[发明专利]基于数字扫描白光干涉的微纳结构形貌测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种光学非接触测量方法，特别是一种基于白光频域分析的微纳结构表面貌的测量装置及方法。

背景技术

随着MEMS等微纳器件的广泛应用，为保证器件性能，对微纳结构形貌测量技术提出了很高的要求。现有微结构形貌测量技术中，白光干涉技术凭借其测量范围大、精度高等优点成为主流技术。然而，现有的基于白光干涉原理对微纳结构形貌进行测量的技术，大多通过z向移动工件台或干涉显微镜等方式，对待测物体进行z向上的扫描，通过判断扫描过程中光强最大值，实现对待测物体相对高度的检测。现有测量方法精度受z向驱动机构定位精度影响较大，并且以光强作为探测对象，存在易受外界环境杂散光以及待测物体表面折射率变化影响等问题。

发明内容

(一)要解决技术的问题

本发明的目的在于对解决现有白光干涉测量技术存在的问题，提供一种无需进行z向扫描，并具有高抗干扰能力及高测量精度的基于白光干涉原理的微纳结构形貌测量装置及方法。

(二)技术方案

为实现本发明的目的，本发明第一方面，提供一种基于数字扫描白光干涉的微纳结构形貌测量装置，该装置包括：数字微镜阵列、成像单元、半透半反镜、白光光源、干涉显微物镜、待测物体、工件台、控制单元、光谱仪、光纤、光纤耦合单元；其中：数字微镜阵列、成像单元、半透半反镜、干涉显微物镜及待测物体依序位于微纳结构形貌测量装置的光轴上；数字微镜阵列位于成像单元和光纤耦合单元之间，数字微镜阵列的表面与光纤耦合单元的光轴之间具有一角度，且成像单元的成像面与光纤耦合单元的耦合面相互垂直；半透半反镜的半透半反面与干涉显微物镜的光轴之间具有一角度；白光光源输出的平行光束与干涉显微物镜的光轴垂直；待测物体设于干涉显微物镜的成像面上；工件台位于待测物体上；控制单元的数据端与光谱仪的数据端连接；光纤的两端分别连接光纤耦合单元的输出端和光谱仪的数据端连接；光纤耦合单元的耦合面位于数字微镜阵列的输出光束上；光源发出的白光经扩束准直后，通过半透半反镜投射到干涉显微物镜上，干涉显微镜将白光分别投射到待测物体表面和干涉显微镜内部的参考镜表面，使待测物体表面及参考镜表面的反射光发生干涉，再次经过半透半反镜，获得干涉光强并经成像单元后成像至数字微镜阵列的表面；逐一控制数字微镜阵列像素对应微镜偏转角度，使不同像素对应的干涉光强逐一进入光纤耦合单元，光谱仪接收并获得干涉光强对应的光谱信息，并传入控制单元进行光谱分布相位解析，实现对数字微镜阵列上每一像素点对应待测物体表面相对高度的检测。

为实现本发明的目的，本发明第二方面，提供一种基于数字扫描白光干涉的微纳结构形貌测量方法所采取的技术方案是：光源发出的白光经扩束准直后，通过半透半反镜投射到干涉显微物镜上，干涉显微镜将白光分别投射到待测物体表面和干涉显微镜内部的参考镜表面，使待测物体表面及参考镜表面的反射光发生干涉，再次经过半透半反镜，获得干涉光强并经成像单元后成像至数字微镜阵列的表面；逐一控制数字微镜阵列的像素对应微镜偏转角度，使不同像素对应的干涉光强逐一进入光纤耦合单元，光谱仪获得干涉光强对应的光谱信息，传入控制单元并对干涉光强对应的光谱分布进行相位解析，实现对数字微镜阵列上每一像素点对应待测物体表面相对高度的检测。

优选实施例，所述控制数字微镜阵列各个微镜偏转角度是控制数字微镜阵列的某一像素对应微镜的偏转角度，使投影在数字微镜阵列上的干涉光强进入光纤耦合单元。

优选实施例，所述基于数字扫描白光干涉的微纳结构形貌测量方法，还包括：利用工件台带动待测物体做x、y方向平面运动，对待测物体不同区域进行检测，通过数据拼接实现大尺寸待测物体表面高度测量。

优选实施例，所述光谱分布相位解析是使用相移法、傅里叶变换法、小波变换法中的一种。

优选实施例，使用所述光谱分布获得物体高度的步骤包括：所述光谱分布的波长为λ值，其对应相位值为φ，对2π/λ、φ进行一次项拟合，获得相位值关系，φ＝2πk/λ，拟合参数k即为该光谱分布对应待测物体的高度。

优选实施例，放置待测物体的工件台在二维平面内通过电动或手动方式任意自由移动。

优选实施例，所述数字微镜阵列可通过控制单元8进行控制，控制单元可直接控制数字微镜阵列上每个像素单元对应微镜的偏转角度。

优选实施例，所述一次项拟合采用最小二乘法优化算法、B样条优化算法、拟牛顿优化算法中的一种。

(三)有益效果