隨著超精密加工技術(shù)日益成熟,由于其具有微納米尺度、難以直接接觸、微觀表面效應(yīng)、定位誤差影響大等特點(diǎn),使得常規(guī)檢測(cè)手段己不能滿足要求。而掃描白光干涉檢測(cè)技術(shù)具有分辨率高、速度快、大范圍且非接觸等特點(diǎn),成為超精密檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和要求,基于掃描白光干涉原理,研制了一套微觀形貌檢測(cè)系統(tǒng)。首先,分析了掃描白光干涉檢測(cè)原理、表面粗糙度測(cè)量及三維形貌恢復(fù)算法。其次,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)金相顯微鏡改裝式白光干涉儀的可測(cè)范圍小缺點(diǎn),合理設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的空間布局并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高、體積小、能夠連續(xù)切換濾波片的調(diào)節(jié)裝置。研制了一種柔性結(jié)構(gòu)微位移器,實(shí)現(xiàn)了垂直掃描功能。研制了一種操作簡(jiǎn)便的干涉條紋微調(diào)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)干涉條紋的旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)及粗細(xì)調(diào)節(jié)功能。利用Workbench對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。然后,設(shè)計(jì)開發(fā)了測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)了電移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制、微位移器器的掃描控制、干涉圖像的采集控制、信號(hào)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算以及最終三維形貌信息的展示。最后,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用單刻線板和標(biāo)準(zhǔn)粗糙度樣塊分別進(jìn)行重復(fù)性精度測(cè)試,誤差均小于5%,對(duì)典型光電器件進(jìn)行三維形貌恢復(fù),主要技術(shù)指標(biāo)滿足預(yù)期要求。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH744.3
【部分圖文】：

測(cè)量效率很低，很難做到大面積測(cè)量，難以用于微電路、ＭＥＭＳ器件的表面形貌恢復(fù)。??掃描顯微鏡測(cè)量法包括掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡［１４］，如圖??１．?３至圖１．?５所示。掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）利用聚焦得非常??細(xì)的電子束作為電子探針［１５］。通過探測(cè)被測(cè)表面經(jīng)電子束轟擊所激發(fā)的二次電子的能量，??其強(qiáng)度與表面形貌對(duì)應(yīng)，即可獲得微觀表面信息。掃描隧道顯微鏡（ＳＴＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)［１６］。在探針沿被測(cè)表面移動(dòng)時(shí)，??檢測(cè)探針與表面的間隙中出現(xiàn)隧道電流大小，驅(qū)動(dòng)和控制探針上下移動(dòng)使隧道電流保持??不變，其上下移動(dòng)量便反映了被測(cè)表面的峰谷的高低。原子力顯微鏡（ＡＦＭＡｔｏｍｉｃ?Ｆｏｒｃｅ??Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于探針與樣品之間的原子相互作用力［１７］。利用微懸臂感受和??放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，便可測(cè)出被??測(cè)表面的形貌。??產(chǎn)?＇知．．??／ｌｉ．?????■層?��！??圖１．３掃描電子顯微鏡?圖１．４掃描隧道顯微鏡?圖１．５原子力顯微鏡??針對(duì)機(jī)械接觸式測(cè)量法和掃描顯微鏡測(cè)量法的量程小、被測(cè)表面破壞、測(cè)量效率低、??實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)困難等缺點(diǎn)，為滿足微電路、微光學(xué)器件、ＭＥＭＳ器件等各種高精密加工表??面器件的生產(chǎn)和檢測(cè)。近年來

共焦顯微鏡的橫向分辨率是同焦孔比的普通顯微鏡的１．４倍，可達(dá)０．１８ｐｍ，同時(shí)具有??很強(qiáng)的縱向深度的分辨能力，并能對(duì)觀測(cè)樣品進(jìn)行分層掃描和三維圖像的重建。激光共??焦掃描顯微（ＣＬＳＭ?Ｃｏｎｆｏｃａｌ?Ｌａｓｅｒ?Ｓｃａｎ－ｎｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）原理如圖１．?６所不，利用激光點(diǎn)??光源產(chǎn)生物點(diǎn)，照明樣品同時(shí)掃描表面，并成像在光電倍增管上。當(dāng)被測(cè)表面和探測(cè)表??面滿足共軛條件時(shí)，探測(cè)面上的成像點(diǎn)直徑最小、能量最大；物點(diǎn)偏離時(shí)，探測(cè)面上的??成像點(diǎn)直徑變大、能量變小。通過調(diào)節(jié)物點(diǎn)與被測(cè)面的位置，使得激光能量輸出最高，??掃描樣品，記錄不同位置的信息可重構(gòu)出完整的表面。圖１．７所示為奧林巴斯ＬＥＸＴ??０ＬＳ４１００激光共焦顯微鏡，其采用４０５ｎｍ的短波長(zhǎng)激光，平面分辨率達(dá)到了?０．?１２ｐｍ［１９］。??圖１．８所示為蔡司ＬＳＭ８００激光共聚焦顯微鏡，采用轉(zhuǎn)盤掃描，最快的高精度模式掃描??速度超過５０幅／秒（２０４８＊２０４８分辨率）［２Ｇ］。??光電倍增管卜十算機(jī)＿??探測(cè)光闌Ｙ??＼￣?物鏡?被測(cè)表面??光源?＿＿??照明光闌?分

?基于白光千涉的微觀形貌檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究??離焦檢測(cè)法通過測(cè)量顯微物鏡與被測(cè)表面的離焦量反映被測(cè)表面的形貌。圖１．９所??示，利用傅科棱鏡和四象限光電探測(cè)器檢測(cè)離焦信號(hào)，使用音圈電機(jī)對(duì)鏡頭調(diào)焦，檢測(cè)??其調(diào)焦量即對(duì)應(yīng)被測(cè)表面高度變化。??又光源??傅科棱鏡?ｔ??物鏡位移?／么??＼＾ｙＣ?四象限光??檢測(cè)?＾?電探測(cè)器??Ｉ?￣［個(gè)?Ｄ??音圈電機(jī)調(diào)焦?￣??圖１．９傅科刀口法檢測(cè)離焦信號(hào)的光學(xué)輪廓儀原理圖??微分干涉法是一種橫向?qū)Ρ鹊淖韵喔杉夹g(shù)，它將同一被測(cè)面發(fā)出的具有一定相位分??布的光束沿橫向分開一段微小的距離，或使其中一束光束沿徑向縮小，從而構(gòu)建出兩束??相干光，它們的干涉結(jié)果可反映相鄰位置的表面高度變化［２１］。??外差干涉法是通過參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)沿著相同的光路入射到物體的表面上，機(jī)械??位移誤差、環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)等誤差因素等對(duì)兩束光信號(hào)的影響相同，在恢復(fù)被測(cè)面??形貌時(shí)不會(huì)引入額外誤差，從而提高了儀器的精度和抗干擾能力Ｐ２］。??顯微干涉測(cè)量法是以現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡作為載體
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2842352