用于納米級表面形貌測量的光學(xué)顯微測頭

李強，任冬梅，蘭一兵，李華豐，萬宇

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

　　摘 要：為了滿足納米級表面形貌樣板的高精度非接觸測量需求，研制了一種高分辨力光學(xué)顯微測頭。以激光全息單元為光源和信號拾取器件，利用差動光斑尺寸變化探測原理，建立了微位移測量系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)顯微成像系統(tǒng)，形成了高分辨力光學(xué)顯微測頭。將該測頭應(yīng)用于納米三維測量機，對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進行了測量實驗。結(jié)果表明：該光學(xué)顯微測頭結(jié)合納米三維測量機可實現(xiàn)納米級表面形貌樣板的可溯源測量，具有掃描速度快、測量分辨力高、結(jié)構(gòu)緊湊和非接觸測量等優(yōu)點，對解決納米級表面形貌測量難題具有重要實用價值。

　　關(guān)鍵詞：納米測量；激光全息單元；位移；光學(xué)顯微測頭；納米級表面形貌

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，納米三坐標測量機等精密測量儀器受到了重點關(guān)注。國內(nèi)外一些研究機構(gòu)研究開發(fā)了納米測量機，并開展微納結(jié)構(gòu)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(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(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］，其在納米測量機光學(xué)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(xué)顯微測頭，應(yīng)用于自主研制的納米三維測量機，可實現(xiàn)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(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時檢測光盤的焦點誤差，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(jù)這種現(xiàn)象產(chǎn)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

　　根據(jù)焦點誤差信號，即可判斷光盤離焦量。

圖1　激光全息單元

　　根據(jù)上述原理，本文設(shè)計了高分辨力光學(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)計與實現(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，前者用于實現(xiàn)被測樣品微小位移的測量，后者用于對測量過程進行監(jiān)測，以實現(xiàn)被測樣品表面結(jié)構(gòu)的非接觸瞄準與測量。

　　2.1　激光全息測量系統(tǒng)設(shè)計

　　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，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點的位置信息轉(zhuǎn)換為電信號。在光學(xué)顯微測頭設(shè)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(xué)顯微測頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖

　　當被測樣品表面位于光學(xué)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(nèi)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(fā)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(fā)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(nèi)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(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，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(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、機械加工和信號放大電路設(shè)計，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。將該測頭安裝在納米測量機上，編制相應(yīng)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(xué)顯微測頭結(jié)構(gòu)

3　測量實驗與結(jié)果分析

　　為了檢驗光學(xué)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(guān)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(nèi)，空間分辨力可達0.1 nm。實驗在（20±0.5）℃的控溫實驗室環(huán)境下進行。

　　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(shù)據(jù)，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(guān)系。

圖4　測頭電壓與位移的關(guān)系

　　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。當被測樣板遠離光學(xué)顯微測頭的聚焦面時，電壓信號近似常數(shù)。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(jīng)過測頭聚焦面時，電壓經(jīng)過初始電壓值，可認為是測量的零點；當樣品繼續(xù)移動離開聚焦面時，電壓繼續(xù)減小，到達最小值時，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

　　在對光學(xué)顯微測頭的電壓-位移關(guān)系進行標定后，用安裝光學(xué)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(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(xué)顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算臺階高度。

圖5　被測樣板表面圖像

　　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(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

　　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(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，同時記錄納米測量機的位移測量結(jié)果和光學(xué)顯微測頭的輸出信號。最后，對測量數(shù)據(jù)進行處理，測量結(jié)果如圖7所示。

　　根據(jù)檢定規(guī)程［17］對一維線間隔測量結(jié)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(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)系標定實驗的結(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(jié)果表明：光學(xué)顯微測頭可以應(yīng)用于納米三維測量機，實現(xiàn)微納米表面形貌樣板的快速定位和微小位移測量。通過用納米測量機的激光干涉儀對光學(xué)顯微測頭的位移進行校準，可將測頭的位移測量結(jié)果溯源到穩(wěn)頻激光的波長。實驗過程也證明：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等優(yōu)點，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上，對臺階高度樣板和一維線間隔樣板進行了測量實驗，結(jié)果表明：該光學(xué)顯微測頭可實現(xiàn)預(yù)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(jié)構(gòu)和性能，使其更好地適合納米三維測量機，應(yīng)用于微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的非接觸測量。