超光滑表面无损检测轮廓仪

　　0　引言

　　利用光学干涉方法可对超光滑表面粗糙度进行非接触无损检测.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.由于这类超精表面直接应用于计算机、微电子、材料等高科技领域,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.

　　本文所述的双焦干涉平面轮廓仪,采用共路干涉而无需参考面;利用电子共轭抑制技术消除系统存在的激光辐值波动及电子噪音,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而组成的6.利用方解石晶体寻常光o光与异常光e光有较大折射率的特性,使线偏光经过晶体后,变成两束光,其中寻常光o光被聚集在无限远,而异常光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一平行光束;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的两种干涉光束,两路光束的强度分别是

　　式中Io和Ie分别是从被检面返回的参考及检测光束,Δφ是由表面轮廓所确定的相位差.调整半波片可使Io=Ie,则上式可表示为

由式( 1)～ ( 4)可以导出

　　该两路信号由光电二极管接收,其强度正比于被测面的相位.图2所示的曲线1就是两路相位差π的光电信号.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,可得轮廓高度Δh为

　　当图1中的步进电机M2推动样品工作台直线移动时,就可获得该方向的表面轮廓图.图2中的曲线2就是表面轮廓的光电信号,可见两路信号同值反向,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,经式(7)运算可得到表面轮廓.