微纳结构形貌干涉显微测量关键技术研究

论文摘要

干涉显微法是一种基于光学干涉原理的表面形貌测量方法,具有测量速度快、精度高、非接触的优点,主要用于MEMS等基于IC平面工艺制造的微纳结构表面形貌及其运动的测量。本文通过深入研究干涉显微法原理,对相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)的数学模型和算法进行了分析比较,提出了VSI相位包络算法,并且在频闪干涉视觉三维测量系统的基础上,完成了干涉显微测量的关键技术研究及系统实现。根据Michelson干涉仪模型,对光学干涉法的数学模型进行了推导分析,确定了干涉光强函数与包络函数和相位函数之间的关系,得到了PSI和VSI测量方法的理论模型。在此基础上,通过分析研究目前主要的PSI和VSI算法原理,利用干涉光强函数及其Hilbert变换函数的频谱分布特点,提出了相位包络算法。该算法应用采样定理,利用Whittaker波形重构原理计算采样点的包络值和相位值,从中提取干涉光强函数的零光程差位置,得到样品表面各点的相对高度值。仿真结果表明,相位包络算法的具有较高的测量精度。在频闪干涉视觉三维测量系统的基础上,设计开发了一套集PSI和VSI测量模式为一体的干涉显微测量系统。系统采用Linnik结构干涉显微镜,利用LED和窄带滤波片实现PSI和VSI的光源切换,通过参考镜扫描的方法将VSI扫描器与PSI相移器集为一体,实现PSI和VSI测量硬件的统一集成。在频闪干涉视觉测量软件中增加了VSI测量模块,可以用相位包络算法、五步相移算法、空间频域算法、SEST算法对VSI采样数据进行处理,并改进了表面形貌测量结果存储文件的格式。对频闪干涉视觉三维测量系统的误差现象进行了分析,研究了Linnik结构干涉显微镜在PSI测量中的误差机理。根据平面样品的测量结果,可以确定系统在PSI测量中存在一个近似于二次曲面的误差面,通过研究PSI测量过程中误差产生机理,建立了相移误差、摄像机成像误差以及光波阵面匹配误差模型。根据误差模型的特点,对系统进行了改进,设计了以标准平面作为测量样品的相关实验,验证误差模型与误差曲面分布之间的关系。实验结果表明,光波阵面匹配误差中Linnik结构干涉显微镜的两个显微物镜后焦点误差是产生误差曲面的主要原因。在误差分析的基础上,利用标准平面样品的测量结果,对PSI测量进行了补偿,取得了较好的补偿效果。系统采用两种LED光源对美国VEECO公司的标准台阶做了测量,比较了两种LED光源和不同处理算法下的台阶测量结果,通过分析相位谱误差对包络的影响,对测量结果中相位包络算法和空间频域算法的测量误差进行了研究,并且应用双峰值和特征参数对相位包络算法进行了修正。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 微纳结构表面测量方法
• 1.3 干涉显微法国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 本文的研究内容与创新
• 2 干涉显微测量模型
• 2.1 光学干涉测量模型
• 2.2 PSI 测量模型
• 2.3 VSI 测量模型
• 2.4 本章小结
• 3 VSI 相位包络算法
• 3.1 相位包络算法原理
• 3.2 相位包络算法仿真研究
• 3.3 材料反射相位的补偿
• 3.4 相位包络算法及与其他算法的比较
• 3.5 本章小结
• 4 基于干涉显微原理的表面形貌测量系统
• 4.1 激光频闪干涉视觉三维测量系统
• 4.2 系统VSI 模式改进
• 4.3 本章小结
• 5 系统测量实验和误差分析
• 5.1 系统的PSI 测量误差现象及分析
• 5.2 系统VSI 测量实验和分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后工作的建议与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表学术论文目录和专利授权情况
• 附录2 零光程差位置特征参数的证明