基于中介層散射原理的共焦顯微測(cè)量技術(shù)及理論研究.pdf

1、隨著超精密加工工藝水平的不斷提升，元件表面的加工精度不斷提高，復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和宏觀自由曲面的加工技術(shù)逐漸成熟，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)也提出了需求。針對(duì)高曲率及大傾角表面的形狀測(cè)量，現(xiàn)有基于光學(xué)子孔徑拼接技術(shù)和機(jī)械掃描技術(shù)的測(cè)量方法由于引入更多的掃描和運(yùn)動(dòng)自由度，不僅使儀器成本急劇增加，而且系統(tǒng)精度難以進(jìn)一步提高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類元件形狀特征的精密測(cè)量。另外，由于微觀高曲率及大傾角表面元件局部結(jié)構(gòu)對(duì)探測(cè)光的遮擋，即使引入多維機(jī)械掃描也難以測(cè)得此

2、類樣品的局部形狀。高曲率及大傾角表面的光學(xué)成像與測(cè)量成為目前計(jì)量領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性和亟待解決的難題之一。
　　本課題通過(guò)研究高曲率及大傾角元件在明場(chǎng)共焦成像模式下測(cè)量分辨率降低以至無(wú)法觀測(cè)的原因，提出了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測(cè)量方法，同時(shí)針對(duì)軸向峰值定位這一共焦測(cè)量技術(shù)的共性問(wèn)題開展了深入分析。主要內(nèi)容如下：
　?。?）基于線性光學(xué)成像原理及共焦成像理論，對(duì)高曲率及大傾角表面的共焦顯微成像機(jī)理進(jìn)行研究，分

3、析了成像系統(tǒng)有限收集孔徑對(duì)信號(hào)光收集能力不足而導(dǎo)致的理論分辨率下降和信噪比降低的問(wèn)題，并在共焦軸向響應(yīng)和傳遞函數(shù)兩個(gè)方面對(duì)光滑傾斜樣品的共焦成像能力進(jìn)行分析。
　?。?）針對(duì)傳統(tǒng)基于反射和衍射原理形狀測(cè)量方法中，高曲率及大傾角表面鏡面反射產(chǎn)生的信號(hào)光中心法線偏轉(zhuǎn)而引起的信號(hào)光有效收集孔徑減小，甚至無(wú)法被收集的問(wèn)題，開展了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測(cè)量方法研究。利用物理氣相沉積技術(shù)，在樣品表面沉積一層易去除的納米

4、級(jí)厚度的中介層，構(gòu)建了一個(gè)各向同性散射表面，避免了由于樣品表面鏡面反射導(dǎo)致信號(hào)光中心法線偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題。載有樣品表面位置信息的散射信號(hào)總能充滿成像光瞳，不隨表面傾斜角度變化而變化，解決了大傾角表面測(cè)量分辨率降低甚至不可測(cè)的問(wèn)題。在數(shù)值孔徑NA=0.75下對(duì)光滑傾斜曲面的探測(cè)能力達(dá)到88.4°，曲面可探測(cè)角度超過(guò)傳統(tǒng)反射成像方法理論極限的82％。同時(shí)，利用中介層共焦響應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生軸向峰值位置移動(dòng)和包絡(luò)展寬的卷積特性，進(jìn)行中介層厚度誤差校正，解決

5、了基于中介層散射共焦形狀測(cè)量的理論嚴(yán)密性問(wèn)題。
　　（3）針對(duì)軸向響應(yīng)峰值定位這一共焦顯微儀器的共性核心問(wèn)題，分析了高數(shù)值孔徑下共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性，建立了共焦系統(tǒng)sinc2軸向響應(yīng)模型，將sinc2模型的適用范圍從低數(shù)值孔徑情況下推廣至高數(shù)值孔徑，并提出了基于sinc2函數(shù)擬合的共焦軸向響應(yīng)峰值定位方法，sinc2擬合方法比高斯模型具有更高的擬合精度與效率。標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階高度測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明，sinc2擬合方法平均擬合時(shí)間比高斯擬合方法縮