單拍偏振干涉法應用於表面輪廓之量測

前言
隨著半導體、精密機械工程、微機電系統及材料科學等科學與工業領域的迅速發展，對高精度且大範圍的表面形貌量測需求日益增長。精確的表面形貌量測對於評估工程表面的機械行為至關重要，尤其在半導體、光學元件和精密機械零件等應用領域中，表面形貌是關鍵的品質檢測項目之一。高精度的表面形貌量測直接影響產品性能，因此，如何快速且準確地量測產品的表面形貌，已成為當今量測技術中的重要課題。
相關表面形貌量測技術
目前有多種類型的表面輪廓量測技術，包括雷射三角量測法[2]、結構光量測法[3]、掃描白光干涉儀[4]、共焦掃描法[5]和光學干涉法[6]。在已開發的技術中，基於光學干涉的量測方法在量測晶圓表面輪廓領域中起到了主導作用，因為它們具有非接觸、奈米級和高精度等優點。
光學干涉方法包括相移干涉儀（PSI）[7]、光譜解析白光干涉儀（SRWLI）[8]和外差干涉術[9]等。在PSI中[7]，透過相移改變物體光束和參考光束間的相位差，並使用CCD在相位差的等距間隔處，對干涉條紋圖案進行取樣，再利用相移法[10]即可計算出相位分布。此法具高解析度且可進行大範圍量測。然而，PSI需要參考鏡的機械運動來進行即時量測，故不適合一次性量測。在SRWLI中[8]，使用具連續光譜的寬帶或白光源，而干涉圖是不同波長的單色干涉圖疊加而成。透過使用光柵或色散棱鏡，可分離出不同波長的干涉圖案，並計算出相位隨波數變化的斜率。由於該技術能夠提供清晰明確的量測結果，且不需像傳統干涉儀一樣進行機械式掃描，所以SRWLI適合用於微結構及複雜形貌的量測。但SRWLI僅適用於小面積量測，且需要高穩定性且高品質的寬帶光源，這也增加了設備成本及提高了維護的難度。在外差干涉術中[9]，將兩道頻率略有不同的光束相互干涉。一束光(參考光束)將位置固定，另一束光(measurement beam, 量測光束)照射在待測表面上，並沿表面掃描，進而量測出物體的表面高度變化。此技術量測精度高且採非接觸量測，故非常適合用於需要高解析度和高精度的表面形貌量測。然而，此技術因為需要待測表面沿掃描軸移動，所以不適合一次性量測。
本文提出了一種用於表面輪廓量測的Fizeau型偏振干涉儀。透過偏振相機，可在一次性拍攝中獲得四個具有相位正交的干涉圖案。透過偏振干涉解相法計算干涉圖像之相位差變化，能夠準確地推算出待測物的表面形貌分布，進而確定待測物體的表面輪廓。我們提出的技術在不需要傳統機械相移的情況下，可獲取相位正交干涉圖像，實現即時表面輪廓量測。
偏振干涉解相術原理
圖1為本次所提出的單拍偏振干涉形貌量測方案的光學配置。為方便計算，我們將Z軸與光傳播方向對齊，Y軸則位於水平面上。雷射光束以相對於X軸0°的線性偏振入射。光束在經過部分反射鏡（Mpr）時被分成兩部分：一束光被反射鏡反射回偏振相機[11]，稱為參考光束（Er）；另一部分透射光束則用於量測，稱為量測光束（Em）。參考光束的偏振狀態會被轉換為水平偏振光。其瓊斯向量可以表示為：

(1)
量測光束將穿透聚合物延遲膜（PRF），並於量測對象（O）處反射回PRF和Mpr。由於量測光束Em經過PRF兩次，其偏振狀態會轉換為垂直偏振光。Em的瓊斯向量可以表示為：

(2)

圖1 基於偏振干涉法的即時表面輪廓量測系統的光學配置