基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法与流程

本发明属于光学精密测量领域，涉及到基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法。

背景技术：

在微纳加工领域，对微纳米结构各参数的高精度测量一直是研究者关注的重点，而实现对台阶的快速高精度测量也是研究者一直追求的目标。目前，国内外已有多种成熟手段可以实现台阶高度的高精度测量，相比于会对测量表面造成磨损的接触式测量方法，白光干涉法等非接触式测量法因其高测量精度、高分辨率和无破坏性的显微观察能力而得到广泛应用。

但想要对高度达到几微米、几十微米的大台阶进行测量，多数只能借助于白光光谱干涉、白光垂直扫描干涉等测量方法。在测量台阶时，这两种测量方法在结构上基本相同，区别在于测量时的扫描方式，前者需要在台阶横截面上进行一维线性扫描，后者则需要在台阶垂直方向上进行大范围机械扫描。虽然近年来国内外学者在此基础上提出了变速扫描策略和进行了系统的相关改进，扫描过程不可避免的会受到扫描器振动和外界环境的影响，所以测量精度受到限制，同时使得测量时间增加，测量效率降低。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，提供基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法，该方法只需提取单帧干涉光谱信号，且无需扫描过程。

本发明采用如下步骤实现：

1、将台阶样品放置于样品台上，使光源发出的光聚焦在台阶表面，调节样品台高度，使视场中能够观测到质量较好的干涉信号；

2、调节视场中台阶的位置，使台阶上表面的面积s1和台阶下表面的面积s2相同；

3、调节测量参数使白光干涉光谱信号有较高的对比度，采集光谱信号a；

4、使用矩形窗截取白光干涉光谱信号a中的有效波段w1至w2，对截取后有效波段w1至w2的干涉光谱信号进行傅里叶变换，得到信号频谱图f，信号频谱图f中包含代表台阶上表面和台阶下表面信息的f1峰和f2峰；

5、判断信号频谱图中f1峰和f2峰是否混叠，若发生混叠，则以混叠处位置作为分割点，分别提取f1峰和f2峰后进入步骤6，否则进入步骤7

6、对提取的f1峰和f2峰再次分别进行傅里叶逆变换，得到台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2，进入步骤8；

7、重新使用汉明窗截取白光干涉光谱信号a中的有效波段w1至w2，对截取后有效波段w1至w2的干涉光谱信号进行傅里叶变换，得到信号频谱图f’，信号频谱图f’中包含代表台阶上表面和台阶下表面信息的f1’峰和f2’峰，以f1’峰最大值位置和f2’峰最大值位置的中点位置作为分割点，分别提取f1’峰和f2’峰，对提取的f1’峰和f2’峰再次分别进行傅里叶逆变换，得到台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2；

8、由台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2计算获得包裹相位δ1和δ2；

9、对台阶上表面包裹相位δ1和台阶下表面包裹相位δ2进行解包裹，分别得到台阶上表面解包裹相位和台阶下表面解包裹相位

10、将台阶上表面解包裹相位和有效波段w1至w2分别去除两端处10％的数据，去除数据后的解包裹相位和去除数据后的有效波段的波数进行直线拟合，得到拟合直线的斜率，从而得到台阶上表面光程差d1；将台阶下表面解包裹相位和有效波段w1至w2分别去除两端处10％的数据，去除数据后的解包裹相位和去除数据后的有效波段的波数进行直线拟合，得到拟合直线得斜率，从而得到台阶下表面光程差d2；

11、台阶上表面光程差d1和台阶下表面光程差d2的差值的绝对值即为台阶高度。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

1、本发明的方法基于白光干涉的光谱信号，测量时不需要任何机械扫描过程，只需提取单帧干涉光谱信号，测量时间显著缩短至1秒以内。

2、本发明的方法具有纳米级测量精度。

3、本发明的方法测量流程简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明使用的基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法原理图。

图2是本发明实例1采集的原始大台阶干涉光谱信号。

图3是本发明实例1原始大台阶干涉光谱信号傅里叶变换频谱图。

图4是本发明使用的基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于白光干涉光谱的大台阶高度的快速测量方法，测量台阶时，光源发出的光会聚于样品表面并照亮大台阶上一定范围的区域，台阶上表面和下表面分别产生了不同的干涉光谱信号，最终光谱仪采集到的信号即表现为这两组干涉光谱信号的叠加，如图1所示。通过对采集的白光干涉光谱信号进行加窗，获得有效波段的干涉光谱信号如图2所示。对有效波段的干涉光谱信号进行傅里叶变换后会得到两个傅里叶峰，如图3所示，分别提取两个峰进行计算即可得出大台阶高度。具体步骤如流程图4所示，步骤如下：

1、将台阶样品放置于样品台上，使光源发出的光聚焦在台阶表面，调节样品台高度，使视场中能够观测到质量较好的干涉信号；

2、调节视场中台阶的位置，使台阶上表面的面积s1和台阶下表面的面积s2相同；

3、调节测量参数使白光干涉光谱信号有较高的对比度，采集光谱信号a；

其中ir和im分别代表参考光强和测量光强，δ为包裹相位；

4、使用矩形窗截取白光干涉光谱信号a中的有效波段w1至w2，对截取后有效波段w1至w2的干涉光谱信号进行傅里叶变换，得到信号频谱图f，信号频谱图f中包含代表台阶上表面和台阶下表面信息的f1峰和f2峰；

5、判断信号频谱图中f1峰和f2峰是否混叠，若发生混叠，则以混叠处位置作为分割点，分别提取f1峰和f2峰后进入步骤6，否则进入步骤7

6、对提取的f1峰和f2峰再次分别进行傅里叶逆变换，得到台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2，进入步骤8；

7、重新使用汉明窗截取白光干涉光谱信号a中的有效波段w1至w2，对截取后有效波段w1至w2的干涉光谱信号进行傅里叶变换，得到信号频谱图f’，信号频谱图f’中包含代表台阶上表面和台阶下表面信息的f1’峰和f2’峰，以f1’峰最大值位置和f2’峰最大值位置的中点位置作为分割点，分别提取f1’峰和f2’峰，对提取的f1’峰和f2’峰再次分别进行傅里叶逆变换，得到台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2；

8、由台阶上表面信息f1和台阶下表面信息f2计算获得包裹相位δ1和δ2；

δ＝angle(f)

9、对台阶上表面包裹相位δ1和台阶下表面包裹相位δ2进行解包裹，分别得到台阶上表面解包裹相位和台阶下表面解包裹相位

10、将台阶上表面解包裹相位和有效波段w1至w2分别去除两端处10％的数据，去除数据后的解包裹相位和去除数据后的有效波段的波数进行直线拟合，得到拟合直线的斜率，从而得到台阶上表面光程差d1；将台阶下表面解包裹相位和有效波段w1至w2分别去除两端处10％的数据，去除数据后的解包裹相位和去除数据后的有效波段的波数进行直线拟合，得到拟合直线得斜率，从而得到台阶下表面光程差d2；

11、台阶上表面光程差d1和台阶下表面光程差d2的差值的绝对值即为台阶高度。

h＝|d1-d2|。