3.3　基于一阶互相关的飞行时间三维形貌测量

基于一阶互相关的飞行时间测距与非平衡式干涉仪的“杠杆”效应，韩国科学技术院的S.W.Kim课题组实现了高速、高精度的三维形貌测量，并展示了这项技术在微电子器件的大台阶结构测量中的应用[18]。

图3-9（a）给出了测量的装置。该装置以一台中心波长为1 560 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率为100 MHz，平均功率为280 mW的掺铒光纤飞秒激光振荡器作为测量光源。脉冲被分为两束，入射至非平衡式干涉仪中。参考光路由一段单模光纤与色散补偿光纤构成。利用一块周期极化铌酸锂（PPLN）将参考光倍频至780 nm，从而使得干涉条纹能够被工作在可见光—近红外波段的数码相机拍摄。测量光同样经过PPLN倍频后，照射至待测样品，样品的回波与参考光合束后，由高速COMS相机（MV-D752-160-CL-8，PhotonFocus）接收。课题组设计了扩束系统，使激光均匀地照射至样品表面，从而通过单次曝光实现完整的样品形貌成像。

该课题组设计了三种激光器的重复频率的扫描机制，分别通过电光调制器（EOM）、安装激光器端镜的压电陶瓷晶体、微位移步进电机平移台调节腔长，从而达到连续调谐重复频率的目的。EOM的调谐量程为1.2 μm，速度为1 m/s；压电陶瓷晶体的调谐量程为18 μm，速度为9 mm/s；微位移步进电机平移台的调谐量程为50 mm，速度为30 μm/s。调谐的过程始终参考至铷原子钟，保证重复频率调谐的准确性。

图3-9　基于一阶互相关的飞秒激光频率梳三维形貌测量装置及测量原理[18]

扫描飞秒激光器的重复频率与在干涉仪的参考臂引入机械延迟线是等效的，其作用均为调整干涉仪两臂的光程差（Optical Path Difference，OPD），如图3-9（b）所示。扫描重复频率的优势在于OPD的调谐速度更快。而且，根据式（3-4）所示的非平衡式干涉仪的“杠杆”效应，对于一定的的重复频率调谐范围，臂长差增大（m值增大），则等效于产生谐振腔长改变量的m倍的OPD，即获得了更大的测距量程。图3-9（b）还仿真了m=5和m=10时，CMOS相机的一个像素点获取的一阶互相关信号的波形，横轴为飞秒激光器的重复频率，纵轴为干涉信号的光强，m=10对应的扫描量程比m=5时大两倍。干涉信号的峰值处，两臂脉冲恰好重合，该重复频率对应的腔长的整数倍恰好为干涉仪的两臂的光程差。考虑到待测样品的不同位置的高度不同，因此CMOS相机的其他像素点得到的干涉信号的峰值对应不同的重复频率，考虑到，则可以反演得到待测物表面的不同位置的相对高度，从而得到待测物的表面形貌。

实验中，参考臂光纤的总长度为186.45 m，对应的OPD放大系数m=100。在不同的腔长调整结构下的OPD扫描范围（速度）为：EOM为120 μm（100 m/s）；压电陶瓷晶体为1.8 mm（0.9 m/s）；微位移步进电机平移台为5 m（3 mm/s）。利用EOM、压电陶瓷晶体作为腔长调整结构，可以满足微电子制造、平板显示器制造中的高速、精密测量需求，如具有大台阶结构的复杂面型测量等。而利用微位移步进电机平移台作为腔长调整结构，则能够直接测量标准量块的高度。通过将重复频率锁相至铷原子钟，测距精度可以直接溯源至时间−频率基准。

脉冲宽度越窄，干涉信号的宽度越就窄，则干涉信号的峰值位置的提取精度也就越高，从而有效地提高距离测量精度。相似的测量原理广泛应用于光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT），飞秒激光相当于OCT技术中的低相干光源（飞秒激光的脉冲宽度窄，光谱宽，因此相干时间很短）。但是，与传统意义的低相干光源（如白光光源、超荧光光源）相比，飞秒激光的空间相干性很好，这使得利用飞秒激光进行形貌测量能够获得扩展的横向视场角（Field of View，FOV）。

利用EOM作为重复频率调节结构，开展形貌测量的实验。设定重复频率扫描范围是99.380 000 00～99.380 020 00 MHz，以0.02 Hz（30 nm腔长变化）重频调谐的步长测量了高度为1.13 μm的台阶结构。15次重复测量的重复性为10.3 nm（1−σ）。EOM的扫描速度接近1 MHz，这里主要受限于电子放大器的带宽，然而，扫描速度已经远高于任何机械扫描方式。得益于飞秒激光源的良好空间相干性，最大的横向视场角的直径达到14.5 mm，而未出现明显的波前失真。最大的容积测量速率（Volume Measurement Rate）达到24 000 mm3/s，比传统的低相干干涉仪（0.35 mm3/s）提高了约70 000倍。