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白光干涉与3D形貌测量

【背景介绍】

    在半导体、集成电路、MEMS超精密制造领域,基本上都采用纳米级的加工工艺,并匹配亚纳米级的测量技术。如何对加工过程的品质有效控制,如何对器件表面微结构进行精确测量非常重要。白光干涉测量系统是非常有效的3D表面的高精度测量设备可以对纳米级加工表面完成如下测量和分析: 表面粗糙度、台阶高度、平面度、翘曲度、曲率半径和瑕疵缺陷。

    白光干涉仪和迈克尔逊干涉的基本原理类似,都是基于分振幅的双光束干涉,主要区别在于:前者采用的复色光,甚至是宽带光源白光来产生干涉,而后者主要采用单色光的光源。白光干涉仪中,由于各种波长的光所产生的涉条纹明暗交错重叠,通常很难观察到可见的条纹。只有找到等光程位置,是观察到光干涉条纹的必要条件

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单色光干涉与白光干涉


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商用白光干涉仪的一般光路结构(采用米勒干涉物镜)

【实验设备】

我们的白光干涉实验装置基于Twyman-Green结构,下图所示

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Twyman-Green白光干涉仪示意图

在搭建白光干涉实验时,在参考镜和被测平面等光程的条件下,光源发出的光经过扩束,准直后经分光棱镜分成两束,一束经被测表面反射回来,另外一束光经参考镜反射,两束反射光最终汇聚并发生干涉,CCD将光学强度信号转变为数字信号, 通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌,可用于对各种精密器件表面进行纳米级测量

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白光干涉与3D形貌恢复装置

    这套白光干涉实验提供了标准的三维形貌恢复算法,能实现40nm的高度分辨率,成功实现20um、40um光学波导腔的3D形貌恢复和高度差测量。

    对学有余力、兴趣浓厚、有志创新的学生,可以此作为实验开发平台,将干涉图样采集下来,结合位移控制系统,编写自己的phase wrapping算法,探索实现各种微观结构的三维形貌恢复、表面粗糙度计算等

图片白光干涉3D形貌恢复计算过程与结果

【Application Notes】

   1、以下为用户采用搭建白光干涉测量实验,得到的光学波导腔的三维结构信息(图一、图二)

   2、硬币的局部三维形貌恢复(图三、图四)

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图一

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图二

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图三

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图四

     实验平台主要参数:

1)参考光波长:650nm+/-5nm

2)信号光:LED白光

3)样品台:≤φ60mm,行程不大于10mm,具有水平二维摆动功能

4)参考镜:电动控制,位移分辨率1μm,移动速度:1~200μm/s可调

5)实验样品:1英寸玻璃片,20μ/40μ深度微纳腔

6)500万像素彩色相机加10英寸液晶显示器在线监测,也可USB线外接电脑进行图像采集

7)控制软件PHOTONLABS WLI2022,可以实现激光器开关控制,反射镜运动控制等


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