表面微观形貌测量中光探针大小对测量结果的影响

　　引　言

　　表面微观形貌测量技术中,探针测量方法是一个主要的测量方法,其中包括机械触针、光学探针以及各种扫描探针显微镜(SPM)的探针等。虽然它们各具特点,但它们都采用非常细的探针以接触式或非接触式来测量表面的微观起伏。就目前技术发展水平,探针式微观形貌测量仪在纵向分辨上已达到0.1nm量级,这足以测量表面高度极其微小的起伏。但是,探针针尖半径的大小将直接影响到测量的横向分辨率。目前,机械触针采用金刚石材料,其最小探针半径可做到20nm左右。在SPM中,常用的是AFM(原子力显微镜),它采用硅或氮化硅做探针材料,其最小探针半径能达10nm。而各种光学探针由于受衍射限制,其焦斑直径在微米量级。即使采用大数值孔径的显微物镜,焦斑直径也在几百纳米量级。而且大数值孔径的镜头其工作距很小,极易触及被测表面,给测量带来很大的不便。任何探针都有一定的大小,故探针的测量结果只是探针区域内形貌的平均值。测量所获得的表面轮廓或形貌其真实性,直接受探针直径大小的影响。图1为机械触针和光学探针测量表面微观形貌的显微示意图。

　　有关文献报道了采用Tencor alpha-step 200机械式触针轮廓仪、WOKO的光学形貌仪以及AFM对同一样品表面进行测量的结果,发现表面评定的各项参数(Ra,Rq,Rsm等),不尽相同[1]。同时也定性地认为,导致评定结果不一致的原因是由于不同仪器的横向分辨率不同。由于原子力显微镜具有很高的纵向和横向分辨率,同时又有一定的X-Y扫描范围,故选择用来测量光滑样品表面的微观形貌。它所采集的数据可作为分析和数值仿真的原始数据,来定量地分析光学探针直径大小对各项表面评定参数的影响。

　　1　AFM对光滑样品的测量

　　测量采用美国Digital Instruments公司的NanoscopeⅢAFM,其探针半径为60nm,X-Y扫描范围:90μm×90μm。该扫描范围能满足ISO关于所选样品建议的评定长度(80μm)的要求。测试采用的样品为标准长度量块。

　　在90μm×90μm被测区域内,AFM采样点数为512×512,即采样间隔约为0.2μm。图2是量块的微观形貌图(篇幅有限,图中只给出90μm×25μm范围内的形貌)。由图2看出,由于量块是研磨加工制成,其表面有间距不等的划痕。图3给出的是图2的一个横切面轮廓。

　　2　光探针直径对表面形貌评定参数的影响

　　在分析光探针大小对评定参数形貌测量的影响时,利用数学上的卷积模型,假设光学探针所得到的形貌是在整个针尖范围内表面轮廓的平均,可由下式表示

其中Z(x)为探针的实际测量轮廓,Z0为被测表面的原始轮廓,P(x)为光探针的卷积因子。