[发明专利]一种白光干涉原子力扫描探针的标定装置及其标定方法

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；