光譜分光型白光干涉儀結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

第第頁(yè)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(duì)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(jí)測(cè)量，為（半導(dǎo)體）等高精密制造業(yè)賦能。

近年來(lái)，3D（檢測(cè)）技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于（工業(yè)）、國(guó)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(dòng)式3D成像技術(shù)與被動(dòng)式3D成像技術(shù)。無(wú)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(cè)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(jiǎn)便、性價(jià)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(cè)中有著重要意義。

微（納米技術(shù)），是指對(duì)微納級(jí)材料的測(cè)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(cè)量最為基礎(chǔ)和重要的是表面形貌的3D測(cè)量，它包括了輪廓的測(cè)量以及表面粗糙度的測(cè)量，目前常用的微結(jié)構(gòu)表面形貌測(cè)量方法分為接觸式和非接觸式。

接觸式測(cè)量是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量方法。這種方法在測(cè)量時(shí)有一個(gè)微小的觸針，在被測(cè)樣品表面上做橫向移動(dòng)；在這過(guò)程中觸針會(huì)隨著樣品表面的輪廓形狀垂直起伏，然后通過(guò)（傳感器）將這微小的位移（信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集和運(yùn)算處理后，就可以測(cè)得表面輪廓或形貌特征。測(cè)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(cè)量量程大，結(jié)果穩(wěn)定可靠，并且儀器操作簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低；缺點(diǎn)是觸針在測(cè)量時(shí)有可能會(huì)對(duì)被測(cè)表面造成損傷，且測(cè)量速度慢。

非接觸式測(cè)量技術(shù)大多基于（光學(xué)）方法，例如干涉顯微法、自動(dòng)聚焦法、激光干涉法等。光學(xué)測(cè)量方法具有非接觸、操作簡(jiǎn)單、速度快等優(yōu)點(diǎn)。然而在利用光學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)表面的斜率、光學(xué)參數(shù)等發(fā)生變化會(huì)引起測(cè)量誤差。例如，若被測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)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(cè)量方法的結(jié)果也會(huì)有一定失真；而觸針式方法由于測(cè)量時(shí)與樣品表面接觸，會(huì)劃去部分表面污染物使測(cè)量結(jié)果不受影響。因此，根據(jù)不同測(cè)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(cè)量方法如圖1所示。

Part.1

接觸式檢測(cè)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(shí)，會(huì)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(chǎng)、大倍率、大景深等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量樣品制備復(fù)雜，種類有限，常用于微結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)等定性分析。

（2）掃描探針顯微術(shù)

被測(cè)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(lái)其他測(cè)量方法，具有較高的測(cè)量分辨力，但其測(cè)量過(guò)程需要對(duì)測(cè)量表面逐點(diǎn)掃描，且只有微米級(jí)別成像范圍，測(cè)試效率較低。

（3）（機(jī)械）探針輪廓術(shù)

探針始終與被測(cè)表面接觸，被測(cè)表面結(jié)構(gòu)的變化會(huì)使探針產(chǎn)生垂直位移，通過(guò)位移的感知即能獲得被測(cè)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(guó)際社會(huì)公認(rèn)的表面粗糙度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但是其作為接觸式測(cè)量方法，容易對(duì)被測(cè)表面造成劃傷，逐點(diǎn)測(cè)量的辦法效率較低，也難以測(cè)量復(fù)雜器件。

Part.2

非接觸式檢測(cè)技術(shù)

（1）激光干涉術(shù)

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

（2）自動(dòng)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(cè)面時(shí)，進(jìn)一步調(diào)整檢測(cè)頭與表面的距離，直至光斑像尺寸最小而得到該被測(cè)位置的相對(duì)高度。該方法簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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(jiàn)度。通過(guò)聚焦光對(duì)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(cè)量過(guò)程就能實(shí)現(xiàn)該視場(chǎng)三維形貌的測(cè)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(zhǎng)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(cè)量方法，主要是通過(guò)觀測(cè)干涉條紋的位置、間距等的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(cè)量思路為：參考臂和測(cè)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(gè)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(duì)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(cè)樣品的表面形貌。這種方法在測(cè)量時(shí)對(duì)背景光強(qiáng)不敏感，測(cè)量分辨率高；但無(wú)法確定干涉條紋的零級(jí)位置和相位差的周期數(shù)，存在相位模糊問(wèn)題；若被測(cè)樣品表面的相鄰高度超過(guò)1/4波長(zhǎng)則不能測(cè)準(zhǔn)，因此只能應(yīng)用于對(duì)表面連續(xù)或光滑的結(jié)構(gòu)的測(cè)試。

白光掃描干涉法由單色光相移技術(shù)發(fā)展而來(lái)，由于使用白光作為光源，在干涉時(shí)有一個(gè)確切的零點(diǎn)位置，其相干長(zhǎng)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(shí)，干涉信號(hào)出現(xiàn)最大值，該點(diǎn)就代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高度信息，通過(guò)Z向掃描能夠還原被測(cè)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(lái)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(duì)條紋的測(cè)量轉(zhuǎn)變成為對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的測(cè)量。包含有被測(cè)表面信息的干涉信號(hào)，由含有色散元件和陣列探測(cè)器的光譜儀接收，通過(guò)分析該頻域干涉信號(hào)來(lái)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(cè)量范圍，同時(shí)與白光掃描干涉術(shù)相比，它在測(cè)量時(shí)不需要大量的Z向掃描過(guò)程，極大提高了測(cè)量效率。利用光譜分光型白光干涉技術(shù)可以測(cè)量絕對(duì)距離、位移、微結(jié)構(gòu)表面形貌、薄膜厚度等。在測(cè)量微結(jié)構(gòu)三維形貌時(shí)，光譜分光型白光干涉技術(shù)，比于其他方法操作更簡(jiǎn)單，測(cè)量精度更高。

在微納測(cè)量領(lǐng)域，為了提高光學(xué)測(cè)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(cè)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(dòng)著微納米技術(shù)向前發(fā)展，因此高精度的微納檢測(cè)技術(shù)也成為了必然需求。微納結(jié)構(gòu)測(cè)量的對(duì)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(cè)量最為基礎(chǔ)和重要，它包括輪廓測(cè)量（如長(zhǎng)、寬、高等）和表面粗糙度等參數(shù)的測(cè)量。對(duì)于尺寸處于微納米量級(jí)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(duì)其本身的影響，會(huì)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(duì)微納結(jié)構(gòu)表面形貌的檢測(cè)非常必要。

光譜分光型白光干涉技術(shù)，用于測(cè)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(guó)內(nèi)空白。光譜分光型白光干涉儀（見(jiàn)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(jiǎn)便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其在新型成像/檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，將打破國(guó)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(tái)進(jìn)行二維掃描，可用于位移、振動(dòng)及厚度測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）；線輪廓測(cè)量（線測(cè)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(duì)各種精密器件表面進(jìn)行納米級(jí)測(cè)量，專業(yè)用于超高精度、高反光及透明材質(zhì)的尺寸測(cè)量。該白光干涉儀采用非接觸式測(cè)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(cè)量。目前，在3D測(cè)量領(lǐng)域，白光干涉儀是精度最高的測(cè)量?jī)x器之一。

中科行智重點(diǎn)開(kāi)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(cè)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(tái)。主要特點(diǎn)如下：

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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(tái)；

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大景深：高分辨率光譜儀進(jìn)行信號(hào)采集，經(jīng)分光元件將白光分光，具備mm級(jí)測(cè)量深度特性，無(wú)需深度方向掃描裝置；

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

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

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靈活性：信號(hào)采集端和