CN110285771A - 基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块 - Google Patents

Abstract

基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，它涉及精密检测技术领域。它包含照明光源系统、垂直扫描系统、光学成像系统、数据处理系统，所述照明光源系统正下方设置有垂直扫描系统，垂直扫描系统正前方设置有光学成像系统，垂直扫描系统与光学成像系统通过数据处理系统数据连接。采用上述技术方案后，本发明有益效果为：用LED光源代替传统卤素光源，大大减小了作品自身体积，降低传统光源引起的震动噪声对测量精度的影响，LED的使用寿命可以达到5万小时，提高采样数据的信噪比。在信号处理阶段，不仅利用干涉条纹的强弱信息，还利用干涉条纹的位相信息，使仪器的测量精度以及稳定性得到极大地改善。

Description

基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块

技术领域

本发明涉及精密检测技术领域，具体涉及基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块。

背景技术

精密检测技术是以测量各种不同样品表面的形状，其测量精度达到0.1纳 米，但价格昂贵、操作复杂。日本东丽公司也推出其SP500系列产品。欧洲也 投入大量人力和物力进行白光干涉仪的研制，最具代表性的是德国三维形状公 司研制开发出的KORADS18系列。目前市场上已有的白光干涉仪产品，普遍存在 体积庞大、成本高，不容易推广到中小企业应用等不足。

国内市场也迫切需求三维精密形貌测量仪器。根据SEMI数据显示，在全国半导体设备市场中，检测设备占整个半导体设备市场空间的4%~6%。以全国8260亿元的半导体设备销售额测算，半导体检测设备市场价值约为330—500亿元人民币。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，具有精确度高、高稳定性、高性价比、测量效率高、非接触式测量，减少样品二次损伤等优点。可极大降低检测成本，解决了实际问题。只需数秒，就能观测到表面的三维轮廓、表面纹理以及包含各类参数的测量结果。具有广阔的应用以及推广前景。具有小型化、轻量化、低成本化的特点。让更多中小企业也能够使用高端高精度测量仪器，提高企业的产品质量和生产能力，主要适用半导体表面微缺陷检测、卫星抛物面的镀膜检测、电子产品的表面检测等方面。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含照明光源系统1、垂直扫描系统2、光学成像系统3、数据处理系统4，所述照明光源系统1正下方设置有垂直扫描系统2，垂直扫描系统2正前方设置有光学成像系统3，垂直扫描系统2与光学成像系统3通过数据处理系统4数据连接。

所述照明光源系统1包含LED光源11。

所述垂直扫描系统2包含半反半透分光镜21、样品22、参考镜23、闭环压电陶瓷驱动装置24，半反半透分光镜21设置在LED光源11正下方，半反半透分光镜21正后方设置有样品22，半反半透分光镜21正下方设置有参考镜23，参考镜23下端面设置有闭环压电陶瓷驱动装置24。

所述光学成像系统3包含分光镜31、CCD相机32，分光镜31设置在半反半透分光镜21正前方，分光镜31正前方设置有CCD相机32。

所述数据处理系统4包含计算机41，计算机41数据连接CCD相机与闭环压电陶瓷驱动装置24。

所述参考镜23为显微物镜。

本发明的工作原理：利用白光干涉原理，测量样品22表面微细形状分布，LED光源11的照明光束经半反半透分光镜21分成两束光，分别投射到样品22表面和参考镜23表面，从这两个表面反射的两束光再次通过分光镜31后合成一束光，并由光学成像系统3在CCD相机32感光面形成两个叠加的像，由于两束光相互干涉，在CCD相机32感光面会观察到明暗相间的干涉条纹，干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，根据白光干涉条纹明暗度就可以解析出被测样品的相对高度；通过白光干涉扫描技术进行扫描样品，再利用解析算法进行样品表面形貌分析，透过扫描系统和解析算法，进行样品表面微细形貌的量测与分析，采用LED光源和非等间隔采样理论，可瞬时观测到表面三维轮廓，表面显微成像能力与高精度测量的完美结合，可得出相对准确的测量结果。

采用上述技术方案后，本发明有益效果为：用LED光源代替传统卤素光源，大大减小了作品自身体积，降低传统光源引起的震动噪声对测量精度的影响，LED的使用寿命可以达到5万小时，降低仪器运行成本；系统连接在一起，减少机械连接，使模块体积减小至原来的一半，增强抗震能力；采集白光干涉条纹包罗线信息，大大缩短数据采样时间，同时增强采样系统的抗干扰能力；根据干涉条纹的周期性特点，非等间隔采样算法，提高采样数据的信噪比。在信号处理阶段，不仅利用干涉条纹的强弱信息，还利用干涉条纹的位相信息，使仪器的测量精度以及稳定性得到极大地改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的原理示意框图；

图2是本发明中典型的白光干涉条纹强度分布图；

图3是本发明的控制流程示意框图。

附图标记说明：照明光源系统1、垂直扫描系统2、光学成像系统3、数据处理系统4、LED光源11、半反半透分光镜21、样品22、参考镜23、闭环压电陶瓷驱动装置24、分光镜31、CCD相机32、计算机41。

具体实施方式

参看图1-图3所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含照明光源系统1、垂直扫描系统2、光学成像系统3、数据处理系统4，所述照明光源系统1正下方设置有垂直扫描系统2，垂直扫描系统2正前方设置有光学成像系统3，垂直扫描系统2与光学成像系统3通过数据处理系统4数据连接。垂直扫描系统2采用纵向紧密扫描器件用控制软件，数据处理系统4采用数据解析软件、用户界面应用程序软件，光学成像系统3采用数字图像信号的实时采集软件，减少机械连接，使模块体积减小至原来的一半，增强抗震能力，系统集成使用的是精密机械加工工艺，使集成器件小型化，并且光学结构一体化使各元器件集成度高，抗震能力强，光学成像系统3实现自动聚焦功能，通过白光干涉条纹出现的位置，解析出参考镜23的焦点位置，自动聚焦时间和专用自动聚焦系统相当，目前主要有两种白光干涉仪数据解析算法：一种是低通滤波器算法，另一种是傅立叶变换算法，相关运算不易受噪声信号的影响，解析精度比较高。为了提高采样数据的信噪比，在采样时直接采集白光干涉条纹包罗线信息，减少测量周期，缩短数据采样时间。通过Nyquist采样定理，对采样数据进行局部平均处理，同一范围剔除高频噪声，对有用信号进行平均取值，增强仪器本身抗干扰能力。此外还通过一种相关算法，通过非等间隔采样，取移动平均值，使得成像更加平缓。

所述照明光源系统1包含LED光源11。在光源结构上，用LED光源11代替传统的卤素光源，使三维形貌测量模块小型化、低成本化。目前已有的三维形貌测量模块大多数使用的是卤素光源，卤素光源为热辐射光源，主光源体工作温度超过100℃，元器件工作的温度最高达70℃，所以工作过程中需用风扇散热，导致光源结构体积大、有震动。但是LED光源11是通过发光二极管照明，通过铝挤式散热片散热，且电光转换效率极高，所以具有体积小，仅为卤素光源体积的十分之一、无震动、成本低等特点。

所述垂直扫描系统2包含半反半透分光镜21、样品22、参考镜23、闭环压电陶瓷驱动装置24，半反半透分光镜21设置在LED光源11正下方，半反半透分光镜21正后方设置有样品22，半反半透分光镜21正下方设置有参考镜23，参考镜23下端面设置有闭环压电陶瓷驱动装置24。闭环压电陶瓷驱动装置24为可编程数字信号处理模块，保证闭环压电陶瓷驱动装置24匀速动作，参考镜23匀速直线运动，在数据采样过程中，控制参考镜23作匀速直线运动，并在相应位置点采样数据，和现在一般采用步进方式扫描相比较，匀速直线扫描方式有效抑制参考镜23的随机位移飘动，闭环压电陶瓷驱动装置24的精密移动是由数字信号控制，降低控制信号传输过程中信号失真。

所述光学成像系统3包含分光镜31、CCD相机32，分光镜31设置在半反半透分光镜21正前方，分光镜31正前方设置有CCD相机32。

所述数据处理系统4包含计算机41，计算机41数据连接CCD相机与闭环压电陶瓷驱动装置24。

所述参考镜23为显微物镜。

本发明的工作原理：利用白光干涉原理，测量样品22表面微细形状分布，LED光源11的照明光束经半反半透分光镜21分成两束光，分别投射到样品22表面和参考镜23表面，从这两个表面反射的两束光再次通过分光镜31后合成一束光，并由光学成像系统3在CCD相机32感光面形成两个叠加的像，由于两束光相互干涉，在CCD相机32感光面会观察到明暗相间的干涉条纹，干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，根据白光干涉条纹明暗度就可以解析出被测样品的相对高度；通过白光干涉扫描技术进行扫描样品，再利用解析算法进行样品表面形貌分析，透过扫描系统和解析算法，进行样品表面微细形貌的量测与分析，采用LED光源和非等间隔采样理论，可瞬时观测到表面三维轮廓，表面显微成像能力与高精度测量的完美结合，可得出相对准确的测量结果。

利用白光干涉原理，测量样品22表面微细形状分布，LED光源11的照明光束经半反半透分光镜21分成两束光，分别投射到样品22表面和参考镜23表面，从这两个表面反射的两束光再次通过分光镜31后合成一束光，并由光学成像系统3在CCD相机32感光面形成两个叠加的像，由于两束光相互干涉，在CCD相机32感光面会观察到明暗相间的干涉条纹，干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，根据白光干涉条纹明暗度就可以解析出被测样品的相对高度。

白光干涉条纹可以认为是各个单色光所形成的干涉条纹的线性叠加，最终形成的干涉条纹强度由下式决定：

其中I（λ）代表单色光的干涉条纹强度分布。用公式表示为：

公式中△Z表示参与干涉两束光的光程差，其大小可以通过移动参考镜23位置加以改变，当两束光的光程差相同时，各单色光干涉条纹具有相同的位相，最终合成的白光干涉条纹强度最大。

随着两束光的光程出现差别时，各单色光的位相也相应出现差别，导致白光干涉条纹的强度降低，直至最后消失，采用闭环压电陶瓷驱动装置24驱动参考镜23上下移动来改变两束光之间的光程，闭环压电陶瓷驱动装置24可以保证0.1nm的移动精度。

一般而言，完成一次测量，需要采集数百幅甚至上千幅数据，所需时间最长达到数十秒。提出一种高速数据采集方法，利用数十幅图像，解析样品的三维形貌。

白光干涉条纹信号是振幅受到调制的余玄函数，振幅调制信号与光源的光谱分布相关，一般为高斯函数分布。高斯函数分布中心由样品的高度来决定。所以，根据高斯函数分布重心，可以唯一确定样品的高度。借用无线通信术语，余玄函数可以认为载频，高斯分布函数为调制信号。另外，高斯函数分布也可以称作余玄函数的包罗线分布。

为了得到高斯函数分布，首先得到调幅余玄函数。所以，采样间隔不能大于余玄函数周期的一半。也就是说，“采样间隔必须小于干涉条纹间隔的一半”。一般而言，采样间隔的大小等于余玄函数周期的一半时，比较合理。采集到的数据信号经过低通滤波器，过滤去高频的余玄函数，得到变化比较缓慢的高斯函数分布。

和调幅无线通信信号相比，白光干涉条纹信号所包含的调制信号（高斯分布函数）是固定的，而且余玄函数的周期也是已知的。根据这两个已知项，我们提出一种非等间隔采样算法，直接采集高斯分布函数的信号。根据高斯分布函数的中心位置，进一步求出待测样品的高度。和低通滤波器解析算法相比，我们所提出的算法，具有采样时间短、抗噪声能力强以及信号的信噪比高等特征。

采用上述技术方案后，本发明有益效果为：用LED光源代替传统卤素光源，大大减小了作品自身体积，降低传统光源引起的震动噪声对测量精度的影响，LED的使用寿命可以达到5万小时，降低仪器运行成本；系统连接在一起，减少机械连接，使模块体积减小至原来的一半，增强抗震能力；采集白光干涉条纹包罗线信息，大大缩短数据采样时间，同时增强采样系统的抗干扰能力；根据干涉条纹的周期性特点，非等间隔采样算法，提高采样数据的信噪比。在信号处理阶段，不仅利用干涉条纹的强弱信息，还利用干涉条纹的位相信息，使仪器的测量精度以及稳定性得到极大地改善。

产品特点：非接触式、高稳定性、高速率测量、大面积测量、小型化、轻量化、低成本化，高精度检测：垂直重复测量精度可达1nm垂直解析度可达0.1nm、水平解析度可达0.1μm；大面积测量：自动缝合技术实现大面积高精度测量，测量面积由100um扩大到4mm。小型化、轻量化、低成本化：长30×宽40×高50cm，重量仅为2.6kg，该尺寸大约是美国Zygo公司同类设备的四分之一。和美国Zygo公司同类设备的价格（150万/台）相比，我们仪器的价格大约为15万/台。

主要技术、经济指标：垂直扫描范围0-4mm；标准垂直扫描速度为13um/s，最高扫描速度可达97um/s；垂直分辨率0.1nm，垂直测量精度<1nm；平面测量精度为0.43um；台阶测量重复性达到10次测量结果的标准偏差不大于标准台阶高度的0.1%。

可广泛应用于半导体硅片器件和集成电路、MEMS基板、硬盘盘片和磁头、太阳能电池面板等样品的表面三维立体微细形状结构。

和已有的三维形貌测量仪器相比，该项目作品具有体积小、重量轻、成本低等优势。整个模块的外形尺寸为长30×宽40×高50cm，重量仅仅为2.6Kg。该尺寸大约是美国Zygo公司同类设备的四分之一。和美国Zygo公司同类设备的价格（150万/台）相比，我们仪器的价格大约为15万/台。该模块也易于通过设立区域代理商的方式，完成客户的远程检测需求，以及根据客户需求进行仪器的定制化生产，降低半导体或精密加工企业的检测费用，让更多中小企业也能够使用高端高精度测量仪器，提高企业的产品质量和生产能力。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：它包含照明光源系统(1)、垂直扫描系统(2)、光学成像系统(3)、数据处理系统(4)，所述照明光源系统(1)正下方设置有垂直扫描系统(2)，垂直扫描系统(2)正前方设置有光学成像系统(3)，垂直扫描系统(2)与光学成像系统(3)通过数据处理系统(4)数据连接。

2.根据权利要求1所述的基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：所述照明光源系统(1)包含LED光源(11)。

3.根据权利要求1所述的基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：所述垂直扫描系统(2)包含半反半透分光镜(21)、样品(22)、参考镜(23)、闭环压电陶瓷驱动装置(24)，半反半透分光镜(21)设置在LED光源(11)正下方，半反半透分光镜(21)正后方设置有样品(22)，半反半透分光镜(21)正下方设置有参考镜(23)，参考镜(23)下端面设置有闭环压电陶瓷驱动装置(24)。

4.根据权利要求1所述的基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：所述光学成像系统(3)包含分光镜(31)、CCD相机(32)，分光镜(31)设置在半反半透分光镜(21)正前方，分光镜(31)正前方设置有CCD相机(32)。

5.根据权利要求1所述的基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：所述数据处理系统(4)包含计算机(41)，计算机(41)数据连接CCD相机与闭环压电陶瓷驱动装置(24)。

6.根据权利要求3所述的基于白光干涉的嵌入式三维形貌测量模块，其特征在于：所述参考镜(23)为显微物镜。