引 言
随着超精密加工、强激光、光电技术和半导体工业的发展出现了超光滑或有超精细结构的表面,因而要求有对这些表面的微观形貌作无接触测量的手段。一批不同类型的高分辨力光电轮廓仪应运而生;如美国的ZYGO,WYKO型的光干涉式轮廓仪,英国NPL的双焦物镜轮廓仪。但前者存在三个问题:第一是不能用激光,因为无法采取有效措施避免入射光由试件表面和仪器内部的半透半反镜等光学界面反射回到激光源引发噪声甚至闪烁。第二个是对振动等环境干扰敏感,必需在气浮防振台上工作,难以用于在线或在位(on machine)检测。第三是形状误差大,双焦物镜型激光轮廓仪,看似巧妙地用了双折射材料物镜对偏振方向不同的线偏振光有不同的焦距,使离焦的一束光在被测面上形成较大光斑,对表面上的微小凸凹不平有平均作用,被用作参考臂。这样形成的同轴式光路虽具有很大的共模抑制比,但由于双折射材料与玻璃的折射率差别有限,难以形成足够大的参考光斑。现在报导的参考光斑直径10μm,而测量光斑直径1～2μm。如果被测表面凹凸不平的波距稍大,或有特定的精细线纹则会得出大的形貌误差,甚至“面目全非”。本文所述的轮廓仪克服了上述缺点,在已研制成实验室仪器的基础上又发展了可以简单地摆放在金刚石车床刀架上(无需紧固)测量被加工柱面和端面的在线检测仪器。
1 工作原理
图1所示就是这仪器的工作原理。光源是由热稳频技术稳定于双纵模状态的He-Ne激光器。它出射双纵模线偏振光的偏振面相互垂直、模间隔为640MHz。光束遇到的第一个分光玻片分出一小部份光经偏振方向45°摆放的偏振片,由雪崩管1接收后输出干涉信号送到相位计作为参考信号。主光束经扩束、准直和转折后射入冰洲石晶体1。光束中的O光径直通过而e光折向下方。当它们射出晶体1时成为相互平行的两束光。中央的一束光经可调换的透镜和分光镜又分成两束,并分别会聚于物镜1和2的象方焦面附近,再经λ/4波片和物镜半会聚或平行(可调)照射到被测件的端面或柱面上(一般调节成半会聚是为了降低特殊被测面型对反射光的影响)。它们形成大光斑被用作干涉仪的参考臂。由于大光斑对被测面微观凹凸不平的平均作用,它能提供足够稳定不变的参考信号。另一束光就是测量臂了,它经反射后也被分为两束并且与参考臂同轴经物镜1和2分别会聚于被测表面上。更换不同的物镜可使光斑直径在1μm-2.5μm范围变化。较大的光斑一般对应较长的焦距,有利于测量操作但会降低横向分辨力。这测量光斑随表面凹凸不平而“跳动”。
根据计算[1]和实验证明;如果要求测得的微观形貌误差小于5%,则参考光斑直径应大于被测表面凹凸变化平均波长的20倍。这里,我们使参考光斑直径保持为200μm,必要时可在100μm-1000μm范围调节(更换物镜和Lens)。足够大的参考光斑可以给干涉仪提供稳定的参考信号。以在金刚石车床上测量为例,这两组同轴的干涉臂可分别用于测量被加工件的端面和柱面(或锥面、球面)。
由被测表面反射回来的光束因各自两次通过1/4波片,偏振面转过90°,再进入冰洲石晶体1时原来的O,e光路互换,由晶体两侧出射,避开位于中央的反射镜(使原同轴的正交偏振光不反射回光源)进入长度两倍于晶体1的晶体2,出射时重新会合、经偏振方向45°放置的偏振片后发生干涉,再由雪崩管2拾取,最后送到高频相位计。因为激光两个模的频率ν1和ν2都很高,能够测到的只有它们的拍频Δν。更具体说:雪崩二极管能接收到的干涉信号是这两束光的光电场分量E1+E2,转换后的光电流表示为
所用相位计于在线工作条件下分辨力可达5′(0.0015 rad),由此导出的仪器分辨率优于0.1nm (≈0.02nm rms.)。不过,实际上还有一个限制灵敏度的重要因素就是仪器噪声。它来自环境影响和仪器本身的几乎每一个光学界面的反射回光和偏振度偏差。在这里,后面两个因素的影响是主要的。因为做在线(位)检测时,环境影响最主要是机械振动,而本仪器两对干涉臂都是同轴的所以被测表面因机械振动引起的测量方向上的位移变化不会造成两个干涉臂的光程差,也就是说它有非常好的共模抑制比。能够在被测面上、下振幅达100nm时仍能作亚纳米级的测量。这对于在线(位)检测仪器非常重要。最后,在晶体2后面装有可翻转90°的反射镜c.m.它的作用是在测量前调整时把两光束引到目视观察和投影装置。
2 试验测试
2.1 仪器噪声和分辨力
对于纳米级或亚纳米级的高分辨仪器来说,用测定的方法来确定其分辨力是很困难的。例如隧道显微镜和原子力显微镜其横向分辨力可以用测量经处理的炭原子结构来认定,高度方向上则还要借助光栅来标定范围。不过对几乎所有高分辨力仪器来说,除了其工作原理外,最后限制分辨力提高的是仪器本身的噪声。
一般认为此类仪器的分辨力应为它在实际工作条件下噪声的1.5～2倍。仪器噪声的测量是用一块由长春光机所应用光学国家重点实验室用金刚石车床镜面车削成的圆柱体作样件,开动扫描驱动电机但不接上离合器(有振动、无扫描)测量结果如图2所示。其仪器噪声当量,如果用常用的粗糙度参数表示Ra=0.08nm。我们认定其分辨力为0.16nm。
2.2 重复性测试
重复性对超高分辨力的仪器尤其重要,因为特别高的灵敏度要同时具有高可靠性才有实用价值,而且它也在一定程度上反映仪器的实用分辨力。试验是对前述圆柱形金刚石车床加工的样件,在圆柱面上作10次测量得出重复性为2σ=0.5nm。结果中的两例如图3所示(只表示了其中一例的具体数据)。
2.3 与现有仪器比较
此测量系统曾与Taly-6,ZYGO New View 200等高分辨力仪器同测一个标准样件,进行比较。样件是一组镀在玻璃基底上的铬线纹。曾在德国联邦物理技术研究院(PTB)用Talystep-1和立体扫描电镜等仪器做过测定。图4 (a)是本轮廓仪系统测量结果,(b)是用美国ZYGO New View 200轮廓仪对同一试样的测量结果。可以看出本轮廓仪的横向分辨力明显优于ZYGO轮廓仪(而ZYGO价值13万美元)。此外ZYGO轮廓仪只能在实验室中的气浮防振平台上工作,不可能用于在线(位)检测。
结束语
这种用于在线检测的高分辨轮廓仪由于要适应直接放在精密机床上工作的较严酷条件,又要调整快捷,在灵敏度方面作了一定牺牲。不过,Ra优于0.2nm的分辨力对于超精密加工在线(位)检测已完全满足要求并有一定储备。如果确有更高的要求,本项目尚有进一步提高灵敏度的潜力,因为同样原理的实验室用轮廓仪我们已做到分辨力优于0.02nm rms.
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(59235123)
作者简介:周肇飞(1935-),男(汉族),江苏南京人,教授,博导,目前从事光电测试技术、激光加工研究。
