一种白光干涉原子力扫描探针的标定装置及其标定方法

摘要

本发明公开了一种基于接触测量的白光干涉原子力扫描探针标定系统及标定方法，该标定系统包括面CCD测量系统，原子力探针扫描显微镜组件，白光光源系统，纳米级垂直微位移平台、激光干涉位移计量系统以及数据处理系统，其中面CCD测量系统、白光光源系统以及原子力探针扫描显微镜组件固定于纳米级垂直微位移平台上，并通过接收主控机的控制产生位移从而使所述原子力探针扫描显微镜组件中的探针发生形变；所述激光干涉位移计量系统设置于所述纳米级垂直微位移平台之上，用于计量其作用于所述探针上的位移量，按照本发明的标定方法，能够实现高精度的快速标定。

说明书

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 基于接触测量的白光干涉原子力扫描探针的标定系统及标定方法。

背景技术

白光干涉原子力显微的测量原理是，根据原子间的范德华力来让 原子力探针进行变形，从而达到测量的目的，而原子力扫描探针的针 尖相当于一个原子，测量时会与被测工件的表面的原子发生相互作用 力。白光干涉原子力扫描显微镜是让白光干涉系统在原子力扫描探针 上形成白光干涉条纹，当针尖原子与工件表面原子间产生范德华力时 原子力扫描探针就会发生变形，而在原子力探针表面上形成的白光干 涉条纹会发生相对移动。根据白光干涉条纹移动的量就可以计算出与 之对应的工件表面高度。

原子力扫描探针可以看作是一根悬臂梁，根据材料力学可知，原 子力扫描探针在受力后会发生挠性变形，因此原子力扫描探针每个位 置与工件之间的高度并不是一个具体线性或者固定的对应关系，因此 在测量的时候如果按一个固定的关系计算造成测量的结果会产生很大 的偏差。并且由于探针的固定方式不能保证完全一致，所以受力的方 向也不完全垂直于针尖，所以对探针进行标定如果只是按理论上的计 算进行会产生比较大的误差。同时，由于原子力扫描探针是固定在原 子力探针组件上，在未测量时或者一次测量完成后探针与面CCD的相 对位置会发生变化，而在计算零级条纹的位置时是根据面CCD的坐标 系来进行定位计算的，因此要得到准确的零级条纹的移动量与位移的 相对关系及原子力探针微悬臂上每个位置对应的位移值我们需要在每 次测量前进行标定，对提高白光干涉原子力扫描探针的测量精度和实 现快速的测量具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于接 触测量的白光干涉原子力扫描探针的标定装置，其特征在于，该标定 装置包括面CCD测量系统，原子力扫描探针组件，白光干涉光源系统， 纳米级垂直微位移平台、激光干涉位移计量系统以及控制主机；

纳米级垂直微位移平台接收控制主机的控制产生位移从而使所述 原子力扫描探针组件中的探针发生形变；所述激光干涉位移计量系统 设置于所述纳米级垂直微位移平台之上，用于计量其作用于所述探针 上的位移量传送于所述控制主机；

白光干涉光源系统接收所述控制主机的控制产生测试的白光干涉 光源传输于原子力扫描探针组件，其产生包含所述探针形变信息的干 涉条纹；所述面CCD测量系统接收包含所述探针形变信息的干涉条纹， 控制主机连接所述面CCD测量系统，分析所述干涉条纹。

进一步地，所述纳米级垂直微位移平台包括高精密压电陶瓷和柔 性铰链机构，其中所述高精密压电陶瓷用于接收所述控制主机的位移 信号产生位移量。

进一步地，所述激光干涉位移计量系统包括半导体激光器，偏振 片，1/4波片，分光镜，角锥棱镜，反射镜，参考镜，放大镜，光电 阵列，由半导体激光器发出的激光经过偏振片、1/4波片，后经分光 镜被分为两束，分别进过参考镜和反射镜反射后沿原路返回，并在分 光点处重新相遇，发生干涉，干涉条纹经过所述放大镜放大后由光电 阵列接收。

进一步地，所述光电阵列为田字型四象限光电阵列。

本发明还公开了一种利用基于接触测量的白光干涉原子力扫描探 针的标定装置来进行标定的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)调节所述激光干涉位移计量系统的信号，对准焦距将所述白 光干涉条纹调节在原子力扫描探针组件的微悬臂上；

(2)将所述探针接触到标定样板上，设定好标定的范围；

(3)所述控制主机控制所述纳米级垂直微位移平台产生多组位 移，并且所述探针的形变产生后，所述控制主机分别记录所述纳米级 垂直微位移平台的多组位移值和多组所述白光干涉零级条纹在面CCD 成像系统坐标系中的位置值；

(4)所述控制主机将通过上述步骤中获得的两组数据进行曲线拟 合并显示拟合的结果，如果该结果符合一定条件，则完成标定。

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， 由于采用了符合原子力探针本身特性的高速高精度的标定方法，能够 取得下列有益效果：

(1)采用了激光干涉位移计量系统，应用于纳米级微位移平台， 并且采用了将激光干涉位移计量系统固定在纳米级微位移平台的上 端，因此当纳米级微位移平台发生一定的位移之会带动激光干涉位移 系统运动部件移动，从而引起干涉条纹的移动；

(2)当纳米级微位移平台发生了一定的位移之后，会稳定于某一 位置，此时激光干涉位移计量系统的激光干涉条纹也不会发生比较大 的移动，从而控制主机将此时的位移值进行保存；

(3)本发明的标定的拟合值是根据位移平台的谓一致和面CCD 成像坐标系中的位置值来进行定位计算标定的，不需要在每次测量前 进行重新的标定；

(4)由于本发明中的计量采用的是激光干涉位移计量系统，能够 实现可溯源的标定。

总之，按照本发明的标定方法，能够实现对白光干涉原子力扫描 探针测量装置的精确标定，由此实现高精度并且快速的测量。

附图说明

图1是按照本发明实现的基于接触测量的白光干涉原子力扫描探 针标定装置的整体结构示意图；

图2是按照本发明实现的基于接触测量的白光干涉原子力扫描探 针标定装置中的激光干涉位移计量系统结构的示意图；

图3是按照本发明实现的基于接触测量的白光干涉原子力扫描探 针标定装置中的原子力扫描探针形变示意图。

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-原子力扫描探针组件 2-原子力扫描探针 3-干涉物镜 4-白 光干涉光路系统 5-纳米级垂直微位移平台 6-激光干涉位移计量系 统 7-面CCD成像系统 8-白光光源 9-控制主机 10-半导体激光 器 11-偏振片 12-1/4波片 13-分光镜 14-角锥棱镜 15-反射 镜 16-参考镜 17-放大镜 18-光电阵列。

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。

图1为本发明方法中的结构示意图。如图1所示，按照本发明一 个优选实施例的接触测量法的白光干涉原子力扫描探针标定方法中包 括：原子力扫描探针1，原子力扫描探针组件2，干涉物镜3，白光干 涉光路系统4，纳米级垂直微位移平台5，激光干涉位移计量系统6， 面CCD成像系统7，白光光源8，控制主机9。白光光源8发出的面光 源，经过白光干涉光路系统4及干涉物镜2后在原子力扫描探针1的 微悬臂上形成白光干涉条纹，再由面CCD成像系统7将干涉图像显示 在控制主机9上用于实时显示，同时当纳米级垂直微位移平台5完成 位移之后控制主机9发出命令采集激光干涉计量系统6计量得到的位 移值并计算得到干涉图像中零级条纹在面CCD成像系统坐标系中的位 置值。

纳米级垂直微位移平台5主要组成部分是高精密压电陶瓷和柔性 铰链两部分。压电陶瓷在接收到控制主机9的位移信号后会产生一个 精确的位移量，而柔性铰链的作用就是杠杆放大机构，在设计时将柔 性铰链的几何放大比为2，四个对称设置的叠层式平行平板柔性铰链 导向，能够保证柔性铰链动块只沿垂直方向微动，这样就保证了垂直 方向上纳米级的微运动。

图2为图1中所示激光干涉位移计量系统6的结构示意图，由半 导体激光器10发出的激光经分光镜被分为两束，分别进过参考镜16 和反射镜15反射后沿原路返回，并在分光点处重新相遇，发生干涉， 干涉条纹经过放大镜17放大后由田字型四象限光电阵列18接收。激 光干涉位移计量系统6的动镜是安装在纳米级微微位移平台5上，当 位移平台5发生位移时，动镜相应也会发生位移，此时激光干涉条纹 就会发生移动，光电阵列18接收到的信号就会发生变化，引起电信号 发生变化，控制主机9将光电阵列18接收到的信号转化为位移信号， 从而完成对纳米级垂直微位移平台5位移的计量。

图3为本发明方法中原子力扫描探针变形示意图，从图3中可以 看出，原子力扫描探针2在原理上可以简化为悬臂梁，悬臂梁在受力 之后会发生挠性形变，根据材料力学的知识我们可以得出它的理论模 型，这为我们得到的数据进行拟合提供了理论依据。

按照本发明的标定方法的标定原理及过程如图3所示，原子力扫 描探针2会在力的作用下发生挠性变形，并且由于针尖受力的影响， 变形并不一定是按照理想的模型发生，因此在测量时我们不能根据理 论模型来确定原子力扫描探针2不同位置对应的位移大小，故需要标 定。白光干涉光源系统包括白光光源8和白光干涉光路系统4，白光 光源8发出的光经过白光干涉光路系统4之后在原子力扫描探针微悬 臂上形成干涉条纹，干涉条纹会经由面CCD成像系统进行接收。在标 定时，纳米级垂直微位移平台5向下发生一定的位移，引起探针的变 形，白光干涉条纹则会在探针上相应发生位移，此时控制主机9将纳 米级垂直微位移平台5的位移值和白光干涉零级条纹在面CCD成像系 统7坐标系中的位置值进行对应保存，按照此步骤直至标定的位移结 束，再将得到的两组数据进行曲线拟合达到最佳的拟合效果，来模拟 原子力扫描探针2的变形，实验表明最小二乘三次曲线拟合的符合程 度最高，因此，此标定方法中采用最小二乘三次曲线拟合进行拟合。

下面将具体描述利用按照本发明的标定方法进行标定：

首先，调节好激光干涉位移计量系统6的计量信号，以保证其采 集到的数据是最准确可靠；在调节好激光干涉位移计量系统6的信号 之后，将原子力扫描探针2调节到面CCD成像系统坐标系中一个比较 理想的位置，并对好焦距将白光干涉条纹调节好在原子力扫描探针2 微悬臂上；接下来将原子力探针组件1向下移动，将原子力扫描探针 2接触到标定样板上，设定好标定的范围，开始采集零级条纹在面CCD 成像系统的位置数据和激光干涉计量系统6的位移数据直到达到标定 范围，最后控制主机9将采集到的数据进行拟合并显示拟合的结果， 如果符合条件则将标定的结果保存，完成标定。

本发明针对基于白光干涉原子力扫描装置提出了一种新的标定方 法，对该标定装置提出了采用纳米级微位移平台5来产生位移量，并 且由激光干涉位移系统6来测量该位移量，并且在标定方法中，利用 对应干涉零级条纹在面CCD上的坐标值来进行标定曲线的拟合，不需 要在每次测量前都进行重新的标定，实现白光干涉原子力扫描装置的 精确快速测量。

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。