基于干涉显微原理的表面形貌测量系统

　　1 引 言

　　光学干涉显微法是一种十分重要的微纳结构表面形貌测量方法。自从杨氏提出第一个干涉装置以来，根据干涉条纹形状和间距测量结构表面形貌就是干涉技术的一个重要应用。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载系统配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。

　　目前，世界上主要的光学仪器厂商都已经推出了基于光学干涉显微原理的表面轮廓仪，例如Zygo 公司的 NewView6000、Veeco 公司的 WykoNT1100 等。国内对干涉显微法的研究也比较多，但主要集中在测量算法等软件方面的研究，系统硬件主要是通过直接购买干涉显微镜头[1]或者干涉显微镜[2]搭建的测量平台。本文基于干涉显微法的原理，设计开发了一套林尼克结构的干涉显微测量系统，通过干涉图处理算法以及光源窄带滤波片的切换，可以分别应用 PSI 和 VSI 两种模式完成微纳结构的三维表面形貌测量。

　　2 干涉显微法原理

　　干涉显微法是光学干涉法与显微系统相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量。干涉显微法应用光学干涉原理测量样品表面的高度，如图1 所示：测量光L 经分光镜B 分为两束光分别到达样品表面S 和参考平面R，反射后在分光镜 B 处形成干涉，成像于CCD 摄像机上;测量样品表面上与参考平面等光程的点，构成了测量平面 M(虚线);S 与 R 之间存在的光程差，即M 与S 的距离，影响了干涉图的光强相位。根据光学干涉原理，CCD 上采集到的干涉图光强I 可以表示为[3]

式中：IS是样品表面反射光的光强;IR是参考平面反射光的光强;Ф是干涉相位，与两束光的光程差和波长有关。光学干涉法就是通过测量干涉图的光强来分析提取样品表面的高度信息。根据光源的不同，光学干涉法可以分为应用单色光为光源的相移干涉法(PSI)和应用白光为光源的垂直扫描干涉法(VSI)。

　　2.1 PSI 法

　　PSI 法是基于单色光干涉的一种相位测量方法，通过测量分析干涉图的干涉相位Ф 来提取样品表面的高度信息。根据干涉相位 Ф 与光程差和波长的关系，PSI 法中干涉图光强I 可以表示为

式中：I0是背景光强，IS与 IR的和;Ia是干涉光强的振幅，IS与 IR乘积开平方的2 倍;zp是样品表面的高度，z 是测量平面的高度，2(z-zp)是光程差;λ 是光源波长。因为光源波长 λ 已知，PSI 法可以通过精确移动测量平面M，产生干涉图相位 Ф 的移动，利用三幅以上的相移干涉图光强值来求取高度值zp。