光子学报
2023, 52(12): 1210001
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院,江苏 南京 210023
3 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段,但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置,然而蝙蝠翼位于阶跃边缘,造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题,摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法,依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性,提取相干包络峰值位置,并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发,同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位,继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象,比对了测量结果与标称值之间的偏差,并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明,本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。
显微干涉 矩形光栅 蝙蝠翼效应 特征参数 二值化 光学学报
2023, 43(22): 2205004
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下,单色光干涉测试以激光作为光源,采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题,常与显微成像技术相结合,测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时,宽带光显微测试需要采用拼接手段,降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪,该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量,其工作波段为480~750 nm,采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案,可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场;干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势,由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成;成像镜与准直镜形成双远心成像光路,成像放大率为0.25×,在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板,系统分辨率可达14 lp/mm;测试了校准高度分别为7.805 μm和46.554 μm的台阶板,对阶跃型结构测量的高度偏差优于0.4%。
测量 形貌干涉测量 宽带光 大视场 光学设计 中国激光
2023, 50(18): 1804001
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心),江苏 南京 210023
针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求,基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性,通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构,并在此基础上,通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件,从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例,设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm,仅由3个反射面构成,MTF优于0.2@114 lp/mm,畸变低于0.5%,相对照度高于95%,像面无暗角。该系统无遮拦,无色差,且相较于常规潜望式长焦镜头,在小型化、轻量化方面具备明显优势,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。
光学设计 长焦镜头 自由曲面 离轴三反 optical design telephoto lens freeform surface off-axis three-mirror 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230322
1 河北半导体研究所,河北 石家庄 050051
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
3 南京理工大学 电子工程与光电子技术学院,江苏 南京 210094
硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构,对这些结构进行线宽和深度的无损检测,是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准,采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板,宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm,其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能,设计了多种特征结构,包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等,还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试,结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。
高深宽比 线宽 沟槽深度 复合型标准样板 high-aspect-ratio line width trench depth trench standard template 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220646
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
3 中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051
从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像,显微图像依次相减得到两幅差分图,将线宽测量转为差分脉冲距离测量,利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点,突破衍射极限,提高线宽测量精度;再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数,以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00 μm的标准沟槽样板作为待测样品,10次测量得到线宽测量平均值30.03 μm,标准差0.005 μm,并对本方法进行了不确定度分析,最终得到合成不确定度为0.37%()。
线宽测量 光学显微 平移差分 测量精度 衍射极限 Linewidth measurement Optical microscopy Translation difference Precision Diffraction limit
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题,提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数(BRDF)的散射光线追迹概率模型,通过设置检验条件规避了积分求解过程,进而筛选出有效角度坐标,实现散射光线追迹,该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型,进一步提出对称采样方案,通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同,编制了本文方案的仿真程序,对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证,基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。
测量 双向反射分布函数 光线追迹 拒绝采样法 蒙特卡罗法 概率模型