CN106123805B - 基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法，其对应基底部分干涉信号零光程差位置提取过程转换为通过广义相关时延估计方法来求取不同像素间的干涉信号相对位移问题，从而可以精确的求出基底部分三维形貌信息。另外，还可利用本发明的测量方法获得待测镀膜器件的表面薄膜厚度。本发明提出的方法计算精度高，抗噪声性能强，无需标定光源的中心波长，并且对白光干涉信号的包络形状无要求，实施十分方便。

Description

基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法

技术领域

本发明涉及测量领域，具体涉及一种基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法。

背景技术

目前，工艺技术的发展促进了薄膜技术的发展，薄膜技术的理论、工艺、测量都形成了完整的体系。而随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)器件和半导体器件的快速发展，表面镀膜技术得到了更多的应用。

由于光学薄膜的重要性不断上升，检测薄膜的各项技术也随之迅速发展，薄膜的测量包括光学、机械、电学性能测量等方面。其中光学性能的测量包括薄膜的宏观测量、薄膜厚度测量和折射率测量。很显然薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。

测量薄膜厚度的传统方法有光度法和椭偏法。

其中光度法是指根据薄膜的透射率曲线或是反射率曲线来计算薄膜物理厚度的一种方法。光源发出的光被分为两束，分别通过参参考臂和样品臂，再经载波器后被光电倍增管接收而转化成电信号，从而得到样品的透射率、反射率及吸收率等光学特性参数。光度法的存在测量的局限性，只有膜层较厚时，测量结果才会比较精确。

椭偏法的测量原理是利用偏振光束在薄膜上反射或透射时偏振态会发生相应的变化。当光波入射到样品表面时，可以分解为两个互相垂直的线偏振的S波和P波，若S波和P波的相位差不等于π/2的整数倍，合成的光波则为椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其反射和透射的情况会发生变化。与光度法相比，椭偏法具有灵敏度高的优点，但是测试结果受外界影响较大，同时需要复杂的数学模型来求解厚度。并且椭偏法测量薄膜厚度存在局限性，因为其存在周期性问题，不适用于太厚膜层的测量，当实际膜厚超过1μm时已经很难测准。

由此可知，光度法和椭偏法均有一定的局限性，这两种方法只能进行单点测量，若想获得一定范围内的膜厚信息，必须进行横向的二维扫描，由于入射光束光斑有一定的大小，从而限制了测量的横向分辨率。

综合而言，上述两种方法只能测量薄膜厚度，无法测量基底形貌。在实际应用中，需要获得一定范围内的膜厚信息，并且测量出基底的三维形貌，这样传统的测量方法无法解决。

发明内容

有鉴于此，有必要提出一种基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法。

一种扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法，所述方法包括：选取待测区域对应不同基底材质的像素点作为参考像素点，通过傅里叶变换包络计算参考像素点对应基底部分干涉信号零光程差相对位移，所述待测镀膜器件包括基底及形成在基底上的薄膜；对选取参考像素点基底部分形成的干涉信号进行傅里叶变换处理；设置滤波窗口对经傅里叶变换处理后的傅里叶频谱进行频谱滤波；提取所有像素点的光强信号进行变换滤波处理；依次将所有像素点的光强信号与选定两个像素点由基底部分形成的干涉信号匹配，找到相似性大的像素点；依次计算所有像素点的光强信号与匹配像素点由基底部分形成的干涉信号的零光程差位置相对位移。

相对于现有技术，本发明提供的三维形貌测量方法中，其对应基底部分干涉信号零光程差位置提取过程转换为通过广义相关时延估计方法来求取不同像素间的干涉信号相对位移问题，从而可以精确的求出基底部分三维形貌信息。另外，本发明提出的方法计算精度高，抗噪声性能强，无需标定光源的中心波长，并且对白光干涉信号的包络形状无要求，实施十分方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的白光扫描干涉测量系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法的流程示意图；

图3为图2所示的方法中对薄膜厚度进行进一步测量的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

第一实施例

本实施例将结合附图说明一种白光扫描干涉测量系统500，其将作为实施第二实施例的镀膜器件三维形貌测量方法的硬件部分进行使用。

如图1所示，本发明第一实施例提供的白光扫描干涉测量系统500包括白光扫描模块100、定标模块200、用于固定待测物件30的固定平板40、压电陶瓷微位移平台50、以及压电陶瓷控制器60。

其中所述白光扫描模块100包括：一个白光光源101、一个柯勒照明系统102、一个第一分束镜103及第一平面反射镜202、一个第一显微物镜105和一个第二显微物镜106、成像透镜107、第一单色黑白图像传感器108。

其中所述定标模块200包括一个激光器201；一个第二分束镜104、第二平面反射镜203、第三平面反射镜204、第四平面反射镜205、第五平面反射镜206、第二单色黑白图像传感器208。

在Z轴方向(第一方向)上，所述第一分束镜103位于所述柯勒照明系统102与第二显微物镜106之间；在Y轴方向(第二方向，Y轴垂直于Z轴)上，所述第一分束镜103位于所述成像透镜107与第一显微物镜105之间。

另外，在Z轴方向上，所述第二显微物镜106、第二平面反射镜203、固定平板40(及待测物件30)、以及压电陶瓷微位移平台50位于第一分束镜103及第二分束镜104之间。

在本实施例中，所述白光光源101为一台卤钨灯白光光源。所述激光器201为一台波长为632.8nm的He-Ne激光器。

工作时，所述卤钨灯白光光源101发出的光经柯勒照明系统102准直后入射至第一分束镜103，分成参考光L1和物光L2。

所述参考光L1通过第一显微物镜105入射在第一平面反射镜202上，所述物光L2通过第二显微物镜106入射在待测镀膜器件30，物光L2和参考光L1反射后再各自通过第一、第二显微物镜105、106，进而聚在第一分束镜103后发生干涉，干涉图像经由成像透镜107为第一单色黑白图像传感器108所采集。

在本实施例中，所述待测镀膜器件30与第二平面反射镜203通过固定平板40固定，具体是待测镀膜器件30与第二平面反射镜203分别位于所述固定平板40的两侧。使用时，调整待测镀膜器件30与第二平面反射镜203使其具有相同的垂直扫描位移。

在本实施例中，除第二平面反射镜203位于第二分束镜104的一侧外，在第二分束镜104的另外两侧，分别设置了第三平面反射镜204、第四平面反射镜205。

He-Ne激光器201发出的激光经由第五、第四平面反射镜206、205后入射到第二分束镜104，由第二分束镜104出射的激光经由第二平面反射镜203、第三平面反射镜204后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器208所采集。

在本实施例中，第一、第二分束镜103、104是两个参数一样的分束镜；第一显微物镜105和第二显微物镜106的放大倍率为10，数值孔径为0.25。

第一单色黑白图像传感器108和第二单色黑白图像传感器208为两个规格相同的图像传感器。

另外，在本实施例中待测镀膜器件14具体采用TOSHIBA公司生产的JT6B31A-AS型半导体器件。

使用时，在白光扫描干涉光路中，由压电陶瓷微位移平台50带动待测镀膜器件30，实现测量待测镀膜器件30垂直方向的扫描。从测量物体30表面不同高度的点反射的光在不同时刻与参考光达到干涉零光程差位置。

由此，测量待测镀膜器件30表面高度通过提取零光程差位置确定，如果要实现对待测镀膜器件30高度的精确测量，就需要对压电陶瓷微位移平台50的位移量进行精确标定，本发明中采用激光干涉标定的方法，将第二平面反射镜203与待测镀膜器件30通过固定平板40固定，在压电陶瓷微位移平台50的驱动下，待测镀膜器件30和第二平面反射镜203具有相同的垂直扫描位移，只需测量第二平面反射镜203的垂直扫描位移，相对应的就可得到待测镀膜器件30的垂直扫描位移。

在实际测量过程中，压电陶瓷微位移平台50(由压电陶瓷微位移控制器60所控制)每移动一次，第一黑白图像传感器108和第二黑白图像传感器208会各采到一幅图像，第一黑白图像传感器108采集到包含待测镀膜器件30信息的白光干涉条纹，第二黑白图像传感器208采集到激光干涉条纹。通过相移量提取算法，对第二黑白图像传感器208采集到的干涉条纹进行计算可以得到微位移扫描台每移动一次产生的干涉条纹相移量，从而计算出对应的位移量。使用这种方法可以实现对压电陶瓷微位移扫描台位移量的精确标定。

而对于第一黑白图像传感器108采集到的白光干涉图像，依次选取白光干涉图上所有像素点，对像素点光强信号进行傅里叶变换处理，设置低通滤波器对傅里叶变换包络进行滤波平滑，分别定位薄膜顶部和基底对应的干涉峰包络的最大值之间的距离即可计算出薄膜的厚度，具体实现将在第二实施例中进行详述。

第二实施例

请一起参阅图2，以下将结合附图和实施例对基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法作进一步说明，本方法中采用第一实施例所述的白光扫描干涉测量系统500进行测量，具体包含以下步骤S201–S206。

在本实施例中，白光扫描干涉对镀膜器件的形貌测量，在镀膜器件基底材料不同的情况下，由薄膜上层形成的第一个干涉峰的包络形状相同，而由基底形成的第二个干涉峰的包络形状会出现差别。在本实施例中，假设基底由两种材料组成。

步骤S101、选取待测区域对应不同基底材质的像素点作为参考像素点，通过傅里叶变换包络计算参考像素点对应基底部分干涉信号零光程差相对位移，所述待测镀膜器件包括基底及形成在基底上的薄膜。

本实施例中，选取白光干涉图上对应不同基底材质的两点，提取该两个像素点由基底部分形成的干涉信号，通过傅里叶变换包络计算像素点间对应基底部分干涉信号零光程差相对位移。

步骤S102、对选取参考像素点基底部分形成的干涉信号进行傅里叶变换处理。

本实施例中，对基底部分形成的干涉信号进行傅里叶变换处理。具体地，选取两个像素点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)的光强信号I(x₁,y₁,z)和I(x₂,y₂,z)，这个过程可以表示为：

提取这两个像素点由基底部分形成的干涉信号，这个过程可以表示为：

对(3)和(4)所示的干涉信号进行傅里叶变换得到：

I(x₁,y₁,f_z)＝I₀(x₁,y₁,f_z)+I₊(x₁,y₁,f_z)+I_-(x₁,y₁,f_z)+I_n(x₁,y₁,f_z) (5)

I(x₂,y₂,f_z)＝I₀(x₂,y₂,f_z)+I₊(x₂,y₂,f_z)+I_-(x₂,y₂,f_z)+I_n(x₂,y₂,f_z) (6)

步骤S103、设置滤波窗口对经傅里叶变换处理后(即步骤S102中)的傅里叶频谱进行频谱滤波。

具体为，设置由两个中心带通矩形滤波窗口组合而成的滤波窗口H(f_z)，滤除(5)、(6)式中背景项频谱，消除部分噪声，这个过程可以表示为：

I(x₁,y₁,f_z)H(f_z)≈I₊(x₁,y₁,f_z)+I_-(x₁,y₁,f_z) (7)

I(x₂,y₂,f_z)H(f_z)≈I₊(x₂,y₂,f_z)+I_-(x₂,y₂,f_z) (8)

步骤S104、提取所有像素点的光强信号进行变换滤波处理。

在本实施例中，这个过程可以表示为：

I(x,y,f_z)H(f_z)≈I₊(x,y,f_z)+I_-(x,y,f_z) (9)

步骤S105、依次将所有像素点的光强信号与选定两个像素点由基底部分形成的干涉信号匹配，找到相似性大的像素点。

将(7)式与(8)式和(9)式进行如下操作：

C₁(f_z)＝[I₊(x₁,y₁,f_z)+I_-(x₁,y₁,f_z)][I₊(x,y,f_z)+I_-(x,y,f_z)]* (10)

C₂(f_z)＝[I₊(x₂,y₂,f_z)+I_-(x₂,y₂,f_z)][I₊(x,y,f_z)+I_-(x,y,f_z)]* (11)

对(10)和(11)进行傅里叶逆变换，得到：

分别求出与的最大值，比较两者最大值的大小，最大值大的对应的像素点为与待测像素点匹配的像素点，即为与待测像素点有相同的基底材质。

步骤S106、依次计算所有像素点的光强信号与匹配像素点由基底部分形成的干涉信号的零光程差位置相对位移。

找到S105中(12)、(13)式最大值大的函数最大值对应的位置，此即为计算像素点基底的干涉信号与匹配像素点基底干涉信号的相对位移。将所有像素点与选定的两个像素点光强信号进行匹配，计算所有像素点的基底的干涉信号与匹配像素点基底干涉信号的相对位移即可求出基底的三维形貌。

请一起参阅图3，在本实施例中，在获得基底的三维形貌前，或在获得基底的三维形貌后，可以进一步计算出待测镀膜器件的表面薄膜厚度。具体包括以下步骤S201-S205：

步骤S201、采集一系列待测镀膜器件产生的白光干涉图和激光干涉图，使用激光干涉图计算进而标定白光扫描干涉的扫描步进，所述待测镀膜器件包括基底及形成在基底上的薄膜。

具体测量时，采用电脑驱动第一黑白图像传感器108和第二黑白图像传感器208同时采集一系列包含待测镀膜器件30信息的白光干涉图和激光干涉图。并使用相移量提取算法(参见文献《Two step demodulation algorithm based on the orthogonality ofdiamond diagonal vectors》Applied Physics B 119:387–391(2015))，对激光干涉图进行计算，得到待测镀膜器件30压电陶瓷微位移平台50每移动一次产生的干涉条纹相移量，从而标定白光扫描干涉的扫描步进。

步骤S202、依次选取白光干涉图上的像素点，对该点光强信号进行傅里叶变换处理。

本实施例中，采集到的与测量物体表面对应的某个像素点的光强信号可以表示为：

其中，(x,y)表示单个像素点在干涉图中的坐标，z是微位移器沿着光轴的扫描位置，λ₀为光源的中心波长，h(x,y)代表镀膜器件薄膜顶部的高度分布，a(x,y)为背景强度，b₁(x,y)为对应薄膜顶部干涉信号的调制幅度，g₁[z-h(x,y)]为对应薄膜顶部干涉信号的包络函数。b₂(x,y)为对应基底干涉信号的调制幅度，n_f为薄膜相对空气的折射率，h_f(x,y)为薄膜的厚度，g₂[z-h(x,y)-h_f(x,y)]为对应基底干涉信号的包络函数。η为实验中的随机噪声。

对公式(21)所表示的光强信号进行傅里叶变换得到：

I(x,y,f_z)＝I₀(x,y,f_z)+I₊(x,y,f_z)+I_-(x,y,f_z)+I_n(x,y,f_z) (15)

步骤S203、提取傅里叶变换的+1级频谱。

本实施例中，提取(2)式的I₊(x,y,f_z)部分：

式中，G(x,y,f_z)为g(z)的傅里叶变换频谱。

步骤S204、对所述频谱进行傅里叶逆变换得到光强信号的包络，设置低通滤波窗口对包络进行平滑处理。

本实施例中，也即对(16)式进行傅里叶逆变换得到光强信号的包络，且步骤S204的过程可以表示为：

其中，∝表示成正比，*表示卷积运算。那么：

步骤S205、分别定位薄膜顶部和基底对应的干涉峰包络的最大值，通过两个干涉峰包络的最大值所对应的位置之间的距离与薄膜折射率的比值计算该像素点薄膜厚度。

步骤S206、计算整个测量区域内薄膜的厚度。

本实施例中，依次计算所有像素点薄膜厚度，即可计算出待测镀膜器件的表面薄膜厚度。

综上所述，通过本发明提出的方法，可以从采集到的一系列白光干涉图中，恢复出待测镀膜器件的薄膜厚度和基底三维形貌。

综上所述，所述方法在测量镀膜器件形貌的过程中，通过一次采集图像即可计算出整个测量区域内镀膜器件膜厚信息，获得基底三维形貌。通过傅里叶变换的方法，首先求出干涉信号的包络，通过低通滤波对干涉信号的包络进行平滑处理，再分别定位两个峰的最大值位置，两个峰最大值位置差与薄膜折射率的比值即为薄膜厚度。在求取基底部分三维形貌时，在基底材料不同的情况下，而由基底形成的第二个干涉峰的包络形状会出现差别，甚至会出现不规则包络形状。通过计算待测像素点之间对应基底部分干涉强度信号时延的过程来替代每个像素点基底部分干涉强度信号单独进行变换处理求取零光程差位置的过程，从而无需标定光源101的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)与传统的测量薄膜厚度的方法椭偏法和光度法相比，本发明提供的方法可以同时获得整个测量区域内薄膜厚度，基底部分三维形貌信息，具有更好的应用优势。

(2)相对于其他白光扫描干涉测量镀膜器件的方法难以准确的测量镀膜器件的基底三维形貌信息，本发明提出的方法将对应基底部分干涉信号零光程差位置提取过程转换为通过广义相关时延估计方法来求取不同像素间的干涉信号相对位移问题，从而可以精确的求出基底部分三维形貌信息。另外，本发明提出的方法计算精度高，抗噪声性能强，无需标定光源的中心波长，并且对白光干涉信号的包络形状无要求，实施十分方便。

(3)本发明方法使用的系统500简单，通过单波长激光相移的方式对压电陶瓷微位移平台的扫描步进进行标定，这种方式比通过电学反馈进行步进标定的方法更加精确。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法，其特征在于，所述方法包括：

选取待测区域对应不同基底材质的像素点作为参考像素点，通过傅里叶变换包络计算参考像素点对应基底部分干涉信号零光程差相对位移，所述待测镀膜器件包括基底及形成在基底上的薄膜；

对选取参考像素点基底部分形成的干涉信号进行傅里叶变换处理；

设置滤波窗口对经傅里叶变换处理后的傅里叶频谱进行频谱滤波；

提取所有像素点的光强信号进行变换滤波处理；

依次将所有像素点的光强信号与选取的参考像素点由基底部分形成的干涉信号匹配，找到相似性大的像素点；

依次计算所有像素点的光强信号与匹配像素点由基底部分形成的干涉信号的零光程差位置相对位移。

2.如权利要求1所述的基于白光扫描干涉的镀膜器件三维形貌测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

采集一系列待测镀膜器件产生的白光干涉图和激光干涉图，使用激光干涉图计算进而标定白光扫描干涉的扫描步进；

依次选取白光干涉图上的像素点，对该点光强信号进行傅里叶变换处理；

提取傅里叶变换的+1级频谱；

对所述频谱进行傅里叶逆变换得到光强信号的包络，设置低通滤波窗口对包络进行平滑处理；

分别定位薄膜顶部和基底对应的干涉峰包络的最大值，通过两个干涉峰包络的最大值所对应的位置之间的距离与薄膜折射率的比值计算该像素点薄膜厚度；

计算整个测量区域内薄膜的厚度。