用於納米級表麵形貌測量的光學顯微測頭

為了滿足（zú）納米級表麵形（xíng）貌模板高精（jīng）度非接觸測量的要求，研製了一種高分辨率光學顯微鏡探頭。以激光全息單元為光源和信號拾取（qǔ）器件，利（lì）用差（chà）分光斑尺寸變化檢測原理建立了微位移測量係統，並與光學顯微成像係統結合形成了高分辨率的光學微探針。將（jiāng）測頭應用於納米三維測量機，進行（háng）了台階高（gāo）度模板和一維線間距模板的測量實驗。結果表明（míng），光學顯（xiǎn）微鏡探頭結合納米三（sān）維測量機可以實現（xiàn）納米級表（biǎo）麵形貌模板的（de）溯源測量，具有掃描速度快、測量分辨率高、結構緊湊、非接觸測量等優點，對解決納米級表麵形貌測量問題具有重要的實用（yòng）價值。

0簡介（jiè）

隨著（zhe）超精密加工技術的發展和各種微納結構的廣泛應用，納（nà）米三坐標測量機等精密測量儀器越來越受到重視。國內外一些研究機構開發了納米測量機，開展（zhǎn）了微納結構測量[1-4]。納米測量機作為一個高精（jīng）度的開放式測量平台，可以兼容不同原理的接觸式探針和非接觸式（shì）探針[5-6]。作為納米測量機的（de）核心部件之（zhī）一，測頭在微（wēi）納（nà）結構幾何參數（shù）的高精度測量中發揮著重要作用（yòng）。隨著原子力顯微鏡等高分辨率探針的（de）出現，納米（mǐ）測量機可（kě）以實現複雜微納結構的（de）高精度測（cè）量[7-8]。但由於其測量速（sù）度慢（màn），對（duì）測量（liàng）環境要求高，不適合大規（guī）模快速測量。光學探針從原理上（shàng）可以提高（gāo）掃描速（sù）度，作為非接觸式探針，還（hái）可以（yǐ）避免損傷樣品表麵。因此，在微納表麵形貌測（cè）量中有其獨特的優勢。在光學探頭的發展中，激光聚焦（jiāo）方法受到國內外研究者的（de）青睞。德國Sioses公司生產（chǎn）的納米測量機包括基於光學像散原理的激光（guāng）聚焦光學探針。國內一些高校和研究機構（gòu）也開展了這方（fāng）麵的研究（jiū）[9-11]。這些探頭（tóu）主要基於散光和差（chà）分光斑尺（chǐ）寸變化檢（jiǎn）測的原理來（lái）執行散焦檢測[12-13]。CD和（hé）DVD播放機係統中常用的激光全息（xī）單元已應用於（yú）微位（wèi）移測量[14-15]，在納米測（cè）量（liàng）機光學測頭的研製中也有很好的實（shí）用價（jià）值。為了（le）滿（mǎn）足納米（mǐ）尺度表麵形貌測量的要求，本文研製了一種基於激光全息（xī）單元的高分（fèn）辨率（lǜ）光學顯微鏡測頭，應用（yòng）於自主研發的納米三（sān）維測（cè）量機，可以實現對被（bèi）測樣（yàng）品的快速瞄準和測量。

1激光全息單元的工作原理

全息單元是半導體激光器（qì）(LD)、全息光學元件(HOE)、光電探測器(PD)和信號處理電路的集成元件。它最早應用於CD和DVD播放係統（tǒng），用於讀取光盤信息和實時檢測光（guāng）盤聚（jù）焦誤差（chà）。其工作原理如圖1所示。LD發射激光束（shù），出射窗上（shàng）有（yǒu）一（yī）個透明塑料部（bù）件（jiàn）。其內表（biǎo）麵（miàn）為直線條紋光柵，外表麵為曲線條紋（wén）全（quán）息光柵。兩組光柵相互交叉，外表麵光（guāng）柵用（yòng）於產生聚焦誤（wù）差信號。LD發出的激（jī）光束在光盤表（biǎo）麵反射回來後，全息光柵產生的一級衍射（shè）光分別返回（huí）到兩組光電探測器P1~P5和P2~P10。當光盤上下（xià）移動時，左右光電探（tàn）測器的光斑麵積反向（xiàng）變（biàn）化，根據這一現（xiàn）象產生聚焦誤差信號。這（zhè）種測量方法稱為差分光斑尺寸變（biàn）化檢測（cè），聚焦誤差信號可（kě）以表示（shì）為（wéi）

根據聚焦誤差（chà）信（xìn）號，可以判斷光盤的（de）散焦量。

根據上述原理，本文設計了一種具有高分辨率光學顯微鏡探（tàn）頭的激光全息測量係統。

光（guāng）學顯微鏡探頭的設計（jì）與實現

光學測頭由（yóu）激光（guāng）全息測量係統和光（guāng）學（xué）顯微（wēi）成像係統兩部分組成。前者用於測量被測樣品的（de）微小（xiǎo）位移（yí），後者用於（yú）監測測量過程，從而實現對被測樣品表麵結構的非接觸瞄準和測量。

2.1激（jī）光全息測（cè）量係（xì）統的設計

光學探頭的光學係統如圖2所示，其中激（jī）光全息測量係統由激光全息單元、透鏡1、分光鏡1和顯微物鏡組成。測量時，激（jī）光全（quán）息單元中的半導體激光器發出的（de）光束通過透鏡1變成平（píng）行光束，經分光鏡1反射後，通過顯微物鏡會聚在被測件表麵。從（cóng）被（bèi）測件表麵反射的光束反向通過顯微鏡物鏡，一小部分（fèn）光通過分光鏡1進行觀察，大部分光被分光鏡1反射，然後通過透鏡1會聚在激光全息單元上，被集成在全息單元中的光電探測器接收。這樣，被測樣品表麵上瞄準點的（de）位置信息被轉換成電信號。光學顯微（wēi）鏡探頭設計選用的激光全息單元為（wéi）鬆下HUL7001，激光波長為（wéi）790 nm。

當被（bèi）測樣品表麵位於光學顯微（wēi）鏡探頭的（de）焦平麵上時，反射光沿原路返（fǎn）回激光全息單元。全息單元中（zhōng）兩組光電探測器接收的光斑大小相等，聚焦誤差信（xìn）號為零。當樣品表麵偏離顯微鏡物鏡的聚焦平麵時，從（cóng）樣品表麵反射回來的光束的傳播路徑（jìng）會發生變化，進入激（jī）光全息單元的反射光在兩（liǎng）組光電（diàn）探測（cè）器上的分（fèn）布（bù）也會發生相應的變化，導致激光全息單元的（de）聚焦誤差信號發生變化。當（dāng）被測樣品在顯微鏡物鏡的（de）焦點內時，聚焦（jiāo）誤差信號小（xiǎo）於零，而當被測樣品在顯（xiǎn）微鏡物鏡的焦點（diǎn）外（wài）時，聚焦誤（wù）差信號大於零。因此，利用激光全息（xī）單元的輸出電壓與樣品在焦平麵附近的位移之間的單調對應關係（xì），通過測量激光（guāng）全息單元的輸出電（diàn）壓，可以得到樣品的位移。

2.2顯微鏡物（wù）鏡參數（shù）的選擇

在（zài）激光全息測量係統中，顯微（wēi）鏡物鏡是一（yī）個重要的光學元件，其（qí）光學參數直接關係到光學顯微（wēi）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（quán）息單（dān）元、透鏡1和顯微鏡物鏡之間的位置關係不（bú）變（biàn）的情況下，對於相同的樣品位移，顯微鏡物（wù）鏡的焦距越小，顯微鏡（jìng）物鏡（jìng）和透鏡1成像的樣（yàng）品上被測點（diǎn）的位移越大，激光全息單元中光電探測器的（de）輸出信號變化越大（dà），即測量（liàng）係統（tǒng）的（de）縱向分辨率越高。此外，顯微鏡物鏡的數值孔徑也影響探針的分辨率。當光波長不變時，顯微鏡物鏡的數值孔徑越大，其景深越小，探針的縱向分辨（biàn）率越高。同時，顯（xiǎn）微鏡物（wù）鏡的數值孔徑越大，激光（guāng）束的會聚光斑越（yuè）小，係統（tǒng）的橫向分辨率越高。考慮到（dào）探頭分辨率和工作距離等因（yīn）素，光學顯微鏡探頭（tóu）的設計選用（yòng）了大恒光（guāng）電GCO-2133長工作距離物鏡（jìng）。它的放大率為40，數值孔徑為0.6，工（gōng）作距離為3.33毫米

2.3定焦微探頭的實現

除（chú）激光全息測量係統外，光學顯微鏡探頭還包括光學顯微鏡成像係（xì）統，由光源、顯微鏡（jìng）物鏡、透鏡2、透鏡3、分光鏡（jìng）1、分光鏡2和CCD相機組成（chéng）。光源（yuán）均勻照亮被測樣（yàng）品表麵，被測樣（yàng）品通過顯微物鏡、分光鏡1、透鏡（jìng）2和分光鏡2成像在CCD相機的接收（shōu）麵上。為了避免光（guāng）源發熱對測量係統的影響，采用光纖傳（chuán）輸光束將照明光引（yǐn）入顯微成像係統。通過CCD攝像（xiàng）機，我們不僅可（kě）以觀察被測樣品的表麵形貌，還可以觀察激光全息單元發出（chū）的光束在樣（yàng）品表麵的聚焦（jiāo）情（qíng）況。

根據圖2所示的原理（lǐ），通過光學元件的選擇、加工（gōng）和信號放大（dà）電路的設計來製（zhì）造光學顯微鏡探頭，如圖3所（suǒ）示。從結構上看，該探頭具有體積小、集成度高的優（yōu）點。將探頭安裝在納米測量機上，編製相應的測量軟件，可用於被測樣品的快速瞄準和高分辨率非接（jiē）觸測量。

3測量實驗（yàn）及結果分析

為了測試光學顯微鏡探針的功能，將探針安裝在納米3D測量機上，並且顯微鏡物鏡的光軸沿著測量機的Z軸。標定了其輸出信號的電壓與被測樣品（pǐn）離焦量的關係，並用其測量了台階高度模板和一（yī）維線間距（jù）模板[16]。在25 mm×25 mm×5 mm的測量範圍內，空（kōng）間分辨率（lǜ）可達0.1 nm。實驗在溫度控製在(20±0.5)℃

3.1輸出電壓和（hé）探頭位移之間關係的建立

為了獲得光學顯微鏡探頭輸出電壓與被測表麵位（wèi）移（yí）(離焦)的關係，將被（bèi）測樣品板放置（zhì）在納米三維測量機的工作（zuò）台上，精密位移台驅動被測樣品板沿測量光軸移動。納（nà）米測量機采集位移數據（jù），同時記錄探頭的輸出（chū）電壓信號。圖4示出了當待測樣品從遠離和靠近探針的焦（jiāo）點表（biǎo）麵向探針移動時，探針的輸出電壓和樣品位移之間的關係。

從圖4可以看出（chū），光學顯微鏡探頭的輸出電壓與被測（cè）樣品的位移之間的關係為S形曲線，這與第一節所述的通過微分光斑（bān）尺寸（cùn）變化測量離（lí）焦量的原理是一致的。當被測樣品遠離光學顯微鏡（jìng）探頭的焦平麵（miàn）時，電壓信號近似恒定。當被測樣品靠近探頭焦麵時，電壓開始升高，達到最大值後（hòu）逐漸下降。當模板通過探頭的聚焦麵時，電壓（yā）通（tōng）過初始電壓值，可視（shì）為測量的零點；當樣品（pǐn）繼續遠離焦平麵時，電壓繼續降低，當（dāng）達到最小值（zhí）時，電壓逐漸升高，回到穩定值。在電壓的峰值和（hé）穀值之間，曲（qǔ）線上有一（yī）個線性（xìng）度較好（hǎo）的（de）區域。在測量中，該區（qū）域被選擇作為探針（zhēn）的工作（zuò）區（qū）域。通過擬合該曲線，可以（yǐ）得到探針電壓和模板位移之間的關係。在圖4所示的3微米操作區域中，電壓和位移之間的關（guān）係是

其中:U為激光全息（xī）單元的輸（shū）出（chū）電壓；d是（shì）離焦平麵的距離。

3.2台階高（gāo）度（dù）測量試驗

在校準光（guāng）學微探針的電壓-位移關係之（zhī）後，通（tōng）過配備有光學微探針的納米3D測量機測量台階高度模板。

測量過程中，矽基（jī）SHS-1微米台階高度模板放置在納米三維測（cè）量機的工（gōng）作台上。首先調整模板的位置，通過CCD圖像觀察模板，使被測台階的邊緣垂直於工作台的X軸（zhóu）移動方向，模板的表麵位於光學顯微鏡（jìng）探頭的聚焦麵（miàn）上。此時，測量光束會聚在被測模板的表麵，如圖5所示（shì）。然後利用工作（zuò）台帶動模板沿X方向移動，使測量光束掃過模板上的台階，同時記錄光學顯微鏡探頭的輸出信（xìn）號。最後，對測量數據進行處理，計算出台階高度。

step模板的測量結果（guǒ）如圖6所示。根據檢定（dìng）規程（chéng）[17]對（duì）測量結果進行處理（lǐ）後，發現被測模板的台階高度為1.005μ m，與該樣板1.012微米的標定結果（guǒ）相比，測量結（jié）果（guǒ）吻合較好，其微小偏差反映了測量過程（chéng）中（zhōng）溫度變化、幹涉儀非線（xiàn）性、樣板不平整等因素（sù）造成的測（cè）量誤（wù）差。

3.3一維線間距測量測試

在（zài）測量一維線間距模（mó）板的過程中，將矽基LPS-2微米一維線間距模（mó）板（bǎn）放置在納米測量（liàng）機的工（gōng）作（zuò）台（tái）上，使測量線沿（yán）X軸方向，模板表麵位於光學顯（xiǎn）微鏡探針的焦平（píng）麵上。然後利用工作台帶動模板沿X方向移（yí）動，使測量（liàng）光束掃過（guò）行距模板上（shàng）的刻線，同時記錄納米測量機的位（wèi）移測量結果和光學顯微鏡探針的輸出信號。最後，對測量數據進行處理，測量結果（guǒ）如圖7所示。

根據檢定（dìng）規程[17]對一維線間距的測量結果進行處理，發現被測樣（yàng）品的劃線間（jiān）距為2.004微米，與該樣品2.002μ m的標定結果非常吻合

3.4分析和討論

從光（guāng）學顯微鏡探針（zhēn）輸（shū）出電壓與被測表麵位移關係的標定（dìng）實驗結果可以看出，利用探針輸（shū）出（chū）電壓與探針焦平（píng）麵附近樣品位（wèi）移的單調對（duì）應關係，通過測量探針（zhēn）輸（shū）出電壓的變化，可以得到樣（yàng）品的位移。在圖4所示的曲線中，以電壓-位移曲線（xiàn）上探頭焦麵附近3微米的（de）位移範圍為工作區域，對應的電（diàn）壓變化範圍（wéi）約為0.628V，根據電壓測量分辨（biàn）率和噪聲影響的分析，探頭在有效範圍內的分辨率可（kě）以達到納米級。

台階模板和一維線間距模板的測量（liàng）結果表明，該光學顯微鏡探針可（kě）應用於納（nà）米三維測量機，實現微納表麵形貌模板的快速定位和微位移的測量。通過（guò）用納米測量機（jī）的激光幹涉儀標定光學顯微鏡探針的位移，探針的位移測（cè）量結（jié）果可以溯源到穩頻激光的波長。實驗過程也證明了光學顯微鏡探頭具有掃描速度快（kuài）、測量分辨率高、抗幹擾能力（lì）強的優點，適用於納米表（biǎo）麵形貌的非（fēi）接觸測量。

4結論

本文介紹了一種用於納米級（jí）表麵形貌測量的高分辨率光學（xué）顯微（wēi）鏡探頭。在探頭設計中，采用激（jī）光全息單元作為位移測量係統的主要組成部分，根（gēn）據差分光斑尺（chǐ）寸變化原理實（shí）現微位移測量。結合光（guāng）學顯微鏡係統，形成結構緊湊、集測量和觀察功能於（yú）一體的高分（fèn）辨率光學顯（xiǎn）微鏡探頭（tóu）。將（jiāng）探頭安裝在納米三維（wéi）測（cè）量機上，進行了台（tái）階高度模板和一維線間距模（mó）板的測量（liàng）實驗。結（jié）果表明，光學顯微鏡探頭能夠實（shí）現預期的測量功（gōng）能，位（wèi）移測量分辨率可以達到納米級。下一步，將通過多種微納模（mó）板測量實驗，進一步考察和改進探頭的結構（gòu）和性能，使（shǐ）其更適用於納米3D測量（liàng）機，並應用於微納結（jié）構幾何參數的非接觸測量。