CN1064128C - 表面微结构检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种表面微结构检测系统及其检测方法。适用于检测光盘盘基、盘片以及各种基片表面的粗糙度状况，可以给出表面微结构的二维或三维形貌图。在由计算机、数模转换卡、高压放大器、精平移器位置平衡装置、压电陶瓷传感器、显微物镜、干涉头、照明光源、电荷耦合器(CCD)及其它光学元件构成的检测系统中，干涉头为三片板型构置；即由反射片和支撑板构成的参考板、分光板和补偿板所构成。所采用的检测方法是多序列移相操作和反馈式移相控制技术。

Description

表面微结构检测系统及其检测方法

本发明是一种主要用于对盘基和盘片表面粗糙度的状况，如缺陷、划道、麻点、直至刻槽内部微结构的综合测试的检测系统及其检测方法，而且它的适用范围不仅限于光盘盘基和盘片，还可用于其它各种基片，如光学基片、半导体基片、陶瓷封闭元件以及橡胶滚轮表面等任何具有一定反射能力的表面。该系统不仅可以给出待测表面二维截面图和三维形貌图，还能提供各种反映表面特征的纵向、横向以及综合粗糙度评定参数值。

目前只有美、英、法、日四国在这方面有类似检测系统，如美国的Wyko公司[参见User′s manual for TOPO-2D TWO-DIMENTIONALNON-CONTACT SURFACE PROFILER，April 1987，WYKO Corp．ofTucson U．S．A．]，他们专门从事面形和粗糙度方面的研究和开发工作。在我国曾引进美日过时的这类技术，指标均低于国际先进水平。由于该类进口系统的昂贵成本，从80年代中期起，国内诸研究单位和高等院校也相继开展了对该技术系统，尤其是基于Mirau显微干涉原理的表面微结构检测系统的研制工作。但是，由于国内许多配套技术，如纳米级超薄光学元件加工技术、纳米级微位移控制技术的匮乏，使得现行技术距国际先进水平和实际需要还有一段差距。

常规的米若(Mirau)型表面微结构检测系统，其干涉头光路布局与结构如图1所示[参见User′s manual for TOPO-2D TWO-DIMENTIONALNON-CONTACT SURFACE PROFILER，April 1987，WYKO Corp．ofTucsonU．S．A．]。干涉头是由参考板2，分光板3和待测样品4组成，其中参考板的上表面镀有反射膜，作为参考板的反射区域1。该结构中参考板为光学元件，其上表面和下表面的粗糙度状况以及板本身的光学均匀性和厚度均匀性都对干涉图的形成带来直接影响，因而必须具有超光滑的表面和高均匀度的光学厚度。再者，由于干涉头的纵向尺度受显微物镜工作距离的限制，参考板又必须满足超薄要求。同时对光学元件提出超薄和超光滑要求，这在光学冷加工中是一大难题。另外，参考板的反射区域通常镀有反射膜，该反射膜的表面质量经过一定时间会因腐蚀而下降，尤其是镀软膜情形。腐蚀问题不仅导致表面质量的恶化，而且导致表面反射率的降低，从而引起干涉图对比度下降和量化误差的增大。最后，入射到干涉头的光束会被参考板的反射区域直接向上反射而在干涉场中形成背景光，从而导致对比度的下降而影响测量精度的提高，必须设法加以遮挡。

由于采用位相检测技术对表面微观形貌进行非接触式测量，因而如何克服由于移相误差而导致的检测精度下降是本系统研制的关键。但由于现有的微位移装置，如就常用的压电陶瓷微位移传感器(PZT)来说，输入线性驱动信号并不能提供高精确的线性位移。而且由于驱动信号的噪音、PZT的温漂以及环境震动等所引起的随机移相误差的出现，使得所有对PZT所做的预检定都不再奏效，而必须采用实时检定和校正技术。目前常规的移相技术有三步术、平均三步术、四步术、Carre术和五步术等[参见a)K．Creath，″Phase-measurement interferometrytechniques，″in Progress in Optics，Vol．ⅩⅩⅥ，E．Wolf，Ed．，pp．351-393，Elsevier Science Publishers，Amsterdam(1988)．b)P．Hariharan，B．F．Oreb，and T．Eiju，″Digital phase-shifting interferometry：a simple error-compensating phase calculation algorithm，″Appl．Opt．26(13)，2504-2506(1987)．]。但这些技术如果是单序列运用，则都无法有效抑制随机移相误差对测量结果带来的影响。最近又有人提出对移相步长不敏感算法[参见C．T．Farrel and M．A．Player，″Phase-step insensitive algorithms forphase-shifting interferometry，″Meas．Sci．Technol．5，648-652(1994)．]，但由于它所需计算量太大而无法广泛运用，而且会因大量计算误差的累积而导致检测精度的下降。

由此可见，在Mirau型表面微结构检测系统的研制中主要有以下问题需要解决：1)目前有限的光学元件冷加工水平和光学元件超薄且超光滑加工要求间的矛盾，2)低性能的微位移装置和高精度的线性移相要求间的矛盾。此外还有光学元件镀膜面，尤其是参考板反射区域膜层的腐蚀问题。

本发明针对上述现状存在的基本矛盾，采用独特的干涉头结构和参考板的构成，运用多序列移相操作和反馈式移相控制技术进行移相的自动检定和补偿，从而使上述矛盾得以避免或缓解，并实现系统检测精度达到埃级。

图2是本发明的表面微结构检测系统示意图。该系统通过计算机5来控制移相操作和数据采集及处理。计算机5发出的数字信号经数模转换卡6转换为模拟信号，再经高压放大器7放大后，通过精平移器位置平衡装置8控制加在压电陶瓷传感器(PZT)12上的电压，由此引起PZT作纵向伸缩，并带动干涉头11中待测样品4作纵向平移，从而达到控制移相的效果。干涉头形成的干涉图经显微物镜10和其它光学元件15后成象在电荷耦合器件(CCD)9上。CCD则将信号输出到计算机作后续处理，同时又将信号输出到监视器13以便观察。图中14为照明光源架于干涉头11之上。

本发明所采用的干涉头光路布局与结构示意图如图3所示，它由参考板2、分光板3、补偿板18和待测样品4组成。该结构中参考板2由一超光滑反射片16，置于一支撑板17的中心位置上构成，此支撑板17是一普通光学基片。由于在本结构中支撑板不会导致双路干涉的净光程差，因而对它没有表面质量要求。反射片16可以选择硅片，或者选择能够达到超薄且超光滑的基片，若选择硅片，经抛光后的硅片具有很高的反射率，因而无需通过光学镀膜来形成反射区域，故不存在膜层腐蚀问题。而且，硅片的加工较之一般的光学冷加工容易达到超薄超光滑的要求。比如取一直径约1mm的硅片，然后将它胶粘在光学支撑板17上的中心位置，这样就完成了参考板的制作问题。该构成只需一块较小的高质量硅片，便可制作多块高质量的参考板，尤其适于批量生产。为了实现零光程干涉，在本干涉头结构中增加了补偿板18，由于其在干涉头中所处的特殊位置即设置在分光板3朝向待测样品4的一面上，使得其表面微结构状况及由其引起的光程差分布对干涉场的影响很小，因而也没有特殊加工要求。此外，作为参考板的硅片可以是单面抛光，另一面不抛光或者镀有无光漆，从而达到参考板单面反射的目的，避免了入射光束被参考板直接向上反射而导致的干涉场对比度下降问题。

本系统仍采用常规的移相术(有三步术、平均三步术、四步术、Carre术和五步术供选择)，所不同的是使用多序列移相操作和反馈式移相控制技术，并对有效采集数据即时提取，从而使得移相误差得以自动检定和补偿，且不增加任何数据存储空间，也不浪费每次有效数据采集，能最大限度地缩短获取理想检测的时间。本发明的检测方法的流程图如图4所示。计算机按照其原设定值首先输出PZT的各步驱动信号，然后依次发出CCD的同步采集信号。当一序列的移相操作结束后，便可得到干涉场的多幅强度采集图像。根据这一序列的强度图像依照给定的参数[参见K．Creath，″Phase-measurement interferometrytechniques，″in Progress in Optics，Vol．ⅩⅩⅥ，E．Wolf，Ed．，pp．351-393，Elsevier Science Publishers，Amsterdam(1988)．]可以确定各步的实际移相量和对应的移相误差。将各步移相误差与设定的误差阈值作比较，确定各步移相的满意程度，并将每步满意移相所对应的强度图像保留，作为有效采集数据。一般来说，单序列的移相操作是无法保证各步移相同时达到所需的移相精度。因此我们将PZT严格复位后，重复上一序列的移相操作。重复移相操作开始前，先利用上序列的移相误差值的反馈信息对原设定的PZT驱动信号进行校正，其校正量正比于各步移相误差值。一旦对应于每步移相都有一次或者一次以上的满意移相，则整个移相操作结束。然后进行位相计算(按照公式1)、消位相跳变操作、高差计算(按照公式2)、最小二乘拟合、各种表面微结构参数计算以及结果显示等一系列后续数据处理。

相位计算公式： $\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{I_3-I_2}{I_1-I_2}\right)-----\left(1a\right)$ $\mathrm{\φ}(x,y)=\frac{1}{2}\[{\tan }^{-1}\left(\frac{I_3-I_2}{I_1-I_2}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_3}{I_2-I_3}\right)\]-----\left(1b\right)$ $\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\sqrt{\[3(I_2-I_3)-(I_1-I_4)\]\[(I_2-I_3)+(I_1-I_4)\]}}{(I_2-I_3)+(I_1-I_4)}-----\left(1d\right)$ $\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{2(I_2-I_4)}{2I_3-I_5-I_1}-----\left(1e\right)$

其中(1a)对应于三步术，(1b)对应于平均三步术，(1c)对应于四步术，(1d)对应于Carre术，(1e)对应于五步术。式中Ⅰ_m代表步m的采集图像，φ(x，y)代表位相分布。

高差计算公式： $H(x,y)=\frac{\mathrm{\φ}(x,y)\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}-----\left(2\right)$ 式中H(x，y)代表位相分布，λ为照明光源14的中心波长。

这就是多序列移相操作和反馈式移相控制的全过程。需要指出，每一序列的首步采集间的实际位相移动必须校正到移相误差阈值以内，这是PZT严格复位的真正内涵。此外，在位相计算时，将所有对应于同步移相且满足移相精度要求的多幅图像作平均，以便进一步提高检测精度。

本发明所采用的干涉头结构和参考板的构成，避免了光学冷加工中的大难题，即超薄且超光滑光学元件的加工问题。常规干涉头中的参考板为光学元件，而本发明则为反射片，如硅片，硅片的加工较之光学元件来说容易达到超薄和超光滑的加工。常规干涉头中的参考板是以其上表面的反射区域作为参考面，不仅反射区域的粗糙度会直接影响干涉场的分布，而且当参考板很薄时，其下表面的粗糙度、参考板的光学均匀性以及厚度均匀性都会给干涉场带来直接影响，而本发明中只有反射面的粗糙度会影响干涉场的分布，这就降低了参考板的制作要求。常规干涉头中参考板的参考面一般通过光学镀膜来提高反射率，但是光学镀膜面，尤其是软膜表面往往会因腐蚀问题而导致表面质量及其反射率的下降，必须解决膜层的防腐蚀问题。在本发明中该问题则不存在，超光滑的硅片已经具有很高的反射率，无需再通过镀膜来提高其反射率。最后，在常规干涉头中，入射到干涉头的光束会被参考板的反射区域直接向上反射，而在干涉场中形成背景光，导致对比度的下降而影响测量精度的提高，必须设法加以遮挡。而在本发明中，由于使用单面反射的硅片作为参考板，故没有入射光直接向上反射的问题。

本发明运用多序列移相操作和反馈式移相控制技术，从而实现了移相的自动检定和校正，降低了对微位移装置的要求。本发明对有效采集数据即时提取，不浪费每次有效数据，不增加任何数据存储空间，也不提高计算量要求，能最大限度地缩短获取理想检测的时间。

附图说明：

图1为已有技术中常规米若(Mirau)型干涉头的光路布局与结构示意图。

图2为本发明的表面微结构检测系统的示意图。

图3为本发明所采用的干涉头的光路布局与结构示意图。

图4为本系统检测方法的流程框图。

图5-1为利用本系统对光盘盘片预刻槽检测所得的三维视图及有关测量结果。

图5-2是图5-1的剖视图，其中虚线代表理想刻槽(槽间距1．6mm，槽宽0．5mm，槽高约100nm)的几何剖视图。

图6-1为利用本系统对超光滑硅片的表面微结构检测所得的三维视图及有关结果。

图6-2为图6-1的剖视图。

图7-1为无反馈控制时对超光滑硅片的表面微结构检测所得的三维视图及有关结果。

图7-2为图7-1的剖视图。

其中图5-1、图5-2、图6-1、图6-2、图7-1和图7-2中位置坐标以采集的象素数表示，1mm的实际距离约对应于13个象素数。

图8-1为已有技术常规干涉头中参考板反射面的显微图，图中显示了该软膜表面经一年时间后的腐蚀情况。

图8-2为本发明中参考板反射面的显微图，该硅片表面经过一年时间后并无任何表面质量和反射率下降问题。

表1为反馈式控制多序列五步移相术中的移相状况表。1，2，3，4是序列号，“√”代表该步移相达到要求，“×”则表示该步移相没有达到要求。

实施例：

利用图2，图3所示的测量系统和图4所示的流程图对光盘盘片和硅片的表面微结构进行了综合测试，测量结果如图5、图6所示。

图5-1为光盘盘片预刻槽的三维视图，其剖视图如图5-2所示，图5-2中虚线代表理想刻槽(槽间距1．6mm，槽宽0．5mm，槽高约100nm)的几何剖视图。从图5-1和图5-2中可以看出，利用本发明不仅可以实现光盘盘片预刻槽几何参数如槽宽、槽间距及槽高的定量测试，而且还能提供各种粗糙度统计参数以及表面轮廓显示。

图6-1和图6-2为超光滑硅片表面微结构的测试结果，其精度和重复性均已达到埃级。作为比较，我们将反馈控制消除后对同一样品作了常规移相技术的检测，其测试结果如图7-1和图7-2所示，其测试精度为纳米级，足见反馈控制技术优越的效用。

在对上述硅片作反馈式多序列移相测试中，各步移相状况如表1所示。第一序列移相中除初始步外，其它各步移相均未达到设定的移相精度要求，因而只将该序列测量中的首步图像数据加以提取，并按照移相误差值对驱动信号进行校正后，重复上述的数据提取、驱动信号校正和移相操作。通过共四序列的上述操作，对应于步1有4幅有效数据，对应于步2和步3有1幅有效数据，对应于步4和步5有2幅有效数据。至此，对应于每一步移相都有一次或一次以上的有效数据采集，反馈式多序列移相测试便可结束。

图8为两幅参考板反射区域的显微对照图，其中图8-1为已有技术常规干涉头中参考板反射面的显微图，该参考板为光学元件，其反射区域镀有软膜，经过约一年时间后，表面出现了严重的腐蚀状况。图8-2为本发明中参考板反射面的显微图，该反射片为超光滑硅片，其表面在同样环境条件下，经过同样时间后并无任何表面质量下降和反射率下降问题。从两幅显微图8-1和8-2对照中充分说明采用本发明的三片板型的干涉头结构要远远优越于已有技术中二片板型的干涉头。

Claims (3)

1．一种表面微结构检测系统，包括控制移相操作和数据采集及处理的计算机(5)，计算机(5)发出的数字信号经数模转换卡(6)转换为模拟信号，经过高压放大器(7)放大后，通过平移器位置平衡装置(8)控制加在压电陶瓷传感器(PZT)(12)上的电压，从而驱动PZT(12)纵向伸缩，并带动干涉头(11)中置于PZT(12)上的待测样品(4)作纵向平移，干涉头(11)之上有照明光源(14)，干涉头(11)形成的干涉图经显微物镜(10)和光学元件(15)成像于电荷耦合器(9)上，电荷耦合器(9)将信号送至计算机(5)和监视器(13)中，其特征在于干涉头(11)包含由一中心位置上置有反射片(16)的支撑板(17)所构成的参考板(2)，在参考板(2)与待测样品(4)之间的分光板(3)朝向待测样品(4)的一面上设置有一补偿板(18)。

2．根据权利要求1的检测系统，其特征在于置于支撑板(17)中心位置上的反射片(16)是超薄超光滑的单面抛光，另一面不抛光或者镀有无光漆的硅片。

3．一种表面微结构的检测方法，采用移相操作方法，其特征在于使用的是多序列移相操作和反馈式移相控制技术，具体操作步骤是：

(1)单序列移相操作：计算机按原设定值向压电陶瓷传感器(PZT)依次发出各步的驱动信号，对电荷耦合器(CCD)依次发出同步采集信号，从而获得一序列的强度采集图像，根据强度图像确定移相量和移相误差，并计算各步驱动信号的较正值，存储满意图象；

(2)多序列移相操作：将上序列的移相误差值反馈，对原设定的PZT驱动信号进行校正，并将PZT严格复位后，重复上述(1)步的单序列移相操作；

(3)反复重复第(2)步骤和第(1)步骤，直到对应于移相的每一步都有一次或一次以上的满意值；

(4)进行后续数据处理：依次进行位相计算、消位相跳变操作，高差计算，最小二乘拟合、表面微结构参数的计算，结果显示。

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