复合型超精密表面形貌测量仪

　　1　引　言

　　超精密和超微细加工技术的日益进步使得机械、电子、光学、材料等工业均朝着微小化、精密化的方向迈进。机械组件的精度、半导体蚀刻的沟槽深度、曝光的线宽等都因技术的不断创新达到了更高的品质，并且出现了各种微/纳米级的微器件，如微齿轮、微型孔、微型台阶等。因此，超精密表面形貌检测除了检测高度方向参数和横向峰峰距或峰谷距均是纳米量级的加工零件和材料表面微观三维形貌外，还要检测由微电子、微光学元件、微机械等微观结构单元组成的三维复杂微观结构。这就要求超精表面形貌测量仪器必须具备垂直、水平方向上的高分辨率，和较大的测量纵深和测量范围。

　　触针式轮廓仪[1]、光学轮廓仪[2-3]和原子力显微镜[4-6]等表面形貌测量仪器已在超精密表面测量中得到了广泛应用。由于受针尖半径和瑞利衍射极限的限制，传统触针式轮廓仪和光学轮廓仪无法对横向分辨率要求很高的集成电路、精密光学镜头、盘片或晶片表面等进行测量。而原子力显微镜在横向和垂直方向都有极高的分辨率，从而成为进行高分辨率超精密表面形貌或结构测量的必然选择，但是原子力显微镜的测量速度比较低，测量范围也比较小，为了兼顾测量速度和精度，可以将原子力显微镜和大视场测量系统相结合，这样就可以迅速定位感兴趣的区域并采用原子力显微镜进行高分辨率测量，同时还可以以较低的横向分辨率进行快速、大视场形貌测量。

　　本文以超精密表面形貌测量为目的，基于同一显微镜基体实现了原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能，文中分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系、探针微悬臂测量非线性误差的修正以及通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到被测表面形貌的原子力探针工作方式。自主研制了基于白光显微干涉的原子力探针测头和由大量程计量型纳米级垂直扫描系统和共运动面 X-Y 二维精密工作台组成的三维精密位移系统。

　　2　结构和测量原理

　　所研制的复合型超精密表面形貌测量仪的两种测量功能共用光路和硬件系统，针对不同的测量要求可以采用不同的测量方法。测量仪包括显微干涉系统、原子力探针组件、垂直扫描系统、共运动面X-Y 二维精密工作台、图像采集系统和计算机处理系统等，实物照片如图1所示。被测样品放在二维工作台上，垂直扫描系统固定在立柱上可以带动显微干涉系统上下移动，机械机构安装在防震的大理石平台上，整个测量系统放置在气浮隔震平台上。