白色光スキャナ

白色光スキャナ( WLS )は、スペクトル的に広帯域な「白色光」照明によるコヒーレンス走査干渉法( CSI ) を使用して、物体の表面高さを測定する装置です。走査干渉計のさまざまな構成を使用して、センチメートル範囲の表面プロファイルを測定するマクロ物体から、マイクロメートル範囲の表面プロファイルを測定するミクロ物体まで測定できます。大規模な非干渉測定システムについては、構造化光 3D スキャナを参照してください。

説明

垂直走査干渉計は、白色光の低コヒーレンス性を利用する低コヒーレンス干渉計の一例です。干渉計のパス長遅延が光源のコヒーレンス時間内に一致する場合にのみ干渉が実現されます。VSI は、干渉縞の形状ではなく、干渉縞のコントラストを監視します。

図 2 は、マクロな物体の白色光スキャン用にセットアップされたTwyman-Green 干渉計を示しています。試験片からの光は、参照ミラーから反射された光と混合され、干渉パターンを形成します。干渉縞は、光路長の差が光源のコヒーレンス長の半分未満 (通常はマイクロメートル単位) の場合にのみ CCD 画像に現れます。干渉信号 (コレログラム) は、試験片または参照ミラーのいずれかがスキャンされるときに記録され、分析されます。試験片の表面上の特定の点の焦点位置は、干渉縞のコントラストが最大になる点 (つまり、コレログラムの変調が最大になる点) に対応します。

図 3 は、対物レンズにミラウ干渉計を使用した白色光干渉顕微鏡を示しています。白色光で使用される他の干渉計には、マイケルソン干渉計 (ミラウ対物レンズの参照ミラーが開口部を遮りすぎる低倍率対物レンズ用) やリンニク干渉計(作動距離が制限された高倍率対物レンズ用) などがあります。^[1]対物レンズ (またはサンプル) をサンプルの高さ全体にわたって垂直に移動し、各ピクセルで最大の干渉縞コントラストの位置を見つけます。^[2]^[3]

低コヒーレンス干渉法の主な利点は、コヒーレント干渉法の 2 π のあいまいさの影響を受けないシステムを設計できることです。^[4]^[5]^[6]また、図 1 に示すように、180 μm × 140 μm × 10 μm の体積をスキャンしており、段差や粗い表面のプロファイリングに適しています。システムの軸方向の分解能は光源のコヒーレンス長によって決まり、通常はマイクロメートルの範囲です。^[7]^[8]^[9]産業用途には、インプロセス表面計測、粗さ測定、手の届きにくい場所や過酷な環境での 3D 表面計測、高アスペクト比の特徴 (溝、チャネル、穴) を持つ表面のプロファイロメトリー、および膜厚測定 (半導体および光学産業など) が含まれます。^[10]

テクニカル

白色光干渉計スキャン (WLS) システムは、垂直軸に沿った一連の位置で強度データを取得し、白色光干渉縞の形状、干渉縞の局所的な位相、または形状と位相の両方の組み合わせを使用して表面の位置を決定します。白色光干渉縞は、実際には複数の波長によって生成された縞の重ね合わせで構成されており、スキャン位置の関数としてピーク縞コントラストを取得します。つまり、物体光の赤い部分は参照光の赤い部分と干渉し、青い部分は青い部分と干渉します。WLS システムでは、画像干渉計が垂直にスキャンされ、光路差が変化します。このプロセス中に、機器の視野内の各ピクセルに一連の干渉パターンが形成されます。これにより、干渉関数が生成され、干渉は光路差の関数として変化します。データはデジタル形式で保存され、システムの製造元に応じて、周波数空間へのフーリエ変換、相互相関法、空間領域での分析など、さまざまな方法で処理されます。

フーリエ変換を使用する場合、元の強度データは、波数の関数として干渉位相で表されます。波数 k は、空間周波数領域における波長の表現で、k = 2π/λ で定義されます。位相を波数に対してプロットすると、関数の傾きは、群速度光路差 D _Gの相対的な変化、つまり D _h = D _G /2n _Gに対応します。ここで、n _{G は}群速度屈折率です。この計算をピクセルごとに実行すると、データから 3 次元の表面高さマップが作成されます。

実際の測定プロセスでは、精密機械ステージまたは圧電ポジショナーを使用して対物レンズを垂直にスキャンすることにより、光路差が徐々に増加します。干渉データは、スキャンの各ステップでキャプチャされます。実際には、干渉図は、検出器アレイの各ピクセルの垂直位置の関数としてキャプチャされます。長いスキャンで取得された大量のデータをふるいにかけるために、さまざまな手法を使用できます。ほとんどの方法では、十分な信号対雑音比を示さない生データを機器が拒否できます。光路差の関数としての強度データは処理され、サンプルの高さ情報に変換されます。

参考文献

^ Schmit, J.; Creath, K.; Wyant, JC ( 2007). 「表面プロファイラ、多重波長、および白色光干渉法」。光学ショップテスト。p. 667。doi :10.1002/ 9780470135976.ch15。ISBN 9780470135976。
^ Harasaki, A.; Schmit, J.; Wyant, JC (2000). 「改良型垂直走査干渉計」(PDF) .応用光学. 39 (13): 2107–2115. Bibcode :2000ApOpt..39.2107H. doi :10.1364/AO.39.002107. hdl : 10150/289148 . PMID 18345114. 2012年5月21日閲覧。
^ 「HDVSI - Veeco Instruments 社によるナノテクノロジー研究のための高解像度垂直走査干渉計の導入」 Veeco . 2012 年5 月 21 日閲覧。
^ Plucinski, J.; Hypszer, R.; Wierzba, P.; Strakowski, M.; Jedrzejewska-Szczerska, M.; Maciejewski, M.; Kosmowski, BB (2008). 「選択された技術アプリケーションのための光低コヒーレンス干渉計」(PDF) .ポーランド科学アカデミー紀要. 56 (2): 155–172 . 2012年4月8日閲覧。
^ Yang, C.-H.; Wax, A; Dasari, RR; Feld, MS (2002). 「新しい位相交差低コヒーレンス干渉計によるサブナノメートル精度の 2π 曖昧さのない光学距離測定」(PDF) . Optics Letters . 27 (2): 77–79. Bibcode :2002OptL...27...77Y. doi :10.1364/OL.27.000077. PMID 18007717. S2CID 9524638.
^ Hitzenberger, CK; Sticker, M.; Leitgeb, R.; Fercher, AF (2001). 「2π の曖昧さのない低コヒーレンス干渉法における微分位相測定」. Optics Letters . 26 (23): 1864–1866. Bibcode :2001OptL...26.1864H. doi :10.1364/ol.26.001864. PMID 18059719.
^ Wojtek J. Walecki、Kevin Lai、Vitalj Souchkov、Phuc Van、SH Lau、Ann Koo Physica Status Solidi C Volume 2、Issue 3、Pages984 - 989
^ WJ Walecki 他「研削およびダイシングテープ上にマウントされた極薄パターン化ウェーハの非接触高速ウェーハ計測」電子製造技術シンポジウム、2004 年。IEEE/CPMT/SEMI 第 29 回国際会議、巻、号、2004 年 7 月 14 ～ 16 日、ページ: 323 - 325
^ 「サービス」。www.zebraoptical.com。
^ 「計測アプリケーション：表面粗さ測定、厚さ、体積損失」www.novacam.com。

外部リンク

W. Bauer、「大規模な測定体積のためのコヒーレンス走査干渉計の特殊特性」Journal of Physics: Conference Series Volume 311 Number 1、012030: doi :10.1088/1742-6596/311/1/012030
ジェームズ・C・ワイアント
WJ Walecki、F. Szondy、MM Hilali「太陽電池製造における応力計算を可能にする高速インライン表面トポグラフィー計測、スループットは 1 時間あたり 2000 枚以上」2008 Meas. Sci. Technol. 19 025302 (6pp) doi :10.1088/0957-0233/19/2/025302

[Schmit2006-1] ^ Schmit, J.; Creath, K.; Wyant, JC ( 2007). 「表面プロファイラ、多重波長、および白色光干渉法」。光学ショップテスト。p. 667。doi :10.1002/ 9780470135976.ch15。ISBN 9780470135976。

[Harasaki2000-2] Harasaki, A.; Schmit, J.; Wyant, JC (2000). 「改良型垂直走査干渉計」(PDF) .応用光学. 39 (13): 2107–2115. Bibcode :2000ApOpt..39.2107H. doi :10.1364/AO.39.002107. hdl : 10150/289148 . PMID 18345114. 2012年5月21日閲覧。

[Veeco-3] 「HDVSI - Veeco Instruments 社によるナノテクノロジー研究のための高解像度垂直走査干渉計の導入」 Veeco . 2012 年5 月 21 日閲覧。

[Pluciński2008-4] Plucinski, J.; Hypszer, R.; Wierzba, P.; Strakowski, M.; Jedrzejewska-Szczerska, M.; Maciejewski, M.; Kosmowski, BB (2008). 「選択された技術アプリケーションのための光低コヒーレンス干渉計」(PDF) .ポーランド科学アカデミー紀要. 56 (2): 155–172 . 2012年4月8日閲覧。

[Yang2002-5] Yang, C.-H.; Wax, A; Dasari, RR; Feld, MS (2002). 「新しい位相交差低コヒーレンス干渉計によるサブナノメートル精度の 2π 曖昧さのない光学距離測定」(PDF) . Optics Letters . 27 (2): 77–79. Bibcode :2002OptL...27...77Y. doi :10.1364/OL.27.000077. PMID 18007717. S2CID 9524638.

[Hitzenberger2001-6] Hitzenberger, CK; Sticker, M.; Leitgeb, R.; Fercher, AF (2001). 「2π の曖昧さのない低コヒーレンス干渉法における微分位相測定」. Optics Letters . 26 (23): 1864–1866. Bibcode :2001OptL...26.1864H. doi :10.1364/ol.26.001864. PMID 18059719.

[7] Wojtek J. Walecki、Kevin Lai、Vitalj Souchkov、Phuc Van、SH Lau、Ann Koo Physica Status Solidi C Volume 2、Issue 3、Pages984 - 989

[8] WJ Walecki 他「研削およびダイシングテープ上にマウントされた極薄パターン化ウェーハの非接触高速ウェーハ計測」電子製造技術シンポジウム、2004 年。IEEE/CPMT/SEMI 第 29 回国際会議、巻、号、2004 年 7 月 14 ～ 16 日、ページ: 323 - 325

[9] 「サービス」。www.zebraoptical.com。

[10] 「計測アプリケーション：表面粗さ測定、厚さ、体積損失」www.novacam.com。