[实用新型]一种具有快速调零系统的白光干涉仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种干涉仪，尤其是涉及一种具有快速调零系统的白光干涉仪。

背景技术

当前，MEMS器件、波导材料、半导体晶片、薄膜技术等超精密元器件和材料正处在快速发展阶段，仅MEMS器件的产值2005年即达到50亿美元，并以每年20％的速度高速攀升。与此同时，对这些器件表面的快速高精度检测以保证产品的质量一致性也显得越来越重要，纵向扫描白光干涉仪(VerticalScanning White Light Interferometer，以下简称为白光干涉仪)就是其中最重要的检测手段。现有的白光干涉仪已经具有高达0.01nm的纵向测量分辨率，测量时间也可快至数秒钟，如Taylor Hobson公司的CCI6000、Zygo公司的NewView7000系列以及Veeco公司的Wyko NT3300等。但现有仪器的主要缺点是测量前的调整时间太长，而且每更换一次被测样品或者镜头都要重新调整。根据使用者的操作熟练程度，每次调整过程一般在5分钟到20分钟之间，是测量时间的几十倍之多，成为制约白光干涉仪检测时间的主要瓶颈。过长的调整时间极大地影响了大规模生产中的检测效率，长时间地观察监视屏幕也会导致操作者眼睛疲劳。大型企业往往采购几十台造价昂贵的仪器同时工作才能满足检测需求，人力、物力成本相当可观。

调节白光干涉仪指零，是指调整干涉仪的两臂光程差为零，此时才能观察到清晰强烈的干涉条纹，再调整被测表面的倾斜角度尽量与参考镜平行以使干涉条纹最稀疏。但白光的相干长度只有1-2微米，稍不留神或者调节太快就会错过零程差位置，这是造成白光干涉仪难以指零的主要因素。为了降低调节难度，往往会在光源后面插入一个滤光片增加相干长度，但这种方法的作用也是很有限的，无法明显缩短干涉仪的调整时间。

一个理想的解决办法就是通过某种方式计算出干涉仪的光程差，随后使用精密移动台直接改变干涉仪的其中一个臂长到光程差为零的位置。这就需要一种微米级精度的绝对距离测量技术。显然，激光干涉仪由于其2π相位不确定性问题无法判别相差半波长的整数倍的距离，无法实现绝对距离测量。使用两个或者两个波长以上的单色光做光源的合成波法虽然可以适当增加相位不确定长度，仍然无法从根本上解决问题。

使用波长可以连续改变的可调谐激光器(tunable laser)作为光源的波长扫描干涉仪近来得到了较为广泛的关注，与白光干涉仪不同的是，这种形式的干涉仪在无需进行光程扫描的状态下，只需在改变输出波长的同时记录下来干涉信号的变化就可以计算出干涉仪的两臂绝对相位差，从而求出光程差，不存在上述相位不确定性问题。而且无需机械扫描、容易调整并发现干涉信号，例如，Coe PA等人就采用这种方法监测高辐射环境中的半导体表面变形情况。但这种干涉仪的测量精度只能达到亚微米级，距离白光干涉仪0.01nm的纵向测量分辨率还存在一定的差距。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具有快速调零系统的白光干涉仪，首次提出将波长扫描干涉测量技术用于白光干涉仪的指零，融合二者的优点，并解决融合过程所带来的关键问题。先使用波长扫描干涉仪快速计算出光程差，通过步进装置自动调节干涉仪到零程差位置。此外，利用被测表面的倾斜度越小干涉条纹越稀疏的特点，通过图像处理技术计算被测表面的倾斜度并自动调整该倾角以使干涉仪处于最佳工作状态。

本实用新型采用的技术方案是：

白光光源的白光经可移除窄带滤光片、孔径光阑、视场光阑和准直系统准直后的平行光，经第一分光镜反射进入显微镜物镜，被第二分光镜分成两束，一束打在参考反射镜上，另一束打在被测表面上，两束光在第二分光镜上发生干涉后，经会聚透镜进入CCD相机，经图像采集卡与计算机连接；安装在显微物镜上的压电陶瓷和精密平移台分别经AD/DA卡与计算机连接。由可调谐激光器所发出的激光经扩束镜扩束后通过装在准直系统后的第三分光镜后和第一分光镜并入光路；在会聚透镜和相机之间设置对长波完全反射的二向色镜，探测器的一端接收二向色镜的反射光，另一端经过AD/DA卡与计算机连接。

所述的可调谐激光器采用的是Nanoplus公司生产的分布反馈激光二极管，中心波长在760nm。

本实用新型具有的有益效果是：

1)将波长扫描干涉测长技术与白光干涉仪巧妙地融合在一起，汲取波长扫描干涉仪易于发现干涉信号及无需机械扫描的优点，用于白光干涉仪的指零，以弥补白光干涉仪很难发现干涉条纹的缺点。