CN1563882A - 共光路双频外差共焦显微测量装置 - Google Patents
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Abstract
共光路双频外差共焦显微测量装置，属于表面形貌测量技术领域。为了在提高分辨率和量程的同时保证系统有高的稳定性，本发明公开了一种共光路双频外差共焦显微测量装置，包括横向塞曼双频激光器，依次设置在激光器发射端轴线上的分光镜、第一会聚透镜、第一针孔、第一胶合透镜、第一半透半反镜、双折射透镜组和显微物镜，以及设置在分光镜反射光路上的第一光电探测器；还包括设置在第一半透半反镜的反射光路上的第二半透半反镜，以及分别设置在第二半透半反镜反射光路上的格兰棱镜、第二胶合透镜、第二针孔、第二光电探测器，和设置在透射光路上的光阑、第二会聚透镜、第三光电探测器。本发明具有低漂移和抗振动干扰能力强的特点，且成本较低。
Description
技术领域
本发明属于表面形貌测量技术领域，特别涉及用于台阶高度标准测量的显微测量装置。
背景技术
共焦扫描成像早在上个世纪50年代就由Minsky提出，随后Davidovits、Sheppard和Wilson等对共焦显微系统作了进一步研究。研究结果表明：共焦扫描显微系统不仅可以抑制成像中弱杂散光，而且在相同成像条件下，其轴向分辨率为普通显微系统的1.4倍，并且具有三维层析成像功能。图1为普通反射式共焦显微镜光路图，假设被测物是一个全反射体，沿着物镜轴向进行扫描。当物体在焦平面(图1中的实线)时，反射光被精确的聚焦在点探测器上，此时探测器接收到大量的入射光能量。若反射物从焦面上移开(图1中的虚线)，则反射光被聚焦在点探测器的前面或后面的某个位置上(取决于扫描方向)，此时探测器上仅收到一部分能量，即离焦上的信号比焦点上的弱。对于一个实在的厚物体首先记录一系列不同纵向深度的截面像，再利用这些截面像来重构厚物体完整的像。正是这种三维成像的能力，使共焦显微术已经广泛地应用于生物、生物医学、工业探测以及计量学领域。
然而，普通的共焦显微镜其轴向分辨率仍然只停留在亚微米量级，且光源的噪声和漂移直接影响测量结果，为此哈尔滨工业大学的谭久彬等提出了差动共焦式纳米级光聚焦探测系统，如图2所示。从光源101输出的光先通过半透半反镜102，被显微物镜103汇聚到待测样品104表面，被样品104反射返回后，被半透半反镜102反射出原光路，再由分光镜105分成透射和反射两束光，在反射光和透射光后分别放置针孔和探测器，针孔106、108的位置分别对称地位于像焦平面之前和之后，通过运算放大器110分别对两探测器107、109的信号求差和求和，给出测量光聚焦信号。当待测样品表面位于焦平面上时，两针孔的位置相对于像焦平面对称，两探测器的差值为零；当样品表面偏离焦平面一个微小位移时，像点分别趋近于其中的一个针孔和远离另一个针孔，使探测到的光功率一个增大，一个减小，从而由差动信号反映出位移的大小和方向。这种方法虽然能使测量的轴向分辨率达到2nm，但是测量范围受到光强差动曲线线性区的限制，不能给出较大范围的测量。同时由于光强变化与样品表面位移的关系并不是完全的线性关系，所以测量的精度也不可能很高。
本申请人在2002年6月7日提出了申请号为02120884.0的名为“双频共焦台阶高度显微测量装置”的专利申请，公开日为2002年12月11日。该专利所述装置的结构如图3所示。该装置包括横向塞曼双频激光器1，以及依次放置在激光器发射端轴线上的分光镜2、法拉第盒20、1/2波片21、第一会聚透镜4、第一针孔5、第一胶合透镜6和偏振分光镜(PBS)7，放置在PBS反射光路上的1/4波片8和四面体22，放置在PBS透射光路上的1/4波片14和显微物镜9；测量光和参考光经过PBS合光后分为两个部分分别用于光强测量和相位测量，该装置还包括第二半透半反镜(BS)11，分别放置在第二半透半反镜11反射光路上的格兰棱镜16、第二胶合透镜17、第二针孔18和第二光电探测器19，放置在第二半透半反镜11透射光路上的光阑12、第二会聚透镜13和第三光电探测器15。该方案虽然实现了大范围和高分辨率的测量，但由于测量光和参考光不符合共路原则，测量装置受振动和温度漂移影响较大，从而限制了测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种保持已有技术优点的，符合共光路原则，提高装置测量稳定性的新的表面形貌测量装置。
本发明提出了一种采用双折射透镜实现共光路设计，并融合了双频外差激光干涉和扫描共焦显微技术，从而实现了高稳定性、高分辨和较大量程的共光路双频外差共焦显微测量装置，其特征在于：该装置包括横向塞曼双频激光器，依次设置在所述激光器发射端轴线上的分光镜、第一会聚透镜、第一针孔、第一胶合透镜、第一半透半反镜、双折射透镜组和显微物镜，以及设置在所述分光镜反射光路上的第一光电探测器；本装置还包括设置在第一半透半反镜的反射光路上的第二半透半反镜，以及分别设置在所述第二半透半反镜反射光路上的格兰棱镜、第二胶合透镜、第二针孔、第二光电探测器，和设置在第二半透半反镜透射光路上的光阑、第二会聚透镜、第三光电探测器。
本发明所述的双折射透镜组包括一个凸凹负透镜和一个胶合双折射透镜。
本发明所述胶合双折射透镜是由一个双凸正透镜和一个双凹负透镜胶合而成。
本发明所述双凹负透镜的材料为方解石，所述方解石的光轴平行于所述双凹负透镜的表面。
本发明所述的共光路外差干涉共焦显微测量装置通过改进光路设计，使得光路满足共路原则，从而使本发明不但保持了申请号为02120884.0的在先专利申请的高测量精度和较大测量范围的优点，而且本发明对振动和漂移有了明显的抑制作用。本发明不仅满足了微电子技术近期发展的需要，也可以进一步推广在表面形貌测量的其他领域得到应用。
附图说明
图1为已有的普通反射式共焦显微镜光路图。
图2为已有的差动共焦式光聚焦探测系统原理图。
图3为双频共焦显微干涉系统的原理框图。
图4为本发明所述共光路外差干涉共焦显微测量装置的光路图。
图5为本发明所述的双折射透镜组的结构放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明的具体
本发明实施例的结构如图4所示，该装置包括横向塞曼双频激光器1，依次设置在所述激光器发射端轴线上的分光镜2、第一会聚透镜4、第一针孔5、第一胶合透镜6、第一半透半反镜7、双折射透镜组8和显微物镜9，以及设置在所述分光镜2反射光路上的第一光电探测器3；本装置还包括设置在第一半透半反镜7的反射光路上的第二半透半反镜11，以及分别设置在所述第二半透半反镜11反射光路上的格兰棱镜16、第二胶合透镜17、第二针孔18、第二光电探测器19，和设置在第二半透半反镜11透射光路上的光阑12、第二会聚透镜13、第三光电探测器15。
所述的双折射透镜组8包括一个凸凹负透镜201(材料为ZF1)和一个胶合双折射透镜，其中胶合双折射透镜是由一个双凸正透镜202(材料为ZF1)和一个双凹负透镜203(材料为方解石)胶合而成，方解石的光轴平行与双凹负透镜表面，凸凹负透镜位于胶合双折射透镜的前面，如图5所示。其功能是使偏振方向平行于方解石透镜光轴的光平行出射，使偏振方向垂直于光轴方向的光汇聚。
本发明提出的共光路双频外差共焦显微测量装置测量原理和申请号为02120884.0的本申请人的在先专利申请相似，具体测量步骤如下：
1)横向塞曼He-Ne激光器1输出正交的双频激光(p光和s光)，由分光镜2将输出光分为反射光和透射光，反射光由第一光电探测器3接收后形成参考信号。
2)透射光经过第一会聚透镜4会聚于第一针孔5上，经过第一针孔5滤除杂散光后由第一胶合透镜6将光束扩成平行光束。
3)平行光束先经过第一半透半反镜7，再通过双折射透镜组8，双折射透镜组8的主轴方向与p光的偏振方向相同，经过透镜组后，p光和s光分离，p光仍为平行光，s光变为汇聚光。
4)分离后的光束通过显微物镜9，显微物镜9的前焦点与s光的焦点重合。故通过显微物镜9后，原来平行的p汇聚于待测样品10表面，是测量装置的测量光；s光平行出射，以较大的光斑照在待测样品表面，是测量系统的参考光。
5)测量光和参考光都被样品10反射，并再次经过显微物镜9和双折射透镜组8后，重新合光。
6)合光后，光束被第一半透半反镜7反射出光路，出射光又被第二半透半反镜11分成反射光和透射光两部分。
7)透射光经过光阑12和第二会聚透镜13后，由第二光电探测器15接收形成相位测量信号，与第一光电探测器3收集的参考信号进行比相测量，从而使共路外差双频共焦显微系统的测量分辨率提高到1纳米以下。
8)反射光经过光轴方向与p光平行的格兰棱镜16后，只有p光通过，p光再由第二胶合透镜17(与第一胶合透镜6相同)会聚经第二针孔18后，入射到第二光电探测器19，由第二光电探测器19接收得到光强信息，由光强信息可以计算出测量表面偏离焦点大小，确定干涉相位的级次，扩展的干涉测量的范围，使纵向测量量程达到5微米以上。
本发明所述测量装置由于采用了双折射透镜组，使测量光路满足了共路原则，从而使装置有效的克服了振动和漂移对测量带来的影响。在无恒温无隔振的普通实验室环境下，对测量装置的进行了长时间稳定性实验，3小时系统的漂移为8度(对应测量高度变化7nm)，比申请号为02120884.0的本申请人的在先专利申请所述实施例提高了3倍，证明本发明所述装置有突出的稳定性和抗干扰能力。另外，利用本装置对国际标准掩模板样板进行了测量，测量结果与中国计量科学研究院的原子力显微镜的测量结果符合的很好，证明该装置有很高的测量精度。
本发明的实施例主要器件的型号和参数：
横向塞曼He-Ne双频激光器1的频差为几十到几百千赫兹，分光镜2的透射率90％、反射率为10％，光电探测器3、15、19为PIN管，胶合透镜6、17焦距为180毫米，半透半反镜7、11的反射率和透射率都是50％，针孔5和18为20微米，双折射透镜组有两个焦距，分别为无穷大和45毫米，显微物镜焦距为18毫米。
Claims (4)
1.共光路双频外差共焦显微测量装置，其特征在于：该装置包括横向塞曼双频激光器，依次设置在所述激光器发射端轴线上的分光镜(2)、第一会聚透镜(4)、第一针孔(5)、第一胶合透镜(6)、第一半透半反镜(7)、双折射透镜组(8)和显微物镜(9)，以及设置在所述分光镜(2)反射光路上的第一光电探测器(3)；本装置还包括设置在第一半透半反镜(7)的反射光路上的第二半透半反镜(11)，以及分别设置在所述第二半透半反镜(11)反射光路上的格兰棱镜(16)、第二胶合透镜(17)、第二针孔(18)、第二光电探测器(19)，和设置在第二半透半反镜(11)透射光路上的光阑(12)、第二会聚透镜(13)、第三光电探测器(15)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的双折射透镜组(8)包括一个凸凹负透镜(201)和一个胶合双折射透镜。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述胶合双折射透镜是由一个双凸正透镜(202)和一个双凹负透镜(203)胶合而成。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述双凹负透镜(203)的材料为方解石，所述方解石的光轴平行于所述双凹负透镜(203)的表面。
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