差动并行共聚焦高精度快速三维表面形貌测量方法研究

发布时间：2021-04-10 07:16

　　高精度快速三维表面形貌测量在微机电、光学、微电子等领域有着极其重要的作用,而共聚焦显微测量技术作为一种亚微米精度的三维表面形貌测量技术,具有轴向层析度高、对比度高、非接触、无需样品特殊制备等优点,已成为现代微纳测量科学领域的重要分支。近年来,随着微纳加工技术的发展,微纳结构器件的横向及轴向精度要求日益提高,轴向跨度不断增大。现有共聚焦测量方法因存在以下局限性而不能满足微纳结构形貌检测要求:（1）测量位置在像面焦点,尽管光信号最强,但是光强随轴向位置变化的轴向响应曲线变化率在焦点处为最小,导致轴向测量精度仍然较低;（2）使用逐点逐层扫描方式成像,三维测量速度慢,尤其是待测表面面积大的样本。可见,提高测量精度的同时提高测量速度是共聚焦三维表面形貌测量的核心问题,也是现代精密测量行业亟待解决的重大科学问题。本课题“差动并行共聚焦高精度快速三维表面形貌测量方法研究”的研究目的是解决共聚焦显微测量方法三维分辨率和测量效率均较低的问题,为微纳结构台阶样品及反射率不一致样品的高精度快速三维表面形貌无损测量提供关键技术和理论基础。本课题主要研究内容如下:首先,针对传统差动共聚焦显微测量技术的原理局限,... 

【文章来源】：华侨大学福建省

【文章页数】：117 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

三维表面形貌微纳测量方法分类图

6续样品，对台阶样品或者不连续样品则无法测量。(a)不同轴式外差干涉法(b)同轴式外差干涉法(c)微分干涉探针法图1.2基于物理光学探针的测量方法原理图1.2.2.2光学干涉法光学干涉法利用光学干涉原理测量表面微观形貌，不同于前述的光学探针法，不使用逐个光斑扫描方式，而是多点并行同时进行，实现一个微区域范围的表面形貌还原[41]，测量光路和参考光路之间的相位差将随着样品表面高度的变化而变化，调整参考光路径使得两束光光程差为π的整数倍从而发生干涉，产生干涉条纹或图案，根据此时的相位信息获得样品表面高度。应用最广的是相移干涉测量仪和扫描差分干涉测量仪，前者主要有Mirau、Michelson和Linnik三种类型，后者有Normarsky和MachZender两种类型。Mirau干涉显微测量仪[42,43]的原理如图1.3(a)所示，在物镜和被测样品之间放置一片参考镜和一片分光板，平行光束经过物镜后再经过参考镜，部分光线透过分光板照射到样品表面，部分光线被分光板反射到参考镜中间后被再次反射到样品表面，直接到达的光线和被反射的光线再样品表面发生干涉，根据干涉条纹或干涉图案的参数即可得到样品的三维形貌。Michelson干涉显微测量仪[44]的原理如图1.3(b)所示，在物镜和被测样品之间放置一片倾斜的半反半透分光镜，而在测量放置一片参考镜，平行光束经过物镜后到达分光镜，部分被反射到参考镜中心后被反射，另一部分照射到样品表面再被反射，两束反射光再回到分光镜处时发生干涉，再次从物镜返回的干涉条纹或者图案中带回样品的形貌信息。Linnik干涉显微测量仪[45]的原理如图1.3(c)所示，结构中包含两个物镜，其参数完全相同，也具有参考光路和测量光路，两光路参数也相同，在测量过程中，无需其他光学元件放置于物镜与被测样品表面之间，因而Linnik干

7微测量仪可使用高倍数物镜，缩短工作距离，一定程度上可以提高显微测量放大倍数。(a)Mirau型干涉(b)Michelson型干涉(c)Linnik型干涉图1.3相移干涉显微测量仪Nomarsky干涉显微测量仪[46]基于差分式光路原理，最早于1955年由Nomarsky提出，其原理如图1.4(a)所示。将一片Wollaston分光棱镜加入到显微镜的偏振光路中，将入射光束分开，两束相干光束经过物镜后汇聚于样品表面，各自形成光点，且相距极近，两束光点的高度差决定两束相干光的相位差，从而获取的相位差信息中即可得到被测表面形貌信息。虽然被分成两束光，但由于使用了Wollaston分光棱镜，光路结构共用，因此该方法具有很高的轴向分辨力，可达1nm，且具有较强的抗机械振动干扰能力。MachZender干涉测量仪[47]是L.Mach和L.Zender于19世纪末各自独立研究出来的，其原理如图1.4(b)所示。(a)Nomarsky型干涉(b)MachZender型干涉图1.4扫描差分干涉测量仪光源照明样品后发出的光经过物镜后被分光镜分成两束，再分别经过两个

【参考文献】：
期刊论文
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[5]带钢表面粗糙度在线检测技术最新进展[J]. 瞿雪元,顾廷权,方百友.  电子测量与仪器学报. 2017(04)
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[9]基于超分辨成像算法的群目标识别研究[J]. 冯晨熙,杨文军,肖靖.  电子测量技术. 2016(02)
[10]扫描电子显微镜在无机材料表征中的应用[J]. 杨志远,杨水金.  湖北师范学院学报(自然科学版). 2015(04)

博士论文
[1]抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法与技术研究[D]. 刘大礼.北京理工大学 2015

硕士论文
[1]结构光照明荧光显微成像系统研究[D]. 吴美瑞.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014



本文编号：3129216