基于SLM的四波横向剪切干涉表面形貌测量方法

随着光电元器件和集成电路等微纳结构的制造工艺不断突破，迫切需要高性能的测量设备来满足日益增长的高精度表面形貌测量需求。目前，表面形貌测量法主要分为机械探针式测量法、扫描探针显微镜和干涉显微测量法三种。

干涉显微测量法具有操作简易和无接触等优势，其纵向分辨率可达纳米级，横向分辨率和测量范围取决于相机像元尺寸和像元数。常用的干涉显微测量法包括四波横向剪切干涉(quadriwave lateral shearing interferometry，QLSI)、数字全息和衍射相位成像等方法。其中，四波横向剪切干涉法因存在鲁棒、消色差和瞬态测量等优势，目前在表面形貌测量领域具有更为广泛的应用前景。

图 1 基于四波横向剪切干涉的表面形貌测量系统示意图

a—实验装置 b—石英样品

为解决传统四波横向剪切干涉测量系统中特定分光器件存在的加工难度高、光谱适用范围受限等问题，课题组提出了利用空间光调制器替代分光光栅将入射光分为4束横向剪切相干子波，通过灵活调整光栅的折射率来调制子波衍射效率以适应照明光源，再根据子波两两干涉效应重建出反映样品折射率和高度信息的光程差分布，即可实现宽光谱大尺寸范围内的表面形貌精确测量；结合傅里叶变换法研究了入射光不同波长对光程差重建精度的影响规律，并利用空间光调制器搭建了适用于可见光至近红外的宽光谱四波横向剪切干涉测量系统。

图 2 基于 SLM 的四波横向剪切干涉实验装置图

本文提出的基于空间光调制器(HDSLM80R，UPOLabs)的四波横向剪切干涉表面形貌测量方法，采用SLM加载占空比为1/2的棋盘型相位光栅作为QLSI的波前分光器件，相比于传统的分光光栅，通过SLM加载的光栅能在不改变各光路元器件位置的情况下灵活调整光栅折射率来保证子波衍射效率始终取得最高值，使得QLSI测量精度不受照明光源波段的影响，同时也可避免光栅加工误差对测量结果的影响。

为了获取待测样品的表面形貌和刻蚀深度信息，采用图2所示的实验装置对待测样品的取样区进行测量，相机收集的干涉图如图3所示。

图3 CMOS 相机采集干涉图

对样品干涉图进行傅里叶变换后，然后采用滤波窗函数将x和y方向的正一级频谱提取出来，如图4a和4b所示。

图4 差分相位提取过程

根据式：

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图的x和y方向差分相位，最后将两幅干涉图相同方向的差分相位相减即可得到消除静态波前缺陷影响的差分相位，如图4c和4d所示。

搭建的基于SLM的四波横向剪切干涉测量系统分别对石英和硅晶圆的表面形貌进行测量，并将测量结果与白光干涉仪的结果对比，验证了本文中方法对不同类型样品的表面形貌测量的有效性和可靠性。

石英样品表面形貌测量

在可见光波段石英玻璃的折射率 n1=1.45990，空气的折射率 n0=1.00028，结合公式

计算得出的石英样品的表面形貌信息如图5a所示。沿图5a的红线剖开以进一步获得样品的刻蚀深度信息，得到的刻蚀深度分布如图5b所示。重复开展50次实验得出本实验搭建的QLSI系统测量过程较稳定。

图5石英样品的表面形貌重建结果

a—三维图; b—y 方向的高度剖线

为验证本文所提方法测量石英表面刻蚀深度的准确性，采用白光干涉仪和本文所提方法对同一样品的刻蚀深度进行测量，两种方法的测量结果均与样品标称值吻合，表明本文中提出的方法能够成功的探测纳米级样品的表面形貌，且具有较高的精度。其次，QLSI测量时间远小于白光干涉仪测量所用时间。

表 1 本文方法与白光干涉法测得石英样品的刻蚀深度和相对误差

硅晶圆样品测量

通过将实验装置的显微成像系统从透射式改为反射式照明，再对硅晶圆样品开展测量实验研究，在LED照明下获取的三维形貌提取结果和y方向的高度剖线。表2所示为QLSI与白光干涉法分别开展50次重复性实验得到的台阶高度测量结果，两种方法得出的测量结果与样品标称值基本吻合，QLSI方法利用反射式测量时仍然具有较高的测量精度，进而在很大程度上验证了本文中所提表面形貌测量方法的有效性和可靠性。

图6 硅晶圆样品的表面形貌重建结果

a—三维图; b—y 方向的高度剖线

表 2 本文方法与白光干涉法测得硅晶圆样品的高度和相对误差

综上所述，本文提出的基于SLM的四波横向剪切干涉表面形貌测量方法具有科学性和适用性，通过对石英和硅晶圆的表面形貌进行测量和结果对比实验验证了本文中方法对不同类型样品的表面形貌测量的有效性和可靠性，该研究可为四波横向剪切干涉技术在表面形貌测量领域的扩展应用提供理论参考。