高深宽比微结构深度测量技术的研究进展

吴岳松^1，2，王子政¹，孙新磊¹，武飞宇¹，霍树春^1，3，胡春光^1*

（1.天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院，北京 100191；3.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

摘  要：高深宽比孔/槽微结构现广泛应用于微机电系统（MEMS）与三维集成电路（3D-IC）等领域，是微纳器件的基础性工艺结构。随着器件微型化与功能化的发展需求，孔/槽微结构的深宽比不断提升。深度作为重要参数对器件加工工艺、器件性能有直接影响，微孔/槽结构深度的精确测量具有重要意义，但测量方法面临巨大挑战，成为测量领域的难题之一。针对这一问题，按照非光学和光学测量方式将测量方法分为两大类，介绍了扫描电子显微镜、扫描探针术、白光显微干涉技术、共焦显微技术和反射光谱技术等测量方法的工作原理，在微孔/槽深度测量方面的研究现状，尝试从中总结每种测量方法的优缺点，最后，讨论了未来高深宽比微结构深度测量发展趋势以及研究重点，为之后高深宽比微结构深度的测量技术研究提供帮助。

关键词：光学测量；高深宽比微结构；深度测量；反射光谱；白光干涉；共焦显微

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过焦扫描光学显微测量技术综述

石俊凯¹，李冠楠¹，霍树春¹，姜行健¹，陈晓梅¹，周维虎^1，2

（1.中国科学院微电子研究所，北京100094； 2.中国科学院大学，北京100049）

摘  要：随着半导体产业的发展和器件性能的不断提升，半导体器件的特征尺寸越来越小，器件结构越来越复杂，对检测仪器的性能提出了更高的要求。首先介绍过焦扫描光学显微法（Through-focus Scanning Optical Microscope，TSOM）的测量装置及测量原理，该方法可实现三维几何参数的无损测量，因其具有精度高、速度快、成本低等优点，可以满足在线测量的需求；然后从TSOM图构建和待测参数提取两个方面对TSOM方法的研究进展进行了梳理和归纳；最后对TSOM方法未来的研究重点和发展方向进行了展望。该方法有望为我国半导体制造产业提供新的检测手段，为优化和提升我国半导体制造工艺提供重要的技术支撑。

关键词：光学微纳测量；过焦扫描光学显微法；深度学习；无损测量

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表面微/纳米计量中的光学测量方法综述

袁琳，郭彤*，郭心远，祝敏豪，万一夫

（天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）

摘  要：微纳检测技术旨在以微/纳米级的精度测量加工表面特征，在加工过程的控制、建立表面特征与功能间的联系等方面具有重要作用。光学测量方法具有高精度、快速和无损的特点，是微纳检测技术研发的重要内容。本文介绍了表面形貌和薄膜的光学测量方法，并对各方法的特点及应用场合进行了对比总结。微纳制造技术加工的表面具有结构日益小型化、特征日益复杂化的特点，因此开发多模式测量系统是微纳检测技术的发展趋势。

关键词：光学测量方法；表面形貌；薄膜；多模式测量系统

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共焦三维超精密测量技术研究进展

黄向东^1，2，孙壮^1，2，段剑秋^1，2，王伟波^1，2*

（1.哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院 超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.哈尔滨工业大学 超精密仪器及智能化工信部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

摘  要：三维超精密测量技术对提升高端装备制造质量具有基础支撑作用。随着先进制造技术的不断进步，减小系统测量误差和扩大测量范围已成为三维超精密测量技术发展的关键。近年来，共焦三维测量技术发展迅猛，其应用领域也从生物医学逐步扩展到加工制造领域。本文系统介绍了共焦三维测量技术的研究现状和应用进展，从技术原理角度阐述了提高共焦三维测量分辨力以及扩大共焦三维测量范围的方法，对比总结了干涉共焦测量、差动共焦三维测量、光谱共焦测量等技术的相关研究成果，详细介绍了共焦三维测量技术在表面轮廓测量、微结构特征尺寸测量和关键部件内间隙测量等领域的应用情况，并在此基础上，对共焦三维测量技术的未来发展方向进行了展望，以期为后续研究提供技术参考。

关键词：精密仪器；轮廓测量；共焦显微；三维测量；超分辨

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多层微纳薄膜的高精度检测技术进展

祝源浩，董佳琦，宋有建*，胡明列

（天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072）

摘  要：在半导体、机械加工等行业中广泛应用的多层微纳薄膜通常是由数个纳米厚度的单层膜叠加形成的，在其制造过程中，由于工艺条件所限，薄膜厚度的均匀性会出现误差，进而影响其性能。因此薄膜厚度的准确测量至关重要，亟需一种无损、高精度、快速的检测技术对薄膜的厚度及其均匀性进行测量、检测。回顾近年来多层膜在不同领域的应用现状，分析了目前应用于多层膜厚度测量的技术（如X射线衍射等）及其不足，以及椭圆偏振法技术的研究进展，最后介绍了机器学习在厚度测量中的应用，并对未来机器学习与测量结合的前景进行了展望。

关键词：多层薄膜；薄膜测量；椭偏仪；机器学习

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微结构三维形貌无损检测的双波段显微干涉技术

霍霄，高志山*，袁群，郭珍艳，朱丹

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

摘  要：功能型微结构具有调控光场或调控电子导通等功能，一般包含具有规则的几何形状，基于深度和线宽的比值，可以将其区分为高/低深宽比微结构。目前对微结构的检测，多用有损检测中的扫描电镜（SEM）剖面成像技术，而产线上迫切需要用于监测与改进制作工艺的无损检测技术。本文系统总结了作者所在研究团队十余年在微结构三维形貌无损检测方面的低相干显微干涉技术进展，其中白光显微干涉仪用于超光滑表面、台阶、微光学元件、微机械元件等低深宽比微结构的三维形貌检测，近红外显微干涉仪用于硅基高深宽比微结构的三维形貌检测。文章阐述了两波段显微干涉系统的关键技术与典型样品的检测实例，结果表明：白光显微干涉仪和近红外显微干涉仪是两种高精度的无损检测仪器，前者检测高深宽比小于等于4，后者检测高深宽比大于等于20的微结构三维形貌，数据结果是可信的。显微干涉无损检测技术获取的三维形貌数据，将有效优化微结构的制造工艺，进一步提升有关器件的性能。

关键词：无损测量；显微干涉法；低相干；三维形貌；微纳器件

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大量程高性能光栅位移测量技术

刘林，刘兆武，于宏柱，王玮，姜岩秀，姜珊，孙宇佳，金思宇，梁旭，巴音贺希格，李文昊*

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

摘  要：高精度光栅位移测量系统具有纳米级重复精度、环境适应性强、维度易于扩展等优点，可以满足精密制造行业对米级测量量程、亚微米级精度与多维测量能力融合的测量技术要求，在高端制造、精密仪器等领域有重要应用。通过对测量光栅的各项参数进行研究，提升了测量光栅的尺寸与制作精度；提出高精度锥面衍射光栅位移测量、高倍细分转向干涉光栅位移测量、“品”字形拼接大量程光栅位移测量等技术，实现了数百毫米测量量程亚微米级测量精度。从光栅制作到测量系统研制对提升精度、分辨力及量程提供了理论分析与技术验证。

关键词：光栅位移测量；锥面衍射；转向干涉；大量程拼接

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激光干涉仪在纳米测量中的典型应用

李强，任冬梅，朱振宇，李华丰，王霁，段小艳

（航空工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京 100095）

摘  要：激光干涉仪具有测量分辨力高、测量结果可溯源等优点，在纳米测量中的应用日益广泛。介绍纳米测量机和低膨胀材料线膨胀系数测量装置中应用的迈克尔逊型激光干涉仪以及在高准确度位移测量装置中应用的法布里-珀罗型激光干涉仪，并结合这些实例对激光干涉仪光学系统设计、测量环境控制、迈克尔逊干涉仪非线性误差补偿以及法布里-珀罗干涉仪量程扩展等方面的关键问题进行分析和总结。所述原则和方法对实现纳米级测量准确度具有重要意义，可为高准确度激光干涉仪的研制及其在纳米测量中的更广泛应用提供技术参考。

关键词：纳米测量；激光干涉仪；位移测量；纳米测量机；线膨胀系数

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叠焦三维显微视觉测量聚焦评价算法研究

吴昂^1，2，卢荣胜^1*

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；2.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002）

摘  要：为了精确、快速提取叠焦三维显微视觉测量的叠焦图像序列像素点聚焦位置，提出了基于最大梯度的聚焦评价算法。设计了2个带通掩膜算子和4个高通掩膜算子，在带通信号和高通信号中提取每个像素点对于相邻像素点强度变化的最大值来表示该点的聚焦程度，以提高聚焦评价函数提取梯度信息的能力。采用自适应梯度阈值分割算法提高了聚焦评价的灵敏度，降低了聚焦评价曲线的波动及次峰的影响。开展实验对算法的实际性能进行验证，结果表明：相较经典的空间域聚焦评价算法，基于最大梯度的聚焦评价算法的鲁棒性、灵敏度、无偏性和单峰性均显著提高，且具有很好的实用性，能够有效满足复杂轮廓微纳米级三维显微测量聚焦评价要求。

关键词：叠焦；显微成像；聚焦评价；最大梯度；视觉测量

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双差动快速结构光显微测量方法和系统

唐燕¹，韩陈浩磊^1，2，冯金花¹，全海洋¹，王建¹，胡松¹

（1.中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209；2.中国科学院大学，北京 100049）

摘  要：快速结构光显微测量技术具有高精度、高效率以及强适应性等特点，广泛应用于微纳检测领域。传统的快速结构光显微测量方法，利用轴向调制度响应曲线的线性区域，通过构建调制度值与实际高度之间的关系来实现三维形貌重建。但是，轴向调制度响应曲线的线性区域很短，传统方法的应用受限于其较窄的动态测量范围。为了克服这一缺陷，提出了一种双差动快速结构光显微测量技术。通过引入两条额外的探测支路构建双差动轴向调制度响应曲线，可以获得更宽的线性区域。在数值孔径为0.9，放大倍率为100倍的显微物镜条件下，其测量范围在仿真分析中可从380 nm提升到760 nm，在实验中可从300 nm提升到600 nm。仿真与实验结果均证明双差动快速结构光显微测量方法的动态测量范围相比传统方法的动态测量范围提升了一倍，有效地拓展了快速结构光显微测量技术的应用范围。

关键词：检测；三维形貌恢复；快速结构光显微测量；双差动检测；微纳检测

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基于光谱干涉椭偏法的薄膜厚度测量

张金旭，陈家扬，吴冠豪*

（清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084）

摘  要：薄膜厚度的测量在芯片制造和集成电路等领域中发挥着重要作用。椭偏法具备高测量精度的优点，利用宽谱测量方式可得到全光谱的椭偏参数，实现纳米级薄膜的厚度测量。为解决半导体领域常见的透明硅基底上薄膜厚度测量的问题并消除硅层的叠加信号，本文通过偏振分离式光谱干涉椭偏系统，搭建马赫曾德实验光路，实现了近红外波段硅基底上膜厚的测量，以100 nm厚度的二氧化硅薄膜为样品，实现了纳米级的测量精度。本文所提出的测量方法适用于透明或非透明基底的薄膜厚度测量，避免了检测过程的矫正步骤或光源更换，可应用于化学气相沉积、分子束外延等薄膜制备工艺和技术的成品的高精度检测。

关键词：光谱干涉；椭偏；薄膜测量；偏振分离

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基于色散共焦原理的内径测量技术研究

刘汉戈¹，闫钰锋^1*，唐卫²，韩佳昊¹，潘国涛¹

（1.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022；2.中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137000）

摘  要：为了满足小口径深孔类零件的高精度非接触测量需求，研制了一套适用于较大测量范围的高分辨力光学测量系统。利用色散共焦测量原理，建立了微位移量系统，结合光谱分析技术，形成了高分辨力光学测量系统。首先，基于色散共焦原理，设计了色散物镜结构；其次设计爬行结构，利用电机带动反射镜旋转，完成深管不同截面的径向几何尺寸测量；再次，通过最小二乘法以及误差分析与补偿，对系统误差进行分析；最后通过搭建实验平台验证。结果表明：该测量系统可实现小测量范围达到5 mm，测量误差优于3.3 μm，具有测量精度高、测量范围较大、结构紧凑等优点，对解决小尺寸深孔类零件内径测量难题具有重要实用意义。

关键词：内径测量；非接触测量；色散共聚焦；测量系统

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芯片表面形貌检测方法及系统研制

夏承晟，邓惠文，赵书浩，陶伟灏，张国锋，杨树明*

（西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049）

摘  要：传统检测方法由于测量范围小、测量时间长，不能满足在线、在机和大幅面的检测需求，本文提出了一种白光扫描干涉和原子力显微测量相结合的芯片表面形貌测量方法。在分析了白光扫描干涉测量技术和原子力显微测量技术特点的基础上，构建了两种方法互补的测量方案：首先采用白光扫描干涉测量技术对芯片进行大范围快速扫描，再通过原子力显微测量技术对关键区域进行精细扫描检测。基于此进行了测量系统的硬件设计与集成，测试结果表明，该系统能够在毫米级检测范围内实现纳米级表面形貌的精确测量。

关键词：芯片；表面形貌测量；白光干涉；原子力显微镜

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基于二维振镜的动态目标实时跟踪与高保真信息采集系统

曹彦鹏^1，2，赵博闻^1，2，沈凝^1，2，杨将新^1，2*，陈剑^1，3*，居冰峰^1*

（1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027；2.浙江大学 浙江省先进制造技术重点研究实验室，浙江 杭州 310027； 3.浙江省智能运维机器人重点实验室，浙江 杭州 311121）

摘  要：针对目前视觉跟踪平台研究中存在的大视野与高分辨力不可兼得以及高速运动目标跟踪难以实现等痛点问题，设计了一种基于二维振镜的新型视觉跟踪平台，可以在保证视野范围的前提下，兼顾高帧率和高分辨力特性，实现动态目标50 FPS的实时跟踪以及100倍放大后的高保真信息采集。首先，对基于二维振镜的光学系统进行几何建模，对光路变化与动态视角之间的耦合关系进行分析，完成了双相机协同系统的坐标系变换；其次，针对运动目标实时跟踪任务，采用一种基于动态模板匹配和卡尔曼滤波器的目标检测跟踪算法，以保证目标物体的快速、准确定位；最后，从动态视野范围、响应速度、跟踪目标定位精度及跟踪目标极限速度四个方面对系统性能进行评估，并选择多个典型场景对系统的应用领域进行分析。结果表明：该系统特殊的双相机协同工作模式和极快速的动态响应特性，使其很好地弥补了现有视觉跟踪平台的不足，在智能监控、智慧交通、国防军工等领域中具有广阔的应用前景和极高的研究价值。

关键词：光学器件；二维振镜；几何光学；机器视觉；目标跟踪

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二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台研制

潘成亮，吴家豪，张婷，蒋衡，李维诗，夏豪杰*

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）

摘  要：多自由度跨尺度精密位移驱动平台在光学计量检测、半导体制造、生物医学工程等诸多领域具有广泛的应用需求。针对串联多自由度压电驱动平台结构厚重的问题，结合压电柔性铰链机构和冲击驱动原理，研制了一款结构紧凑的二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台。通过有限元仿真和实验测试验证其性能，结果表明：压电柔性铰链定子的静态位移为7.95 μm，固有频率为11.80 kHz。低频步进位移和高频平滑运动测试表明：原理样机的步进位移分辨力为100 nm，平滑运动速度为4.96 mm/s，负载力达到100 mN以上。原理样机基本满足多自由度跨尺度精密位移驱动的技术要求，在微纳光学检测等系统中具有良好的应用价值。

关键词：压电平台；并联机构；冲击驱动；柔性铰链；步进位移；平滑运动

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结构光照明层析多样性表面形貌测量

叶卓杭，柴常春，刘晓军

（华中科技大学 机械科学与工程学院 数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

摘  要：围绕散射表面和复杂微结构表面形貌高精度测量需求，对基于结构光照明的表面形貌测量技术与系统进行了研究，设计了基于科勒照明结合数字微镜器件调制的具有良好结构光对比度和均匀性的结构光照明光学系统，提出了基于高斯曲线插值的虚拟狭缝SlitMask结构照明共焦层析算法与基于迭代高斯拟合的峰值提取重建算法，建立了结构光照明表面形貌测量系统，利用单刻线对系统进行准确性与重复性测试，结果表明相对示值误差为1.87%，重复测量结果的标准差为0.0014 μm。对玻璃多刻线样板和车削表面进行测试，验证了本系统不仅可用于反射表面的测量，还对散射表面具有较好的测量能力。

关键词：表面形貌测量；结构光照明显微镜；光学层析；重建算法

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用于集成电路制造中良率监控的国产化电子束缺陷检测设备

蒋俊海^1，2，孙伟强^1*，王振¹，韩春营¹，孟庆浪¹，俞宗强¹

（1.东方晶源微电子科技北京有限公司，北京 100176；2.复旦大学 微电子学院，上海 200433）

摘  要：电子束缺陷检测设备是集成电路制造中不可或缺的良率监控设备。其基本原理是结合扫描电镜成像技术、高精度运动控制技术、高速图像数据处理和自动检测分类算法等，在集成电路制造环节对晶圆及集成电路的物理缺陷和电性缺陷进行检测。为填补此类设备国产化空白，通过自主研发，突破了高分辨力大视场扫描成像、三维高精度定位补偿、智能化缺陷检测和分类等技术难点，研发了国产化电子束缺陷检测设备并应用于集成电路产线，填补了国内空白，为推动我国集成电路领域检测技术的发展起到了重要作用。

关键词：集成电路制造；电子束显微成像；缺陷检测

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