摘 要:为完成快速、精确的外观轮廓度量,设计了一种新型纳米级精度分光路双频干涉度量系统。系统由低频差双频激光干涉度量模块和微探头及二维工作台两部分组成。微探针以轻敲式接近样品至几十纳米时,受原子力作用发生偏转,利用双频干涉模块度量其纵向偏转量,并对样品进行梳状式度量得到外观形貌。根据双频激光的实际光源,对原有双频干涉度量理论进行了改进提高。进行了系统组建和实验验证。结果表明:系统具有纳米级精度,可用于超精样品外观轮廓度量。
电子产品的高集成度和多功用的发展势头,对部件外观轮廓提出了极高的要求,如新一代计算机硬盘和大规模集成电路要求盘片或晶圆只能具有纳米尺度划痕,并且要求能够快速、精确的度量出其外观轮廓。传统的光学度量技术如干涉技术,因采用了相位度量技术,对于粗糙度度量已能达到埃级分辨率,但由瑞利原理可知光学度量技术无法进行纳米尺度划痕度量。另者,原子力显微镜具有纳米级的分辨率,那是由于其最紧要部件微探针针尖半径处于纳米尺度范围。结合上述两种技术的优点,本文设计出一种新型纳米级精度分光路双频干涉度量系统。系统由低频差双频激光干涉度量模块和微探头及二维工作台两部分组成。后部分中最紧要部件微探针在接近样品至几十纳米时,受原子力作用发生偏转,利用前部分度量其纵向偏转量,并对样品进行梳状式度量得到样品形貌。在此设计下,本文对纵向分辨率进行了实验验证,以此作为整个设计的第一步。
1 原 理
纳米级精度分光路双频干涉度量系统如图1所示,主要由A、B两部分组成,A是低频差双频激光干涉度量模块,B是微探头及二维工作台。其中,B由微探针、压电驱动器和微调机构组成。
系统采用轻敲式度量。微探针轻敲样品,并通过伺服反馈系统保持轻敲力处于最小值,即微探针与样品刚接触但相互撞击力约等于零。微探针受样品原子力作用后振幅发生改变,用A度量振幅的变化量,即得外观轮廓起伏的变化量。通过二维工作台驱动样品横向移动,从而可以对样品形貌进行度量。
1.1 低频差双频激光干涉模块度量原理
低频差横向塞曼He_Ne激光器1作为光源,输出正交线偏振双频激光,由BS分为透射光和反射光,反射光经过检偏后由光电管3接收形成参考信号,透射光通过小透镜4会聚于针孔5上,经过针孔5滤除杂散光后由胶合透镜6将光束扩成平行光束。平行光束通过光阑7后只有零级衍射光斑通过偏振分光镜8进行偏振分光,其中反射光作为参考光,透射光作为度量光。参考光先经过快轴沿45°放置的1/4波片9后被参考镜10反射,反射光又经过1/4波片9使得参考光的偏振方向旋转90°,再次经过偏振分光镜8时变为透射光;度量光经过快轴沿45°放置的1/4波片11和显微物镜12投射在微探针13上,度量光经过微探针13反射回后,再经过1/4波片11后偏振方向也旋转90°,再次经过偏振分光镜8后被反射,并与参考光汇合。合成光经过会聚透镜17后由光电管18检偏接收形成相位度量信号,与参考信号进行比相。相位值反映了微探针13振幅变化引起的多普勒频移,可以推导出振幅变化与相位的关系式。
假设横向塞曼激光器输出激光的偏振矢量为
式中i、j分别为出射平行分量p、垂直分量s的偏振方向矢量;E01、E02分别为p、s分量的振幅;f1、f2分别为p、s分量的频率,频差Δf=f1-f2;φ01、φ02分别为p、s分量的初始相位.
参考信号的光强可表示为
其中Ir0为常数,由激光输出强度、半透半反镜的反射率和光电管前的检偏器的通光方向共同决定。
度量光和参考光的偏振矢量E1、E2表示为
其中K1=1-α1;K2=1-α2;α1、α2分别为p、s分量在系统中的光强损耗因子;φ12、φ22分别为度量光路、参考光路的位相增量。度量时微探针的纵向变化量可看作度量点纵向位置的改变,这一改变会使返回的度量光产生多普勒频移fD。E1、E2汇合检偏后形成度量信号Im,设检偏器与p分量夹角为θ,则E1、E2在检偏方向上的振幅投影分别为
预计,当相位度量分辨率优于0.1°时,微探针纵向偏转量的度量分辨率优于0.1nm。
1.2 双频干涉模块的改进
实验中发现低频差横向塞曼激光器并非输出完全的正交线偏振光,而是正交的椭圆偏振光,如图2所示。
在这种情况下,上述度量理论须进行调整才能满足既定的度量需要。现分析在图2所示光源下,光电管18接收到的信号组成
其中,只有后面六个分量能被光电管度量到,且2E1E′1、2E′2E2为直流分量,2E1E′2、2E′1E2两项的正弦信号中没有多普勒频移fD,只有2E1E2、2E′1E′2两项的正弦信号中带有fD。因此,2E1E′2、2E′1E2两项是相位度量中的干扰信号。
要使相位度量结果正确,须去除上述两项干扰信号。改进光路如图3所示。
在改进光路中,分别在参考光路和度量光路的1/4波片前加入BS、小透镜和光电管,用以探测2E1E′2、2E′1E2两项信号,并在光电管18之后添加减法器,三路信号相减,就能去除干扰信号2E1E′2、2E′1E2。因此,在和参考信号进行比相时,度量信号中交流分量都含有多普勒频移fD。
2 系统设计与组建
低频差双频激光干涉模块装配图如图4所示。
图中左边部分为参考光路,底部为度量光路。本文还设计了微探头模块,其装配图如图5所示。微探头由压电陶瓷片5、微探针6和微调机构7,8三部分组成。微调机构7用以俯仰度调节,微调机构8用以倾斜度调节。
3 实验检验与结果
本文为了验证所设计系统的纵向分辨率性能,进行了实验检验。在光路调好之后,给微探头模块中压电陶瓷片5施加驱动电压,并通过双频干涉模块度量得到微探针的纵向偏转量。从而绘制出驱动电压和微探针纵向偏转量之间的关系曲线,如图6所示。实验还度量得系统的精度约为3.6nm。
4 结 论
(1)本文设计了纳米级精度分光路双频干涉度量系统,对原有度量理论进行了改进,并进行了系统组建。
(2)本文用所设计的系统,进行了实验检验,得到了驱动电压和纵向偏转量的关系曲线。并度量得系统精度约为3.6nm。
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基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2003CB716201)
作者简介:葛杨翔(1981_),男,浙江省人,清华大学硕士研究生,从事超精加工显微技术研究。
E-mail:geyx03@mails.tsinghua.edu.cn
