[发明专利]一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件方法

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，是基于可溯源计量及白光干涉的一种自动定位工件的方法。

背景技术

白光干涉原子力扫描探针显微镜是用白光的零级条纹来量化原子力扫描探针的形变，从而间接得到工件表面的高度。而原子力扫描探针变形的原理是原子间的范德华力。在测量时，原子力扫描探针的针尖相当于一个原子，被测样件的表面的一个原子会与原子力扫描探针针尖相互作用，使得原子力扫描探针的悬臂发生形变。而在悬臂上形成的白光干涉条纹则会发生相应的移动，根据白光干涉零级条纹的移动量可以计算出原子力扫描探针的变形量。

可溯源白光干涉原子力扫描探针显微镜工作在原子力的接触模式，原子力扫描探针的悬臂非常小，能承受的力也在仅限于原子与原子之间的作用力。而原子与原子之间的作用力范围通常都在nm的单位量级，因此要达到准确的定位，要么借助高精度的测距仪器，要么只能靠人为操控。在白光干涉原子力扫描探针显微镜这样的紧凑仪器设备上安装高精度的测距仪器难以实现；而人为操控则需要耗费较多的时间，同时每次定位到工件的距离都很难控制，随机性比较大。因此需要一种自动高精度的控制策略，让原子力扫描探针定位到工件，由此实现高效精确地测量。

发明内容

要实现白光干涉原子力扫描探针自动定位工件，则需要控制好原子力扫描探针与工件之间的距离，在无法借助其他设备辅助的情况下，既要保证不损害原子力扫描探针，又要精确定位出工件。

按照本发明的一个方面，提供了一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其中该标定方法涉及的所述白光干涉原子力探针标定装置包括面CCD测量系统、原子力扫描探针组件、白光干涉显微系统、纳米级垂直微位移平台、垂直电机位移平台、激光干涉计量系统以及控制主机；

所述纳米级垂直微位移平台以及垂直电机位移平台接收控制主机的控制分别产生精调和粗调的位移从而使所述原子力扫描探针组件中的探针发生形变；所述激光干涉计量系统的角锥棱镜设置于所述纳米级垂直微位移平台之上；白光干涉显微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的微悬臂上形成白光干涉条纹，其包含所述原子力探针组件上的探针的形变信息；所述面CCD测量系统接收包含所述探针的形变信息的干涉条纹，所述控制主机连接所述面CCD测量系统，分析所述干涉条纹；其特征在于，该方法包括如下步骤：

(I)记录所述激光干涉计量系统以及所述垂直电机位移平台的初始位置；

(II)所述控制主机控制所述纳米级垂直位移平台在垂直方向上向所述工件的方向快速产生一个位移；

(III)在所述纳米级垂直位移平台的位移发生后通过白光干涉原子力探针上零级条纹的移动量是否在阈值范围内来判断原子力探针是否定位到工件；

(IV)若没有超过所述步骤(III)设定的阈值范围则控制所述纳米级垂直位移平台继续向所述工件方向下移，如果超过所述步骤(III)设定的阈值范围，则控制所述纳米级垂直位移平台向所述工件相反的方向运动所述步骤(II)的一半距离继续进入所述步骤(III)～(IV)；

(V)如果所述纳米级垂直位移平台在到达极限时还未定位到所述工件，此时记录所述激光干涉计量系统的最终位置，并将所述纳米级垂直位移平台复位；通过所述垂直电机位移平台向下发生一个所述激光干涉计量系统记录的位移值，重复所述步骤(I)～(V)，直至定位到工件。

进一步地，所述步骤(I)中调节所述原子力扫描探针到所述面CCD测量系统的位置为：所述原子力扫描探针全部在所述面CCD的成像区域上成像，并且所述原子力探针微悬臂与所述面CCD的夹角不超过7.5°。

进一步地，所述步骤(II)中的位移量计算规则如下：在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹从所述面CCD上超出其成像区域时所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L1，在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹宽度下所述原子力探针微悬臂发生最大变形量所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L2，取所述L1与所述L2中较小的值作为位移量。

进一步地，所述步骤(IV)中的阈值为所述步骤(II)中的位移量的0.1-0.15倍之间的范围。

按照本发明的自动定位方法能够在让白光干涉原子力探针扫描显微镜在不借助其他辅助设备下实现快速高效的自动定位工件。并且采用激光干涉位移计量系统，实现可溯源标定，总而言之，本发明具有如下的有益效果：