基于白光相移干涉术的微结构几何尺寸表征

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.     

MEMS显微干涉测量系统中相位提取算法的选择与分析

描述了一种基于相移显微干涉术的MEMS测试方法,达到了纳米级分辨力．从理论上分析了4种常用相移算法对测量过程主要噪声（相移器的移相误差和探测器的非线性响应误差）的抑制作用,并选定了适合本系统的Hariharan算法．通过对经过美国国家标准研究院（NIST）认证的一个台阶高度的测量,验证了各种算法的测量精度,说明Hariharan算法对噪声有更强的抑制作用,其测量重复性在亚纳米量级．     

利用五帧相移算法进行纳米台阶高度的表征

描述了一种用于纳米级台阶高度表征的相移显微干涉测量方法,它被广泛用于高精度的表面测量上。系统采用集成了高分辨力（0．7nm）电容传感器的纳米定位器实现移相、健壮的Hariharan五帧相移算法,利用ISO5436—1：2000国际标准对纳米台阶高度结构进行了评价。结果表明,该方法具有无损、快速和易于在晶片上进行的特点。系统测量的精度在纳米量级,重复性在亚纳米量级。     

林尼克结构干涉测量系统误差分析

在应用林尼克结构干涉测量系统进行测量时,发现系统存在一个近似为二次曲面的测量误差.根据光学干涉系统的测量原理,分别对林尼克结构干涉测量系统的相移器误差、摄像机误差和光学系统误差进行了分析,确定光学系统误差是干涉测量系统的主要误差源,其中显微物镜焦点轴向误差是产生系统测量误差曲面的主要原因.以平面为实验测量样件,应用测量系统对参考光臂显微物镜的不同轴向位置进行了测量,通过分析测量结果验证了焦点轴向误差对系统测量误差的影响,并与理论结果进行了比较.     

毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置多自由度激光干涉计量系统

准确的纳米几何结构测量是提高集成电路、微纳机电系统和微纳技术产品的质量和性能的关键技术支撑,为了得到准确一致的测量结果,必须实现纳米尺度的量值溯源并建立量值的传递体系。为满足纳米几何结构计量从纳米尺度到毫米尺度的跨尺度计量需求,实验室研制了毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置,集成于该装置中的多自由度激光干涉计量系统,实现了测量结果向米定义SI单位的直接溯源。实验结果表明该系统能够在毫米级的测量范围内,实现纳米级的测量准确度,分辨力达到了亚纳米量级。     

基于Linnik型白光显微干涉光谱测量方法

针对在复杂测量环境下实现薄膜类样品的高精度测量需求,基于白光干涉光谱测量理论,搭建了Linnik型白光显微干涉光谱测量系统,该系统具有较长的工作距离.系统采用5步相移算法实现相位信息的精确提取,通过对绝对距离以及标准薄膜样品的测试,验证了方法的可行性,并在此基础上利用系统实现了对微结构表面形貌和不同材料薄膜厚度的纳米级精度测量.     

基于干涉显微原理的表面形貌测量系统

根据光学干涉显微法原理,设计开发了一套微纳结构表面形貌测量系统.该系统采用林尼克干涉显微镜,通过参考镜扫描的方法将扫描器与相移器集为一体,分别采用五步相移算法和基于采样定理的包络均方函数(SEST)算法实现相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)两种模式对微纳结构的表面形貌测量.为验证该系统性能,采用标准多刻线样板和标准台阶作为样件对VSI 和PSI 两种模式分别进行了测量实验.结果证明,该系统能够完成微纳结构表面形貌的快速精确测量,可以满足微电子、微机电系统中微纳结构的表面形貌测量要求.     

频闪干涉仪在微机电系统动态表征中的应用

微机电系统(MEMS)测试的主要目的是为工程开发中的设计和模拟过程提供数据反馈，其中一个重要方面就是MEMS器件动态特性的高速可视化．介绍了一种基于计算机控制的频闪干涉测试系统，用来测量可动MEMS器件的离面运动，实现了纳米级分辨力，该系统采用改进的相移干涉算法，使用一个大功率激光二极管(LD)作为频闪照明的光源，可以实现1MHz范围内大幅值(十几微米)的微运动测量，这种高离面灵敏度的测量方法特别适合进行微机械(光学)元件的动态特性测量．通过研究一个多晶硅微谐振器的动态特性说明了系统的强大功能。     

芯片表面形貌检测方法及系统研制

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。     

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头

为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求,研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件,利用差动光斑尺寸变化探测原理,建立了微位移测量系统,结合光学显微成像系统,形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机,对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量,具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点,对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。     

微/纳结构三维形貌高精度测试系统

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n/2相移增量的干涉条纹图.然后,通过Hadharan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的重复测量精度可迭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.     

Dynamic thermal sensor - principles in MEMS for fluidcharacterization

Using thin-film technology with its characteristic low masses and high aspect ratios a new range of possibilities is made available for the use of dynamic thermal measuring principles. Based on this, a micromachined sensor was developed for the measurement of transient thermal signal responses leading to the thermal characterization of fluids at low sample volumes. The achieved resolution allowed the measurement of thermal parameters of the investigated fluids, i.e., thermal conductivity and specific heat, inside microfluidic systems at a high sensitivity, enabling the detection of inter-fluid boundaries, e.g., as found in micromixers and -reactors, making the sensor a useful tool for micro fluidic system characterization. This is achieved via the measurement of the frequency dependent thermal signal response     

微细超声工作台的设计与微振幅测量

微细超声工作台是微细超声加工机床与微细超声振动辅助加工机床的关键零部件,其振幅值直接影响加工精度与加工效率。传统的振幅测量方法很难准确的测出微细超声工作台的微振幅。基于精密微三维运动平台的高分辨率,提出了一种恒力控制的微振幅测量方法,成功的测量出能精确到0.1微米的微振幅。本文首先对微细超声工作台中的微细超声振动系统进行了理论设计,然后采用基于恒力控制的超声振幅测量方法,对不同功率作用下的微细超声振动系统的振幅值进行了测量。     

Small-angle measurement based on surface-plasmon resonance and the use of magneto-optical modulation

A new, to our knowledge, optical method for small-angle measurement based on surface-plasmon resonance (SPR) is presented. In this method the high sensitivity of the phase of SPR to the angle of incidence is employed to improve the resolution of the measurement of the angle. Small-angle measurement is performed by the monitoring of the phase shift resulting from the minute change of the angle of incidence with the use of magneto-optical modulation. The validity of this method is demonstrated, and a measurement resolution of 0.2 arc sec is achieved experimentally.     

Microscopic characterization of individual grain boundaries in Cu-III-VI2 chalcopyrites

The role of grain boundaries in polycrystalline Cu-III-VI₂ absorber material for thin film photovoltaics has not been fully understood and is currently under discussion. Recently, intensive efforts have been devoted to the characterization of the properties of individual grain boundaries using microscopic techniques, including Kelvin probe force microscopy (KPFM). KPFM provides local electronic information by measuring the surface potential in addition to the topography. We introduce the KPFM method and present simulations assessing the technique's limitations with respect to spatial resolution regarding the measurement of grain boundary properties. KPFM studies of individual GBs in the Cu(In,Ga)Se₂ materials system are reviewed and critically discussed, considering also results from other microscopic characterization techniques.     

Aberration compensation of holographic particle images using digital holographic microscopy

Characterisation of small and large-scale vortices in turbulent flows demands a system with high spatial resolution. The measurement of high spatial resolution, three-dimensional vector displacements in fluid mechanics using holography, is usually hampered by aberration. Aberration poses some problems in particle image identification due to low fidelity of real image reconstruction. Phase mismatch between the recording and the reconstruction waves was identified as the main source of aberration in this study. This paper demonstrates how aberration compensation can be achieved by cross-correlating the complex amplitude of an aberrated reconstructed object with the phase conjugate of a known reference object in the plane of the hologram (frequency space). Results favourably show significant increase in Strehl ratio and suppression of background noise that are more pronounced for particle images of 10 and 5 microns. It is clear from the work conducted that wavefront aberration measurement and compensation of holographic microscopic objects are now possible with the use of a variant digital holographic microscope.     

Observation and Modeling of Brittle Fracture Initiation in a Micro-Heterogeneous Material

Observations and characterization of brittle fracture initiation in a micro-heterogeneous material (sandstone) are conducted using the standard indirect tensile strength test. Acoustic emissions, optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) are employed for monitoring and characterizing the discrete micro-mechanical events preceding macroscopical fracture. The observations suggest that brittle fracture initiation is the end result of a microscopic damage accumulation process. A simple statistical model of micro damage accumulation leading to brittle fracture in a micro-heterogeneous material is also proposed. The model is calibrated by matching the coefficient of variation of measured ultimate stress with that resulting from the proposed model.