CN104614558B - 一种面、线ccd组合的原子力探针扫描测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统及其测量方法，该测量系统包括面、线CCD测量系统，原子力探针扫描显微镜组件，干涉光源系统，调整系统以及数据处理系统；干涉光源系统用于产生测试的白光光源传输于原子力探针扫描显微镜组件，其产生包含样品信息的干涉条纹；数据处理系统连接所述面、线CCD测量系统，分析所述干涉条纹，由此实现干涉零级条纹的测量，从而获得样品表面信息。按照本发明实现的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统及其测量方法，能够实现结构简单，高速度，高精度和高分辨率以及直观测量，由此解决原子力探针对焦困难，以及原子力探针微悬臂变形的检测的问题。

Description

一种面、线CCD组合的原子力探针扫描测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于超精密表面形貌测量技术领域，更具体地，涉及一种应用面CCD和线CCD结合的白光干涉原子力探针扫描装置及其测量方法。

背景技术

在加工技术不断进步，学科之间的融合不断加深，新型材料不断发展，具有超精密表面的新型材料也越来越多，这些新型材料的表面测量也相应要匹配对应的测量仪器，在此种情况下，原子力探针扫描显微镜因其具有非常高的横向和纵向分辨率，对环境要求低，对样品表面的伤害小的诸多优势，得到越来越广泛的应用。

目前现有技术中采用激光光束偏转法来测量原子力探针显微镜中的微悬臂的变形，测量的结果不但跟原子力探针的变形有关还跟原子力探针悬臂与接收器之间的距离有关系，因此它测量的范围小，光路不易调节，并且测量结果需要标定。

而现有技术中的另外一种测量原子力探针显微镜中的微悬臂的变形的设备是白光干涉原子力探针扫描显微镜，其结合白光干涉的零级条纹来测量原子力探针微悬臂的变形，白光干涉零级条纹是在光程差为零的时候形成的，因此它相对于其他条纹对比度明显，而且零级条纹只有一条，用它来对原子力探针微悬臂的变形进行计算具有非常强的理论依据，而由于白光光强的整体的变化对零级条纹的定位不会造成影响，所以该种方法克服了激光光束偏转法的缺陷，实现了大范围测量。

而对于利用白光干涉条纹的测量方法，无论是在前期对焦的过程还是后期数据处理过程，对零级条纹的准确采样和定位至关重要，对于目前现有技术中存在的采样和定位的器件来说，都各有其优缺点，如何做到在测量中获得大的采样数据量，广的测量范围，多的信息量，并且在测量中做到快速，高分辨采集、实时显示和快速响应和精确采样测量是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜及其测量方法，其目的在于结构简单，高速度，高精度和高分辨率以及直观测量，由此解决原子力探针对焦困难，以及原子力探针微悬臂变形的检测的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，该测量系统包括面、线CCD测量系统，原子力探针扫描显微镜组件，光源系统，调整系统以及数据处理系统；

其中面、线CCD测量系统、光源系统以及原子力探针扫描显微镜组件固定于调整系统上，并可通过所述调整系统实现粗调和精调；

光源系统用于产生测试的白光光源传输于原子力探针扫描显微镜组件，其产生包含样品信息的干涉条纹；所述面、线CCD测量系统接收所述包含样品信息的干涉条纹，数据处理系统连接所述面、线CCD测量系统，分析所述干涉条纹，由此实现干涉零级条纹的测量，从而获得样品表面信息；

其中面、线CCD测量系统中的面CCD和线CCD通过分光镜处于相互垂直的光路上，接收相同的来自所述原子力探针扫描显微组件的干涉条纹，所述面CCD用于实时处理所述原子力探针扫描显微镜组件产生的携带所述被测样品信息的干涉条纹，所述线CCD用于处理所述干涉条纹中的零级条纹，从而实现对所述样品表面的测量。

进一步地，所述线CCD与面CCD相对于分光镜呈90度，其中线CCD和面CCD与所述分光镜之间还分别设置有线CCD光筒和面CCD光筒，并且通过聚光镜和第一反光镜后与所述原子力探针扫描显微镜组件的光路联通，实现干涉条纹的接收测量。

进一步地，所述调整系统在垂直方向上由上至下分为两级，一级为粗调机构，二级为细调机构；所述粗调机构包括垂直粗调电机和大理石柱，所述粗调机构通过垂直粗调丝杆连接细调结构，细调结构在垂直方向上由上至下包括垂直微动机构和垂直微位移机构，其下设置原子力探针扫描显微镜组件。

进一步地，所述原子力探针扫描显微镜组件还包括原子力探针组件、干涉显微镜头，所述原子力探针组件设置于所述垂直微位移机构下方，由于实现原子力探针与所述被测样品距离的精调。

进一步地，所述光源系统依次包括聚光镜，孔径光阑及视场光阑，照明物镜，滤光片，分光镜，补偿板，通过所述补偿板后的光传输至所述干涉显微镜头。

进一步地，所述被测试样品放置于二维工作台上，其包括可以沿二维方向带动所述被测样品移动的X方向电机以及Y方向电机，由此实现所述被测样品表面形貌的扫描测量。

本发明还提供了一种利用上述面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量工件表面形貌的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)调整原子力探针组件中的原子力探针微悬臂使其在干涉显微镜头的正下方，通过面CCD找到所述原子力探针微悬臂，使其处于面CCD的中央；

(2)通过垂直方向调节原子力探针组件，使光源系统产生的白光干涉条纹能被所述面CCD接收，并加以修正；

(3)将被测样品放置于二维工作台上，使其处于原子力扫描探针的正下方；

(4)原子力探针对焦：通过粗调系统调节所述原子力扫描探针向所述被测样品靠近，同时通过面CCD采样，比较所述原子力探针微悬臂上的光强与所述被测样品背景的光强差，直到达到设定的阈值，则停止粗调并改用所述精调系统进行精调，此时根据线CCD的采样结果计算零级条纹的移动量是否达到选取的另一个阈值，直到达到选取的阈值则对焦完成；

(5)驱动二维工作台，带动所述被测样品在二维平面上运动，由于所述被测样品的表面形貌会引起所述原子力探针微悬臂的变形，从而导致零级条纹的移动，此时线CCD通过高速采集数据得出零级条纹的移动量，并根据零级条纹的移动量计算出探针微悬臂的变形量，由此获得被测样品表面的形貌特征，完成测量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用了面、线CCD的结合测量，能够取得下列有益效果：

(1)充分利用了白光干涉的高精度和零级条纹不变性的特性，提出了一种针对零级条纹检测的更精确，更快速的实时观测和检测的方法；

(2)提出了采用面、线CCD的结合测量的方式，并对应这种结合提出了面、线CCD的光路设计，充分利用并结合了面CCD的大数据量采样的优势，以及线CCD的快速、准确和高分辨率采样的优势，实现了原子力探针扫描显微镜的自动测量。

附图说明

图1是按照本发明实现的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜整体结构示意图；

图2是按照本发明实现的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜中的干涉显微镜头产生干涉的原理图；

图3是按照本发明实现的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜中的测量光路结构图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-二维工作台 2-Y方向的电机 3-X方向的电机 4-原子力探针组件5-干涉显微镜头 6-第一反射镜 7-聚光镜 8-分光镜 9-线CCD 光筒10-线CCD 11-面CCD光筒 12-面CCD 13-垂直粗调电机 14-大理石柱15-白光光源 16-垂直粗调丝杆 17-光源光筒及光学组件 18-垂直微动机构 19-第二反射镜 20-垂直方向微位移机构 21-原子力扫描探针22-控制主机 23-干涉显微镜透镜 24-干涉显微镜分光镜 25-原子力探针微悬臂表面 26-干涉显微镜反光 27-聚光镜 28-孔径光阑及视场光阑29-放射镜 30-照明物镜 31-角锥棱镜 32-分光镜 33-补偿板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所涉及的面、线CCD组合测量系统包括5个部分：具体为面、线CCD测量系统，原子力探针扫描显微镜组件，干涉光源系统，调整系统以及数据处理系统。

如图1所示，其中各大部分所包含的部件具体为：

面、线CCD测量系统：面CCD12、面CCD光筒11、线CCD10、线CCD光筒9、分光镜8、聚光镜7、第一反射镜6；

原子力探针扫描显微镜组件：显微镜头5、原子力探针组件4，其中原子力探针组件上包括原子力扫描探针21；

光源系统：白光光源15、光源光筒及光学组件17、第二反射镜19；

调整系统：调整系统分为粗调系统和精调系统，其中粗调系统包括步进电机13、大理石柱14、垂直粗调丝杆16，其中垂直粗调丝杆16连接精调系统，其中精调系统包括垂直微动机构18、垂直方向微位移机构20。

数据处理系统：包括对干涉条纹进行处理分析的控制主机22。

整个调整系统是通过步进电机13带动，实现垂直方向上的粗调运动，其中垂直粗调电机13通过大理石柱14与垂直粗调丝杆16连接，垂直粗调丝杆16的下方设置精调机构，精调机构包括垂直微动机构18，其下方还包括有垂直微位移机构20，干涉显微物镜5和原子力探针组件4固定在垂直微位移机构20上，通过垂直微位移机构20中的压电陶瓷和柔性铰链的共同作用下实现纳米级的运动，从而带动干涉显微物镜5和原子力探针组件4的共同运动从而实现垂直方向上的精调。

面CCD 12固定在面CCD光筒11上，线CCD 10固定在线CCD光筒9上，它们共同连接在内部装有分光镜8的工件上，并且其固定于调整系统上，可以在垂直粗调电机13的带动下在垂直方向上上下运动。

为了能够在同一个测量系统中同时使用面、线CCD相机，并且同时发挥两个相机各自的优势，将面CCD竖直放置，线CCD与面CCD在XOZ平面内逆时针成九十度的夹角，并且通过分光镜8将干涉显微镜5产生的干涉光分为相同的两束，并分别送往面、线CCD进行分析。

其中干涉显微物镜5的具体结构如图2所示，其作用在于将干涉光源系统产生的点光源形成干涉条纹，并根据干涉条纹在原子力探针微悬臂表面25上的变化来实现对被测样品表面的测量，面CCD12则用于来显示干涉显微物镜5所产生的整个干涉条纹，线CCD10则用于来实现对干涉条纹的取样以实现对零级条纹的快速定位并且从而对零级条纹的测量从而实现被测样品的测量。

原子力扫描探针21安装在原子力探针组件4上，原子力探针组件4与干涉显微镜5都是固定在垂直方向微位移机构20上，为了防止阿贝误差，它们之间的轴线设置重合。

原子力扫描探针21是一种利用其纳米级的针尖与样品表面的原子之间的范德华力来实现原子力探针微悬臂的变形，从而实现白光干涉零级条纹的移动来达到高精度的测量。

而白光干涉条纹的实现，主要是测量光打到原子力探针微悬臂上之后，反射回到干涉显微物镜中去，与其中参考光形成干涉条纹。只要原子力探针微悬臂达到干涉显微物镜的焦距即能产生干涉条纹，在测量之前主要通过调节原子力探针组件4来调节原子力探针微悬臂与干涉显微镜之间的距离，达到其焦距范围，从而实现干涉条纹的产生。

其中被测试样品放置于二维工作台1上，并且通过二维工作台1上的精驱动机构实现X、Y方向上的二维运动，这两个方向上的二维运动通过X轴方向的电机3和Y方向上的电机2实现，并且在实现工件的全部扫描的时候，并不移动面、线CCD，而是通过二维工作台的移动带动被测样品移动从而实现被测样品的扫描。

图2为图1中干涉显微物镜5产生干涉条纹的原理图，经过一系列的光学元件变成的点光源，通过干涉显微物镜的透镜23，到达干涉显微物镜5的分光镜24，分为两路光，其中一路光到达原子力探针微悬臂的表面25，另一路达到反射镜26，通过原子力探针微悬臂表面25反射回来的光和经过反射镜26反射回来的光形成干涉条纹。

如图3所示，为按照本发明实现的测量系统的光路结构示意图，其中白光光源15经过透镜27和孔径光阑以及视场光阑28形成点光源，点光源再经过反射镜29和照明物镜30到达角锥棱镜31从而使光转向90度到达分光镜32，经过补偿板33后达到干涉显微镜5中形成干涉条纹。干涉条纹到达分光镜8，分为两路光一路被面CCD接收，一路被线CCD接收。从而达到测量的要求。

利用本发明的干涉原子力探针扫描显微镜测量系统实现测量的方法为：

首先，调节原子力探针组件4，使得原子力扫描探针21达到干涉显微物镜5的焦距范围，在合适的位置形成稳定清晰的干涉条纹。接着，将调整系统调节到合适的范围，此时用自动对焦，原子力扫描探针21将会根据前面的描述过程，实现自动对焦，使得探针达到与工件合适的位置以便进行测量，其中原子力探针扫描显微镜对焦的第一步是通过面CCD采样比较原子力探针微悬臂表面的光强与被测样品表面光强之差是否达到了选取的阈值来判断原子力探针是否到达与被测样品预定的距离，第二步是再通过线CCD采样来判断零级条纹的移动量是否达到选取的阈值。

最后，设置好水平二维工作台精位移参数。开始测量后，此时面CCD可以实时显示测量过程中干涉条纹的变化，而线CCD则通过干涉条纹的零级条纹的变化，来计算被测样品的高度。最后通过所测量的数据通过计算机系统将工件表面的形貌显示出来，完成测量，上抬调整系统。另需要说明的是，在测量之前需要对原子力扫描探针21进行标定，标定出零级条纹不同位置代表的变形量。

按照本发明的实施方案，从现有技术当中的对零级条纹的精确采样欠佳的问题出发，提出了一种新型的解决该问题的手段，即使用面、线CCD的组合使用，并且为两者的配合使用，利用分光镜设计了光路，充分利用了面、线CCD各自的优势，线CCD的采样速度快，分辨率高，因此主要用其来计算白光干涉零级条纹的移动量，而在测试的过程中，通过面CCD的可视化测量表达更充分的测量信息，可以实时观测整个测量过程，并且可以通过面CCD对结果进行验证。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，该测量系统包括面、线CCD测量系统，原子力探针扫描显微镜组件，光源系统，调整系统以及数据处理系统；

其中面、线CCD测量系统、光源系统以及原子力探针扫描显微镜组件固定于调整系统上，并可通过所述调整系统实现粗调和精调；

光源系统用于产生测试的白光光源传输于原子力探针扫描显微镜组件，其产生包含样品信息的干涉条纹；所述面、线CCD测量系统接收所述包含样品信息的干涉条纹，数据处理系统连接所述面、线CCD测量系统，分析所述干涉条纹，由此实现干涉零级条纹的测量，从而获得样品表面信息；

其中面、线CCD测量系统中的面CCD和线CCD通过分光镜(8)处于相互垂直的光路上，接收相同的来自所述原子力探针扫描显微组件的干涉条纹，所述面CCD(11)用于实时处理所述原子力探针扫描显微镜组件产生的携带所述被测样品信息的干涉条纹，所述线CCD(12)用于处理所述干涉条纹中的零级条纹，从而实现对所述样品表面的测量。

2.如权利要求1所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，所述线CCD(11)与面CCD(12)相对于分光镜(8)呈90度，其中线CCD(11)和面CCD(12)与所述分光镜(8)之间还分别设置有线CCD光筒(9)和面CCD光筒(11)，并且通过聚光镜(7)和第一反光镜(6)后与所述原子力探针扫描显微镜组件(2)的光路联通，实现干涉条纹的接收测量。

3.如权利要求1或2所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，所述调整系统在垂直方向上由上至下分为两级，一级为粗调机构，二级为细调机构；所述粗调机构包括垂直粗调电机(13)和大理石柱(14)，所述粗调机构通过垂直粗调丝杆(16)连接细调机构，细调机构在垂直方向上由上至下包括垂直微动机构(18)和垂直微位移机构(20)，其下设置原子力探针扫描显微镜组件。

4.如权利要求3所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，所述原子力探针扫描显微镜组件还包括原子力探针组件(4)、干涉显微镜头(5)，所述原子力探针组件(4)设置于所述垂直微位移机构(20)下方，由于实现原子力探针与所述被测样品距离的精调。

5.如权利要求4所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，所述光源系统依次包括聚光镜(27)，孔径光阑及视场光阑(28)，照明物镜(30)，滤光片，分光镜(32)，补偿板(33)，通过所述补偿板(33)后的光传输至所述干涉显微镜头(5)。

6.如权利要求5所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量系统，其特征在于，所述被测试样品放置于二维工作台上，其包括可以沿二维方向带动所述被测样品移动的X方向电机(3)以及Y方向电机(2)，由此实现所述被测样品表面形貌的扫描测量。

7.一种利用如权利要求1-6中所述的面、线CCD组合的白光干涉原子力探针扫描显微镜测量工件表面形貌的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)调整原子力探针组件(4)中的原子力探针微悬臂使其在干涉显微镜头(5)的正下方，通过面CCD(11)找到所述原子力探针微悬臂，使其处于面CCD的中央；

(2)通过垂直方向调节原子力探针组件(4)，使光源系统产生的白光干涉条纹能被所述面CCD(11)接收，并加以修正；

(3)将被测样品放置于二维工作台(1)上，使其处于原子力扫描探针(21)的正下方；

(4)原子力探针对焦：通过粗调机构调节所述原子力扫描探针(21)向所述被测样品靠近，同时通过面CCD采样，比较所述原子力探针微悬臂上的光强与所述被测样品背景的光强差，直到达到设定的阈值，则停止粗调并改用所述细调机构进行精调，此时根据线CCD的采样结果计算零级条纹的移动量是否达到选取的另一个阈值，直到达到选取的阈值则对焦完成；

(5)驱动二维工作台(1)，带动所述被测样品在二维平面上运动，由于所述被测样品的表面形貌会引起所述原子力探针微悬臂的变形，从而导致零级条纹的移动，此时线CCD通过高速采集数据得出零级条纹的移动量，并根据零级条纹的移动量计算出探针微悬臂的变形量，由此获得被测样品表面的形貌特征，完成测量。