非接触式表面微观形貌光学测量技术的进展

　　随着现代工业和科学技术的迅速发展，对加工表面质量的要求越来越高。表面结构的优劣控制着产品的质量和性能，以致表面结构检测和分析已经成为一切科研和工业生产的基础，从半导体器件、激光光盘，到计算机芯片和存储器，以及X射线光学元件、激光器窗口和同步辐射器元，对于它们的表面粗糙度要求已接近原子尺度。因此表微观形貌的检测越来越受到人们的关注，从而促进了非接触式测量技术的研究和开发。在各种表面微观形貌测量技术中，除r电子扫描隧道显微镜(ESTM)、光子扫描隧道显微镜(PsTM)和原子力显微镜(AFM)等扫描检测技术外，干涉测试技术由具有非接触和高灵敏度等特点而成为重点研究的方向。

　　精密表面形貌光学检测方法最基本的系统是双光束干涉显微镜，它是利用标准参考面与被测面反射的两束光的干涉，由显微镜将被测面的微观轮廓起伏转换为放大的干条纹，然后通过测量干涉条纹的变形间接地完成表面轮

　　廓的测量。由于这种方法是用等光强而代替等位相面，因此测量精度受到一定的限制。此外，测量精度还受到参考面精度、外界扰动和噪声的严重影响。为了克服和解决上述问题，这些年来国内外发展了多种新型的干涉技术，如微分干涉、双焦干涉、相移干涉和白光扫描干涉等，本文简述这些方法的工作原理、仪器结构以及发展现状。

　　一、双焦干涉是浙江大学光科系研制开发的一种表面微观轮廓仪，它能有效地抑制外界扰动的影响，这种系统的特点是参考光与探测光共路，对外界扰动能很好地相互共模抑制，系统无需专门的参考表面，测量波面与参考波面均来自被测样品表面。由于采用偏光干涉形成两组位相相差7r的干涉信号，使系统存在的激光幅值噪声或幅值波动被有效地共模抑制了，实际上这样处理的结果，电子噪声也得到抑制了。基于上述概念的双焦干涉表面轮廓仪的结构如图1所示。图中月砂Ne激光器(1)输出的偏振光束经扩束准直系

　　统(2)和1/2波片(4)后进入双焦透镜组(S)，该透镜组是由一片方解石负透镜与二片光原玻璃正透镜胶合而成，具有双折射的特性。双焦透镜组起着偏振分束器的作用。入射的线偏振光速被它分成偏振方向正交的寻常光线和异常光线，并分别聚焦于光轴上的不同焦点处(寻常光焦点趋近于无限远，而异常光焦点则在有限远)。这两束光再经一与寻常共焦的显微物镜(6)后，寻常光被很好地聚焦到被检表面(7)上，而异常光则被物镜准直成细平行光束也射到被检表面上，它们即为所需的光束和参考光束。这两光束从被检表面反射回来后再经双焦透镜组重新汇合，但偏振方向仍为正交，它们经半透半反棱镜(8)、半透半反平面镜(9)、反射平面镜(10)和1/4波片，以及检偏器P1}P:后分别产生干涉，并被探测器D1和D:接收。为了保证两组信号位相移动π，系统彩偏振位相调制技术，利用微型电机驱动Pi和Pz,使其能绕光轴同步同向旋转。从探测器n,和D:输出信号V1和Vz，由电子处理系统按下列公式计算出被测样品表面各点的位相差和高度变化: