專利名稱：基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微結(jié)構(gòu)形貌測試。特別是涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)微結(jié)構(gòu)大范圍內(nèi)的高 精度測量的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代制造業(yè)、微機電系統(tǒng)(MEMS)以及納米技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)的測量 要求越來越高，其中MEMS陣列器件、MEMS多層結(jié)構(gòu)器件、超精密加工器件對測試系統(tǒng)的測 量范圍、測量速度和測量精度有著更高要求。對于應(yīng)用日益廣泛的MEMS器件，包括電子系 統(tǒng)和非電子機械組件，對MEMS器件除了進行相關(guān)的電子學(xué)測試外，還應(yīng)包括微結(jié)構(gòu)的幾何 量、機械量、材料特性、機械力學(xué)特性、光學(xué)特性、聲學(xué)特性和磁學(xué)特性等多個參數(shù)的測試。 由于MEMS具有結(jié)構(gòu)尺寸小、集成度高等特點，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)與方法已不能完全滿足需 要，這就對精密檢測技術(shù)提出了新的要求。MEMS微結(jié)構(gòu)三維運動特征、材料特性、機械力學(xué) 參數(shù)、可靠性與失效機理等關(guān)鍵測試問題基本上都可通過MEMS幾何量和機械量測試技術(shù) 直接或間接地得以解決。因此，MEMS幾何量和機械量測試技術(shù)是MEMS測試領(lǐng)域中的重要 基礎(chǔ)之一。MEMS器件大部分是三維微細結(jié)構(gòu)，其特征結(jié)構(gòu)尺寸一般在微米量級，因此測試其 結(jié)構(gòu)和形貌的精度應(yīng)在(亞)微米甚至納米量級，這就要求采用高精度的測試技術(shù)與設(shè)備。 基于白光掃描干涉的光學(xué)方法具有非接觸、無損傷、高精度和全視場等測量優(yōu)點，因而引起 國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注，并針對微結(jié)構(gòu)幾何量測試進行了深入的研究。白光干涉的應(yīng)用有悠久的歷史。但直到1980年才由Balasubramanian提出了第 一個實際采用白光干涉原理進行測量的自動三維表面形貌測量系統(tǒng)。白光干涉術(shù)采用的是 連續(xù)波長的寬光譜光源，相干長度只有1至2微米，干涉條紋最大值只出現(xiàn)在光程差為零的 位置，從而克服了單波長相移干涉中的條紋級次模糊問題，使測量深槽及其側(cè)壁結(jié)構(gòu)成為 了可能；其次，由于白光干涉術(shù)采用了非接觸式測量，測量速度也大大加快，克服了在掃描 電子顯微鏡，原子力顯微鏡和機械式輪廓儀中存在的樣品制備，測試周期長及容易劃傷器 件等問題。但是由于普通用作掃描器的材料-壓電陶瓷自身特性的限制，使得儀器的掃描 范圍不能做的很大，最大不過幾百微米，這大大限制了白光掃描干涉技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前對于白光干涉的研究還處于對算法的改善以提高精度階段。而在已經(jīng)有的白 光干涉技術(shù)中，仍然存在著測量范圍小，不能進行多參數(shù)測量，和在對某些含深槽等結(jié)構(gòu)器 件的測量中，由于衍射導(dǎo)致相干峰偏移，結(jié)果不夠理想，以及測試速度慢等問題。因此，如何 在保證高精度測量的同時擴大測量范圍成為光學(xué)測量方法(包括白光掃描干涉測量技術(shù)) 發(fā)展需要解決的問題，也是其發(fā)展的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，為了擴展白光干涉術(shù)的測量范圍，提供一種通過 在納米測量機上固定光學(xué)干涉系統(tǒng)并采用傾斜掃描白光干涉術(shù)，擴展了測量范圍，并能使整個測量不需要拼接過程一次完成的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng) 及方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)及方法，具有如下特占.
^ \\\ ·1、本發(fā)明是一種非接觸測量方法，對被測樣品影響極小，為無損的檢測方式；2、本發(fā)明使用光纖照明，消除了光源熱效應(yīng)的影響；3、本發(fā)明使用納米測量機(NMM)作為平臺帶動被測物和傾斜平臺完成掃描，納米 測量機(NMM)的平臺在移動過程中由X，y，ζ三軸的激光干涉儀實時標定，并通過溫、濕、壓 傳感器實時補償干涉儀激光波長的變化，配合平臺的反饋控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)0. Inm的位 移分辨力；4、本發(fā)明在納米測量機(NMM)上配置傾斜可調(diào)工作臺以實現(xiàn)傾斜掃描。測量過程 中，納米測量機(NMM)的移動方向與工作臺工作面的方向一致，同時包括水平和垂直方向 的位移；5、本發(fā)明對于采集的干涉圖像，根據(jù)水平的位移速度對位置點進行跟蹤并提取出 干涉強度信號。




圖1是基于傾斜掃描白光干涉術(shù)的微結(jié)構(gòu)大范圍測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
圖2是光學(xué)系統(tǒng)與可調(diào)傾斜平臺的配置方式示意圖3是傾斜掃描白光干涉術(shù)實現(xiàn)方式的原理示意圖4是傾斜掃描白光干涉術(shù)高度信息提取的原理示意圖5是對CCD視場中移動數(shù)據(jù)條的追蹤；
圖6是傾斜掃描白光干涉技術(shù)的測量流程其中
I=PC 機
3 數(shù)字CCD攝像機 5:光纖 7 干涉物鏡 9 可調(diào)傾斜工作臺
II:x，y，ζ激光干涉儀 13 平臺機械結(jié)構(gòu) 15:電機驅(qū)動控制單元 17 納米測量機(NMM) 19 干涉物鏡相干平面 21 工作臺傾角α
23 :t0時刻 25 :t2時刻 27 :t4時刻
2:圖像采集卡 4 白光光源 6 顯微光學(xué)系統(tǒng) 8 被測樣品 10 工作臺傾斜控制器 12 :x, y, z0, zl, z2, z3電機驅(qū)動結(jié)構(gòu) 14 干涉儀信號處理單元 16 平臺控制器 18 平臺工作面 20 掃描方向 22 干涉物鏡的光軸 24 時刻 26 :t3時刻 28 :t5 時亥Ij
29:t6時刻30 ；:P點干涉信號強度
31=Q點干涉信號強度32單幅圖像范圍(L)
33相干長度34 被測物體上的一點Q
35被測物體上的一點P36:P點的最佳相干位置b:
37:Q點的最佳相干位置h38:Q點的相對高度Ii1
39:P點的相對高度h240采集的圖像
41納米測量機(NMM)的水平移動速度
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測 試系統(tǒng)及方法做出詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，包括 有依次設(shè)置的圖像采集卡2，數(shù)字CXD攝像機3，顯微光學(xué)系統(tǒng)6以及干涉物鏡7，還設(shè)置有 用于支撐與干涉物鏡7相對應(yīng)的被測樣品8的可調(diào)傾斜工作臺9、PC機1和與PC機1相 連的納米測量機17、與可調(diào)傾斜工作臺9相連的工作臺傾斜控制器10，以及白光光源4，其 中，所述的PC機1還分別連接圖像采集卡2和工作臺傾斜控制器10，所述的白光光源4通 過光纖5向顯微光學(xué)系統(tǒng)6提供光源。所述的納米測量機17包括有平臺控制器16、固定可調(diào)傾斜工作臺9的平臺機械結(jié) 構(gòu)13、干涉儀信號處理單元14和電機驅(qū)動控制單元15，所述的平臺機械結(jié)構(gòu)13通過干涉 儀信號處理部分14將信號送入平臺控制器16，所述的平臺控制器16通過電機驅(qū)動控制單 元15控制平臺機械結(jié)構(gòu)13。所述的平臺機械結(jié)構(gòu)13包括有與干涉儀信號處理單元14相連的X，y, ζ激光干涉 儀11，和與電機驅(qū)動控制單元15相連用于驅(qū)動X，y，Z激光干涉儀11的x，y，z0, zl, z2, z3電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)12。本發(fā)明的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的工作原理是整體 的測試系統(tǒng)搭建于納米測量機(NMM) 17上，由PC機1與其進行通訊，通過其內(nèi)部的平臺控 制器16和電機驅(qū)動控制15控制X，y，z0, zl, z2, z3電機驅(qū)動12帶動平臺機械結(jié)構(gòu)13進 行運動。運動過程由x，y，z激光干涉儀11實時標定并通過干涉儀信號處理部分14將反饋 信號送回平臺控制器16。在平臺機械結(jié)構(gòu)13上固定可調(diào)傾斜工作臺9，由PC機1通過工 作臺傾斜控制器10對其進行控制。被測樣品8放置于可調(diào)傾斜工作臺9上。測試過程中， 由平臺機械結(jié)構(gòu)13帶動被測樣品8運動并完成掃描。數(shù)字CCD攝像機3通過顯微光學(xué)系 統(tǒng)6和干涉物鏡7記錄圖像并通過圖像采集卡2傳入PC機1。光學(xué)系統(tǒng)由做為白光光源4 的鹵素?zé)敉ㄟ^光纖5進行照明。如圖2所示，由可調(diào)傾斜的工作臺9抬起一個傾角α 21，納米測量機(NMM)的掃描 方向20與平臺工作面18的方向一致，從而使被測物體8的各部分依次進入干涉物鏡7的 視場并在不同時刻通過干涉物鏡相干平面19，從而完成對整個被測物8的大范圍掃描。如圖3所示，說明了傾斜掃描白光干涉術(shù)的實現(xiàn)過程，設(shè)被測物體8上任意兩個點 Ρ35和Q34，在沿掃描方向20的運動過程中，分別在t3時刻26和、時刻24進入干涉物鏡 的相干長度33內(nèi)，并在t5時刻28和t2時刻25分別于干涉物鏡相干平面19相交形成最佳干涉，并在、和、時刻退出相干長度33的范圍。在單幅圖像范圍(L) 32內(nèi)，由數(shù)字CCD攝 像機3記錄最佳干涉位置。本發(fā)明中所使用的納米測量機(NMM)是德國SIOS公司生產(chǎn)的NMM-I型納米測量 機。本發(fā)明的用于基于納米測量機與傾斜掃描白光干涉術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試系統(tǒng)的 測試方法，是在納米測量機NMM的工作平臺上固定可調(diào)傾斜工作臺，并將被測樣品至于其 上，由PC機控制納米測量機NMM帶動可調(diào)傾斜工作臺沿其傾斜角度完成掃描，掃描過程中， 被測樣品的不同區(qū)域于不同時間通過相干平面并達到最佳干涉，整個過程由CCD數(shù)字攝像 機記錄采集的圖像并經(jīng)由圖像采集卡傳至PC機進行后續(xù)處理；由于在不同的圖像中，被測 物的位置不是固定不變的，而是按一定速度平移，因而對于采集的圖像，可以按照水平方向 的移動速度對相應(yīng)的數(shù)據(jù)在不同圖像中的位置進行追蹤并進行干涉信號的提取，對于提取 所得的信號可以通過重心法的方式對其進行零級干涉條紋的位置進行定位，最終確定表面 形貌。結(jié)合納米測量機NMM的25mmX25mmX5mm的運動能力，從而將測量范圍大大擴展。如圖5所示，由于在掃描過程中被測物體存在水平方向的移動，所以在CCD所采集 的圖像中，被測物體8的位置是不斷的發(fā)生變化的?；谠O(shè)定的納米測量機(NMM)的水平 移動速度41，可以對同一組數(shù)據(jù)的位置在采集的圖像40中的位置進行追蹤從而提取出白 光干涉的強度信號。如圖6所示，本發(fā)明的用于基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的 測試方法，具體包括如下步驟1)首先啟動納米測量機NMM，調(diào)節(jié)數(shù)字CXD攝像機使該數(shù)字CXD攝像機靶面上的 X或y方向與納米測量機NMM工作臺的水平移動方向一致；2)調(diào)節(jié)顯微光學(xué)系統(tǒng)，使該顯微光學(xué)系統(tǒng)在被測物體表面聚焦并選定被測區(qū)域； 調(diào)整可調(diào)傾斜工作臺的傾斜角度；調(diào)節(jié)照明光強，并充滿整個可見波段；設(shè)定掃描的水平 和垂直方向步長，使該項步長與可調(diào)傾斜工作臺的傾斜角度一致；3)開始掃描過程，并由數(shù)字CXD攝像機進行記錄；4)圖像采集卡采集圖像，采集完成后將采集的圖像讀入PC機的MATLAB程序中，根 據(jù)設(shè)定的水平步長跟蹤數(shù)據(jù)點的位置并提取出相應(yīng)的干涉信號；對干涉信號進行處理，求 得零級干涉條紋的位置，從而計算對應(yīng)點的表面高度信息；將所得的表面高度信息以數(shù)據(jù) 條的形式連接起來，獲得更大的表面形貌。如圖4所示，為表面高度信息的提取過程，由數(shù)字CCD攝像機3的單幅圖像范圍 (L) 32記錄的P點35和Q點34的最佳干涉位置b236和1^37，可得其相對高度h239和、38 Ii1 = I^1XSina(1)h2 = b2Xsina(2)其可測量的表面高度范圍H為H = LXSina(3)式中的α為工作臺傾角。本發(fā)明從系統(tǒng)構(gòu)建到測量方法和數(shù)據(jù)提取方法較為詳細的敘述，但本領(lǐng)域的技術(shù) 人員仍然可以在不脫離本發(fā)明內(nèi)容，精神的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行改動，且這些改動或替換對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，它們都被視俄日包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容之中。
權(quán)利要求
一種基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，包括有依次設(shè)置的圖像采集卡(2)，數(shù)字CCD攝像機(3)，顯微光學(xué)系統(tǒng)(6)以及干涉物鏡(7)，其特征在于，還設(shè)置有用于支撐與干涉物鏡(7)相對應(yīng)的被測樣品(8)的可調(diào)傾斜工作臺(9)、PC機(1)和與PC機(1)相連的用于固定可調(diào)傾斜工作臺(9)的納米測量機(17)、與可調(diào)傾斜工作臺(9)相連的工作臺傾斜控制器(10)，以及白光光源(4)，其中，所述的PC機(1)還分別連接圖像采集卡(2)和工作臺傾斜控制器(10)，所述的白光光源(4)通過光纖(5)向顯微光學(xué)系統(tǒng)(6)提供光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的可調(diào)傾斜工作臺9固定在納米測量機(17)中的平臺機械結(jié)構(gòu)(13)。
3 一種用于權(quán)利要求1所述的基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的 測試方法，其特征在于，是在納米測量機的工作平臺上固定可調(diào)傾斜工作臺，并將被測樣品 至于其上，由PC機控制納米測量機帶動可調(diào)傾斜工作臺沿其傾斜角度完成掃描，掃描過程 中，被測樣品的不同區(qū)域于不同時間通過相干平面并達到最佳干涉，整個過程由CCD數(shù)字 攝像機記錄采集的圖像并經(jīng)由圖像采集卡傳至PC機進行后續(xù)處理；對于采集的圖像按照 水平方向的移動速度對相應(yīng)的數(shù)據(jù)在不同圖像中的位置進行追蹤并進行干涉信號的提取， 對于提取所得的信號進行零級干涉條紋的位置進行定位，最終確定表面形貌。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的 測試方法，其特征在于，具體包括如下步驟1)首先啟動納米測量機，調(diào)節(jié)數(shù)字CCD攝像機使該數(shù)字CCD攝像機靶面上的χ或y方 向與納米測量機工作臺的水平移動方向一致；2)調(diào)節(jié)顯微光學(xué)系統(tǒng)，使該顯微光學(xué)系統(tǒng)在被測物體表面聚焦并選定被測區(qū)域；調(diào)整 可調(diào)傾斜工作臺的傾斜角度；調(diào)節(jié)照明光強，并充滿整個可見波段；設(shè)定掃描的水平和垂 直方向步長，使該項步長與可調(diào)傾斜工作臺的傾斜角度一致；3)開始掃描過程，并由數(shù)字CXD攝像機進行記錄；4)圖像采集卡采集圖像，采集完成后將采集的圖像讀入PC機的MATLAB程序中，根據(jù)設(shè) 定的水平步長跟蹤數(shù)據(jù)點的位置并提取出相應(yīng)的干涉信號；對干涉信號進行處理，求得零 級干涉條紋的位置，從而計算對應(yīng)點的表面高度信息；將所得的表面高度信息以數(shù)據(jù)條的 形式連接起來，獲得更大的表面形貌。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的 測試方法，其特征在于，所述的計算對應(yīng)點的表面高度信息，是采用如下的提取過程，由數(shù) 字CXD攝像機3的單幅圖像范圍L記錄的P點和Q點的最佳干涉位置b2和Id1，可得其相對 高度h2和hi Ii1 = Id1X sin αh2 = b2X sin α可測量的表面高度范圍H為H = LX sin α式中的α為工作臺傾角。
全文摘要
一種基于納米測量與傾斜掃描白光干涉微結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)有圖像采集卡，數(shù)字CCD攝像機，顯微光學(xué)系統(tǒng)，干涉物鏡，可調(diào)傾斜工作臺，PC機，納米測量機，工作臺傾斜控制器，通過光纖向顯微光學(xué)系統(tǒng)提供光源的白光光源，PC機還分別連接圖像采集卡和工作臺傾斜控制器。方法是在納米測量機的工作平臺上固定可調(diào)傾斜工作臺，將被測樣品至于其上，由PC機控制納米測量機帶動可調(diào)傾斜工作臺沿其傾斜角度完成掃描，CCD數(shù)字攝像機采集圖像并由圖像采集卡傳至PC機進行后續(xù)處理；對于采集的圖像進行追蹤并進行干涉信號的提取后，進行零級干涉條紋的位置進行定位，最終確定表面形貌。本發(fā)明為無損的檢測，消除了光源熱效應(yīng)的影響，可以實現(xiàn)0.1nm的位移分辨力。
文檔編號G01B11/24GK101975559SQ20101027420
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者傅星, 胡小唐, 郭彤, 陳津平, 馬龍 申請人:天津大學(xué)