯聚在被測件表面。從被測件表面反射回來的光束反向通過顯微物鏡，一小部分光透過分光鏡1用于觀察，大部分光被分光鏡1 反射，通過透鏡1，匯聚到激光全息單元上，被全息單元內部集成的光電探測器接收。這樣，就將被測樣品表面瞄準點的位置信息轉換為電信號。在光學顯微測頭設計中選用的激光全息單元為松下HUL7001，激光波長為790 nm。

圖2 光學顯微測頭光學系統示意圖Fig.2 Diagram of optical system of optical microscope probe

當被測樣品表面位于光學顯微測頭的聚焦面時，反射光沿原路返回激光全息單元，全息單元內兩組光電探測器接收到的光斑尺寸相等，焦點誤差信號為零。當樣品表面偏離顯微物鏡聚焦面時，由樣品表面反射回來的光束傳播路徑會發生變化，進入激光全息單元的反射光在兩組光電探測器上的分布隨之發生變化，引起激光全息單元焦點誤差信號的變化。當被測樣品在顯微物鏡焦點以內時，焦點誤差信號小于零，而當被測樣品在顯微物鏡焦點以外時，焦點誤差信號大于零。因此，利用在聚焦面附近激光全息單元輸出電壓與樣品位移量的單調對應關系，通過測量激光全息單元的輸出電壓，即可求得樣品的位移量。

2.2 顯微物鏡參數的選擇

在激光全息測量系統中，顯微物鏡是一個重要的光學元件，其光學參數直接關系著光學顯微測頭的分辨力。首先，顯微物鏡的焦距直接影響測頭縱向分辨力，在激光全息單元、透鏡1和顯微物鏡之間的位置關系保持不變的情況下，對于同樣的樣品位移量，顯微物鏡的焦距越小，樣品上被測點經過顯微物鏡和透鏡1 所成像的位移越大，所引起激光全息單元中光電探測器的輸出信號變化量也越大，即測量系統縱向分辨力越高。另外，顯微物鏡的數值孔徑對測頭的分辨力也有影響，在光波長一定的情況下，顯微物鏡的數值孔徑越大，其景深越小，測頭縱向分辨力越高。同時，顯微物鏡數值孔徑越大，激光束會聚的光斑越小，系統橫向分辨力也越高。綜合考慮測頭分辨力和工作距離等因素，在光學顯微測頭設計中選用大恒光電GCO-2133 長工作距物鏡，其放大倍數為40，數值孔徑為0.6，工作距離為3.33 mm。

2.3 定焦顯微測頭的實現

除激光全息測量系統外，光學顯微測頭還包括一個光學顯微成像系統，該系統由光源、顯微物鏡、透鏡2、透鏡3、分光鏡1、分光鏡2 和CCD相機組成。光源將被測樣品表面均勻照明，被測樣品通過顯微物鏡、分光鏡1、透鏡2 和分光鏡2，成像在CCD 相機接收面上。為了避免光源發熱對測量系統的影響，采用光纖傳輸光束將照明光引入顯微成像系統。通過CCD 相機不僅可以觀察到被測樣品表面的形貌，而且也可以觀察到來自激光全息單元的光束在樣品表面的聚焦情況。

根據圖2所示原理，通過光學元件選購、機械加工和信號放大電路設計，制作了光學顯微測頭，如圖3所示。從結構上看，該測頭具有體積小、集成度高的優點。將該測頭安裝在納米測量機上，編制相應的測量軟件，可用于被測樣品的快速瞄準和高分辨力非接觸測量。

圖3 光學顯微測頭結構Fig.3 Structure of optical microscope probe

3 測量實驗與結果分析

為了檢驗光學顯微測頭的功能，將該測頭安裝在納米三維測量機上，使顯微物鏡的光軸沿測量機的Z軸方向，對其輸出信號的電壓與被測樣品的離焦量之間的關系進行了標定，并用其對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進行了測量［16］。所用納米三維測量機在25 mm×25 mm×5 mm的測量范圍內，空間分辨力可達0.1 nm。實驗在（20±0.5）℃的控溫實驗室環境下進行。

3.1 測頭輸出電壓與位移關系的建立

為了獲得光學顯微測頭的輸出電壓與被測表面位移（離焦量）的關系，將被測樣板放置在納米三維測量機的工作臺上，用精密位移臺帶動被測樣板沿測量光軸方向移動，通過納米測量機采集位移數據，同時記錄測頭輸出電壓信號。圖4所示為被測樣板在測頭聚焦面附近由遠及近朝測頭方向移動時測頭輸出電壓與樣品位移的關系。

圖4 測頭電壓與位移的關系Fig.4 Relationship between probe voltage and displacement

由圖4可以看出，光學顯微測頭的輸出電壓與被測樣品位移的關系呈S 形曲線，與第1 節中所述的通過差動光斑尺寸變化測量離焦量的原理相吻合。當被測樣板遠離光學顯微測頭的聚焦面時，電壓信號近似常數。當被測樣板接近測頭的聚焦面時，電壓開始增大，到達最大值后逐漸減小；當樣板經過測頭聚焦面時，電壓經過初始電壓值，可認為是測量的零點；當樣品繼續移動離開聚焦面時，電壓繼續減小，到達最小值時，電壓又逐漸增大，回到穩定值。在電壓的峰谷值之間，曲線上有一段線性較好的區域，在測量中選擇這段區域作為測頭的工作區，對這段曲線進行擬合，可以得到測頭電壓與樣板位移的關系。在圖4中所示的3 μm工作區內，電壓與位移的關系為

式中：U為激光全息單元輸出電壓；?d為偏離聚焦面的距離。

3.2 臺階高度測量試驗

在對光學顯微測頭的電壓-位移關系進行標定后，用安裝光學顯微測頭的納米三維測量機對臺階高度樣板進行了測量。

在測量過程中，將一塊硅基SHS-1 μm 臺階高度樣板放置在納米三維測量機的工作臺上，首先調整樣板位置，通過CCD 圖像觀察樣板，使被測臺階的邊緣垂直于工作臺的X軸移動方向，樣板表面位于光學顯微測頭的聚焦面，此時測量光束匯聚在被測樣板表面，如圖5所示。然后，用工作臺帶動樣板沿X方向移動，使測量光束掃過樣板上的臺階，同時記錄光學顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數據進行處理，計算臺階高度。

圖5 被測樣板表面圖像Fig.5 Image of the specimen surface

臺階高度樣板的測量結果如圖6所示，根據檢定規程［17］對測量結果進行處理，得到被測樣板的臺階高度為1.005 μm。與此樣板的校準結果1.012 μm 相比，測量結果符合性較好，其微小偏差反映了由測量時溫度變化、干涉儀非線性和樣板不均勻等因素引入的測量誤差。

圖6 臺階樣板測量結果Fig.6 Measurement result of step height specimen

3.3 一維線間隔測量試驗

在測量一維線間隔樣板的過程中，將一塊硅基LPS-2 μm 一維線間隔樣板放置在納米測量機的工作臺上，使測量線沿X軸方向，樣板表面位于光學顯微測頭的聚焦面。然后，用工作臺帶動樣板沿X方向移動，使測量光束掃過線間隔樣板上的刻線，同時記錄納米測量機的位移測量結果和光學顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數據進行處理，測量結果如圖7所示。

圖7 一維線間隔測量結果Fig.7 Measurement result of one-dimensional line interval

根據檢定規程［17］對一維線間隔測量結果進行處理，得到被測樣板的刻線間距為2.004 μm，與此樣板的校準結果2.002 μm相比，一致性較好。

3.4 分析與討論

由光學顯微測頭輸出電壓與被測表面位移關系標定實驗的結果可以看出：利用在測頭聚焦面附近測頭輸出電壓與樣品位移量的單調對應關系，通過測量測頭的輸出電壓變化，即可求得樣品的位移量。在圖4 所示曲線中，取電壓-位移曲線上測頭聚焦面附近的3 μm 位移范圍作為工作區，對應的電壓變化范圍約為0.628 V。根據對電壓測量分辨力和噪聲影響的分析，在有效量程內測頭的分辨力可以達到納米量級。

臺階高度樣板和一維線間隔樣板測量實驗的結果表明：光學顯微測頭可以應用于納米三維測量機，實現微納米表面形貌樣板的快速定位和微小位移測量。通過用納米測量機的激光干涉儀對光學顯微測頭的位移進行校準，可將測頭的位移測量結果溯源到穩頻激光的波長。實驗過程也證明：光學顯微測頭具有掃描速度快、測量分辨力高和抗干擾能力強等優點，適用于納米表面形貌的非接觸測量。

4 結論

本文介紹了一種用于納米級表面形貌測量的高分辨力光學顯微測頭。在測頭設計中，采用激光全息單元作為位移測量系統的主要元件，根據差動光斑尺寸變化原理實現微位移測量，結合光學顯微系統，形成了結構緊湊、集測量和觀察功能于一體的高分辨力光學顯微測頭。將該測頭安裝在納米三維測量機上，對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進行了測量實驗，結果表明：該光學顯微測頭可實現預期的測量功能，位移測量分辨力可達到納米量級。下一步將通過多種微納米樣板測量實驗，進一步考察和完善測頭的結構和性能，使其更好地適合納米三維測量機，應用于微納結構幾何參數的非接觸測量。