光譜分光型白光干涉儀結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

3D飛點(diǎn)分光干涉儀可對精密零部件的表面粗糙度、微小形貌輪廓及尺寸實(shí)現(xiàn)微納級測量，為半導(dǎo)體等高精密制造業(yè)賦能。

近年來，3D 檢測技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。根據(jù)其是否應(yīng)用人造光源作為照明系統(tǒng)，可分為主動式3D 成像技術(shù)與被動式3D 成像技術(shù)。無論是哪種方法，為了獲得目標(biāo)的高精度3D輪廓信息，都希望檢測儀器具備高精度、高幀率、算法兼容性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作簡便、性價比高等特點(diǎn)，這在實(shí)際應(yīng)用中，尤其在微納米結(jié)構(gòu)檢測中有著重要意義。

? 微納米技術(shù)，是指對微納級材料的測量、加工制造、設(shè)計(jì)、控制等相關(guān)研究技術(shù)，它與高精尖裝備制造領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。微納結(jié)構(gòu)測量最為基礎(chǔ)和重要的是表面形貌的3D 測量，它包括了輪廓的測量以及表面粗糙度的測量，目前常用的微結(jié)構(gòu)表面形貌測量方法分為接觸式和非接觸式。

? 接觸式測量是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的測量方法。這種方法在測量時有一個微小的觸針，在被測樣品表面上做橫向移動；在這過程中觸針會隨著樣品表面的輪廓形狀垂直起伏，然后通過傳感器將這微小的位移信號轉(zhuǎn)換為電信號；對這些信號進(jìn)行采集和運(yùn)算處理后，就可以測得表面輪廓或形貌特征。測量中可以使用的傳感器有很多，如光柵式、壓電式、干涉式以及普遍應(yīng)用的電感式。這種方法測量量程大，結(jié)果穩(wěn)定可靠，并且儀器操作簡單，對測量環(huán)境要求低；缺點(diǎn)是觸針在測量時有可能會對被測表面造成損傷，且測量速度慢。?

? 非接觸式測量技術(shù)大多基于光學(xué)方法，例如干涉顯微法、自動聚焦法、激光干涉法等。光學(xué)測量方法具有非接觸、操作簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)。然而在利用光學(xué)方法進(jìn)行測量時，被測表面的斜率、光學(xué)參數(shù)等發(fā)生變化會引起測量誤差。例如，若被測樣品表面存在溝槽或其他微細(xì)結(jié)構(gòu)，它們引起的散射、衍射等現(xiàn)象會對測量信號造成干擾。另外，若樣品表面存在灰塵、細(xì)小纖維等，光學(xué)測量方法的結(jié)果也會有一定失真；而觸針式方法由于測量時與樣品表面接觸，會劃去部分表面污染物使測量結(jié)果不受影響。因此，根據(jù)不同測量要求，每種方法都有其適用性，常用的微納結(jié)構(gòu)三維測量方法如圖1 所示。 ?

Part.1

接觸式檢測技術(shù)

（1） 掃描電子顯微術(shù)

利用物質(zhì)與電子的相互作用，當(dāng)電子束轟擊表面時，會產(chǎn)生多種形式的電子和光電現(xiàn)象，掃描電子顯微鏡（SEM）利用其中的二次電子和背散射電子與表面具有的關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。SEM 具有大視場、大倍率、大景深等優(yōu)點(diǎn)，但其測量樣品制備復(fù)雜，種類有限，常用于微結(jié)構(gòu)缺陷檢測等定性分析。

（2） 掃描探針顯微術(shù)

被測樣品表面的相關(guān)信息利用探針與樣品的相互作用特性獲得，掃描探針顯微鏡（SPM）及其衍生而來其他測量方法，具有較高的測量分辨力，但其測量過程需要對測量表面逐點(diǎn)掃描，且只有微米級別成像范圍，測試效率較低。

（3） 機(jī)械探針輪廓術(shù)

探針始終與被測表面接觸，被測表面結(jié)構(gòu)的變化會使探針產(chǎn)生垂直位移，通過位移的感知即能獲得被測表面特性。該方法在工業(yè)特別是制造業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，也是國際社會公認(rèn)的表面粗糙度測量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但是其作為接觸式測量方法，容易對被測表面造成劃傷，逐點(diǎn)測量的辦法效率較低，也難以測量復(fù)雜器件。

Part.2

非接觸式檢測技術(shù)

（1） 激光干涉術(shù)

通過干涉條紋變化與被測物位置變化的對應(yīng)關(guān)系，獲得位移信息，從而達(dá)到幾何量測的目的。

（2） 自動聚焦法

基于幾何光學(xué)的物象共軛關(guān)系，當(dāng)照明光斑匯聚在被測面時，進(jìn)一步調(diào)整檢測頭與表面的距離，直至光斑像尺寸最小而得到該被測位置的相對高度。該方法簡單易操作，但水平分辨力受光斑大小的限制較大，且垂直高分辨力對成像分析和調(diào)節(jié)能力要求高。

（3） 激光共焦掃描顯微術(shù)

首先利用精密共焦空間濾波結(jié)構(gòu)，通過物象共軛關(guān)系濾除焦點(diǎn)外的反射光，極大地提高成像的可見度。通過聚焦光對樣品垂直掃描，樣品在垂直方向被分層成像，光學(xué)切片圖像經(jīng)三維重構(gòu)，可得到樣品的三維結(jié)構(gòu)。該方法一次測量過程就能實(shí)現(xiàn)該視場三維形貌的測量，兼具高效和高精度的優(yōu)點(diǎn)，但其分辨率易受掃描步長和物鏡數(shù)值孔徑的限制。

（4） 光學(xué)顯微干涉術(shù)

傳統(tǒng)的干涉測量方法，主要是通過觀測干涉條紋的位置、間距等的變化來實(shí)現(xiàn)精確測量。典型方法是單色光相移干涉術(shù)和白光掃描干涉術(shù)。

單色光相移干涉術(shù)的測量思路為：參考臂和測量臂的反射光發(fā)生干涉后，利用相移法引入相位變化，根據(jù)該相位變化所引起的干涉光強(qiáng)變化，求解出每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的相位，其結(jié)果不連續(xù)，位于(-p,p] 之間，因此需要對該結(jié)果進(jìn)行解包裹運(yùn)算，然后根據(jù)高度與相位的關(guān)系，得到被測樣品的表面形貌。這種方法在測量時對背景光強(qiáng)不敏感，測量分辨率高；但無法確定干涉條紋的零級位置和相位差的周期數(shù)，存在相位模糊問題；若被測樣品表面的相鄰高度超過1/4 波長則不能測準(zhǔn)，因此只能應(yīng)用于對表面連續(xù)或光滑的結(jié)構(gòu)的測試。

白光掃描干涉法由單色光相移技術(shù)發(fā)展而來，由于使用白光作為光源，在干涉時有一個確切的零點(diǎn)位置，其相干長度短，干涉條紋只出現(xiàn)在很小的范圍內(nèi)；當(dāng)光程差為零時，干涉信號出現(xiàn)最大值，該點(diǎn)就代表對應(yīng)點(diǎn)的高度信息，通過Z 向掃描能夠還原被測樣品的整體形貌。

光譜分光型白光干涉

由上述方法發(fā)展而來的光譜分光型白光干涉技術(shù)，則是基于頻域干涉的理論，利用光譜儀將傳統(tǒng)方法對條紋的測量轉(zhuǎn)變成為對不同波長光譜的測量。包含有被測表面信息的干涉信號，由含有色散元件和陣列探測器的光譜儀接收，通過分析該頻域干涉信號來實(shí)現(xiàn)信息獲取。相比于單色光干涉技術(shù)，光譜分光型白光干涉技術(shù)具有更大的測量范圍，同時與白光掃描干涉術(shù)相比，它在測量時不需要大量的Z向掃描過程，極大提高了測量效率。利用光譜分光型白光干涉技術(shù)可以測量絕對距離、位移、微結(jié)構(gòu)表面形貌、薄膜厚度等。在測量微結(jié)構(gòu)三維形貌時，光譜分光型白光干涉技術(shù)，比于其他方法操作更簡單，測量精度更高。

在微納測量領(lǐng)域，為了提高光學(xué)測量系統(tǒng)的水平分辨率，通常采用顯微物鏡放大的方法。在光譜分光型白光干涉測量系統(tǒng)中可以采用幾種顯微結(jié)構(gòu)， 如 Michelson 型、Mirau 型和Linnik 型，圖2 顯示了這三種顯微干涉結(jié)構(gòu)的構(gòu)成原理。

高精度儀器設(shè)備需求不斷推動著微納米技術(shù)向前發(fā)展，因此高精度的微納檢測技術(shù)也成為了必然需求。微納結(jié)構(gòu)測量的對象有表面形貌、電子特性、材料特性、力學(xué)特性等，其中表面形貌3D 測量最為基礎(chǔ)和重要，它包括輪廓測量（如長、寬、高等）和表面粗糙度等參數(shù)的測量。對于尺寸處于微納米量級的微納結(jié)構(gòu)器件而言，其靜電力、黏附力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等因素對其本身的影響，會隨著其表面積和體積之比的增大而增加，使器件的功能和質(zhì)量發(fā)生變化，從而影響器件的使用。因此，對微納結(jié)構(gòu)表面形貌的檢測非常必要。

光譜分光型白光干涉技術(shù)，用于測量微納米結(jié)構(gòu)三維形貌的研究及其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)國內(nèi)空白。光譜分光型白光干涉儀（見圖3）具備高精度、高幀率、算法兼容性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作簡便、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，其在新型成像/ 檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，將打破國外壟斷。

光源是超輻射發(fā)光二極管（SLD），從光源發(fā)出的光進(jìn)入光纖耦合器，從耦合器輸出的光經(jīng)消色差準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光，使用分光棱鏡將準(zhǔn)直光分為參考光和樣品光。參考光經(jīng)透鏡3 聚焦于反射鏡，樣品光經(jīng)XY 掃描振鏡和透鏡4，聚焦于樣品。經(jīng)反射的參考光和樣品光由光纖耦合器的另一端輸出，進(jìn)入光譜儀中。光譜儀由透鏡1、光柵、透鏡2 以及相機(jī)組成。輸出的光經(jīng)透鏡1 準(zhǔn)直為平行光，照射到光柵上；光柵衍射分光，經(jīng)透鏡2 匯聚于線陣相機(jī)；線陣相機(jī)記錄參考光和樣品光的干涉光譜，傳給電腦進(jìn)行處理。該系統(tǒng)使用振鏡代替昂貴的高精密位移臺進(jìn)行二維掃描，可用于位移、振動及厚度測量（點(diǎn)測量）；線輪廓測量（線測量）；表面輪廓成像（面成像）。 ?

中科行智最新研發(fā)的白光干涉儀，用于對各種精密器件表面進(jìn)行納米級測量，專業(yè)用于超高精度、高反光及透明材質(zhì)的尺寸測量。該白光干涉儀采用非接觸式測量方式，避免物件受損，可進(jìn)行精密零部件重點(diǎn)部位的表面粗糙度、微小形貌輪廓及尺寸測量。目前，在3D 測量領(lǐng)域，白光干涉儀是精度最高的測量儀器之一。 ? 中科行智重點(diǎn)開發(fā)的3D 飛點(diǎn)分光干涉儀，重復(fù)精度達(dá)30nm，掃描速度70kHz，掃描范圍廣，最大直徑可達(dá)40mm ；適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于測量最強(qiáng)反射、弱反射及透明物體等；穩(wěn)定性強(qiáng)，分光模塊與光學(xué)振鏡模塊化設(shè)計(jì)，加入光學(xué)振鏡掃描，可替代昂貴的高精密位移臺。主要特點(diǎn)如下： ?

??大視野：采用高精度光學(xué)振鏡掃描方案，實(shí)現(xiàn)水平方向大視野掃描，避免使用昂貴的高精度水平位移臺；

??大景深：高分辨率光譜儀進(jìn)行信號采集，經(jīng)分光元件將白光分光，具備mm 級測量深度特性，無需深度方向掃描裝置；

??高精度：大測量深度高分辨率相敏譜域干涉調(diào)解算法，重復(fù)精度30nm ；

??高速度：采用FPGA 硬件加速設(shè)計(jì)，幀率70kHz ；

??靈活性：信號采集端和接收端分離式設(shè)計(jì)，采集端安裝更靈活；

? 用戶設(shè)置自定義掃描區(qū)域、掃描間隔，也可重點(diǎn)獲取感興趣區(qū)域；

??適用性：適用于透明、弱反光、高反光、狹縫等材料類型的表面形貌以及厚度檢測（見圖4、圖5）。

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? 編輯：黃飛

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