专利名称：基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种微结构形貌测试方法。特别是涉及一种综合了干涉信号中光强信 息与相位信息，应用于大范围的微结构三维形貌非接触测量的基于白光相移干涉术的微结 构形貌测试系统及测试方法。
背景技术：
微机电系统(microelectromechanical system, MEMS)是指将传感器、处理器、执 行器以微结构的形式结合成为一个完整的系统，并使之具有感知，分析判断和反应的能力。 在过去的三十多年间，微机电系统及相关技术取得的迅速发展使得其相关产品已经渗透到 了几乎人类生活的每一个领域并发挥着巨大的影响。从微传感器，微机械零件，到医疗仪 器，电子器件等等，微机电技术在不断减小传统机电系统的尺寸与成本的同时，却成千上万 倍的提高了系统的表现，也在如汽车工业，基础研究，信息通信，国防航天等领域开辟着新 的市场，并不断的显现出巨大的潜力。MEMS技术涉及到物理、化学、生物、机械、电学、光学、材料等多个领域，是一门典型 的综合性交叉学科。其相应的产品也通常处于微米或纳米的尺度范围内，并呈现出很多与 宏观不同的物理现象，这也给MEMS器件生产的质量控制和检测带来的很大的困难，传统的 接触式检测方法已经很难满足需求。目前，MEMS器件的检测主要以光学方法为主，主要包括激光共焦扫描显微镜，三角 法，自动聚焦法，显微干涉术等方法。这其中，显微干涉术由于可以实现快速的全视场测量而 越来越得到广泛的重视。通常，显微干涉术又被分为单色光显微干涉与白光显微干涉。单色 光显微干涉使用单色光作为照明光源，通常使用相移法进行测量，测量分辨力可达0. Inm0但 是，由于单色光的相干长度较长，又会带来相位模糊问题，使之无法对所取得的相位图进行正 确的解包裹运算。为了避免这一问题，就要求被测样品表面上相邻位置点的高度差不能大于 四分之一照明光波长。这一缺陷限制了单色光相移法的应用，使之只能应用于光滑或连续变 化的表面。然而，随着IC集成工艺和MEMS技术的发展，器件本身要求的深宽比越来越大，单 色光相移法对这种结构就显得无能为力了。于是，白光显微干涉术成了应用于这类结构测试 的主要方法。它使用宽光谱的白光作为照明光源，因而具有更短的相干长度，从而避免了单色 光干涉中的相位模糊问题。却同时降低了测量分辨力，并在测量某些高度小于所用白光中心 波长的结构时，边缘会产生由于衍射所带来的过冲现象。因此，单色光相移干涉术与白光干涉 术各有适用范围，只有在相应的范围内才能得到理想的测量结果。比较单色光相移干涉术与白光相移干涉术，两种方法各有优劣，而如何综合两种 方法的优点从而能以较高的测量分辨力对不同的尺寸的MEMS器件进行测量成为了显微干 涉术中的一个重要研究领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种不但能够提高白光干涉术的测量精度，而且在对高度小于白光光源中心波长的结构测量中，能够有效的降低衍射影响的基于白光 相移干涉术的微结构形貌测试系统及测试方法。本发明所采用的技术方案是一种基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统及 测试方法，其测试系统，包括有依次设置的数字CCD摄像机、显微光学系统、压电陶瓷驱动 器、干涉物镜以及与压电陶瓷驱动器相连的压电陶瓷控制器，还设置有向显微光学系统提 供光源的白光光源和PC机，所述的PC机通过图像采集卡与数字CXD摄像机连接，所述的PC 机通过图像采集卡还连接压电陶瓷控制器，所述的干涉物镜的输入端对应于设置在隔振平 台上的被测样品。用于基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方法，通过移相器带动干 涉物镜以等步长对被测物体进行垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，并由数字CCD摄像 机记录采集的图像；PC机对扫描图像滤波后提取单个象素的得到白光干涉信号，对所得的 干涉条纹，首先要减去其背景光强值，并通过重心法确定其重心；然后基于重心位置确定需 要进行相位计算的数据组，求得相应位置处的相位值，将相位计算定位在零级条纹上，通过 计算零级条纹上一位置处的相位信息，求得此位置与零级条纹位置的偏差；通过综合干涉 信号的强度信息与相位信息以确定零级干涉条纹的位置，从而实现表面高度信息的提取。在对提取的白光干涉零级条纹进行定位的过程中使用了四步等步长相移法。使用等步长四步相移干涉法求得相位值后，对该相位值进行展开操作，将其展开 至四象限。在求得相位值后，由相位信息转化为距离信息的过程中，考虑了干涉物镜数值孔 径的影响，并引入了数值孔径参数。本发明的基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统及测试方法，具有如下技术 特点和技术效果1、本发明是一种非接触式测量方法，测量过程对被测样品的影响极小；2、本发明是一种场式测量，测量范围由CCD靶面尺寸和物镜的视场决定，测量效
率闻；3、本发明使用重心法确定需要进行相位计算的数据组，从而避免了相位解包裹过 程；4、本发明使用了干涉信号的强度信息与相位信息，对衍射有很好的抑制能力，可 以有效的测量通常使用单色光相移干涉术测量的结构，扩展了测量范围，并提高了测量分 辨力。
图1是本发明的测试系统构成示意图；图2是采集所得的白光干涉信号位置图；图3是白光相移干涉的原理图；图4是白光相移干涉的信号处理流程图。其中1:PC机2:图像采集卡3 白光光源4 数字CCD摄像机
4
5 显微光学系统7 干涉物镜9:隔振平台
6 压电陶瓷(PZT)移相器 8 被测样品
10 压电陶瓷(PZT)驱动器11:所采集的离散信号12:连续干涉信号13 移除背景光强的干涉信号14 连续干涉信号的重心位置15 距连续干涉信号的重心位置最近的位置点16 移除背景光强的干涉信号零级条纹的真实位置ζ17 相位值的对应位置d18 真实位置ζ与相位值的对应位置d的位置差Δ
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统 及测试方法做出详细说明。本发明的基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统，包括有依次设置的数字 CXD摄像机4、显微光学系统5、压电陶瓷(PZT)移相器6、干涉物镜7以及向显微光学系统 5提供光源的白光光源3，与压电陶瓷(PZT)移相器6相连的压电陶瓷(PZT)驱动器10，还 设置有PC机1，所述的PC机1通过图像采集卡2与数字CXD摄像机4连接，所述的PC机1 通过图像采集卡2还连接压电陶瓷(PZT)驱动器10，所述的干涉物镜7的输入端对应于设 置在隔振平台9上的被测样品8。整个系统可以放置于隔振平台9上，并由白光光源3进行照明；测试时由PC机1 通过压电陶瓷驱动器10控制压电陶瓷移相器6带动干涉物镜7对被测样品8进行由上至
下的等步长垂直扫描，扫描步长不超过f;干涉图像由数字CXD摄像机4进行采集，并由图
像采集卡2传送至PC机1。本发明所使用的上述硬件设备都是基于现有的商业设备。本发明的用于基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方法，是通过移 相器带动干涉物镜以等步长对被测物体进行垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，并由数 字CCD摄像机记录采集的图像，并传送到PC机；PC机对扫描图像滤波后提取单个象素的 得到白光干涉信号，对所得的干涉条纹，首先要减去其背景光强值，并通过重心法确定其重 心；然后基于重心位置确定需要进行相位计算的数据组，求得相应位置处的相位值，将相位 计算定位在零级条纹上，通过计算零级条纹上一位置处的相位信息，求得此位置与零级条 纹位置的偏差，从而省去了相位解包裹过程；通过综合干涉信号的强度信息与相位信息以 确定零级干涉条纹的位置，从而实现表面高度信息的提取。在求得相位值后，由相位信息转 化为距离信息的过程中，考虑了干涉物镜数值孔径的影响，并引入了数值孔径参数。在对提取的白光干涉零级条纹进行定位的过程中使用了四步等步长相移法。使用 等步长四步相移干涉法求得相位值后，对该相位值进行展开操作，将其展开至四象限。对于高度小于所用白光光源中心波长的被测样品，也可以使用本方法进行测量， 并能有效地抑制器件结构边缘出现的过冲现象。如图2所示，为本发明进行测量实施例的流程图，主要分为以下几个步骤
权利要求
一种基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统，包括有依次设置的数字CCD摄像机(4)、显微光学系统(5)、压电陶瓷驱动器(6)、干涉物镜(7)以及与压电陶瓷驱动器(6)相连的压电陶瓷控制器(10)，其特征在于，还设置有向显微光学系统(5)提供光源的白光光源(3)和PC机(1)，所述的PC机(1)通过图像采集卡(2)与数字CCD摄像机(4)连接，所述的PC机(1)通过图像采集卡(2)还连接压电陶瓷控制器(10)，所述的干涉物镜(7)的输入端对应于设置在隔振平台(9)上的被测样品(8)。
2.一种用于权利要求1所述的基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方 法，其特征在于，通过移相器带动干涉物镜以等步长对被测物体进行垂直扫描，使干涉条纹 扫过被测区域，并由数字CCD摄像机记录采集的图像；PC机对扫描图像滤波后提取单个象 素的得到白光干涉信号，对所得的干涉条纹，首先要减去其背景光强值，并通过重心法确定 其重心；然后基于重心位置确定需要进行相位计算的数据组，求得相应位置处的相位值，将 相位计算定位在零级条纹上，通过计算零级条纹上一位置处的相位信息，求得此位置与零 级条纹位置的偏差；通过综合干涉信号的强度信息与相位信息以确定零级干涉条纹的位 置，从而实现表面高度信息的提取。
3.根据权利要求2所述的用于基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方 法，其特征在于，在对提取的白光干涉零级条纹进行定位的过程中使用了四步等步长相移 法。
4.根据权利要求3所述的用于基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方 法，其特征在于，使用等步长四步相移干涉法求得相位值后，对该相位值进行展开操作，将 其展开至四象限。
5.根据权利要求2所述的用于基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统的测试方 法，其特征在于，在求得相位值后，由相位信息转化为距离信息的过程中，考虑了干涉物镜 数值孔径的影响，并引入了数值孔径参数。
全文摘要
一种基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统及测试方法，系统有依次设置的数字CCD摄像机、显微光学系统、压电陶瓷驱动器、干涉物镜以及与压电陶瓷驱动器相连的压电陶瓷控制器，还有提供光源的白光光源和PC机，PC机通过图像采集卡与数字CCD摄像机连接，PC机通过图像采集卡还连接压电陶瓷控制器，干涉物镜的输入端对应于设置在隔振平台上的被测样品。方法是通过移相器带动干涉物镜对被测物体进行垂直扫描并记录采集的图像；通过重心法确定其重心；通过计算零级条纹上一位置处的相位信息，求得此位置与零级条纹位置的偏差；通过综合干涉信号的强度信息与相位信息以确定零级干涉条纹的位置。本发明测量效率高，扩展了测量范围，并提高了测量分辨力。
文档编号G01B11/245GK101949692SQ201010274210
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者傅星, 胡小唐, 郭彤, 陈津平, 马龙 申请人:天津大学