一種可溯源白光干涉原子力探針自動定位工件方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超精密表面形貌測量技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，是基于可溯源計量及白光干涉的一種自動定位工件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]白光干涉原子力掃描探針顯微鏡是用白光的零級條紋來量化原子力掃描探針的形變，從而間接得到工件表面的高度。而原子力掃描探針變形的原理是原子間的范德華力。在測量時，原子力掃描探針的針尖相當(dāng)于一個原子，被測樣件的表面的一個原子會與原子力掃描探針針尖相互作用，使得原子力掃描探針的懸臂發(fā)生形變。而在懸臂上形成的白光干涉條紋則會發(fā)生相應(yīng)的移動，根據(jù)白光干涉零級條紋的移動量可以計算出原子力掃描探針的變形量。
[0003]可溯源白光干涉原子力掃描探針顯微鏡工作在原子力的接觸模式，原子力掃描探針的懸臂非常小，能承受的力也在僅限于原子與原子之間的作用力。而原子與原子之間的作用力范圍通常都在nm的單位量級，因此要達(dá)到準(zhǔn)確的定位，要么借助高精度的測距儀器，要么只能靠人為操控。在白光干涉原子力掃描探針顯微鏡這樣的緊湊儀器設(shè)備上安裝高精度的測距儀器難以實(shí)現(xiàn)；而人為操控則需要耗費(fèi)較多的時間，同時每次定位到工件的距離都很難控制，隨機(jī)性比較大。因此需要一種自動高精度的控制策略，讓原子力掃描探針定位到工件，由此實(shí)現(xiàn)高效精確地測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要實(shí)現(xiàn)白光干涉原子力掃描探針自動定位工件，則需要控制好原子力掃描探針與工件之間的距離，在無法借助其他設(shè)備輔助的情況下，既要保證不損害原子力掃描探針，又要精確定位出工件。
[0005]按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種可溯源白光干涉原子力探針自動定位工件的方法，其中該標(biāo)定方法涉及的所述白光干涉原子力探針標(biāo)定裝置包括面CCD測量系統(tǒng)、原子力掃描探針組件、白光干涉顯微系統(tǒng)、納米級垂直微位移平臺、垂直電機(jī)位移平臺、激光干涉計量系統(tǒng)以及控制主機(jī)；
[0006]所述納米級垂直微位移平臺以及垂直電機(jī)位移平臺接收控制主機(jī)的控制分別產(chǎn)生精調(diào)和粗調(diào)的位移從而使所述原子力掃描探針組件中的探針發(fā)生形變；所述激光干涉計量系統(tǒng)的角錐棱鏡設(shè)置于所述納米級垂直微位移平臺之上；白光干涉顯微系統(tǒng)接收所述控制主機(jī)的控制產(chǎn)生測試的白光干涉光源傳輸于原子力掃描探針組件的微懸臂上形成白光干涉條紋，其包含所述原子力探針組件上的探針的形變信息；所述面CCD測量系統(tǒng)接收包含所述探針的形變信息的干涉條紋，所述控制主機(jī)連接所述面CCD測量系統(tǒng)，分析所述干涉條紋；其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0007](I)記錄所述激光干涉計量系統(tǒng)以及所述垂直電機(jī)位移平臺的初始位置；
[0008](II)所述控制主機(jī)控制所述納米級垂直位移平臺在垂直方向上向所述工件的方向快速產(chǎn)生一個位移；
[0009](III)在所述納米級垂直位移平臺的位移發(fā)生后通過白光干涉原子力探針上零級條紋的移動量是否在閾值范圍內(nèi)來判斷原子力探針是否定位到工件；
[0010](IV)若沒有超過所述步驟(III)設(shè)定的閾值范圍則控制所述納米級垂直位移平臺繼續(xù)向所述工件方向下移，如果超過所述步驟(III)設(shè)定的閾值范圍，則控制所述納米級垂直位移平臺向所述工件相反的方向運(yùn)動所述步驟(II)的一半距離繼續(xù)進(jìn)入所述步驟(III)?(IV);
[0011](V)如果所述納米級垂直位移平臺在到達(dá)極限時還未定位到所述工件，此時記錄所述激光干涉計量系統(tǒng)的最終位置，并將所述納米級垂直位移平臺復(fù)位；通過所述垂直電機(jī)位移平臺向下發(fā)生一個所述激光干涉計量系統(tǒng)記錄的位移值，重復(fù)所述步驟(I)?(V)，直至定位到工件。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中調(diào)節(jié)所述原子力掃描探針到所述面CCD測量系統(tǒng)的位置為:所述原子力掃描探針全部在所述面CCD的成像區(qū)域上成像，并且所述原子力探針微懸臂與所述面(XD的夾角不超過7.5°。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟(II)中的位移量計算規(guī)則如下:在所述步驟(I)的所述位置上產(chǎn)生的零級條紋從所述面CCD上超出其成像區(qū)域時所述納米級垂直位移平臺發(fā)生的位移量，記為L1，在所述步驟(I)的所述位置上產(chǎn)生的零級條紋寬度下所述原子力探針微懸臂發(fā)生最大變形量所述納米級垂直位移平臺發(fā)生的位移量，記為L2，取所述L1與所述L2中較小的值作為位移量。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(IV)中的閾值為所述步驟(II)中的位移量的0.1-0.15倍之間的范圍。
[0015]按照本發(fā)明的自動定位方法能夠在讓白光干涉原子力探針掃描顯微鏡在不借助其他輔助設(shè)備下實(shí)現(xiàn)快速高效的自動定位工件。并且采用激光干涉位移計量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可溯源標(biāo)定，總而言之，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0016](1)實(shí)現(xiàn)高精度，本發(fā)明引入了激光干涉計量系統(tǒng)，如果實(shí)現(xiàn)自動，單純采用垂直電機(jī)平臺，很難準(zhǔn)確地發(fā)生一個納米級的位移，容易造成原子力掃描探針的損壞，而如果單純采用納米級位移平臺則會讓定位的范圍有限，而納米級垂直位移平臺和垂直電機(jī)工作平臺發(fā)生位移的頻率都可以非常尚，由此實(shí)現(xiàn)不受范圍限制的尚精度快速的自動定位；
[0017](2)本發(fā)明提供了利用零級條紋的移動量來進(jìn)行判斷是否達(dá)到工件的定位方法，由于當(dāng)探針向下運(yùn)動定位到工件時會與工件之間產(chǎn)生作用力，這種作用力為范德華力，原子力探針微懸臂在這種作用力下會發(fā)生形變，引起探針微懸臂上的零級條紋移動，而根據(jù)理論和試驗(yàn)可以得出一個合適的零級條紋移動閾值范圍來判斷是都定位好工件，利用零級條紋的參照系來獲取探針定位工件的的方法，具有定位分辨力高，可以達(dá)到納米級的分辨力，反饋速度快等顯著地優(yōu)勢；
[0018](3)本發(fā)明設(shè)計了較為靈活的垂直電機(jī)平臺的位移規(guī)則形式，通過激光干涉計量系統(tǒng)來設(shè)計出垂直電機(jī)平臺的運(yùn)動量，由此實(shí)現(xiàn)定位的快速實(shí)現(xiàn)以及可溯源可控制。
【附圖說明】
[0019]圖1為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的可溯源白光干涉原子力探針自動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖；
[0020]圖2為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的激光干涉位移計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0022]1-待測工件2-原子力掃描探針3-原子力掃描探針組件4-干涉物鏡5-納米級垂直位移平臺6-垂直電機(jī)位移平臺7-面C⑶成像系統(tǒng)8-激光干涉計量系統(tǒng)9-白光干涉顯微系統(tǒng)10-控制主機(jī)11-半導(dǎo)體激光器12-偏振片13-1/4波片14-分光鏡15-角錐棱鏡16-反射鏡17-參考鏡18-放大鏡19-光電陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]圖1為本發(fā)明方法中的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，按照本發(fā)明一個實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的白光干涉原子力掃描探針自動定位系統(tǒng)中包括:原子力掃描探針2，原子力掃描探針組件3，干涉物鏡4，納米級垂直微位移平臺5，垂直電機(jī)位移平臺6，面(XD成像系統(tǒng)7，激光干涉位移計量系統(tǒng)8，白光干涉顯微系統(tǒng)9，控制主機(jī)10。白光干涉顯微系統(tǒng)，經(jīng)過內(nèi)部的光路系統(tǒng)和干涉物鏡4后在原子力掃描探針2的微懸臂上形成白光干涉條紋，再由面CCD成像系統(tǒng)7將干涉圖像傳送給控制主機(jī)10上用于圖像采集和實(shí)時顯示，當(dāng)納米級垂直微位移平臺5完成一步位移之后控制主機(jī)10發(fā)出命令采集激光干涉計量系統(tǒng)8計量得到的位移值以及計算干涉圖像中零級條紋在面CCD成像系統(tǒng)7的位置值。
[0025]納米級垂直位移平臺5主要組成部分是高精密壓電陶瓷和柔性鉸鏈兩部分。壓電陶瓷在接收到控制主機(jī)10的位移信號后會產(chǎn)生一個精確的位移量，而柔性鉸鏈的作用將位移進(jìn)行傳遞和放大，在本實(shí)施例中將納米級垂直位移平臺5中的柔性鉸鏈部分的幾何放大比設(shè)置為2，四個對稱設(shè)置的疊層式平行平板柔性鉸鏈導(dǎo)向，能夠保證柔性鉸鏈動塊只沿垂直方向微動，這樣能夠保證垂直方向上納米級的運(yùn)動。
[0026]