隨著光電元器件和集成電路等微納結(jié)構(gòu)的制造工藝不斷突破，迫切需要高性能的測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的高精度表面形貌測(cè)量需求。目前，表面形貌測(cè)量法主要分為機(jī)械探針式測(cè)量法、掃描探針顯微鏡和干涉顯微測(cè)量法三種。

干涉顯微測(cè)量法具有操作簡(jiǎn)易和無(wú)接觸等優(yōu)勢(shì)，其縱向分辨率可達(dá)納米級(jí)，橫向分辨率和測(cè)量范圍取決于相機(jī)像元尺寸和像元數(shù)。常用的干涉顯微測(cè)量法包括四波橫向剪切干涉(quadriwave lateral shearing interferometry，QLSI)、數(shù)字全息和衍射相位成像等方法。其中，四波橫向剪切干涉法因存在魯棒、消色差和瞬態(tài)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，目前在表面形貌測(cè)量領(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

圖 1 基于四波橫向剪切干涉的表面形貌測(cè)量系統(tǒng)示意圖

a—實(shí)驗(yàn)裝置 b—石英樣品

為解決傳統(tǒng)四波橫向剪切干涉測(cè)量系統(tǒng)中特定分光器件存在的加工難度高、光譜適用范圍受限等問(wèn)題，課題組提出了利用空間光調(diào)制器替代分光光柵將入射光分為4束橫向剪切相干子波，通過(guò)靈活調(diào)整光柵的折射率來(lái)調(diào)制子波衍射效率以適應(yīng)照明光源，再根據(jù)子波兩兩干涉效應(yīng)重建出反映樣品折射率和高度信息的光程差分布，即可實(shí)現(xiàn)寬光譜大尺寸范圍內(nèi)的表面形貌精確測(cè)量；結(jié)合傅里葉變換法研究了入射光不同波長(zhǎng)對(duì)光程差重建精度的影響規(guī)律，并利用空間光調(diào)制器搭建了適用于可見光至近紅外的寬光譜四波橫向剪切干涉測(cè)量系統(tǒng)。

圖 2 基于 SLM 的四波橫向剪切干涉實(shí)驗(yàn)裝置圖

本文提出的基于空間光調(diào)制器(HDSLM80R，UPOLabs)的四波橫向剪切干涉表面形貌測(cè)量方法，采用SLM加載占空比為1/2的棋盤型相位光柵作為QLSI的波前分光器件，相比于傳統(tǒng)的分光光柵，通過(guò)SLM加載的光柵能在不改變各光路元器件位置的情況下靈活調(diào)整光柵折射率來(lái)保證子波衍射效率始終取得最高值，使得QLSI測(cè)量精度不受照明光源波段的影響，同時(shí)也可避免光柵加工誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

為了獲取待測(cè)樣品的表面形貌和刻蝕深度信息，采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)待測(cè)樣品的取樣區(qū)進(jìn)行測(cè)量，相機(jī)收集的干涉圖如圖3所示。

圖3 CMOS 相機(jī)采集干涉圖

對(duì)樣品干涉圖進(jìn)行傅里葉變換后，然后采用濾波窗函數(shù)將x和y方向的正一級(jí)頻譜提取出來(lái)，如圖4a和4b所示。

圖4 差分相位提取過(guò)程

根據(jù)式：

即可算出x和y方向的差分相位。再采用相同的方式算出背景光干涉圖的x和y方向差分相位，最后將兩幅干涉圖相同方向的差分相位相減即可得到消除靜態(tài)波前缺陷影響的差分相位，如圖4c和4d所示。

搭建的基于SLM的四波橫向剪切干涉測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)石英和硅晶圓的表面形貌進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與白光干涉儀的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文中方法對(duì)不同類型樣品的表面形貌測(cè)量的有效性和可靠性。

石英樣品表面形貌測(cè)量

在可見光波段石英玻璃的折射率 n1=1.45990，空氣的折射率 n0=1.00028，結(jié)合公式

計(jì)算得出的石英樣品的表面形貌信息如圖5a所示。沿圖5a的紅線剖開以進(jìn)一步獲得樣品的刻蝕深度信息，得到的刻蝕深度分布如圖5b所示。重復(fù)開展50次實(shí)驗(yàn)得出本實(shí)驗(yàn)搭建的QLSI系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程較穩(wěn)定。

圖5石英樣品的表面形貌重建結(jié)果

a—三維圖; b—y 方向的高度剖線

為驗(yàn)證本文所提方法測(cè)量石英表面刻蝕深度的準(zhǔn)確性，采用白光干涉儀和本文所提方法對(duì)同一樣品的刻蝕深度進(jìn)行測(cè)量，兩種方法的測(cè)量結(jié)果均與樣品標(biāo)稱值吻合，表明本文中提出的方法能夠成功的探測(cè)納米級(jí)樣品的表面形貌，且具有較高的精度。其次，QLSI測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)小于白光干涉儀測(cè)量所用時(shí)間。

表 1 本文方法與白光干涉法測(cè)得石英樣品的刻蝕深度和相對(duì)誤差

硅晶圓樣品測(cè)量

通過(guò)將實(shí)驗(yàn)裝置的顯微成像系統(tǒng)從透射式改為反射式照明，再對(duì)硅晶圓樣品開展測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究，在LED照明下獲取的三維形貌提取結(jié)果和y方向的高度剖線。表2所示為QLSI與白光干涉法分別開展50次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得到的臺(tái)階高度測(cè)量結(jié)果，兩種方法得出的測(cè)量結(jié)果與樣品標(biāo)稱值基本吻合，QLSI方法利用反射式測(cè)量時(shí)仍然具有較高的測(cè)量精度，進(jìn)而在很大程度上驗(yàn)證了本文中所提表面形貌測(cè)量方法的有效性和可靠性。

圖6 硅晶圓樣品的表面形貌重建結(jié)果

a—三維圖; b—y 方向的高度剖線

表 2 本文方法與白光干涉法測(cè)得硅晶圓樣品的高度和相對(duì)誤差

綜上所述，本文提出的基于SLM的四波橫向剪切干涉表面形貌測(cè)量方法具有科學(xué)性和適用性，通過(guò)對(duì)石英和硅晶圓的表面形貌進(jìn)行測(cè)量和結(jié)果對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文中方法對(duì)不同類型樣品的表面形貌測(cè)量的有效性和可靠性，該研究可為四波橫向剪切干涉技術(shù)在表面形貌測(cè)量領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用提供理論參考。