专利名称:无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪的制作方法
本发明属于激光测试技术领域：
。用偏振光差动干涉原理和光电信号相位测量法测量精细表面轮廓形状的方法和设备。
由于高性能光学设备、射线设备(如激光武器和x射线天体测量装置)和集成电路工业技术的发展，新的、高分辨率无接触轮廓测量方法成为迫切的需要，研究者也为数不少。在这方面有关的文章有(Ⅰ)Z.F.Zhou(周肇飞)《PTB Mitteilungen》94.1/84“untersuchungen ueber ein Fotoelektri-sches Interferenz-messmikroskop mit Zweifreq-uenzlaser Zum Messen Von Feinstrukturen”。
(Ⅱ)G.Makosch，B.Drolliner《Applied Optics》1984.12.“Surface profile measurment With a scanning differential ac Interferometer”(Ⅲ)C.W.See，M.Vaez，and H.K.Wikramasinghe《Applied Optics》1985.8.“Scanning differe-ntial phase contrast optical microscopappl-ication to surface studies”《Applied Optics》1 August 1985/Vol.24，No.15等均有报导。
但这些研究工作皆有明显不足，主要问题是1 差动干涉仪只能作相对测量-只能比较两个小光点投射处的高低差别，并不能测出真实轮廓。往往光束只是部份利用物镜孔径因无法造成足够小的光点，横向分辨率低。
2 只能适用于某一特定的表面形状或很小的测量范围，局限性很大。
3 对设备本身的制造精度要求过高，不易稳定，难以达到高分辨率。
4 现在使用最多的接触式表面轮廓测量仪器，测量时会划伤精细表面，对于要求不允许留下划伤的表面，则用接触式测量仪器无法测量。
本发明提供的无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪能测出精细表面轮廓的真实形状，又具有差动干涉仪对外界振动，干扰不敏感的优点，对本身制造精度亦无过高要求。其分辨率和信噪比极高。能测量任何形状的精细轮廓，且无接触，完全不会划伤被测表面。适用于测量各种金属与非金属的精细表面轮廓形状。如高级镀膜光学表面，大功率激光器的金属反射镜，x射线天文装置的反射面，硅片材料表面，超大规模集成电路，校对轮廓仪的精细标准块等。
图1是无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪结构示意图(1)激光管。(2)玻片。(3)，(3′)偏振片。(4)，(17)透镜。(5)，(18)光电管。(6)，(19)放大器。(7)，(10)冰洲石双折射晶体。(9)，(12)反射镜。(11)透镜。(13)半透半反射镜。(14)λ/4波片。(15)物镜。(16)被测件。(20)相位计。(21)记录器本发明是一种利用了差动原理的偏振干涉仪。用偏振分光器件将激光分成偏振方向互相垂直的两束，一束作为参考臂，使会聚于物镜象方焦点上，经物镜后变成直径较大并可通过更换物镜组改变直径大小以适应不同被测件要求的平行光束ν1。另一束光ν2作为测量臂，在进入物镜前保持为直径能充满物镜孔径的平行光，经物镜会聚成极小的光点落到被测表面上。此两束光中心同轴。由于参考臂光束射到被测面上的光斑甚大40μm～10mm对于细小的起伏不平无反应，而测量光斑很小(可达1μm)，所以能以1μm的横向分辨能力测量在高度方向精细到1
(埃)，极限分辨率可达0.1
的表面轮廓形状。上述很高分辨率是通过相位测量实现的。由于光束ν1和ν2是同轴的，最理想的利用了差动干涉仪抗干扰、防振性能优越的特点，为相位测量提供了高信噪比条件。
如图1和图2(即图1中晶体(10)以下的局部放大图)。采用偏振分光原理，使激光器(1)射出偏振方向正交的激光束(或经处理后变成正交的激光束)它们的频率分别为ν1和ν2。用玻片(2)分出一小部分正交光束作为参考信号。此参考光束的频率为上述ν1和ν2的拍频，即ν参＝ν1-ν2。主要部分则透过玻片(2)经反射镜(9)折向冰洲石双折射晶体(10)。根据偏振方向被分解成两个光束。中央的一束偏振方向垂直于纸面，经会聚透镜(11)聚焦于物镜(15)的象方焦点上，通过物镜(15)后变成平行光束射到被测件表面上，这一束光便作为干涉仪的参考臂。另一束光被冰洲石双折射晶体(10)折向左方，偏振方向平行于纸面，经反射镜(12)反射后射到半透半反射镜(13)，然后转折到物镜(15)上，重新回到中央与参考臂同轴。由于这束光不经过透镜(11)不产生会聚，所以保持为平行光达到物镜(15)，然后被会聚到被测件表面上(详见附图2)。这一束光就是干涉仪的测量臂，或称作测量光束。这样的光路安排使得测量光束可以充满物镜口径，从而获得最小的会聚光点。由于参考光束断面直径相当大(且可以在40微米至10毫米范围内按需要调节)在被测件表面上形成一个大光斑，使得精细表面的细微起伏变化对干涉仪的影响实际上完全可以忽略不计，而测量光束在试件表面上形成一个极小的光斑(它的大小在1微米至5微米范围内)。试件表面任何水平方向尺寸大于此光斑的微小起伏变化都将被测量出来(水平方向尺寸小于光斑二至三倍的起伏变化也能被发现)。以后的工作过程是上述测量光束和参考光束被测表面反射，再经物镜(15)，λ/4玻片(14)等返回到冰洲石双折射晶体(10)，因为它们两次通过λ/4玻片，各自偏振方向都被转过90°，再经过冰洲石晶体(10)时测量光束一直通过，而参考光束被折向右(图1)。这样就避免了反射光回到激光器引起工作不稳定。这两束光再经冰洲石双折射晶体(7)(它的长度为冰洲石双折射晶体(10)的两倍)重新合为一束。经45°放置的偏振片(3′)后发生干涉，由透镜(17)会聚到光电管(18)。这里测得的信号频率应为ν1-ν2±ν＝ν参±ν式中dν是测量光点在被测件沿水平方向移动时随被测件表面上的起伏不平而上下跳动所引起的多普勒频移。因为本项发明用于测量精细表面轮廓形状，±dν常在半个波长(λ/2)以内，最多几个半波波长，所以用相位计(20)比较测量信号ν参±dν与光电管(5)经放大器(6)送来的参考信号ν参的相位。如果被测平面为理想平滑，则dν＝O，相位计(20)输出为一固定的电平，记录器(21)画出一条直线。实际上只要被测件表面上那怕只有1
甚至0.1
的起伏不平也要引起输出电平变化，由记录仪器或计算机绘出轮廓形状。如果变化超出半个波长(或相位计的更细分挡量程)则记录曲线为锯齿形，每一个锯齿为半个波长(λ/2)或更细的相位计分档量程。可以用计算机整理复原为真实形状。
本发明的优点在于利用了差动干涉仪原理并且造成同轴的测量光束和参考光束、使得抗振动、温度和气流变化性能更优于差动干涉仪。本项发明对外界和仪器本身的振动干扰极不敏感，当被测件相对于物镜振动幅度约等于80nm时仍可以稳定、准确地测量起伏仅1nm的试件轮廓形状。同时对装置本身的载物台导轨无过分严格的精度要求，因为导轨不平直不引起一次误差。此外，在测量操作时不要求很严格的将试件调水平(调水平对于现在高分辨率轮廓仪-如Talystep，是一个很麻烦的问题)。
实施例本发明提供的无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪，可用常规的光学、机械加工制作，并已在实验室制成样机，做成大量试验和对比工作1 对由无氧铜做成的大功率激光谐振腔反射镜(可以用于激光武器)。因其表面极光滑而材质又软，用现有最好的Talystep轮廓仪只能测出隐隐约约的轮廓形状变化，并且留下划痕，不能得到真实测量结果。而用本发明装置将1
的轮廓变化放大到2mm，测出清晰的轮廓曲线，根本不接触试件表面。
2 曾测量由单晶硅制成用于集成电路工业的轮廓仪校正标准块、测出其轮廓形状细节，并且发现了原来检定有误差。因为本装置是用激光为标尺的，只要激光源稳频可靠就无需再用其它标准定标。
3 曾测量由玻璃制成最精细级轮廓仪校对基准块，数值符合很好，偏差只有百分之二。小于标准本身的检定误差。
权利要求
一种无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪[1]其特征在于1、用偏振分光器件如双折射晶体或其它偏振分光器将激光分成偏振方向互相垂直的两束，一束作为干涉仪的参考臂会聚于物镜上方，经物镜后变成直径较大并可变换的平行光束γ1，而另一束γ2作为测量臂在进入物镜前保持为平行光，经物镜会聚成极小光点落在试件表面上，此两束光中心同轴。上述可变换尺寸的大直径参考臂光束由于其光斑直径甚大，对于被测表面的细小起伏不平无反应(可忽略不计)。而测量臂由于会聚于试件表面上的光斑甚小(可达1μm)，所以能够以1μm的横向分辩率测量在高(深)度方向精细到1
(埃)的表面轮廓形状(极限分辩率可达0.1
)。2、光束ν1和ν2照射到被测表面上时是同轴的，最理想的利用了差动干涉仪原理，具有高稳定性和抗干扰性能，为信号处理采用精细相位测量法提供了信号高信噪比条件。3、参考光束ν1的直径大小是可以通过变换物镜组来改变的，一般范围由40μm～10mm，能适应各种不同形状的试件。
专利摘要
新的无接触高分辨扫描式激光轮廓仪。以两束偏振方向正交且同轴的激光束作为干涉仪的两个臂，用本发明的方法使其中一束成为直径较大的平行光束，另一束则会聚成很小的光点，一齐落到被测表面上。测量分辨率达到1，若被测表面反射性能良好可做到0.1。适用于测量各种金属与非金属的精细表面轮廓形状，如高级镀模光学表面，大功率激光器的金属反射镜，X射线天文装置的反射面，硅片材料表面，超大规模集成电路，校对轮廓仪的精细标准块等。
文档编号G01B11/24GK86106872SQ86106872
公开日1988年5月11日 申请日期1986年10月27日
发明者周肇飞 申请人:成都科技大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan