超精密加工表面微觀形貌的光學(xué)測量方法

一、概　述

　　機械零件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響零件的使用性能，而且對產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。隨著超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工表面的微觀形貌測量已成為超精密加工領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵課題。

　　超精密加工表面極為光滑，表面粗糙度Ra值 在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超光滑表面的材料主要有光學(xué)玻璃、有機玻璃、石英玻璃等光學(xué)材料，鍺、硅等半導(dǎo)體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀形 貌測量的傳統(tǒng)方法是機械觸針法，該方法可通過觸測直接獲得被測表面某一截面的輪廓曲線，經(jīng)計算機進行數(shù)據(jù)處理分析，可得到接近真實輪廓的各種表面特征參 數(shù)。雖然該類儀器具有較高分辨率及較大量程（如Talystep觸針式輪廓儀分辨率可達0.1nm，測量范圍可達100μm），但由于測量時尖銳的金剛石觸針極易劃傷被測樣件的超光滑表面并引起測量誤差，因此其在超精密表面測量中的應(yīng)用受到一定限制。近年來，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現(xiàn)，使表面微觀輪廓測量技術(shù)發(fā)生了革命性變革。該類儀器不但具有可達原子尺度的超高分辨率（橫向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），還能獲得關(guān)于被測表面原子結(jié)構(gòu)及功能特性的大量信息。但STM 和AFM對測量環(huán)境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配備復(fù)雜的傳感器運動伺服控制系統(tǒng)，且儀器價格昂貴，測量范圍也較小，在實際應(yīng)用中還需解決精密隔振技術(shù)、壓電陶瓷的控制等技術(shù)難題。自1960年 激光器問世以來，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強度高等特點，很快成為精密光學(xué)測量的理想光源，各種類型的激光干涉儀均以真空中的激光波長作 為長度測量基準(zhǔn)。主要采用激光作為測量光源的表面微觀形貌光學(xué)測量方法不僅能實現(xiàn)高精度的快速非接觸測量，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因此在超精密表面非 接觸測量領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。目前較為成熟的光學(xué)測量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時一些新的方法正在研究開發(fā)之中。下面介紹幾種較為 典型的光學(xué)測量方法。

二、幾種典型的光學(xué)測量方法

　　1．X射線干涉儀

　　X射線干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。儀器主要由分束器S、鏡子M和分析器A構(gòu)成，它們是在同一晶塊上制作的三片互相平行的截面為（111）或（220）的晶片，其材料需選用高度完整的單晶硅，因為單晶硅的晶格間距可以用作納米級精度的基本測量單位。當(dāng)X射線以布拉格角入射到X射線干涉儀上時，可在分析器后形成宏觀的莫爾干涉條紋。當(dāng)分析器沿其反射晶面的法線方向移動時，每移動一個晶格間距，輸出光強就變化一個周期，通過記錄輸出光強的變化周期數(shù)，即可實現(xiàn)微位移測量。由于硅晶格間距僅為0．19nm，所以測量分辨率可達亞納米級。X射線干涉測量法的優(yōu)點是測量分辨率及測量精度高，缺點是對環(huán)境要求較高，測量范圍相對較小。

　　2．差動干涉儀

　　渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干涉儀的光學(xué)原理如圖2所示。激光器輸出頻率分別為f1、f2的光束，它們分別為左旋和右旋圓偏振光，經(jīng)過λ／4波片后，兩束圓偏振光變成偏振方向相互垂直的線偏振光。該光束由分光器3分為兩部分。向上反射部分作為參考光束，由透鏡5聚焦于光電元件6。偏振片4按45°放置，使會聚于光電元件的不同頻率的光束因具有相同的偏振方向而發(fā)生干涉，再由光電元件把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)換為電信號送至放大器7。透過分光器3的光束即為測量光束，它通過由透鏡16、17組成的望遠系統(tǒng)，經(jīng)平面反射鏡15折向渥拉斯頓棱鏡12，渥拉斯頓棱鏡則把測量光束中兩個不同偏振方向的光分開，再通過物鏡13會聚于被測工件14表面上的兩點，反射光束經(jīng)物鏡13后重新合成一束光，該光束再經(jīng)透鏡10和偏振片11會聚于光電元件9。光電元件9把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)化為電信號送至放大器8，然后與放大器7上的參考信號進行比相，再經(jīng)過計算機處理即可得到被測表面輪廓的高度變化。差動干涉儀既可用于測量微小位移和微小臺階高度，也可用于測量表面微觀輪廓。由于兩探測光點均落在工件上且距離很近，所以對振動和溫度的變化均不敏感，其分辨率可達0．1nm數(shù)量級。

　　3．同軸干涉儀

　　同軸激光干涉儀的光學(xué)原理如圖3所示。儀器采用雙縱模熱穩(wěn)頻激光器1作為光源，波片2將激光束分為參考光束和測量光束。參考光束通過與偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接收參考信號的雪崩二級管3上；測量光束通過分光器2到平面鏡5，然后通過方解石棱鏡6。通過棱鏡6的中心光束，由透鏡9聚焦于物鏡11的焦面上后成為平行光，該光束為參考臂。通過物鏡11和透鏡9的調(diào)節(jié)，參考臂在試件表面上的光斑直徑可在0．1～4mm之間變化。被方解石晶體分開向左的光束作為測量臂，該光束聚焦于試件表面的最小直徑可達1μm。因此，當(dāng)參考光斑的直徑足夠大時，參考臂幾乎不受輪廓變化的影響，測量臂能檢測出被測表面輪廓極微小的變化，該儀器的分辨率約為0．5nm。

　　4．雙焦干涉儀

　　雙焦激光干涉儀的光學(xué)原理如圖4所示。He-Ne激光器1輸出的偏振光束經(jīng)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)2及1／2波片4后進入雙焦透鏡組5。通過雙焦透鏡的特殊設(shè)計，可使尋常光的焦點趨于無窮遠，而異常光的焦點位于有限遠。這兩束光再經(jīng)過與異常光共焦的顯微物鏡6后，尋常光被聚焦于被測表面上，而異常光經(jīng)物鏡準(zhǔn)直后成為細平行光束，也射到被測表面上。這兩束光分別作為測量光束和參考光束，由被測表面反射回來后再經(jīng)雙焦透鏡重新會合，經(jīng)半反射鏡8、9和λ／4波片及檢偏器P1、P2后分別產(chǎn)生干涉，兩組干涉條紋分別由探測器D1、D2接收。檢偏器P1、P2相互垂直并由微型電機11驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生調(diào)制的干涉條紋信號。該系統(tǒng)可獲得Ra2nm的垂直分辨率，其缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊，易受電子器件漂移的影響，回光調(diào)整比較困難。

　　5．光外差干涉儀

　　自1960年Crane首先提出光外差干涉原理以來，光外差干涉技術(shù)在位移、振動及表面測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。圖5所示為用于納米測量的光外差馬赫—曾德干涉儀的光學(xué)原理。圖中M1～M4為反射鏡；AOM1、AOM2 為聲光調(diào)制器；Mr、Mm分別為參考平面鏡和測量平面鏡；BE1、BE2為擴束系統(tǒng)；BS1、BS2為分光鏡；H1、H2為光闌；PD1、PD2為光電接收器。該儀器的測量原理是通過測量PD1和PD2輸出的干涉信號的相位差變化量，從而得到測量鏡Mm的位移量d＝λΔφ／720（式中λ為激光波長，Δφ的單位為度）。該方法的優(yōu)點是抗外界干擾能力強，通過簡單的比相技術(shù)即可實現(xiàn)較高的測量分辨率，其缺點是非線性誤差較大。

三、表面微觀形貌光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

　　自 八十年代以來，陸續(xù)出現(xiàn)了多種測量原理的光學(xué)測量方法，如光切法、光學(xué)探針和干涉顯微鏡等。光學(xué)探針是以聚焦光束作為測量探針，利用不同的光學(xué)原理來檢測 被測表面微觀形貌相對于聚焦光學(xué)系統(tǒng)的微小間距變化；干涉顯微鏡是利用光波干涉原理來檢測表面微觀形貌，具有表面信息直觀性好、測量精度高等優(yōu)點，尤其是 近年來相移干涉技術(shù)在干涉顯微鏡中的應(yīng)用使其測量精度和測量速度均有大幅度的提高，其分辨率已超過1，測量重復(fù)精度達0．1。光切法和幾種光學(xué)探針及干涉顯微鏡測量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見下表。

表

測量方法 垂直分

辨率 橫向分

辨率 垂直測

量范圍 研制單位

光切法 1μm 20μm 　 日本東京大學(xué)

光學(xué)探針 共焦顯微鏡 1．5nm 1μm 250μm 德國豐譜公司

離焦誤差檢測 1nm 1μm 3μm 日本神奈川大學(xué)

外差干涉 1 1μm 　 美國斯坦福大學(xué)

微分干涉 1 1μm 4μm 美國羅徹斯特大學(xué)

干涉顯微鏡 Michelson 1 8μm ＜λ／2 美國亞利桑那大學(xué)

Mirau 1 1μm ＜λ／2 美國亞利桑那大學(xué)

Linik 1 0．5μm ＜λ／2 美國亞桑利那大學(xué)

Nomarski 4 　 ＞λ／2 　 

        近年來，表面微觀形貌光學(xué)測量方法日益受到重視，并在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品也逐步商品化，其中包括FECO interforemeter等色級條紋法測量儀、Wyko公司的Mirau條紋掃描干涉儀、Zego公司的外差干涉儀等。1984年美國洛克希德導(dǎo)彈公司的Huang采用光學(xué)共模抑制技術(shù)研制成功了光學(xué)外差輪廓儀。1985年英國國家物理實驗室的M．J．Downs采用雙折射晶體制成聚焦物鏡，研制成功了雙焦輪廓儀。這兩種光學(xué)輪廓儀能獲得極高的分辨率，但缺點是參考光斑尺寸較小，測量時易引起誤差。1986年瑞典皇家理工學(xué)院的Panter等人利用準(zhǔn)直參考光束獲得了直徑較大的參考光斑，解決了參考光斑過小的問題。1990年英國倫敦大學(xué)的Offide研制的光學(xué)輪廓儀垂直分辨率達到0．3nm。國內(nèi)許多科研單位在超精密表面非接觸測量方法和儀器的研究開發(fā)上也已取得了一些突破性進展。1986年成都科技大學(xué)周肇飛教授等研制成功了同軸激光輪廓儀，解決了大參考光斑與高分辨率之間的矛盾。1990年，清華大學(xué)古麗蓉等人采用聲光調(diào)制外差干涉儀測量磁盤表面，獲得了1nm的分辨率，測量范圍為±30μm。1992年華中理工大學(xué)的尤政應(yīng)用差動干涉儀獲得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大學(xué)卓永模等人研制的雙焦輪廓儀獲得了Ra2nm的垂直分辨率。但是，目前國內(nèi)的干涉儀研究工作基本上還屬于追蹤性研究，研制的一些儀器還未實現(xiàn)商品化，測量分辨率與國際先進水平相比相差1～2個數(shù)量級，還遠不能滿足我國超精密加工表面檢測的需要。

　　綜上所述，超精密加工表面光學(xué)測量方法與觸針式輪廓儀、掃描探針顯微鏡等相比，具有分辨率高、測量范圍大、測量精度高等優(yōu)點，但同時也存在明顯的不足 之處，如表面相位易發(fā)生變化、對表面傾斜較敏感、量程小、定標(biāo)困難等，實際應(yīng)用時還存在漂移、低頻響應(yīng)、振動識別等問題需要解決。由于利用光學(xué)方法測量表 面形貌時需要配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精度機械掃描機構(gòu)，因此測量分辨率還要受到機械振動、電路噪聲及機械掃描機構(gòu)運動誤差等的影響。此外，光學(xué)方法的測量速度較 慢，光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整時間較長。目前超精密加工表面形貌測量技術(shù)的主要發(fā)展方向是提高測量系統(tǒng)橫向分辨率、實現(xiàn)三維形貌測量和在線檢測等。有關(guān)專家預(yù)測，在 今后十年內(nèi)，光學(xué)測量儀器在光學(xué)結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)方面的變化不會太大，主要的研究重點應(yīng)放在測量軟件的開發(fā)上，只有重視軟件的開發(fā)和應(yīng)用，才能使超精表面微 觀形貌測量技術(shù)水平不斷提高。