表面平整度测量的新方法研究

　　随着测试计量技术要求的不断提高,精密测试技术的发展日新月异.对表面微观形貌的测试,是精密测量技术的一个重要分支,近年来已经得到了很大的发展.目前,表面平整度测试的方法主要有接触式测量和非接触式测量,其测试精度已达到亚纳米级.

　　接触式测量仪如椭圆偏振,其测量原理直观,物理图像清晰,因此被广泛采用,但缺点是其测量结果不仅与被测表面的轮廓有关,还受触针几何形状、测量点处应力大小的影响,对膜的表面易造成损伤,因此不适合对软膜进行测量.

　　非接触式测量具有测量速度快、对膜面无损伤的优点,并已经得到广泛应用.显微光干涉法是由显微镜和干涉仪结合的测试仪器,它可以将物体表面的微观不平整度以干涉条纹的弯曲程度表现出来,缺点是数据处理复杂.扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是精密测量技术的重大突破,其横向和纵向分辨率都可以达到亚纳米级,测试精度极高,缺点是对膜面的平整度要求较高,因此限制了使用范围.国内很多研究机构还利用物体表面反射散射光的强度,对光纤传感器表面平整度的测试方法进行了研究[1~3].

　　本文论述的物体表面平整度测试方法属于非接触式测量,通过对物体表面反射光干涉频谱的分析,得到了膜的厚度,并结合步进电机对物体表面的微观形貌进行了测量.该方法目前在国内外尚无人使用过,它的纵向测试精度达到了纳米级,横向测试则不受限制,因此测试范围大,精度高,系统结构简单,使用方便,适合微米级透明或半透明膜表面形貌的测量,测试范围为0·2~20μm.

　　1　测试原理

　　单点膜厚的测试原理[4]如图1所示,把宽带白光作为光源,当光源发出的光射向膜厚为δ、折射率为n的薄膜表面时,在薄膜的上下表面分别产生反射光束.入射光射向薄膜,在空气-薄膜界面处发生反射,形成第1束反射光,其光强为I1.入射光线在薄膜中前进,并在薄膜-载体的界面处又发生反射,反射光透过薄膜-空气界面射入空气,形成第2束反射光,其光强为I2.2束反射出去的光由光纤传输至分光光度计,这种测试方法要求薄膜载体表面应比较均匀平整.

　　当膜的折射率较低时,光在薄膜内的反射很弱,多次反射的情况基本不用考虑,不会出现多束相干光的情况,所以只需要考虑2次反射光发生相干的情况.由于膜有一定的厚度,而第1束和第2束反射光之间存在着光程差Δ,Δ=2nδcosi,i为光的入射角,在近垂直入射的条件下,i近似为0°,所以Δ≈2nδcos(0)=2nδ.在白光的相干长度内,光程差的存在使2束反射光之间可能会发生光的干涉.根据Fresnel反射公式,干涉光的光强为