3D白光干涉成像技术的创新及应用

近年来，3D检测技术发展迅速，广泛应用于工业、国防、医疗、农业等领域。根据其是否应用人造光源作为照明系统，可分为主动式3D成像技术与被动式3D成像技术。无论是哪种方法，为了获得目标的高精度3D轮廓信息，都希望检测仪器具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等特点，这在实际应用中，尤其在微纳米结构检测中有着重要意义。微纳米技术，是指对微纳级材料的测量、加工制造、设计、控制等相关研究技术，它与高精尖装备制造领域的发展息息相关。微纳结构测量最为基础和重要的是表面形貌的3D测量，它包括了轮廓的测量以及表面粗糙度的测量，目前常用的微结构表面形貌测量方法分为接触式和非接触式。接触式测量是目前工业领域内应用最为广泛的测量方法。这种方法在测量时有一个微小的触针，在被测样品表面上做横向移动；在这过程中触针会随着样品表面的轮廓形状垂直起伏，然后通过传感器将这微小的位移信号转换为电信号；对这些信号进行采集和运算处理后，就可以测得表面轮廓或形貌特征。测量中可以使用的传感器有很多，如光栅式、压电式、干涉式以及普遍应用的电感式。这种方法测量量程大，结果稳定可靠，并且仪器操作简单，对测量环境要求低；缺点是触针在测量时有可能会对被测表面造成损伤，且测量速度慢。

非接触式测量技术大多基于光学方法，例如干涉显微法、自动聚焦法、激光干涉法等。光学测量方法具有非接触、操作简单、速度快等优点。然而在利用光学方法进行测量时，被测表面的斜率、光学参数等发生变化会引起测量误差。例如，若被测样品表面存在沟槽或其他微细结构，它们引起的散射、衍射等现象会对测量信号造成干扰。另外，若样品表面存在灰尘、细小纤维等，光学测量方法的结果也会有一定失真；而触针式方法由于测量时与样品表面接触，会划去部分表面污染物使测量结果不受影响。因此，根据不同测量要求，每种方法都有其适用性，常用的微纳结构三维测量方法如图1所示。Part.1接触式检测技术（1）扫描电子显微术利用物质与电子的相互作用，当电子束轰击表面时，会产生多种形式的电子和光电现象，扫描电子显微镜（SEM）利用其中的二次电子和背散射电子与表面具有的关系进行结构分析。SEM具有大视场、大倍率、大景深等优点，但其测量样品制备复杂，种类有限，常用于微结构缺陷检测等定性分析。（2）扫描探针显微术被测样品表面的相关信息利用探针与样品的相互作用特性获得，扫描探针显微镜（SPM）及其衍生而来其他测量方法，具有较高的测量分辨力，但其测量过程需要对测量表面逐点扫描，且只有微米级别成像范围，测试效率较低。（3）机械探针轮廓术探针始终与被测表面接触，被测表面结构的变化会使探针产生垂直位移，通过位移的感知即能获得被测表面特性。该方法在工业特别是制造业领域广泛使用，也是国际社会公认的表面粗糙度测量的标准方法。但是其作为接触式测量方法，容易对被测表面造成划伤，逐点测量的办法效率较低，也难以测量复杂器件。Part.2非接触式检测技术（1）激光干涉术通过干涉条纹变化与被测物位置变化的对应关系，获得位移信息，从而达到几何量测的目的。（2）自动聚焦法基于几何光学的物象共轭关系，当照明光斑汇聚在被测面时，进一步调整检测头与表面的距离，直至光斑像尺寸最小而得到该被测位置的相对高度。该方法简单易操作，但水平分辨力受光斑大小的限制较大，且垂直高分辨力对成像分析和调节能力要求高。（3）激光共焦扫描显微术首先利用精密共焦空间滤波结构，通过物象共轭关系滤除焦点外的反射光，极大地提高成像的可见度。通过聚焦光对样品垂直扫描，样品在垂直方向被分层成像，光学切片图像经三维重构，可得到样品的三维结构。该方法一次测量过程就能实现该视场三维形貌的测量，兼具高效和高精度的优点，但其分辨率易受扫描步长和物镜数值孔径的限制。（4）光学显微干涉术传统的干涉测量方法，主要是通过观测干涉条纹的位置、间距等的变化来实现精确测量。典型方法是单色光相移干涉术和白光扫描干涉术。单色光相移干涉术的测量思路为：参考臂和测量臂的反射光发生干涉后，利用相移法引入相位变化，根据该相位变化所引起的干涉光强变化，求解出每个数据点的相位，其结果不连续，位于(-p,p]之间，因此需要对该结果进行解包裹运算，然后根据高度与相位的关系，得到被测样品的表面形貌。这种方法在测量时对背景光强不敏感，测量分辨率高；但无法确定干涉条纹的零级位置和相位差的周期数，存在相位模糊问题；若被测样品表面的相邻高度超过1/4波长则不能测准，因此只能应用于对表面连续或光滑的结构的测试。白光扫描干涉法由单色光相移技术发展而来，由于使用白光作为光源，在干涉时有一个确切的零点位置，其相干长度短，干涉条纹只出现在很小的范围内；当光程差为零时，干涉信号出现最大值，该点就代表对应点的高度信息，通过Z向扫描能够还原被测样品的整体形貌。光谱分光型白光干涉由上述方法发展而来的光谱分光型白光干涉技术，则是基于频域干涉的理论，利用光谱仪将传统方法对条纹的测量转变成为对不同波长光谱的测量。包含有被测表面信息的干涉信号，由含有色散元件和阵列探测器的光谱仪接收，通过分析该频域干涉信号来实现信息获取。相比于单色光干涉技术，光谱分光型白光干涉技术具有更大的测量范围，同时与白光扫描干涉术相比，它在测量时不需要大量的Z向扫描过程，极大提高了测量效率。利用光谱分光型白光干涉技术可以测量绝对距离、位移、微结构表面形貌、薄膜厚度等。在测量微结构三维形貌时，光谱分光型白光干涉技术，比于其他方法操作更简单，测量精度更高。在微纳测量领域，为了提高光学测量系统的水平分辨率，通常采用显微物镜放大的方法。在光谱分光型白光干涉测量系统中可以采用几种显微结构，如Michelson型、Mirau型和Linnik型，图2显示了这三种显微干涉结构的构成原理。高精度仪器设备需求不断推动着微纳米技术向前发展，因此高精度的微纳检测技术也成为了必然需求。微纳结构测量的对象有表面形貌、电子特性、材料特性、力学特性等，其中表面形貌3D测量最为基础和重要，它包括轮廓测量（如长、宽、高等）和表面粗糙度等参数的测量。对于尺寸处于微纳米量级的微纳结构器件而言，其静电力、黏附力和结构应力等因素对其本身的影响，会随着其表面积和体积之比的增大而增加，使器件的功能和质量发生变化，从而影响器件的使用。因此，对微纳结构表面形貌的检测非常必要。光谱分光型白光干涉技术，用于测量微纳米结构三维形貌的研究及其进一步产业化，填补国内空白。光谱分光型白光干涉仪（见图3）具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等优点，其在新型成像/检测系统中的应用及产业化，将打破国外垄断。光源是超辐射发光二极管（SLD），从光源发出的光进入光纤耦合器，从耦合器输出的光经消色差准直器准直成平行光，使用分光棱镜将准直光分为参考光和样品光。参考光经透镜3聚焦于反射镜，样品光经XY扫描振镜和透镜4，聚焦于样品。经反射的参考光和样品光由光纤耦合器的另一端输出，进入光谱仪中。光谱仪由透镜1、光栅、透镜2以及相机组成。输出的光经透镜1准直为平行光，照射到光栅上；光栅衍射分光，经透镜2汇聚于线阵相机；线阵相机记录参考光和样品光的干涉光谱，传给电脑进行处理。该系统使用振镜代替昂贵的高精密位移台进行二维扫描，可用于位移、振动及厚度测量（点测量）；线轮廓测量（线测量）；表面轮廓成像（面成像）。中科行智最新研发的白光干涉仪，用于对各种精密器件表面进行纳米级测量，专业用于超高精度、高反光及透明材质的尺寸测量。该白光干涉仪采用非接触式测量方式，避免物件受损，可进行精密零部件重点部位的表面粗糙度、微小形貌轮廓及尺寸测量。目前，在3D测量领域，白光干涉仪是精度最高的测量仪器之一。中科行智重点开发的3D飞点分光干涉仪，重复精度达30nm，扫描速度70kHz，扫描范围广，最大直径可达40mm；适应性强，可适用于测量最强反射、弱反射及透明物体等；稳定性强，分光模块与光学振镜模块化设计，加入光学振镜扫描，可替代昂贵的高精密位移台。主要特点如下：•

大视野：采用高精度光学振镜扫描方案，实现水平方向大视野扫描，避免使用昂贵的高精度水平位移台；•

大景深：高分辨率光谱仪进行信号采集，经分光元件将白光分光，具备mm级测量深度特性，无需深