纳米级测量仪

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头李强，任冬梅，兰一兵，李华丰，万宇（航空工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京 100095）　　摘 要：为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求，研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件，利用差动光斑尺寸变化探测原理，建立了微位移测量系统，结合光学显微成像系统，形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机，对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量，具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点，对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。　　关键词：纳米测量；激光全息单元；位移；光学显微测头；纳米级表面形貌0　引言　　随着超精密加工技术的发展和各种微纳结构的广泛应用，纳米三坐标测量机等精密测量仪器受到了重点关注。国内外一些研究机构研究开发了纳米测量机，并开展微纳结构测量［1-4］。作为一个高精度开放型测量平台，纳米测量机可以兼容各种不同原理的接触式测头和非接触式测头［5-6］。测头作为纳米测量机的核心部件之一，在实现微纳结构几何参数的高精度测量中发挥着重要作用。原子力显微镜等高分辨力测头的出现，使得纳米测量机能够实现复杂微纳结构的高精度测量［7-8］，但由于其测量速度较慢，对测量环境要求很高，不适用于大范围快速测量。而光学测头从原理上可以提高扫描测量速度，同时作为一种非接触式测头，还可以避免损伤样品表面，因此，在微纳米表面形貌测量中有其独特优势。在光学测头研制中，激光聚焦法受到国内外研究者的青睐，德国SIOS公司生产的纳米测量机就包含一种基于光学像散原理的激光聚焦式光学测头，国内也有一些大学和研究机构开展了此方面的研究［9-11］。这些测头主要基于像散和差动光斑尺寸变化检测原理进行离焦检测［12-13］。在CD和DVD播放器系统中常用的激光全息单元已应用于微位移测量［14-15］，其在纳米测量机光学测头的研制中也具有较好的实用价值。针对纳米级表面形貌的测量需求，本文研制了一种基于激光全息单元的高分辨力光学显微测头，应用于自主研制的纳米三维测量机，可实现被测样品的快速瞄准和测量。1　激光全息单元的工作原理　　激光全息单元是由半导体激光器（LD）、全息光学元件（HOE）、光电探测器（PD）和信号处理电路集成的一个元件，最早应用于CD和DVD播放器系统中，用来读取光盘信息并实时检测光盘的焦点误差，其工作原理如图1所示。LD发出激光束，在出射光窗口处有一个透明塑料部件，其内表面为直线条纹光栅，外表面为曲线条纹全息光栅，两组光栅相互交叉，外表面光栅用于产生焦点误差信号。LD发出的激光束在光盘表面反射回来后，经全息光栅产生的±1级衍射光，分别回到两组光电探测器P1~P5和P2~P10上。当光盘上下移动时，左右两组光电探测器上光斑面积变化相反，根据这种现象产生焦点误差信号。这种测量方式称为差动光斑尺寸变化探测，焦点误差信号可以表示为　　根据焦点误差信号，即可判断光盘离焦量。图1　激光全息单元　　根据上述原理，本文设计了高分辨力光学显微测头的激光全息测量系统。2　光学显微测头设计与实现　　光学显微测头由激光全息测量系统和光学显微成像系统两部分组成，前者用于实现被测样品微小位移的测量，后者用于对测量过程进行监测，以实现被测样品表面结构的非接触瞄准与测量。　　2.1　激光全息测量系统设计　　光学显微测头的光学系统如图2所示，其中，激光全息测量系统由激光全息单元、透镜1、分光镜1和显微物镜组成。测量时，由激光全息单元中的半导体激光器发出的光束经过透镜1变为平行光束，该光束被分光镜1反射后，通过显微物镜汇聚在被测件表面。从被测件表面反射回来的光束反向通过显微物镜，一小部分光透过分光镜1用于观察，大部分光被分光镜1反射，通过透镜1，汇聚到激光全息单元上，被全息单元内部集成的光电探测器接收。这样，就将被测样品表面瞄准点的位置信息转换为电信号。在光学显微测头设计中选用的激光全息单元为松下HUL7001，激光波长为790 nm。图2　光学显微测头光学系统示意图　　当被测样品表面位于光学显微测头的聚焦面时，反射光沿原路返回激光全息单元，全息单元内两组光电探测器接收到的光斑尺寸相等，焦点误差信号为零。当样品表面偏离显微物镜聚焦面时，由样品表面反射回来的光束传播路径会发生变化，进入激光全息单元的反射光在两组光电探测器上的分布随之发生变化，引起激光全息单元焦点误差信号的变化。当被测样品在显微物镜焦点以内时，焦点误差信号小于零，而当被测样品在显微物镜焦点以外时，焦点误差信号大于零。因此，利用在聚焦面附近激光全息单元输出电压与样品位移量的单调对应关系，通过测量激光全息单元的输出电压，即可求得样品的位移量。　　2.2　显微物镜参数的选择　　在激光全息测量系统中，显微物镜是一个重要的光学元件，其光学参数直接关系着光学显微测头的分辨力。首先，显微物镜的焦距直接影响测头纵向分辨力，在激光全息单元、透镜1和显微物镜之间的位置关系保持不变的情况下，对于同样的样品位移量，显微物镜的焦距越小，样品上被测点经过显微物镜和透镜1所成像的位移越大，所引起激光全息单元中光电探测器的输出信号变化量也越大，即测量系统纵向分辨力越高。另外，显微物镜的数值孔径对测头的分辨力也有影响，在光波长一定的情况下，显微物镜的数值孔径越大，其景深越小，测头纵向分辨力越高。同时，显微物镜数值孔径越大，激光束会聚的光斑越小，系统横向分辨力也越高。综合考虑测头分辨力和工作距离等因素，在光学显微测头设计中选用大恒光电GCO-2133长工作距物镜，其放大倍数为40，数值孔径为0.6，工作距离为3.33 mm。　　2.3　定焦显微测头的实现　　除激光全息测量系统外，光学显微测头还包括一个光学显微成像系统，该系统由光源、显微物镜、透镜2、透镜3、分光镜1、分光镜2和CCD相机组成。光源将被测样品表面均匀照明，被测样品通过显微物镜、分光镜1、透镜2和分光镜2，成像在CCD相机接收面上。为了避免光源发热对测量系统的影响，采用光纤传输光束将照明光引入显微成像系统。通过CCD相机不仅可以观察到被测样品表面的形貌，而且也可以观察到来自激光全息单元的光束在样品表面的聚焦情况。　　根据图2所示原理，通过光学元件选购、机械加工和信号放大电路设计，制作了光学显微测头，如图3所示。从结构上看，该测头具有体积小、集成度高的优点。将该测头安装在纳米测量机上，编制相应的测量软件，可用于被测样品的快速瞄准和高分辨力非接触测量。图3　光学显微测头结构3　测量实验与结果分析　　为了检验光学显微测头的功能，将该测头安装在纳米三维测量机上，使显微物镜的光轴沿测量机的Z轴方向，对其输出信号的电压与被测样品的离焦量之间的关系进行了标定，并用其对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量［16］。所用纳米三维测量机在25 mm×25 mm×5 mm的测量范围内，空间分辨力可达0.1 nm。实验在（20±0.5）℃的控温实验室环境下进行。　　3.1　测头输出电压与位移关系的建立　　为了获得光学显微测头的输出电压与被测表面位移（离焦量）的关系，将被测样板放置在纳米三维测量机的工作台上，用精密位移台带动被测样板沿测量光轴方向移动，通过纳米测量机采集位移数据，同时记录测头输出电压信号。图4所示为被测样板在测头聚焦面附近由远及近朝测头方向移动时测头输出电压与样品位移的关系。图4　测头电压与位移的关系　　由图4可以看出，光学显微测头的输出电压与被测样品位移的关系呈S形曲线，与第1节中所述的通过差动光斑尺寸变化测量离焦量的原理相吻合。当被测样板远离光学显微测头的聚焦面时，电压信号近似常数。当被测样板接近测头的聚焦面时，电压开始增大，到达最大值后逐渐减小；当样板经过测头聚焦面时，电压经过初始电压值，可认为是测量的零点；当样品继续移动离开聚焦面时，电压继续减小，到达最小值时，电压又逐渐增大，回到稳定值。在电压的峰谷值之间，曲线上有一段线性较好的区域，在测量中选择这段区域作为测头的工作区，对这段曲线进行拟合，可以得到测头电压与样板位移的关系。在图4中所示的3 μm工作区内，电压与位移的关系为　　式中：U为激光全息单元输出电压；∆d为偏离聚焦面的距离。　　3.2　台阶高度测量试验　　在对光学显微测头的电压-位移关系进行标定后，用安装光学显微测头的纳米三维测量机对台阶高度样板进行了测量。　　在测量过程中，将一块硅基SHS-1 μm台阶高度样板放置在纳米三维测量机的工作台上，首先调整样板位置，通过CCD图像观察样板，使被测台阶的边缘垂直于工作台的X轴移动方向，样板表面位于光学显微测头的聚焦面，此时测量光束汇聚在被测样板表面，如图5所示。然后，用工作台带动样板沿X方向移动，使测量光束扫过样板上的台阶，同时记录光学显微测头的输出信号。最后，对测量数据进行处理，计算台阶高度。图5　被测样板表面图像　　台阶高度样板的测量结果如图6所示，根据检定规程［17］对测量结果进行处理，得到被测样板的台阶高度为1.005 μm。与此样板的校准结果1.012 μm相比，测量结果符合性较好，其微小偏差反映了由测量时温度变化、干涉仪非线性和样板不均匀等因素引入的测量误差。图6　台阶样板测量结果　　3.3　一维线间隔测量试验　　在测量一维线间隔样板的过程中，将一块硅基LPS-2 μm一维线间隔样板放置在纳米测量机的工作台上，使测量线沿X轴方向，样板表面位于光学显微测头的聚焦面。然后，用工作台带动样板沿X方向移动，使测量光束扫过线间隔样板上的刻线，同时记录纳米测量机的位移测量结果和光学显微测头的输出信号。最后，对测量数据进行处理，测量结果如图7所示。　　根据检定规程［17］对一维线间隔测量结果进行处理，得到被测样板的刻线间距为2.004 μm，与此样板的校准结果2.002 μm相比，一致性较好。　　3.4　分析与讨论　　由光学显微测头输出电压与被测表面位移关系标定实验的结果可以看出：利用在测头聚焦面附近测头输出电压与样品位移量的单调对应关系，通过测量测头的输出电压变化，即可求得样品的位移量。在图4所示曲线中，取电压-位移曲线上测头聚焦面附近的3 μm位移范围作为工作区，对应的电压变化范围约为0.628 V。根据对电压测量分辨力和噪声影响的分析，在有效量程内测头的分辨力可以达到纳米量级。　　台阶高度样板和一维线间隔样板测量实验的结果表明：光学显微测头可以应用于纳米三维测量机，实现微纳米表面形貌样板的快速定位和微小位移测量。通过用纳米测量机的激光干涉仪对光学显微测头的位移进行校准，可将测头的位移测量结果溯源到稳频激光的波长。实验过程也证明：光学显微测头具有扫描速度快、测量分辨力高和抗干扰能力强等优点，适用于纳米表面形貌的非接触测量。4　结论　　本文介绍了一种用于纳米级表面形貌测量的高分辨力光学显微测头。在测头设计中，采用激光全息单元作为位移测量系统的主要元件，根据差动光斑尺寸变化原理实现微位移测量，结合光学显微系统，形成了结构紧凑、集测量和观察功能于一体的高分辨力光学显微测头。将该测头安装在纳米三维测量机上，对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验，结果表明：该光学显微测头可实现预期的测量功能，位移测量分辨力可达到纳米量级。下一步将通过多种微纳米样板测量实验，进一步考察和完善测头的结构和性能，使其更好地适合纳米三维测量机，应用于微纳结构几何参数的非接触测量。作者简介李强，（1976-），男，高级工程 师，主要从事纳米测量技术研究，在微纳米表面形貌参数测量与校准、微纳尺度材料力学特征参数测量与校准、复杂微结构测量与评价等领域具有丰富经验。

3月20日,国家重大科学仪器设备开发专项&ldquo 跨尺度微纳米测量仪的开发和应用&rdquo 项目首次工作会议在市计测院举行。国家质检总局科技司副处长谢正文主持会议，清华大学院士金国藩、同济大学院士李同保、上海理工大学院士庄松林，国家质检总局科技司副司长王越薇、市质监局总工程师陆敏、市科委处长过浩敏等专家和领导出席会议。　　会上，项目总体组、技术专家组、项目监理组、用户委员会和项目管理办公室宣布成立。会议报告了项目及任务实施方案，介绍了项目管理办法，并由专家现场进行了技术点评和项目管理点评。　　王越薇对项目推进提出了具体工作要求。她要求项目所有单位本着为国家产业发展负责的精神，对项目予以高度重视。牵头单位要围绕总体目标，做细做实项目推进计划，项目各参与单位必须按时保质完成分目标，确保项目顺利推进。她要求加强项目的过程管理，制定并落实各项管理制度，对项目推进中出现的问题，要协调解决，必要时召开专题会议，并且做好包括基础数据、过程记录在内的档案管理。她还要求加强项目的财务管理，牵头单位和各参与单位都要重视财务管理，尤其要提高国家级重大项目的财务管理水平，确保项目经费的使用符合财务管理要求。最后，王越薇长还代表国家质检总局科技司表示，将尽全力做好项目实施单位与国家科技部的桥梁工作。　　会上，陆敏要求市计测院勇于创新，集中力量确保项目顺利实施，并通过科研项目促进科研管理水平和能力的提高。　　过浩敏感谢国家质检总局对项目的支持，肯定了重大专项对上海市创建具有国际影响力的科创中心的重要意义，并表示市科委将尽全力做好项目实施的地方配套服务工作。　　&ldquo 跨尺度微纳米测量仪的开发与应用&rdquo 项目以我国近年来多项创新技术及市计测院科研成果为基础，突破我国在微纳米检测技术领域检测方法集成开发的诸多技术瓶颈，旨在攻克宏微联动多轴驱动和多测头集成、基于原子沉积光栅的纳米量值溯源等关键技术，研制用于计量、工业生产、产品检测中微形貌和几何尺寸测量的微纳米测量仪，并构建跨尺度、高精度微纳米测量与研发平台，为我国国防、航空航天、半导体制造业、微机电产业、大气污染物防治等领域提供有效的纳米计量技术支持和保障，提升我国高新技术产业中微纳米尺寸定量化测量的技术水平。　　在国家质检总局的组织和指导下，项目经过近两年半时间的筹备和酝酿，于2014年10月获得国家科技部批准立项。项目牵头单位为上海计测工程设备监理有限公司，第一技术支撑单位为市计测院，16家参加单位涉及清华大学、上海交通大学、复旦大学、同济大学等国内顶级高校，以及中国工程物理研究院、国家纳米中心、中国科学院等国内顶尖研究机构。　　项目研究过程中，将以产业需求为牵引，以实际应用为导向，注重基于国际先进技术基础上的集成创新和工程化、产业化开发，着力挖掘科研成果转化的潜力，提高我国微纳米测量科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，并促进产、学、研、用的结合。项目完成后，将形成具有完全自主知识产权的仪器产品、附件、服务、标准等成果，能够填补国内空白，挑战国外仪器在相关领域的权威地位，促进纳米科技与经济紧密结合、科技创新与产业发展紧密融合，更树立国家在纳米制造、微电子、新型材料、超精密加工制造等领域的国际权威地位与话语权。

12月6日晚间，央视财经频道《经济信息联播》栏目“专精特新 制造强国”系列节目报道深圳市中图仪器股份有限公司。本期专精特新高人：18年用心打磨15把硬核科技“尺”，从纳米到百米，从接触式到非接触式。铸光为尺，见微知著，不断拓展工业测量领域全尺寸链条。几何尺寸测量的精度，直接决定了工业制造的高度。不论小如芯片，还是大如飞机，精密测量仪器，就像量体裁衣时裁缝的尺子。深圳一家专精特新企业里有一位高人，研发出了能测量从1纳米到1百米的工业“尺子”。马俊杰从业18年来，虽然只做了15台测量仪，但每一台都独具特色。其中测量最快的一台，叫闪测仪。深圳中图仪器股份有限公司董事长 马俊杰：我手上拿的就是手机上一块精密的结构件，几秒测量，几百个尺寸直接显示出来，而且达到了微米级的精度。马俊杰毕业于清华大学精密仪器专业，后在研究所工作期间，他发现实验室里的精密仪器全都来自国外，这让他产生了创业做国产几何测量仪的想法。这台指示表检测仪，是马俊杰当年研发出的第一款精密测量仪器。但这些都还不是精度最高的“尺子”。这枚看似光滑的晶圆，放在显微测量仪下，表面变得错落有致起来，经过测量，高度差仅有6.1纳米。但它还将被切割成更小的方块，才能使用。深圳中图仪器股份有限公司董事长 马俊杰：这台仪器它的精度非常高，达到了0.1纳米的分辨率，半导体领域已经大量使用。这家企业的测量绝活可不止于微小领域。马俊杰的团队潜心研究6年，研发出可测百米尺寸的激光跟踪仪，解决了大型、超大型工件或装置的高精度测量问题。深圳中图仪器股份有限公司副总经理 张和君：这是一架飞机模型，关键部件测量精度必须控制在0.1毫米至0.2毫米之间，飞机的装配才能保证严丝合缝。激光跟踪仪是唯一同时具有微米级别测量精度，和百米工作空间的高性能光电仪器。