技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種物品表面形貌檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：
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微觀表面形貌檢測在工業(yè)產(chǎn)品檢測、機械制造、電子工業(yè)等領(lǐng)域均有非常重要的應用價值，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)、光學精微加工及微機電技術(shù)的發(fā)展，對微觀表面精度的要求越來越高，表面形貌質(zhì)量成為保證和提高機械、電子及光學系統(tǒng)性能、質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵因素之一。在最近幾十年里，國內(nèi)外微觀表面形貌測量領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新技術(shù)和新方法，使測量精度不斷提高，己從微米尺度進入到納米甚至亞納米尺度。目前微觀表面形貌測量方法可分為兩大類:接觸式和非接觸式。觸針式輪廓儀是目前使用比較廣泛的接觸式表面輪廓測量儀，具有測量范圍大、分辨率高、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復性好等優(yōu)點，其軸向測量分辨率可達1nm或更小，但在微觀表面輪廓檢測中，通常要求不能和樣品表面接觸，接觸檢測會導致樣品表面損傷。納米級精度非接觸測量方法可分為非光學方法和光學方法兩大類，非光學測量方法包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡橫向分辯率為0.1nm，軸向分辨率0.01nm量級，其軸向和橫向測量范圍較小(約1μm)，掃描隧道顯微鏡是通過隧道電流反映被測表面形貌，因此,只能測量導體或半導體,而且測量必須在真空中進行。原子力顯微鏡的軸向分辨率達到0.1nm，橫向分辨率約為10nm，既可以檢測導體，也可以檢測非導體，但具有成像范圍小、受探頭影響大的缺點。納米級光學測量方法分為兩類：(1)結(jié)合色差和共焦顯微技術(shù)的色差共焦光譜技術(shù)(chromaticconfocalspectrum,ccs)，(2)干涉測量方法，包括：單色光相移干涉法(phase-shiftinginterferometry,psi)、垂直掃描白光干涉法(verticalscanningwhite-lightinterferometry,swli)、白光光譜干涉法(white-lightspectralinterferometry,wlsi)及外差干涉法(heterodyneinterferometry,hi)。

軸向分辨率、軸向測量范圍、系統(tǒng)穩(wěn)定性、橫向分辨率及檢測速度是納米級形貌成像中比較關(guān)鍵的問題。ccs軸向分辨率達到2nm，差于干涉方法，但是ccs的優(yōu)點是高穩(wěn)定性。ccs的另一缺點是其軸向分辨率、軸向測量范圍及橫向分辨率都決定于樣品光焦點，軸向分辨率、軸向測量范圍依賴于焦點色散特性，因此，要求焦點色散特性嚴格穩(wěn)定，不適合于進行快速的光學掃描，目前都是用高精度平移臺移動樣品進行二維掃描，機械掃描會引入振動干擾，影響軸向測量精度，同時也限制了測量速度。對于干涉方法，影響系統(tǒng)性能的主要因素是穩(wěn)定性和軸向測量范圍，干涉方法具有高靈敏度，但對外界的干擾也同樣靈敏，干涉方法的軸向精度和橫向分辨率無關(guān)，可以實現(xiàn)快速的光學掃描。

干涉法的軸向分辨率要高于ccs，但是干涉法存在相位包裹及易受環(huán)境干擾的問題。psi、wlsi及hi是通過計算參考光和樣品光之間的相位差得到樣品表面的高度值，相位計算的主值范圍為[-π，+π]，當相位超過[-π，+π]，發(fā)生相位包裹，必須通過相位解包裹恢復真實相位，才能得到正確的高度信息。目前，雖然已有多種數(shù)值相位解包裹的方法被提出，然而這些方法都存在一定的問題，計算復雜耗時，受噪聲及欠采樣影響，特別是當相鄰兩點相位差超過π時，無法恢復真實的相位。相位解包裹的原理是根據(jù)相位的連續(xù)性，通過比較相鄰兩點之間相位差進行相位解包裹，從原理上講，當相鄰兩點的相位差大于π時，就無法正確恢復真實相位，這就限定了干涉法的應用范圍。swli可以測量絕對光程，不存在相位包裹問題，但是對于每一探測點，需要進行軸向掃描，干涉條紋的解調(diào)精度和軸向掃描精度限制了軸向測量精度，同時使用軸向掃描也限制了測量速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種測量精度高、受環(huán)境干擾以及機械干擾小的物品表面形貌檢測方法及裝置。

本發(fā)明的發(fā)明目的可以通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種物品表面形貌檢測方法，檢測過程如下：

①由低相干光源產(chǎn)生低相干光線，低相干光線射進三端環(huán)形器的端口1，然后從端口2射出；

②從端口2射出的光線經(jīng)第一透鏡準直后射進x-y掃描振鏡中的x振鏡，然后從x振鏡射到y(tǒng)振鏡，接著從y振鏡射出；

③從y振鏡射出的光線經(jīng)第二透鏡聚焦，聚焦后的光線經(jīng)過一分光片后分為兩部分光線，一部分從玻璃底面反射，作為參考光，另一部分穿透玻璃后投射到被樣品表面，然后反射，作為樣品光；

④從③中發(fā)射的兩部分光線共光路返回，經(jīng)第二透鏡匯聚到掃描振鏡的y振鏡，經(jīng)y振鏡射入x振鏡，然后射出；

⑤x振鏡射出的光線經(jīng)第一透鏡匯聚進入三端環(huán)形器的端口2，然后從端口3射出；

⑥從端口3射出的參考光和樣品光進入光譜儀，光譜儀傳遞數(shù)據(jù)給電腦；

⑦控制掃描振鏡的運動，掃描振鏡對樣品進行逐點掃描，電腦獲得樣品表面各個位置的低相干光干涉光譜；

⑧電腦計算相鄰位置的相位差

⑨根據(jù)相位差計算樣品該相鄰兩位置的深度差δz，得到樣品表面形貌的相位差分圖；

⑩對計算的深度差δz進行積分，得到最終樣品表面形貌的定量分布情況。

步驟⑧中所屬的計算相鄰位置的相位差的步驟如下：

相鄰兩位置點1和2的相干光譜分別為:

位置點1的相干光譜為：

位置點2的相干光譜為：

其中，i1(km)、i2(km)分別為位置點1、2的相干光譜，s(km)為光源光譜強度分布，a11、a12分別為位置1對應的樣品光和參考光振幅，a21、a22分別為位置2對應的樣品光和參考光振幅，km為波數(shù)，n為空氣折射率，樣品面和參考面的距離用不同分辨率的兩部分表示，相鄰兩位置點1和2的相干光譜表達式中z0表示樣品面和參考面的絕對距離，其精度決定于光源的相干長度，相對于z0的具有亞相干長度分辨率的距離為kc為光源的中心波數(shù)，其精度決定于光譜儀的光譜分辨率。

假定位置點2相對于點1的微小高度增量為δz0，位置點1和2的參考臂光程相等，則位置點1和2的高度差δz0為，

為與之差

對i1(km)和i2(km)分別進行傅立葉變換后得到相對應的復數(shù)序列f1(2nzm)和f2(2nzm)，zm表示離散化的高度。因為樣品中只有樣品表面為反射面，則f1(2nzm)和f2(2nzm)的功率譜極大值對應的位置即為2nz0，因此得到兩個復數(shù)和則為，

上式中星號表示復共軛，由此式計算出相位差即得到樣品表面的相位差分圖，不論各點的相位值大小，只要相鄰兩點在區(qū)間[-π，+π]，不發(fā)生相位包裹，當相鄰兩點的相位差超過π，在相位差分圖上出現(xiàn)相位包裹，通過相位解包裹處理，消除相位差分圖上的相位包裹，再進行積分，得到樣品表面的相位分布及形貌。由于解包裹運算是在相位差分圖上進行的，因此，把相鄰兩點相位差絕對值的限制條件由目前的π擴大到2π。

步驟⑨中，根據(jù)所述的相位差獲得位置1與位置2的深度差δz，具體通過以下方式獲得：

包括有低相干光源、三端環(huán)形器、第一透鏡、掃描振鏡、第二透鏡和分光片，三端環(huán)形器的端口1與低相干光源相連通，端口2后續(xù)依次連接第一透鏡—x-y掃描振鏡—第二透鏡，端口3依次連接光譜儀—電腦，第一透鏡與x-y掃描振鏡的x振鏡相連，第二透鏡與x-y掃描振鏡的y振鏡相連，分光片設置在第二透鏡與y振鏡相連一側(cè)的另一側(cè)，分光片上第二透鏡一側(cè)的另一側(cè)鍍上一層透光率為50％～70％的反射膜，分光片鍍上反射膜的一側(cè)設有提供給被樣品放置的樣品臺。

在第一透鏡和x-y掃描振鏡之間設置一反射鏡。

采用本技術(shù)方案后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)表面形貌高精度的快速非接觸測量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，測量精度能達到亞nm級，由于不直接計算各個位置的相位，因此，只要相鄰兩點的相位差在區(qū)間[-π，+π]，不發(fā)生相位包裹，將干涉法相鄰兩點相位差絕對值的限制條件由目前的π擴大到2π。參考面和樣品置于同一平臺之上，最大限度消除環(huán)境干擾及系統(tǒng)振動的影響，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，使用光學掃描實現(xiàn)高速成像，減小機械掃描引入的干擾。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明物品表面形貌檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本技術(shù)作進一步說明。

物品表面形貌檢測裝置，包括：低相干光源1、光譜儀、三端環(huán)形器2、第一透鏡3、反射鏡5、x-y掃描振鏡6、第二透鏡7和樣品臺12。低相干光源1發(fā)出的光由三端環(huán)形器2的端口1進入，從三端環(huán)形器2的端口2出來的光經(jīng)透鏡3準直后射到反射鏡5，改變方向后的光射到x-y掃描振鏡6的x振鏡，從x振鏡射到x-y掃描振鏡6的y振鏡，經(jīng)y振鏡的光被第二透鏡7聚焦到被測樣品9表面，通過掃描振鏡6的快速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對樣品9表面的掃描。樣品和作為參考反射鏡的分光片8置于同一平臺之上，樣品臂和參考臂為共光路。在樣品臺12上放一小立柱4，在小立柱4上放一分光片8該分光片底部上鍍上一層透光率為50％—70％的反射膜，被第二透鏡7聚焦的光一部分被分光片8下表面反射，另一部分穿過分光片8被聚焦到樣品9表面，被樣品9表面反射的樣品光與被分光片8下表面反射的參考光通過第二透鏡7匯聚到掃描振鏡6的y振鏡，經(jīng)y振鏡射入x振鏡的光通過反射鏡5改變方向后，由透鏡3匯聚到三端環(huán)形器2的端口2，從三端環(huán)形器2的端口3進入光譜儀10的準直透鏡13，經(jīng)準直透鏡13準直的光射入透射光柵14(1145lines/mm,wasatchphotonics)后被第三透鏡15聚焦到高速線陣相機16(gl2048l,sensorsunlimited)，參考光和樣品光形成的干涉光譜被光譜儀10實時采集,干涉光譜傳給電腦11進行后續(xù)處理。

掃描振鏡6的y轉(zhuǎn)軸位置為第二透鏡7的焦點。通過掃描振鏡6的快速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對樣品9表面的掃描。

本發(fā)明是一種達到亞納米級表面形貌檢測的方法，包括以下步驟：

s1，使用共光路的頻域低相干光干涉裝置，分光片8(該分光片上渡50％—70％反射膜)放在樣品臺12上，采集分光片8下表面的反射光與樣品表面反射光的干涉光譜，用x-y掃描振鏡6對樣品進行逐點掃描，得到樣品表面各個位置的低相干光干涉光譜。

s2，計算相鄰位置的相位差

s3，根據(jù)所述的相位差計算樣品該相鄰兩位置的深度差δz，得到表面形貌的相位差分圖；

s4，對計算的深度差δz進行積分，得到樣品表面形貌的定量分布。

步驟s2中所述的計算相鄰位置的相位差的步驟如下：

相鄰兩位置點1和2的相干光譜分別為:

位置點1的相干光譜為：

位置點2的相干光譜為：

其中，i1(km)、i2(km)分別為位置點1、2的相干光譜，s(km)為光源光譜強度分布，a11、a12分別為位置1對應的樣品光和參考光振幅，a21、a22分別為位置2對應的樣品光和參考光振幅，km為波數(shù)，n為空氣折射率，樣品面和參考面的距離用不同分辨率的兩部分表示，相鄰兩位置點1和2的相干光譜表達式中z0表示樣品面和參考面的絕對距離，其精度決定于光源的相干長度，相對于z0的具有亞相干長度分辨率的距離為kc為光源的中心波數(shù)，其精度決定于光譜儀的光譜分辨率。

假定位置點2相對于點1的微小高度增量為δz0，置點1和2的參考臂光程相等，則位置點1和2的高度差δz0為，

公式(3)中，為與之差。對i1(km)和i2(km)分別進行傅立葉變換后得到相對應的復數(shù)序列f1(2nzm)和f2(2nzm)，zm表示離散化的高度。因為樣品中只有樣品表面為反射面，則f1(2nzm)和f2(2nzm)的功率譜極大值對應的位置即為2nz0，因此得到兩個復數(shù)和則為，

上式中星號表示復共軛，由(4)式計算出相位差即得到樣品表面的相位差分圖，不論各點的相位值大小，只要相鄰兩點在區(qū)間[-π，+π]，不發(fā)生相位包裹，當相鄰兩點的相位差超過π，在相位差分圖上出現(xiàn)相位包裹，通過相位解包裹處理，消除相位差分圖上的相位包裹，再進行積分，得到樣品表面的相位分布及形貌。由于解包裹運算是在相位差分圖上進行的，因此，把相鄰兩點相位差絕對值的限制條件由目前的π擴大到2π。

步驟s3中，根據(jù)所述的相位差獲得位置1與位置2的深度差δz具體通過以下方式獲得：

對所述的深度差δz進行積分，得到被檢測樣品表面形貌定量分布：z＝∫δz。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明之形狀、構(gòu)造及原理所作的等效變化，均應涵蓋于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。