基于白光倾斜扫描干涉术的微结构测量方法

第22卷第1期󰀁2011年1月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁JournalofOptoelectronics󰀁Laser󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.22No.1󰀁Jan.2011

基于白光倾斜扫描干涉术的微结构测量方法

马󰀁龙,郭󰀁彤,赵󰀁健,陈津平,傅󰀁星,胡小唐

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)

摘要:针对白光垂直扫描干涉技术由于测试系统中物镜视场和移相器的行程限制,使其不能进行较大横向范围的测试。本文使用白光倾斜扫描干涉术代替垂直扫描,以扩展其横向测量范围,提高测试效率。基于纳米测量机(NMM)搭建了测试系统,由NMM代替传统的压电陶瓷(PZT)带动被测物体进行倾斜扫描。分析了倾斜扫描的测量原理,针对本系统提出了倾斜扫描的实现方法,通过对MEMS器件上台阶结构的测试说明本方法的有效性。

关键词:微结构;白光干涉技术;倾斜扫描;大范围;纳米测量机(NMM)中图分类号:TN247󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1005󰀁0086(2011)01󰀁0091󰀁04

*

Micro󰀁structuremeasurementbywhitelighttiltscanninginterfer󰀁ometry

MALong,GUOTong*,ZHAOJian,CHENJin󰀁ping,FUXing,HUXiao󰀁tang

(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:WhitelightverticalscanninginterferometryhasgrowntobeastandardmeasurementmethodfortheMEMSindustry.However,duetothelimitsoftheobjective󰀁sfieldofviewandthephase󰀁shiftingrangeinthetestsystem,itcannotperformlargescopetransversetesting.Inthispaper,awhitelighttiltscanninginterferometrywaspresentedtoexpandthelateralmeasuringrangeandimprovethetestingef󰀁ficiency.Theexperimentalsystemwassetupbasedonnano󰀁measuringmachine(NMM).Duringthetiltscanning,theobjectwasdrivedbythenano󰀁measuringmachineinsteadofthetraditionalpiezoelectricce󰀁ramics.Themeasuringprincipleofwhitelighttiltscanninginterferometrywasgiven,followedbythere󰀁alizationofthemethodontheproposedsystem.Theeffectivenessofthemethodwasalsoillustratedbymeasuringthestep󰀁alikestructureontheMEMSdevice.

Keywords:micro󰀁structure;whitelightinterferometry;tiltscanning;largescale;nano󰀁measuringma󰀁chine(NMM)

1󰀁引󰀁言

󰀁󰀁白光垂直扫描干涉技术以快速、精确和无损等优势,目前其成为MEMS产业中的一种标准测试手段[1]。它使用相干长度很短的白光作为照明光源,使干涉条纹只会产生在很短的空间范围内,有效克服了单色光相移测量中的相位模糊问题,使垂直扫描范围理论上只受移相器行程的限制,大大扩展了显微干涉术的应用范围[2]。目前,对白光垂直扫描干涉技术研究的

[3~5]

重点主要集中在如何提高测试精度和测试速度上。

󰀁󰀁在白光垂直扫描干涉技术中,扫描范围同样至关重要,它决定着系统的测试效率。由于在传统的白光干涉术中,扫描是沿垂直方向进行的,物镜的视场限制了水平方向的测量范围。

虽然可以采用放大倍率较低的干涉物镜进行测量以扩大视场,但这种方法却是以牺牲测试的水平分辨力为代价的。通常情况下,基于白光干涉术的大范围测量都是通过拼接技术实现的[6],这就需要在每一个测试区域中保留一部份重叠区域以进行匹配计算,这不但降低了测试的效率也成为了新的误差源。󰀁󰀁本文正是基于以上问题,使用倾斜扫描干涉术(TSI)代替原有的垂直扫描干涉术(VSI)。搭建了测量系统,使用纳米测量机(NMM)代替压电陶瓷带动角度工作台,使被测物在不同时刻沿与光轴成一定角度的方向,通过相干平面以实现倾斜扫描。进而结合系统的特点,给出了具体的实现方式。本方法及实验系统可以大大提高扫描的横向范围和测试效率。

*E󰀁mail:guotong@tju.edu.cn

收稿日期:2010󰀁04󰀁07󰀁修订日期:2010󰀁09󰀁07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(91023022);科技部国际科技合作与交流项目(2008DFA71610);天津市自然科学基金项目(09JCYBJC05300)󰀁92󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

光电子󰀁激光󰀁2011年󰀁第22卷󰀁

2󰀁实验系统

󰀁󰀁系统简图如图1所示。系统搭建在德国SIOS公司生产的

[7,8]

高精度NMM上。由NMM作为高精度的扫描定位平台,可以实现25mm󰀁25mm󰀁5mm的大范围运动,其运动分辨力为0.1nm,定位不确定度为10nm。在NMM的工作平台上放置可调倾斜的工作台作为样品台。系统集成了由Navitar公司生产的Zoom6000型内部同轴变焦系统和不同放大倍率的干涉物镜,整个干涉系统由NIKON公司的光纤照明装置进行照明。干涉图像由BASLER公司的A102K型CCD摄像机采集,并通过采集卡传送至PC机进行后续处理。整个系统放置于气浮隔振平台上,以减少实验中的低频振动[8]。

描干涉的垂直测量范围仅受PZT移相器的行程限制,相比于单色光相移干涉,大大扩展了应用范围。但是,其水平方向的测量范围则由干涉物镜的视场所限制,通常小于15mm2。在中等放大倍率的情况下,其视场约为数102至数10󰀁m2。此外,由于白光垂直扫描的水平方向分辨力也依赖于干涉物镜的数值孔径,这便使得大范围的测量和较高的分辨力在测试中往往难以兼得。

3.2󰀁白光倾斜扫描干涉的基本原理

󰀁󰀁白光倾斜扫描干涉术是相对于白光垂直扫描干涉术而言的,它是指被测样品的运动方向与物镜的光轴不在同一直线上以完成扫描的方法。本质上讲,󰀁垂直扫描󰀁与󰀁倾斜扫描󰀁是指被测物体的运动方向与物镜光轴方向间的关系。

󰀁󰀁倾斜扫描的实现方式如图3所示。被测物体放在倾斜的工作台上,干涉物镜固定。工作台带动被测物体同时沿水平和垂直方向运动,这种二维运动方式使测量的水平范围得到增大,测量的垂直范围由视场宽度和扫描方向倾斜角共同决定。

图1󰀁实验系统简图

Fig.1󰀁Schematicofthemeasurementsystem

图3󰀁倾斜扫描的实现过程Fig.3󰀁RealizationofTSI

3󰀁白光倾斜扫描干涉

3.1󰀁白光垂直扫描干涉的基本原理

󰀁󰀁在通常的白光干涉系统中,由压电陶瓷(PZT)移相器带动

干涉物镜完成对被测样品从上至下的扫描[10]。样品表面不同高度的点会在不同时间与干涉物镜的相干平面相交达到最佳干涉,然后通过提取干涉信号峰值位置确定样品的表面相对高度,其实现过程如图2所示。这种测试方法,使得白光垂直扫

󰀁󰀁图4所示为倾斜扫描过程中不同高度点对应的干涉条纹

强度变化。其中,P点和Q点为被测样品表面上不同高度的两点;工作台带动被测样品沿扫描方向按一定的步长移动。由时间零点开始,P点和Q点分别在不同的时刻t1和t3进入干涉区,在t2和t5时刻与相干平面相交达到最佳干涉,在t4和t6时刻退出干涉区,且不同时刻对应工作台不同的位置或不同的移动距离。

图2󰀁白光垂直扫描干涉的实现过程

Fig.2󰀁RealizationofVSI图4󰀁倾斜扫描过程的信号变化Fig.4󰀁SignalexplanationduringTSI

第1期󰀁马󰀁龙等:基于白光倾斜扫描干涉术的微结构测量方法󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁93󰀁

󰀁󰀁由于采集图像的视场固定不变,被测样品沿扫描方向移动,则被测样品上各点在扫描过程中所采集的图像上的位置是沿某一个方向变化的。假定采集到的P点和Q点在t2和t5时达到最佳干涉,则可以根据最佳干涉条纹在图像中的位置(如图5中的b1和b2)确定点的相对高度信息(如图5中的h1和h2),再根据最佳干涉时(t2和t5)工作台的位置(或移动距离)确定点在被测样品上的位置信息。由此,在水平扫描的数据处理中,需要同时考虑被测点的高度信息及其在被测样品表面的位置信息。

采集图像中的位置相同,不同的是最佳干涉出现在不同的图像中;在数据处理时,需要同时确定被测点的高度信息及其在被测样品表面的位置信息,可以根据水平移动步长及移动方向对干涉点进行跟踪;可测量水平范围增大,同时垂直测量范围受物镜视场和扫描路径倾斜角共同限制。

4󰀁白光倾斜扫描实验

󰀁󰀁在整体放大倍率70󰀁(图像像素标定值为204nm)的情况下,使用MEMS器件上的台阶特征结构对白光倾斜扫描干涉法进行了测试。在CCD的视场为500󰀁1000pixel时,设定倾斜扫描的实验参数为:工作台的倾角30󰀁(0.5󰀁);水平方向步长为816nm(对应816nm/204nm=4列像素);垂直方向步长为5nm;扫描步数为1000;CCD视场为500󰀁1000pixel。

5󰀁󰀁该情况下,倾斜扫描的实际扫描角度󰀁=arctan()=

816

0.35󰀁。由于实际的扫描角度与倾斜台的扫描角度不一致,所以需要一个修正系数,此处设定为1.38。

󰀁󰀁图6为倾斜扫描过程中采集的部分图像。从图可以看出,测试结构实现了4󰀁1000列像素的水平移动;图7为倾斜扫描的测量结果,实验实现了500󰀁3700pixel的测量。

󰀁󰀁该台阶结构的平均高度为1354.95nm。同时使用白光垂直扫描干涉术对该结构进行了测试,与白光倾斜扫描的结果进行对比。白光垂直扫描干涉术的测试结果如图8所示,测试中使用5󰀁迈克耳逊干涉物镜,其台阶结构的平均高度为1366.13nm。

图5󰀁倾斜扫描中高度信息的提取Fig.5󰀁HeightextractioninTSI

󰀁󰀁图5中,N为CCD的视场宽度(以pixel为单位),表面高度信息h1和h2可以表示为󰀁󰀁󰀁󰀁h1=b1󰀁tan󰀁(1)󰀁󰀁󰀁󰀁h2=b2󰀁tan󰀁(2)󰀁为扫描倾斜角,由NMM的垂直和水平移动步长决定,其中

󰀁z󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=arctan(3)

󰀁x

式中,󰀁z和󰀁x分别为NMM垂直方向和水平方向的扫描步长。同时,为了能够对水平方向移动的被测面进行追踪,NMM的移动速度必须与CCD像素的等效尺寸成整倍数关系。使用标准光栅(100LPmm,EdmundIndustrialOptics)对其进行了标定,标定值见表1。

表1󰀁CCD像素标定值

Tab.1󰀁PixelcalibrationofCCDcamera

Magnifi󰀁

cationtimes2530354045506070

Pixelnumberofsinglegrating1822252932354249

Onepixelsize/nm556455400345313286238204

Magnifi󰀁cationtimes8090100125150175200225

Pixelnumberofsinglegrating56637087105123140158

Onepixelsize/nm17915914311595817163

5󰀁结󰀁论

󰀁󰀁提出了一种使用白光倾斜扫描代替白光垂直扫描以扩展

图6󰀁倾斜扫描采集的部分图像Fig.6󰀁SomecapturedimagesduringTSI

󰀁󰀁可测量的表面高度范围为H可以表示为󰀁󰀁󰀁󰀁H=N󰀁l󰀁sin󰀁(4)其中,l为像素标定值。

󰀁󰀁基于以上分析,倾斜扫描的特点如下:在扫描过程中,所采集的图像上数据点的位置是沿某一个方向变化的;被测样品表面上相同高度的点与相干平面相交的位置相同,该位置在扫描󰀁94󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

光电子󰀁激光󰀁2011年󰀁第22卷󰀁

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作者简介:

郭󰀁彤󰀁(1977-),男,博士,副教授,研究方向为微纳测试技术与精密测控技术󰀁

图8󰀁白光垂直扫描干涉术的测量结果Fig.8󰀁MeasurementresultofVSI

其横向测试范围的方法。基于NMM搭建了测试系统。本方

法可以对横向范围较大的MEMS结构一次性测试完成,不需拼接过程,测试效率高。实验中成功地实现了近4倍于普通视场的测试,并比较了倾斜扫描和垂直扫描的测试结果,说明本方法能够有效地实现大范围MEMS结构测试,并给出了实验中的修正系数。

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