CN101975559A - 基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法，系统有图像采集卡，数字CCD摄像机，显微光学系统，干涉物镜，可调倾斜工作台，PC机，纳米测量机，工作台倾斜控制器，通过光纤向显微光学系统提供光源的白光光源，PC机还分别连接图像采集卡和工作台倾斜控制器。方法是在纳米测量机的工作平台上固定可调倾斜工作台，将被测样品至于其上，由PC机控制纳米测量机带动可调倾斜工作台沿其倾斜角度完成扫描，CCD数字摄像机采集图像并由图像采集卡传至PC机进行后续处理；对于采集的图像进行追踪并进行干涉信号的提取后，进行零级干涉条纹的位置进行定位，最终确定表面形貌。本发明为无损的检测，消除了光源热效应的影响，可以实现0.1nm的位移分辨力。

Description

基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种微结构形貌测试。特别是涉及一种能够实现微结构大范围内的高精度测量的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法。

背景技术

随着现代制造业、微机电系统(MEMS)以及纳米技术的应用发展，对微结构的测量要求越来越高，其中MEMS阵列器件、MEMS多层结构器件、超精密加工器件对测试系统的测量范围、测量速度和测量精度有着更高要求。对于应用日益广泛的MEMS器件，包括电子系统和非电子机械组件，对MEMS器件除了进行相关的电子学测试外，还应包括微结构的几何量、机械量、材料特性、机械力学特性、光学特性、声学特性和磁学特性等多个参数的测试。由于MEMS具有结构尺寸小、集成度高等特点，传统的检测技术与方法已不能完全满足需要，这就对精密检测技术提出了新的要求。MEMS微结构三维运动特征、材料特性、机械力学参数、可靠性与失效机理等关键测试问题基本上都可通过MEMS几何量和机械量测试技术直接或间接地得以解决。因此，MEMS几何量和机械量测试技术是MEMS测试领域中的重要基础之一。

MEMS器件大部分是三维微细结构，其特征结构尺寸一般在微米量级，因此测试其结构和形貌的精度应在(亚)微米甚至纳米量级，这就要求采用高精度的测试技术与设备。基于白光扫描干涉的光学方法具有非接触、无损伤、高精度和全视场等测量优点，因而引起国内外研究机构的广泛关注，并针对微结构几何量测试进行了深入的研究。

白光干涉的应用有悠久的历史。但直到1980年才由Balasubramanian提出了第一个实际采用白光干涉原理进行测量的自动三维表面形貌测量系统。白光干涉术采用的是连续波长的宽光谱光源，相干长度只有1至2微米，干涉条纹最大值只出现在光程差为零的位置，从而克服了单波长相移干涉中的条纹级次模糊问题，使测量深槽及其侧壁结构成为了可能；其次，由于白光干涉术采用了非接触式测量，测量速度也大大加快，克服了在扫描电子显微镜，原子力显微镜和机械式轮廓仪中存在的样品制备，测试周期长及容易划伤器件等问题。但是由于普通用作扫描器的材料-压电陶瓷自身特性的限制，使得仪器的扫描范围不能做的很大，最大不过几百微米，这大大限制了白光扫描干涉技术的应用范围。

目前对于白光干涉的研究还处于对算法的改善以提高精度阶段。而在已经有的白光干涉技术中，仍然存在着测量范围小，不能进行多参数测量，和在对某些含深槽等结构器件的测量中，由于衍射导致相干峰偏移，结果不够理想，以及测试速度慢等问题。因此，如何在保证高精度测量的同时扩大测量范围成为光学测量方法(包括白光扫描干涉测量技术)发展需要解决的问题，也是其发展的趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了扩展白光干涉术的测量范围，提供一种通过在纳米测量机上固定光学干涉系统并采用倾斜扫描白光干涉术，扩展了测量范围，并能使整个测量不需要拼接过程一次完成的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

本发明的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法，具有如下特点：

1、本发明是一种非接触测量方法，对被测样品影响极小，为无损的检测方式；

2、本发明使用光纤照明，消除了光源热效应的影响；

3、本发明使用纳米测量机(NMM)作为平台带动被测物和倾斜平台完成扫描，纳米测量机(NMM)的平台在移动过程中由x，y，z三轴的激光干涉仪实时标定，并通过温、湿、压传感器实时补偿干涉仪激光波长的变化，配合平台的反馈控制系统，可以实现0.1nm的位移分辨力；

4、本发明在纳米测量机(NMM)上配置倾斜可调工作台以实现倾斜扫描。测量过程中，纳米测量机(NMM)的移动方向与工作台工作面的方向一致，同时包括水平和垂直方向的位移；

5、本发明对于采集的干涉图像，根据水平的位移速度对位置点进行跟踪并提取出干涉强度信号。

附图说明

图1是基于倾斜扫描白光干涉术的微结构大范围测量系统构成示意图；

图2是光学系统与可调倾斜平台的配置方式示意图；

图3是倾斜扫描白光干涉术实现方式的原理示意图；

图4是倾斜扫描白光干涉术高度信息提取的原理示意图；

图5是对CCD视场中移动数据条的追踪；

图6是倾斜扫描白光干涉技术的测量流程图；

其中：

1：PC机                 2：图像采集卡

3：数字CCD摄像机        4：白光光源

5：光纤                 6：显微光学系统

7：干涉物镜             8：被测样品

9：可调倾斜工作台       10：工作台倾斜控制器

11：x，y，z激光干涉仪   12：x，y，z0，z1，z2，z3电机驱动结构

13：平台机械结构        14：干涉仪信号处理单元

15：电机驱动控制单元    16：平台控制器

17：纳米测量机(NMM)     18：平台工作面

19：干涉物镜相干平面    20：扫描方向

21：工作台倾角α        22：干涉物镜的光轴

23：t₀时刻              24：t₁时刻

25：t₂时刻              26：t₃时刻

27：t₄时刻              28：t₅时刻

29：t₆时刻              30：P点干涉信号强度

31：Q点干涉信号强度     32：单幅图像范围(L)

33：相干长度            34：被测物体上的一点Q

35：被测物体上的一点P   36：P点的最佳相干位置b₂

37：Q点的最佳相干位置b₁ 38：Q点的相对高度h₁

39：P点的相对高度h₂     40：采集的图像

41：纳米测量机(NMM)的水平移动速度

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，包括有依次设置的图像采集卡2，数字CCD摄像机3，显微光学系统6以及干涉物镜7，还设置有用于支撑与干涉物镜7相对应的被测样品8的可调倾斜工作台9、PC机1和与PC机1相连的纳米测量机17、与可调倾斜工作台9相连的工作台倾斜控制器10，以及白光光源4，其中，所述的PC机1还分别连接图像采集卡2和工作台倾斜控制器10，所述的白光光源4通过光纤5向显微光学系统6提供光源。

所述的纳米测量机17包括有平台控制器16、固定可调倾斜工作台9的平台机械结构13、干涉仪信号处理单元14和电机驱动控制单元15，所述的平台机械结构13通过干涉仪信号处理部分14将信号送入平台控制器16，所述的平台控制器16通过电机驱动控制单元15控制平台机械结构13。

所述的平台机械结构13包括有与干涉仪信号处理单元14相连的x，y，z激光干涉仪11，和与电机驱动控制单元15相连用于驱动x，y，z激光干涉仪11的x，y，z0，z1，z2，z3电机驱动结构12。

本发明的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的工作原理是：整体的测试系统搭建于纳米测量机(NMM)17上，由PC机1与其进行通讯，通过其内部的平台控制器16和电机驱动控制15控制x，y，z0，z1，z2，z3电机驱动12带动平台机械结构13进行运动。运动过程由x，y，z激光干涉仪11实时标定并通过干涉仪信号处理部分14将反馈信号送回平台控制器16。在平台机械结构13上固定可调倾斜工作台9，由PC机1通过工作台倾斜控制器10对其进行控制。被测样品8放置于可调倾斜工作台9上。测试过程中，由平台机械结构13带动被测样品8运动并完成扫描。数字CCD摄像机3通过显微光学系统6和干涉物镜7记录图像并通过图像采集卡2传入PC机1。光学系统由做为白光光源4的卤素灯通过光纤5进行照明。

如图2所示，由可调倾斜的工作台9抬起一个倾角α21，纳米测量机(NMM)的扫描方向20与平台工作面18的方向一致，从而使被测物体8的各部分依次进入干涉物镜7的视场并在不同时刻通过干涉物镜相干平面19，从而完成对整个被测物8的大范围扫描。

如图3所示，说明了倾斜扫描白光干涉术的实现过程，设被测物体8上任意两个点P35和Q34，在沿扫描方向20的运动过程中，分别在t₃时刻26和t₁时刻24进入干涉物镜的相干长度33内，并在t₅时刻28和t₂时刻25分别于干涉物镜相干平面19相交形成最佳干涉，并在t₆和t₄时刻退出相干长度33的范围。在单幅图像范围(L)32内，由数字CCD摄像机3记录最佳干涉位置。

本发明中所使用的纳米测量机(NMM)是德国SIOS公司生产的NMM-1型纳米测量机。

本发明的用于基于纳米测量机与倾斜扫描白光干涉术的微结构形貌测试系统的测试方法，是在纳米测量机NMM的工作平台上固定可调倾斜工作台，并将被测样品至于其上，由PC机控制纳米测量机NMM带动可调倾斜工作台沿其倾斜角度完成扫描，扫描过程中，被测样品的不同区域于不同时间通过相干平面并达到最佳干涉，整个过程由CCD数字摄像机记录采集的图像并经由图像采集卡传至PC机进行后续处理；由于在不同的图像中，被测物的位置不是固定不变的，而是按一定速度平移，因而对于采集的图像，可以按照水平方向的移动速度对相应的数据在不同图像中的位置进行追踪并进行干涉信号的提取，对于提取所得的信号可以通过重心法的方式对其进行零级干涉条纹的位置进行定位，最终确定表面形貌。结合纳米测量机NMM的25mm×25mm×5mm的运动能力，从而将测量范围大大扩展。

如图5所示，由于在扫描过程中被测物体存在水平方向的移动，所以在CCD所采集的图像中，被测物体8的位置是不断的发生变化的。基于设定的纳米测量机(NMM)的水平移动速度41，可以对同一组数据的位置在采集的图像40中的位置进行追踪从而提取出白光干涉的强度信号。

如图6所示，本发明的用于基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的测试方法，具体包括如下步骤：

1)首先启动纳米测量机NMM，调节数字CCD摄像机使该数字CCD摄像机靶面上的x或y方向与纳米测量机NMM工作台的水平移动方向一致；

2)调节显微光学系统，使该显微光学系统在被测物体表面聚焦并选定被测区域；调整可调倾斜工作台的倾斜角度；调节照明光强，并充满整个可见波段；设定扫描的水平和垂直方向步长，使该项步长与可调倾斜工作台的倾斜角度一致；

3)开始扫描过程，并由数字CCD摄像机进行记录；

4)图像采集卡采集图像，采集完成后将采集的图像读入PC机的MATLAB程序中，根据设定的水平步长跟踪数据点的位置并提取出相应的干涉信号；对干涉信号进行处理，求得零级干涉条纹的位置，从而计算对应点的表面高度信息；将所得的表面高度信息以数据条的形式连接起来，获得更大的表面形貌。

如图4所示，为表面高度信息的提取过程，由数字CCD摄像机3的单幅图像范围(L)32记录的P点35和Q点34的最佳干涉位置b₂36和b₁37，可得其相对高度h₂39和h₁38：

h₁＝b₁×Sinα        (1)

h₂＝b₂×sinα        (2)

其可测量的表面高度范围H为：

H＝L×Sinα          (3)

式中的α为工作台倾角。

本发明从系统构建到测量方法和数据提取方法较为详细的叙述，但本领域的技术人员仍然可以在不脱离本发明内容，精神的范围内对本发明进行改动，且这些改动或替换对本领域的技术人员来说是显而易见的，它们都被视俄日包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (5)

1.一种基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，包括有依次设置的图像采集卡(2)，数字CCD摄像机(3)，显微光学系统(6)以及干涉物镜(7)，其特征在于，还设置有用于支撑与干涉物镜(7)相对应的被测样品(8)的可调倾斜工作台(9)、PC机(1)和与PC机(1)相连的用于固定可调倾斜工作台(9)的纳米测量机(17)、与可调倾斜工作台(9)相连的工作台倾斜控制器(10)，以及白光光源(4)，其中，所述的PC机(1)还分别连接图像采集卡(2)和工作台倾斜控制器(10)，所述的白光光源(4)通过光纤(5)向显微光学系统(6)提供光源。

2.根据权利要求1所述的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，其特征在于，所述的可调倾斜工作台9固定在纳米测量机(17)中的平台机械结构(13)。

3.一种用于权利要求1所述的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的测试方法，其特征在于，是在纳米测量机的工作平台上固定可调倾斜工作台，并将被测样品至于其上，由PC机控制纳米测量机带动可调倾斜工作台沿其倾斜角度完成扫描，扫描过程中，被测样品的不同区域于不同时间通过相干平面并达到最佳干涉，整个过程由CCD数字摄像机记录采集的图像并经由图像采集卡传至PC机进行后续处理；对于采集的图像按照水平方向的移动速度对相应的数据在不同图像中的位置进行追踪并进行干涉信号的提取，对于提取所得的信号进行零级干涉条纹的位置进行定位，最终确定表面形貌。

4.根据权利要求3所述的用于基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)首先启动纳米测量机，调节数字CCD摄像机使该数字CCD摄像机靶面上的x或y方向与纳米测量机工作台的水平移动方向一致；

2)调节显微光学系统，使该显微光学系统在被测物体表面聚焦并选定被测区域；调整可调倾斜工作台的倾斜角度；调节照明光强，并充满整个可见波段；设定扫描的水平和垂直方向步长，使该项步长与可调倾斜工作台的倾斜角度一致；

3)开始扫描过程，并由数字CCD摄像机进行记录；

4)图像采集卡采集图像，采集完成后将采集的图像读入PC机的MATLAB程序中，根据设定的水平步长跟踪数据点的位置并提取出相应的干涉信号；对干涉信号进行处理，求得零级干涉条纹的位置，从而计算对应点的表面高度信息；将所得的表面高度信息以数据条的形式连接起来，获得更大的表面形貌。

5.根据权利要求4所述的用于基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的测试方法，其特征在于，所述的计算对应点的表面高度信息，是采用如下的提取过程，由数字CCD摄像机3的单幅图像范围L记录的P点和Q点的最佳干涉位置b₂和b₁，可得其相对高度h₂和h₁：

h₁＝b₁×sinα

h₂＝b₂×sinα

可测量的表面高度范围H为：

H＝L×sinα

式中的α为工作台倾角。

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