翟鵬程 叢寶軍

內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，顯微技術(shù)不斷推陳出新，尤其是現(xiàn)代化技術(shù)的涌現(xiàn)，為顯微技術(shù)發(fā)展注入了新的活力和動力。以往的顯微鏡逐步從傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡朝著深度發(fā)展，形成了不同照明光源為區(qū)別的多種顯微鏡，包括干涉顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描探針顯微鏡和電子顯微鏡等。不同顯微鏡特點和適用情況不同，分別形成各自的體系，以其獨特優(yōu)勢廣泛應(yīng)用到各個技術(shù)領(lǐng)域。綜合分析顯微鏡在長度計量中應(yīng)用研究，了解顯微鏡發(fā)展歷程，充分發(fā)揮顯微鏡優(yōu)勢應(yīng)用到實處，以求推動計量領(lǐng)域更高層次發(fā)展。

1 顯微鏡的發(fā)展歷程

顯微鏡最初誕生在上個世紀(jì)20年代，為了提升顯微鏡分辨率，將多數(shù)的經(jīng)理投入到顯微鏡分辨極限表達方式的光學(xué)參數(shù)，力求尋找波長更短的照明光源，提升顯微鏡分辨率和放大倍數(shù)。經(jīng)過長期研究和創(chuàng)新，逐漸涌現(xiàn)出類型多樣的顯微鏡，但是顯微鏡分辨極限最高也僅為波長λ的一半，光學(xué)顯微鏡在可見光波段難以突破0.2mm分辨極限[1]。

顯微鏡類型多樣，基于成像原理來劃分，具體包括干涉顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描針顯微鏡和共焦顯微鏡；基于工作方式劃分，包括遠場光學(xué)顯微鏡和近場顯微鏡。但無論從哪一層面劃分，顯微鏡均是基于軸箱放大功能的儀器設(shè)備，由于方式不同得到了類型多樣的顯微鏡，放大能力存在一定差異。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡便于觀察，不會對被檢測物體帶來損傷，對取樣條件限制較少，測量環(huán)境要求不高，憑借獨特優(yōu)勢得到了大范圍應(yīng)用。當(dāng)前非光學(xué)顯微鏡分辨率在0.1nm水平，所以進一步提升光學(xué)顯微鏡分辨率是必然選擇。隨著技術(shù)發(fā)展，新型的顯微鏡出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡測量極限的限制，通過尋找不同光源用于顯微鏡信息載體，如X射線顯微鏡、超聲顯微鏡與電子顯微鏡等，在長度計量中起到了重要作用。

2 長度計量工作分析

長度計量工作主要內(nèi)容是針對長度測量展開研究，確保測量單位和量值準(zhǔn)確。長度計量技術(shù)誕生初期，就開始選用長度測量技術(shù)，隨著技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，感應(yīng)同步器、激光和光柵等新興技術(shù)涌現(xiàn)，也有很多高分辨率的儀器設(shè)備誕生。就長度計量本質(zhì)工作內(nèi)容來看，具體內(nèi)容有角度、距離、直線度、表面粗糙度等幾何量，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)和傳遞方法；確定長度單位和以基準(zhǔn)形式復(fù)制單位；合理使用計量器具，選擇合適的測量方法控制計量精度；選用合理的長度計量技術(shù)[2]。

在長度計量工作中，有接觸計量和非接觸計量兩種方式，接觸測量是長度測量工具和被測量物體物理接觸，測量被測量物體的內(nèi)外尺寸；非接觸測量是通過氣動、光學(xué)方法，不需要與被測表面接觸即可完成計量工作。

3 長度計量中顯微鏡的應(yīng)用途徑

顯微鏡不斷改進和創(chuàng)新，新技術(shù)的涌現(xiàn)，在長度計量中應(yīng)用取得了可觀成效。顯微技術(shù)和光干涉技術(shù)的結(jié)合，在長度計量中起到了重要作用，賦予了顯微技術(shù)新的生機活力。

3.1 幾何尺寸測量

長度計量中采用測量顯微鏡，作為一種常見的測量工具，測量精度高，通常應(yīng)用在工件幾何尺寸測量領(lǐng)域。測量顯微鏡的類型多樣發(fā)展，測量精度大概為微米級，分辨率在0.1μm左右[3]。

3.2 表面形貌測量

表面形貌測量同樣屬于長度計量范疇，以往選擇的儀器設(shè)備包括干涉顯微鏡和光切顯微鏡，其中光切顯微鏡分辨率最高為0.1mm，干涉顯微鏡則為15nm，主要適用于微米、亞微米量級工件粗糙度測量。面對表面加工質(zhì)量要求不斷提高的挑戰(zhàn)，新時期對形貌測量技術(shù)水平要求大大提升。通過掃描電鏡、輪廓儀和掃描探針顯微鏡應(yīng)用，可以滿足微觀形貌測量需求。另外，AFM和STM的誕生，為新時期表面形貌測量帶來了新的活力，測量精度大大提升。計量領(lǐng)域的技術(shù)不斷變革發(fā)展，逐漸朝著非接觸式發(fā)展，分辨率越來越高，可以實現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)描繪檢測[4]。

3.3 在線寬與掩模測量

電子行業(yè)蓬勃發(fā)展，制造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成芯片制造技術(shù)水平的提升，電子元器件逐漸朝著高集成密度化方向發(fā)展，對于新時期技術(shù)發(fā)展提出了新的要求。顯微鏡的不斷發(fā)展，近些年來共焦顯微鏡應(yīng)用為新時期的線寬與掩模測量提供了新的技術(shù)支持，作用原理是通過長焦透鏡轉(zhuǎn)換為發(fā)散光束，通過短焦物鏡投射到樣品表面，進而反射回短焦物鏡，最后通過分光鏡，有光電接收器接受[5]。如果測量點恰巧在長焦透鏡焦點上，則形成共焦關(guān)系。另外，測量點在物鏡焦點上，可以接受最大信號，伴隨測量點偏離焦點，信號強度逐漸變小，客觀反映出樣品表現(xiàn)情況。另外，小孔直徑測量直接關(guān)乎到長度計量分辨率，而共焦顯微鏡分辨率較高，可以得到10nm以上，切實提升長度計量精度。

4 結(jié)語

綜上所述，顯微技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展創(chuàng)新，為人們探索微觀世界提供了途徑，而當(dāng)前顯微技術(shù)研究力求觀察更加微小的物體結(jié)構(gòu)，獲取相關(guān)信息。未來顯微技術(shù)不斷發(fā)展下，將在長度計量中做出更大的貢獻，推動相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域更高層次發(fā)展。