【正文】 ， 用和式 代替積分 ???????????????TiiiTiiiTiilkllyxITblkllyxITallyxITa 0 1 0 1 0 0d2si n),(2d2c o s),(2d),(2??????????????????niiiniiiniikllyxInbkllyxInalyxIna1111102si n),(22c o s),(2),(2n為參考鏡振動(dòng)一個(gè)周期中的抽樣點(diǎn)數(shù)。 81 167。 45 激光移相干涉測(cè)試技術(shù) ? 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)原理 ? 于是 ， 可得 ? 特殊地 ， 取四步移相 ， 即 n=4， 使 ? 得 ??????niiiniiikllyxInkllyxInkyxw1112c o s),(22s i n),(2t a n21),(23,2,02????ikl),(),(),(),(t an21),(31241yxIyxIyxIyxIkyxw ??? ?82 167。 45 激光移相干涉測(cè)試技術(shù) ? 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)原理 ? 為了提高測(cè)量的可靠性 ， 消除大 ? 氣湍流 、 振動(dòng)及漂移的影響 ， 可 ? 以測(cè)量傅氏級(jí)數(shù)的系數(shù)在 p個(gè)周 ? 期中的累加數(shù)據(jù) ， 用右式來(lái)求 ? 從最小二乘法意義上看 ， 上式所表達(dá)的傅里葉系數(shù)是波面輪廓的最好擬合 。 得 ? ???????????????????????pniiipniiipniikllyxInpbkllyxInpalyxInpa1111102s in),(22c o s),(2),(2??????????????????npiiinpiiikllyxInpkllyxInpkyxw1112c o s),(22si n),(2t a n21),(在被測(cè)表而上任意點(diǎn) (x, y)的波面 w(x, y)的相對(duì)位相是由在該點(diǎn)的條紋輪廓函數(shù)的 n p個(gè)測(cè)定值 擬合計(jì)算得到的。 83 167。 45 激光移相干涉測(cè)試技術(shù) ? 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn) ? 1） 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)原理上采用上述最小二乘法擬合來(lái)確定被測(cè)波面 ， 因此可以消除隨機(jī)的大氣湍流 、 振動(dòng)及漂移的影響 ， 這是這種測(cè)試技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn) 。 ? 2） 是可以消除干涉儀調(diào)整過(guò)程中及安置被測(cè)件的過(guò)程中產(chǎn)生的位移 、 傾斜及離焦誤差 （ 數(shù)字化處理 ） 。 ? 3） 是可以大大降低對(duì)干涉儀本身的準(zhǔn)確度要求 。 波面位相信息是通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算 、 存貯和顯示的 。 這就在實(shí)際上有可能先把干涉儀系統(tǒng)本身的波面誤差存貯起來(lái) ，而后在檢測(cè)被測(cè)波面時(shí)在后續(xù)的波面數(shù)據(jù)中自動(dòng)減去 ，使干涉儀制造時(shí)元件所需的加工精度可以放寬 。 當(dāng)要求總的測(cè)量不確定度達(dá)到 1/100波長(zhǎng)時(shí) ， 干涉儀系統(tǒng)本身的波面誤差小于一個(gè)波長(zhǎng)就可以了 。 84 167。 45 激光移相干涉測(cè)試技術(shù) ? 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用例 面陣探測(cè)器 可變衰減器 偏振分光鏡 檢偏器 激光器 壓電晶體 1/2波片 1/4波片 被測(cè)表面 齊明鏡組 1/4波片 圖 439 激光移相干涉系統(tǒng)光路圖 性能： 測(cè)量點(diǎn)數(shù)： 1024點(diǎn) 測(cè)量平面最大直徑為 125mm； 測(cè)量不確定度達(dá)1/100波長(zhǎng)。 85 167。 45 激光移相干涉測(cè)試技術(shù) ? 激光移相干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用例 激光器 偏振片 CCD 渥拉斯頓棱鏡 1/4波片 被測(cè)面 圖 440 采用移相干涉技術(shù)的微分干涉儀 Δx 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 87 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) ? 引言： ? 1986年 (STM)，人類(lèi)第一次觀察到了物質(zhì)表面的單原子排列狀態(tài)。此后，相繼出現(xiàn)了一系列新型的掃描探針顯微鏡：原子力顯微鏡（ AFM）、激光力顯微鏡（ LFM）、磁力顯微鏡 (MFM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡（ BEEM）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（ SICM）、掃描熱顯微鏡（ STP）、光子掃描隧道顯微鏡（ PSTM）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（ SNOM）等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光學(xué)方法已經(jīng)取得的成就。 ? 現(xiàn)代掃描顯微鏡技術(shù)吸取了光學(xué)技術(shù)的精華，光子掃描隧道顯微鏡利用了光纖探針和全反射時(shí)的瞬衰場(chǎng)，橫向分別率達(dá)到 1/10波長(zhǎng)，垂直分辨率也在納米數(shù)量級(jí)；掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡則使用小孔光天線，分辨率突破了瑞利限制，已經(jīng)達(dá)到了 1/10波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。 88 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) ? 引言： ? 除了 PSTM、 SNOM直接使用光學(xué)原理工作外，其它掃描顯微鏡常常用光學(xué)方法作為位移傳感器，干涉方法是主要的手段。 ? 這類(lèi)干涉儀不同于一般的位移干涉儀，它的量程很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到半個(gè)波長(zhǎng)，但是分辨率要求很高（ 1nm）。 ? 這種情況下噪聲成為影響性能根本原因。主要噪聲源有： ? 探測(cè)器的散粒噪聲； ? 負(fù)載電阻的 Johnson噪聲； ? 激光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲； ? 激光的相位噪聲； ? 干涉系統(tǒng)的非線性漂移； ? 機(jī)械系統(tǒng)的熱噪聲等。 89 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 掃描隧道顯微鏡（ STM Scanning Tunneling Microscope ） ? 基本原理： 利用量子理論中的隧道效應(yīng)，將原子尺度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與探針的距離非常接近時(shí)（通常小于 1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一個(gè)電極，這種現(xiàn)象即 隧道效應(yīng) 。 ? 隧道電流 I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離 L和平均功函數(shù) Φ有關(guān) ? ?LΦA(chǔ)VI b ?? e x p加在針尖和樣品之間的偏置電壓 A為常數(shù)，在真空條件下約等于 1 平均功函數(shù) Φ＝ （ Φ1 ＋ Φ2）， Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數(shù) 20 10 0 L 圖 447 隧道效應(yīng)示意圖 90 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 掃描隧道顯微鏡（ STM Scanning Tunneling Microscope ） ? 隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間的距離 非常敏感， 如果距離 L減小 ，隧道電流 I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。 ? 工作方式： 恒高 —— 適于大起伏面 恒流 —— 適于小起伏面 x z y L L L 圖 448 掃描模式示意圖 a) b) 注意： 如樣品表面原子種類(lèi)不同，或樣品表面吸附有其它原子、分子時(shí)，被測(cè)面的電子態(tài)密度的功函數(shù)會(huì)變化，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。 91 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) ? 光子掃描隧道顯微鏡（ PSTM— Photon Scanning Tunneling Microscope） ? 原理： 用光探針探測(cè)樣品表面附近被內(nèi)全反射光所激勵(lì)的消逝場(chǎng)，從而獲得表面結(jié)構(gòu)信息。其分辨率遠(yuǎn)小于入射光的半波長(zhǎng)，突破了光學(xué)顯微鏡半波長(zhǎng)極限的限制。 ? PSTM的原理和工作方式在許多方面與 STM非常相似。STM是利用電子的隧道效應(yīng)，而 PSTM則是利用光子的隧道效應(yīng)，如所示。 ? 工作原理： 光電倍增管 位移控制 與反饋 計(jì)算機(jī) 光纖探針 內(nèi)全反射光 光纖探針 消逝場(chǎng) 樣品表面 圖 449 PSTM原理示意圖 媒質(zhì) 1 媒質(zhì) 2 壓電陶瓷 及控制器 92 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 光子掃描隧道顯微鏡（ PSTM— Photon Scanning Tunneling Microscope） ? 全反射測(cè)量形貌的準(zhǔn)確度比較高；且區(qū)域形貌的信息量大；可以幾乎不接觸被測(cè)表面；測(cè)量裝置以及數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)潔 。 ? 與其它類(lèi)型的光學(xué)顯微鏡相比 ， PSTM提供了在亞波長(zhǎng)級(jí)分辨水平上的三維表面形貌 ， 且其切線方向的分辨力可達(dá)到十分之一波長(zhǎng) ， 垂直于樣品方向的分辨力主要是受到電子線路的限制 ， 得到納米級(jí)或更高的分辨力是容易辦到的 。 93 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 亞納米零差檢測(cè)干涉系統(tǒng) ? 零差干涉系統(tǒng)的基本光路是由平板玻璃和探針上表面構(gòu)成的 FP干涉儀 ， 其平均間隔為 z0， 由光電探測(cè)器檢出干涉光強(qiáng) 。 在力顯微鏡中零差干涉系統(tǒng)的作用就是檢測(cè)掃描探針的振幅 （ 振幅隨被測(cè)表面的起伏變化 ） 。 當(dāng)探針臂的振幅為 A， 振動(dòng)頻率為 ω， 光傳播方向?yàn)?z方向 ， 探針臂的運(yùn)動(dòng)方程為 ? 干涉光強(qiáng)為 tAzz ?s in0 ??? ????????????? ??? tAzFII ??? s i n4c o s12100激光器 掃描探針 平板玻璃 光電探測(cè)器 圖 450 零差檢測(cè)干涉系統(tǒng)光路圖 被測(cè)樣品 ? ?21 4 RRF ??94 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 亞納米零差檢測(cè)干涉系統(tǒng) ? 由于被測(cè)振幅遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) ， 即 4Aπ/λ1， 展開(kāi)上式 ， 分別寫(xiě)出其直流分量 、 一次諧波 、 二次諧波分量為 ???????????????????????????????????????????????????????tzAFIItzAFIIzzzFIIdc???????????2c o sπ4c o sπ481si nπ4si nπ421π4c o sπ441π4c o s12102020010200095 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 亞納米零差檢測(cè)干涉系統(tǒng) ? 調(diào)節(jié) FP干涉儀 ， 分別測(cè)出一次諧波 、 二次諧波分量的光電流為 tAFIi ????? s in421 0?tAFIi ????? 2c os481202 ???????? 則 ???iiA 2π?? 利用鎖相放大器很容易測(cè)出正交狀態(tài)的一次和二次諧波分量。 ? 零差干涉方法的缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)與 z0有關(guān)，因?yàn)闊岷蜋C(jī)械的原因都會(huì)改變 z0，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。 96 167。 47 納米技術(shù)中的干涉測(cè)試技術(shù) 亞納米零差檢測(cè)干涉系統(tǒng) ? 噪聲 是最主要的影響因素，通常有以下噪聲需要考慮： ? 1）光程長(zhǎng)度 z0漂移噪聲； ? 2）電阻 Johnson噪聲； ? 3）激光強(qiáng)度噪聲； ? 4）探針臂的熱噪聲； ? 5）光電探測(cè)器散粒噪聲等。