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1、第7卷第3期光学精密工程Vol.7,No.31999年6月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGJune,1999微结构表面形貌的测量周明宝林大键(中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室成都610209)郭履容郭永康(四川联合大学物理系成都610041)摘要总结了现有各种微结构表面形貌测量方法,概述了这些方法的原理、特性及发展现状,并对各种方法的优越性、存在问题以及应用范围进行了比较。关键词微结构表面形貌测量1引言微结构是随着微细加工技术
2、的出现才出现的,是随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细的。例如在微电路制作过程中反复出现的掩模结构表面,通过多次套刻与刻蚀方法制作的二元光学元件表面以及通过微机械加工技术制作的微机械结构表面,都是微结构表面。微结构由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构,其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大,要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。与平滑表面的测量不同,微结构表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵,还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。因此微结构表面的测量相对而言是比较困难的。随着微细加工技术的不断进步,微
3、电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现,对微结构表面形貌测量系统的需求越发迫切,为此,本文在研究衍射光学元件表面形貌测量方法的基础上,对各种微结构表面形貌测量技术进行了系统的分析研究,并将这些技术按照工作原理的不同分成五类。下面分别进行介绍,并作简单的比较。收稿日期:199811038光学精密工程7卷2机械探针式测量方法[1-3]机械探针式测量方法是开发较早、研究最充分的一种表面轮廓测量方法。它利用机械探针接触被测表面
4、,当探针沿被测表面移动时,被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动,其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量,所测数据经适当的处理就得到了被测表面的轮廓。探针式轮廓仪是高精度的表面轮廓测量仪器,深度测量精度可达到0.1~0.2nm;纵向分辨率取决于与之配套的位移传感器,一般可达到0.1nm的量级;横向分辨率与针尖半径有关,同时还与被测表面的具体形状有关,一般可达到0.05m~0.25m。探针式轮廓仪可测量各种形状和各种光学机械性质的表面,并且由于被测表面的移动是借助载物台的平动实现的,因此它的测量范围较大。
5、探针式轮廓测量是一种接触式测量,探针要在一定的压力下接触被测表面,并且为了获得较好的测量精度和较高的横向分辨率,探针半径一般都很小,这样被测表面单位面积上承受的接触压力很大(如果测量力为1N,探针半径为120.1m,接触压强将达到510Pa)。如果被测表面较为松软,探针往往会划伤被测表面,因此,探针法一般不宜用于测量铜、铝等软金属表面或涂有光刻胶等薄膜的表面。3光学探针式测量方法[4-5]光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量方法,只不过探针是聚集光束。根据采用的光学原理不同,光学探针可分为几
6、何光学原理型和物理光学原理型两种。几何光学探针利用像面共轭特性来检测表面形貌,有共焦显微镜和离焦检测两种方法:物理光学探针利用干涉原理通过测量程差来检测表面形貌,有外差干涉和微分干涉两种方法。[6]基于共焦显微镜原理的光学探针轮廓仪由共轭成像系统组成。测量时物点跟踪被测表面,并被成像在点探测器上。当被测表面与探测面共轭时,在点探测器上的像点最小,点探测器接收到的能量最大;当被测表面偏离物点时,探测器上的像点变大,点探测器接收到的能量变小。测量时控制物点与被测面重合,保证探测有最大输出,便可描画出被测表面的形貌
7、。[7][8]利用离焦误差检测原理测量表面形貌有多种方法,如临界角法、像散法、偏心光束[9][10]法、傅科刀口法。这些方法通过测量显微物镜与被测表面的离焦量反映被测表面的形貌。离焦误差检测方法具有光路简单、使用方便的优越性。纵向分辨率可达1nm。不足之处是测量对被测表面反射率和局部斜率较为敏感,线性范围窄。[11]外差干涉光学探针利用双光束外差干涉原理来测量被测表面的形貌。两支相干光的一束作为测量光束经显微物镜聚集在被测表面上,另一束则作为参考光束保持光程不变。通过某种方法使两支相干光的频率产生差异,从而使
8、两束相干光的相差受时间调制。当光电探测器检测随时间变化的干涉条纹时,探测器输出电信号中的低频成分的位相就反映了干涉条纹的位相差。利用位相计测出低频信号的位相,就可高精度地测出干涉条纹的位相差,从而得到有关表面形貌的信息。[12]微分干涉光学探针将光束分成两束相干光束并在被测表面上聚焦成两个相距很近的3期周明宝等:微结构表面形貌的测量9光斑,被测表面在
