專利名稱:無接觸高分辨率掃描式激光輪廓儀的制作方法
本發(fā)明屬于激光測試技術(shù)領(lǐng)域：
。用偏振光差動干涉原理和光電信號相位測量法測量精細表面輪廓形狀的方法和設(shè)備。
由于高性能光學(xué)設(shè)備、射線設(shè)備(如激光武器和x射線天體測量裝置)和集成電路工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新的、高分辨率無接觸輪廓測量方法成為迫切的需要，研究者也為數(shù)不少。在這方面有關(guān)的文章有(Ⅰ)Z.F.Zhou(周肇飛)《PTB Mitteilungen》94.1/84“untersuchungen ueber ein Fotoelektri-sches Interferenz-messmikroskop mit Zweifreq-uenzlaser Zum Messen Von Feinstrukturen”。
(Ⅱ)G.Makosch，B.Drolliner《Applied Optics》1984.12.“Surface profile measurment With a scanning differential ac Interferometer”(Ⅲ)C.W.See，M.Vaez，and H.K.Wikramasinghe《Applied Optics》1985.8.“Scanning differe-ntial phase contrast optical microscopappl-ication to surface studies”《Applied Optics》1 August 1985/Vol.24，No.15等均有報導(dǎo)。
但這些研究工作皆有明顯不足，主要問題是1 差動干涉儀只能作相對測量-只能比較兩個小光點投射處的高低差別，并不能測出真實輪廓。往往光束只是部份利用物鏡孔徑因無法造成足夠小的光點，橫向分辨率低。
2 只能適用于某一特定的表面形狀或很小的測量范圍，局限性很大。
3 對設(shè)備本身的制造精度要求過高，不易穩(wěn)定，難以達到高分辨率。
4 現(xiàn)在使用最多的接觸式表面輪廓測量儀器，測量時會劃傷精細表面，對于要求不允許留下劃傷的表面，則用接觸式測量儀器無法測量。
本發(fā)明提供的無接觸高分辨率掃描式激光輪廓儀能測出精細表面輪廓的真實形狀，又具有差動干涉儀對外界振動，干擾不敏感的優(yōu)點，對本身制造精度亦無過高要求。其分辨率和信噪比極高。能測量任何形狀的精細輪廓，且無接觸，完全不會劃傷被測表面。適用于測量各種金屬與非金屬的精細表面輪廓形狀。如高級鍍膜光學(xué)表面，大功率激光器的金屬反射鏡，x射線天文裝置的反射面，硅片材料表面，超大規(guī)模集成電路，校對輪廓儀的精細標(biāo)準(zhǔn)塊等。
圖1是無接觸高分辨率掃描式激光輪廓儀結(jié)構(gòu)示意圖(1)激光管。(2)玻片。(3)，(3′)偏振片。(4)，(17)透鏡。(5)，(18)光電管。(6)，(19)放大器。(7)，(10)冰洲石雙折射晶體。(9)，(12)反射鏡。(11)透鏡。(13)半透半反射鏡。(14)λ/4波片。(15)物鏡。(16)被測件。(20)相位計。(21)記錄器本發(fā)明是一種利用了差動原理的偏振干涉儀。用偏振分光器件將激光分成偏振方向互相垂直的兩束，一束作為參考臂，使會聚于物鏡象方焦點上，經(jīng)物鏡后變成直徑較大并可通過更換物鏡組改變直徑大小以適應(yīng)不同被測件要求的平行光束ν1。另一束光ν2作為測量臂，在進入物鏡前保持為直徑能充滿物鏡孔徑的平行光，經(jīng)物鏡會聚成極小的光點落到被測表面上。此兩束光中心同軸。由于參考臂光束射到被測面上的光斑甚大40μm～10mm對于細小的起伏不平無反應(yīng)，而測量光斑很小(可達1μm)，所以能以1μm的橫向分辨能力測量在高度方向精細到1
(埃)，極限分辨率可達0.1
的表面輪廓形狀。上述很高分辨率是通過相位測量實現(xiàn)的。由于光束ν1和ν2是同軸的，最理想的利用了差動干涉儀抗干擾、防振性能優(yōu)越的特點，為相位測量提供了高信噪比條件。
如圖1和圖2(即圖1中晶體(10)以下的局部放大圖)。采用偏振分光原理，使激光器(1)射出偏振方向正交的激光束(或經(jīng)處理后變成正交的激光束)它們的頻率分別為ν1和ν2。用玻片(2)分出一小部分正交光束作為參考信號。此參考光束的頻率為上述ν1和ν2的拍頻，即ν參＝ν1-ν2。主要部分則透過玻片(2)經(jīng)反射鏡(9)折向冰洲石雙折射晶體(10)。根據(jù)偏振方向被分解成兩個光束。中央的一束偏振方向垂直于紙面，經(jīng)會聚透鏡(11)聚焦于物鏡(15)的象方焦點上，通過物鏡(15)后變成平行光束射到被測件表面上，這一束光便作為干涉儀的參考臂。另一束光被冰洲石雙折射晶體(10)折向左方，偏振方向平行于紙面，經(jīng)反射鏡(12)反射后射到半透半反射鏡(13)，然后轉(zhuǎn)折到物鏡(15)上，重新回到中央與參考臂同軸。由于這束光不經(jīng)過透鏡(11)不產(chǎn)生會聚，所以保持為平行光達到物鏡(15)，然后被會聚到被測件表面上(詳見附圖2)。這一束光就是干涉儀的測量臂，或稱作測量光束。這樣的光路安排使得測量光束可以充滿物鏡口徑，從而獲得最小的會聚光點。由于參考光束斷面直徑相當(dāng)大(且可以在40微米至10毫米范圍內(nèi)按需要調(diào)節(jié))在被測件表面上形成一個大光斑，使得精細表面的細微起伏變化對干涉儀的影響實際上完全可以忽略不計，而測量光束在試件表面上形成一個極小的光斑(它的大小在1微米至5微米范圍內(nèi))。試件表面任何水平方向尺寸大于此光斑的微小起伏變化都將被測量出來(水平方向尺寸小于光斑二至三倍的起伏變化也能被發(fā)現(xiàn))。以后的工作過程是上述測量光束和參考光束被測表面反射，再經(jīng)物鏡(15)，λ/4玻片(14)等返回到冰洲石雙折射晶體(10)，因為它們兩次通過λ/4玻片，各自偏振方向都被轉(zhuǎn)過90°，再經(jīng)過冰洲石晶體(10)時測量光束一直通過，而參考光束被折向右(圖1)。這樣就避免了反射光回到激光器引起工作不穩(wěn)定。這兩束光再經(jīng)冰洲石雙折射晶體(7)(它的長度為冰洲石雙折射晶體(10)的兩倍)重新合為一束。經(jīng)45°放置的偏振片(3′)后發(fā)生干涉，由透鏡(17)會聚到光電管(18)。這里測得的信號頻率應(yīng)為ν1-ν2±ν＝ν參±ν式中dν是測量光點在被測件沿水平方向移動時隨被測件表面上的起伏不平而上下跳動所引起的多普勒頻移。因為本項發(fā)明用于測量精細表面輪廓形狀，±dν常在半個波長(λ/2)以內(nèi)，最多幾個半波波長，所以用相位計(20)比較測量信號ν參±dν與光電管(5)經(jīng)放大器(6)送來的參考信號ν參的相位。如果被測平面為理想平滑，則dν＝O，相位計(20)輸出為一固定的電平，記錄器(21)畫出一條直線。實際上只要被測件表面上那怕只有1
甚至0.1
的起伏不平也要引起輸出電平變化，由記錄儀器或計算機繪出輪廓形狀。如果變化超出半個波長(或相位計的更細分擋量程)則記錄曲線為鋸齒形，每一個鋸齒為半個波長(λ/2)或更細的相位計分檔量程?？梢杂糜嬎銠C整理復(fù)原為真實形狀。
本發(fā)明的優(yōu)點在于利用了差動干涉儀原理并且造成同軸的測量光束和參考光束、使得抗振動、溫度和氣流變化性能更優(yōu)于差動干涉儀。本項發(fā)明對外界和儀器本身的振動干擾極不敏感，當(dāng)被測件相對于物鏡振動幅度約等于80nm時仍可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測量起伏僅1nm的試件輪廓形狀。同時對裝置本身的載物臺導(dǎo)軌無過分嚴格的精度要求，因為導(dǎo)軌不平直不引起一次誤差。此外，在測量操作時不要求很嚴格的將試件調(diào)水平(調(diào)水平對于現(xiàn)在高分辨率輪廓儀-如Talystep，是一個很麻煩的問題)。
實施例本發(fā)明提供的無接觸高分辨率掃描式激光輪廓儀，可用常規(guī)的光學(xué)、機械加工制作，并已在實驗室制成樣機，做成大量試驗和對比工作1 對由無氧銅做成的大功率激光諧振腔反射鏡(可以用于激光武器)。因其表面極光滑而材質(zhì)又軟，用現(xiàn)有最好的Talystep輪廓儀只能測出隱隱約約的輪廓形狀變化，并且留下劃痕，不能得到真實測量結(jié)果。而用本發(fā)明裝置將1
的輪廓變化放大到2mm，測出清晰的輪廓曲線，根本不接觸試件表面。
2 曾測量由單晶硅制成用于集成電路工業(yè)的輪廓儀校正標(biāo)準(zhǔn)塊、測出其輪廓形狀細節(jié)，并且發(fā)現(xiàn)了原來檢定有誤差。因為本裝置是用激光為標(biāo)尺的，只要激光源穩(wěn)頻可靠就無需再用其它標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)。
3 曾測量由玻璃制成最精細級輪廓儀校對基準(zhǔn)塊，數(shù)值符合很好，偏差只有百分之二。小于標(biāo)準(zhǔn)本身的檢定誤差。
權(quán)利要求
一種無接觸高分辨率掃描式激光輪廓儀[1]其特征在于1、用偏振分光器件如雙折射晶體或其它偏振分光器將激光分成偏振方向互相垂直的兩束，一束作為干涉儀的參考臂會聚于物鏡上方，經(jīng)物鏡后變成直徑較大并可變換的平行光束γ1，而另一束γ2作為測量臂在進入物鏡前保持為平行光，經(jīng)物鏡會聚成極小光點落在試件表面上，此兩束光中心同軸。上述可變換尺寸的大直徑參考臂光束由于其光斑直徑甚大，對于被測表面的細小起伏不平無反應(yīng)(可忽略不計)。而測量臂由于會聚于試件表面上的光斑甚小(可達1μm)，所以能夠以1μm的橫向分辯率測量在高(深)度方向精細到1
(埃)的表面輪廓形狀(極限分辯率可達0.1
)。2、光束ν1和ν2照射到被測表面上時是同軸的，最理想的利用了差動干涉儀原理，具有高穩(wěn)定性和抗干擾性能，為信號處理采用精細相位測量法提供了信號高信噪比條件。3、參考光束ν1的直徑大小是可以通過變換物鏡組來改變的，一般范圍由40μm～10mm，能適應(yīng)各種不同形狀的試件。
專利摘要
新的無接觸高分辨掃描式激光輪廓儀。以兩束偏振方向正交且同軸的激光束作為干涉儀的兩個臂，用本發(fā)明的方法使其中一束成為直徑較大的平行光束，另一束則會聚成很小的光點，一齊落到被測表面上。測量分辨率達到1，若被測表面反射性能良好可做到0.1。適用于測量各種金屬與非金屬的精細表面輪廓形狀，如高級鍍模光學(xué)表面，大功率激光器的金屬反射鏡，X射線天文裝置的反射面，硅片材料表面，超大規(guī)模集成電路，校對輪廓儀的精細標(biāo)準(zhǔn)塊等。
文檔編號G01B11/24GK86106872SQ86106872
公開日1988年5月11日 申請日期1986年10月27日
發(fā)明者周肇飛 申請人:成都科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan