第37卷第1期 光电工程V ol.37, No.1 2010年1月Opto-Electronic Engineering Jan, 2010文章编号：1003-501X(2010)01-0019-06微/纳结构三维形貌高精度测试系统谢勇君1,2,3，史铁林2,3，刘世元2( 1. 暨南大学电气自动化研究所，广东珠海 519070；2. 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉 430074；3. 武汉光电国家实验室(筹) 光电材料与微纳制造研究部，武汉 430074 )摘要：为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量，提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统。
首先，利用五步相移干涉技术采集5幅带有π/2相移增量的干涉条纹图。
然后，通过Hariharan五步相移算法得到包裹相位图。
最后，利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌。
在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光，再由1/2波片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，可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图，从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量。
系统的轮廓算术平均偏差R a的重复测量精度可达0.06 nm，最大示值误差不到±1%，示值变动性不到0.5%。
通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性。
关键词：微/纳结构；显微干涉；偏振技术；三维形貌中图分类号：TH741.8 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.01.04 Measurement System for 3D Profile of Micro/NanoStructures with High ResolutionXIE Yong-jun1,2,3，SHI Tie-lin2,3，LIU Shi-yuan2( 1. Institute of Electric Automatization, Jinan University, Zhuhai 519070, Guangdong Province, China;2. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;3. Division of Optoelectronic Materials & Micro-Nano Manufacture,Wuhan National Laboratory for Opto-electronics, Wuhan 430074, China )Abstract: In order to test 3D profile of micro/nano structures with high resolution, a measurement system was developed based on microscopic interferometry and polarization technique. First, five interferograms with π/2-phase increase were acquired by five-step phase-shift interferometry. Then wrapped phase maps were calculated with Hariharan five-step-phase-shift algorithm. Finally, 3D profile of micro/nano structure could be gotten with branch-cut unwrapping algorithm and the phase-height formula. A polarizer provided a polarization beam and adjusted its illumination power. The polarized beam was parceled into two perpendicular directions by a polarization-beam splitter, and the intensities proportion of the two beams could be adjusted by rotating a 1/2-waveplate making it possible to compensate the differences of the reflectances between the sample and the reference mirror. This arrangement allowed that the interferograms had the advantages of high contrast and optimum intensity, and this was useful to increase system收稿日期：2009-07-13；收到修改稿日期：2009-09-03基金项目：国家自然科学基金重点项目(50535030); 国家自然科学基金(50775090); 新世纪优秀人才支持计划(NCET-06-0639);国家博士后科学基金(20070410930); 广东省自然科学基金博士研究启动项目(9451063201002281); 广东高校优秀青年创新人才培育项目(LYM08019)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室开放课题基金; 暨南大学青年基金项目(51208027).作者简介：谢勇君(1977-)，女(汉族)，广西全州人。
讲师，博士，主要研究工作是精密测控技术。
E-mail:xyj919@。
光电工程 2010年1月20resolution. The system’s main performance parameters include the R a-repeatability-measurement resolution better than0.06 nm, the error indication better than ±1%, and the variation of indication better than 0.5%. The experimental workconducted on several typical micro/nano structures such as standard multi-indents structures, Si-microphone membranes and Si-micro-gyroscope folded-beams confirms that such a measurement system is efficient to characterize 3D profile of micro/nano structures with high resolution.Key words: micro/nano structures; microscopic interferometry; polarization technique; 3D profile0 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R a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，都入射到图1 测试系统结构图Fig.1 Layout of the measurement systemFunction generator第37卷第1期 谢勇君 等：微/纳结构三维形貌高精度测试系统 21CCD 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。