晶圆是制造集成电路的基本材料,表面粗糙度是衡量其表面质量最重要的参数。对晶圆表面质量的在线检测,成为半导体生产工艺中极其重要的一环。本文在对表面微观形貌测试技术发展动态进行深入调研的基础上,利用光学测量方法中的微分相移干涉原理,将激光偏振干涉、显微技术、横向剪切技术和相移技术相结合,构建了一套晶圆微观表面形貌测量系统。该系统将偏振光入射到样品表面并反射,反射光经过横向剪切器和移相器,形成双光束偏振干涉,通过移相器改变双光束之间的相位延迟,得到多幅相移干涉图,由相位提取算法进行相位提取并进行表面形貌重构,实现晶圆表面形貌的测量。本文首先研究了微分相移干涉测量系统的基本原理,包括微分剪切原理、相移干涉原理和移相方法,完成了测量系统总体方案设计。其中微分剪切采用单轴双折射平行平晶(单轴平晶);移相采用偏振移相方法,由四分之一波片和检偏器构成移相器。文中具体分析了单轴平晶的剪切特性、各个偏振元件之间的偏振关系和偏振关系调整的实验方法。根据系统方案和测量要求,设计了单轴平晶的结构参数、偏振元件之间的偏振角度,以及CCD参数、显微物镜的放大倍数和数值孔径、光源照明方式等,并在此基础上进行了实验系统搭建和调试。最后对实验采集到五幅干涉图采用滤波去噪预处理算法、线性相移误差不敏感的五步相位提取算法和复化积分的表面重构算法进行处理,得到了样品表面形貌。研究和实验结果表明,所设计的晶圆表面形貌微分干涉系统方案正确,实验装置可行,可以工作在普通实验条件下,抗干扰能力强,重复测量精度达到纳米量级。