纳米级精度分光路双频干涉度量系统的设计

　　电子产品的高集成度和多功用的发展势头,对部件外观轮廓提出了极高的要求,如新一代计算机硬盘和大规模集成电路要求盘片或晶圆只能具有纳米尺度划痕,并且要求能够快速、精确的度量出其外观轮廓。传统的光学度量技术如干涉技术,因采用了相位度量技术,对于粗糙度度量已能达到埃级分辨率,但由瑞利原理可知光学度量技术无法进行纳米尺度划痕度量。另者,原子力显微镜具有纳米级的分辨率,那是由于其最紧要部件微探针针尖半径处于纳米尺度范围。结合上述两种技术的优点,本文设计出一种新型纳米级精度分光路双频干涉度量系统。系统由低频差双频激光干涉度量模块和微探头及二维工作台两部分组成。后部分中最紧要部件微探针在接近样品至几十纳米时,受原子力作用发生偏转,利用前部分度量其纵向偏转量,并对样品进行梳状式度量得到样品形貌。在此设计下,本文对纵向分辨率进行了实验验证,以此作为整个设计的第一步。

　　1　原　理

　　纳米级精度分光路双频干涉度量系统如图1所示,主要由A、B两部分组成,A是低频差双频激光干涉度量模块,B是微探头及二维工作台。其中,B由微探针、压电驱动器和微调机构组成。

　　系统采用轻敲式度量。微探针轻敲样品,并通过伺服反馈系统保持轻敲力处于最小值,即微探针与样品刚接触但相互撞击力约等于零。微探针受样品原子力作用后振幅发生改变,用A度量振幅的变化量,即得外观轮廓起伏的变化量。通过二维工作台驱动样品横向移动,从而可以对样品形貌进行度量。

　　1.1　低频差双频激光干涉模块度量原理

　　低频差横向塞曼He_Ne激光器1作为光源,输出正交线偏振双频激光,由BS分为透射光和反射光,反射光经过检偏后由光电管3接收形成参考信号,透射光通过小透镜4会聚于针孔5上,经过针孔5滤除杂散光后由胶合透镜6将光束扩成平行光束。平行光束通过光阑7后只有零级衍射光斑通过偏振分光镜8进行偏振分光,其中反射光作为参考光,透射光作为度量光。参考光先经过快轴沿45°放置的1/4波片9后被参考镜10反射,反射光又经过1/4波片9使得参考光的偏振方向旋转90°,再次经过偏振分光镜8时变为透射光;度量光经过快轴沿45°放置的1/4波片11和显微物镜12投射在微探针13上,度量光经过微探针13反射回后,再经过1/4波片11后偏振方向也旋转90°,再次经过偏振分光镜8后被反射,并与参考光汇合。合成光经过会聚透镜17后由光电管18检偏接收形成相位度量信号,与参考信号进行比相。相位值反映了微探针13振幅变化引起的多普勒频移,可以推导出振幅变化与相位的关系式。