一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法
一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用飞秒激光频率梳测量表面三维形貌特征的方法，该方法主要用于半导体集成电路、MEMS器件等微纳尺度表面三维形貌特征的测量。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路制造技术、微纳米超精密加工技术的进一步发展，大尺寸、纳米级大规模集成电路和微型化、精密化微机电系统的出现，对相关测量方法和测量仪器的检测能力与检测精度提出了新的要求和挑战。
[0003]目前现有的微纳尺度表面三维形貌特征测量方法有诸多的限制，如单次测量的横向视场较小，纵向测量的扫场、快描速度较慢，测量精度与机械扫描装置相关等，已不能满足对微纳尺度表面三维形貌特征进行大视速测量的要求。
[0004]飞秒激光频率梳在精密光谱学、光频计量和绝对测距等方面有着独特的时间和光谱特性，飞秒激光脉冲的低时间相干、高空间相干的特性方法是一种新型的测量方法，具有测量视场大、测量速度快等优点，在半导体集成电路制造、MEMS器件加工和其他微纳制造在大尺寸表面三维形貌特征测量中具有前所未有的优势，基于飞秒激光频率梳的表面三维形貌特征测量等领域具有重要应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明采用飞秒激光频率梳作为光源，利用其低时间相干、高空间相干的特性实现大尺寸的微纳测量，而且频率梳的重复频率可以调节，通过重复频率的变化完成对样品表面的扫描测量。本发明采用测量光路是非平衡非对称光路，由光纤光路、倍频系统和扩束光路组成，以实现跨尺度微纳测量。测量得到的干涉图样由高速CCD探测，进行处理和分析后可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
[0006]与传统测量方法相比，本发明采用飞秒激光频率梳作为光源，扩大了测量视场；采用电扫描方法进行扫描，提高了扫描速度，同时避免了机械扫描对测量精度的影响；可以实现跨尺度微纳测量。
【附图说明】
[0007]为了更清楚、准确地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0008]图1为飞秒激光频率梳三维面型测量方法组成框图
[0009]图2为飞秒激光频率梳三维面型测量系统结构示意图
[0010]图3为飞秒激光频率梳三维面型测量方法流程图
[0011]其中，21:光纤耦合器；22，23:单模光纤；24:色散补偿光纤；25，33，34:透镜；26:分色镜；27:倍频晶体；31:平面镜；32:分光棱镜；35:被测样品；41:高速CCD相机
【具体实施方式】
[0012]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案件进行准确、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于此，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0013]本发明涉及的飞秒激光频率梳测量表面三维形貌特征的方法包括:重复频率可调的飞秒激光频率梳系统1，光纤光路和倍频系统组成的光路系统2，迈克尔逊干涉光路和扩束光路构成的测量系统3和高速CCD相机组成的信号接收系统4，如图1所示。本发明涉及的飞秒激光频率梳三维面型测量系统如图2所示，飞秒激光频率梳产生的飞秒脉冲通过光纤耦合器21分成两束光进入由参考光路和测量光路组成的光纤光路。其中参考光路由一段长单模光纤23组成，同时结合使用色散补偿光纤24以补偿由于长距离传输引起的色散。测量光路由一段短单模光纤22组成。同时参考光路与测量光路之间设计有较大的光程差。由光纤光路出射后的飞秒脉冲经平面镜25、分色镜26入射到倍频晶体27进行倍频，且只有倍频后的飞秒脉冲可以通过分色镜26反射进入测量系统。测量系统是由平面镜31、分光棱镜32、透镜33和34、被测样品35构成的迈克尔逊干涉光路组成的，其中透镜33和34组成扩束光路以更好探测样品表面。通过调整飞秒激光频率梳的重复频率完成对被测样品的扫描，在高速CCD相机41上得到相应的干涉图样。
[0014]本发明测量方法流程如图3所示，首先根据实际样品确定重复频率调整步长，然后从初始重复频率开始，每一步进调整后的重频完成一次对样品表面的测量并在CXD上得到一帧相应的图像，如此周而复始直至对被测样品表面的扫描完成。扫描完成后通过对CCD上所得干涉图样的分析处理，可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
[0015]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专利技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法，包括， 重复频率可调的飞秒激光频率梳系统1，光纤光路和倍频系统组成的光路系统2，迈克尔逊干涉光路和扩束光路构成的测量系统3和高速CCD相机组成的信号接收系统4。2.根据权利要求1，得出涉及的飞秒激光频率梳三维面型测量系统，飞秒激光频率梳产生的飞秒脉冲通过光纤耦合器21分成两束光进入由参考光路和测量光路组成的光纤光路。其中参考光路由一段长单模光纤23组成，同时结合使用色散补偿光纤24以补偿由于长距离传输引起的色散。测量光路由一段短单模光纤22组成。同时参考光路与测量光路之间设计有较大的光程差。由光纤光路出射后的飞秒脉冲经平面镜25、分色镜26入射到倍频晶体27进行倍频，且只有倍频后的飞秒脉冲可以通过分色镜26反射进入测量系统。测量系统是由平面镜31、分光棱镜32、透镜33和34、被测样品35构成的迈克尔逊干涉光路组成的，其中透镜33和34组成扩束光路以更好探测样品表面。通过调整飞秒激光频率梳的重复频率完成对被测样品的扫描，在高速CCD相机41上得到相应的干涉图样。3.根据权利要求2，得出实际样品确定重复频率调整步长，然后从初始重复频率开始，每一步进调整后的重频完成一次对样品表面的测量并在CXD上得到一帧相应的图像，如此周而复始直至对被测样品表面的扫描完成。扫描完成后通过对CCD上所得干涉图样的分析处理，可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
【专利摘要】本发明公开了一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法。该方法主要用于半导体集成电路、MEMS器件等微纳尺度表面三维形貌特征的测量。通过飞秒激光完成对样品表面的扫描测量，采用测量光路实现跨尺度微纳测量，测量得到干涉图样由高速CCD探测，进行处理分析后得到表面三维形貌特征参量，进而还原样品表面三维形貌。
【IPC分类】G01B11/24
【公开号】CN104897076
【申请号】CN201410086820
【发明人】周维虎, 黎尧, 纪荣祎, 劳达宝, 董登峰, 张滋黎, 袁江, 刘鑫, 胡坤
【申请人】中国科学院光电研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用飞秒激光频率梳测量表面三维形貌特征的方法，该方法主要用于半导体集成电路、MEMS器件等微纳尺度表面三维形貌特征的测量。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路制造技术、微纳米超精密加工技术的进一步发展，大尺寸、纳米级大规模集成电路和微型化、精密化微机电系统的出现，对相关测量方法和测量仪器的检测能力与检测精度提出了新的要求和挑战。
[0003]目前现有的微纳尺度表面三维形貌特征测量方法有诸多的限制，如单次测量的横向视场较小，纵向测量的扫场、快描速度较慢，测量精度与机械扫描装置相关等，已不能满足对微纳尺度表面三维形貌特征进行大视速测量的要求。
[0004]飞秒激光频率梳在精密光谱学、光频计量和绝对测距等方面有着独特的时间和光谱特性，飞秒激光脉冲的低时间相干、高空间相干的特性方法是一种新型的测量方法，具有测量视场大、测量速度快等优点，在半导体集成电路制造、MEMS器件加工和其他微纳制造在大尺寸表面三维形貌特征测量中具有前所未有的优势，基于飞秒激光频率梳的表面三维形貌特征测量等领域具有重要应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明采用飞秒激光频率梳作为光源，利用其低时间相干、高空间相干的特性实现大尺寸的微纳测量，而且频率梳的重复频率可以调节，通过重复频率的变化完成对样品表面的扫描测量。本发明采用测量光路是非平衡非对称光路，由光纤光路、倍频系统和扩束光路组成，以实现跨尺度微纳测量。测量得到的干涉图样由高速CCD探测，进行处理和分析后可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
[0006]与传统测量方法相比，本发明采用飞秒激光频率梳作为光源，扩大了测量视场；采用电扫描方法进行扫描，提高了扫描速度，同时避免了机械扫描对测量精度的影响；可以实现跨尺度微纳测量。
【附图说明】
[0007]为了更清楚、准确地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0008]图1为飞秒激光频率梳三维面型测量方法组成框图
[0009]图2为飞秒激光频率梳三维面型测量系统结构示意图
[0010]图3为飞秒激光频率梳三维面型测量方法流程图
[0011]其中，21:光纤耦合器；22，23:单模光纤；24:色散补偿光纤；25，33，34:透镜；26:分色镜；27:倍频晶体；31:平面镜；32:分光棱镜；35:被测样品；41:高速CCD相机
【具体实施方式】
[0012]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案件进行准确、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于此，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0013]本发明涉及的飞秒激光频率梳测量表面三维形貌特征的方法包括:重复频率可调的飞秒激光频率梳系统1，光纤光路和倍频系统组成的光路系统2，迈克尔逊干涉光路和扩束光路构成的测量系统3和高速CCD相机组成的信号接收系统4，如图1所示。本发明涉及的飞秒激光频率梳三维面型测量系统如图2所示，飞秒激光频率梳产生的飞秒脉冲通过光纤耦合器21分成两束光进入由参考光路和测量光路组成的光纤光路。其中参考光路由一段长单模光纤23组成，同时结合使用色散补偿光纤24以补偿由于长距离传输引起的色散。测量光路由一段短单模光纤22组成。同时参考光路与测量光路之间设计有较大的光程差。由光纤光路出射后的飞秒脉冲经平面镜25、分色镜26入射到倍频晶体27进行倍频，且只有倍频后的飞秒脉冲可以通过分色镜26反射进入测量系统。测量系统是由平面镜31、分光棱镜32、透镜33和34、被测样品35构成的迈克尔逊干涉光路组成的，其中透镜33和34组成扩束光路以更好探测样品表面。通过调整飞秒激光频率梳的重复频率完成对被测样品的扫描，在高速CCD相机41上得到相应的干涉图样。
[0014]本发明测量方法流程如图3所示，首先根据实际样品确定重复频率调整步长，然后从初始重复频率开始，每一步进调整后的重频完成一次对样品表面的测量并在CXD上得到一帧相应的图像，如此周而复始直至对被测样品表面的扫描完成。扫描完成后通过对CCD上所得干涉图样的分析处理，可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
[0015]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专利技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法，包括， 重复频率可调的飞秒激光频率梳系统1，光纤光路和倍频系统组成的光路系统2，迈克尔逊干涉光路和扩束光路构成的测量系统3和高速CCD相机组成的信号接收系统4。2.根据权利要求1，得出涉及的飞秒激光频率梳三维面型测量系统，飞秒激光频率梳产生的飞秒脉冲通过光纤耦合器21分成两束光进入由参考光路和测量光路组成的光纤光路。其中参考光路由一段长单模光纤23组成，同时结合使用色散补偿光纤24以补偿由于长距离传输引起的色散。测量光路由一段短单模光纤22组成。同时参考光路与测量光路之间设计有较大的光程差。由光纤光路出射后的飞秒脉冲经平面镜25、分色镜26入射到倍频晶体27进行倍频，且只有倍频后的飞秒脉冲可以通过分色镜26反射进入测量系统。测量系统是由平面镜31、分光棱镜32、透镜33和34、被测样品35构成的迈克尔逊干涉光路组成的，其中透镜33和34组成扩束光路以更好探测样品表面。通过调整飞秒激光频率梳的重复频率完成对被测样品的扫描，在高速CCD相机41上得到相应的干涉图样。3.根据权利要求2，得出实际样品确定重复频率调整步长，然后从初始重复频率开始，每一步进调整后的重频完成一次对样品表面的测量并在CXD上得到一帧相应的图像，如此周而复始直至对被测样品表面的扫描完成。扫描完成后通过对CCD上所得干涉图样的分析处理，可以得到样品表面三维形貌特征参量，并通过三维模型重建可以还原样品表面三维形貌。
【专利摘要】本发明公开了一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法。该方法主要用于半导体集成电路、MEMS器件等微纳尺度表面三维形貌特征的测量。通过飞秒激光完成对样品表面的扫描测量，采用测量光路实现跨尺度微纳测量，测量得到干涉图样由高速CCD探测，进行处理分析后得到表面三维形貌特征参量，进而还原样品表面三维形貌。
【IPC分类】G01B11/24
【公开号】CN104897076
【申请号】CN201410086820
【发明人】周维虎, 黎尧, 纪荣祎, 劳达宝, 董登峰, 张滋黎, 袁江, 刘鑫, 胡坤
【申请人】中国科学院光电研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
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