1. Введение
В прецизионном производстве, обработке полупроводников и микро-/нанотехнологиях поверхностной инженерии спрос на точные измерения вертикального профиля поверхности продолжает расти. Традиционные контактные методы или методы с низким разрешением часто оказываются недостаточными с точки зрения точности и эффективности. Вертикальные профилометры, специализирующиеся на бесконтактном измерении высоты поверхности, всё чаще используют интерферометрию белого света (WLI) в качестве основного метода благодаря её высокой точности и надёжности. В данной статье рассматриваются принципы работы WLI и объясняется, как она обеспечивает вертикальное разрешение на нанометровом уровне в вертикальной профилометрии.
2. Основы интерферометрии белого света
Интерферометрия белого света использует широкополосный источник света, например, светодиод или галогенную лампу, и основана на принципе интерферометра Майкельсона. Свет разделяется на опорный и измерительный лучи. После отражения от опорного зеркала и поверхности образца лучи рекомбинируют, образуя интерференционные полосы.
В отличие от монохроматического света, белый свет имеет очень короткую длину когерентности. Поэтому интерференционные полосы появляются только тогда, когда оптическая разность хода двух лучей близка к нулю. Это свойство позволяет точно локализовать высоту поверхности вдоль вертикальной оси.
3. Архитектура системы вертикальных профилометров с использованием WLI
Типичный вертикальный профилометр на базе WLI состоит из следующих основных модулей:
Широкополосный источник света: обеспечивает непрерывный спектр света в видимом диапазоне;
Интерферометрический объектив (например, типа Мирау или Линника): объединяет опорный и измерительный лучи;
Механизм сканирования по оси Z: перемещает интерферометрическую головку или образец вертикально с нанометровой точностью;
Система формирования изображений: фиксирует последовательности интерференционных изображений с помощью ПЗС- или КМОП-камеры;
Алгоритм обработки изображений: анализирует изменение контрастности полос в каждом пикселе для определения высоты поверхности.
4. Достижение вертикального разрешения в нанометровом масштабе
Основная возможность профилометрии на основе WLI заключается в ее вертикальном разрешении, которое реализуется с помощью специальных алгоритмов:
Обнаружение пика огибающей: подходит для шероховатых или ступенчатых поверхностей; определяет высоту поверхности путем определения положения максимального контраста в интерференционной огибающей. Типичное разрешение: 1–10 нм.
Фазовращающая интерферометрия: идеально подходит для гладких поверхностей; анализирует изменения фазы интерференционных полос для извлечения информации о высоте субнанометров.
Эти алгоритмы можно комбинировать или выбирать автоматически в зависимости от типа поверхности, что позволяет системе адаптироваться к различным сценариям измерений.
5. Преимущества и ограничения
Преимущества:
Бесконтактное, неразрушающее измерение;
Высокое вертикальное разрешение (до 1 нм);
Применимо к отражающим, прозрачным или умеренно шероховатым поверхностям.
Ограничения:
Чувствительность к вибрациям окружающей среды; рекомендуется использовать системы изоляции;
Ограниченные возможности измерения крутых боковых стенок или глубоких траншей;
Более высокая стоимость, больше подходит для приложений среднего и высокого класса со строгими требованиями к точности.
6. Заключение
Интерферометрия белого света — это хорошо зарекомендовавший себя оптический метод, позволяющий вертикальным профилометрам проводить высокоточные бесконтактные измерения поверхности. Благодаря прочной физической базе и проверенной надежности, метод WLI нашел широкое применение в полупроводниковой, оптической промышленности и производстве прецизионных материалов. В перспективе интеграция с более быстрыми системами сканирования, усовершенствованными алгоритмами и автоматизированными платформами еще больше расширит его возможности в области высокоточной метрологии.