微納結構形貌干涉顯微測量關鍵技術研究.pdf

1、干涉顯微法是一種基于光學干涉原理的表面形貌測量方法，具有測量速度快、精度高、非接觸的優(yōu)點，主要用于MEMS等基于IC平面工藝制造的微納結構表面形貌及其運動的測量。本文通過深入研究干涉顯微法原理，對相移干涉法(PSI)和垂直掃描干涉法(VSI)的數(shù)學模型和算法進行了分析比較，提出了VSI相位包絡算法，并且在頻閃干涉視覺三維測量系統(tǒng)的基礎上，完成了干涉顯微測量的關鍵技術研究及系統(tǒng)實現(xiàn)。 根據(jù)Michelson干涉儀模型，對光學干涉法

2、的數(shù)學模型進行了推導分析，確定了干涉光強函數(shù)與包絡函數(shù)和相位函數(shù)之間的關系，得到了PSI和VSI測量方法的理論模型。在此基礎上，通過分析研究目前主要的PSI和VSI算法原理，利用干涉光強函數(shù)及其Hilbert變換函數(shù)的頻譜分布特點，提出了相位包絡算法。該算法應用采樣定理，利用Whittaker波形重構原理計算采樣點的包絡值和相位值，從中提取干涉光強函數(shù)的零光程差位置，得到樣品表面各點的相對高度值。仿真結果表明，相位包絡算法的具有較高的測

3、量精度。 在頻閃干涉視覺三維測量系統(tǒng)的基礎上，設計開發(fā)了一套集PSI和VSI測量模式為一體的干涉顯微測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Linnik結構干涉顯微鏡，利用LED和窄帶濾波片實現(xiàn)PSI和VSI的光源切換，通過參考鏡掃描的方法將VSI掃描器與PSI相移器集為一體，實現(xiàn)PSI和VSI測量硬件的統(tǒng)一集成。在頻閃干涉視覺測量軟件中增加了VSI測量模塊，可以用相位包絡算法、五步相移算法、空間頻域算法、SEST算法對VSI采樣數(shù)據(jù)進行處理，并改進

4、了表面形貌測量結果存儲文件的格式。 對頻閃干涉視覺三維測量系統(tǒng)的誤差現(xiàn)象進行了分析，研究了Linnik結構干涉顯微鏡在PSI測量中的誤差機理。根據(jù)平面樣品的測量結果，可以確定系統(tǒng)在PSI測量中存在一個近似于二次曲面的誤差面，通過研究PSI測量過程中誤差產(chǎn)生機理，建立了相移誤差、攝像機成像誤差以及光波陣面匹配誤差模型。根據(jù)誤差模型的特點，對系統(tǒng)進行了改進，設計了以標準平面作為測量樣品的相關實驗，驗證誤差模型與誤差曲面分布之間的關系

5、。實驗結果表明，光波陣面匹配誤差中 Linnik結構干涉顯微鏡的兩個顯微物鏡后焦點誤差是產(chǎn)生誤差曲面的主要原因。在誤差分析的基礎上，利用標準平面樣品的測量結果，對PSI測量進行了補償，取得了較好的補償效果。 系統(tǒng)采用兩種LED光源對美國VEECO公司的標準臺階做了測量，比較了兩種LED光源和不同處理算法下的臺階測量結果，通過分析相位譜誤差對包絡的影響，對測量結果中相位包絡算法和空間頻域算法的測量誤差進行了研究，并且應用雙峰值和特