為了滿足納米級(jí)表面形貌模板高精度非接觸測(cè)量的要求，研制了一種高分辨率光學(xué)顯微鏡探頭。以激光全息單元為光源和信號(hào)拾取器件，利用差分光斑尺寸變化檢測(cè)原理建立了微位移測(cè)量系統(tǒng)，并與光學(xué)顯微成像系統(tǒng)結(jié)合形成了高分辨率的光學(xué)微探針。將測(cè)頭應(yīng)用于納米三維測(cè)量機(jī)，進(jìn)行了臺(tái)階高度模板和一維線間距模板的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，光學(xué)顯微鏡探頭結(jié)合納米三維測(cè)量機(jī)可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面形貌模板的溯源測(cè)量，具有掃描速度快、測(cè)量分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決納米級(jí)表面形貌測(cè)量問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值。

0簡(jiǎn)介

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(cè)量機(jī)等精密測(cè)量?jī)x器越來(lái)越受到重視。國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了納米測(cè)量機(jī)，開(kāi)展了微納結(jié)構(gòu)測(cè)量[1-4]。納米測(cè)量機(jī)作為一個(gè)高精度的開(kāi)放式測(cè)量平臺(tái)，可以兼容不同原理的接觸式探針和非接觸式探針[5-6]。作為納米測(cè)量機(jī)的核心部件之一，測(cè)頭在微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的高精度測(cè)量中發(fā)揮著重要作用。隨著原子力顯微鏡等高分辨率探針的出現(xiàn)，納米測(cè)量機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的高精度測(cè)量[7-8]。但由于其測(cè)量速度慢，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高，不適合大規(guī)?？焖贉y(cè)量。光學(xué)探針從原理上可以提高掃描速度，作為非接觸式探針，還可以避免損傷樣品表面。因此，在微納表面形貌測(cè)量中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在光學(xué)探頭的發(fā)展中，激光聚焦方法受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。德國(guó)SIOS公司生產(chǎn)的納米測(cè)量機(jī)包括基于光學(xué)像散原理的激光聚焦光學(xué)探針。國(guó)內(nèi)一些高校和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了這方面的研究[9-11]。這些探頭主要基于散光和差分光斑尺寸變化檢測(cè)的原理來(lái)執(zhí)行散焦檢測(cè)[12-13]。CD和DVD播放機(jī)系統(tǒng)中常用的激光全息單元已應(yīng)用于微位移測(cè)量[14-15]，在納米測(cè)量機(jī)光學(xué)測(cè)頭的研制中也有很好的實(shí)用價(jià)值。為了滿足納米尺度表面形貌測(cè)量的要求，本文研制了一種基于激光全息單元的高分辨率光學(xué)顯微鏡測(cè)頭，應(yīng)用于自主研發(fā)的納米三維測(cè)量機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的快速瞄準(zhǔn)和測(cè)量。

1激光全息單元的工作原理

全息單元是半導(dǎo)體激光器(LD)、全息光學(xué)元件(HOE)、光電探測(cè)器(PD)和信號(hào)處理電路的集成元件。它最早應(yīng)用于CD和DVD播放系統(tǒng)，用于讀取光盤信息和實(shí)時(shí)檢測(cè)光盤聚焦誤差。其工作原理如圖1所示。LD發(fā)射激光束，出射窗上有一個(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)生聚焦誤差信號(hào)。LD發(fā)出的激光束在光盤表面反射回來(lái)后，全息光柵產(chǎn)生的一級(jí)衍射光分別返回到兩組光電探測(cè)器P1~P5和P2~P10。當(dāng)光盤上下移動(dòng)時(shí)，左右光電探測(cè)器的光斑面積反向變化，根據(jù)這一現(xiàn)象產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)。這種測(cè)量方法稱為差分光斑尺寸變化檢測(cè)，聚焦誤差信號(hào)可以表示為

根據(jù)聚焦誤差信號(hào)，可以判斷光盤的散焦量。

根據(jù)上述原理，本文設(shè)計(jì)了一種具有高分辨率光學(xué)顯微鏡探頭的激光全息測(cè)量系統(tǒng)。

光學(xué)顯微鏡探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光學(xué)測(cè)頭由激光全息測(cè)量系統(tǒng)和光學(xué)顯微成像系統(tǒng)兩部分組成。前者用于測(cè)量被測(cè)樣品的微小位移，后者用于監(jiān)測(cè)測(cè)量過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品表面結(jié)構(gòu)的非接觸瞄準(zhǔn)和測(cè)量。

2.1激光全息測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光學(xué)探頭的光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示，其中激光全息測(cè)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(cè)量時(shí)，激光全息單元中的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束通過(guò)透鏡1變成平行光束，經(jīng)分光鏡1反射后，通過(guò)顯微物鏡會(huì)聚在被測(cè)件表面。從被測(cè)件表面反射的光束反向通過(guò)顯微鏡物鏡，一小部分光通過(guò)分光鏡1進(jìn)行觀察，大部分光被分光鏡1反射，然后通過(guò)透鏡1會(huì)聚在激光全息單元上，被集成在全息單元中的光電探測(cè)器接收。這樣，被測(cè)樣品表面上瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光學(xué)顯微鏡探頭設(shè)計(jì)選用的激光全息單元為松下HUL7001，激光波長(zhǎng)為790 nm。

當(dāng)被測(cè)樣品表面位于光學(xué)顯微鏡探頭的焦平面上時(shí)，反射光沿原路返回激光全息單元。全息單元中兩組光電探測(cè)器接收的光斑大小相等，聚焦誤差信號(hào)為零。當(dāng)樣品表面偏離顯微鏡物鏡的聚焦平面時(shí)，從樣品表面反射回來(lái)的光束的傳播路徑會(huì)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(cè)器上的分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致激光全息單元的聚焦誤差信號(hào)發(fā)生變化。當(dāng)被測(cè)樣品在顯微鏡物鏡的焦點(diǎn)內(nèi)時(shí)，聚焦誤差信號(hào)小于零，而當(dāng)被測(cè)樣品在顯微鏡物鏡的焦點(diǎn)外時(shí)，聚焦誤差信號(hào)大于零。因此，利用激光全息單元的輸出電壓與樣品在焦平面附近的位移之間的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量激光全息單元的輸出電壓，可以得到樣品的位移。

2.2顯微鏡物鏡參數(shù)的選擇

在激光全息測(cè)量系統(tǒng)中，顯微鏡物鏡是一個(gè)重要的光學(xué)元件，其光學(xué)參數(shù)直接關(guān)系到光學(xué)顯微鏡探頭的分辨率。首先，顯微鏡物鏡的焦距直接影響探針的縱向分辨率。在激光全息單元、透鏡1和顯微鏡物鏡之間的位置關(guān)系不變的情況下，對(duì)于相同的樣品位移，顯微鏡物鏡的焦距越小，顯微鏡物鏡和透鏡1成像的樣品上被測(cè)點(diǎn)的位移越大，激光全息單元中光電探測(cè)器的輸出信號(hào)變化越大，即測(cè)量系統(tǒng)的縱向分辨率越高。此外，顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑也影響探針的分辨率。當(dāng)光波長(zhǎng)不變時(shí)，顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑越大，其景深越小，探針的縱向分辨率越高。同時(shí)，顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑越大，激光束的會(huì)聚光斑越小，系統(tǒng)的橫向分辨率越高?？紤]到探頭分辨率和工作距離等因素，光學(xué)顯微鏡探頭的設(shè)計(jì)選用了大恒光電GCO-2133長(zhǎng)工作距離物鏡。它的放大率為40，數(shù)值孔徑為0.6，工作距離為3.33毫米

2.3定焦微探頭的實(shí)現(xiàn)

除激光全息測(cè)量系統(tǒng)外，光學(xué)顯微鏡探頭還包括光學(xué)顯微鏡成像系統(tǒng)，由光源、顯微鏡物鏡、透鏡2、透鏡3、分光鏡1、分光鏡2和CCD相機(jī)組成。光源均勻照亮被測(cè)樣品表面，被測(cè)樣品通過(guò)顯微物鏡、分光鏡1、透鏡2和分光鏡2成像在CCD相機(jī)的接收面上。為了避免光源發(fā)熱對(duì)測(cè)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(guò)CCD攝像機(jī)，我們不僅可以觀察被測(cè)樣品的表面形貌，還可以觀察激光全息單元發(fā)出的光束在樣品表面的聚焦情況。

根據(jù)圖2所示的原理，通過(guò)光學(xué)元件的選擇、加工和信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)來(lái)制造光學(xué)顯微鏡探頭，如圖3所示。從結(jié)構(gòu)上看，該探頭具有體積小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。將探頭安裝在納米測(cè)量機(jī)上，編制相應(yīng)的測(cè)量軟件，可用于被測(cè)樣品的快速瞄準(zhǔn)和高分辨率非接觸測(cè)量。

3測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了測(cè)試光學(xué)顯微鏡探針的功能，將探針安裝在納米3D測(cè)量機(jī)上，并且顯微鏡物鏡的光軸沿著測(cè)量機(jī)的Z軸。標(biāo)定了其輸出信號(hào)的電壓與被測(cè)樣品離焦量的關(guān)系，并用其測(cè)量了臺(tái)階高度模板和一維線間距模板[16]。在25 mm×25 mm×5 mm的測(cè)量范圍內(nèi)，空間分辨率可達(dá)0.1 nm。實(shí)驗(yàn)在溫度控制在(20±0.5)℃

3.1輸出電壓和探頭位移之間關(guān)系的建立

為了獲得光學(xué)顯微鏡探頭輸出電壓與被測(cè)表面位移(離焦)的關(guān)系，將被測(cè)樣品板放置在納米三維測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，精密位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)樣品板沿測(cè)量光軸移動(dòng)。納米測(cè)量機(jī)采集位移數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄探頭的輸出電壓信號(hào)。圖4示出了當(dāng)待測(cè)樣品從遠(yuǎn)離和靠近探針的焦點(diǎn)表面向探針移動(dòng)時(shí)，探針的輸出電壓和樣品位移之間的關(guān)系。

從圖4可以看出，光學(xué)顯微鏡探頭的輸出電壓與被測(cè)樣品的位移之間的關(guān)系為S形曲線，這與第一節(jié)所述的通過(guò)微分光斑尺寸變化測(cè)量離焦量的原理是一致的。當(dāng)被測(cè)樣品遠(yuǎn)離光學(xué)顯微鏡探頭的焦平面時(shí)，電壓信號(hào)近似恒定。當(dāng)被測(cè)樣品靠近探頭焦面時(shí)，電壓開(kāi)始升高，達(dá)到最大值后逐漸下降。當(dāng)模板通過(guò)探頭的聚焦面時(shí)，電壓通過(guò)初始電壓值，可視為測(cè)量的零點(diǎn)；當(dāng)樣品繼續(xù)遠(yuǎn)離焦平面時(shí)，電壓繼續(xù)降低，當(dāng)達(dá)到最小值時(shí)，電壓逐漸升高，回到穩(wěn)定值。在電壓的峰值和谷值之間，曲線上有一個(gè)線性度較好的區(qū)域。在測(cè)量中，該區(qū)域被選擇作為探針的工作區(qū)域。通過(guò)擬合該曲線，可以得到探針電壓和模板位移之間的關(guān)系。在圖4所示的3微米操作區(qū)域中，電壓和位移之間的關(guān)系是

其中:U為激光全息單元的輸出電壓；d是離焦平面的距離。

3.2臺(tái)階高度測(cè)量試驗(yàn)

在校準(zhǔn)光學(xué)微探針的電壓-位移關(guān)系之后，通過(guò)配備有光學(xué)微探針的納米3D測(cè)量機(jī)測(cè)量臺(tái)階高度模板。

測(cè)量過(guò)程中，硅基SHS-1微米臺(tái)階高度模板放置在納米三維測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上。首先調(diào)整模板的位置，通過(guò)CCD圖像觀察模板，使被測(cè)臺(tái)階的邊緣垂直于工作臺(tái)的X軸移動(dòng)方向，模板的表面位于光學(xué)顯微鏡探頭的聚焦面上。此時(shí)，測(cè)量光束會(huì)聚在被測(cè)模板的表面，如圖5所示。然后利用工作臺(tái)帶動(dòng)模板沿X方向移動(dòng)，使測(cè)量光束掃過(guò)模板上的臺(tái)階，同時(shí)記錄光學(xué)顯微鏡探頭的輸出信號(hào)。最后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出臺(tái)階高度。

step模板的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。根據(jù)檢定規(guī)程[17]對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)被測(cè)模板的臺(tái)階高度為1.005μ m，與該樣板1.012微米的標(biāo)定結(jié)果相比，測(cè)量結(jié)果吻合較好，其微小偏差反映了測(cè)量過(guò)程中溫度變化、干涉儀非線性、樣板不平整等因素造成的測(cè)量誤差。

3.3一維線間距測(cè)量測(cè)試

在測(cè)量一維線間距模板的過(guò)程中，將硅基LPS-2微米一維線間距模板放置在納米測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，使測(cè)量線沿X軸方向，模板表面位于光學(xué)顯微鏡探針的焦平面上。然后利用工作臺(tái)帶動(dòng)模板沿X方向移動(dòng)，使測(cè)量光束掃過(guò)行距模板上的刻線，同時(shí)記錄納米測(cè)量機(jī)的位移測(cè)量結(jié)果和光學(xué)顯微鏡探針的輸出信號(hào)。最后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)檢定規(guī)程[17]對(duì)一維線間距的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)被測(cè)樣品的劃線間距為2.004微米，與該樣品2.002μ m的標(biāo)定結(jié)果非常吻合

3.4分析和討論

從光學(xué)顯微鏡探針輸出電壓與被測(cè)表面位移關(guān)系的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用探針輸出電壓與探針焦平面附近樣品位移的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量探針輸出電壓的變化，可以得到樣品的位移。在圖4所示的曲線中，以電壓-位移曲線上探頭焦面附近3微米的位移范圍為工作區(qū)域，對(duì)應(yīng)的電壓變化范圍約為0.628V，根據(jù)電壓測(cè)量分辨率和噪聲影響的分析，探頭在有效范圍內(nèi)的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)。

臺(tái)階模板和一維線間距模板的測(cè)量結(jié)果表明，該光學(xué)顯微鏡探針可應(yīng)用于納米三維測(cè)量機(jī)，實(shí)現(xiàn)微納表面形貌模板的快速定位和微位移的測(cè)量。通過(guò)用納米測(cè)量機(jī)的激光干涉儀標(biāo)定光學(xué)顯微鏡探針的位移，探針的位移測(cè)量結(jié)果可以溯源到穩(wěn)頻激光的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程也證明了光學(xué)顯微鏡探頭具有掃描速度快、測(cè)量分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于納米表面形貌的非接觸測(cè)量。

4結(jié)論

本文介紹了一種用于納米級(jí)表面形貌測(cè)量的高分辨率光學(xué)顯微鏡探頭。在探頭設(shè)計(jì)中，采用激光全息單元作為位移測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分，根據(jù)差分光斑尺寸變化原理實(shí)現(xiàn)微位移測(cè)量。結(jié)合光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，形成結(jié)構(gòu)緊湊、集測(cè)量和觀察功能于一體的高分辨率光學(xué)顯微鏡探頭。將探頭安裝在納米三維測(cè)量機(jī)上，進(jìn)行了臺(tái)階高度模板和一維線間距模板的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，光學(xué)顯微鏡探頭能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的測(cè)量功能，位移測(cè)量分辨率可以達(dá)到納米級(jí)。下一步，將通過(guò)多種微納模板測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步考察和改進(jìn)探頭的結(jié)構(gòu)和性能，使其更適用于納米3D測(cè)量機(jī)，并應(yīng)用于微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的非接觸測(cè)量。