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Linnik偏振白光干涉微纳测量的关键技术研究

作　者: 董敬涛
导　师: 卢荣胜
学　校: 合肥工业大学
专　业: 光电信息工程
关键词: 偏振白光干涉术自动对焦像散法三维形貌测量薄膜厚度测量光学相干断层显微术消色差移相
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着机械、电子、光学、材料和半导体等工业不断地微型化、精密化的需求,开发的微纳米结构的三维形貌、表面膜厚、内部结构以及物理性质等特性对微纳米结构的研发和生产质量控制至关重要。因此,针对微纳米制造领域的三维非接触式测量系统及其技术的研究具有重要的学术价值和现实意义。本文提出并搭建了一种基于Linnik型偏振白光干涉架构的三维非接触式测量实验系统,并对其关键技术进行了研究,主要包括显微镜光学自动对焦技术、Linnik型白光干涉条纹自动搜索技术、微观表面三维形貌重构及系统标定技术、透明膜厚三维重构技术、材料内部应力双折射分布测量技术和光学三维断层显微测量技术。该系统架构在传统的Linnik干涉架构基础上进行了改动和扩充,可以针对不同的技术功能,切换到相应的模式中,且不必对该测量架构进行任何的改装和拆卸,从而使系统具备了很高的灵活性和稳定性。本研究的主要工作内容和创新点如下：1.在Linnik干涉架构中集成一个基于改进的像散法的光学自动对焦系统,以保证显微镜对焦过程中正确对焦位置的唯一性,实现了Linnik结构两个干涉臂的快速自动对焦。自动对焦系统具有190(±95)μm的动态范围,线性段的平均灵敏度为70mV/μm,平均标准偏差为41.6nm,理论分辨率4.4nm,实际测量精度55nm,自动对焦时间不大于0.3秒。2.在两个干涉臂实现快速自动对焦的前提下,提出一种通过调整干涉臂的光程差来实现干涉条纹自动搜索的策略,实现了对比度最好的干涉条纹的自动搜索,自动搜索速度为2.2min/mm,搜索到的最佳干涉条纹对比度的位置偏离理想位置不超过一个干涉条纹周期。3.利用频域分析法实现微纳米结构的表面三维形貌重构,并通过系统标定得到了测量标准不确定度±3.6nm、纵向(Z方向)的测量精度误差3.08%、横向X方向的测量精度误差2.69%、横向Y方向的测量精度误差2.16%、横向实际分辨率为1.31μm、纵向理论分辨率为0.59nm。4.通过对傅立叶相位和振幅这两种方法进行测量灵敏度分析的结果,提出了傅立叶相位和振幅加权的透明膜厚测量技术,该技术结合了傅立叶相位的高分辨率和傅立叶振幅的高重复性的两个优点。测量结果的纵向分辨率达到纳米级,由于采用显微测量技术,其横向分辨率就等于显微物镜的分辨率。5.利用Linnik白光干涉架构结合偏振测量原理,通过对Berek补偿器的标定,实现了对材料内部应力双折射的相位延迟分布、主轴方向分布、应力分布和反射率分布的同时测量。测量结果的相位延迟标准偏差不大于4°,主轴方向标准偏差不大于4.5°。6.提出了用于光学相干断层显微测量的具有高计算效率和极小残余寄生条纹量的五点差分格式移相算法,有效地重构出了样本的三维断层显微图像。并对包括探测器非线性和PZT移相器对波长依赖性在内的两个主要系统误差及其改进方法进行了分析。7.针对前述的PZT移相器对波长具有依赖性的问题,提出了移相量八倍于半波片旋转角的消色差几何移相干涉技术及系统,其具备了目前最大的几何移相放大倍率和最好的消色差性。该部分为本文的扩展研究内容。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
致谢  12-23
第1章绪论  23-47
  1.1 研究目的和意义  23-24
  1.2 相关技术国内外研究概况  24-43
    1.2.1 自光干涉条纹自动搜索技术的研究概况  25-27
    1.2.2 光学自动对焦技术的研究概况  27-32
    1.2.3 白光干涉三维形貌重构技术的研究概况  32-34
    1.2.4 透明薄膜三维膜厚重构技术的研究概况  34-36
    1.2.5 材料内部的应力双折射分布测量技术的研究概况  36-40
    1.2.6 光学三维断层显微测量技术的研究概况  40-43
  1.3 本研究课题来源  43
  1.4 本研究的关键技术内容和创新点  43-47
第2章系统总体架构及其相关技术  47-55
  2.1 系统总体架构  47-48
  2.2 系统组件参数  48-52
  2.3 系统相关技术简介  52-53
  2.4 本章小结  53-55
第3章白光干涉条纹自动搜索技术及策略  55-75
  3.1 系统架构  55-57
  3.2 像散自动对焦理论  57-62
    3.2.1 传统的像散自动对焦技术  57-58
    3.2.2 改进的像散自动对焦技术  58-62
  3.3 自动对焦性能分析  62-68
    3.3.1 动态范围和灵敏度分析  62-66
    3.3.2 标准偏差、精度和分辨率分析  66-68
  3.4 干涉臂自动对焦实验  68
  3.5 干涉条纹自动搜索算法  68-70
  3.6 干涉条纹自动搜索策略  70-72
  3.7 干涉条纹自动搜索实验  72-73
  3.8 本章小结  73-75
第4章白光干涉三维微观表面形貌重构技术  75-99
  4.1 系统架构  75-76
  4.2 白光干涉信号分析  76-78
  4.3 白光干涉三维形貌重构原理及仿真  78-83
    4.3.1 频域分析法原理  78-80
    4.3.2 三维形貌重构仿真  80-83
  4.4 测量标准不确定度分析  83-84
  4.5 测量精度分析  84-88
  4.6 测量分辨率分析  88-89
    4.6.1 横向分辨率  88
    4.6.2 纵向分辨率  88-89
  4.7 三维形貌重构的问题分析  89-91
    4.7.1 测量临界角分析  89-90
    4.7.2 光源光强度分析  90
    4.7.3 多次反射效应分析  90-91
  4.8 三维形貌重构案例  91-98
  4.9 本章小结  98-99
第5章透明薄膜厚度三维重构技术  99-125
  5.1 系统架构  99-100
  5.2 薄膜结构复反射系数  100-103
    5.2.1 单层薄膜复反射系数理论模型  100-102
    5.2.2 多层薄膜复反射系数理论模型  102-103
  5.3 薄膜结构白光干涉信号分析  103-106
  5.4 相位和振幅的非线性效应灵敏度分析  106-117
    5.4.1 灵敏度定义  106
    5.4.2 薄膜厚度分析  106-109
    5.4.3 薄膜折射率分析  109-111
    5.4.4 物镜数值孔径分析  111-112
    5.4.5 光源光谱范围分析  112-113
    5.4.6 系统色散分析  113-117
  5.5 傅立叶相位和振幅加权方法分析和仿真  117-119
  5.6 透明膜厚三维测量实验  119-123
  5.7 本章小结  123-125
第6章应力双折射的分布测量技术  125-141
  6.1 系统架构  125-126
  6.2 偏振干涉理论分析  126-129
    6.2.1 入射光初始偏振态  126
    6.2.2 参考臂  126
    6.2.3 测量臂  126-127
    6.2.4 CCD信号探测  127-128
    6.2.5 双折射测量  128-129
  6.3 偏振干涉信号仿真分析  129-130
  6.4 应力双折射标定实验  130-136
    6.4.1 Berek补偿器  130-132
    6.4.2 标定实验  132-136
  6.5 应力双折射测量实验  136-139
  6.6 本章小节  139-141
第7章光学相干断层显微测量技术  141-157
  7.1 系统架构  141-142
  7.2 移相算法  142-144
  7.3 基于五点差分格式的移相算法  144-145
  7.4 算法性能分析  145-149
    7.4.1 残留的高频寄生条纹量  146-147
    7.4.2 计算效率  147-149
  7.5 算法验证实验  149-151
  7.6 三维断层重构实验  151-152
  7.7 系统误差分析  152-155
    7.7.1 探测器非线性  153-154
    7.7.2 移相器对波长的依赖性  154-155
  7.8 本章小结  155-157
第8章消色差几何移相干涉测量技术  157-175
  8.1 几何相位和偏振态的庞加莱球表征  157-159
  8.2 已有的消色差几何移相器结构  159-164
    8.2.1 旋转偏振片几何移相器结构QWP45+Pol.θ  159-160
    8.2.2 旋转偏振片几何移相器结构HWP15+QWP75+Pol.θ  160-161
    8.2.3 旋转偏振片几何移相器结构HWP6+HWP34+QWP101+Pol.θ  161-163
    8.2.4 旋转半波片几何移相器结构QWP45+HWPθ+QWP45  163-164
  8.3 提出的八倍消色差几何移相器结构  164-165
  8.4 消色差几何移相器性能分析和比较  165-169
    8.4.1 移相误差分析  166-168
    8.4.2 偏振分量振幅分析  168-169
  8.5 消色差几何移相干涉系统架构  169-171
  8.6 八倍移相倍率实验验证  171-172
  8.7 三维断层重构实验  172-173
  8.8 本章小结  173-175
第9章总结与展望  175-179
  9.1 研究工作总结  175-177
  9.2 研究工作展望  177-179
参考文献  179-191
攻读博士学位期间发表论文、专利和获奖  191-192

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