CN111829457B - 基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法 - Google Patents
基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法。该方法利用等相位变化结构光条纹图案投影在被测物表面,并使用上位机进行z向扫描,用相移法获得条纹调制度随扫描距离的变化曲线,然后通过峰值提取结合非线性拟合的算法,得到精确的峰值位置,进一步计算被测物的膜层厚度与三维形貌。本发明在精确测量超薄膜器件的膜层厚度的同时,也能快速地获得其三维形貌结构,具有非破坏性、高测量效率、高精度、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域,特别涉及一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法。
背景技术
随着微纳制造与加工技术的发展,膜层器件的结构越来越复杂,如电容式微加工超声换能器(CMUT)的振动膜越来越薄,使得无损检测难度增加。除厚度之外,膜层器件的三维形貌也成为表征器件性能的重要指标。例如在柔性电子制造中,需要通过形貌检测来获得膜型材料的形变特性。如何准确、高效、无损地获得微纳尺度膜表面器件的三维形貌结构,已成为微纳检测领域的重点研究方向。其中,光学检测方法凭借检测速度快、检测精度高、样本破坏性小等特点,被广泛应用。
常用的光学三维检测技术,根据原理可以分为椭圆偏振法、光谱分析法和干涉法等。然而,椭圆偏振法和光谱分析法采用单点检测的工作方式,用于测量膜的三维形貌时,需要结合扫描机制,难以提高检测效率。另一种以测量干涉光为基础的方法,必须提前获得各个厚度的干涉信号波形,通过匹配算法获得厚度信息,其应用极其受限。为了实现高效率的面检测,一种基于结构光照明显微的形貌检测方法被提出。
该类方法采用正弦分布或栅格状的照明光进行调制,通过垂直移动样本,投影图像的调制度在此过程中的变化与样本表面结构有关,因此可以获得物体表面的三维形貌信息。通过相移算法,计算得到条纹图像调制度曲线,随后使用峰值分离法等算法,得到每个像素点的调制度最大值,即样本该点的相对高度。逐点计算后,通过这一信息便可恢复物体的表面形貌。
对于单层透明膜结构的对象,探测器得到的光信息包括了膜层表面与基底表面分别反射的光。因此,其对应的调制度曲线理论上可以计算得到两个表面的相对高度,进而获得膜层的厚度。然而,当膜层厚度越来越小(小于1μm),常用的分离算法精确度将越来越低,甚至无法分离膜层表面和基底表面的表面形貌信息。
综上,基于结构光照明显微的光学测量方法具有检测效率高、精度高等特点,研究其在超薄膜层微纳器件的厚度测量与三维形貌检测中的可能性,具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法,保证了检测效率的前提下,能够对超薄膜层微纳器件进行高精度的形貌检测。
本发明所采用的技术方案是:一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法,用DMD产生正弦光栅条纹,对待测样本结构信息进行调制;在垂直于光轴的方向上扫描样本,CCD采集到的条纹图案从离焦到聚焦再离焦;同时等相位改变光栅条纹,采集到多幅被调制的样本图像;使用相移算法,从这些图像中解析得到多峰值的调制度响应曲线;采用峰值提取结合非线性曲线拟合的方法,提取透明膜表面与基底表面对应的峰值,进一步获得膜结构的相对厚度,进而结合材料的反射率,精确重构镀膜样本的各层结构三维形貌。所述方法包括步骤:
步骤1:使用数字微镜阵列(DMD:Digital Micro-mirror Devices)生成结构光,依次投影8幅等相位差的正弦光栅条纹,将待测结构表面的反射信号用CCD采集并存储到上位机;
步骤2:控制PZT等步距垂直扫描被测物,每次扫描均重复步骤1,采集并存储图像;
步骤3:根据以上步骤1和步骤2获得的全部图像,使用相移算法,计算得每个像素点的调制度随扫描位置变化的响应曲线;
步骤4:使用峰值法,提取每条调制度响应曲线两个峰值的粗略位置,以此数值作为非线性曲线拟合的初始值,对调制度响应曲线进行拟合,获得峰值的精确位置;
步骤5:根据精确的峰值位置、扫描步距、各层材料的折射率,计算出膜层厚度,并恢复得到样本的三维形貌。
更进一步地,步骤4中采用单峰值型函数的线性组合来对调制度响应曲线进行拟合,其中单峰值型函数为高斯函数。
更进一步地,步骤4中使用峰值法初步提取峰值位置,目的在于减少拟合的误差,保证测量的准确性。
更进一步地,在非相干模型下,假设膜表面与基底表面的反射信号之间相互独立,采用双高斯函数的线性叠加形式作为拟合模型,通过非线性曲线拟合解决超薄膜层无法检测的问题。
更进一步地,由于非线性曲线拟合方法对于初始值非常敏感,如果没有适当的初始值,当膜层厚度越来越小时,拟合结果的误差越来越大,导致测量结果不准确。因此,需要通过峰值法获得两个峰值的粗略位置,以此作为拟合的初始值,以保证测量精度。
更进一步地,提供的测量方法可以实现对超薄膜层器件的精确测量,具有非破坏性、大视场、高测量效率、高精度优点,在测量膜厚的同时,也可以快速、精确的重构整个样本的三维形貌。
本发明的基本原理:理论上,调制度响应曲线为第一类贝瑟尔函数的形式,但在微纳器件的检测中,可以忽略旁瓣的影响,近似为高斯函数。而膜与空气、与基底的边界,在调制度响应曲线上对应表现为多个峰值,通过提取这些峰值的位置,结合扫描步距与材料折射率,就可以测量厚度、重构三维形貌。但在测量超薄膜层时,使用传统的峰值提取方法无法准确地检测出各个峰值的位置,最终导致厚度检测和三维形貌恢复失败。本发明中,在非相干条件下,假设膜表面与基底表面的反射信号之间相互独立,即可采用双高斯函数的线性叠加形式作为拟合模型,通过非线性曲线拟合解决超薄膜层无法检测的问题。进一步的研究发现,由于非线性曲线拟合方法对于初始值非常敏感,如果没有适当的初始值,当膜层厚度越来越小时,拟合结果的误差越来越大,导致测量结果不准确,因此,需要通过峰值法获得两个峰值的粗略位置,以此作为拟合的初始值,以保证测量精度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的测量方法基于结构光照明显微并使用非线性拟合法,可以实现对超薄膜层器件的精确测量,测量单层、低于1100nm厚的膜层结构样本时,精度优于10nm。
(2)本发明与现有的超薄膜厚检测手段相比,具有非破坏性、大视场等优点。
(3)本发明在测量膜厚的同时,也可以高精度、高效率地重构整个样本的三维形貌。
附图说明
图1为基于结构光照明显微的膜厚检测误差随不同厚度的变化曲线;
图2为采用本发明测量1098.95nm厚的光刻胶薄膜样本的结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合具体事例,并参照附图,对本发明进一步说明。
本发明旨在提供一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法,利用等相位变化结构光条纹图案投影在被测物表面,并使用上位机进行z向扫描,用相移法获得条纹调制度随扫描距离的变化曲线,然后通过峰值提取结合非线性拟合的算法,得到精确的峰值位置,进一步计算被测物的膜层厚度与三维形貌。以下结合一实例,详细说明本方法的操作:
步骤1:利用搭建好的基于结构光照明的显微***扫描样本,每一步扫描依次投影8幅等相位差的正弦光栅条纹,并把图像储存到上位控制机;
步骤2:根据相移法计算样品上每个像素点的调制度随扫描距离变化的调制度响应曲线,计算表达式为:
其中Ii(x,y)为第i步相移时CCD采集图像的光强分布,总相位移动步数N等于8。
步骤3:由于结构光条纹作用,当扫描时聚焦平面经过膜分别于空气、基底交界的位置时,调制度恰好出现峰值,因此精确提取峰值位置即可计算膜厚、重建三维形貌。本实施例中采用两个自定义高斯函数的线性叠加作为拟合函数,其表达式为:
其中,W1和W2表征两个高斯波形的半高宽,是根据膜层材料折射率、成像***传递函数和投影条纹周期等参数计算得的固定参数;A1和A2分别为两个高斯曲线的峰幅值;X1和X2分别代表两个峰的对应位置,其初始值需为峰值法获得的峰值粗略位置。
步骤4:结合以上步骤获得的两个峰值的精确位置与膜材料的反射率n、扫描步距d等信息,根据表达式计算薄膜的厚度:
h=n·d·|X1-X2| (3)
将所有像素点的膜厚数据整合,最终重构出样本的三维形貌。
实施例:
下面以二氧化硅基片上镀制光刻胶薄膜的样本为例,对本发明进行说明:
(1)在二氧化硅基片上旋涂RZJ-304光刻胶并曝光,制成薄膜。台阶仪测量获得其厚度为1098.95nm;
(2)利用搭建好的基于结构光照明的显微***扫描薄膜边缘台阶部分,扫描步距为50nm,从0nm至4000nm共80步,每一步扫描依次投影8幅等相位差的正弦光栅条纹,并把图像储存到上位控制机;
(3)根据相移法计算样品上每个像素点的调制度随扫描距离变化的调制度响应曲线,然后使用峰值法根据公式(2)进行非线性拟合,获得每条调制度曲线的两个峰值点精确位置X1和X2,根据公式(3)计算得到光刻胶薄膜的厚度为1090.17nm,将所有像素点的数据整合,最终重构出样本的三维形貌,结果如图2所示。
Claims (1)
1.一种基于结构光照明显微***的超薄膜器件三维形貌检测方法,其特征在于:利用等相位变化结构光条纹图案投影在被测物表面,并使用上位机进行z向扫描,用相移法获得条纹调制度随扫描距离的变化曲线,然后通过峰值提取结合非线性拟合的算法,得到精确的峰值位置,进一步计算被测物的膜层厚度与三维形貌;
所述方法步骤包括:
步骤1:使用数字微镜阵列(DMD:Digital Micro-mirror Devices)生成结构光,依次投影8幅等相位差的正弦光栅条纹,将待测结构表面的反射信号用CCD采集并存储到上位机;
步骤2:控制PZT等步距垂直扫描被测物,每次扫描均重复步骤1,采集并存储图像;
根据相移法计算样品上每个像素点的调制度随扫描距离变化的调制度响应曲线,计算表达式为:
其中Ii(x,y)为第i步相移时CCD采集图像的光强分布,总相位移动步数N等于8;
步骤3:根据以上步骤1和步骤2获得的全部图像,使用相移算法,计算得每个像素点的调制度随扫描位置变化的响应曲线;
由于结构光条纹作用,当扫描时聚焦平面经过膜分别于空气、基底交界的位置时,调制度恰好出现峰值,因此精确提取峰值位置即可计算膜厚、重建三维形貌,采用两个自定义高斯函数的线性叠加作为拟合函数,其表达式为:
其中,W1和W2表征两个高斯波形的半高宽,是根据膜层材料折射率、成像***传递函数和投影条纹周期等参数计算得的固定参数;A1和A2分别为两个高斯曲线的峰幅值;X1和X2分别代表两个峰的对应位置,其初始值需为峰值法获得的峰值粗略位置;
步骤4:使用峰值法,提取每条调制度响应曲线两个峰值的粗略位置,以此数值作为非线性曲线拟合的初始值,对调制度响应曲线进行拟合,获得峰值的精确位置;
步骤5:根据精确的峰值位置、扫描步距、各层材料的折射率,计算出膜层厚度,并恢复得到样本的三维形貌;
结合以上步骤获得的两个峰值的精确位置与膜材料的反射率n、扫描步距d信息,根据表达式计算薄膜的厚度:
h=n·d·|X1-X2| (3)
将所有像素点的膜厚数据整合,最终重构出样本的三维形貌;
在非相干模型下,假设膜表面与基底表面的反射信号之间相互独立,采用双高斯函数的线性叠加形式作为拟合模型,通过非线性曲线拟合解决超薄膜层无法检测的问题;
由于非线性曲线拟合方法对于初始值非常敏感,如果没有适当的初始值,当膜层厚度越来越小时,拟合结果的误差越来越大,导致测量结果不准确,因此,需要通过峰值法获得两个峰值的粗略位置,以此作为拟合的初始值,以保证测量精度;
提供的测量方法可以实现对超薄膜层器件的精确测量,具有非破坏性、大视场、高测量效率、高精度优点,在测量膜厚的同时,也可以快速、精确的重构整个样本的三维形貌。
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