在线检测超精细表面微观形貌的激光轮廓仪

　　引　言

　　随着超精密加工、强激光、光电技术和半导体工业的发展出现了超光滑或有超精细结构的表面,因而要求有对这些表面的微观形貌作无接触测量的手段。一批不同类型的高分辨力光电轮廓仪应运而生;如美国的ZYGO,WYKO型的光干涉式轮廓仪,英国NPL的双焦物镜轮廓仪。但前者存在三个问题:第一是不能用激光,因为无法采取有效措施避免入射光由试件表面和仪器内部的半透半反镜等光学界面反射回到激光源引发噪声甚至闪烁。第二个是对振动等环境干扰敏感,必需在气浮防振台上工作,难以用于在线或在位(on machine)检测。第三是形状误差大,双焦物镜型激光轮廓仪,看似巧妙地用了双折射材料物镜对偏振方向不同的线偏振光有不同的焦距,使离焦的一束光在被测面上形成较大光斑,对表面上的微小凸凹不平有平均作用,被用作参考臂。这样形成的同轴式光路虽具有很大的共模抑制比,但由于双折射材料与玻璃的折射率差别有限,难以形成足够大的参考光斑。现在报导的参考光斑直径10μm,而测量光斑直径1～2μm。如果被测表面凹凸不平的波距稍大,或有特定的精细线纹则会得出大的形貌误差,甚至“面目全非”。本文所述的轮廓仪克服了上述缺点,在已研制成实验室仪器的基础上又发展了可以简单地摆放在金刚石车床刀架上(无需紧固)测量被加工柱面和端面的在线检测仪器。

　　1　工作原理

　　图1所示就是这仪器的工作原理。光源是由热稳频技术稳定于双纵模状态的He-Ne激光器。它出射双纵模线偏振光的偏振面相互垂直、模间隔为640MHz。光束遇到的第一个分光玻片分出一小部份光经偏振方向45°摆放的偏振片,由雪崩管1接收后输出干涉信号送到相位计作为参考信号。主光束经扩束、准直和转折后射入冰洲石晶体1。光束中的O光径直通过而e光折向下方。当它们射出晶体1时成为相互平行的两束光。中央的一束光经可调换的透镜和分光镜又分成两束,并分别会聚于物镜1和2的象方焦面附近,再经λ/4波片和物镜半会聚或平行(可调)照射到被测件的端面或柱面上(一般调节成半会聚是为了降低特殊被测面型对反射光的影响)。它们形成大光斑被用作干涉仪的参考臂。由于大光斑对被测面微观凹凸不平的平均作用,它能提供足够稳定不变的参考信号。另一束光就是测量臂了,它经反射后也被分为两束并且与参考臂同轴经物镜1和2分别会聚于被测表面上。更换不同的物镜可使光斑直径在1μm-2.5μm范围变化。较大的光斑一般对应较长的焦距,有利于测量操作但会降低横向分辨力。这测量光斑随表面凹凸不平而“跳动”。