專利名稱：激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于形貌測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于低反射率樣品的非連續(xù)表面微觀形貌測(cè)量。
背景技術(shù)：
隨著微加工工藝的快速發(fā)展，微器件已經(jīng)成為科研領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，如MEMS器件和微光學(xué)器件研究等；與此相應(yīng)，微器件的形貌測(cè)量?jī)x器目前面臨著較大的需求?；诠鈱W(xué)干涉相位測(cè)量原理的光學(xué)形貌測(cè)量方法具有可溯源至長(zhǎng)度基準(zhǔn)和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。但是，過(guò)去基于相位測(cè)量的光學(xué)形貌方法存在一些缺點(diǎn)。傳統(tǒng)相位測(cè)量方法要求待測(cè)樣品表面具有一定的反射率和表面平滑度，以達(dá)到足夠的信噪比，因此低反射率樣品的表面形貌測(cè)量成為困難；而且，一些透明樣品不同層面的雜散反射光會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)影響相位測(cè)量精度。相位測(cè)量方法的測(cè)量范圍一般都限制半個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，然而，很多樣品表面包含有臺(tái)階和微孔等非連續(xù)面，當(dāng)臺(tái)階高度或孔深度超過(guò)半個(gè)光波長(zhǎng)時(shí)，相位測(cè)量方法就不能進(jìn)行。這些問(wèn)題都限制了基于相位測(cè)量的光學(xué)形貌測(cè)量方法的應(yīng)用。
1963年，King首次發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)外部反射鏡將CO2激光器的部分輸出光耦合回諧振腔時(shí)，反射鏡的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起激光器輸出功率的調(diào)制，類似于傳統(tǒng)的雙光束干涉現(xiàn)象，即一個(gè)條紋移動(dòng)對(duì)應(yīng)反射鏡移動(dòng)半個(gè)激光波長(zhǎng)，此即激光回饋現(xiàn)象，也稱自混合干涉現(xiàn)象。
圖1為法國(guó)研究人員Eric Lacot等人在Physical Review A第70卷053824頁(yè)報(bào)導(dǎo)的基于微片激光器的光回饋位移測(cè)量裝置。該系統(tǒng)的工作原理為如圖1所示，微片激光器1輸出單縱模激光，經(jīng)過(guò)透鏡2準(zhǔn)直后，投射到分光鏡3；經(jīng)過(guò)分光鏡3的透射光通過(guò)移頻器件4后，光頻相對(duì)于激光器腔內(nèi)光頻(ω)發(fā)生偏移，偏移量等于移頻器件4的正弦信號(hào)發(fā)生源8輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率(Ω/2)，即通過(guò)移頻器件4后激光頻率變?yōu)?ω+Ω/2)；此后，激光再經(jīng)過(guò)衰減片12，由透鏡2投射到待測(cè)物體6上；一部分反射光又沿著原來(lái)的光路返回微片激光器1，形成光回饋；由于反射光在返回過(guò)程中再次經(jīng)過(guò)移頻器件4，因此，返回微片激光器1時(shí)激光頻率已變化為(ω+Ω)；經(jīng)過(guò)移頻Ω的回饋光導(dǎo)致激光器光功率受到調(diào)制，調(diào)制頻率為Ω，相位和回饋外腔腔長(zhǎng)相關(guān)；微片激光器1的出射光，經(jīng)過(guò)分光鏡3反射后通過(guò)透鏡2會(huì)聚到光電探測(cè)器7上，得到反映激光功率調(diào)制的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路10后，形成測(cè)量信號(hào)。正弦信號(hào)發(fā)生源8輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)參考信號(hào)生成電路9后，輸出一路頻率為Ω、幅度穩(wěn)定的正弦信號(hào)，作為參考信號(hào)。將測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)同時(shí)送入正交相敏檢波器11，即可測(cè)量光功率調(diào)制信號(hào)的相位變化信息，從而得到待測(cè)物體的位移。這種基于光回饋相位測(cè)量的位移測(cè)量方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)微弱的反射光即可產(chǎn)生一定幅度的功率調(diào)制，則待測(cè)樣品的反射率和表面質(zhì)量可以很低；外差式相位測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的相位測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中位移分辨率優(yōu)于10nm。但是，上述的光回饋相位測(cè)量方法在用于表面形貌測(cè)量時(shí)同樣受到半波長(zhǎng)測(cè)量范圍的限制，因此在測(cè)量臺(tái)階等非連續(xù)表面時(shí)受到限制；而且，它在測(cè)量低反射率樣品時(shí)同樣易受到來(lái)自樣品不同層面的雜散反射光的影響，影響相位測(cè)量精度。
共焦掃描成像在上世紀(jì)由Minsky提出，由于其具有層析的特性而得到普遍重視。圖2為普通反射式共焦顯微系統(tǒng)示意圖。光源21發(fā)出的光由透鏡22會(huì)聚在針孔23上，通過(guò)針孔后從分光鏡24透射，由透鏡22會(huì)聚于被測(cè)物25上。假設(shè)被測(cè)物25是一個(gè)理想全反射平面，它沿透鏡22軸向進(jìn)行掃描。當(dāng)物體在焦平面時(shí)，反射光被精確的聚焦在針孔26上，此時(shí)探測(cè)器27接收到大量的入射光能量。若反射面從焦平面上移開(kāi)(圖2中的虛線)，則反射光被聚焦在針孔26前面的某個(gè)位置，此時(shí)探測(cè)器27接收到的光強(qiáng)信號(hào)大大減弱，即離焦面在點(diǎn)探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)隨離焦量增加迅速降低。深入研究表明，共焦顯微系統(tǒng)不僅可以抑制成像中的弱雜散光，而且在相同成像條件下，其橫向分辨率為普通顯微系統(tǒng)的1.4倍，并且具有三維層析成像功能。共焦顯微術(shù)已被應(yīng)用于表面形貌測(cè)量領(lǐng)域，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠探測(cè)待測(cè)表面絕對(duì)位置的變化。但是，單純的共焦形貌測(cè)量方法的軸向分辨率因?yàn)楣庠丛肼暫凸β势频挠绊懯艿较拗疲欢?，點(diǎn)探測(cè)器接收的光強(qiáng)變化和待測(cè)物體位移之間具有一定的非線性，形貌測(cè)量的精度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的形貌測(cè)量裝置，它融合了微片激光器的高光回饋靈敏度，外差式光回饋相位測(cè)量的高分辨率和共焦系統(tǒng)的絕對(duì)位置測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，解決了過(guò)去單純基于相位測(cè)量或者共焦法的光學(xué)形貌測(cè)量方法的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種反射率表面的高分辨率形貌測(cè)量，尤其是可以進(jìn)行以往光學(xué)形貌測(cè)量方法較難完成的低反射率樣品非連續(xù)表面的高分辨率測(cè)量。
圖3所示為本發(fā)明的測(cè)量原理框圖。對(duì)于微片激光器，當(dāng)回饋光相對(duì)于腔內(nèi)激光的頻移量接近激光器的馳豫振蕩頻率時(shí)，微弱的回饋光就可以引起一定幅度的激光器光功率調(diào)制；由于采用了共焦光回饋光路，待測(cè)樣品表面的高度起伏同時(shí)影響著回饋光的強(qiáng)度和相位，因此也影響著激光器功率調(diào)制的幅度和相位；通過(guò)外差測(cè)量方法同時(shí)檢測(cè)出此激光功率調(diào)制的幅度和相位，其中，幅度信息用于樣品表面兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)的判定，相位信息用于此高度差的半波長(zhǎng)小數(shù)測(cè)量；最后，綜合半波長(zhǎng)大數(shù)和小數(shù)信息得到樣品表面上兩點(diǎn)的高度差。這樣，本發(fā)明同時(shí)具備了高靈敏度，大量程和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足低反射率樣品非連續(xù)表面測(cè)量的要求。
本發(fā)明的測(cè)量原理具體如下單縱模微片激光器輸出的光場(chǎng)E(t)為E(t)＝E0exp[i(ωt+φ0)]，(1)式中，各變量的含義為E0為光場(chǎng)慢變振幅，ω為激光頻率，φ0為出射激光的初始相位。
在外腔，出射光場(chǎng)E經(jīng)過(guò)移頻裝置(移頻量為Ω/2)后，經(jīng)過(guò)透鏡投射到樣品上，部分光被樣品反射后再次通過(guò)移頻裝置，又返回到激光諧振腔，形成回饋光。因此，回饋光光場(chǎng)為Einj(t)＝KE(t-τ)exp(iΩt)exp[-i(ω+Ω/2)τ]，(2)式中，各變量的含義為K為光回饋系數(shù)；τ為反饋光在外腔的時(shí)延，它由外腔腔長(zhǎng)決定。
考慮回饋光影響的B類激光器速率方程為dNdt=γ(N0-N)-BN|E|2,---(3)]]>dE(t)dt=[i(ωc-ω)+12(BN-γc)]E(t)+γcEinj(t)]]>式中，各變量的含義為N和N0分別為激光器實(shí)際反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；γ為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的衰減速率；γc為腔內(nèi)光場(chǎng)的衰減速率；B為愛(ài)因斯坦受激輻射系數(shù)；ωc和ω分別為諧振腔共振頻率和實(shí)際激光頻率。
由公式(3)可以得到，移頻光回饋引起的激光器輸出功率相對(duì)調(diào)制為ΔPPs=2Kγc(η2γ2+Ω2)1/2[η2γ2Ω2+(ωR2-Ω2)2]1/2cos(Ωt-ωτ+φs),---(4)]]>
式中，ΔP為激光器功率調(diào)制信號(hào)；Ps為穩(wěn)態(tài)輸出功率；η為實(shí)際泵浦功率和閾值泵浦功率的比值；ωR＝[(η-1)γγc]1/2，是微片激光器的馳豫振蕩頻率；φs為固定的附加相位，和ωτ無(wú)關(guān)。
根據(jù)公式(4)，當(dāng)回饋光在外腔的頻移量Ω＝ωR時(shí)，它引起的功率調(diào)制幅度達(dá)到最大ΔPPs≈2Kηγcγ;]]>對(duì)于微片激光器，γc/γ可以達(dá)到106量級(jí)。這相當(dāng)于對(duì)光回饋系數(shù)K的一個(gè)極大的放大；因此，當(dāng)回饋光在外腔的頻移量接近馳豫振蕩頻率時(shí)，微片激光器會(huì)表現(xiàn)出非常高的回饋光靈敏度，可應(yīng)用于微弱光信號(hào)檢測(cè)的場(chǎng)合，這也是本發(fā)明可以測(cè)量低反射率樣品表面形貌的基礎(chǔ)。
根據(jù)公式(4)，光功率調(diào)制信號(hào)的相位φ＝Ωt-ωτ+φs，其中，(ωτ)直接反映了外腔腔長(zhǎng)的變化；回饋光的移頻量Ω是通過(guò)移頻器件實(shí)現(xiàn)的，因此，由驅(qū)動(dòng)移頻器件的信號(hào)源可以得到一路參考電信號(hào)Er(t)＝Er0cos(Ωt)；將功率調(diào)制信號(hào)ΔP和參考信號(hào)Er同時(shí)送入正交相敏檢波器進(jìn)行外差式相位解調(diào)，就可以測(cè)量相位項(xiàng)ωτ的變化。在形貌測(cè)量中，外腔腔長(zhǎng)的變化即對(duì)應(yīng)于樣品表面的高度起伏，因此，本發(fā)明可以通過(guò)光回饋相位測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)表面形貌的高分辨率測(cè)量。當(dāng)相位測(cè)量分辨率為1度時(shí)，形貌測(cè)量的分辨率達(dá)到1.5nm。
然而，單純的光回饋相位測(cè)量方法在用于表面形貌測(cè)量時(shí)也要求非連續(xù)形貌的高度變化必須在半個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，這限制了它的應(yīng)用范圍。本發(fā)明融合光回饋相位測(cè)量技術(shù)和共焦光回饋技術(shù)，利用共焦系統(tǒng)的絕對(duì)位置測(cè)量能力在非連續(xù)形貌測(cè)量時(shí)進(jìn)行半波長(zhǎng)大數(shù)的確定，從而大大擴(kuò)展了光回饋相位測(cè)量的測(cè)量能力。
圖4為共焦光回饋原理示意圖。假想樣品45為一理想反射面，微片激光器41的輸出光經(jīng)過(guò)透鏡42會(huì)聚于針孔43處，通過(guò)針孔43后經(jīng)過(guò)物鏡44會(huì)聚于樣品45表面上。當(dāng)樣品45表面位于物鏡44焦點(diǎn)處時(shí)，會(huì)有大量反射光可以通過(guò)針孔43，形成回饋光；當(dāng)樣品表面偏離物鏡44的焦面(圖4中的虛線)，則反射光中大部分光將不能通過(guò)針孔43，回饋光的強(qiáng)度會(huì)大大減弱。因此，在共焦光回饋系統(tǒng)中，通過(guò)單個(gè)針孔43同時(shí)完成了有限孔徑光源和有限孔徑探測(cè)器的功能。理論推導(dǎo)表明，在共焦光回饋系統(tǒng)中，光回饋系數(shù)K和樣品表面的離焦量u滿足
K2∝[sin(u/2)(u/2)]2.---(5)]]>根據(jù)公式(4)和(5)可以得到激光功率調(diào)制幅度A和離焦量u的關(guān)系示意曲線，如圖5所示。如果樣品表面位于圖5曲線中的近似線性區(qū)域a中，則可以利用幅度A的變化來(lái)大致評(píng)估樣品表面所處的絕對(duì)位置。通過(guò)調(diào)節(jié)圖4中針孔43的孔徑和物鏡44的放大倍率，可以改變圖5曲線的近似線性區(qū)間a的寬度和斜率。選擇合適的參數(shù)，使得當(dāng)樣品表面的絕對(duì)位置變化半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，測(cè)得的功率調(diào)制幅度A的變化可以分辨，這樣幅度A就可以用于形貌測(cè)量時(shí)半波長(zhǎng)大數(shù)的判定。這樣，本發(fā)明可以解決過(guò)去光回饋相位測(cè)量方法中相位突變不能超過(guò)半波長(zhǎng)范圍的限制。功率調(diào)制幅度A可以通過(guò)將功率調(diào)制信號(hào)ΔP和參考電信號(hào)Er同時(shí)送入正交相敏檢波器中得到。
最終，在微觀表面形貌測(cè)量中，本發(fā)明應(yīng)用正交相敏檢波器測(cè)得的幅度信息A進(jìn)行樣品表面上兩點(diǎn)高度差Δh的半波長(zhǎng)大數(shù)n的確定，應(yīng)用在兩點(diǎn)測(cè)得的相位差(1-2)來(lái)確定高度差的半波長(zhǎng)小數(shù)，具體計(jì)算如公式(6)所示 式中，λ為微片激光器輸出激光的波長(zhǎng)。
本發(fā)明的特征在于，含有輸出單縱模的微片激光器(1)，輸出單縱模激光；透鏡(2)和分光鏡(3)，依次放置在該激光器發(fā)射端軸線上；移頻器件(4)，為聲光移頻器，放置在分光鏡(3)的透射光路上，移頻器件(4)輸出的激光的頻率相對(duì)于激光器腔內(nèi)光頻ω發(fā)生Ω/2的偏移；共焦光回饋模塊(5)，放置在移頻器件(4)的透射光路上，該模塊(5)包括依次放置的透鏡(71)、針孔(72)、透鏡(73)和顯微物鏡(74)，其中透鏡(71)，把移頻器件(4)輸出的透射光會(huì)聚于針孔(72)上，針孔(72)，通過(guò)針孔(72)的透射光由透鏡(73)準(zhǔn)直成平行光束，該平行光束通過(guò)顯微物鏡(74)會(huì)聚在樣品(6)的表面上，一部分激光被樣品(6)反射后再次進(jìn)入所述共焦光回饋模塊(5)，針孔(72)在作為共焦系統(tǒng)中點(diǎn)光源的同時(shí)，又起到點(diǎn)探測(cè)器的作用，使得通過(guò)所述共焦光回饋模塊(5)的反射光強(qiáng)度隨樣品(6)表面的離焦值增大而迅速減弱，從而導(dǎo)致回饋光強(qiáng)度降低，以評(píng)估樣品(6)表面的絕對(duì)位置的變化；另一個(gè)透鏡(2)和光電探測(cè)器(7)，依次放置在分光鏡(3)的反射光路上；正弦信號(hào)發(fā)生源(8)，輸出端和移頻器件(4)的輸入端相連，輸出頻率為Ω/2的電信號(hào)；參考信號(hào)發(fā)生電路(9)，輸入端和所述正弦信號(hào)發(fā)生源(8)的頻率為Ω/2的電信號(hào)輸出端相連；信號(hào)調(diào)理電路(10)，輸入端與所述光電探測(cè)器(7)的輸出端相連；正交相敏檢波器(11)，兩個(gè)輸入端分別和所述參考信號(hào)發(fā)生電路(9)以及信號(hào)調(diào)理電路(10)的輸出端相連，同時(shí)解調(diào)出光功率調(diào)制信號(hào)的幅度和相位，以便在形貌測(cè)量過(guò)程中依次分別實(shí)現(xiàn)樣品(6)表面上兩點(diǎn)之間高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)和半波長(zhǎng)小數(shù)的測(cè)量，據(jù)此得出樣品(6)表面上兩點(diǎn)之間的高度差；其中，當(dāng)樣品(6)產(chǎn)生的反射光再次經(jīng)過(guò)移頻器件(4)時(shí)形成頻率為ω+Ω的回饋光，以Ω的調(diào)制頻率調(diào)制所述微片激光器(1)的輸出光功率。
所述共焦光回饋模塊(5)中的透鏡(71)、針孔(72)和透鏡(73)是共光軸的，依次位于所述透鏡(2)之下和所述分光鏡(3)之上。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果由于微片激光器具有非常高的光回饋靈敏度，本發(fā)明特別適用于低反射率或者表面質(zhì)量差的樣品形貌測(cè)量。
本發(fā)明在微片激光器光回饋相位測(cè)量系統(tǒng)中融入了共焦光回饋模塊，使得光回饋的強(qiáng)度隨樣品表面的離焦量不同產(chǎn)生明顯變化，從而可以用于評(píng)估樣品表面的絕對(duì)位置變化，利用此信息來(lái)進(jìn)行非連續(xù)表面形貌測(cè)量時(shí)的半波長(zhǎng)大數(shù)的判定。因此，與單純的光回饋相位測(cè)量方法相比，本發(fā)明可以同時(shí)應(yīng)用于連續(xù)表面以及存在大于半波長(zhǎng)形貌突變的非連續(xù)表面形貌測(cè)量。
本發(fā)明由于采用了共焦光回饋模塊，在解決了半波長(zhǎng)大數(shù)判定問(wèn)題的同時(shí)，系統(tǒng)還具備了層析的功能，可以避免低反射率樣品測(cè)量時(shí)離焦層面的殘余反射光引起的相位測(cè)量誤差，這也是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有形貌測(cè)量方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。


圖1為微片激光器光回饋位移測(cè)量裝置原理圖；圖2為共焦顯微成像原理圖；圖3為本發(fā)明的測(cè)量原理框圖；圖4為本發(fā)明的共焦光回饋原理示意圖；圖5為本發(fā)明的激光功率調(diào)制幅度A和樣品表面離焦量u關(guān)系示意圖；
圖6為本發(fā)明的激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置的實(shí)施例1結(jié)構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明的共焦光回饋模塊5的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明的激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置的實(shí)施例2結(jié)構(gòu)圖；圖9為本發(fā)明的實(shí)施例的一組初步測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置的具體實(shí)施方式
。
本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括輸出單縱模的微片激光器1，以及依次放置在該激光器發(fā)射端軸線上的透鏡2和分光鏡3；放置在分光鏡3透射光路上的移頻器件4和共焦光回饋模塊5；放置在分光鏡3反射光路上的透鏡2和光電探測(cè)器7；正弦信號(hào)發(fā)生源8，它的輸出端同時(shí)和移頻器件4以及參考信號(hào)發(fā)生電路9的輸入端相連；信號(hào)調(diào)理模塊10，它的輸入端與光電探測(cè)器7相連；正交相敏檢波器11，它的兩個(gè)輸入端分別和參考信號(hào)發(fā)生電路9以及信號(hào)調(diào)理模塊10的輸出端相連。
所述的共焦光回饋模塊5的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括依次放置的透鏡71、針孔72、透鏡73和顯微物鏡74。
本實(shí)施例的激光共焦回饋形貌測(cè)量裝置具體原理如下如圖6所示，微片激光器1輸出單縱模激光，經(jīng)過(guò)透鏡2準(zhǔn)直后，由分光鏡3分為兩束。經(jīng)過(guò)分光鏡3的透射光通過(guò)移頻器件4后，激光的頻率相對(duì)于激光器腔內(nèi)光頻(ω)發(fā)生了偏移，偏移量等于驅(qū)動(dòng)移頻器件4的正弦信號(hào)發(fā)生源8輸出的電信號(hào)頻率(Ω/2)，即通過(guò)移頻器件4后激光頻率變?yōu)?ω+Ω/2)。通過(guò)移頻器件4后，激光進(jìn)入共焦光回饋模塊5(采用圖7所示的實(shí)施例)，由共焦光回饋模塊5中的透鏡71會(huì)聚于針孔72上，通過(guò)針孔72后由透鏡73擴(kuò)成平行光束，平行光束通過(guò)顯微物鏡74會(huì)聚在樣品6的表面上。一部分激光被樣品6表面反射后再次進(jìn)入共焦光回饋模塊5。針孔72同時(shí)發(fā)揮共焦系統(tǒng)中點(diǎn)光源和點(diǎn)探測(cè)器的作用，使得能夠通過(guò)光回饋模塊5的反射光強(qiáng)度隨樣品6表面的離焦量增加而迅速減弱，從而導(dǎo)致回饋光強(qiáng)度降低，從中可以評(píng)估樣品6表面的絕對(duì)位置變化。通過(guò)共焦光回饋模塊5的樣品反射光再次經(jīng)過(guò)移頻器件4，頻率變?yōu)?ω+Ω)，再經(jīng)過(guò)分光鏡3和透鏡2返回微片激光器1，形成回饋光；回饋光導(dǎo)致激光器光功率受到調(diào)制，調(diào)制頻率為Ω，相位和回饋外腔腔長(zhǎng)相關(guān)，調(diào)制幅度和回饋光強(qiáng)度相關(guān)。微片激光器1的出射光，經(jīng)過(guò)分光鏡3反射后通過(guò)透鏡2會(huì)聚到光電探測(cè)器7上，得到反映激光功率調(diào)制的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路10后，形成測(cè)量信號(hào)。正弦信號(hào)發(fā)生源8輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)參考信號(hào)生成電路9后，輸出一路頻率為Ω、幅度穩(wěn)定的正弦信號(hào)，作為參考信號(hào)。將測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)同時(shí)送入正交相敏檢波器11，它同時(shí)解調(diào)出功率調(diào)制信號(hào)的幅度和相位。利用功率調(diào)制的幅度信息在形貌測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)樣品表面上兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)的確定；利用功率調(diào)制的相位信息進(jìn)行樣品表面上兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)小數(shù)測(cè)量；最后，綜合半波長(zhǎng)大數(shù)和小數(shù)信息得到樣品表面上兩點(diǎn)的高度差。
本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括輸出單縱模的微片激光器1，以及放置在該激光器發(fā)射端軸線上的透鏡2；依次放置于透鏡2之下的所述共焦光回饋模塊5中的透鏡71、針孔72和透鏡73；放置在透鏡73之下的分光鏡3；放置在分光鏡3透射光路上的移頻器件4和顯微物鏡74；放置在分光鏡3反射光路上的透鏡2和光電探測(cè)器7；正弦信號(hào)發(fā)生源8，它的輸出端同時(shí)和移頻器件4以及參考信號(hào)發(fā)生電路9的輸入端相連；信號(hào)調(diào)理模塊10，它的輸入端與光電探測(cè)器7相連；正交相敏檢波器11，它的兩個(gè)輸入端分別和參考信號(hào)發(fā)生電路9以及信號(hào)調(diào)理模塊10的輸出端相連。
實(shí)施例2和實(shí)施例1相比的區(qū)別在于，所述共焦光回饋模塊5中的透鏡71、針孔72和透鏡73依次位于所述透鏡2之下和所述分光鏡3之上；這樣，在光路調(diào)節(jié)中可以避免針孔處產(chǎn)生經(jīng)過(guò)移頻的雜散反射光，降低光路調(diào)節(jié)難度。
以實(shí)施例1為例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明的形貌測(cè)量方法，具體測(cè)量步驟如下1)微片激光器1輸出的單縱模激光，經(jīng)過(guò)透鏡2準(zhǔn)直，從分光鏡3透射后依次通過(guò)移頻器件4和共焦光回饋模塊5，會(huì)聚在樣品6的表面上；一部分激光被樣品6表面反射后，再次通過(guò)共焦光回饋模塊5、移頻器件4、分光鏡3和透鏡2，返回微片激光器1，形成回饋光；回饋光導(dǎo)致激光器光功率受到調(diào)制，調(diào)制頻率為Ω，相位和回饋外腔的腔長(zhǎng)相關(guān)，調(diào)制幅度和回饋光的強(qiáng)度相關(guān)；2)微片激光器1的出射光，經(jīng)過(guò)分光鏡3反射后通過(guò)透鏡2會(huì)聚到光電探測(cè)器7上，得到反映激光功率調(diào)制的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路10后，形成測(cè)量信號(hào)；3)正弦信號(hào)發(fā)生源8輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)參考信號(hào)生成電路9后，輸出一路頻率為Ω、幅度穩(wěn)定的正弦信號(hào)，作為參考信號(hào)。
4)將測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)同時(shí)送入正交相敏檢波器11，它同時(shí)解調(diào)出激光功率調(diào)制信號(hào)的幅度和相位；利用功率調(diào)制幅度的變化在形貌測(cè)量中實(shí)現(xiàn)樣品表面上兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)的確定；利用功率調(diào)制相位的變化進(jìn)行樣品表面上兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)小數(shù)測(cè)量；最后，綜合半波長(zhǎng)大數(shù)和小數(shù)信息處理得到樣品表面上兩點(diǎn)的高度差。
本發(fā)明兼?zhèn)淞宋⑵す馄鞯母吖饣仞侅`敏度，外差式光回饋相位測(cè)量的高分辨率和共焦系統(tǒng)的絕對(duì)位置測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)本發(fā)明的縱向分辨率優(yōu)于10nm，可測(cè)突變形貌的高度大于10μm，而且可以測(cè)量低反射率樣品的形貌。
本發(fā)明的實(shí)施例的主要器件的型號(hào)及參數(shù)微片激光器1為半導(dǎo)體激光器泵浦的微片Nd:YAG激光器，它輸出單縱模激光；移頻器件4采用聲光移頻器；共焦光回饋模塊5采用圖7所示的實(shí)施例，其中，針孔72的孔徑為100μm，顯微物鏡74為放大倍率15×，數(shù)值孔徑0.30的物鏡；光電探測(cè)器7為光電二極管；正交相敏檢波器11采用雙相鎖相放大器。
為測(cè)試本測(cè)量裝置的可行性，用德國(guó)PI公司的帶有電容位移傳感器伺服控制的微動(dòng)臺(tái)(型號(hào)P762)來(lái)初步標(biāo)定本測(cè)量裝置，該微動(dòng)臺(tái)在100μm行程范圍內(nèi)的非線性誤差小于5nm。用一個(gè)經(jīng)過(guò)銑削的鋁工件作為測(cè)量對(duì)象，將它固定在微動(dòng)臺(tái)上，隨著微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)臺(tái)移動(dòng)20μm，圖9為測(cè)試實(shí)驗(yàn)的一組測(cè)量結(jié)果。橫坐標(biāo)為微動(dòng)臺(tái)內(nèi)置的電容位移傳感器測(cè)得的目標(biāo)位移，縱坐標(biāo)左邊為本測(cè)量裝置相位測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為目標(biāo)位移后的結(jié)果，縱坐標(biāo)右邊為本測(cè)量裝置幅度測(cè)量的結(jié)果。此結(jié)果表明本測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率形貌測(cè)量，而且測(cè)得的幅度信息可以實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)大數(shù)的判定。
權(quán)利要求
1.一種激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置，其特征在于，含有輸出單縱模的微片激光器(1)，輸出單縱模激光；透鏡(2)和分光鏡(3)，依次放置在該激光器發(fā)射端軸線上；移頻器件(4)，為聲光移頻器，放置在分光鏡(3)的透射光路上，移頻器件(4)輸出的激光的頻率相對(duì)于激光器腔內(nèi)光頻ω發(fā)生Ω/2的偏移；共焦光回饋模塊(5)，放置在移頻器件(4)的透射光路上，該模塊(5)包括依次放置的透鏡(71)、針孔(72)、透鏡(73)和顯微物鏡(74)，其中透鏡(71)，把移頻器件(4)輸出的透射光會(huì)聚于針孔(72)上，針孔(72)，通過(guò)針孔(72)的透射光由透鏡(73)準(zhǔn)直成平行光束，該平行光束通過(guò)顯微物鏡(74)會(huì)聚在樣品(6)的表面上，一部分激光被樣品(6)反射后再次進(jìn)入所述共焦光回饋模塊(5)，針孔(72)在作為共焦系統(tǒng)中點(diǎn)光源的同時(shí)，又起到點(diǎn)探測(cè)器的作用，使得通過(guò)所述共焦光回饋模塊(5)的反射光強(qiáng)度隨樣品(6)表面的離焦值增大而迅速減弱，從而導(dǎo)致回饋光強(qiáng)度降低，以評(píng)估樣品(6)表面的絕對(duì)位置的變化；另一個(gè)透鏡(2)和光電探測(cè)器(7)，依次放置在分光鏡(3)的反射光路上；正弦信號(hào)發(fā)生源(8)，輸出端和移頻器件(4)的輸入端相連，輸出頻率為Ω/2的電信號(hào)；參考信號(hào)發(fā)生電路(9)，輸入端和所述正弦信號(hào)發(fā)生源(8)的頻率為Ω/2的電信號(hào)輸出端相連；信號(hào)調(diào)理電路(10)，輸入端與所述光電探測(cè)器(7)的輸出端相連；正交相敏檢波器(11)，兩個(gè)輸入端分別和所述參考信號(hào)發(fā)生電路(9)以及信號(hào)調(diào)理電路(10)的輸出端相連，同時(shí)解調(diào)出光功率調(diào)制信號(hào)的幅度和相位，以便在形貌測(cè)量過(guò)程中依次分別實(shí)現(xiàn)樣品(6)表面上兩點(diǎn)之間高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)和半波長(zhǎng)小數(shù)的測(cè)量，據(jù)此得出樣品(6)表面上兩點(diǎn)之間的高度差；其中，當(dāng)樣品(6)產(chǎn)生的反射光再次經(jīng)過(guò)移頻器件(4)時(shí)形成頻率為ω+Ω的回饋光，以Ω的調(diào)制頻率調(diào)制所述微片激光器(1)的輸出光功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光共焦回饋顯微測(cè)量裝置，其特征在于所述共焦光回饋模塊(5)中的透鏡(71)、針孔(72)和透鏡(73)是共光軸的，依次位于所述透鏡(2)之下和所述分光鏡(3)之上。
全文摘要
本發(fā)明屬于形貌測(cè)量，尤其涉及低反射率樣品的非連續(xù)表面微觀形貌測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，包含單縱模微片激光器，依次放置在其發(fā)射端軸線上的透鏡和分光鏡，依次放置在分光鏡反射光路上的透鏡和光電探測(cè)器，依次放置在其透射光路上的移頻器件和共焦光回饋模塊；正弦信號(hào)發(fā)射源，輸出端同時(shí)和移頻器件與參考信號(hào)發(fā)生電路的輸入端相連；信號(hào)調(diào)理電路，輸入端和光電探測(cè)器的輸出端相連；正交相敏檢波器，兩個(gè)輸入端分別和參考信號(hào)發(fā)生電路及信號(hào)調(diào)理電路的輸出端相連，而輸出光功率調(diào)制信號(hào)的幅度和相位，分別用于確定樣品表面上兩點(diǎn)高度差的半波長(zhǎng)大數(shù)和小數(shù)。本發(fā)明可同時(shí)用于連續(xù)表面以及存在大于半波長(zhǎng)形貌突變的非連續(xù)表面的形貌測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1945202SQ200610114088
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者張書練, 萬(wàn)新軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)