用于納米級表面形貌測量的光學(xué)顯微測頭

李強(qiáng)，任冬梅，蘭一兵，李華豐，萬宇

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展和各種微納結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，納米三坐標(biāo)測量機(jī)等精密測量儀器受到了重點(diǎn)關(guān)注。國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)研究開發(fā)了納米測量機(jī)，并開展微納結(jié)構(gòu)測量［1-4］。作為一個(gè)高精度開放型測量平臺，納米測量機(jī)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(jī)的核心部件之一，在實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的高精度測量中發(fā)揮著重要作用。原子力顯微鏡等高分辨力測頭的出現(xiàn)，使得納米測量機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的高精度測量［7-8］，但由于其測量速度較慢，對測量環(huán)境要求很高，不適用于大范圍快速測量。而光學(xué)測頭從原理上可以提高掃描測量速度，同時(shí)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(dú)特優(yōu)勢。在光學(xué)測頭研制中，激光聚焦法受到國內(nèi)外研究者的青睞，德國SIOS 公司生產(chǎn)的納米測量機(jī)就包含一種基于光學(xué)像散原理的激光聚焦式光學(xué)測頭，國內(nèi)也有一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)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(jìn)行離焦檢測［12-13］。在CD和DVD播放器系統(tǒng)中常用的激光全息單元已應(yīng)用于微位移測量［14-15］，其在納米測量機(jī)光學(xué)測頭的研制中也具有較好的實(shí)用價(jià)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(xué)顯微測頭，應(yīng)用于自主研制的納米三維測量機(jī)，可實(shí)現(xiàn)被測樣品的快速瞄準(zhǔn)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(dǎo)體激光器（LD）、全息光學(xué)元件（HOE）、光電探測器（PD）和信號處理電路集成的一個(gè)元件，最早應(yīng)用于CD 和DVD 播放器系統(tǒng)中，用來讀取光盤信息并實(shí)時(shí)檢測光盤的焦點(diǎn)誤差，其工作原理如圖1 所示。LD 發(fā)出激光束，在出射光窗口處有一個(gè)透明塑料部件，其內(nèi)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(chǎn)生焦點(diǎn)誤差信號。LD 發(fā)出的激光束在光盤表面反射回來后，經(jīng)全息光柵產(chǎn)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(dāng)光盤上下移動時(shí)，左右兩組光電探測器上光斑面積變化相反，根據(jù)這種現(xiàn)象產(chǎn)生焦點(diǎn)誤差信號。這種測量方式稱為差動光斑尺寸變化探測，焦點(diǎn)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(jù)焦點(diǎn)誤差信號，即可判斷光盤離焦量。

根據(jù)上述原理，本文設(shè)計(jì)了高分辨力光學(xué)顯微測頭的激光全息測量系統(tǒng)。

2 光學(xué)顯微測頭設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光學(xué)顯微測頭由激光全息測量系統(tǒng)和光學(xué)顯微成像系統(tǒng)兩部分組成，前者用于實(shí)現(xiàn)被測樣品微小位移的測量，后者用于對測量過程進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)被測樣品表面結(jié)構(gòu)的非接觸瞄準(zhǔn)與測量。

2.1 激光全息測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)顯微測頭的光學(xué)系統(tǒng)如圖2 所示，其中，激光全息測量系統(tǒng)由激光全息單元、透鏡1、分光鏡1和顯微物鏡組成。測量時(shí)，由激光全息單元中的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過透鏡1變?yōu)槠叫泄馐摴馐环止忡R1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(nèi)部集成的光電探測器接收。這樣，就將被測樣品表面瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)換為電信號。在光學(xué)顯微測頭設(shè)計(jì)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(xué)顯微測頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of optical system of optical microscope probe

當(dāng)被測樣品表面位于光學(xué)顯微測頭的聚焦面時(shí)，反射光沿原路返回激光全息單元，全息單元內(nèi)兩組光電探測器接收到的光斑尺寸相等，焦點(diǎn)誤差信號為零。當(dāng)樣品表面偏離顯微物鏡聚焦面時(shí)，由樣品表面反射回來的光束傳播路徑會發(fā)生變化，進(jìn)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(fā)生變化，引起激光全息單元焦點(diǎn)誤差信號的變化。當(dāng)被測樣品在顯微物鏡焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，焦點(diǎn)誤差信號小于零，而當(dāng)被測樣品在顯微物鏡焦點(diǎn)以外時(shí)，焦點(diǎn)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(diào)對應(yīng)關(guān)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(shù)的選擇

在激光全息測量系統(tǒng)中，顯微物鏡是一個(gè)重要的光學(xué)元件，其光學(xué)參數(shù)直接關(guān)系著光學(xué)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(guān)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(diǎn)經(jīng)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(tǒng)縱向分辨力越高。另外，顯微物鏡的數(shù)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(shù)值孔徑越大，其景深越小，測頭縱向分辨力越高。同時(shí)，顯微物鏡數(shù)值孔徑越大，激光束會聚的光斑越小，系統(tǒng)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(xué)顯微測頭設(shè)計(jì)中選用大恒光電GCO-2133 長工作距物鏡，其放大倍數(shù)為40，數(shù)值孔徑為0.6，工作距離為3.33 mm。

2.3 定焦顯微測頭的實(shí)現(xiàn)

除激光全息測量系統(tǒng)外，光學(xué)顯微測頭還包括一個(gè)光學(xué)顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jī)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(jī)接收面上。為了避免光源發(fā)熱對測量系統(tǒng)的影響，采用光纖傳輸光束將照明光引入顯微成像系統(tǒng)。通過CCD 相機(jī)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(jù)圖2所示原理，通過光學(xué)元件選購、機(jī)械加工和信號放大電路設(shè)計(jì)，制作了光學(xué)顯微測頭，如圖3所示。從結(jié)構(gòu)上看，該測頭具有體積小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。將該測頭安裝在納米測量機(jī)上，編制相應(yīng)的測量軟件，可用于被測樣品的快速瞄準(zhǔn)和高分辨力非接觸測量。

圖3 光學(xué)顯微測頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of optical microscope probe

3 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)光學(xué)顯微測頭的功能，將該測頭安裝在納米三維測量機(jī)上，使顯微物鏡的光軸沿測量機(jī)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(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，并用其對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進(jìn)行了測量［16］。所用納米三維測量機(jī)在25 mm×25 mm×5 mm的測量范圍內(nèi)，空間分辨力可達(dá)0.1 nm。實(shí)驗(yàn)在（20±0.5）℃的控溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行。

3.1 測頭輸出電壓與位移關(guān)系的建立

為了獲得光學(xué)顯微測頭的輸出電壓與被測表面位移（離焦量）的關(guān)系，將被測樣板放置在納米三維測量機(jī)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(jī)采集位移數(shù)據(jù)，同時(shí)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(yuǎn)及近朝測頭方向移動時(shí)測頭輸出電壓與樣品位移的關(guān)系。

圖4 測頭電壓與位移的關(guān)系Fig.4 Relationship between probe voltage and displacement

由圖4可以看出，光學(xué)顯微測頭的輸出電壓與被測樣品位移的關(guān)系呈S 形曲線，與第1 節(jié)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(dāng)被測樣板遠(yuǎn)離光學(xué)顯微測頭的聚焦面時(shí)，電壓信號近似常數(shù)。當(dāng)被測樣板接近測頭的聚焦面時(shí)，電壓開始增大，到達(dá)最大值后逐漸減小；當(dāng)樣板經(jīng)過測頭聚焦面時(shí)，電壓經(jīng)過初始電壓值，可認(rèn)為是測量的零點(diǎn)；當(dāng)樣品繼續(xù)移動離開聚焦面時(shí)，電壓繼續(xù)減小，到達(dá)最小值時(shí)，電壓又逐漸增大，回到穩(wěn)定值。在電壓的峰谷值之間，曲線上有一段線性較好的區(qū)域，在測量中選擇這段區(qū)域作為測頭的工作區(qū)，對這段曲線進(jìn)行擬合，可以得到測頭電壓與樣板位移的關(guān)系。在圖4中所示的3 μm工作區(qū)內(nèi)，電壓與位移的關(guān)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(yàn)

在對光學(xué)顯微測頭的電壓-位移關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定后，用安裝光學(xué)顯微測頭的納米三維測量機(jī)對臺階高度樣板進(jìn)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(jī)的工作臺上，首先調(diào)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(xué)顯微測頭的聚焦面，此時(shí)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(shí)記錄光學(xué)顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)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(jié)果如圖6所示，根據(jù)檢定規(guī)程［17］對測量結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)結(jié)果1.012 μm 相比，測量結(jié)果符合性較好，其微小偏差反映了由測量時(shí)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(jié)果Fig.6 Measurement result of step height specimen

3.3 一維線間隔測量試驗(yàn)

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(jī)的工作臺上，使測量線沿X軸方向，樣板表面位于光學(xué)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(shí)記錄納米測量機(jī)的位移測量結(jié)果和光學(xué)顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 一維線間隔測量結(jié)果Fig.7 Measurement result of one-dimensional line interval

根據(jù)檢定規(guī)程［17］對一維線間隔測量結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)結(jié)果2.002 μm相比，一致性較好。

3.4 分析與討論

由光學(xué)顯微測頭輸出電壓與被測表面位移關(guān)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(diào)對應(yīng)關(guān)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(qū)，對應(yīng)的電壓變化范圍約為0.628 V。根據(jù)對電壓測量分辨力和噪聲影響的分析，在有效量程內(nèi)測頭的分辨力可以達(dá)到納米量級。

臺階高度樣板和一維線間隔樣板測量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：光學(xué)顯微測頭可以應(yīng)用于納米三維測量機(jī)，實(shí)現(xiàn)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(jī)的激光干涉儀對光學(xué)顯微測頭的位移進(jìn)行校準(zhǔn)，可將測頭的位移測量結(jié)果溯源到穩(wěn)頻激光的波長。實(shí)驗(yàn)過程也證明：光學(xué)顯微測頭具有掃描速度快、測量分辨力高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于納米表面形貌的非接觸測量。

4 結(jié)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(xué)顯微測頭。在測頭設(shè)計(jì)中，采用激光全息單元作為位移測量系統(tǒng)的主要元件，根據(jù)差動光斑尺寸變化原理實(shí)現(xiàn)微位移測量，結(jié)合光學(xué)顯微系統(tǒng)，形成了結(jié)構(gòu)緊湊、集測量和觀察功能于一體的高分辨力光學(xué)顯微測頭。將該測頭安裝在納米三維測量機(jī)上，對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該光學(xué)顯微測頭可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的測量功能，位移測量分辨力可達(dá)到納米量級。下一步將通過多種微納米樣板測量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步考察和完善測頭的結(jié)構(gòu)和性能，使其更好地適合納米三維測量機(jī)，應(yīng)用于微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的非接觸測量。