微納結(jié)構(gòu)形貌干涉顯微測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、干涉顯微法是一種基于光學(xué)干涉原理的表面形貌測(cè)量方法，具有測(cè)量速度快、精度高、非接觸的優(yōu)點(diǎn)，主要用于MEMS等基于IC平面工藝制造的微納結(jié)構(gòu)表面形貌及其運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。本文通過(guò)深入研究干涉顯微法原理，對(duì)相移干涉法(PSI)和垂直掃描干涉法(VSI)的數(shù)學(xué)模型和算法進(jìn)行了分析比較，提出了VSI相位包絡(luò)算法，并且在頻閃干涉視覺(jué)三維測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成了干涉顯微測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)Michelson干涉儀模型，對(duì)光學(xué)干涉法

2、的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)分析，確定了干涉光強(qiáng)函數(shù)與包絡(luò)函數(shù)和相位函數(shù)之間的關(guān)系，得到了PSI和VSI測(cè)量方法的理論模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析研究目前主要的PSI和VSI算法原理，利用干涉光強(qiáng)函數(shù)及其Hilbert變換函數(shù)的頻譜分布特點(diǎn)，提出了相位包絡(luò)算法。該算法應(yīng)用采樣定理，利用Whittaker波形重構(gòu)原理計(jì)算采樣點(diǎn)的包絡(luò)值和相位值，從中提取干涉光強(qiáng)函數(shù)的零光程差位置，得到樣品表面各點(diǎn)的相對(duì)高度值。仿真結(jié)果表明，相位包絡(luò)算法的具有較高的測(cè)

3、量精度。 在頻閃干涉視覺(jué)三維測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套集PSI和VSI測(cè)量模式為一體的干涉顯微測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Linnik結(jié)構(gòu)干涉顯微鏡，利用LED和窄帶濾波片實(shí)現(xiàn)PSI和VSI的光源切換，通過(guò)參考鏡掃描的方法將VSI掃描器與PSI相移器集為一體，實(shí)現(xiàn)PSI和VSI測(cè)量硬件的統(tǒng)一集成。在頻閃干涉視覺(jué)測(cè)量軟件中增加了VSI測(cè)量模塊，可以用相位包絡(luò)算法、五步相移算法、空間頻域算法、SEST算法對(duì)VSI采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并改進(jìn)

4、了表面形貌測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)文件的格式。 對(duì)頻閃干涉視覺(jué)三維測(cè)量系統(tǒng)的誤差現(xiàn)象進(jìn)行了分析，研究了Linnik結(jié)構(gòu)干涉顯微鏡在PSI測(cè)量中的誤差機(jī)理。根據(jù)平面樣品的測(cè)量結(jié)果，可以確定系統(tǒng)在PSI測(cè)量中存在一個(gè)近似于二次曲面的誤差面，通過(guò)研究PSI測(cè)量過(guò)程中誤差產(chǎn)生機(jī)理，建立了相移誤差、攝像機(jī)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(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了以標(biāo)準(zhǔn)平面作為測(cè)量樣品的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證誤差模型與誤差曲面分布之間的關(guān)系

5、。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光波陣面匹配誤差中 Linnik結(jié)構(gòu)干涉顯微鏡的兩個(gè)顯微物鏡后焦點(diǎn)誤差是產(chǎn)生誤差曲面的主要原因。在誤差分析的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)平面樣品的測(cè)量結(jié)果，對(duì)PSI測(cè)量進(jìn)行了補(bǔ)償，取得了較好的補(bǔ)償效果。 系統(tǒng)采用兩種LED光源對(duì)美國(guó)VEECO公司的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階做了測(cè)量，比較了兩種LED光源和不同處理算法下的臺(tái)階測(cè)量結(jié)果，通過(guò)分析相位譜誤差對(duì)包絡(luò)的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果中相位包絡(luò)算法和空間頻域算法的測(cè)量誤差進(jìn)行了研究，并且應(yīng)用雙峰值和特