基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統及方法
【專利摘要】一種基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統及方法，包括激光光源，在激光光源的輸出光軸上設置有分光器件，在分光器件的一條光輸出軸上設置有第一準直擴束器，第一準直擴束器的光輸出軸上設置有分光棱鏡，在分光器件的另一條光輸出軸上設置有第一反射鏡，第一反射鏡的反射光軸上設置有第二準直擴束器，第二準直擴束器的光輸出軸上設置有第二反射鏡，第二反射鏡的反射光軸對應分光棱鏡，第一準直擴束器通過分光棱鏡輸出的光路上設置有用于照射被測樣本和收集被測樣本表面反射物光的顯微物鏡，分光棱鏡的輸出光路上對應設置用于光電轉換的CCD，CCD的另一端點連接數字圖像采集卡。本發明僅需要一幅干涉圖即可達到微結構表面形貌測量的目的，能夠實現實時動態測試。
【專利說明】基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微結構形貌測試系統。特別是涉及一種通過傾斜參考波離軸顯微干涉的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統及方法。
【背景技術】
[0002]微機電系統(MEMS)、微細加工技術以及納米技術在當代發展迅速，需求強勁，因此微結構測試倍受關注，測量要求也逐步提高。對于MEMS器件，其電子學測試固然重要，但微結構幾何量、機械量、機械力學特性、材料特性、光學特性、聲學特性和磁學特性等多個參數的測試也必不可少。而微結構表面形貌的加工工藝復雜,往往通過機械加工、化學加工以及其他特殊加工工藝形成。在需要滿足直觀表面形貌的加工要求之上，微結構的表面形貌還與物質內在特性如硬度、殘余應力、化學成分、材料特性等物理化學性質密切相關，這些特性都會對微結構的使用性能產生直接或間接的影響。因此對于MEMS微結構表面形貌幾何量的測試尤為重要。測試系統的測量范圍，測量速度以及測量精度的提高是MEMS測試技術進步的重大體現。
[0003]由于MEMS器件結構精細，其特征結構尺寸一般在微納米量級，因此若要得到較為準確的測量結果，其測試結構和形貌的精度也應在微納米量級。這對測試技術以及測量設備精度要求也是較高的。而對于某些動態器件，其形貌測量還會有實時性的要求。顯微干涉測量法是一種基于相干光干涉的原理，結合顯微系統，通過在干涉圖中提取微結構的有效相位恢復被測物形貌的一種測量方法。由于其具有非接觸、高靈敏度、高精度等優點，因而在微結構幾何量測試領域得到廣泛應用。顯微干涉主要包括相移干涉，白光干涉等。相移干涉測量法使用單色光作為光源，需要相移器等步距的微位移掃描，記錄多幅(至少三幅)干涉圖才能獲取有關相位。而白光干涉測量法使用白光作為光源，依據白光干涉原理，通過對被測件進行垂直方向的掃描記錄下每一點零光程差的位置，獲得被測件表面三維信息。對于以上兩種方法，干涉圖數量的要求，相移器的精度及昂貴的價格以及對振動敏感等特性限制了它們的應用。而顯微干涉結合傅里葉變換的測量方法在理論上僅需要一幅干涉圖，然而如果應用傳統顯微干涉的裝置，必須通過傾斜被測樣品才能達到增加載頻的目的，得到準確的測量結果。若樣品傾斜角度過大會使干涉區域縮小，有效視場范圍會嚴重收縮，因此樣品傾斜角度有限，這就導致載頻不足，頻譜重疊的現象發生，相位也因此發生反轉從而需要更多一幅干涉圖矯正，使測量更加復雜。這也表明常用顯微干涉的方法對于微結構的實時性測量要求還是不易達到的。因此，如何在保證高精度測量的同時提高測量效率，減少對干涉圖數量的依賴，實現測量的實時性，成為顯微干涉測量應用于微結構形貌測試領域亟待解決的問題，也是其發展的趨勢。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠實現全視場、非接觸、快速高精度的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統及方法。[0005]本發明所采用的技術方案是:一種基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，包括激光光源，在激光光源的輸出光軸上設置有分光器件，在所述的分光器件的一條光輸出軸上設置有第一準直擴束器，所述第一準直擴束器的光輸出軸上設置有分光棱鏡，在所述的分光器件的另一條光輸出軸上設置有第一反射鏡，所述第一反射鏡的反射光軸上設置有第二準直擴束器，所述第二準直擴束器的光輸出軸上設置有第二反射鏡，所述第二反射鏡的反射光軸對應所述分光棱鏡，所述的第一準直擴束器通過分光棱鏡輸出的光路上設置有用于照射被測樣本和收集被測樣本表面反射物光的顯微物鏡，所述分光棱鏡的輸出光路上對應設置用于光電轉換的(XD，所述的CXD的另一端點連接數字圖像采集卡。
[0006]所述的分光器件米用分光棱鏡或米用偏振分光棱鏡。
[0007]當所述的分光器件采用偏振分光棱鏡時，所述的激光光源與所述的分光器件之間的光軸上設置有第一半波片，所述的分光器件與所述的第一準直擴束器之間的光軸上設置有第二半波片。
[0008]所述的第一準直擴束器與所述的分光棱鏡之間的光軸上設置有第一透鏡。
[0009]所述的第二反射鏡與所述的分光棱鏡之間的光路上設置有第二透鏡。
[0010]所述的第二反射鏡的反射光與所述的分光棱鏡所輸出的被測樣本表面反射物光的光軸形成有離軸角度e，所述的離軸角度0為I?6°。
[0011]一種用于基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統的方法，包括如下步驟:
[0012]I)將光源發出的激光通過分光成為兩束相干光，相干光中物光經過被測樣本的反射到達CCD，與入射到CCD的參考光進行干涉形成干涉圖，所述的參考光通過光路中的反射鏡調節后輸出的反射光與CCD所接收的物光的光軸成一定的離軸角度0，增大載頻，保證離軸干涉；
[0013]2)將一平面反射鏡的鏡面作為理想反射面，記錄平面反射鏡鏡面的離軸干涉圖，對所述的離軸干涉圖進行傅里葉變換，對離軸干涉圖進行頻譜濾波，得到包含有參考光相位及系統引入的光學畸變相位的理想反射面的干涉項，并將理想反射面的干涉項作為系統誤差進行記錄，將此步驟2)得到的記錄作為以后每一次測量中消除系統誤差的參考，并在以后的每一次測量中跳過此步驟2)，不再重復記錄；
[0014]3)將微器件作為被測樣本放置于光路中，采集離軸干涉圖并記錄，對所采集的離軸干涉圖進行傅里葉變換，經過對離軸干涉圖的頻譜濾波，得到包含有微器件形貌相位、參考光相位以及系統引入的光學畸變相位的干涉項；
[0015]4)將系統誤差進行共軛計算，將計算結果與步驟3)中所得微器件的干涉項相乘，消除與步驟2)所記錄的系統誤差相對應的系統誤差，即得到微器件的真實形貌相位，再通過相位與高度的比例關系恢復微器件的表面形貌信息。
[0016]步驟2)和步驟3)中所述的對離軸干涉圖強度分布為:
[0017]i (X，y) =a (x, y) +0 (x, y) R* (x, y) +0* (x, y) R (x, y) =a (x, y) +c (x, y) +c* (x, y) (I)
[0018]式中a(x，y)為直透光項，0(x，y)為物光的復振幅分布，R(x，y)為參考光的復振幅分布/代表共軛計算，對所述的離軸干涉圖進行頻譜濾波，得到步驟2)和步驟3)中所述的對離軸干涉圖的干涉項c(x, y)。
[0019]步驟4)中所述的消除與步驟2)所記錄的系統誤差相對應的系統誤差，是將步驟
2)記錄的系統誤差干涉項的共軛項與步驟3)濾出的微器件干涉項下述公式相乘，達到消除系統誤差的目的:
[0020]
【權利要求】
1.一種基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，包括激光光源(I)，其特征在于，在激光光源(I)的輸出光軸上設置有分光器件(3),在所述的分光器件(3)的一條光輸出軸上設置有第一準直擴束器(6 ),所述第一準直擴束器(6 )的光輸出軸上設置有分光棱鏡(11)，在所述的分光器件(3)的另一條光輸出軸上設置有第一反射鏡(4)，所述第一反射鏡(4)的反射光軸上設置有第二準直擴束器(8)，所述第二準直擴束器(8)的光輸出軸上設置有第二反射鏡(9)，所述第二反射鏡(9)的反射光軸對應所述分光棱鏡(11 )，所述的第一準直擴束器(6)通過分光棱鏡(11)輸出的光路上設置有用于照射被測樣本(13)和收集被測樣本(13)表面反射物光的顯微物鏡(12),所述分光棱鏡(11)的輸出光路上對應設置用于光電轉換的CXD (14)，所述的CXD (14)的另一端點連接數字圖像采集卡(15)。
2.根據權利要求1所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，其特征在于，所述的分光器件(3 )米用分光棱鏡或米用偏振分光棱鏡。
3.根據權利要求1所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，其特征在于，當所述的分光器件(3)米用偏振分光棱鏡時,所述的激光光源(I)與所述的分光器件(3)之間的光軸上設置有第一半波片(2)，所述的分光器件(3)與所述的第一準直擴束器(6)之間的光軸上設置有第二半波片(5)。
4.根據權利要求1所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，其特征在于，所述的第一準直擴束器(6 )與所述的分光棱鏡(11)之間的光軸上設置有第一透鏡(7 )。
5.根據權利要求1所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，其特征在于，所述的第二反射鏡(9)與所述的分光棱鏡(11)之間的光路上設置有第二透鏡(10)。
6.根據權利要求1所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統，其特征在于，所述的第二反射鏡(9)的反射光與所述的分光棱鏡(11)所輸出的被測樣本(13)表面反射物光的光軸形成有離軸角度e，所述的離軸角度0為I~6°。
7.一種用于權利要求1~6所述的基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將光源發出的激光通過分光成為兩束相干光，相干光中物光經過被測樣本的反射到達CCD，與入射到CCD的參考光進行干涉形成干涉圖，所述的參考光通過光路中的反射鏡調節后輸出的反射光與CCD所接收的物光的光軸成一定的離軸角度0，增大載頻，保證離軸干涉； 2)將一平面反射鏡的鏡面作為理想反射面，記錄平面反射鏡鏡面的離軸干涉圖，對所述的離軸干涉圖進行傅里葉變換，對離軸干涉圖進行頻譜濾波，得到包含有參考光相位及系統引入的光學畸變相位的理想反射面的干涉項，并將理想反射面的干涉項作為系統誤差進行記錄，將此步驟2)得到的記錄作為以后每一次測量中消除系統誤差的參考，并在以后的每一次測量中跳過此步驟2)，不再重復記錄； 3)將微器件作為被測樣本放置于光路中，采集離軸干涉圖并記錄，對所采集的離軸干涉圖進行傅里葉變換，經過對離軸干涉圖的頻譜濾波，得到包含有微器件形貌相位、參考光相位以及系統引入的光學畸變相位的干涉項； 4)將系統誤差進行共軛計算，將計算結果與步驟3)中所得微器件的干涉項相乘，消除與步驟2)所記錄的系統誤差相對應的系統誤差，即得到微器件的真實形貌相位，再通過相位與高度的比例關系恢復微器件的表面形貌信息。
8.根據權利要求7所述的用于基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統的方法，其特征在于，步驟2)和步驟3)中所述的對離軸干涉圖強度分布為:
i (X，y) =a (X，y) +0 (x, y) R* (x, y) +0* (x, y) R (x, y) =a (x, y) +c (x, y) +c* (x, y) (I) 式中a(x，y)為直透光項，0(x, y)為物光的復振幅分布，R(x, y)為參考光的復振幅分布，*代表共軛計算，對所述的離軸干涉圖進行頻譜濾波，得到步驟2)和步驟3)中所述的對離軸干涉圖的干涉項c(x, y)。
9.根據權利要求7所述的用于基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統的方法，其特征在于，步驟4)中所述的消除與步驟2)所記錄的系統誤差相對應的系統誤差，是將步驟2)記錄的系統誤差干涉項的共軛項與步驟3)濾出的微器件干涉項下述公式相乘，達到消除系統誤差的目的:
10.根據權利要求7所述的用于基于離軸顯微干涉術的微結構測試系統的方法，其特征在于，步驟4)中所述的相位與高度的比例關系是采用如下公式得到的:
【文檔編號】G01B11/30GK103615993SQ201310631889
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】曾雅楠, 胡曉東, 郭彤, 胡春光, 陳津平, 胡小唐 申請人:天津大學
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