高精度快速三維表面形貌測量在微機電、光學、微電子等領域有著極其重要的作用,而共聚焦顯微測量技術作為一種亞微米精度的三維表面形貌測量技術,具有軸向層析度高、對比度高、非接觸、無需樣品特殊制備等優(yōu)點,已成為現代微納測量科學領域的重要分支。近年來,隨著微納加工技術的發(fā)展,微納結構器件的橫向及軸向精度要求日益提高,軸向跨度不斷增大。現有共聚焦測量方法因存在以下局限性而不能滿足微納結構形貌檢測要求:（1）測量位置在像面焦點,盡管光信號最強,但是光強隨軸向位置變化的軸向響應曲線變化率在焦點處為最小,導致軸向測量精度仍然較低;（2）使用逐點逐層掃描方式成像,三維測量速度慢,尤其是待測表面面積大的樣本。可見,提高測量精度的同時提高測量速度是共聚焦三維表面形貌測量的核心問題,也是現代精密測量行業(yè)亟待解決的重大科學問題。本課題“差動并行共聚焦高精度快速三維表面形貌測量方法研究”的研究目的是解決共聚焦顯微測量方法三維分辨率和測量效率均較低的問題,為微納結構臺階樣品及反射率不一致樣品的高精度快速三維表面形貌無損測量提供關鍵技術和理論基礎。本課題主要研究內容如下:首先,針對傳統(tǒng)差動共聚焦顯微測量技術的原理局限,... 

【文章來源】：華僑大學福建省

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【學位級別】：博士

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三維表面形貌微納測量方法分類圖

6續(xù)樣品，對臺階樣品或者不連續(xù)樣品則無法測量。(a)不同軸式外差干涉法(b)同軸式外差干涉法(c)微分干涉探針法圖1.2基于物理光學探針的測量方法原理圖1.2.2.2光學干涉法光學干涉法利用光學干涉原理測量表面微觀形貌，不同于前述的光學探針法，不使用逐個光斑掃描方式，而是多點并行同時進行，實現一個微區(qū)域范圍的表面形貌還原[41]，測量光路和參考光路之間的相位差將隨著樣品表面高度的變化而變化，調整參考光路徑使得兩束光光程差為π的整數倍從而發(fā)生干涉，產生干涉條紋或圖案，根據此時的相位信息獲得樣品表面高度。應用最廣的是相移干涉測量儀和掃描差分干涉測量儀，前者主要有Mirau、Michelson和Linnik三種類型，后者有Normarsky和MachZender兩種類型。Mirau干涉顯微測量儀[42,43]的原理如圖1.3(a)所示，在物鏡和被測樣品之間放置一片參考鏡和一片分光板，平行光束經過物鏡后再經過參考鏡，部分光線透過分光板照射到樣品表面，部分光線被分光板反射到參考鏡中間后被再次反射到樣品表面，直接到達的光線和被反射的光線再樣品表面發(fā)生干涉，根據干涉條紋或干涉圖案的參數即可得到樣品的三維形貌。Michelson干涉顯微測量儀[44]的原理如圖1.3(b)所示，在物鏡和被測樣品之間放置一片傾斜的半反半透分光鏡，而在測量放置一片參考鏡，平行光束經過物鏡后到達分光鏡，部分被反射到參考鏡中心后被反射，另一部分照射到樣品表面再被反射，兩束反射光再回到分光鏡處時發(fā)生干涉，再次從物鏡返回的干涉條紋或者圖案中帶回樣品的形貌信息。Linnik干涉顯微測量儀[45]的原理如圖1.3(c)所示，結構中包含兩個物鏡，其參數完全相同，也具有參考光路和測量光路，兩光路參數也相同，在測量過程中，無需其他光學元件放置于物鏡與被測樣品表面之間，因而Linnik干

7微測量儀可使用高倍數物鏡，縮短工作距離，一定程度上可以提高顯微測量放大倍數。(a)Mirau型干涉(b)Michelson型干涉(c)Linnik型干涉圖1.3相移干涉顯微測量儀Nomarsky干涉顯微測量儀[46]基于差分式光路原理，最早于1955年由Nomarsky提出，其原理如圖1.4(a)所示。將一片Wollaston分光棱鏡加入到顯微鏡的偏振光路中，將入射光束分開，兩束相干光束經過物鏡后匯聚于樣品表面，各自形成光點，且相距極近，兩束光點的高度差決定兩束相干光的相位差，從而獲取的相位差信息中即可得到被測表面形貌信息。雖然被分成兩束光，但由于使用了Wollaston分光棱鏡，光路結構共用，因此該方法具有很高的軸向分辨力，可達1nm，且具有較強的抗機械振動干擾能力。MachZender干涉測量儀[47]是L.Mach和L.Zender于19世紀末各自獨立研究出來的，其原理如圖1.4(b)所示。(a)Nomarsky型干涉(b)MachZender型干涉圖1.4掃描差分干涉測量儀光源照明樣品后發(fā)出的光經過物鏡后被分光鏡分成兩束，再分別經過兩個

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法與技術研究[D]. 劉大禮.北京理工大學 2015

碩士論文
[1]結構光照明熒光顯微成像系統(tǒng)研究[D]. 吳美瑞.中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所) 2014



本文編號：3129216