[发明专利]基于纳米测量机的自适应白光扫描干涉测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微结构光学测试技术领域。具体讲，涉及基于纳米测量机的自适应白光扫描干涉测量方法。

背景技术

白光扫描干涉术作为一种重要的测量方法具有非接触、测量速度快和测量精度高等优点，被广泛的应用到汽车、光学、半导体工业等产业中并取得了巨大的发展。它利用宽光谱的白光作为照明光源，使干涉条纹只出现在很短的空间范围以内。白光干涉条纹中的最大光强值点就代表了零级干涉条纹的位置，有效的避免了传统单色光相移干涉中的相位模糊问题，使白光干涉术的垂直测量范围理论上仅受扫描装置行程的限制。

目前，对该技术的研究重点主要在如何提高测量精度上。而测量精度的研究又主要集中于如何更加精确的定位白光干涉术中的相干峰感知位置以及如何将其它测量技术与白光干涉术相结合等方面。在国外，美国Zygo公司的Groot等人研究了白光干涉信号中的条纹级次辨识方法。Recknagel等人使用离散小波变换处理白光干涉信号，并在欠采样的情况下实现了信号重建。Sandz等人提出了一种白光相移干涉七帧法，该方法建立在白光干涉信号局部线性假设的基础上。将七个测量方程进行线形组合，合并为单色光相移干涉术中的四帧法进行计算，取得了不错的效果。在国内，华中科技大学研制出了基于同一显微镜为基体，实现了原子力探针扫描测量和非接触的光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪，大大地提高了水平方向和垂直方向测量精度。天津大学将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合实现了一种具有亚纳米级分辨力的等步长白光相移干涉术。

然而，测量效率对测量过程来说同样重要。对于大间断结构高度大于四分之一波长时，单色光相移干涉术测量受到了限制。白光扫描干涉术可以克服单色光相移干涉术中的相位模糊问题，增大垂直测量范围。但是，在对垂直大间断台阶结构的测试中，传统的白光扫描干涉术不考虑样品结构或条件是否出现变化，扫描都按固定的步长进行。当干涉物镜完成结构上表面扫描向下表面运行过程中，由于物镜景深相比被测结构要小得多，所以当物镜再次聚焦于下表面前，CCD摄像机提取到的是没有干涉条纹存在的离焦状态图像。从信号处理的角度来讲，在所提取到的信号中，只有对应于台阶结构上下表面的部分才具有测量意义，而这部分相比于所采集信号总量来说只占很小一部分，因此，测量效率大大降低。测量效率的降低又将导致测量过程更易受到外界环境因素变化的影响。这些因素包括振动、温度变化、空气波动等。因此，为了能够在不损失精度的前提下尽可能缩短测量时间，本发明提出了应用于垂直方向大间断台阶结构的自适应扫描策略。

发明内容

为克服技术的不足，实现在不损失精度的前提下尽可能缩短测量时间，提高大间断结构相关信息的测试效率。为此，本发明采取的技术方案是，基于纳米测量机的自适应白光扫描干涉测量方法，包括如下步骤：

(1)纳米测量机初始化，设置台阶上表面包括快速扫描步长、精细扫描步长及离焦阈值的测量参数；

(2)手动调节至台阶上表面，按照设置的扫描步长进行精细扫描并存储图像；

(3)按照评价函数和离焦阈值判断所采集图像是否处于离焦扫描状态，如果处于离焦状态则记录位置并按照设定的步长进行快速扫描；

(4)在扫描接近下表面附近，判断当由离焦转换成聚焦状态时恢复精细扫描，记录位置并存储图像；

(5)当再次处于离焦状态时停止扫描，读取存储的上下表面有效图像；

(6)绘制光强曲线图，计算相干峰位置，进行倾斜调整后获取被测结构高度信息。

所述的评价函数采用Variance函数：利用图像灰度标准差作为评价依据，数学表达式为：

f(i)=ΣΣ[I(x,y)-I‾]2]]>

其中f(i)为函数值，i为扫描位置，(x,y)为像素点的坐标位置，为像素的灰度平均值。