CN111220068A - 一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置及方法，本发明在照明系统加入微显示器并能够将不同的空间图案投影在样品表面；在测量时，依据采集的样品图像并结合样品的特征，对样品的测量区域进行划分，形成不同的照明图案；将照明图案输入至微显示器，对相邻区域进行非同步的空间照明和白光干涉测量，避免相邻点之间由于多次反射而引起的相干干涉信号干扰；然后将测量的多组的表面高度分布进行组合，进而获得整个表面的高度分布。本发明采用空间图案照明的方法抑制了白光干涉测量微沟槽阵列等样品时相邻点之间的干扰，能够无损快速检测样品。

Description

一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置及方法
技术领域
本发明涉及微纳测量领域，具体涉及一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置及方法。
背景技术
白光干涉能够测量表面的粗糙度、微结构轮廓，精度可达到微纳米量级，是微纳测量领域的一种关键技术。白光干涉通过对样品表面进行垂直扫描，获取表面上每一点的相干干涉信号。当样品表面与参考镜的光程相等时，相干干涉信号的对比度最大。因此，通过分析每一点的相干干涉信号就能确定样品上该点的高度信息。由于白光干涉对每一点的相干干涉信号进行分析，因此空间分辨率高、精度高。因此，采用白光干涉测量的前提之一是，相邻点之间的相干干涉信号之间无干扰。然而，当面对一些特殊样品时，白光干涉采集的相干干涉信号在相邻点之间存在干扰，如：夹角等于小于90度的微沟槽阵列结构，微三棱锥阵列，等。此类样品的由许多光滑的小平面(或小曲面)组成，广泛应用于显示屏导光板、光纤熔接机、反光膜等产品中。而对于白光干涉测量，样品微结构的小平面之间会产生光线多次反射，造成空间相邻点的相干干涉信号干扰。
为了测量此类带有反射面的微型结构阵列样品，研究人员开展了多种测量方法，如微探针扫描法、改进的干涉测量法、双系统比对法等。微探针扫描法(“B.Ju,Y.Chen,W.Zhang,et al.Note:long range and accurate measurement of deep trenchmicrostructures by a specialized scanning tunneling microscope,Rev.Scie.Instrum.2012,83:056106”)无需考虑光学测量方法的多次反射干扰，但是受限于探针的长度、接触力、扫描速度，只能测量数十微米深度的微结构，并且会划伤样品表面，测量时间长。改进的干涉测量方法是在现有干涉光路对样品表面处理或规划测量工艺，如：在样品表面涂敷折射率匹配液令波前梯度减小(“D.Purcell,A.Suratkar,A.Davies,etal.Interferometric technique for faceted microstructure metrology using anindex matching liquid.Appl.Opt.2010,49:732”)，但只能用于透射式样品的检测；建立多次反射模型、规划从沟槽底部向更低的扫描范围(“F.Fang,Z.Zeng,X.Zhang,etal.Measurement of micro-V-groove dihedral using white light interferometry,Opt.Commun.2016,359:297”)，能够测量沟槽面的夹角，但因为光线经过了两次沟槽面反射而无法测量单个小平面的形貌。双系统比对法是针对特定角度的沟槽构建两个特定夹角的干涉显微镜，两个干涉显微镜同时以接近法向的角度测量微沟槽的两个面(“T.Zhang,F.Gao,H.Martin,et al.Amethod for inspecting near-right-angle V-groovesurfaces based on dual-probe wavelength scanning interferometry.Int.J.Adv.Manuf.Technol.2019,104:1”)，进而避免相互干扰，但这种方法适用性不强，仅仅适用于微沟槽表面的样品，对于三棱锥等多特征面的样品无法适用。
目前，行业内尚未有效解决高精度、无损检测小夹角的微结构阵列样品的关键参数
发明内容
本发明的目的在于提供一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置及其夹持方法，能够有效抑制白光干涉测量微结构阵列样品时空间相邻点的信号干扰，进而实现微结构阵列样品的高精度、无损检测。
本发明通过下述技术方案实现：
一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，包括相干扫描干涉系统和图案照明系统；
所述相干扫描干涉系统由干涉物镜、扫描器、管镜和图像传感器组成；所述干涉物镜安装在扫描器上；所述图案照明系统由干涉物镜、投影镜头和微显示器组成，所述相干扫描干涉系统和图案照明系统使用同一个干涉物镜；
所述微显示器发出的照明光线依次经过投影镜头、分光镜、干涉物镜成像在样品上，经样品反射后依次经过干涉物镜、分光镜、管镜，在图像传感器上形成干涉条纹，所述图像传感器与微显示器通过上位机进行数据交换，所述微显示器的照明光源为白光。
采用传统白光干涉测量装置与方法测量时，由于微结构阵列样品的沟槽壁面的多次反射，接近沟槽底部的、相对壁面上的空间点相干干涉信号相互干扰，使相干干涉信号出现了两个包络峰值，并且多次反射信号的包络峰值强度比正常的包络峰值要强，传统方法无法解析此时的相干干涉信号，因此无法测量沟槽底部附近的高度分布。
本发明通过在照明系统加入微显示器并能够将不同的空间图案投影在样品表面；在测量时，依据采集的样品图像并结合样品的特征，对样品的测量区域进行划分，形成不同的照明图案；将照明图案输入至微显示器，对相邻区域进行非同步的空间照明和白光干涉测量，避免相邻点之间由于多次反射而引起的相干干涉信号干扰；然后将测量的多组的表面高度分布进行组合，进而获得整个表面的高度分布。本发明采用空间图案照明的方法抑制了白光干涉测量微沟槽阵列等样品时相邻点之间的干扰，能够无损快速检测样品。
进一步地，图像传感器与微显示器的整体靶面尺寸相同或接近(基本相同)，因此二者在照明面积上能够得到良好的匹配。
进一步地，所述图像传感器的分辨率为1232x1028，像元尺寸为13.8μm，微显示器的分辨率为1280x1024，像元尺寸为13.6μm。
进一步地，相干扫描干涉系统和图案照明系统通过分光镜以光轴相互垂直的姿态进行组合。
进一步地，图像传感器与干涉物镜的物面共轭，微显示器与干涉物镜的物面共轭，以样品放置的一方作为物方。
一种基于依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1：将样品放置在干涉物镜的物面附近，调节样品与干涉物镜的距离，扫描器带动干涉物镜移动，图像传感器采集至少N幅样品的干涉图像传递给上位机，上位机将N幅干涉图像的灰度做点对点的平均，得到样品图像G，其中，N≥4；
S2：根据灰度特征，对样品图像G进行区域分割，分割的子区域按照空间不相邻的原则进行组合，得到N组照明图案，每组照明图案对应样品上的一个表面区域；
S3：上位机将第n组照明图案按照M2/M1的比例在微显示器上显示，其中，n＝1,2,…,N，M1为相干扫描干涉系统的放大倍率，M2为图案照明系统的放大倍率，扫描器带动干涉物镜沿轴向移动，完成白光干涉测量，得到第n个表面区域的高度分布；
S4：重复S3，完成N组照明图案下的白光干涉测量，得到N个表面区域的高度分布；
S5：按照N组照明图案在样品图像G中的位置关系，将N个表面区域的高度分布组合，得到样品整个表面的高度分布。
通过本发明所述方法不仅能够有效抑制白光干涉测量微结构阵列样品时空间相邻点的信号干扰，实现微结构阵列样品的高精度、无损检测；并且，通过先对测量区域的干涉条纹图像进行平均，得到测量区域的灰度图像，分割后输入微显示器进行照明，无需实现制备照明图案，具备相当的普适性和实时性，适应范围广。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过对相互干扰的空间区域进行非同时照明，因此在采集空间某区域的相干干涉信号时，相邻的区域将不会对其信号产生干扰，进而得到高信噪比的、准确的相干干涉信号，有助于提升于白光干涉测量中包络的提取、顶点定位的精度，解决了小夹角的微结构阵列样品的测量难题。
2、本发明先对测量区域的干涉条纹图像进行平均，得到测量区域的灰度图像，分割后输入微显示器进行照明，无需实现制备照明图案，具备相当的普适性和实时性，适应范围广。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明白光干涉测量装置的示意图；
图2为本发明白光干涉测量方法流程图；
图3为实施例1的样品图像；
图4为体实施例1对样品图像进行区域分割后得到的两组照明图案；
图5为实施例1测量得到的两个表面区域的高度分布图；
图6为实施例1得到的整个表面的高度分布图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-干涉物镜，2-扫描器，3-管镜，4-图像传感器，5-投影镜头，6-微显示器，7-分光镜，8-上位机，9-样品。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，包括相干扫描干涉系统和图案照明系统；
所述相干扫描干涉系统由干涉物镜1、扫描器2、管镜3和图像传感器4组成；所述干涉物镜1安装在扫描器2上；所述图案照明系统由干涉物镜1、投影镜头5和微显示器6组成，所述相干扫描干涉系统和图案照明系统使用同一个干涉物镜1，所述相干扫描干涉系统和图案照明系统通过分光镜7以光轴相互垂直的姿态进行组合，所述图像传感器4与干涉物镜1的物面共轭，微显示器6与干涉物镜1的物面共轭，其中，相干扫描干涉系统的放大倍率M1＝20，图案照明系统的放大倍率M2＝20，所述图像传感器4的分辨率为1232x1028，像元尺寸为13.8μm，微显示器6的分辨率为1280x1024，像元尺寸为13.6μm，由于图像传感器4与微显示器6的整体靶面尺寸基本相同，因此二者在照明面积上能够得到良好的匹配；
所述微显示器6发出的照明光线依次经过投影镜头5、分光镜7、干涉物镜1成像在样品9上，经样品9反射后依次经过干涉物镜1、分光镜7、管镜3，在图像传感器4上形成干涉条纹，所述图像传感器4与微显示器6通过上位机8进行数据交换，所述微显示器6的照明光源为中心波长0.55μm的白光LED，整个白光干涉测量装置扫描步长为68.7nm。
本实施例以表面是一组二面角90°的沟槽的测试样品为例，对测量方法进行阐述：
采用传统白光干涉测量装置与方法测量时，由于沟槽壁面的多次反射，接近沟槽底部的、相对壁面上的空间点相干干涉信号相互干扰，使相干干涉信号出现了两个包络峰值，并且多次反射信号的包络峰值强度比正常的包络峰值要强，传统方法无法解析此时的相干干涉信号，因此无法测量沟槽底部附近的高度分布。
在本实施例中，基于依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置的测量方法(按照图2所示的流程进行)，包括以下步骤：
S1：将样品放置在干涉物镜1的物面附近，调节样品9与干涉物镜1的距离，扫描器2带动干涉物镜1移动，图像传感器4采集15幅样品9的干涉图像传递给上位机8，上位机8将15幅干涉图像的灰度做点对点的平均，得到样品图像G，如图3所示；
S2：根据灰度特征，对样品图像G进行区域分割，分割的子区域按照空间不相邻的原则进行组合，得到N组照明图案，每组照明图案对应样品9上的一个表面区域，为了对图像G进行区域分割，采用Roberts算子计算图像梯度，将梯度变化最剧烈点确定为边缘，然后采用腐蚀和膨胀等形态学图像处理方法对不连续的边缘进行处理，得到连续的曲线，作为分割区域的边界；由于样品的沟槽壁面是两两相对，相邻的壁面之间会相互干扰，因此分割的区域要相互间隔才能避免相邻点的干扰，结合样品自身的特征，生成两组分割区域，生成对应的两组照明图案，如图4所示；两组照明图案在空间上是互补的；
S3：上位机8将第n组照明图案按1:1的比例在微显示器6上显示，只有照明图案中显示为白色的区域才有照明光线并产生干涉，并在扫描中形成相干干涉信号；而黑色的区域照明光非常微弱，光强度信号接近于零，因此其对白色区域点的相干干涉信号基本没有影响，其中，n＝1,2,…,N，扫描器2带动干涉物镜1沿轴向移动，完成白光干涉测量，得到第n个表面区域的高度分布，具体以第1组和第2组照明图案的顺序分别进行两次白光干涉测量：采用Sandoz算法从采集的干涉图序列中计算每一点的相干干涉信号的包络，并以重心法计算包络的中心，进而计算每一点的高度。得到两组照明图案下白光干涉测量的两个表面区域的高度分布，如图5所示；
S4：重复S3，完成15组照明图案下的白光干涉测量，得到15个表面区域的高度分布；
S5：按照N组照明图案在样品图像G中的位置关系，将N个表面区域的高度分布组合，得到样品9整个表面的高度分布具体以第1组和第2组照明图案为例，按照两组照明图案对应的空间位置关系，将两个表面区域的高度分布组合，得到整个表面上完整的高度分布，如图6所示。虽然表面通过两次白光干涉测量得到，但是依靠扫描器精准的定位性能，两个表面区域的高度分布组合后仍能够得到精确的表面。
本实施例1采用依据样品空间结构进行照明的白光干涉测量装置与方法，抑制白光干涉测量微结构阵列样品时空间相邻点的信号干扰，解决了微沟槽阵列表面的快速无损测量问题
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，其特征在于，包括相干扫描干涉系统和图案照明系统；
所述相干扫描干涉系统由干涉物镜(1)、扫描器(2)、管镜(3)和图像传感器(4)组成；所述干涉物镜(1)安装在扫描器(2)上；所述图案照明系统由干涉物镜(1)、投影镜头(5)和微显示器(6)组成，所述相干扫描干涉系统和图案照明系统使用同一个干涉物镜(1)；
所述微显示器(6)发出的照明光线依次经过投影镜头(5)、分光镜(7)、干涉物镜(1)成像在样品(9)上，经样品(9)反射后依次经过干涉物镜(1)、分光镜(7)、管镜(3)，在图像传感器(4)上形成干涉条纹，所述图像传感器(4)与微显示器(6)通过上位机(8)进行数据交换，所述微显示器(6)的照明光源为白光。
2.根据权利要求1所述的一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，其特征在于，所述图像传感器(4)与微显示器(6)的整体靶面尺寸相同或相近。
3.根据权利要求1所述的一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，其特征在于，所述相干扫描干涉系统和图案照明系统通过分光镜(7)以光轴相互垂直的姿态进行组合。
4.根据权利要求3所述的一种依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置，其特征在于，所述图像传感器(4)与干涉物镜(1)的物面共轭，微显示器(6)与干涉物镜(1)的物面共轭。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的依据样品空间结构照明的白光干涉测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将样品放置在干涉物镜(1)的物面附近，调节样品(9)与干涉物镜(1)的距离，扫描器(2)带动干涉物镜(1)移动，图像传感器(4)采集至少N幅样品(9)的干涉图像传递给上位机(8)，上位机(8)将N幅干涉图像的灰度做点对点的平均，得到样品图像G，其中，N≥4；
S2：根据灰度特征，对样品图像G进行区域分割，分割的子区域按照空间不相邻的原则进行组合，得到N组照明图案，每组照明图案对应样品(9)上的一个表面区域；
S3：上位机(8)将第n组照明图案按照M2/M1的比例在微显示器(6)上显示，其中，n＝1,2,…,N，M1为相干扫描干涉系统的放大倍率，M2为图案照明系统的放大倍率，扫描器(2)带动干涉物镜(1)沿轴向移动，完成白光干涉测量，得到第n个表面区域的高度分布；
S4：重复S3，完成N组照明图案下的白光干涉测量，得到N个表面区域的高度分布；
S5：按照N组照明图案在样品图像G中的位置关系，将N个表面区域的高度分布组合，得到样品(9)整个表面的高度分布。
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