初大平教授:更佳的3D表面测量技术,“大视场、大高差、异质材料、高精度”
发布时间:2021-08-09浏览量:255

众所周知,精密仪器构件的表面形貌对其性能影响重大,当下,纳米级精度的3D表面轮廓测量在工业制造业等众多领域存在广泛需求。近日,剑桥南京中心CEO及学术主任,中心 “应用于3D表面分析的全息干涉仪”项目(下简称“全息干涉仪”项目)首席研究员初大平教授接受了中心采访,他从高精度3D表面测量的行业瓶颈出发,系统阐释了在研项目的解决方案、技术和工程优势及发展前景。


在科学研究和应用转化一线活跃将近四十年的初教授,拥有十分广泛的研究背景。物理学科出身的他,博士毕业后先后从事非挥发性铁电、薄膜晶体管、生物传感器等半导体器件,液晶、有机发光等显示器件,喷墨打印、增材制造、互补晶体管3D 打印构造等印刷电子方面的应用研究,科研履历完整,覆盖从材料到器件再到产品化的全过程。



近十年来,初教授将科研兴趣汇聚在光全息研究以及相关领域。光全息研究范围广泛,他的研究不仅涵盖光源本身、空间光调制器,还利用光全息研究重新构造头戴式/车载/裸眼3D等相关显示系统。此外,他的研究领域还涉足全光网领域,研发波长复用等全光网中最为关键的光开关器件,凭借核心技术,由他指导的相关衍生公司已成功被收购,顺利完成商业化步入下一阶段的产品开发。


现初大平教授任职剑桥大学终身讲席教授、先进光电子中心主任以及光子器件与传感器中心主任,本次专访围绕的中心项目“应用于3D表面分析的全息干涉仪”,就隶属于初教授近年来所专注的光全息和空间光调制器研究领域,项目致力于实现高精度的3D表面测量。


纳米级精度3D表面分析的诸多瓶颈


谈及项目科研初衷,初教授表示,伴随加工精度提高,以半导体材料为代表的精密器件构造的精度要求,已经从常规测量下的毫米级,到机械测量下的微米级,如今已至纳米量级,“相应地,探求相对便捷、高效、低成本的精密表面测量手段也愈加迫切”。


初教授介绍到,当前纳米级精度的表面形貌测量方法,主要分为接触式与非接触式两类,他对现有主流方法的优劣与短板均进行系统剖析。


接触式手段以探针式表面高度测量、原子力显微镜的纳米级/亚纳米级精度测量为主,该方法虽在常规条件下即可操作,但也有明显缺陷:一方面,探针的接触,无法避免地会对样品表面产生影响和损害;另一方面,纳米级精度使用的探针极细,单次测量范围狭小,进而探针在样品表面机械扫描的面积受限,通过逐行扫描拼接出二维的3D高度图,操作费时,且扫描速度与表面的关系会产生一系列人为误差,故而探针法对较大面积大视角的高精度测量存在瓶颈。


非接触式手段中,扫描电镜虽然可以运用电子束观察到样品的表面形貌,但无法测出样品表面起伏的确切数值,难以直接进行定量测量;

传统光学干涉测量仪,运用相干光束在表面反射获得干涉条纹,根据光程差换算相位差,也可测算出样品表面的纳米级形貌变化,但初教授指出,该非接触式方法同样存在如下弊端:


第一,所运用的聚焦光束单次只能测量表面一个狭小的光点,视场有限,同探针法和扫描电镜一样,不便于进行大面积表面测量,制约采样速度,限制对大样品表面的快速测量,而且测量高度上限通常只能达到几百微米;第二,光程差信息由两部分组成,一部分反映样品表面高低起伏的形貌,另一部分反映光学镜头等光学系统构件的不平整度所带来的相差,后者属于干扰信息,如何在高精度下将两部分予以区别,并对后者进行校正和消除,亦是光学干涉仪面临的重大技术挑战。


核心聚焦:实现大视场、大高差、异质材料的3D表面分析


如何实现精度更高、测量更快、视场更大的非接触式3D表面分析?针对上述传统光学干涉测量仪的痛点,由初教授所主持的“全息干涉仪”项目给出了解决思路。


“该项目在传统光学干涉仪中引入了全息法和纯相位LCOS(硅基液晶)空间光调制器,来综合解决低效和低精度的难题”,初大平教授解释到,其一,使用全息法,能同时产生成千上万万个光点,可运用光束扫描实现厘米、分米乃至更大视场下的多点并行测量,采样速度较之单点扫描的方式大为提升;其二, LCOS空间光调制器高度可调,可逐点校正系统相差,实现空间光调制器相差部分的精确标定,所测量的干涉条纹信息,可补偿中间的光学器件硬件不平整带来的相差,缩小测量误差,这是通常的测量手段难以实现的。


“能够解决干涉条纹周期性带来的误差,精准地测量异质材料样品表面,是该项目的两大技术贡献”,初教授进一步阐释到,“这两个一直以来是干涉仪测量的棘手难题”。


就干涉条纹的周期性问题而言,相位干涉中最关键的要素是相位差,光程差改变一个波长,带来的相位差是2π,如果测量物体表面高度差超过一个波长,鉴于干涉条纹的周期性,会导致干涉条纹重复出现。换句话说,面对纵向测量范围超过波长量级的大高差表面形貌,除了要将样品表面与不平整光学构件带来的相差区别开来,还要将重复的干涉条纹和产生它的光程差一一对应,实现整体干涉条纹的无缝拼接与推演。项目率先引入空间光调制器,有望突破大高差的高精度表面分析束缚。


就样品表面材料的异质问题而言,同质材料的样品具备同一反射率,反射强度和相位延迟保持一致,意味着相位差主要源于表面的高差变量,故高精度测量难度相对较低;但测量异质材料的表面时,不同部分使用不同材料、不同材料拥有不同反射率,相位差既来自表面高差,也来自表面材料的差异(如半导体器件的表面会同时使用半导体、介电质、金属等数种材料,又如细胞表面的异质构造),制约测量精度。目前主流测量方法对此不予区分,较少考虑材料对相位差的影响。项目率先利用空间光调制器,可探索异质样品表面的高精度测量。


加强产业化:项目应用前景与产业链条


基于可实现大视角的、大高差的、异质材料的高精度3D表面测量的技术优势,“全息干涉仪”项目应用前景相当广阔。从宏观尺度下,实现如大型天文望远镜光学镜头在数米范围下的高精度测量;到中观尺度下,应用于如精密车床转动轴、发动机部件、调节仪器等精密仪器的加工;再到微观尺度下,实现如集成电路、MEMS设备、微纳器件超材料结构高度的刻蚀、生物医学细胞检测等,该项目都存在应用空间。


同时,该项目的工程制造优势也相当显著。项目采用不同于以往干涉仪的核心器件装置,而将LCOS设备集成到干涉仪中,采用全息法以数字化方式将干涉条纹的信息融合到全息图中,用数字光学的方式来代替传统固定化的模拟光学,大大缓解了传统干涉仪产业对高精度光学镜头、昂贵压电驱动器件的依赖,降低了仪器重量和成本。“鉴于核心器件的差异,意味着全息干涉仪项目需要搭建不同于传统干涉仪的上下游产业链条,这可与现有的干涉仪产业形成互补效应”,初教授进一步表示。



从上游的技术研发而言,初教授团队突破LCOS器件以往多用于投影光强显示的局限,在剑桥大学,团队拥有涵盖空间光调制器开发、超净组装、操作以及全息图高速生成全流程的完整实验设备线,积累多年丰富经验,已开发出整套的相位调节技术,实现了两π相位间6/8/10 Bit的相差测量,团队的LCOS产品组装工艺处于世界领先水平,并已成立创新公司为行业头部企业提供相关服务;在南京,该项目Co-PI剑桥大学博士后邓远博和本地合作专家东南大学教授杨海宁在光学测量架构方面均拥有成熟的工程化经验。目前已获批一项“一种全息干涉仪的全自动相位误差修正方法与系统”技术发明专利。



从下游的技术成果转化而言,高度匹配的产业集群相当重要。在国内工业4.0迅猛发展的背景下,“应用于3D表面分析的全息干涉仪”项目落地南京江北新区,与江北新区聚焦打造“芯片之城”、“基因之城”的愿景不谋而合。初教授表示,新区不仅集聚了包括台积电等在内的大量优秀半导体企业,还形成了包括生物医药谷等在内健康医疗产业集群,这为项目在区域内开展精密器件加工和细胞级别生物检测等潜在合作创造契机,为产业化的协同创新提供机遇。


“科研要以应用为导向,要把技术用起来”,初教授最后强调到,“技术用起来最好标志是产品化、有市场,能够让用户受益于新技术”。聚焦项目的产业化执行路径,他表示,项目计划以开发第一代工程样机为抓手,开发出“标准全息干涉仪”为产业化的初始范本,将形成的平台化技术进行验证演示,启动创新公司或进行技术转让,以一至两项细分需求为突破口,围绕具体应用领域开发相应的检测仪器、延伸出不同系列的测量产品,不断根据市场需求进行产品的迭代优化,从而为不同的场景提供极致的测量效果。