Linnik偏振白光干涉微纳测量的关键技术研究

发布时间：2017-11-19 10:09

  本文关键词：Linnik偏振白光干涉微纳测量的关键技术研究

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【摘要】：随着机械、电子、光学、材料和半导体等工业不断地微型化、精密化的需求,开发的微纳米结构的三维形貌、表面膜厚、内部结构以及物理性质等特性对微纳米结构的研发和生产质量控制至关重要。因此,针对微纳米制造领域的三维非接触式测量系统及其技术的研究具有重要的学术价值和现实意义。 本文提出并搭建了一种基于Linnik型偏振白光干涉架构的三维非接触式测量实验系统,并对其关键技术进行了研究,主要包括显微镜光学自动对焦技术、Linnik型白光干涉条纹自动搜索技术、微观表面三维形貌重构及系统标定技术、透明膜厚三维重构技术、材料内部应力双折射分布测量技术和光学三维断层显微测量技术。该系统架构在传统的Linnik干涉架构基础上进行了改动和扩充,可以针对不同的技术功能,切换到相应的模式中,且不必对该测量架构进行任何的改装和拆卸,从而使系统具备了很高的灵活性和稳定性。 本研究的主要工作内容和创新点如下： 1.在Linnik干涉架构中集成一个基于改进的像散法的光学自动对焦系统,以保证显微镜对焦过程中正确对焦位置的唯一性,实现了Linnik结构两个干涉臂的快速自动对焦。自动对焦系统具有190(±95)μm的动态范围,线性段的平均灵敏度为70mV/μm,平均标准偏差为41.6nm,理论分辨率4.4nm,实际测量精度55nm,自动对焦时间不大于0.3秒。 2.在两个干涉臂实现快速自动对焦的前提下,提出一种通过调整干涉臂的光程差来实现干涉条纹自动搜索的策略,实现了对比度最好的干涉条纹的自动搜索,自动搜索速度为2.2min/mm,搜索到的最佳干涉条纹对比度的位置偏离理想位置不超过一个干涉条纹周期。 3.利用频域分析法实现微纳米结构的表面三维形貌重构,并通过系统标定得到了测量标准不确定度±3.6nm、纵向(Z方向)的测量精度误差3.08%、横向X方向的测量精度误差2.69%、横向Y方向的测量精度误差2.16%、横向实际分辨率为1.31μm、纵向理论分辨率为0.59nm。 4.通过对傅立叶相位和振幅这两种方法进行测量灵敏度分析的结果,提出了傅立叶相位和振幅加权的透明膜厚测量技术,该技术结合了傅立叶相位的高分辨率和傅立叶振幅的高重复性的两个优点。测量结果的纵向分辨率达到纳米级,由于采用显微测量技术,其横向分辨率就等于显微物镜的分辨率。 5.利用Linnik白光干涉架构结合偏振测量原理,通过对Berek补偿器的标定,实现了对材料内部应力双折射的相位延迟分布、主轴方向分布、应力分布和反射率分布的同时测量。测量结果的相位延迟标准偏差不大于4°,主轴方向标准偏差不大于4.5°。 6.提出了用于光学相干断层显微测量的具有高计算效率和极小残余寄生条纹量的五点差分格式移相算法,有效地重构出了样本的三维断层显微图像。并对包括探测器非线性和PZT移相器对波长依赖性在内的两个主要系统误差及其改进方法进行了分析。 7.针对前述的PZT移相器对波长具有依赖性的问题,提出了移相量八倍于半波片旋转角的消色差几何移相干涉技术及系统,其具备了目前最大的几何移相放大倍率和最好的消色差性。该部分为本文的扩展研究内容。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP274

【共引文献】

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1 杨亚良;丁志华;;用于全场光学相干层析成像的无色散相移器研究[J];光学学报;2007年08期

2 陈朝良;高万荣;卞海溢;;频域光学相干层析术系统中高准确度高灵敏度补偿色散法[J];光子学报;2014年02期

3 葛锦蔓;苏俊宏;;干涉图的预处理技术研究[J];应用光学;2009年06期

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1 葛锦蔓;苏俊宏;;干涉图处理技术在膜厚测量中的应用[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集（上册）[C];2009年

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1 孙雪铮;光学薄膜中超棱镜效应的研究[D];浙江大学;2008年

2 杨亚良;全场光学相干层析成像研究[D];浙江大学;2008年

3 苏东奇;光学面形绝对检测技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

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1 万文博;空间载频干涉法测量薄膜厚度技术研究[D];西安工业大学;2011年

2 李浩然;条纹法则测量薄膜厚度技术研究[D];西安工业大学;2012年

3 葛锦蔓;干涉法测量膜厚方法及干涉图处理技术研究[D];西安工业大学;2010年

4 菅磊;刀具几何参数自动测量技术研究[D];大连工业大学;2010年

5 陶志建;刃口钝化参数检测系统设计中关键问题的研究[D];大连工业大学;2011年

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本文编号：1203181