超光滑表面三维微观轮廓检测的研究

　　1　前言

　　在诸如显微镜物镜、大规模集成电路、光盘磁盘等制造的行业,被加工工件的表面粗糙度或微观形态越来越被认为是影响产品质量、性能的一个不可忽视的因素。目前,表面轮廓的测量多为二维的,它只能得到被测表面某截面的一段曲线,从而所提供的关于表面微观状态的信息是比较片面的、不完全准确的。随着科技的发展和生产工艺水平的不断提高,人们要求对表面微观构造了解的深度已经不仅限于某一截面线段的信息,而是希望了解表面三维微观轮廓。尤其对于挤压加工或溅射加工(如磨削、抛光、镀膜、研磨等)的表面,二维轮廓不能全面反映其表面形状和加工状态,因此必须通过对被测表面某几个小区域三维轮廓的测量来获得这个表面凹凸分布的大小、数量、方向,从而指导实际生产。

　　测量表面三维微观轮廓的方法,有报导可采用机械触针的方法来测量硬质材料如铂片、纸张等,虽然机械触针式轮廓仪具有横向分辨率高(典型值为几个微米,最小可达0·1微米)的长处,但其缺点是测量速度慢、容易划伤被测面、对环境尤其是防震的要求严格。作者采用激光双焦干涉的方法对光滑表面三维微观轮廓的检测进行了研究,测量系统采用干涉共模抑制及光电信号共模抑制技术,大大提高了系统的抗干扰能力,系统的纵向测量分辨率可达0·1 nm,横向分辨率优于2μm。借助二维扫描平台可以测量平面、球面、柱面,曲面曲率半径的测量范围为R=5~25 mm。

　　2　测量系统

　　测量系统由光学系统、二维扫描平台和计算机三部分构成。光学系统如图1所示,带有布儒斯特窗的He-Ne激光器输出线偏振光,经L1和L2组成的准直系统扩束准直后,通过λ/2波片再由反射镜反射进入分光镜BS1,透过BS1的光束进入双焦透镜L3,L3使进入的光线分解为偏振方向正交的非常光(E光)和寻常光(O光)两部分出射。其中O光为平行光,并经显微物镜L4会聚为光探针投射到被测表面作为测量光束;而E光经显微物镜L4后形成平行光照射到被测表面上作为参考光束。这两部分光分别由被测表面反射后循原路返回到显微物镜L4和双焦透镜L3,它们经L3出射后偏振方向不变,而且都呈平行光,再经分光镜BS1反射后由λ/4波片进入分光镜BS2,并被BS2分解为透射和反射两部分,透射部分(含E光和O光)经检偏器P1后相干涉,干涉光强由探测器D1探测;反射部分(也含E光和O光)经检偏器P2后相干涉,干涉光强由探测器D2接收,从而形成两路输出。光路中的λ/2波片可用于调节E光和O光的光强比例,即测量光与参考光的光强比例;λ/4波片与检偏器P1和P2组成两路偏振位相调制系统,用于系统的先期调整和测试[1]。