光譜分光型白光干涉儀結構原理及應用

3D飛點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現微納級測量，為半導體等高精密制造業(yè)賦能。

近年來，3D 檢測技術發(fā)展迅速，廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、農業(yè)等領域。根據其是否應用人造光源作為照明系統(tǒng)，可分為主動式3D 成像技術與被動式3D 成像技術。無論是哪種方法，為了獲得目標的高精度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、環(huán)境適應性強、穩(wěn)定性強、操作簡便、性價比高等特點，這在實際應用中，尤其在微納米結構檢測中有著重要意義。

? 微納米技術，是指對微納級材料的測量、加工制造、設計、控制等相關研究技術，它與高精尖裝備制造領域的發(fā)展息息相關。微納結構測量最為基礎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，目前常用的微結構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)領域內應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換為電信號；對這些信號進行采集和運算處理后，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、干涉式以及普遍應用的電感式。這種方法測量量程大，結果穩(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。?

? 非接觸式測量技術大多基于光學方法，例如干涉顯微法、自動聚焦法、激光干涉法等。光學測量方法具有非接觸、操作簡單、速度快等優(yōu)點。然而在利用光學方法進行測量時，被測表面的斜率、光學參數等發(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結構，它們引起的散射、衍射等現象會對測量信號造成干擾。另外，若樣品表面存在灰塵、細小纖維等，光學測量方法的結果也會有一定失真；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果不受影響。因此，根據不同測量要求，每種方法都有其適用性，常用的微納結構三維測量方法如圖1 所示。 ?

Part.1

接觸式檢測技術

（1）掃描電子顯微術

利用物質與電子的相互作用，當電子束轟擊表面時，會產生多種形式的電子和光電現象，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系進行結構分析。SEM 具有大視場、大倍率、大景深等優(yōu)點，但其測量樣品制備復雜，種類有限，常用于微結構缺陷檢測等定性分析。

（2）掃描探針顯微術

被測樣品表面的相關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掃描，且只有微米級別成像范圍，測試效率較低。

（3）機械探針輪廓術

探針始終與被測表面接觸，被測表面結構的變化會使探針產生垂直位移，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)領域廣泛使用，也是國際社會公認的表面粗糙度測量的標準方法。但是其作為接觸式測量方法，容易對被測表面造成劃傷，逐點測量的辦法效率較低，也難以測量復雜器件。

Part.2

非接觸式檢測技術

（1）激光干涉術

通過干涉條紋變化與被測物位置變化的對應關系，獲得位移信息，從而達到幾何量測的目的。

（2）自動聚焦法

基于幾何光學的物象共軛關系，當照明光斑匯聚在被測面時，進一步調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節(jié)能力要求高。

（3）激光共焦掃描顯微術

首先利用精密共焦空間濾波結構，通過物象共軛關系濾除焦點外的反射光，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，光學切片圖像經三維重構，可得到樣品的三維結構。該方法一次測量過程就能實現該視場三維形貌的測量，兼具高效和高精度的優(yōu)點，但其分辨率易受掃描步長和物鏡數值孔徑的限制。

（4）光學顯微干涉術

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

單色光相移干涉術的測量思路為：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，根據該相位變化所引起的干涉光強變化，求解出每個數據點的相位，其結果不連續(xù)，位于(-p,p] 之間，因此需要對該結果進行解包裹運算，然后根據高度與相位的關系，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，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，因此只能應用于對表面連續(xù)或光滑的結構的測試。

白光掃描干涉法由單色光相移技術發(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位置，其相干長度短，干涉條紋只出現在很小的范圍內；當光程差為零時，干涉信號出現最大值，該點就代表對應點的高度信息，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，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現信息獲取。相比于單色光干涉技術，光譜分光型白光干涉技術具有更大的測量范圍，同時與白光掃描干涉術相比，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可以測量絕對距離、位移、微結構表面形貌、薄膜厚度等。在測量微結構三維形貌時，光譜分光型白光干涉技術，比于其他方法操作更簡單，測量精度更高。

在微納測量領域，為了提高光學測量系統(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構，如 Michelson 型、Mirau 型和Linnik 型，圖2 顯示了這三種顯微干涉結構的構成原理。

高精度儀器設備需求不斷推動著微納米技術向前發(fā)展，因此高精度的微納檢測技術也成為了必然需求。微納結構測量的對象有表面形貌、電子特性、材料特性、力學特性等，其中表面形貌3D 測量最為基礎和重要，它包括輪廓測量（如長、寬、高等）和表面粗糙度等參數的測量。對于尺寸處于微納米量級的微納結構器件而言，其靜電力、黏附力和結構應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，使器件的功能和質量發(fā)生變化，從而影響器件的使用。因此，對微納結構表面形貌的檢測非常必要。

光譜分光型白光干涉技術，用于測量微納米結構三維形貌的研究及其進一步產業(yè)化，填補國內空白。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、環(huán)境適應性強、穩(wěn)定性強、操作簡便、性價比高等優(yōu)點，其在新型成像/ 檢測系統(tǒng)中的應用及產業(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)出的光進入光纖耦合器，從耦合器輸出的光經消色差準直器準直成平行光，使用分光棱鏡將準直光分為參考光和樣品光。參考光經透鏡3 聚焦于反射鏡，樣品光經XY 掃描振鏡和透鏡4，聚焦于樣品。經反射的參考光和樣品光由光纖耦合器的另一端輸出，進入光譜儀中。光譜儀由透鏡1、光柵、透鏡2 以及相機組成。輸出的光經透鏡1 準直為平行光，照射到光柵上；光柵衍射分光，經透鏡2 匯聚于線陣相機；線陣相機記錄參考光和樣品光的干涉光譜，傳給電腦進行處理。該系統(tǒng)使用振鏡代替昂貴的高精密位移臺進行二維掃描，可用于位移、振動及厚度測量（點測量）；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行納米級測量，專業(yè)用于超高精度、高反光及透明材質的尺寸測量。該白光干涉儀采用非接觸式測量方式，避免物件受損，可進行精密零部件重點部位的表面粗糙度、微小形貌輪廓及尺寸測量。目前，在3D 測量領域，白光干涉儀是精度最高的測量儀器之一。 ? 中科行智重點開發(fā)的3D 飛點分光干涉儀，重復精度達30nm，掃描速度70kHz，掃描范圍廣，最大直徑可達40mm ；適應性強，可適用于測量最強反射、弱反射及透明物體等；穩(wěn)定性強，分光模塊與光學振鏡模塊化設計，加入光學振鏡掃描，可替代昂貴的高精密位移臺。主要特點如下： ?

??大視野：采用高精度光學振鏡掃描方案，實現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：高分辨率光譜儀進行信號采集，經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解算法，重復精度30nm ；

??高速度：采用FPGA 硬件加速設計，幀率70kHz ；

??靈活性：信號采集端和接收端分離式設計，采集端安裝更靈活；

? 用戶設置自定義掃描區(qū)域、掃描間隔，也可重點獲取感興趣區(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）。