微/纳结构三维形貌高精度测试系统

　　0 引 言

　　微机电系统(Micro Electro Mechanical System-MEMS)是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或微系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。MEMS因具有可大批量生产、成本低、功耗少、集成化高等优势，在航空航天、科学仪器、汽车、国防等领域具有广阔的应用前景。在设计和开发 MEMS 时，系统功能主要通过微/纳结构的微小位移和变形来实现，因此，微/纳结构三维形貌及其变形信息影响着 MEMS 性能的实现，同时也是评判和控制 MEMS 加工工艺的一个重要指标。

　　由于微/纳结构具有结构尺寸小、质量轻等特点，基于压电、光弹、应变等效应的传统接触式测量方法将无法胜任微/纳结构的三维形貌测量，因而要求采用基于光学的非接触式无损测量，如光学探针法、光切法和干涉法等。干涉法可分为基于光波干涉原理的显微干涉和基于白光干涉特征的白光干涉。其中，扫描白光干涉法是一种应用广泛的三维形貌非接触式测量方法，如国内华中科技大学[1-2]、天津大学[3]、中北大学[4]等都进行了相关的研究，取得了重要的研究成果。国外 Zygo 公司和 Veeco 公司等已将白光干涉表面轮廓仪商品化。但由于白光是低相干光，干涉只发生在被测样品表面的局部区域，利用扫描白光干涉法测量三维形貌时，虽然可实现高台阶的测量，但因需通过微驱动装置产生的微进给来驱动被测工件的进给实现高度方向的扫描及光程差的改变，系统的测量精度不可避免地受到微驱动装置精度的影响[5]。

　　本文提出把显微干涉技术和光偏振技术相结合设计研制微/纳结构三维形貌高精度测试系统，通过在偏振分光镜前放置偏振片和 1/2 波片来调节干涉条纹图亮度和增强干涉条纹图对比度，可实现微/纳结构三维形貌的非接触式高精度测量，系统的 Ra重复测量精度可达 0.06 nm，最大示值误差不到±1%，示值变动性不到 0.5%。

　　1 系统构建及测量原理

　　1.1 光路设计及分析

　　系统结构框图如图1 所示，系统光路组成元件主要有：一个激光二极管、扩束准直系统、两个偏振片、一个 1/2 波片一个全反射棱镜、一个偏振分光棱镜、两个 1/4 波片、一个参考平面镜、两个透镜及两个光学特性一致的物镜(物镜有4×,10×,20×可供选)。偏振分光镜将激光二极管发出的光分为相互垂直的两束线偏振光，分别射向参考镜和被测 MEMS 微/纳结构表面。反射光经由分光镜后，在 CCD焦平面上产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。1/4 波片使分别从参考镜和试件反射回来的光不按其原路返回，都入射到CCD 摄像机上。偏振分光镜前的偏振片用来产生强度可调的线偏振光，以便 CCD 摄像机采集到的干涉图案亮度适中。旋转偏振分光镜之前的 1/2 波片改变偏振光的偏振方向，可改变偏振光在分光镜中的分光比，补偿参考镜与试件的反射性能差异，获得高对比度的干涉条纹图。通过选用不同焦距的物镜，可改变系统的分辨力、放大倍数、景深及视场大小。试件和参考镜分别放在物镜焦平面上，CCD 摄像机放在焦距为if 的透镜的焦平面上。照射到参考镜和试件上的光斑直径 di由焦距为 fc的透镜和焦距为 fm的物镜决定。照射到 CCD 摄像机上的光斑直径 ds由焦距为 fc和 fi的两透镜决定。若 fc=150 mm，fm=17.13 mm，fi=200 mm，激光二极管脉冲光扩束准直后的光斑直径 dc=10 mm，则：