CN219572970U - 干涉轮廓测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种干涉轮廓测量设备，包括底座、位移平台、光学干涉模块及相机。位移平台包括压电陶瓷及与导向机构，导向机构与压电陶瓷配合，能够将电信号转化成导向机构的移动端在第一方向上的动作。光学干涉模块的干涉物镜能够在位移平台的带动下沿第一方向移动以获得不同光程差或相位差的干涉光束，从而实现干涉测量。由于位移平台及光学干涉模块可单独装配和调试后再组装，无需将压电陶瓷集成于光学干涉模块，且压电陶瓷与干涉物镜的光轴非同轴设置，故光学干涉模块内部的结构得到简化，且压电陶瓷的运动不会对光学干涉模块的干涉光路造成的影响。因此，上述干涉轮廓测量设备具有较高的测量精度及稳定性。

Description

干涉轮廓测量设备

技术领域

本实用新型涉及精密仪器技术领域，特别涉及一种干涉轮廓测量设备。

背景技术

在半导体加工领域，通常采用光学干涉测量的方式对微结构的三维轮廓进行测量。测量过程需要对干涉仪的移相运动或垂直扫描运动等动作过程进行精密的微移动控制。目前，微移动控制一般利用压电陶瓷实现，压电陶瓷通电后会发生膨胀，从而将电信号转化成纳米级的机械动作。

在传统的干涉测量设备中，压电陶瓷与干涉光路同轴设置，对加工及装配精度的要求较高。若安装的同轴度稍有偏差，则会导致压电陶瓷动作方向出现较大偏差，进而影响测量结果。而且，由于压电陶瓷集成于光学干涉测量模块内，故需要更紧密的连接及更复杂的结构，而压电陶瓷的运动也容易影响光学干涉测量模块中其他光学组件。因此，传统干涉测量设备受压电陶瓷机构的结构和安装方式的影响而导致设备精度及稳定性相对较差。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够提升测量精度及稳定性的干涉轮廓测量设备。

一种干涉轮廓测量设备，包括：

底座；

设于所述底座的位移平台，包括压电陶瓷及与所述压电陶瓷相连接的导向机构，所述导向机构具有能够沿第一方向移动的移动端，所述压电陶瓷能够在电信号的作用下驱动所述导向机构的移动端沿所述第一方向移动；

光学干涉模块，包括干涉物镜，所述干涉物镜的光轴平行于所述第一方向，且所述干涉物镜能够在所述位移平台的带动下沿所述第一方向移动；及

相机，用于接收来自所述光学干涉模块的干涉光以形成干涉图像。

在其中一个实施例中，所述光学干涉模块安装于所述导向机构的移动端，所述相机安装于所述光学干涉模块；或者，所述干涉物镜安装于所述导向机构的移动端。

在其中一个实施例中，所述光学干涉模块还包括光源，所述光源能够发出照明光，所述干涉物镜能够分离所述光源发出的照明光并形成干涉光。

在其中一个实施例中，所述导向机构包括基板、导轨及滑块，所述导轨固定于所述基板并沿所述第一方向延伸，所述滑块可滑动地安装于所述导轨，所述导向机构的移动端设于所述滑块，所述压电陶瓷固定于所述基板并与所述滑块固定连接，所述压电陶瓷能够在电信号的作用下驱动所述滑块沿所述导轨滑动。

在其中一个实施例中，所述滑块开设有沿所述第一方向延伸的导向孔，所述导向孔内安装有轴承套，所述导轨穿设于所述轴承套内，以使所述滑块能够沿所述导轨滑动。

在其中一个实施例中，所述导向机构还包括预紧组件，所述预紧组件为所述滑块提供预紧力，以使所述滑块沿所述第一方向与所述压电陶瓷抵紧。

在其中一个实施例中，所述导轨的两端分别固定连接第一固定块及第二固定块，所述第一固定块及所述第二固定块固定安装于所述基板。

在其中一个实施例中，所述预紧组件包括预紧弹簧，所述预紧弹簧套设于所述导轨，且所述预紧弹簧的两端分别与所述第一固定块及所述滑块抵接。

在其中一个实施例中，所述干涉物镜包括Mirau型物镜、Linnik型物镜、Michelson型物镜或Fizeau型物镜。

在其中一个实施例中，还包括安装于所述底座的Z轴聚焦模块，所述位移平台安装于所述Z轴聚焦模块的移动端并能够在所述Z轴聚焦模块驱动下沿所述第一方向移动。

上述干涉轮廓测量设备，导向机构与压电陶瓷配合，能够将电信号转化成导向机构的移动端在第一方向上的动作。光学干涉模块的干涉物镜能够在位移平台的带动下沿第一方向移动以获得不同光程差或相位差的干涉光束，从而实现干涉测量。由于位移平台及光学干涉模块可单独装配和调试后再组装，无需将压电陶瓷集成于光学干涉模块，且压电陶瓷与干涉物镜的光轴非同轴设置，故光学干涉模块内部的结构得到简化，且压电陶瓷的运动不会对光学干涉模块的干涉光路造成的影响。因此，上述干涉轮廓测量设备具有较高的测量精度及稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型较佳实施例中干涉轮廓测量设备的结构示意图；

图2为图1所示干涉轮廓测量设备中位移平台的结构示意图；

图3为图2所示位移平台的爆炸图；

图4为本实用新型另一个实施例中位移平台的爆炸图；

图5(a)为包括Mirau型物镜的光学干涉模块的原理示意图；

图5(b)为包括Linnik型物镜的光学干涉模块的原理示意图；

图5(c)为包括Michelson型物镜的光学干涉模块的原理示意图；

图5(d)为包括Fizeau型物镜的光学干涉模块的原理示意图。

附图标记：

10、干涉轮廓测量设备；20、待测物品；100、底座；200、位移平台；210、压电陶瓷；220、导向机构；221、基板；2211、第一安装结构；222、导轨；2221、第一固定块；2222、第二固定块；223、滑块；2231、导向孔；2232、轴承套；2233、第二安装结构；224、预紧组件；300、光学干涉模块；310、干涉物镜；320、光源；400、相机。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1及图5，本实用新型较佳实施例中的干涉轮廓测量设备10包括底座100、位移平台200、光学干涉模块300及相机400。

底座100起支撑作用，可以是金属材料成型的刚性平台，具有较高的稳定性。底座100上还可设置载物台，用于承载待测物品20。位移平台200设置于底座100，并能够实现微米或纳米级的高精度位移。

光学干涉模块300包括干涉物镜310，待测物品20置于光学干涉模块300的干涉物镜310下方。此外，光学干涉模块300还包括光源320，光源320能够发出照明光，干涉物镜310能够分离光源320发出的照明光并形成干涉光。具体的，光源320发出的照明光入射至干涉物镜310后被分光镜分为两束，其中一束照明光照射到参考镜面并被反射，另一束照明光则照射到待测物品20表面并被反射。两束反射光在分光镜处汇合并发生干涉现象，从而产生干涉光。相机400用于接收来自光学干涉模块300的干涉光以形成干涉图像。

干涉轮廓测量设备10能够采用多种不同型号的光学干涉模块300对待测物品20的微结构进行测量，对应的，干涉物镜310的具体结构也存在多种变形。具体的，在本实施例中，干涉物镜310包括如图5(a)所示的Mirau型物镜、图5(b)所示的Linnik型物镜、图5(c)所示的Michelson型物镜图或图5(d)所示Fizeau型物镜。其中，Mirau型物镜、Linnik型物镜、Michelson型物镜及Fizeau型物镜的结构与现有技术中的结构相同，故在此不再赘述。

进一步的，干涉物镜310能够在位移平台200的带动下沿第一方向移动，且干涉物镜310的光轴平行于第一方向。第一方向指的是图1所示的上下方向，也即干涉轮廓测量设备10实际使用场景中的上下方向。在检测过程中，位移平台200通过带动干涉物镜310沿第一方向做高精度位移以改变干涉物镜310与待测物品20之间的距离，从而使检测光和参考光产生不同相位差或光程差，故相机400能够接收到多组不同的干涉图像。通过对多组干涉图像进行三维形貌重构运算，便可得到待测物品20微结构的三维轮廓。

为了使干涉物镜310能够在位移平台200的带动下沿第一方向移动，具体在本实施例中，相机400安装于光学干涉模块300，光学干涉模块300安装于位移平台200的移动端。此时，光学干涉模块300与位移平台200独立设置，位移平台200能够带动光学干涉模块300整体沿第一方向实现高精度位移，从而带动干涉物镜310移动。

在另一个实施例中，干涉物镜310安装于位移平台200的移动端。此时，光学干涉模块300的其他元件可安装于底座100，位移平台200仅带动干涉物镜310沿第一方向移动。譬如，对于采用Mirau型物镜、Linnik型物镜、Michelson型物镜的干涉轮廓测量设备10，由于相机400与干涉物镜310的光轴重合(均沿第一方向延伸)，故相机400不随干涉物镜310移动也不影响相机400顺利接收来自光学干涉模块300的干涉光，可将干涉物镜310安装于位移平台200上。

此外，在本实施例中，干涉轮廓测量设备10还包括安装于底座100的Z轴聚焦模块500，位移平台200安装于Z轴聚焦模块500的移动端并能够在Z轴聚焦模块500驱动下沿第一方向移动。Z轴聚焦模块500可通过旋转旋钮的方式手动驱动，或采用步进电机进行自动驱动，Z轴聚焦模块500通过带动光学干涉模块300及位移平台200沿第一方向移动，能够使光学干涉模块300对待测物品20实现对焦。

请一并参阅图2及图3，位移平台200包括压电陶瓷210及导向机构220，导向机构220具有能够沿第一方向移动的移动端。其中，导向机构220的移动端即为位移平台200的移动端，故光学干涉模块300安装于导向机构220的移动端。

导向机构220与压电陶瓷210相连接，压电陶瓷210能够在电信号的作用下驱动导向机构220的移动端沿第一方向移动。压电陶瓷210加载电信号后便可膨胀，膨胀过程中的压电陶瓷210会推动导向机构220的移动端沿第一方向动作。电信号断开后，压电陶瓷210收缩则又可带动导向机构220的移动端沿第一方向反向移动。

导向机构220能够对其移动端起到限位及导向的作用，从而能够将压电陶瓷210的膨胀或收缩转化成沿第一方向的高精度位移。由于位移平台200及光学干涉模块300可单独装配和调试后再组装，故无需将压电陶瓷210集成于光学干涉模块300内，光学干涉模块300内部的结构得到简化。而且，压电陶瓷210与干涉物镜310的光轴非同轴设置，故压电陶瓷210的运动也不会对光学干涉模块300的干涉光路造成的影响。

在本实施例中，导向机构220包括基板221、导轨222及滑块223。其中，导轨222固定于基板221并沿第一方向延伸，滑块223可滑动地安装于导轨222，导向机构220的移动端设于滑块223上。

基板221起支撑作用，可以是金属材料成型的板状结构，其形状可根据位移平台200实际应用场景进行设置，常见大致呈矩形。在本实施例中，基板221上设置有第一安装结构2211(见图2)。第一安装结构2211可以是螺纹安装孔、支撑柱等能够为外接元件提供安装位点的结构，方便对外接元件实现拆装。具体的，位移平台200通过第一安装结构2211安装于Z轴聚焦模块500的移动端。

导轨222能够对滑块223实现较好的限位及引导，从而将滑块223的滑动方向限定在第一方向上。在本实施例中，滑块223上设置有第二安装结构2233。同样的，第二安装结构2233也可以是螺纹安装孔、支撑柱等能够为外接元件提供安装位点的结构，方便对外接元件实现拆装。具体的，光学干涉模块300通过第二安装结构2233安装于导向机构220的移动端，即滑块223上。

由于第一安装结构2211及第二安装结构2233均可选用螺纹安装孔，故在将上述位移平台200与光学干涉模块300及Z轴聚焦模块500配合时只需要采用简单的螺丝固定即可，方便快捷、搭配简便。

具体在本实施例中，导轨222的两端分别固定连接第一固定块2221及第二固定块2222，第一固定块2221及第二固定块2222固定安装于基板221。第一固定块2221及第二固定块2222一般均为金属块，导轨222的两端可通过螺纹紧固、卡接等方式于第一固定块2221及第二固定块2222实现连接，第一固定块2221及第二固定块2222则可通过螺纹紧固件固定于基板221上。

第一固定块2221及第二固定块2222的设置使得针对导轨222的拆装更方便。而且，由于第一固定块2221及第二固定块2222从两端进行支撑，故可使导轨222与基板221之间形成间隙，从而方便滑块223安装并沿导轨222进行滑动。

压电陶瓷210固定于基板221并与滑块223固定连接，压电陶瓷210能够在电信号的作用下驱动滑块223沿导轨222滑动。由于导轨222与滑块223配合能够将滑动方向限制于第一方向，故即使压电陶瓷210在安装过程中出现较小的偏移，也能够保证滑块223能够精确沿第一方向移动，从实现导向机构220的移动端沿第一方向高精度位移。

而且，由于对压电陶210的安装精度要求较低，故相较于现有技术中通过压电陶瓷直接驱动的方案而言，位移平台200中各零部件的加工精度可适当降低。因此，可减小位移平台200的加工难度。进一步的，上述位移平台200中所包含的零部件数量较少，且各零部件之间可通过螺纹紧固件实现可拆卸地安装，其组装流程简易可控、容错率较高，故易于针对上述位移平台200进行安装及维修。

具体在本实施例中，第二固定块2222朝向基板221的一侧形成有收容槽(图未示)，压电陶瓷210可拆卸地安装于收容槽内。压电陶瓷210可通过螺纹紧固件与第二固定块2222固定连接，并通过第二固定块2222固定于基板221上。如此，第二固定块2222内部的空间可得到充分利用，从而使得位移平台200的结构紧凑，体积更小。

压电陶瓷210可以呈条状、块状等各种形状。具体在本实施例中，压电陶瓷210呈条状并沿第一方向延伸。具体的，滑块223上可开设沿第一方向延伸的安装孔(图未示)，条状的压电陶瓷210伸入安装孔并通过滑块223顶端的无头螺丝(图未标)锁紧。将压电陶瓷210设置呈条状，并通过与安装孔配合，可对压电陶瓷210的安装方向实现比较精确的限位，从而避免压电陶瓷210组装时发生较大偏移。

此外，请参阅图4，在另一个实施例中，压电陶瓷210呈块状。块状的压电陶瓷210具有顶部圆球(图未标)，该顶部圆球与滑块223固定连接且能够在对压电陶瓷210加载电信号后沿第一方向膨胀。

由于压电陶瓷210由于直接与滑块233接触，故其膨胀或收缩便可直接传导至滑块233，从而使得滑块233运动更加稳定且线性度相对更高。压电陶瓷210与第二固定块2222之间可拆卸地连接。而且，通过对第二固定块2222及滑块233的结构进行相应调整，可适配圆柱形、方形等不同形状或长度的压电陶瓷210，故压电陶瓷210可根据实际应用的场景进行更换，使得上述位移平台200的适配度更高。

请再次参阅图2及图3，在本实施例中，滑块223开设有沿第一方向延伸的导向孔2231，导向孔2231内安装有轴承套2232，导轨222穿设于轴承套2232内，以使滑块223能够沿导轨222滑动。

导向孔2231一般为圆柱孔，故导轨222也呈圆柱形。轴承套2232与导轨222之间能够紧密配合，避免滑块223沿第一方向滑动的过程中产生扰动。而且，轴承套2232与导轨222配合能够使滑块223滑动更顺畅，使滑块223在执行高精度位移时能得到更好的运动响应，并尽量消除滞留和阻尼。

进一步的，在本实施例中，设置有至少两个导轨222，至少两个导轨222沿垂直于第一方向的第二方向间隔设置，滑块223开设有与至少两个导轨222一一对应的导向孔2231，且每个导向孔2231内均安装有轴承套2232。至少两个导轨222与导向孔2231配合，对滑块223滑动方向的限位精度更高，从而能够进一步提升滑块223沿第一方向位移的精度。

在本实施例中，导向机构220还包括预紧组件224，预紧组件224为滑块223提供预紧力，以使滑块223沿所述第一方向与压电陶瓷210抵紧。

在预紧组件224提供的预紧力的作用下，可保证滑块223与压电陶瓷210紧密接触，故两者之间不会因存在间隙而产生动作滞后，从而使滑块223与压电陶瓷210保持较高的同步性。

进一步的，在本实施例中，预紧组件224包括预紧弹簧，预紧弹簧套设于导轨222，且预紧弹簧的两端分别与第一固定块2221及滑块223抵接。预紧弹簧可选用高精密弹簧，预紧弹簧压缩产生的预紧力便可将滑块223抵紧于压电陶瓷210。而且，采用预紧弹簧提供预紧力可使预紧组件224的结构简单可靠。

需要指出的是，在其他实施例中，预紧组件224还可以通过多个压紧的弹性垫片提供预紧力。

上述干涉轮廓测量设备10，导向机构220与压电陶瓷210配合，能够将电信号转化成导向机构220的移动端在第一方向上的动作。光学干涉模块300的干涉物镜310能够在位移平台200的带动下沿第一方向移动以获得不同光程差或相位差的干涉光束，从而实现干涉测量。由于位移平台200及光学干涉模块300可单独装配和调试后再组装，无需将压电陶瓷210集成于光学干涉模块300，且压电陶瓷210与光学干涉物镜310的光轴非同轴设置，故光学干涉模块300内部的结构得到简化，且压电陶瓷210的运动不会对光学干涉模块300的干涉光路造成的影响。因此，上述干涉轮廓测量设备10具有较高的测量精度及稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种干涉轮廓测量设备，其特征在于，包括：

底座；

设于所述底座的位移平台，包括压电陶瓷及与所述压电陶瓷相连接的导向机构，所述导向机构具有能够沿第一方向移动的移动端，所述压电陶瓷能够在电信号的作用下驱动所述导向机构的移动端沿所述第一方向移动；

光学干涉模块，包括干涉物镜，所述干涉物镜的光轴平行于所述第一方向，且所述干涉物镜能够在所述位移平台的带动下沿所述第一方向移动；及

相机，用于接收来自所述光学干涉模块的干涉光以形成干涉图像。

2.根据权利要求1所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述光学干涉模块安装于所述导向机构的移动端，所述相机安装于所述光学干涉模块；或者，所述干涉物镜安装于所述导向机构的移动端。

3.根据权利要求1所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述光学干涉模块还包括光源，所述光源能够发出照明光，所述干涉物镜能够分离所述光源发出的照明光并形成干涉光。

4.根据权利要求1所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述导向机构包括基板、导轨及滑块，所述导轨固定于所述基板并沿所述第一方向延伸，所述滑块可滑动地安装于所述导轨，所述导向机构的移动端设于所述滑块，所述压电陶瓷固定于所述基板并与所述滑块固定连接，所述压电陶瓷能够在电信号的作用下驱动所述滑块沿所述导轨滑动。

5.根据权利要求4所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述滑块开设有沿所述第一方向延伸的导向孔，所述导向孔内安装有轴承套，所述导轨穿设于所述轴承套内，以使所述滑块能够沿所述导轨滑动。

6.根据权利要求4所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述导向机构还包括预紧组件，所述预紧组件为所述滑块提供预紧力，以使所述滑块沿所述第一方向与所述压电陶瓷抵紧。

7.根据权利要求6所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述导轨的两端分别固定连接第一固定块及第二固定块，所述第一固定块及所述第二固定块固定安装于所述基板。

8.根据权利要求7所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述预紧组件包括预紧弹簧，所述预紧弹簧套设于所述导轨，且所述预紧弹簧的两端分别与所述第一固定块及所述滑块抵接。

9.根据权利要求1所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，所述干涉物镜包括Mirau型物镜、Linnik型物镜、Michelson型物镜或Fizeau型物镜。

10.根据权利要求1至9任一项所述的干涉轮廓测量设备，其特征在于，还包括安装于所述底座的Z轴聚焦模块，所述位移平台安装于所述Z轴聚焦模块的移动端并能够在所述Z轴聚焦模块驱动下沿所述第一方向移动。