采用相移干涉仪和AFM的三维形貌测量系统及测量方法与流程

本发明涉及一种采用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统及测量方法。

背景技术：

1、作为测量精密部件的微细表面形貌的方法，有触针式（stylus type）测量法、扫描电子显微镜（scanning electron microscope）测量法、扫描探针显微镜（scanning probemicroscope）测量法、光学相移干涉（phase shifting interferometry）测量法、白光扫描干涉（white-light scanning interferometry）测量法、共焦扫描显微镜（confocalscanning microscope）测量法等。

2、这些测量方法主要测量二维平面上的几何形状，例如圆、线、角度、线宽等，或者检查图案的缺陷、异物、非对称性等，并且主要以由光学显微镜、照明装置以及以电荷耦合器件（ccd）相机为代表的摄像元件构成的探针系统和图像处理技术为基础。

3、在这些测量方法中，白光扫描干涉测量法及光学相移干涉测量法（psi）作为非接触式测量法，受到广泛关注，该非接触式测量法广泛应用于从半导体图案测量到软质材料的表面粗糙度测量、球栅阵列（bga：ball grid array）球测量、激光标记图案测量、通孔（via hole）测量等对微细形貌的三维测量的各个领域。

4、这两种测量方法虽然基于不同的测量原理，但除分别使用多波长和单色波长之外，能够在相同的光学系统及测量系统中实现，因此，在商用测量系统中可以同时使用这两种测量方法。

5、这些测量方法利用如下光干涉信号：从任意基准点同时出发的光在分别经过不同的光程（optical path）后合并时，根据两束光所经过的光程差（optical pathdifference），以明暗形式表现的光干涉信号。

6、作为与该白光干涉仪相关的现有文献，韩国授权专利第10-0598572号（2006年07月07日）提出了白光扫描干涉法（wsi：white-light scanning interferometry），以便在半导体及液晶显示器（lcd：liquid crystal display）制造工艺中，在不透明金属层的表面上涂覆透明薄膜层的工艺过程中，测量关于透明薄膜层厚度或其表面形貌的信息。

7、该白光扫描干涉法的基本测量原理是利用白光的短相干长度（short coherencelength）特性，更具体地说，是利用如下原理：仅当作为分光器的分束器（beam splitter）处分离出的参考光和测量光经历几乎相同的光程差（optical path difference）时，才产生干涉信号（interference signal）。通过利用pzt致动器等移送单元使被测对象沿光轴方向以数纳米（nanometer）的微小间隔逐步移动，并观察测量区域内各测量点处的干涉信号时，在各点与参考镜产生相同光程差的位置处产生短暂的干涉信号；在测量区域内的所有测量点处计算该干涉信号的产生位置，即可获得关于测量表面的三维形貌的信息，并根据所获得的三维信息测量薄膜层的表面形貌。

8、此外，结合相移技术和椭偏测量法（椭圆偏振测量法）的相移成像干涉仪被提出用于测量薄膜的二维厚度轮廓。该图像处理技术是为了提高干涉仪的精度而开发的。

9、因此，提出了用于在两束光束之间利用相移的各种方法，并开发了多个相移干涉仪，且应用于各种领域。

10、相移干涉仪是一种用于面域表面表征的成熟技术，其依赖于对在受控相移期间获取的干涉数据进行数字化，并且最常通过干涉物镜的受控机械振动引入相移。该技术能够提供完整的三维图像，而不受视场尺寸的影响，并具有小于1nm的典型高度测量重复性。用于干涉仪的显微镜为了测量粗糙度和微细形貌，使用各种专用干涉物镜。

11、在垂直入射照明及观察的最简单情况下，将相位数据缩放为高度数据遵循由下式表示的关系式。

12、

13、k对应于干涉信号随样品表面高度h或参考镜位置的变化而以正弦波振荡的速率。在几何结构符合低数值孔径情形且波长已知的情况下，原则上，根据测量原理，测量能够实现自校准。

14、此外，随着近年来纳米制造技术的发展，能够制造内置传感器和致动器的有源悬臂梁探针。配备有源悬臂梁探针的原子力显微镜（afm：atomic force microscopy）与现有的无源探针相比，提供了新的功能以及简化的用户操作。

15、现有的悬臂梁偏转检测主要通过诸如光束偏转（obd）系统等外部方法来执行。在obd配置中，单色激光器（例如，波长为635nm的氦氖激光器）聚焦于悬臂梁自由端的背面。

16、悬臂梁自由端角度的微小变化通过反射光的光程长度被放大，从而产生远大于悬臂梁尖端线性移动的检测器线性移动。

17、反射光朝向位置敏感检测器（通常为四象限光电二极管）的中心，以检测反射光的移动。假定沿探针的激光对准位于二维平面内，则能够证明悬臂梁偏转量δz与尖端的角度成正比。

18、检测有源悬臂梁探针偏转的另一种光学方法为激光干涉测量法。该方法通过将激光束聚焦于有源悬臂梁探针背面而直接检测位移。

19、另一种检测方法采用散光检测原理。

20、该方法用于检测cd/dvd读取器的光拾取装置中的有源悬臂梁探针偏转。该设计机制利用由光电二极管产生并与离焦距离成比例的聚焦误差信号，从而能够通过散光原理检测从对象反射的光的聚焦状态。

21、afm有源悬臂梁探针偏转检测可通过使用压阻检测或压电检测来实现。还曾尝试采用光机械偏转检测。随着半导体微米/纳米制造技术的发展，能够以微米量级的尺寸在有源悬臂梁探针中内置小型传感器。最新设计在产生最大弯曲应力的悬臂梁基部集成了多个压阻元件。通常，使用4个压阻元件形成完整的惠斯登电桥构型，从而提高灵敏度并减小热漂移。

22、压阻检测通过电阻测量便于对有源悬臂探针偏转进行嵌入式测量，从而能够在宽带宽范围内（从直流至兆赫兹）进行静态测量和动态测量。其灵敏度与光学方法的灵敏度相近，但不受衍射极限限制，并且能够使用纳米尺度的悬臂梁。

23、采用先进的半导体制造技术时，考虑到小型化效果，检测元件的几何尺寸能够远小于现有应变计的几何尺寸。由于安装空间减小，因此能够实现用于更精确地测量侧向力的专用探针设计。因此，该方法是用于悬臂梁内置式检测的外部和内部手段的基本方法。

24、动态模式操作的基本要求是激励悬臂梁共振。采用某些操作策略时，还能够控制静态偏转。通过组合内置式自检测方法和自操作方法制成高级原子力显微镜（afm）悬臂梁探针。该类探针称为有源悬臂梁。

25、图1示出了针对被测对象的原子力显微镜（afm）测量信号，图2示出了针对被测对象的干涉仪（psi）测量信号，图3示出了被测对象的特定区域（cu区域）中的afm测量信号与psi测量信号的比较图。

26、图4a和图4b示出了通过相移干涉仪对特定区域（cu区域）进行重复测量所获得的psi测量信号。

27、如图3、图4a和图4b所示，特定区域内的psi测量值具有较高的重复性，但是如图1和图2所示可知，相对于afm测量信号，psi测量信号在特定区域的边界部分具有较大的误差。这是由于特定区域（cu）与其余区域（sio2）之间的消光系数差异所致。

28、另外，通过afm单元测量被测对象时，虽然准确度较高，但在对整体进行测量的情况下，存在耗费大量时间的缺点。

技术实现思路

1、技术问题

2、因此，本发明旨在解决上述现有技术问题而提出，根据本发明的实施例，提供一种利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统及测量方法，其能够利用采用扫描探针显微镜的相移干涉仪成像模式对物体进行检测，并能够生成改进的三维图像，且不受视场尺寸的影响，通常高度测量重复性小于0.3nm。

3、根据本发明的实施例，其目的在于提供一种利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统及测量方法，其通过利用干涉仪单元测量整体形貌，并仅利用afm单元对误差值较大的区域进行测量校正，能够快速且准确地分析被测对象。

4、根据本发明的实施例，其目的在于提供一种利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统及测量方法，其在afm测量时能够使干涉仪光轴与测量点一致以提高准确度，无需使用光束偏转系统，通过在探针中内置压阻检测传感器和小型致动器，能够准确测量尖端的偏转位置，并能够通过三轴压电驱动器进行纳米定位。

5、另一方面，本发明欲解决的技术问题并不限于上述技术问题，未提及的其他技术问题可由以下记载而为本发明所属技术领域的技术人员明确理解。

6、技术方案

7、本发明的第一目的可通过一种利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统实现，该系统作为通过相移干涉仪和afm对被测对象的三维形貌进行测量的装置，其特征在于，包括：相移干涉仪单元，用于测量被测对象的整体形貌；以及afm单元，用于测量所述被测对象，具有通过三轴压电驱动器移动的有源悬臂梁探针，并测量所述被测对象的特定区域的边界。

8、并且，在获取由干涉仪产生的干涉信号和afm信号时，可具有以下特征：所述afm测量点由三轴压电驱动器控制，以与所述干涉仪的光轴一致。

9、此外，afm的有源悬臂梁探针设置于设置在框架上的扫描器的一侧，并且可具有以下特征，包括：尖端，设置于悬臂梁的末端；致动器，内置于所述悬臂梁中并通过使所述悬臂梁变形而驱动所述尖端压向测量点；以及压阻检测传感器，内置于所述悬臂梁内部，用于测量由尖端压向所述被测对象时的压阻。

10、并且，其特征在于，有源悬臂梁探针的一侧从所述扫描器的侧面向外侧突出，末端部从所述探针主体部向下侧锥形化。

11、此外，其特征在于，所述致动器可以是具有双压电晶片结构并具有电阻加热元件的电热致动器，所述压阻检测传感器可以具有包括4个压阻元件的惠斯通电桥结构，并测量所述尖端的连接状态和接触压力。

12、并且，其特征在于，所述干涉仪单元可以包括：照明光学模块，具有用于出射光的光源；偏振分束器，反射所述光的第一偏振波以使其入射至参考镜，并透射第二偏振波以使其入射至被测对象；四分之一波片，对由所述参考镜反射并由所述偏振分束器反射的第一偏振反射光和在所述被测对象反射并透过所述偏振分束器的第二偏振反射光进行偏振；以及偏振相机，位于所述四分之一波片的后端，并获取具有彼此不同的偏振状态的多个干涉图像。

13、本发明的第二目的可通过一种利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量方法来实现，该方法作为通过相移干涉仪和afm对被测对象的三维形貌进行测量的方法，其特征在于，包括：第一步骤，利用相移干涉仪单元测量视场角内的被测对象的整体形貌，以获得干涉仪测量信号；第二步骤，通过afm单元的三轴压电驱动器将有源悬臂梁探针移动至所述被测对象的特定区域边界，以测量所述被测对象的特定区域的边界；以及第三步骤，基于所述afm测量信号对边界部分的测量值进行校正。

14、并且，其特征在于，所述第二步骤可以包括：第2-1步骤，基于探针尖端的初始位置值和所述干涉仪测量信号，通过三轴压电驱动器使所述探针尖端位于所述特定区域的边界部分中的边界区域的特定测量点，并使所述干涉仪的光轴与所述测量点一致；第2-2步骤，驱动内置于所述悬臂梁探针中的致动器，以使所述尖端对所述测量点施压；第2-3步骤，通过内置于所述悬臂梁内部的压阻测量传感器，测量由尖端施加于所述测量点的压阻。

15、此外，其特征在于，所述致动器可以是具有双压电晶片结构并具有电阻加热元件的电热致动器，并且在所述第2-2步骤中，可以利用施加于所述电热致动器的交流电压激励探针共振，并利用直流电压控制静态偏转。

16、并且，其特征在于，第一步骤可以包括：从光源出射光的步骤；通过照明光学模块并以平行光通过偏振器的步骤；在偏振分束器处反射光的第一偏振波以使其入射至参考镜，并透射第二偏振波以使其入射至被测对象的步骤；由参考镜反射的第一偏振反射光被所述偏振分束器反射，由所述被测对象反射的第二偏振反射光通过所述偏振分束器的步骤；通过四分之一波片而对第一偏振反射光和第二偏振反射光进行偏振的步骤；以及在偏振相机中使经偏振的所述第一偏振反射光和所述第二偏振反射光发生干涉，并获取具有彼此不同的偏振状态的多个干涉图像的步骤。

17、有益效果

18、根据本发明实施例的利用相移干涉仪和原子力显微镜（afm）的三维形貌测量系统及测量方法，具有如下效果：通过使用采用扫描探针显微镜的相移干涉仪成像模式，能够对物体进行检查，并且能够生成不受视场尺寸影响且通常高度测量重复性小于0.3nm的改进的三维图像。

19、根据本发明实施例的利用相移干涉仪和afm的三维形貌测量系统及测量方法，具有如下效果：通过利用干涉仪单元测量整体形貌，并且仅利用afm单元对误差值较大的区域进行测量校正，能够快速且准确地分析被测对象。

20、根据本发明实施例的利用相移干涉仪和afm的三维形貌测量系统及测量方法，具有如下效果：在afm测量时，能够使干涉仪光轴与测量点一致以提高准确度；无需使用光束偏转系统，通过在探针中内置压阻检测传感器和小型致动器，能够准确测量尖端的偏转位置，并且能够通过三轴压电驱动器实现纳米定位。

21、另一方面，本发明能够获得的效果并不限于上述效果，未提及的其他效果将可由本发明所属技术领域的技术人员根据以下记载明确理解。