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基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量.docx
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基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量.docx
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摘要
传统的低相干垂直扫描方法在测量高度达数十或数百微米的台阶或沟槽类微结构的表面三
维形貌时,测量效率低下。为此,提出一种基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量方
法,该方法包含两次垂直扫描过程。建立描述单幅干涉图条纹对比度的评价函数,利用粗
扫描来定位被测件上下表面的大致位置,并联系上下两幅粗扫描图像计算出覆盖被测件上
下表面相干区域的精扫描采图区域。精扫描在其他区域直接跳过但记录位移量,结合 π/2
扫描移相的精扫描干涉图复原被测件的表面三维形貌。粗扫描的扫描步长由低相干光谱分
布计算得到,精扫描步长为中心波长的 1/8。以高度为 7.805 μm 的台阶板和深度为
200.99 μm 的沟槽进行实验,结果表明,所提方法相比传统垂直扫描方法的采图时间分别
缩短了 48.2%和 55.2%。
Abstract
The traditional low-coherence vertical scanning method has low measurement efficiency
when measuring the three-dimensional surface topography of steps or groove-like
microstructures with a height of tens or hundreds of microns. For this reason, a fast
vertical scanning topography measurement method based on spectral distribution
characteristics is proposed, and this method includes twice vertical scanning processes.
An evaluation function to describe the fringe contrast of a single interferogram is
established, the approximate position of the upper and lower surfaces of the test object is
located by coarse scanning, and the upper and lower coarse scanning images are
connected to calculate the image acquisition areas of the fine scanning that cover the
coherent areas on the upper and lower surfaces of the test object. The fine scanning is
not performed in other areas, but its displacement is recorded. With the fine scanning
interferogram of π/2 scanning phase shift, the three-dimensional surface topography of
the test object is restored. The scanning step length of the coarse scanning is calculated
based on the low-coherence spectral distribution, and the step length of the fine scanning
is one-eighth of the center wavelength. Experiments on the step with a height of 7.805
μm and the groove with a depth of 200.99 μm show that the proposed method reduces
the acquisition time by 48.2% and 55.2% respectively, compared with the traditional
vertical scanning method.
1 引言
传统低相干垂直扫描方法在测量微结构表面三维形貌时,通常以 λ0/8λ0/8(λ0λ0 为低相
干光的中心波长)的扫描步长(对应的移相间隔为 π/2)等间距垂直扫描
[1]
。对于高度达
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数十或数百微米的台阶或沟槽类样品,需要采集数百或数千幅干涉图,才能复原其表面三
维形貌。然而,对复原算法有效的图像只有扫描至被测件上下表面附近,且与参考面的光
程差为相干长度以内的存在干涉条纹的干涉图。中间冗余的大量扫描干涉图不仅增加了垂
直扫描的采图时间,还增加了复原算法处理的数据量,极大降低了形貌测量的效率。
为了减少采集的干涉图数量,常规的方法是增大扫描步长,例如采用 λ0/4λ0/4、
3λ0/83λ0/8 等扫描步长等间距垂直扫描,但这种方法将导致复原算法的形貌复原精度降
低。一种解决上述问题的合理思路是只在被测件上下表面与参考面的光程差为相干长度以
内的区域中采用 λ0/8λ0/8 的扫描步长等间距垂直扫描,在非相干区域直接跳过扫描,避
免采集冗余的干涉图。
查找被测件上下表面相干区域的第一步是定位被测件的上下表面位置。手动定位对焦操作
复杂、存在人为误差
[2]
,为解决上述问题和实现自动化,自动对焦技术得到了关注,并被
广泛地应用在照相机、摄像机和显微镜等成像系统中
[3-5]
。利用激光头
[6-7]
、精密螺旋光
栅
[8]
、光电倍增管
[9]
和光电传感器
[10-11]
等装置定位被测件上下表面的方法属于主动式自
动对焦,需要加装额外器件,增加了成本。在不增加成本的基础上,可以使用被动式自动
对焦
[12-13]
,即充分利用显微干涉自身的成像能力通过评价函数定位被测件的上下表面位
置。评价函数通过量化空域或频域中与图像清晰度密切相关的特性来反映一幅图像的清楚
程度,并判定评价函数值最大的那幅图像为对焦图像
[14]
。在完成被测件上下表面位置的
定位后,通常采用 ViBe 算法
[15]
、帧差法
[16]
精确查找被测件上下表面的相干区域,最后
对其采用 λ0/8λ0/8 的扫描步长等间距垂直扫描。
上述方法以精确查找被测件上下表面的相干区域为目标,需要以较小的扫描步长进行采图
分析,这将花费大量的时间,且无法保证查找的区域一定与相干区域重合,一旦出现查找
的区域小于相干区域的情况,采集的有效干涉图数量不够,将会导致表面三维形貌复原误
差的出现。反之,如果采图区域稍大于相干区域,虽然多采集了数幅冗余图像,但是可以
保证形貌复原的精度。因此,没有必要花费大量的时间,用于精确查找被测件上下表面的
相干区域,只需快速查找到分别覆盖被测件上下表面相干区域的稍大采图区域便可。定位
被测件上下表面位置是为了方便查找上下表面的相干区域,若能在上下表面的大致位置推
算出覆盖上下表面干涉区域的采图区域,则也不必定位到上下表面的精确位置。
基于上述思路,为提高低相干垂直扫描方法对高度达数十或数百微米的台阶或沟槽类样品
的形貌测量的效率,本文采集照射到探测器位置处的低相干光的光谱分布,计算出低相干
光的相干长度,分析粗扫描步长与相干长度的关系,并合理建立评价函数。采用粗扫描步
长等间距垂直扫描定位被测件上下表面的大致位置,根据其上下两幅图像的评价函数值,
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计算出覆盖被测件上下表面相干区域的采图区域,采用 λ0/8λ0/8 的精扫描步长对这两个
采图区域进行垂直扫描,以采集 π/2 扫描移相干涉图,最后使用复原算法复原被测件的表
面三维形貌。
2 基本原理
2.1 快速垂直扫描形貌测量的原理
快速垂直扫描形貌测量的原理图如图 1 所示,仅使用两次垂直扫描便可以完成对被测件表
面三维形貌的测量。第一次为粗扫描,采用粗扫描步长进行等间距垂直扫描,以定位被测
件上下表面的大致位置,并根据定位点上下两幅粗扫描图像的评价函数值推算出覆盖被测
件上下表面相干区域的采图区域。第二次为精扫描,采用精扫描步长对推算出的采图区域
进行等间距垂直扫描,采集干涉图像,根据记录的干涉图像和跳过的扫描区域长度,利用
复原算法复原被测件的表面三维形貌。
图 1. 快速垂直扫描形貌测量原理图
Fig. 1. Schematic diagram of fast vertical scanning topography measurement
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在图 1 中,δ0δ0 为传统垂直扫描方法的扫描步长,δ1δ1 和 δ2δ2 分别为快速垂直扫描方
法的粗扫描步长和精扫描步长,L 为被测件上下表面的相干区域长度,有效的采图区域为
以上下表面为中心向上下方向各自延伸 L/2L/2 的扫描空间,O
i
点、O
j
点分别为粗扫描定
位的被测件上、下表面的大致位置,A
up
与 B
up
间的区域、A
bo
与 B
bo
间的区域为推算出的被
测件上、下表面的采图区域,B
up
与 A
bo
间的区域为精扫描跳过的区域,其长度为 ΔLΔL。
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