3D白光干涉成像技术的创新及应用.docx

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1、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3。成像技术.无论足哪种方法,为获得目标的高精度3D轮廓信息,都桁望检测仪器具备高精度、高帧率、算法狡容性覆、环境适应性强,稳定性演、操作筒使、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若用要意义。做纳米技术，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，它与麻精尖装备制造领域的发展息息相关.微纳结构测豉最为基础和重要的是表面形貌的3D测址，它包括了轮帆的测玳以及表面粗糙度的测量，目前常用的微结构表面形貌测此方法分为接触式和非接触

2、式。接触式测量是目解工业领域内应用最为广泛的测鬓方法.这种方法在测It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宜起伏，然后通过传那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UJ以测得表面轮廓或形貌特征.测愤中Ur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.这种方法测限限程大,结果稳定可靠,并1仪涔操作简单，对测域环境要求低；缺点是触针在测量时有可能会对被测表面造成损伤，且测城速度慢.非接触式测量技术大多基干光学方法.例如干涉显微法、自动聚焦法、激光干涉法等.光学测属方法具有非接触、操作简单、速度快

3、等优点.然而在利用光学方法进行测量时，测表面的斜率,光学参数等发生变化会引起测用误差。例如，若被测样品衣面存在沟槽或其他微细结构,它们引起的散射、衍射等现象会时测St信号造成干扰.另外，岩样品发面存在灰尘、细小纤斑:等，光学测法方法的结果也会有一定失真；而触针式方法由于测出时与样品表面.接触,会划去部分表面污染物使测量结果不受影响.因此,根据不同刈址要求.徒种方法都彳j其适用性，常用的微纳结构三维测M方法如图1所示。Part.1.接触式检窝技术（1）扫描电子显微术利用物鲂与电子的相互作用，当电子束轰击表面时,会产生多种形式的电子和光电现象，扫描电子显微键（SEM利用其中的二次电子和背散射电子与

4、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,但其测量样品制的更杂,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，扫描探计显微镜SPM及其衍生而来其他测地方法，具有较而的测量分辨力，但其测班过程需要对测量表面逐点扫描,且只仃微米级别成像范围,测试效率较低.（3）机械探针轮麻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,通过位移的感知即使妖过被测及面特性,该方法在工业特别是制造业领域广泛使用，也拈国际社会公认的表面相秘度测埴的标准方法.但是其作为接触式测量方法，容易对被测表面造成划伤，

5、逐点测质的办法效率较低,也难以测凝坡朵器件.Part.2季接触式检测技术（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,从而达到几何盘测的目的.（2）自动索生法基于几何光学的物思共扰关系，当照明光班汇聚在被测面时，进一步调整检测头与表面的距离，直至光身像尺寸最小而得到该被测位置的相对淘度,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同X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，通过物象共梗关系滋除焦点外的反射光，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.光学切片图像势三维正构，

6、可得到样品的三维结构，该方法一次测过程就能实现该视场三雒形貌的测b兼具而效和高精度的优点,但其分辨率明受扫描步长和物钺数值孔径的限制.（4）光学显微干涉术传统的干涉测收方法，主要是通过观测干涉条税的位置、间距等的变化来实现和确测St典型方法是球色光相移干涉术和白光扫描干涉术.单色光相称干涉术的测出思路为：参考胃和测盘悔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，位于卜P,P）之间,因此需要对该结果进行解包裹运以，然后根据商度与相位的关系,得到被冽样品的表面形貌.这种方法在测出时对背景光强不敏感,测出分辨率高：但无法确定干

7、涉条触的等级位次和相位差的周期数，存在相位模糊问曲：若被测样品表面的相邻高度超过1/4波长则不能测戕，因此只能应用于对衣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，干涉条税只出现在很小的范围内：当光程差为零时.干涉信号出现爆大值，该点就代表对应点的高度信息，通过Z向扫描能纾还联被测样品的整体形貌.M1.ChZSn至MirauS2B2：三件X被干沙结构妁饨改卷及.光谱分光型白光干涉由上述方法发展而来的光谙分光型白光干涉技术，则是夔于颈域干涉的理论，利用光谱仪将传统方法对条纹的测盘转变成为对不同波长光谱的测盘.

8、包含有被测我面信息的干涉信号，由含有色散元件和阵列探测器的光谱仪接收，通过分析该领域干涉信号来实现估息兼取.相比于单色光干涉技术，光谱分光型白光干涉技术具彳更大的测JIt能围，同时与白光扫描干涉术相比，它在测播时不需要大盘的Z向扫描过程，极大提高了渊量效率。利用光谱分光型白光干涉技术可以刈出绝对距离、位移、微结构表面形貌、薄膜厚度等.在测最澈结构三维形貌时，光谱分光型白光干涉技术，比于其他方法操作更简单，测破精度更高.在微纲测汆领域，为了提高光学测后系统的水平分别率，通常采用显澈物障放大的方法.在光谱分光型白光干涉测Ift系统中可以采用几种显微结构,如Miche1.sonH?.Mirau型和1

9、.innik型，图2显示了这三种显微干涉结施的构成原理。高精度仪器设备施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，徵纳结构测状的对象有表面形狼、电子特性、材料特性、力学特性等，其中表面形貌3D冽出最为基础和重要,它包括轮廓测Ift（如长、宽、高等）和表面粗糙度等舂数的测浆，对于尺寸处于微纳米m级的微纳结构器件而言，其惮电力、驾时力和站构应力等因素劝其本身的影响,会随着其表面枳和体枳之比的增大而以加，使涔件的功能和质尿发生变化，从而影响器件的使用.因此，对徵纳结构表面形猊的检刈非常必要.光谱分光型白光干涉技术.用于测量微纳米结构三维形皎的研冗及其进一步产业化.填补

10、国内空白.光诲分光型白光干涉仪（见图3）具备高精度、高帧率、算法兼容性强环境适应性强、稔定性强、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.aa2光源是超知射发光二极管（S1.D）,从光源发出的光进入光纤箱合器，从耕合器输出的光经消色差准出器准出成平行光,使用分光极镣将准出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,迸入光谱仪中。光谓仪由透镜3光栅、透镜2以及相机组成.抬出的光经透镀1准直为平行光，照射到光桢I；:光柢衍射分光,经透懂2汇聚广线阵相机；级阵相机记录

11、参考光和样品光的干涉把谱，传给电脑进行处理。该系统使用振境代普昂贵的高精密位移台进行二维扫描，可用于位移、振动及摩度测地（点测录；线轮鸵测质（线测量）：表面轮场成像（面成像）.中科行智最新研发的白光干涉仪.用于对各种精密潺件表面进行纳米级测：.专业用于超高柏度、高反光及透明材质的尺寸测玳，该白光干涉仪采用非接触式测出方式，避免物件受损，J进行精密零部件重点部位的表面粗松收、设小形貌轮解及尺寸测域。目前，在3D测瓜领域，白光干涉仪是精度最高的测晶仪器之一.中科行智重点开发的3D飞点分光干涉仪.重任精度达30nm扫描速度70kHz.扫描范附广，最大且径可达40mm；适应性强，可适用于测业以强反射、

12、弱反射及透明物体等：榜定性强，分光模块与光学振镜模块化设计，加入光学振镜扫描，可替代品贵的高精密位移台.主要特点如下：大视野：果用高精度光学振镜扫描方案.实现水平方向大视野E1.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,无需深度方向扫描装置： 离精度：大测It深度高分辨率相敏谱域干涉调解算法,重爱精度30nm： 育速度：采用FPGA硬件加速设计,帧率70kHz： 灵活性：信号采集端和接收端分离式设计,采集端安装更灵活： 用户设置自定义扫区域、扫描间隔.也可里点获取感兴趣区域：适用性：适用于透明、弱反光、高反光、狭较等材料类型的表面形貌以及每度检涎（见图4、图5）.ff1.4s羊孔，映维测女示毒圉.BGA检测明流体工上刷量5t什女且9富舞