光學(xué)表面的散射測(cè)量方法發(fā)展的趨勢(shì)

摘要：光學(xué)表面的光散射測(cè)量方法為目前測(cè)量光學(xué)元件表面散射特性的一種主要技術(shù)，主要包括角分辨測(cè)量法和總積分測(cè)量法。本文對(duì)上述兩種測(cè)量方法的基本原理和實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較分析，最后討論了散射測(cè)量方法發(fā)展的趨勢(shì)。

隨機(jī)粗糙光學(xué)表面的粗糙度是量度光學(xué)元件表面特征的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常為納米量級(jí)甚至更低。隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，光學(xué)元件表面粗糙度及其引起的光散射越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注，已經(jīng)成為光學(xué)元件散射特性研究中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題之一。利用光散射測(cè)量光學(xué)粗糙表面是目前發(fā)展較為快速和成功的技術(shù)，人們對(duì)這種技術(shù)做了大量的研究工作，使得光散射系統(tǒng)已經(jīng)成為測(cè)量光學(xué)元件表面質(zhì)量的主要手段之一。概括起來(lái)，光學(xué)表面的散射測(cè)量方法主要包括角分辨散射測(cè)量法和總積分散射測(cè)量法，二者分別以矢量散射理論和標(biāo)量散射理論為理論基礎(chǔ)。

1.角分辨散射測(cè)量法

角分辨散射（AngleResolvedScattering，簡(jiǎn)稱(chēng)ARS）測(cè)量法是利用散射光的光強(qiáng)及其分布來(lái)測(cè)量表面粗糙度參數(shù)。一束激光投射到樣品表面上后，其鏡向方向的反射光和散射光分布在一個(gè)半球面內(nèi)，半球面內(nèi)各點(diǎn)的光強(qiáng)不同。當(dāng)表面非常光滑時(shí)，光強(qiáng)主要分布在鏡向方向。表面越粗糙，鏡向方向的反射光強(qiáng)就越弱，其它點(diǎn)的散射光就越強(qiáng)。用光探測(cè)器接收這些不同分布的光強(qiáng)，然后經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)和光譜分析或者經(jīng)過(guò)光的反射散射計(jì)算，就可以得到被測(cè)表面的粗糙度值。 在ARS測(cè)量裝置中，通常以樣品為中心，光電探測(cè)器圍繞樣品在入射平面內(nèi)作接近180°或360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測(cè)得非入射平面內(nèi)的散射光。樣品一般能轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，以測(cè)量斜入射下的散射特性和掃描樣品上各點(diǎn)的散射系數(shù)。在測(cè)量中，散射信號(hào)很小，通常要采用鎖相放大器。此外，由于測(cè)量數(shù)據(jù)很多，所以常常采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集和分析數(shù)據(jù)。圖1即為一種典型的角分辨散射測(cè)量?jī)x器。

圖1.ARS測(cè)量裝置示意圖

2.總積分散射測(cè)量法在總積分散射（TotalIntegratedScattering，簡(jiǎn)稱(chēng)TIS）測(cè)量法中，入射光以很小的入射角照射到隨機(jī)粗糙面上，用積分球收集粗糙表面散射的漫反射光或者包含鏡向反射在內(nèi)的總體反射光.標(biāo)量散射理論在微粗糙度條件下建立起了樣品表面最基本的綜合統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)-均方根（Root Mean Square，簡(jiǎn)稱(chēng)RMS）粗糙度σ與其所有反射方向上的總積分散射TIS之間的關(guān)系，從而使TIS法成為一種測(cè)量表面均方根粗糙度的便捷方法。

σ的表達(dá)式

可見(jiàn)，TIS與反映物體表面不規(guī)則起伏程度的RMS粗糙度有關(guān)。實(shí)際工作中，對(duì)于一般研磨和拋光加工所得到的表面，其微觀起伏通常具有高斯分布特征，所以根據(jù)表面均方根粗糙度就可以了解表面微觀形貌的全部統(tǒng)計(jì)特征.因此通過(guò)測(cè)量樣品表面的總積分散射就可以很方便地得出表面RMS粗糙度，并且可把它作為平面表面光滑程度的重要質(zhì)量指標(biāo)。 TIS測(cè)量裝置主要有兩種類(lèi)型。一種裝有Coblentz半球，即內(nèi)壁鍍有鋁、銀等金屬膜的半球，激光光源垂直照射到置于半球后面的樣品上，被粗糙表面散射的光強(qiáng)由Coblentz半球采集；另一種是用積分球，光源以微小的角度照射到樣品表面上，被表面散射的偏離鏡向反射方向的那部分光強(qiáng)由積分球收集。

圖2.具有 Coblentz球的總積分散射測(cè)量裝置

圖2所示的總積分散射測(cè)量裝置具有Coblentz球，可分別進(jìn)行背散射或前散射測(cè)量，并可分別采用激光器和紫外燈作光源，可測(cè)量的波段范圍為193nm~10.6μm。此裝置還可以在真空環(huán)境或以氮?dú)鉃閮艋瘹怏w的條件下對(duì)157nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量.在背散射測(cè)量過(guò)程中，利用He-Ne激光器作為光源，波長(zhǎng)為632.8nm在2~85°的空間范圍內(nèi)被散射到后半球的光強(qiáng)被Coblentz球所收集，然后被成像到探測(cè)元件上。光線(xiàn)照射到樣品上的入射角接近于零度，鏡向反射光束通過(guò)Cob lentz球的入射光孔反射出去。

圖3所示為裝有積分球的TIS裝置示意圖。由He-Ne激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)斬波器和衰減器后以30°角入射到樣品表面上，樣品被安置在積分球內(nèi)的可調(diào)節(jié)支架上。入射角可以按照不同的測(cè)量需求來(lái)確定，本裝置之所以選擇30°的入射角是由于所研究的樣品主要是用作激光陀螺鏡。積分球內(nèi)的鏡向光束射出積分球后被高效吸收器所吸收，積分球內(nèi)剩余的光能即為樣品的總積分散射，可被探測(cè)器采集。為了避免直接探測(cè)到樣品的散射光，光路中安裝了光閘。探測(cè)器采集到的信號(hào)先被饋入前置放大器，然后被輸入鎖相放大器。

圖3.裝有積分球的總積分散射儀 標(biāo)準(zhǔn)散射樣品的表面噴涂有氧化鎂或硫酸鋇，其散射值可由計(jì)量部件用漫反射率標(biāo)定。R0為樣品的總反射率，為完全光滑表面的鏡向反射率，可以根據(jù)樣品的光學(xué)常數(shù)計(jì)算得到。由于散射信號(hào)較小，在測(cè)量中應(yīng)盡量減小系統(tǒng)噪聲。系統(tǒng)噪聲包括積分球內(nèi)空氣塵埃的散射，積分球外的雜散光等。為此，在測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)雜散光進(jìn)行屏蔽，并盡可能在無(wú)塵的環(huán)境中測(cè)量。樣品的位置也可以移至入射光孔處，這樣測(cè)量得到的主要是透射散射。 當(dāng)樣品置于出射光孔處，測(cè)量得到的主要是反射散射。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，具有Coblentz半球和積分球兩種裝置的散射儀的測(cè)量結(jié)果符合得較好表1所示為利用兩種裝置測(cè)量同一組光學(xué)平面所得到的RMS粗糙度結(jié)果，可見(jiàn)兩種結(jié)果還是非常一致的。

表1.具有Coblentz球和積分球的TIS裝置的RM S粗糙度測(cè)量結(jié)果3.結(jié)論上述兩種方法均為非接觸式的散射測(cè)量技術(shù)，不會(huì)損傷樣品的表面。除此以外，二者又各有優(yōu)缺點(diǎn)：(1) ARS法的主要優(yōu)點(diǎn)是可正確測(cè)量光散射的空間分布，并通過(guò)其全空間積分，得到表面的總積分散射值；不足之處在于，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，測(cè)量結(jié)果受環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的影響較大。(2) TIS法具有儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量速度快、不易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn);主要缺點(diǎn)是無(wú)法獲得光學(xué)表面形貌的全部特征及散射光的空間分布。 隨著高科技的發(fā)展，光學(xué)表面粗糙度光散射測(cè)量技術(shù)日益受到各國(guó)學(xué)者、工業(yè)和軍事部門(mén)的重視。目前國(guó)外在這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)已從實(shí)驗(yàn)室的一般原理方法研究發(fā)展到工業(yè)應(yīng)用的研究，大量的工作已經(jīng)集中在表面的大面積自動(dòng)快速檢測(cè)及半導(dǎo)體工業(yè)中亞微米超大規(guī)模集成電路基片微缺陷的研究。另一方面，當(dāng)前的光學(xué)表面粗糙度測(cè)量?jī)x器通常都很昂貴，多用于實(shí)驗(yàn)室作為分析研究之用，而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)上很少使用。因此，設(shè)計(jì)、研制出一些可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的快速、高精度、在線(xiàn)和自動(dòng)測(cè)量，既能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要又使用方便的表面粗糙度測(cè)量工具和儀器，是今后國(guó)內(nèi)外研究的重要方向。

審核編輯：彭菁