白光干涉與3D形貌測量【背景介紹】 在半導(dǎo)體、集成電路、MEMS超精密制造領(lǐng)域，基本上都采用納米級(jí)的加工工藝，并匹配亞納米級(jí)的測量技術(shù)。如何對加工過程的品質(zhì)有效控制，如何對器件表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確測量非常重要。白光干涉測量系統(tǒng)是非常有效的3D表面的高精度測量設(shè)備，可以對納米級(jí)加工表面完成如下測量和分析： 表面粗糙度、臺(tái)階高度、平面度、翹曲度、曲率半徑和瑕疵缺陷。 白光干涉儀和邁克爾遜干涉的基本原理類似，都是基于分振幅的雙光束干涉，主要區(qū)別在于：前者采用的復(fù)色光，甚至是寬帶光源白光來產(chǎn)生干涉，而后者主要采用單色光的光源。白光干涉儀中，由于各種波長的光所產(chǎn)生的干涉條紋明暗交錯(cuò)重疊，通常很難觀察到可見的條紋。只有找到等光程位置，是觀察到白光干涉條紋的必要條件。
單色光干涉與白光干涉
商用白光干涉儀的一般光路結(jié)構(gòu)（采用米勒干涉物鏡） 【實(shí)驗(yàn)設(shè)備】 我們的白光干涉實(shí)驗(yàn)裝置基于Twyman-Green結(jié)構(gòu)，下圖所示
Twyman-Green白光干涉儀示意圖 在搭建白光干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，在參考鏡和被測平面等光程的條件下，光源發(fā)出的光經(jīng)過擴(kuò)束，準(zhǔn)直后經(jīng)分光棱鏡分成兩束，一束經(jīng)被測表面反射回來，另外一束光經(jīng)參考鏡反射，兩束反射光最終匯聚并發(fā)生干涉，CCD將光學(xué)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)， 通過測量干涉條紋的變化來測量表面三維形貌，可用于對各種精密器件表面進(jìn)行納米級(jí)測量。
白光干涉與3D形貌恢復(fù)裝置 這套白光干涉實(shí)驗(yàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)的三維形貌恢復(fù)算法，能實(shí)現(xiàn)40nm的高度分辨率，成功實(shí)現(xiàn)20um、40um光學(xué)波導(dǎo)腔的3D形貌恢復(fù)和高度差測量。 對學(xué)有余力、興趣濃厚、有志創(chuàng)新的學(xué)生，可以此作為實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，將干涉圖樣采集下來后，結(jié)合位移控制系統(tǒng)，編寫自己的phase wrapping算法，探索實(shí)現(xiàn)各種微觀結(jié)構(gòu)的三維形貌恢復(fù)、表面粗糙度計(jì)算等。
【Application Notes】 1、以下為用戶采用搭建白光干涉測量實(shí)驗(yàn)，得到的光學(xué)波導(dǎo)腔的三維結(jié)構(gòu)信息（圖一、圖二） 2、硬幣的局部三維形貌恢復(fù)（圖三、圖四）
圖一
圖二
圖三
圖四 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)： 1）參考光波長：650nm+/-5nm 2）信號(hào)光：LED白光 3）樣品臺(tái)：≤φ60mm，行程不大于10mm，具有水平二維擺動(dòng)功能 4）參考鏡：電動(dòng)控制，位移分辨率1μm，移動(dòng)速度：1~200μm/s可調(diào) 5）實(shí)驗(yàn)樣品：1英寸玻璃片，20μ/40μ深度微納腔 6）500萬像素彩色相機(jī)加10英寸液晶顯示器在線監(jiān)測，也可USB線外接電腦進(jìn)行圖像采集 7）控制軟件PHOTONLABS WLI2022，可以實(shí)現(xiàn)激光器開關(guān)控制，反射鏡運(yùn)動(dòng)控制等。
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