Chinese Journal of Nature Vol.45 No.3 REVIEW ARTICLE 但当被测元件厚度大于1mm时，由于样品色散 方式对精度的约束。该技术被广泛应用在光学元 特性，光程差的零位会随着波长变化，致使测量 件面形和厚度不均匀性检测中，精度可达/100 精度降低。研究者将白光干涉测量技术应用在复 甚至更高5河。按照移相方式，移相干涉测量技 杂薄膜三维结构检测中，但其应用范围仅限于单 术可分为硬件移相和被长移相两种。 层膜结构1s刃。为了克服该局限性，Ghim等提 (1)硬件移相主要是通过移相器推动参考镜 出一种基于光谱分辨白光相移干涉的多层膜测量 移动，改变参考面和被测面之间的距离，使参考 技术。该技术使用压电陶瓷移相器(piezoelectric 光束与测量光束间的光程差发生改变，进而引起 ceramic transducer,,PZT)获得系列相移干涉图，能 两者间的相位差变化B8-9。以Fizeau型干涉仪为 够在宽波长范围内精确测量相位和反射率，其光谱 例（图4(a),激光器发出的光束通过分光镜后到 信号可实现复杂多层膜结构检测，测量结果与商用 达透镜1，经过透镜1和准直透镜扩束，部分光束 椭偏仪测量结果的差异小于18nm。需注意的是该 在参考镜前后表面发生反射，部分光透过参考镜 技术测量精度对扰动较大的工业场所环境较为敏 到达被测件表面：参考镜前表面倾斜使反射光远 感。Rhee等基于白光千涉测量方法，通过单次测 离光路，而后表面反射光形成参考光束：透过参 量获得宽波长范围内的相位数据和反射率，能够同 考镜的光经过被测元件表面反射形成被测光束。 时测量多层膜厚度和表面轮廓，厚度测量误差相较 参考光束和被测光束分别经过透镜1、分光镜、 于椭偏仪小于14nm,表面轮廓平均高度最大误差 透镜2、光阑和透镜3后发生干涉并形成干涉条 相较于轮廓仪小于12m洲，测量精度不易受外部 纹图，被CCD相机记录，通过PZT移动参考镜位 环境变化的影响，适合在线检测。 置，不断改变参考光束与被测光束间的光程差， 1.4移相干涉测量技术 实现干涉图的连续移相变化o1。图4b)为ZYG0 移相干涉测量技术利用CCD(charge coupled 公司采用PZT移相方式的12英寸(1英寸=2.54cm) device)采集已经进行了相位调制且包含被测波面 立式激光干涉仪。在应对口径较大的参考镜时， 初始相位信息的系列相移干涉图，实现初始相位 PZT移相将导致滞后性、非线性等一系列问题， 解调和波面重建。该技术通过采集多帧干涉图方 对硬件系统要求较高。除PZT移相外，偏振移 式，有效降低系统误差和环境扰动对测量精度的 相、衍射光栅移相、同步移相等均可归于硬件移 影响，能够克服传统技术中采用目测或照相记录 相一类44。 (a) 准直透镜参考镜被测 (b) 激光器 分光镜透镜1 ▣ 透镜2 移相器 (PZT) 光阑 透镜3 CCD相机 图4PZT移相干涉仪：(a)Fizeau型千涉仪原理：(b)美国ZYGO公司12英寸立式激光干涉仪s (2)波长移相是通过改变波长使参考光束与 光学元件信息的无损检测，测量精度可达到纳 被测光束之间的光程差发生变化，进而实现移 米至亚纳米级74。在该移相方式中，激光光源 相，经过对干涉信号频率与相位解耦后可实现 不仅作为测试光源，还发挥着移相器的作用， 160160 Chinese Journal of Nature Vol. 45 No. 3 REVIEW ARTICLE 但当被测元件厚度大于1 mm时，由于样品色散 特性，光程差的零位会随着波长变化，致使测量 精度降低。研究者将白光干涉测量技术应用在复 杂薄膜三维结构检测中，但其应用范围仅限于单 层膜结构[31-32]。为了克服该局限性，Ghim等[33]提 出一种基于光谱分辨白光相移干涉的多层膜测量 技术。该技术使用压电陶瓷移相器(piezoelectric ceramic transducer, PZT)获得系列相移干涉图，能 够在宽波长范围内精确测量相位和反射率，其光谱 信号可实现复杂多层膜结构检测，测量结果与商用 椭偏仪测量结果的差异小于18 nm。需注意的是该 技术测量精度对扰动较大的工业场所环境较为敏 感。Rhee等[34]基于白光干涉测量方法，通过单次测 量获得宽波长范围内的相位数据和反射率，能够同 时测量多层膜厚度和表面轮廓，厚度测量误差相较 于椭偏仪小于14 nm，表面轮廓平均高度最大误差 相较于轮廓仪小于12 nm[33-34]，测量精度不易受外部 环境变化的影响，适合在线检测。 1.4 移相干涉测量技术 移相干涉测量技术利用CCD(charge coupled device)采集已经进行了相位调制且包含被测波面 初始相位信息的系列相移干涉图，实现初始相位 解调和波面重建。该技术通过采集多帧干涉图方 式，有效降低系统误差和环境扰动对测量精度的 影响，能够克服传统技术中采用目测或照相记录 方式对精度的约束。该技术被广泛应用在光学元 件面形和厚度不均匀性检测中，精度可达λ/100 甚至更高[35-37]。按照移相方式，移相干涉测量技 术可分为硬件移相和波长移相两种。 (1)硬件移相主要是通过移相器推动参考镜 移动，改变参考面和被测面之间的距离，使参考 光束与测量光束间的光程差发生改变，进而引起 两者间的相位差变化[38-39]。以Fizeau型干涉仪为 例(图4(a))，激光器发出的光束通过分光镜后到 达透镜1，经过透镜1和准直透镜扩束，部分光束 在参考镜前后表面发生反射，部分光透过参考镜 到达被测件表面；参考镜前表面倾斜使反射光远 离光路，而后表面反射光形成参考光束；透过参 考镜的光经过被测元件表面反射形成被测光束。 参考光束和被测光束分别经过透镜1、分光镜、 透镜2、光阑和透镜3后发生干涉并形成干涉条 纹图，被CCD相机记录，通过PZT移动参考镜位 置，不断改变参考光束与被测光束间的光程差， 实现干涉图的连续移相变化[40-43]。图4(b)为ZYGO 公司采用PZT移相方式的12英寸(1英寸=2.54 cm) 立式激光干涉仪。在应对口径较大的参考镜时， PZT移相将导致滞后性、非线性等一系列问题， 对硬件系统要求较高。除PZT移相外，偏振移 相、衍射光栅移相、同步移相等均可归于硬件移 相一类[44-45]。 图4 PZT移相干涉仪[43]：(a) Fizeau型干涉仪原理；(b) 美国ZYGO公司12英寸立式激光干涉仪[46] (2)波长移相是通过改变波长使参考光束与 被测光束之间的光程差发生变化，进而实现移 相，经过对干涉信号频率与相位解耦后可实现 光学元件信息的无损检测，测量精度可达到纳 米至亚纳米级[47-48]。在该移相方式中，激光光源 不仅作为测试光源，还发挥着移相器的作用