基于白光干涉术的微器件三维表面形貌恢复研究.pdf

第 30卷第 4期 佛山科学技术学院学报(自然科学版) Vo1．30NO．4 2012年 7月 JournalofFoshanUniversity(NaturalScienceEdition) Jut．2012 文章编号 ：1008—0171(2012)04—0036~05 基于 白光干涉术的微器件三维表面形貌恢复研究 申 路 。，王宇华 卜，杨永强。 (1．佛 山科学技术学院机 电工程系。广东佛 山528000； 2．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640) 摘要 ：白光干涉测量技术是光学测量中一种非常重要的方法 。介绍 了自光干涉测量的原理及系统构成 ．提 出了 基于局部峰点插值提取白光干涉信号包络 的算法 。对局部峰点插值提取包络算法的实现和数据处理的过程进 行 了讨论 ，得到了清晰的三维表面形貌图像。 关键词 ：白光干涉；包络线 ；三维表面形貌 中图分类号 ：TH703 文献标志码 ：A 随着我国现代制造业 、微电子、微机 电系统 (MEMS)以及纳米技术的迅速发展，零件尺寸和结构 日 趋小型化，使得精密器件的测量出现困难 。尤其是MEMS阵列器件、MEMS多层结构器件、超精密加工 器件等，这些器件对测试 系统的测量范围、测量速度和测量精度有着更高的要求_】j。 目前国内外针对测量微纳米结构器件几何尺寸的方法大致有两种，即解剖测试和轮廓测试。解剖测 试常用 的仪器有扫描电子显微镜 (SEM)、扫描隧道显微镜 (STM)等 ，其优点是能把测试 区域放大上千 倍 ，可以清晰地看到每个部位 的微小形貌特征；其缺点是只能通过破坏器件结构的方法进行测量 ，不适 用于在线测试 ，不能实时地对提高器件性能提供有效帮助L2]。传统的触针式测量法的优点是测量直观、 精度高 ；其缺点是在测量的同时会划伤被测表面，且逐点扫描使得测量三维表面需要花费很长时间L3]。 而 自光干涉测量技术由于其量程大、非接触、灵敏度高、无损伤、精度高的特点 ，越来越广泛的被应用在 精密器件的测量中。本文基于 白光干涉测量技术，对微器件三维表面形貌恢复进行探讨 。 1 测量原理 由于 自光光源包含了整个可见光的连续光谱，因此在发生干涉时，各波长光波将产生各 自的一组干 涉条纹 。在光程差 △一0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，当光程差和干涉级数达到一定程度时，干涉 条纹就消失 。 白光干涉测量法是利用白光干涉的这种典型特性，通过采用某种零光程差点识别算法对于涉图样 数据进行分析处理 ，提取每个像素点采集到的零光程差点，进而得到被测表面各点的相对高度，完成对 器件表面的测量 ，其原理如图 1所示 。 2 测量系统 白光干涉测量系统主要由4个部分组成：光学干涉成像系统、工作台、CCD及计算机，如图2所示 。 收稿 日期 ：2012-03—29 作者简介 ：申 路 (1988一)，女，湖南邵阳人 ，华南理工大学与佛 山科学技术学院联合培养硕士研究生。 *通讯作者 ：王字华(1960一)，女，广西南宁人，佛山科学技术学院教授 ，博士，硕士生导师。 万方数据 第4期 申 路等 ：基于白光干涉术的微器件三维表面形貌恢复研究 37 图 1 白光干涉原理 图 2 白光干涉仪结构 测量系统的工作原理为：光源发出的白光经聚光镜和分光镜后，其中一部分射至参考镜 (干涉物镜 内)上，另一部分射至被测工件表面上 ，从参考镜和被测工件表面反射 回的光束在空间相互叠加，随后产 生可观察的干涉条纹。用CCD摄像机接收干涉条纹图像，并将接收到的光强信号转换为电信号，送至图 像卡，进行电信号放大，再经A／D转换后 ，