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表面形貌光学法测量技术The Optical Means Used in Measuring Surface Microtopography冯 斌 王建华(西安工业学院光电测试技术研究所,陕西西安710032)摘 要:介绍了在表面微观形貌测量中常用的光学测量方法,分析了它们各自的原理和优缺点,最后对光学法表面微观形貌测量技术的发展作了简要评述。
关键词:表面微观形貌;光学方法;测量 对表面微观形貌的测量,从传统的机械触针式测量已发展到今天的利用各种原理实现的非接触式测量。
目前的非接触式形貌测量方法所依据的原理主要是光、声、电或是某两种的结合,其中光学方法在非接触式形貌测量中的应用最为广泛。
以下将对各种光学方法作进一步的分析,侧重在光探针法。
1 光学探针法探针测量技术是用针描法进行测量或瞄准的一种技术,光学探针就是把聚焦光束当做探针,然后利用不同的光学原理来检测被测表面形貌相对于聚焦光学系统的微小间距变化。
光探针又有几何光学探针和物理光学探针之分,利用成像原理来检测表面形貌的光学探针称之为几何光学探针;利用干涉原理的光学探针称之为物理光学探针。
1.1 物理光学探针1.1.1 外差干涉光学探针光外差干涉技术是一种较成熟、较完善的高精度测试技术,该方法利用两只具有微小频率差的相干光束的一束作为测量光束经显微物镜聚焦在被测表面上,另一束则作为参考光束保持光程不变,物体表面高度变化引起参考光束与测量光束光程差发生变化,通过相位比较,可获得表面微观高度。
光外差干涉中的光源除了常用的双频激光光源有纵向赛曼、横向赛曼He-Ne激光器,双纵模He-Ne激光器外,还有利用声光调制原理的移频双频光源。
光学外差干涉法均涉及两个光点,一个为测量光斑,另一个为参考光斑。
根据测量光斑和参考光斑的分布可以分为同轴和不同轴两种类型。
同轴型外差干涉轮廓仪在测量表面上形成的是两个中心重合但大小不同的光斑,大光斑作为参考光斑,小光斑常作为测量光斑。
实验一：面形的三维干涉测量及评价（PV 值与RMS 值）
一、实验目的：
1. 了解表面三维形貌的高精度实时测量原理
2. 实测一个平面光学零件的表面形貌
3. 对评价指标PV ，RMS 的定义有所掌握
二、实验原理：
本实验采用数字干涉测量原理进行，本实验与实验二的不同是测量中采用了扫描技术，因而可以实现面形的三维测量。
高精度光学平面零件的面形精度可用下列二个评价指标，如下图所示。
1． PV 值−−是表面形貌的最大峰谷值
2． RMS 值−−是表面形貌的均方根值，RMS 的定义是：
1
2
-±
=∑N v
RMS
式中T x v i -=，x i −−单次测值，
N
x
T i
∑=
，N −−重复测定次数。
三、实验光路
1－激光器 3,5－定向孔 6,7,9,16－反射镜 8－物镜 10－准直透镜 14－分光棱镜 18－带压电陶瓷的组合工作台 20－成像透镜 22－可调光阑 23－光电接收器 24－导轨
四、实验步骤：
1．扩束
2．将工作台16，18上的平面反射镜换成曲面或台阶面（其干涉条纹的形状与反射面面形有对应定量关系）
3．调整CCD23在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23
4．调节可调光阑22孔径位置，滤除寄生干涉光
5．测量程序操作见软件操作说明书
五、实验记录
被测工件：平面镜。
材料表面性质的表征与评价随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料表面性质的研究越来越重视。
表面性质的表征与评价是研究该领域的必要前提。
材料表面性质的表征与评价方法较多，如下面所述。
一、表面形貌的表征表面形貌是材料表面性质中重要的组成部分，常用的评价方法包括扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等。
SEM先对样品进行氧化或镀金处理，然后根据电子束所引起的样品表面反射或散射来获得表面形貌信息的方法。
SEM操作简单，成像清晰，能够获得材料表面的微结构和形貌信息，如表面粗糙度、表面形态等。
AFM通过探针扫描被测样品表面来获取高精度的3D拓扑图像。
AFM在表面形貌检测方面具有高分辨率、无需特殊准备等优点，尤其适用于纳米和超微区域的测量。
二、表面化学成分的表征表面化学成分是表征材料表面性质的重要参数，能够影响材料特性。
常用的表面化学成分表征方法有光电子能谱(EPS)、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TGA)等。
EPS主要是通过照射样品来促使样品发射电子，测定电子的能量分布，从而分析样品表面的成分和电子结构。
XPS是借助X射线对材料表面进行轰击，然后测定X射线光电子的能量，根据不同化合价分析表面原子能级电子的核心电子层能量，以实现表面成分的分析。
XPS具有化能和元素灵敏度高、表面元素组成分析能力强的特点。
TGA则是根据热导定律，将样品加热至一定温度区间内，测量样品重量和温度，以分析样品中各种成分的含量以及热分解动力学参数等信息。
三、表面电学性质的表征材料表面电学性质是指材料表面对电场或电势的响应情况。
表面电学性质的表征方法较多，主要包括表面电势(mV)、电容、电阻率等。
表面电势是材料表面或表面与电解质或空气接触时所具有的电势，反映材料表面电荷分布的差异。
表面电势可通过电位计或Zeta电位测试仪进行测量。
电容是衡量电容器两个导体之间存储电荷多少的物理量，可直接反映材料表面电学特性。
电容可以通过交流电桥法进行测量。
三维微纳结构的光刻及其表面形貌测量方法的研究微纳结构在现代科学技术发展中占据着非常重要的地位,它具备体积小、重量轻以及易集成等优点,对于系统的微型化、节能以及稳定性的提升都有非常大的促进作用。
在微系统的研究中,三维微纳结构器件以其独特的表面形貌以及功能特性受到了广泛的关注。
然而,由于三维微纳结构特征尺寸极小,表面形貌复杂,其在制备过程中面临着诸多难题。
为此,本文主要围绕三维微纳结构的高精度、高效率的加工与检测开展了如下相关研究。
首先,在三维微纳结构的加工方面,我们在DMD无掩模光刻的基础之上提出了单像素灰度调控三维光刻方法。
该方法比起传统的分层叠加曝光方法而言省略了不必要的切片操作,只需单次曝光,因此实现起来更加简单、高效。
另外由于调控像素点数量足够多,因此该方法能实现很高的调控精度。
在此方法基础之上,我们提出了基于灰度标定的非线性补偿方法,利用灰度与曝光深度之间的标定曲线,实现了高精度的三维微纳结构加工。
这种方法能够有效避免光刻过程中的非线性效应给加工带来的不确定性,主要避免了因计算而引入的非线性误差。
除此之外,在光刻胶的显影过程中,由于显影不均匀的影响,光刻胶上的微纳结构表面会存在一些微小的高低起伏变化,该变化会对器件的表面功能特性造成一些消极影响。
为此我们采用了适当热熔的表面形貌优化方法,通过分析光刻胶表面在不同热熔温度以及时间下的变化趋势,确定出最佳的热熔温度和时间方案,在确保光刻胶表面形变最小的前提下尽量提升微纳结构的表面粗糙度。
实验结果表明,这种基于DMD单步无掩模灰度光刻的加工方法以及基于热熔的表面形貌优化方法在实现高精度的三维微纳结构表面形貌控制以及表面形貌优化方面具备很大的应用价值。
其次,在三维微纳结构表面形貌检测方面,我们在白光干涉空间频域算法的基础之上,围绕着测量精度与测量稳定性两个方面进行了相关研究。
我们利用空间频域算法从干涉信号中同时提取出了相干形貌和相位形貌两种测量结果,其中相干形貌精度较低,却不包含2π相位模糊,相位形貌精度较高,但是包含2π模糊问题。
