耿東鋒，何英杰，蘇宏毅

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009；2.紅外探測(cè)器技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009）

引 言

隨著微制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于物體表面形貌的檢測(cè)越來(lái)越有必要，各種測(cè)試技術(shù)也相應(yīng)發(fā)展起來(lái)。非接觸式光學(xué)掃描由于不接觸被測(cè)物體表面，并且測(cè)量范圍大、測(cè)量所需時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用［1］。Veeco NT3300三維光學(xué)輪廓儀就是一種非接觸式表面測(cè)量設(shè)備，它的垂直掃描干涉模式利用白光干涉原理，通過(guò)對(duì)光程差的調(diào)制，從而在零光程差的位置獲得最大的條紋干涉對(duì)比度，通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)重構(gòu)出被測(cè)表面的輪廓，可以用來(lái)測(cè)量臺(tái)階高度和表面粗糙度［2－3］。在利用它對(duì)透明臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于白光會(huì)透過(guò)透明體，涉及到二次反射產(chǎn)生附加的光程差，導(dǎo)致了較大的測(cè)量誤差。本文針對(duì)這種情況，結(jié)合設(shè)備測(cè)量原理，分析了誤差產(chǎn)生機(jī)理，并提出了解決方法。

1 白光掃描干涉法原理

白光光源的輻射包含了整個(gè)可見(jiàn)光譜區(qū)域的光譜成分，為連續(xù)光譜。發(fā)生干涉時(shí)，各波長(zhǎng)將產(chǎn)生各自的一組干涉條紋。當(dāng)光程差（OPD）等于零（零級(jí)條紋處）時(shí)，各波長(zhǎng)的零級(jí)條紋完全重合，隨著光程差及干涉級(jí)數(shù)的增加，各波長(zhǎng)的干涉條紋彼此逐漸錯(cuò)開(kāi)，這種錯(cuò)開(kāi)會(huì)使條紋對(duì)比度逐步下降，而到一定程度時(shí)干涉條紋消失。

依據(jù)白光干涉長(zhǎng)度較短的特性，如果使干涉條紋移動(dòng)，并使其掃描整個(gè)被測(cè)表面，那么對(duì)于被測(cè)表面上的任意一個(gè)采樣點(diǎn)，只有處在零光程差位置時(shí)，干涉條紋調(diào)制度最大。

Veeco NT3300的VSI測(cè)量模式是利用白光掃描干涉方法測(cè)量出物體表面的三維輪廓。采用Michelson干涉裝置，利用步進(jìn)馬達(dá)的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)物鏡與被測(cè)物體表面距離的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光程差的調(diào)制，最后依據(jù)白光干涉的特征，采用質(zhì)心法提取最佳干涉位置（零光程差），最后獲得各點(diǎn)的相對(duì)高度，從而重構(gòu)表面三維輪廓，完成對(duì)樣品的非接觸式測(cè)量［4］。

對(duì)于白光干涉，干涉條紋光強(qiáng)值可表示為：

上式中，I0為背景光強(qiáng)；γ（Z－Z0）為干涉條紋包絡(luò)線函數(shù)，稱(chēng)為光源相干度；λ0為光源的平均波長(zhǎng)；Φ0為初始相位；Z0是參考鏡與焦點(diǎn)的距離；Z是被測(cè)表面反射點(diǎn)與焦點(diǎn)的距離；光程差ΔZ＝（Z－Z0），其中干涉條紋調(diào)制度γ（Z）可近似寫(xiě)為：

從式（2）可以看出，γ（Z）在光程差為零（ΔZ＝0）處達(dá)到最大，并以此為對(duì)稱(chēng)軸。

從式（1）、式（2）可知，干涉條紋的光強(qiáng)呈余弦規(guī)律變化，干涉條紋的光強(qiáng)值用CCD相機(jī)檢測(cè)并記錄下來(lái)。物鏡在Z軸通過(guò)焦點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程中，CCD相機(jī)記錄所有像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，在所有圖像中取其中某個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，可以得到該點(diǎn)的光強(qiáng)隨ΔZ變化的白光干涉光強(qiáng)相干圖，圖1所示為白光干涉信號(hào)。

圖1 白光干涉Fig.1 Interference of white light

2 測(cè)量方法和結(jié)果

在探測(cè)器芯片制造過(guò)程中，光刻膠BP218經(jīng)過(guò)曝光、顯影、烘烤后，形成光刻圖形。由于工藝要求，需要獲得該膠體的厚度，利用輪廓儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量區(qū)域選擇芯片中間的劃片線，可以把它看成一個(gè)相對(duì)白光透明的臺(tái)階。在測(cè)量的過(guò)程中，設(shè)定不同的掃描長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)與利用接觸式臺(tái)階儀測(cè)量結(jié)果的誤差較大，表1是用兩種測(cè)量?jī)x對(duì)同一個(gè)透明臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量得到的測(cè)量值。

表1 測(cè)量結(jié)果比較Tab.1 Comparison of measuring results

3 測(cè)量過(guò)程分析

對(duì)于所測(cè)量的劃片線區(qū)域，如圖2、圖3所示，在對(duì)該臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中，隨著物鏡的向下移動(dòng)，首先在臺(tái)階上表面出現(xiàn)零光程差，然后物鏡繼續(xù)向下移動(dòng)，會(huì)在基底的表面也出現(xiàn)零光程差，整個(gè)過(guò)程中，CCD記錄所有采樣點(diǎn)的光強(qiáng)值。

當(dāng)在基底表面形成零光程差以后，系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)束測(cè)量，物鏡就不再向下移動(dòng)。而控制物鏡在Z軸移動(dòng)的范圍，是由測(cè)量開(kāi)始之前測(cè)量參數(shù)的設(shè)定而決定的。通過(guò)設(shè)置以焦點(diǎn)為基準(zhǔn)，向上和向下掃描長(zhǎng)度，控制物鏡在Z軸移動(dòng)，使樣品不同高度的測(cè)量點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)零光程差位置。圖4為掃描長(zhǎng)度的設(shè)定。

在對(duì)臺(tái)階的測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量光束覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域，包括雙面臺(tái)階的兩個(gè)表面，白光透過(guò)光刻膠后，在膠與基底的界面反射，也會(huì)與參考光路之間形成光程差。

圖2 臺(tái)階上表面處于零光程差位置Fig.2 The position of step upper surface

圖3 硅基底表面處于零光程差位置Fig.3 The position of Si upper surface

圖4 掃描長(zhǎng)度的設(shè)定Fig.4 The enactment of scan length

圖5 臺(tái)階下表面處于零光程差位置Fig.5 The position of step lower surface

當(dāng)經(jīng)過(guò)物鏡的移動(dòng)，基底表面處于零光程差位置，這時(shí)ΔZ＝n0d1－n0L＝0，其中n0是空氣折射率，d1是被測(cè)點(diǎn)與物鏡之間的幾何距離，L是參考鏡與物鏡之間的距離，它是一個(gè)定值。而這時(shí)，膠與硅基底界面處，由于光線反射所產(chǎn)生的光程差為：

其中n1為光刻膠的折射率，d2為光刻膠的幾何距離。因?yàn)閚1＞n0，所以ΔZ≠0，該界面沒(méi)有處于零光程差位置。

如果物鏡繼續(xù)向下移動(dòng)Δd，當(dāng)滿(mǎn)足下面這個(gè)條件時(shí)：ΔZ＝n1d2＋n0（d1－Δd－d2）－n0L＝0，即當(dāng)Δd＝（n1／n0－1）d2＋d1－L時(shí)，光刻膠與基底界面處于零光程差位置，出現(xiàn)了明亮的干涉條紋，而CCD也會(huì)記錄該面上的光強(qiáng)值。

物鏡在透明臺(tái)階底部出現(xiàn)干涉條紋（第二次零光程差位置）后，繼續(xù)向下移動(dòng)而在膠體與基底的界面再次出現(xiàn)干涉條紋（第三次零光程差位置），如圖6所示。

系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，會(huì)將兩次記錄的光強(qiáng)值疊加到一起。作為臺(tái)階上表面的光強(qiáng)值，由于出現(xiàn)第二次干涉條紋后物鏡又向下移動(dòng)Δd，則系統(tǒng)認(rèn)為該界面是在基底以下的位置，在高度重構(gòu)時(shí)，形成誤差，使測(cè)量值小于真實(shí)值。

4 問(wèn)題解決

測(cè)量誤差是由于物鏡在出現(xiàn)第二次干涉條紋后繼續(xù)向下掃描造成的，所以可以設(shè)定物鏡向下掃描長(zhǎng)度，使系統(tǒng)在出現(xiàn)第二次干涉條紋后停止掃描。這個(gè)掃描長(zhǎng)度在滿(mǎn)足透明臺(tái)階所有點(diǎn)都經(jīng)歷過(guò)零光程差位置的前提下，不會(huì)產(chǎn)生由于透明臺(tái)階和基底界面上的反射引入的干擾光強(qiáng)。

在對(duì)透明臺(tái)階的測(cè)量過(guò)程中，首先要進(jìn)行幾次預(yù)測(cè)量，在掃描過(guò)程中觀察干涉條紋的變化。當(dāng)干涉條紋從臺(tái)階上表面出現(xiàn)，隨后在硅片上再次出現(xiàn)后，如果物鏡繼續(xù)向下移動(dòng)，直至在透明臺(tái)階與基底界面再次產(chǎn)生干涉條紋，說(shuō)明該掃描長(zhǎng)度設(shè)定值過(guò)大，需要減小掃描長(zhǎng)度設(shè)定值。通過(guò)幾次修正設(shè)置，直至最后確定一個(gè)合適的掃描長(zhǎng)度，確保在出現(xiàn)第二次干涉條紋后，系統(tǒng)結(jié)束掃描。一般這個(gè)設(shè)定值是所測(cè)量距離的1.2倍，表2是通過(guò)設(shè)置合適的掃描長(zhǎng)度得到的測(cè)量值。

圖6 多次干涉條紋出現(xiàn)的位置Fig.6 The position of interference fringes

表2 測(cè)量結(jié)果比較Tab.2 Comparison of measuring results

5 結(jié) 論

針對(duì)在透明臺(tái)階測(cè)量中，出現(xiàn)測(cè)量誤差較大的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析，是由于測(cè)量光路在透明臺(tái)階與基底交界面處發(fā)生了二次反射，形成了零光程差，從而引入了誤差光強(qiáng)，導(dǎo)致了測(cè)量誤差。通過(guò)設(shè)置合適的掃描長(zhǎng)度，測(cè)量誤差減小，獲得了可信的測(cè)量結(jié)果，滿(mǎn)足了測(cè)量要求。這種測(cè)量方法也拓寬了輪廓儀的使用范圍。

［1］尚 妍，徐春廣.光學(xué)非接觸廓形測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展［J］.光學(xué)技術(shù)，2008，34：216－217

［2］徐德衍，林尊琪.光學(xué)表面粗糙度研究的進(jìn)展與方向［J］.光學(xué)儀器，1996，18（1）：32－37

［3］徐德衍，林尊琪.光學(xué)表面粗糙度研究的進(jìn)展與方向（續(xù)）［J］.光學(xué)儀器，1996，18（2）：35－41

［4］孫艷玲，謝鐵邦.基于垂直位移掃描工作的表面輪廓綜合測(cè)量?jī)x［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：125－127