用于超光滑表面无损检测的光学轮廓仪

　　引　言

　　在信息、材料、生物、微电子等高科技领域中,对各类器件的表面形状及粗糙度的要求已越来越高。特别是对超大规模集成电路硅片表面、大功率激光器谐振腔表面、各类软质金属材料表面结构均需非接触无损检测的高精度轮廓仪。由于这类超精表面的表面粗糙度均方根值已达到纳米及亚纳米量级。在测试中,不得使表面有任何损伤。所以,光学轮廓仪以其非接触无损检测表面,且利用相移技术,提高测量精度,已在许多高科技领域得到广泛应用[1-5]。

　　本文所述的光学轮廓仪,采用共路干涉而无需参考面:利用电子共模抑制技术消除系统存在的激光幅值波动及电子噪声,提高了测量精度。利用计算机进行一系列控制测试,对一些超光滑样品进行测试,测量数据及精度与国际同类轮廓仪比对,得到了一致的结果。

　　1　测量工作原理

　　图1所示的是激光双焦平面轮廓仪简图。这是一个偏振干涉系统,从He-Ne激光器射出的线偏振光通过一块1/2波片2后,经扩束准直及分光棱镜后进入一双焦透镜9,该双焦透镜是由两块正透镜及一块方解石晶体组成的[6]。利用方解石晶体O光与e光有较大折射率的特性,使线偏振光经过晶体后,变成两束光,其中O光被聚集在无限远,而e光在有限远。用一20倍的显微物镜与e光共焦,则e光经显微物镜后成为平行光束;而O光则变成会聚光束,控制电机M1使被检面11位于O光焦点处。由此可将O光作为检测光束,而e光为具有一定口径的平行光束,当光束口径与被测面粗糙度比较足够大时,则光束口径内的平均相位恒定,e光可作为参考光束。O,e光经被检面反射后,再一次通过显微物镜与双焦透镜。1/4波片8的快光轴与方解石晶体的光轴定向在45°。这样经波片后,线偏振光转变成圆偏振光,经反射后分别进入检偏器P1,P2,当检偏器绕光轴旋转时可调制干涉光束的相位。且检偏器的光轴是相互正交的,从而可形成相位差为π的两路干涉光束,两路光束的强度是

　　图2所示的曲线1就是两路相位差π的光电移相信号,当系统调整良好时,曲线1的信号信噪比最好,幅值最大,因此可确定系统是否处于最佳工作状态。为了使系统处于最灵敏状态,调试信号使最佳工作电平处于如图2的点Vm,同时以Vm作为测量的起点,可得轮廓高度Δh为

　　结论与(5)式一致,这就是说即使系统有信号漂移,但利用双通道共模抑制技术,通过相减、相加及相除可仰制信号漂移,由此大大提高了系统的测量精度。测量时,由计算机控制步进电机M1带动干涉箱对样品进行调焦,当图1的步进电机M2推动样品工作台直线移动,按粗糙度测量标准的长度逐点扫描采样时,系统采集光信号并通过前置放大器、12位的A/D转换器将数据输入计算机经数据处理,就可获得该方向的表面轮廓图。图2中的曲线2就是表面形貌的光电信号,可见两路表面的信号同值反向,由此可提高测量灵敏度。利用电子共模抑制技术进行双通道采样,将该两路光电信号经数据采集处理,经(8)式运算可得到表面轮廓。同时该测量方法可以消除信号的直流漂移、激光振幅噪声和其它一些扰动的影响。