表面微观形貌的显微干涉检测原理及干涉显微镜发展现状

　　1　引　言

　　超精细检测技术得到世界各国的普遍重视和广泛应用,它不仅与新崛起的具有广阔应用前景的X射线光学有着密切的联系,还与半导体材料与器件、光盘技术和微光学、微机械、计算机和信息产业有着密切的联系。

　　对微观形貌的检测,可简单分为接触式和非接触无损检测。接触式使用触针式传感器,而非接触无损检测从散射法、散斑法、激光显微干涉一直发展到白光显微干涉方法,测试原理发生了深刻的变化。从测试指标上看,测试仪器发展经历了测试粗糙表面(低精度)、测试超光滑表面(高精度),发展到高度变化范围较大(如台阶或刻槽)的各种表面(宽量程、高精度合一),使仪器的适用范围大大扩展。随着计算机、图象采集处理设备、垂直扫描传感器的引入,使仪器光、机、电、算相结合,融硬软于一体,可以实现高精度、智能化、实时快速测量。

　　目前,从国外的研究报道看,最新的测试原理为激光或白光显微干涉原理,采用的干涉显微镜选型多种多样,特点各有不同。

　　本文对近年来表面微观形貌的测试原理与技术作一简单的综述,着重介绍干涉显微镜的形式和相关技术参数,并对未来的发展作一评述。

　　2　显微干涉测试原理的进展

　　研究和采用何种显微干涉测试原理,决定了干涉显微镜的结构形式。为了满足对超光滑加工表面高精度检测的需要,首先出现了移相型显微干涉(PSMI)原理;为了解决检测台阶和刻槽时遇到的位相跃变测不准问题,使用光源从单色激光、双波长光到白光或准白光。相对应的两种显微干涉测试原理,即白光垂直扫描干涉(VSI)原理和白光傅里叶频域分析(FDA)原理脱颖而出。

　　2.1　移相型显微干涉(PSMI)原理

　　PSMI原理即是将一般的移相干涉(PSI)原理移植到显微干涉上来,使用的光源仍是单色激光,对干涉显微镜并非要求必须的等光程。

　　2.2　白光垂直扫描干涉(VSI)原理和白光傅里叶频域分析(FDA)原理

　　2.2.1　显微干涉仪光学系统

　　VSI与FDA两种原理都采用等光程显微干涉光学系统,其原理图如图1所示,白光1经反射镜2折转,经立方分光镜3入射到显微物镜4上,由显微物镜产生会聚光,其中一部分光会聚到被测表面7上,另一部分光由分光镜6反射会聚到标准面物5上。由标准面5和被测表面7反射的光束合在一起形成干涉条纹,经物镜4、立方分光棱镜3投射到CCD 8的靶面上。

　　2.2.2　垂直扫描干涉(VSI)原理

　　美国斯坦福大学的Gordon S Kino et al.[1]等人1990年利用了这一原理测试表面,评价新设计的干涉显微镜。该原理又称峰值对比度法,即将被测样品沿光轴方向(即Z轴方向)作垂直扫描,同时寻找探测器各象素上白光干涉图的峰值对比度,记录下峰值对比度对应的扫描位置坐标,即相应于表面上对应点的高度。具体描述如下: