白光干涉儀(WLI)

白光干涉儀

當兩道光波交會時會發(fā)生光干涉,使合成波的振幅增加或減少。白光干涉儀即是利用此現(xiàn)象來擷取樣品的3D資料。右圖為干涉儀的結(jié)構圖。從光源發(fā)出的光會被分為參考光與量測光。參考光會通過分光鏡到達參考鏡,而量測光則會被反射並引導至樣品表面。通過的光束會由參考鏡反射至CCD影像感測器,形成干涉圖案。另一道光束則從樣品表面反射,通過分光鏡,並透過CCD影像感測器形成影像。

白光干涉儀的設計,是讓從CCD元件到參考鏡的光程長度,與從CCD元件到樣品表面的光程長度相同。樣品表面的凹凸會導致這些光程長度不相等,從而在CCD元件上形成干涉圖案。干涉條紋的數(shù)量可轉(zhuǎn)換為樣品表面的高低起伏(波峰與波谷)。

光干涉的成因

當兩道光波碰撞時會發(fā)生光干涉,使彼此相互增強或減弱。本節(jié)將說明兩道光在距離目標物表面一定距離處到達P點時所產(chǎn)生的干涉。如果兩道光路S1P和S2P的距離差是光波長λ的整數(shù)倍,則兩道光波會因波峰重疊而在P點增強並變亮。如果光程差是波長λ的整數(shù)倍加上λ的一半(λ/2),則波峰與波谷會重疊,導致光波減弱並變暗。

A:光程差 = S2P – S1P

光程差與光干涉
當光程差為波長λ的整數(shù)倍時

因波峰與波峰、波谷與波谷重疊而增強。

光程差與光干涉
當光程差為波長λ的整數(shù)倍 + λ/2時

因波峰與波谷重疊而減弱。

干涉條紋

干涉光會以光源波長一半(λ/2)的間隔變亮和變暗。這些明暗的圖案稱為干涉條紋??赏高^計算干涉條紋的數(shù)量來確定目標物的高度。物理學家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)等人已證明,光的干涉條紋會形成如下圖所示具有固定週期的圖形(波形圖)。光學干涉儀利用此物理現(xiàn)象,即使在低倍率下也能確保高解析度的量測。

干涉條紋波長

例如,使用408 nm的光源時,干涉條紋的間距(波長)為0.204 μm。
此數(shù)值代表量測表面的高度差。
由於波形圖中波峰到波峰的高度差為0.204 μm,因此透過將波峰之間的波形圖分割為2000個區(qū)段,即可實現(xiàn)0.1 nm的解析度。
光學干涉儀透過量測規(guī)則干涉條紋的明暗變化來量測高度的變化。

相位移轉(zhuǎn)干涉術(PSI)

使用單一波長光源產(chǎn)生的干涉條紋時,無法判斷目標物的形狀是上坡還是下坡。然而,這個問題可以透過使用相位移轉(zhuǎn)干涉術來解決。

如左圖所示,來自單一波長光源的干涉圖案在上坡和下坡時是相同的,因此無法判斷方向。
為了解決這個問題,在物鏡和目標物移動光源波長的λ/8(1/8波長)時,擷取四張干涉條紋影像來量測高度。這種量測方法稱為相位移轉(zhuǎn)干涉術(PSI)。

相位移轉(zhuǎn)干涉術的主要特點如下:

  • 1
    可進行?(埃)等級的高解析度量測。
  • 2
    量測時間短。

使用白光作為光源的原因

干涉條紋的外觀
A:即使高度不同,干涉條紋也相同。

使用單一波長光的量測

如左圖所示,當高度差為光源波長λ的(1/2 + n)倍時,干涉條紋沒有明顯變化,因此無法確定正確的高度差。

複合干涉條紋

使用白光的量測

使用白光光源時,在物鏡焦點處的量測表面上,干涉條紋會變得最強,而遠離焦點時則會消失。透過疊加不同波長的干涉條紋所產(chǎn)生的複合波形,可以偵測到干涉強度的峰值。

凹凸不平表面的量測

KEYENCE內(nèi)建白光干涉儀的3D表面輪廓儀,是透過移動物鏡,使用白色LED來確定每個高度區(qū)間的干涉條紋強度。在干涉條紋變強時,使用線性光學尺量測鏡頭位置,從而獲得焦點位置的高度資訊。這種方法稱為垂直掃描干涉術(VSI)。

線性光學尺模組

物鏡掃描與干涉條紋強度

A點和B點的干涉強度峰值差異表示高度差。

即使在低倍率下也能進行高精度量測

使用光學干涉儀時,高度解析度不取決於物鏡的倍率,因為即使物鏡的景深很大,代表干涉條紋強度的複合波形也可以透過計算精確地重現(xiàn)。
由於光的波長是固定的,因此光的干涉條紋會以固定的間隔出現(xiàn)。這意味著,如果預先知道所使用的波長,就可以計算出干涉條紋強度的複合波形會是什麼樣子。
接著,透過從固定間隔擷取的干涉強度重現(xiàn)複合波形圖,並將重現(xiàn)的複合波形分離進行處理,進而實現(xiàn)高解析度量測。

代表干涉條紋強度的複合波形

可以使用算術公式,從固定間隔擷取的干涉條紋重現(xiàn)干涉條紋強度的複合波形。

代表干涉條紋強度的複合波形

所產(chǎn)生的複合波形峰值即為鏡頭的焦點位置,可透過與鏡頭的移動距離同步來確定高度。

白光干涉術的關鍵要點

對焦

使用白光干涉儀時,由於低反射率目標物的干涉訊號較弱,可能難以在觀察畫面上對焦。VK-X3000相機配備雷射自動對焦功能,因此能夠以高靈敏度對焦於低反射率的目標物。

水平校正

為確保白光干涉儀的量測準確性,必須將目標物調(diào)平,此過程也稱為水平校正。使用傳統(tǒng)系統(tǒng)時,使用者需要目視檢查干涉條紋並反覆調(diào)整多次,才能確保目標物水平。KEYENCE的3D表面輪廓儀內(nèi)建水平校正輔助功能,可偵測目標物的任何傾斜並自動計算校正角度。能夠預先確定校正角度,讓調(diào)整變得簡單、可靠且快速。

白光干涉儀的特性

優(yōu)點 缺點
優(yōu)點
  • 能夠量測寬廣的視野。
    可進行次奈米等級的量測。
  • 量測速度快。
缺點
  • 無角度特性或角度特性有限。
  • 在某些物體上使用受限。

    當從參考鏡反射的光與從量測區(qū)域反射的光之間存在顯著差異時,也可能無法進行量測。白光干涉儀能很好地處理鏡面,但在量測具有陡峭角度的極粗糙樣品時可能會遇到困難。

  • 需要傾斜校正。

    量測前,必須使用測角儀平臺對樣品進行傾斜校正。傾斜的樣品會導致干涉圖案間距過密,從而影響量測精度。一些白光干涉儀系統(tǒng)配備了可自動校正樣品傾斜的傾斜機制。

  • XY量測的解析度低。

    由於取樣點數(shù)少,XY量測的解析度較低。

  • 對振動敏感。

    由於設備對振動高度敏感,安裝地點受到限制。安裝時需要使用防震臺。

3D表面輪廓儀克服了白光干涉儀的限制

針對低角度特性的解決方案

干涉儀的難點 KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案
干涉儀的難點

使用干涉儀量測具有陡峭角度的物體時,由於干涉圖案在這些區(qū)域過於集中,無法收集到準確的資訊。

KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案

使用雷射反射強度進行偵測的共軛焦測距系統(tǒng),可以低雜訊地量測具有高角度特性的形狀。

使用干涉儀觀察

右圖:與正確量測資料的比較

由於電磁波干涉的方式,無法量測曲面。

使用雷射顯微鏡觀察

右圖:與正確量測資料的比較

雷射會進入溝槽以偵測曲線。

針對量測目標物受限的解決方案

干涉儀的難點 KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案
干涉儀的難點

在光干涉中,如果表面反射不佳,則難以進行量測,從而限制了可量測的目標物類型。如果參考表面反射的光與量測表面反射的光之間存在極大差異,也無法進行量測。干涉儀適用於鏡面,但難以量測表面起伏劇烈的樣品以及表面反射率不高的樣品。

KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案

由於雷射掃描顯微鏡使用具有寬廣靈敏度範圍的光電倍增管(PMT),因此可以準確量測同時包含高反射率和低反射率區(qū)域的目標物。

如果參考表面的反射率為100%,且量測表面的反射率也約為100%,則會出現(xiàn)清晰的干涉條紋。
然而,如果量測表面的反射率僅為1%,對比度就沒有那麼清晰。

針對需要斜率校正問題的解決方案

干涉儀的難點 KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案
干涉儀的難點

量測前,需要使用測角儀平臺對樣品進行斜率校正。
因為當樣品傾斜時,干涉圖案會變得密集,將影響量測準確性。

KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案

由於KEYENCE的3D表面輪廓儀同時配備了白光干涉術和雷射共軛焦掃描,因此幾乎可以量測任何樣品,包括具有陡峭角度的樣品。

針對橫向解析度低的解決方案

干涉儀的難點 KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案
干涉儀的難點

由於干涉儀使用白光運作,這些系統(tǒng)的橫向解析度將與傳統(tǒng)光學顯微鏡相同——約為0.43 μm(0.02 Mil)

KEYENCE 3D表面輪廓儀的解決方案

KEYENCE的3D表面輪廓儀也配備了雷射共軛焦掃描,可實現(xiàn)0.13 μm 0.01 Mil的橫向解析度。