全面解讀白光干涉技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)納米級三維形貌測量

白光干涉測量技術(shù)（WLI）主要用于對各種物體表面三維形貌進(jìn)行納米級精度的測量，其以寬帶光源為核心，經(jīng)分光形成測量與參考光路，借光程差調(diào)控產(chǎn)生干涉條紋，結(jié)合軸向掃描與包絡(luò)峰值算法實(shí)現(xiàn)高精度測量，在精密加工、半導(dǎo)體與微電子行業(yè)、精密光學(xué)行業(yè)、材料科學(xué)行業(yè)等中得到了廣泛應(yīng)用。

白光干涉技術(shù)工作原理

白光干涉技術(shù)的理論基礎(chǔ)是光的干涉現(xiàn)象，但其獨(dú)特之處在于使用了寬帶光源，與激光的單色性不同，白光的光譜較寬，包含了各個(gè)波長的單色光波段。當(dāng)白光進(jìn)入干涉物鏡后，被分光鏡分為兩路：一路射向待測樣品表面（測量光臂），另一路進(jìn)入內(nèi)部的參考鏡（參考光臂）。兩路光反射回來后重新匯合，發(fā)生干涉。

白光干涉顯微鏡工作原理示意圖

在光程差為零的位置附近，各個(gè)波長的條紋信號都為波峰，彼此加成，形成最明亮的干涉條紋級，稱為零級條紋，并且零光程差點(diǎn)處的光強(qiáng)信號最Z大。隨著光程差遞增，不同波長的單色光干涉慢慢錯(cuò)開，抵消的部分逐漸變多，疊加的部分逐漸變少，使得總的條紋光強(qiáng)信號量逐漸降低直至趨于水平不再變化，此時(shí)，干涉條紋完W全消失。

白光干涉信號曲線

在測量時(shí)，物鏡或樣品臺會進(jìn)行精密的軸向（Z方向）掃描。探測器會同時(shí)采集到各個(gè)高度的干涉條紋圖，對單個(gè)像素的光強(qiáng)信號進(jìn)行提取，就可以獲得如圖所示的干涉條紋曲線，曲線的峰值位置即為該點(diǎn)的相應(yīng)高度。

白光測量原理

通過精確計(jì)算得到區(qū)域中每個(gè)像素點(diǎn)處于零級干涉條紋時(shí)所在的位置，從而還原出樣品的的三維形貌圖。

白光干涉顯微鏡的核心部件-干涉物鏡

白光干涉顯微鏡的性能很大程度上取決于其核心部件—干涉物鏡。它是在無限遠(yuǎn)校正的明場物鏡基礎(chǔ)上，集成了分光鏡和參考鏡的干涉系統(tǒng)。典型的干涉物鏡裝置主要分為以下三種類型：

邁克爾遜物鏡：顯微物鏡出射的光經(jīng)過分光棱鏡后，一部分會聚到參考平面，形成參考光路；另一部分會聚到待測樣品上，兩束光在返回時(shí)發(fā)生干涉。

米勞物鏡：顯微物鏡出射的光線入射到分光片表面后，一部分被反射回參考鏡表面并經(jīng)參考鏡中心高反膜沿原路返回至光路中作為參考光；另一路入射光透過分光鏡會聚在待測樣品表面，經(jīng)待測樣品表面反射回光路，兩束光相遇發(fā)生干涉。

林尼克物鏡：光束先經(jīng)過立方體分光棱鏡分光，再分別經(jīng)過兩個(gè)完W全相同的物鏡分別聚焦在參考面和待測物體上，兩束返回光形成干涉。

（a）邁克爾遜物鏡；（b）米勞物鏡；（c）林尼克物鏡

白光干涉顯微鏡測量流程

白光干涉顯微鏡的操作非常簡便，無需復(fù)雜的樣品制備。其基本流程如下：

放置與粗調(diào)：將樣品置于物鏡下方，如同操作普通光學(xué)顯微鏡一樣，通過垂直移動初步找到樣品表面。

尋找掃描范圍：通過手動或自動方式，確定待測表面的最Z高點(diǎn)和最Z低點(diǎn)，確保覆蓋整個(gè)起伏范圍。

自動掃描與數(shù)據(jù)采集：實(shí)際測量時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動物鏡或者樣品沿Z軸方向進(jìn)行精密移動，每隔固定的距離探測器同時(shí)采集各個(gè)高度的干涉條紋圖片，直到設(shè)置的掃描范圍結(jié)束。

數(shù)據(jù)分析與重建：通過對干涉圖片進(jìn)行處理分析，提取出每個(gè)像素干涉曲線中信號最Z強(qiáng)的位置，從而重建出高精度的三維表面形貌數(shù)據(jù)。

光刻樣品的三維形貌

白光干涉顯微鏡核心應(yīng)用場景

白光干涉顯微鏡的應(yīng)用圍繞著對樣品表面的三維形貌、粗糙度、臺階高度、平整度等參數(shù)的精準(zhǔn)測量。

半導(dǎo)體與微電子制造

晶圓與芯片檢測：測量化學(xué)機(jī)械拋光后的晶圓表面粗糙度、刻蝕工藝產(chǎn)生的臺階高度、薄膜厚度（如果透明）以及圖形化結(jié)構(gòu)的尺寸（如線寬、深度）。

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）：理想用于測量微齒輪、微彈簧、加速度計(jì)等MEMS器件的三維形貌、運(yùn)動結(jié)構(gòu)的靜態(tài)高度差以及殘余應(yīng)力引起的翹曲。由于其非接觸性，不會對微小結(jié)構(gòu)造成損傷。

封裝與鍵合：檢測焊球的高度、共面性，以及芯片與基板鍵合后的平面度和間隙。

透明薄膜測量：通過分析來自薄膜上下表面的反射光產(chǎn)生的干涉信號，可以精確測量透明薄膜的厚度。如測量光刻膠層、手機(jī)屏幕保護(hù)圖層等。

MEMS芯片表面三維形貌和粗糙度測量圖

精密加工與機(jī)械工程

表面粗糙度分析：替代接觸式輪廓儀，對發(fā)動機(jī)缸體、軸承、齒輪、液壓元件等關(guān)鍵零部件的表面進(jìn)行快速、非破壞性的粗糙度測量。

缺陷分析：定量分析劃痕、凹坑、磨損痕跡的深度、寬度和體積，為失效分析提供數(shù)據(jù)支持。

涂層與鍍層：測量涂層的厚度、涂層均勻性、分析涂層本身的粗糙度等，確保發(fā)揮其預(yù)期的特殊功能。

鑄造件和鈑金件表面三維形貌測量圖

精密光學(xué)行業(yè)

光學(xué)元件的面型分析：測量透鏡、棱鏡、反射鏡等元件的表面形狀和面形精度。

光學(xué)元件表面粗糙度與缺陷檢測：用來檢測表面粗糙度、劃痕的深度和寬度等以及拋光工藝留下的紋理等

薄膜厚度與均勻性：用來測量光學(xué)元件上鍍膜的磨蹭厚度和均勻性

微光學(xué)元件的表征：適用于測量微透鏡陣列、衍射光學(xué)元件、菲涅爾透鏡的曲率半徑、矢高和輪廓形狀。

反射鏡表面劃痕和微透鏡陣列表面三維形貌測量圖

材料科學(xué)

新材料表征：評估不同制備工藝（如濺射、CVD、3D打印）下材料表面的粗糙度、顆粒度、孔隙率。

摩擦學(xué)與磨損測試：在可控的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后，對材料表面進(jìn)行三維形貌測量，量化磨損量。

表面處理效果評估：比較拋光、噴砂、蝕刻等處理前后的表面形貌變化。

微流道高度和寬度測量結(jié)果數(shù)據(jù)

MV-1000神影系列 3D顯微鏡

MV-1000神影系列 3D顯微鏡結(jié)合白光干涉、景深融合、共聚焦和明場觀察等不同觀察模式，依靠高精度掃描和算法，可完成從超光滑到粗糙、從低反射率到高反射率、從納米級到毫米級尺度的物體表面形貌分析。

設(shè)備測量包含粗糙度、臺階高度、面形輪廓和曲率等多種參數(shù)，結(jié)合托托自研的三維表面形貌分析軟件，可實(shí)現(xiàn)快速高質(zhì)量的數(shù)據(jù)可視化輸出，為研究人員提升科研效率與數(shù)據(jù)分析的可靠性。