[发明专利]基于白光相移干涉术的微结构形貌测试系统及测试方法

说明书

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0.1nm。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CCD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：