（测试计量技术及仪器专业论文）基于白光扫描干涉术的微结构大范围表征方法研究.pdf

摘要 随着现代制造业、微电子、微机电系统( m e m s ) 以及纳米技术的应用发展， 对微结构的测量要求越来越高，其中m e m s 阵列器件、m e m s 多层结构器件、 超精密加工器件对测试系统的测量范围、测量速度和测量精度有着更高要求。基 于白光扫描干涉术的光学方法具有非接触、无损伤、高精度和全视场等特点，可 以满足这些要求。 本课题通过在纳米测量机( n m m ) 上安装光学干涉测量系统，搭建了基于 n m m 的微结构大范围白光扫描干涉测量系统，实现了2 5 m i n x 2 5 m m x5 m m 范 围内的高精度测量。本课题完成的具体工作主要有： 1 通过对国内外微结构几何量测量技术和方法的充分调研，为实现微结构的 大范围高精度测量，在本系统中采用了白光扫描干涉技术。 2 分析了大范围测量的实现原理。首先分析了白光垂直扫描干涉的测量原 理，在此基础上提出了实现大范围测量的两种方法：白光垂直扫描干涉& 图像拼 接和白光水平扫描干涉，并对两种方法的测量原理和处理算法进行了分析。 3 搭建了基于n m m 的大范围高精度白光扫描干涉测量实验系统。其中相应 的硬件包括：m i r a u 干涉物镜、光学成像结构、图像采集部分( c c d 摄像机和图 像采集卡) 、n m m 以及系统的支撑结构等；相应的软件包括：使用l a b v i e w 编写的用于完成扫描干涉测量的控制界面，以及与之相结合的用于后续数据处理 分析的m a t l 镪程序。 4 利用搭建的系统实现大范围测量实验。先利用单色光相移干涉和白光垂直 扫描干涉实验对系统的性能和精度进行了评价，再利用白光垂直扫描干涉、白光 垂直扫描干涉& 图像拼接和白光水平扫描干涉实验完成对微结构在x 、y 、z 三个 方向的大范围高精度测量。 关键词：微结构白光干涉技术大范围纳米测量机包络峰探测算法 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mm a n u f a c t u r i n g ， m i c r o e l e c t r o n i c s ， r i l i c r o e l e c n o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) a n dn a n o t e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o r i i l i c r o s 缸u c n l r e sm e a s u r e m e n ti si n c r e a s i n g m e m sa r r a yd e v i c e s ，m e m sm u l t i - l a y e r 鳓m c t u r e sd e v i c e s ，u l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n gd e v i c e sh a v eh i g h e rd e m a n d so nt 1 1 e i 玎e a s 棚血gr a n g e ，s p e e da n dp r e c i s i o no ft h et e s t i n gs y s t e m w h i t el i g h ts c a n n i n g i n t e r f e r o m e t r yc a nm e e tt h e s er e q u i r e m e n t s ，f o ri ti sn o n - c o n t a c t ，n o n - d e s t r u c t i v ew i t h l l i g ha c c u r a c ya n d f u l lf i e l do fv i e w , e t c i nt h i st h e s i sal a r g er a n g em e a s u r i n gs y s t e mb a s e d o i lt h ew h i t el i g h t i m e r f c r e i l c ea n dn a n o m e a s u r i n gm a c h i n ef n m m ) w a ss e tu pa n dt h es y s t e mc a n a c l l i e v eh i g hp r e c i s em e a s u r e m e n ti nt h er a n g eo f2 5 m m x2 5 m mx5 m m t h em a j o r w o r k si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w e d - 1 a f t e rt h em i c r o s t n l c t u r e sm e a s u r i n gt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b r o a dw e r e i 1 】【v e s t i g a t e d ，w h i t el i g h ts c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r yw a s c h o s e ni nt h i ss y s t e mt oa c h i e v e l a r g er a n g ea n dh i g hp r e c i s em e a s u r e m e n t o ft h em i c r o 。s t r u c t u r e s 2 t h ep r i n c i p l eo fl a r g er a n g em e a s u r e m e n tw a sa n a l y z e d t h em e a s u r i n g p r i n c i p l eo fv e r t i c a lw h i t el i g h ts c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r yw a sg i v e n , w h i c h w a st h e b a s i so fl a r g er a n g em e a s u r i n gm e t h o d s t w om e t h o d si n c l u d i n g v e r t i c a lw h i t el i g h t s c 砌n gi n t e r f e r o m e t r y w i t h i m a g e m o s a i ca n dl a t e r a lw h i t el i g h ts c a n n i n g i n t e r f e r o m e t r yw e r ep u tf o r w a r d a n d t h em e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dp r o c e s s m g a l g o r i t h m so ft h et w om e t h o d s w e r ee x p l a i n e di nd e t a i l 3 t h el a r g er a n g ea n dh i g hp r e c i s i o nw h i t el i g h ts c a n n i n g i n t e r f e r o m e t r i c m e a s u r i n gs y s t e mw a ss e tu po nt h eb a s eo fn m m t h eh a r d w a r ei n c l u d e sm i r a u i i l t e r r 暂e 1 1 c eo b j e c t i v e ，o p t i c a li m a g i n gc o n f i g u r a t i o n , i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ( c c d c a i t i c r aa n di m a g ea c q u i s i t i o nc a r d ) ，n m m ，s y s t e ms u p p o r ts 仃u c m r ea n ds oo n f h e s o n w a r ei n c l u d e st h ei n t e r f a c ec o n t r o l l i n gs o f t w a r ed e s i g n e dl a b v i e w a n dt h ed a t a p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sd e s i g n e db ym a t l a b 4 t h ee x p e r i m e n t su s i n gt h i ss y s t e mw e r ed o n et or e a l i z et h el a r g er a n g e m e a s u r 锄e n to ft h em i c r o s t r u c t u r e s a tf n - s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a s e v a l u a t e db yp h a s e s h i f t i n t e r f e r o m e t r ya n d v e r t i c a lw h i t el i g h ts c a n n i n g i n t e r f e r o m e t r y t h e nt h el a r g er a n g ea n dh i l g hp r e c i s em e a s u r e m e n t sm 石，弘z d i r e c t i o n sw e r ea c h i e v e db yv e r t i c a lw h i t el i g h ts c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r y , v e r t i c a l w h i t el i g h ts c a n n i n gm t e f f e r o m e t r yw i t h i m a g em o s a i ca n dl a t e r a lw h i t el i g h t s c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r y k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r e s ，w h i t e l i g h ti n t e r f e r e n c e ，l a r g er a n g e ， n a n o - m e a s u r i n gm a c h i n e ，e n v e l o pp e a kd e t e c t i n ga l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 染缸 签字日期：枷气年月砷 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：崤缸 签字日期：伊年f 月4 - 日 丫肜阳 、叩r 乃 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 第一章绪论 随着现代制造业、微电子、m e m s 以及纳米技术的应用发展，对微结构的测 量要求越来越高，其中m e m s 阵列器件、m e m s 多层结构器件、超精密加工器件 对测试系统的测量范围、测量速度和测量精度有着更高要求。为实现微结构的大 范围高精度测量，分析了表面微观三维形貌的测量方法，基于白光扫描干涉测量 的光学方法具有非接触、无损伤、高精度和全视场等特点，可以满足这些测量要 求【1 1 。 1 1 微结构测试 1 1 1 微结构的测试需求 对于应用日益广泛的m e m s 器件，包括电子系统和非电子机械组件，则对 m e m s 器件除了进行相关的电子学测试外，还应包括微结构的几何量、机械量、 材料特性、机械力学特性、光学特性、声学特性和磁学特性等多个参数的测试。 由于m e m s 具有结构尺寸小、集成度高等特点，传统的检测技术与方法己不能完 全满足需要，因此对精密检测技术提出了新的要求。m e m s 微结构三维运动特征、 材料特性、机械力学参数、可靠性与失效机理等关键测试问题基本上都可通过 m e m s 几何量和机械量测试技术直接或间接地得以解决。因此，m e m s 几何量和 机械量测试技术是m e m s 测试领域中的重要基础之一【2 1 。 本论文只对m e m s 微结构的几何量测试进行研究。而m e m s 器件大部分是 三维微细结构，其特征结构尺寸一般在微米量级，因此测试其结构和形貌的精度 应在( 亚) 微米甚至纳米量级，这就要求采用高精度的测试技术与设备。其中 m e m s 阵列器件、m e m s 多层结构器件、超精密加工器件对测试系统的测量范 围、测量速度和测量精度有着更高要求。为实现微结构的大范围高精度测量，下 面对微结构的测量方法进行分析，并选择可以满足该测量要求的测量方法搭建实 验系统，实现对微结构的大范围高精度测量。 1 1 2 微结构的测量方法 微结构表面形貌测量方法按其是否与被测表面接触，可分为接触式测量和非 接触式测量两类【3 1 ，图1 1 给出了测量方法的具体分类。 第一章绪论 图1 - 1 表面形貌测量方法分类 l1 2 1 接触式测量 接触式测量中应用最广泛的测量仪是触针式轮廓仪，随着研究的深入，接触 式测量由二维测量逐步发展到三维测量。如图1 2 所示，传统二维接触式轮廓仪 只有x 方向和z 方向两个自由度，如果加上y 方向的一维移动，便能进行简单的三 维测量。国内还没有这类成熟的产品：国际上比较成熟的产品有：英国t a y l o r h o b s o n 公司推出的p g i l 2 5 0 a 型表面轮廓仪和美国v e e c o 公司推出的d d a a k s e r i e sv 型接触式表面轮廓仪等”j 。 图i - 2 接触式表面三维轮廓仪示意图 接触式轮廓仪一般采用金刚石探针扫描被测表面，其横向和纵向分辨率可达 2 0 n m 和o1 n m 甚至更高。接触式测量方法的优点有：测量范围太、分辨率高、 第一章绪论 测量结果稳定可靠、重复性好，此外它还可以作为其他测量技术的比对方法。目 前人们正在对触针的形状、大小、接触力、触针动态特性以及仪器智能化等方面 加以不断完善，来提高接触式测量的使用性能。但它是一种点扫描测量，测量费 时，易划伤被测表面、且测头存在磨损。 1 1 2 2 非接触式测量 非接触式测量方法可实现对表面的无损检测，有助于高精度快速测量，能更 真实有效地反映表面的微观几何形貌。目前的非接触式测量方法所依据的原理主 要是将微结构表面的高度信息转换为光、声、电等易于判别的信号，其中光学方 法的应用最为广泛。光学测量方法是将传统的光学计量技术与信息光学技术和信 息处理技术相结合，以其高分辨率、无损伤、数据获取速度快等优点成为最有前 途的微结构表面几何量测量方法【5 】。 非接触式测量方法主要包括：光学散射法、光学探针法、光学显徼镜法、光 子隧道显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微 镜( a f m ) 等，各种方法所能达到的测量性能见表l 一1 。以下只对光学干涉显微 镜法作较为详细的介绍。 光学干涉显微镜法能同时测量一定区域的表面形貌，横向分辨力取决于显微 镜数值孔径，一般在微米或亚微米量级；横向测量范围取决于显微镜视场，大小 在毫米量级；纵向分辨力取决于干涉测量方法，一般可达纳米或0 。l n m 量级；纵 向测量范围在波长量级。因此干涉显微镜法比较适宜于测量结构单元尺寸在微米 量级，表面尺寸在毫米或亚毫米量级的微结构。利用显微干涉技术的光学轮廓仪 是一种适合m e m s 器件几何特性测量的仪器，目前世界上已经有超过十家公司 拥有这样的产品。与其它光学技术相比，光学干涉显微镜法具有表面信息直观、 测量精度高和全视场三维测量等优点。其中的几种方法包括： 1 相移干涉显微镜法：通过相位范围来测量表面的高度，具有较高的测量精 度和较好的抗振性能；但由于相位的周期性，其纵向测量范围只有亚波长量级。 2 微分干涉相衬显微镜法：利用波面剪切干涉技术实现表面高度的测量，由 于采用共光路设计，抵抗振动和空气干扰的能力很强；但只能用于表面形貌的定 性分析。 3 白光扫描干涉显微镜法：采用白光光源，结构类似于干涉显微镜，通过压 电陶瓷驱动参考镜进行扫描干涉，使干涉条纹扫描过整个被测表面，根据干涉条 纹的光强极值对应表面最佳干涉位置获得表面的高度信息，继而得到被测样品的 三维形貌，具有较高的测量精度，且增大了纵向测量范围。美国z y g o 公司生 产的n e w v i e w6 0 0 0 型三维形貌仪就基于该原理，如图1 3 所示，其测量系统采 第章绪论 用白光作为光源，利用白光干涉的特性( 即在零光程差附近条纹对比度最剧烈) ， 在m i r a u 干涉显微镜的基础上进行政装，通过压电陶瓷驱动参考镜进给实现对被 测表面的扫描，从干涉图样中提取出最佳干涉点所在位置得到各点的相对高度， 描绘出微结构表面的三维形貌。其纵向分辨率一般为0l i i l t i 横向分辨率由显微 镜的数值孔径决定，垂直测量范围可达到毫米量级。 匿1 3 向光扫描十涉甚捌量原理图 表i - l 各种测量方法的性能指标对f 曼表 测量方法分辨率测量范围 垂直方向水平方向 触针式轮廓仪 0 1 r i m2 0 h m o m m 级 散光三角法 05 a nm m 级 离焦检测法 02 r a no6 5 , t o n15 t t r n 光探针干涉法o7 3 a n 0 5 a n 2 5 a n o1 n m l o m m ( w y k on t 9 3 0 0 ) 白光扫描干涉法 0 l n m 微米量级可选1 5 r m n ( z y g on e w v l e w 6 3 0 0 ) 快速表面测量法0 1 m 3 a n o l m m 光子隧道显微镜 l r a n 0 2 a n 扫描电子显徽镜法 1 0 n m2 n m 扫描隧道显徽镜法 0 0 1 n m 2 n m0 - 1 原子力显徽镜 0 1 l l r l l】o h mo 一5u r n 姆啮j 一雌r七 霪一 第一章绪论 经过对微结构测量方法的分析和对光学干涉显微镜法中三种方法的比较，若 对白光扫描干涉显微镜法进行一定实验和算法的改进和完善，应该可以满足对微 结构大范围高精度的测量要求，因此在本系统中采用白光扫描干涉显微测量法来 实现微结构的大范围高精度测量。 1 1 2 3 存在问题 由以上分析可以看出：接触式测量方法存在易划伤被测表面、测头磨损且需 要补偿、不能测量软质表面等缺点；而接触式测量中的光学方法，由于存在衍射 受限和系统横向分辨率由物镜的数值孔径决定等因素，其纵向分辨率和横向分辨 率都略逊于接触式轮廓仪。虽然有些光学测量仪能达到很高的纵向分辨率( o 1 n m 量级) ，但受横向分辨率的限制，其评定出的表面参数常常和其他类型仪器的测 量结果有一定的差别；还有光学测量方法对被测表面的清洁度要求较高，灰尘对 其测量结果影响较大，而接触式测量可以在测量时划去灰尘，受灰尘影响较小。 对于光探针方法，在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时，会出现部分光不能反射 回物镜的情况，造成测量误差；在测量台阶边缘时会夸大测量结果，造成信号严 重失真。对于干涉显微法，在表面形貌上陡峭的斜坡产生的干涉条纹很细很密， 以至于用c c d 摄像机难以探测和分辨。另外，基于光学干涉方法的仪器一般要求 被测表面的材料必须相同，否则必须进行适当的补偿【6 】。 1 1 3 微结构几何量测量的发展趋势 微结构表面形貌的测量经历了接触式测量、非接触式测量以及接触与非接触 测量同时发展的阶段，接触式测量和非接触式测量各有其优缺点及所适用的范 围，两者都朝着高精度、智能化、方便快捷及面向生产实际的方向发展。 微结构表面形貌测量的发展还体现在观念上的变化。根据产品需求和竞争需 要，要求不断地去理解微结构表面形貌的性能，而不仅仅是去检测它们的变化， 根据其性能去指导加工工艺，将微结构表面形貌检测从简单的过程检测角色扩展 到完成加工工艺优化的角色。 从以上分析可以看出，以往的加工与检测的关系可以看成是一个单向的过 程，即加工后通过检测加工表面的质量去评判加工方法和加工工艺的好坏，测量 起到的是一个保证作用；而今后的微结构表面形貌测量技术不仅作为一种评判的 工具，而且要通过它检测得到的微结构表面形貌来指导加工，确立加工手段和工 艺与加工表面质量之间的关系，通过改进加工手段或优化加工工艺的方式得到更 符合零件使用性能要求的表面。 第一章绪论 1 2 白光干涉术的发展现状和趋势 白光干涉的应用有悠久的历史。但直到1 9 8 0 年才由b a l a s u b r a m a n i a n 提出了 第一个实际采用白光干涉原理进行测量的自动三维表面形貌测量系统。他通过采 用以离散步距移动参考镜或者被测物来实现扫描，在每个扫描位置通过测量每个 像素点的条纹对比度来决定表面每个被测点的最大条纹对比度，最大对比度所在 的扫描位置就可以作为特定表面点的相对高度值【1 7 1 。 9 0 年代初，随着白光干涉术研究的深入，很多公司开发了基于该原理的表 面轮廓仪。美国的w y k o 公司研制生产了基于白光相移干涉法的表面三维轮廓 仪；美国的v e e c o 和z y g o 两家公司，也相继推出了基于白光干涉的三维轮廓 仪，且都具有较高的分辨率和较大的测量范围。表1 - 2 给出美国v e e c o 公司的 w y k on t9 3 0 0 9 8 0 0 型轮廓仪和美国z y g o 公司的n e w v i e w6 0 0 0 系列轮廓仪 的主要技术指标。国内，虽然在白光干涉术的研究和轮廓仪的研制方面处于相对 落后的阶段，但也有学校和研究所开发了相同测量原理的表面轮廓测量系统，其 中华中科技大学就成功研制了白光干涉表面轮廓测量系统，但技术指标与国外公 司商业化的产品存在一定差距。 表1 - 2 白光干涉表面三维轮廓仪主要技术指标 技术指标n e w v i e w6 0 0 0 系列w y k on t9 3 0 0 9 8 0 0 型 纵向测量分辨率可达0 1 n m o 5 5 缈 横向测量范围 0 0 4 - 17 5 m mo 0 5 8 4 5 m m 白光干涉术采用的是连续波长的宽光谱光源，相干长度只有1 至2 微米，干 涉条纹最大值只出现在光程差为零的位置，从而克服了单波长相移干涉中的条纹 级次模糊问题，使测量深槽及其侧壁结构成为了可能；其次，由于白光干涉术采 用了非接触式测量，测量速度也大大加快，克服了在扫描电子显微镜，原子力显 微镜和机械式轮廓仪中存在的样品制备，测试周期长及容易划伤器件等问题。 由于白光干涉术的种种优势，引起了国外研究机构的广泛重视，并针对微结 构几何量测试进行了深入的研究。p e t e rd eg r o o t ，x a v i e rc o l o n n ad el e g a 和j i m k r a m e r 等人研究了白光干涉信号中条纹级次的判定方法，完善了白光干涉中的相 位辨识技术嗍；他们又采用新的采样模型对傅立叶变换后的干涉信号进行采样， 对通过傅立叶变换获取白光干涉包络峰位置的方法进行了探索【9 】；a n d r e a s 6 第一章绪论 p f o e r t n e r ，j o h a n n e ss c h w i d e r 等人研究了自光干涉中的色散现象，以及其对测量 精度带来的影响【1 0 1 ；j a nn i e h u e s 等人将传统的双波长相移干涉技术引入白光干涉 术中，提高了白光干涉的测量精度1 1 1 。 针对白光干涉术存在的测量速度慢、无法测量封装器件、相对于相移干涉测 量精度不够高等缺点，日本的k a t s u i c h ik i t a g a w a 提出了欠采样、白光相移干 涉、厚透明薄膜的测量和薄透明薄膜的测量等解决方法【l2 】；针对白光垂直扫描干 涉测量范围受视场限制和引入图像拼接会造成测量误差，为扩大白光干涉的测量 范围，美国的a r t u ro l s z a k 提出了使相干平面倾斜的水平扫描，并提出水平扫描 保证了测量精度、消除了沿一个方向的图像拼接、并提高了测量速度【l 引。 从以上概况可知，目前对于白光干涉的研究仍处于对算法的改善以提高精度 阶段。而在已经有的白光干涉技术中，仍然存在着测量范围小，不能进行多参数 测量，和在对某些含深槽等结构器件的测量中，由于衍射导致相干峰偏移，结果 不够理想，以及测试速度慢等问题【1 4 1 。随着m e m s 阵列器件、m e m s 多层结构器 件、超精密加工器件对测试系统的测量范围、测量速度和测量精度有着更高要求 1 1 5 3 。因此，如何在保证高精度测量的同时扩大测量范围成为光学测量方法( 包 括白光扫描干涉测量技术) 发展需要解决的问题，也是其发展的趋势。 对于白光扫描干涉测量技术，最先出现的是白光垂直扫描干涉法，该方法克 服了相移干涉中的相位模糊及测量高度小等问题，具有较高的测量精度，且可以 测量垂直梯度较大的不连续表面。但由于垂直扫描的测量范围受到视场的限制， 为了扩大测量范围，提出了两种改进方案： 1 引入图像拼接技术，这样在保持垂直扫描测量精度的同时扩大了测量范 围，但拼接误差不可避免的影响到测量精度； 2 采用横向扫描技术，即用被测样品的横向位移代替垂直位移，干涉显微 镜的光轴与横向位移方向不再垂直，而是保持一定的夹角，因此表面上不同高度 的位置随横向位移不断到达最佳干涉位置，其中横向扫描技术的水平测量范围得 到扩大，但其测量精度有待进一步的考证。 1 3 课题来源与主要研究工作 本课题受到天津市自然科学基金项目一基于倾斜扫描干涉术的微器件几何 量大范围测试方法研究，科技部国际科技合作与交流项目一微纳米结构加工与表 征技术的研究，国家8 6 3 计划项目一微结构的多尺度光学测试技术及系统等研究 项目的资助，研究基于白光扫描干涉术的微结构大范围表征方法。 本课题为实现微结构的大范围测量，搭建了基于纳米测量机( n m m ) 的白 第章绪论 光扫描干涉微结构大范围高精度测量实验系统。本课题的主要研究内容如下： 1 分析了大范围测量的实现原理。首先分析了基于白光扫描干涉技术的白光 垂直扫描干涉，在此基础上了提出了大范围测量的方法，包括白光垂直扫描干涉 & 图像拼接和白光水平扫描干涉，并对其测量原理和算法进行了分析。 2 搭建了基于n m m 的大范围高精度白光扫描干涉测量实验系统，其中相应 的硬件包括：m i r a u 干涉物镜、光学成像结构、图像采集部分( c c d 摄像机和图 像采集卡) 、n m m 以及系统的支撑结构等；相应的软件包括：使用l a b v i e w 编写的用于完成扫描干涉测量的控制界面，以及与之相结合的用于后续数据处理 分析的m a t l a b 程序。 3 利用搭建的实验系统实现大范围测量，利用相移干涉和白光垂直扫描干涉 对系统的性能和精度做了评价实验，利用白光垂直扫描干涉、白光垂壹扫描干涉 & 图像拼接和白井水平相描千涝章骀窨成对街结构存y 、v 、z = 个方商的女范围 高精度测量。 第二章基于自光扫描干涉术的大范围测量原理 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 本章分析了基于白光扫描干涉术的大范围测量原理，首先阐述白光干涉的典 型特性及其在白光扫描干涉术对微结构几何量测量的应用以及白光垂直扫描干 涉和白光水平扫描干涉的测量原理，然后给出了图像拼接技术中图像配准和图像 融合算法和白光扫描干涉测量中最佳干涉位置的提取算法。 2 1 白光扫描干涉测量方法的原理 白光扫描干涉测量方法是一种新兴的非接触式表面微观三维形貌测量方法， 在双光束干涉技术的基础上，利用白光干涉的典型特性，通过定位表面各点的最 佳干涉位置来获得表面各点相对高度，继而重构表面的三维形貌。 2 1 1 白光千涉的典型特性 光的干涉现象是指两列频率相同、振动方向相同、位相相同或相差恒定的光 波叠加，一些地方振动始终加强，而另一些地方振动始终减弱，产生稳定的明暗 交替条纹的现象。任何的干涉测量都是基于光波的这种基本现象【1 6 】。 由于白光光源是包含了整个可见光谱的连续光谱，在发生干涉时，各波长光 波将产生各自的一组干涉条纹，光程差= 0 ( 零级条纹处) 处各光波的零级条 纹完全重合，随着光程差和干涉级数的增加各光波的干涉条纹彼此逐渐错开，这 种错开使干涉条纹对比度逐步下降，而当光程差和干涉级数达到一定程度时干涉 条纹将消失，这就是白光干涉的典型特性，如图2 1 所示。 a 一各谱线光强曲线b - 合成光强曲线 c 一光强包络曲线 图2 - 1 白光干涉条纹光强合成曲线图 9 第二章基于自光扫描干涉术的太范围涮量原理 如上所述，在白光干涉中光源光谱中各波长光都参加干涉，并将各自的干涉 强度分布叠加到最后形成的干涉图像中。假设光源光谱呈高斯型分布，用归一化 的高斯函数表示为： h v ) 2 击h ) 2 】 ( 2 _ 1 ) 式中，v 表示光谱的半高宽，即有效宽度，v o 表示光谱的中心频率。根据维纳 辛钦定理，归一化的干涉方程由光谱的傅立叶变换得到： g ( f ) = j 。s ( v ) e x p ( - i 2 n v r ) d v = e x p ( 一4 口2 ，a v 2 ) q 一i 2 n v o r ) ( 2 2 ) 假设被分光器分开的两束光的强度相等，即嘶= 可，。“和，吲分别表示测量 光束和参考光柬的光强，则在探测器上得到的干涉强度为： l ( z ) = ，o r e 1 + g ( f ) )( 2 - 3 ) 式中，l o = 2 k = 2 ，一，：为测量臂的长度，将式( 2 - 2 ) 代八式( 2 3 ) ，并用 r = 兰i ! 孑型，= i c ，a v = 者替代式( 2 - 2 ) 中的相应变量，其中为参考臂 的长度，c 为光速， 为中心波长，i 为光源的相干长度则得： t z ) = 1 。 l + “p 卜( 三；鱼) 2 】c o 缸4 三) ( 2 _ 4 ) f r如 由上式可知，白光干涉条纹是个被高斯函数包络的、周期为生的余弦函数， 2 条纹的有效范围由华决定，与光源相干长度成正比即与光源光谱宽度成反 ，。 比。对于光谱范围很宽的白光光源，只有在：。附近才有干涉条纹的分布。 盛 a ) 白光的干涉条纹图m ) 红光的干涉条纹图 c ) 白光干涉条纹的强度图 ( d ) 红光干涉条纹的强度图 圈2 - 2 白光和红光干涉对比圄 瓤讽 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 将自光干涉的典型特性与单色光干涉进行比较。由于单色光具有较长的相干 长度，因此可以在较大的光程差范围内获得干涉条纹；而白光光源的相干长度短、 时间相干性差，由它产生的两束相干光波之间的允许光程差很小，基本上干涉条 纹仅出现在白光相干长度内的1 到2 微米内，且干涉光强的极值出现在测量光与 参考光等光程的位置上，如图2 2 所示突显了白光干涉的典型特性。 依据白光干涉的典型特性，考虑使干涉条纹移动，并使其扫描整个被测表面， 那么对于被测表面上的各点，其扫描过程的光强变化将呈现出与图2 2 ( c ) 类似 变化趋势，即在光程差接近零时条纹对比度变化剧烈且呈现非周期性，零级条纹 很容易与其它级条纹相区别，则可以对最佳干涉位置进行定位【1 8 】。图2 3 所示为 干涉条纹扫描某一平面时，随机两点a 和b 的采样光强变化曲线，可知a 点在第 3 8 个采样点处干涉光强达到最大值2 1 0 ，b 点在第5 1 个采样点处干涉光强达到 最大值2 1 9 ，则平面上不同高度的点会在不同的采样点达到干涉光强最大值。 图2 3 平面上任意两点干涉光强变化曲线图 2 1 2 白光扫描干涉测量方法 在利用白光干涉测量微结构表面三维形貌时，为定位被测表面各点的最佳干 涉位置，采用扫描方式改变参考镜或者被测表面的位置，以获得被测点干涉光强 变化的离散数据，再依据白光干涉的典型特性判别并提取最佳干涉位置。将该方 法称为白光扫描干涉测量法【l9 1 。 为实现大范围高精度微结构表面测量，在白光垂直扫描干涉研究相对较成熟 基础上，提出与垂直扫描相对的白光水平扫描干涉测量。其中，垂直扫描是指被 测样品沿光轴方向移动实现干涉条纹的扫描，完成对某一特定区域( 测量范围受 视场大小的限制，后面引入图像拼接) 的测量；水平扫描是指被测样品沿与光轴 成一定夹角的方向移动实现干涉条纹的扫描，完成大范围测量。垂直扫描和水平 扫描的测量原理相同，不同的是两种测量方法的实现【2 0 2 1 1 。 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 2 1 2 1 自光垂直扫描干涉测量 根据白光干涉的典型特性，垂直扫描的实现过程是：工作台带动被测样品沿 光轴方向按一定的步长移动完成干涉条纹的扫描，如图2 _ 4 。被测样品表面上各 点根据其自身相对工作台平面的高度在 = 作台移动到一定位置时与相干平面相 交达到最佳干涉；由吾点达到最佳干涉时对应工作台的位置( 或相对移动距离) 可推导出各点的相对高度信息。 图2 4 垂直扫描的示意图 国2 - 5 垂直扫描的实现过程 图2 - 5 所示为垂直扫描过程中不同高度点对应的干涉条纹强度变化。其中， p 点和q 点是被测样品表面上不同高度的两点，工作台带动被测样品沿扫描方向 第二章基于白光扫描干涉术的大范甩测量原理 由下到上按一定的步长移动。由时间零点( 参考面) 开始，在工作台的带动下p 点和q 点分别在不同的时刻t 。和t ，进入干涉区、t ，和f 与相干平面相交达到最佳 干涉、t ；和r 。移出干涉区，且不同时刻对应工作台不同位置( 或不同移动距离) ， 则t ，和f 对应p 点和q 点相对参考面的高度、f ，和f 。的时刻差对应p 点和q 点的 高度差，由此得到被铡样品表面上特定区域内各点的相对高度信息。 由于垂直扫描只存在垂直方向的移动，因此在单次扫描测量中：各点的相对 位置在扫描过程采集的图像中是不变；被测样品表面上相同高度的点会在扫描过 程中同一幅图像中达到或接近最佳干涉；可测量高度范围理论上受干涉测头工作 距离的限制，但可测量水平范围受视场的限制。在垂直扫描实验中，一般先根据 被测样品表面形貌状况( 演0 量区域内最高点和最低点) 设置扫描的上下限来确 定垂直扫描范围，即最高点进入干涉区和最低点移出干涉区时工作台对应的位 置；再根据需要的测量精度确定工作台的移动步长。 2 122 自光水平扫描干涉测量 为实现大范围高精度测量，相对于垂直扫描提出了水平扫描干涉测量的新方 法。白光水平扫描干涉测量是对垂直扫描干涉测量方法的一种改进，两者均是基 于白光干涉特性的测量方法。水平扫描相对于垂童扫描的根本区别在于扫描实现 的方法不同，由于在扫描移动中存在水平方向的移动称为水平扫描。水平扫描的 实现过程是：工作台带动被测样品沿与光轴成一定夹角的方向按一定的步长移动 完成干涉条纹的扫描口啦”。具体的实现方法有：光轴倾斜和工作台倾斜两种。 1 光轴倾斜实现水平扫描 图2 - 6 光轴倾斜实现水平扫描的示意图 光学系统光轴的倾斜导致相干平面相对水平面倾斜工作台带动被测样品沿 水平方向按一定的步长移动完成干涉条纹的扫描，如图2 - 6 。由于扫描方向与光 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 轴存在夹角，可测量的水平范围得到增大；但视场宽度和相干平面倾斜角度限制 了可测量的高度范n t l7 1 。 图2 7 光轴倾斜水平扫描的实现过程 钉 飞兰：h 柿相对平面 o 、 j 光轴 、： 图2 8 光轴倾斜中高度信息的提取 图2 7 所示为光轴倾斜实现水平扫描过程中不同高度点对应的干涉条纹强度 变化。其中，p 点和q 点是被测样品表面上不同高度的两点；工作台带动被测样 品沿扫描方向由右到左按一定的步长移动。由时间零点开始，在工作台的带动下 p 点和q 点分别在不同的时刻t ，和t ，进入干涉区、t ，和t ，与相干平面相交达到最 佳干涉、t 。和t 。移出干涉区，且不同时刻对应工作台不同位置( 或不同移动距离) 。 由于采集图像的视场固定不变，被测样品沿水平方向移动，则被测样品上各 1 4 第二章基于自光扫描干涉术的犬范围测量原理 点在扫描过程中所采集的图像上的位置是沿某一个方向变化的：若保证能采集到 p 点和q 点在t ，和t 。时的最佳干涉图样，可以根据最佳干涉在图像中的位置( 如 图2 - 8 中，b 1 和b 2 ) 确定两点的相对高度信息( 如图2 - 8 中，h l 和h 2 ) ，再根 据达到最佳干涉t ，和t 、时工作台的位置( 戚移动距离) 确定两点在被测样品表面 的位置信息。由此，在水平扫描的数据处理中需要同时考虑被测点的高度信息 及其在被测样品表面的位置信息。 2 工作台倾斜实现水平扫描 由光轴倾斜实现水平扫描的方法推出水平扫描的另一种实现方法，由工作台 倾斜代替光轴倾斜，工作台带动被澍样品沿与水平面成一定夹角的方向移动完成 干涉条纹的扫描，如图2 - 9 。由于扫描方向与相干平面存在夹角，可测量的水平 范围得到增大：但视场宽度和相干平面倾斜角度限制了可测量的高度范围。 圈2 - 9 工作台倾聋 水平扫描的实现过程 图2 1 0 所示为工作台倾斜实现水平扫描过程中不同高度点对应的干涉条纹 强度变化。其中，p 点和q 点是被测样品表面上不同高度的两点；工作台带动被 测样品沿扫描方向按一定的步长移动。由时问零点开始，在工作台的带动下p 点和q 点分别在不同的时刻t 和t ，进入干涉区、f ，和t 。与相干平面相交达到最佳 干涉、t 。和退出干涉区且不同时刻对应工作台不同位置( 或不同移动距离) 。 与光轴倾斜的状况相同，采集图像的视场固定不变，被测样品沿扫描方向移 动则被测样品上各点在扫描过程中所采集的图像上的位置是沿某一个方向变化 的；若保证能采集到p 点和q 点在l ，和f ；时的最佳干涉图样可以根据最佳干涉 在图像中的位置( 如图2 - 1 i 中，b l 和b 2 ) 确定点的相对高度信息( 如图2 - 1 1 中h l 和1 1 2 ) ，再根据最佳干涉时( i ，和t 。) 工作台的位置( 或移动距离) 确定 点在被测样品上的位置信息。由此，在水平扫描的数据处理中，需要同时考虑被 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 测点的高度信息及其在被测样品表面的位置信息。 图2 1 0 工作台倾斜水平扫描的实现过程 图2 1 1 工作台倾斜中高度信息的提取 在水平扫描中所涉及的实验参数比垂直扫描要多，对其参数关系做简单分 析。为满足一定的测量精度，设定垂直步长a z 1 0 0 n m ，设c c d 的视场为m n ( 单位为像素) ，像素标定值为，工作台倾斜角度为口，则： x 方向单幅图像的测量范围为：l - - n ， 由a z a x = t a n 口，得： 缸= a z t a n 口1 0 0 n m t a n 口，且保证缸，= m ( m 为正整数) 1 6 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 则可测量的表面高度范围为； h = n x ，xs i n 口 ( 2 5 ) 在水平扫描中，被测样品表面的点会在不同时刻与相干平面相交达到最佳干 涉，在充足的扫描范围内进给，可以实现大范围测量。分析以上水平扫描的两种 实现方法，可知：被测样品表面上各点在扫描过程中所采集的图像上的位置是沿 某一个方向变化的；被测样品表面上相同高度的点与相干平面相交的位置相同， 该位置在c c d 视场中的位置相同，不同的是最佳干涉出现在不同的图像中；在 数据处理时，需要同时确定被测点的高度信息及其在被测样品表面的位置信息， 可以根据水平移动步长及移动方向对数据条进行跟踪；可测量水平范围增大，可 测量高度范围受限制。 2 1 2 3 垂直扫描和水平扫描的比较 表2 1 给出了白光垂直扫描干涉测量和白光水平扫描干涉测量的对比。 表2 1 垂直扫描和水平扫描的比较 垂直扫描水平扫描 测量原理白光干涉的典型特性白光干涉的典型特性 相干平面与扫描移动 垂直 夹角( 锐角) 方向关系 相同高度的被测点达到在扫描采集的在干涉视场中 最佳干涉位置关系同一幅图像位置一样 被测点在扫描采集图像相对位置不变相对位置沿某一方向 中位置移动 需重构信息高度信息 高度及位置信息 可测量水平范围受视场的限制理论上不受限制 可测量高度范围 受测头工作距离的受倾斜角度和视场的 限制限制 增大测量范围的 引入图像拼接增大倾斜角度 解决方法 2 2 图像拼接 为实现大范围高精度的测量，在垂直扫描中引入图像拼接技术来克服垂直扫 描受视场限制而无法实现水平大范围测量的缺点。将被测样品表面分割成有重叠 第二章基于白光扫描干涉术的大范围测量原理 部分的子区域分别测量，再利用重叠区域将相邻的图像进行拼接，从而达到大范 围高精度的测量要求。图像拼接的前提条件是相邻图像之间有一部分在逻辑上是 相同的，即必须有一定的重