掃描白光干涉術(shù)的快速發(fā)展，在制造業(yè)與科研領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，某種程度上成為了高精度表面形貌測(cè)量技術(shù)的標(biāo)桿，尤其在半導(dǎo)體、精密光學(xué)、消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)的牽引下,其測(cè)量功能和性能得到持續(xù)提升。本期美能光子灣將對(duì)掃描白光干涉儀的校準(zhǔn)及誤差補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行展開介紹。

作為一種光學(xué)測(cè)量手段，掃描白光干涉術(shù)先天具有高精度、快速、高數(shù)據(jù)密度和非接觸式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。校準(zhǔn)對(duì)于計(jì)量級(jí)測(cè)量?jī)x器來說非常重要，是實(shí)現(xiàn)量值溯源的基礎(chǔ)。

Part.01

分辨率與噪聲

橫向分辨率被定義為當(dāng)儀器對(duì)表面高度的響應(yīng)下降至50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的測(cè)試板空間周期值。

傳統(tǒng)方法中，橫向分辨率是通過測(cè)量分辨率測(cè)試板來表征的，例如星形測(cè)試板，或啁啾相位光柵，這種具有連續(xù)變化的周期性結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣品。

利用(a)厚度梯度和(b)寬度梯度產(chǎn)生啁啾光柵的方案

軸向分辨率經(jīng)常被錯(cuò)誤地用作表面形貌測(cè)量?jī)x器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，很容易與掃描白光干涉儀的儀器噪聲混淆。如果只關(guān)注物體的外表面，例如100%反射的金屬材料，則軸向上不存在需要分辨的鄰近兩點(diǎn)，此時(shí)軸向分辨率的概念對(duì)于白光干涉測(cè)量基本沒有意義。但在測(cè)量薄膜、涂層或亞表面特征時(shí)，軸向分辨率是表征光學(xué)層析能力的重要指標(biāo)。

相干性對(duì)軸向分辨率的影響。成像系統(tǒng)的參數(shù)為：波長(zhǎng)532nm，孔徑（透鏡）直徑25mm，孔徑（透鏡）到像面距離0.2z m

表面形貌測(cè)量噪聲是一種隨機(jī)誤差，可以通過重復(fù)性測(cè)試來定量表征。通過(多次測(cè)量)平均法或(兩次測(cè)量)相減法可以從樣品表面形貌測(cè)量結(jié)果中分離得到測(cè)量噪聲。噪聲密度也是評(píng)價(jià)儀器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它能夠體現(xiàn)表面形貌不相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量及測(cè)量耗時(shí)對(duì)測(cè)量精度的影響，同時(shí)關(guān)注掃描白光干涉儀的噪聲和噪聲密度有利于更全面地了解儀器測(cè)量能力。

儀器噪聲是指最佳測(cè)量條件下的測(cè)量噪聲。通常掃描白光干涉術(shù)的儀器噪聲是通過測(cè)量一個(gè)垂直于光軸放置的光學(xué)平面來評(píng)估的。相機(jī)散粒噪聲是導(dǎo)致儀器噪聲的一個(gè)主要因素，與干涉圖像數(shù)據(jù)采集總時(shí)間呈現(xiàn)平方根關(guān)系。通過對(duì)多次測(cè)量結(jié)果取平均值，或增加干涉信號(hào)采樣頻率，都可以降低儀器噪聲。

Part.02

線性度和放大系數(shù)

臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)件常用于校準(zhǔn)掃描白光干涉儀軸向放大系數(shù)和線性度。為了對(duì)整個(gè)縱向測(cè)量范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，需要將同一臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)件放置在不同縱向位置進(jìn)行測(cè)量。

基于三維計(jì)量的臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)

Part.03

橫向畸變

橫向畸變存在于幾乎所有光學(xué)成像系統(tǒng)中，在表面形貌測(cè)量中，橫向畸變會(huì)導(dǎo)致與視場(chǎng)位置有函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)測(cè)量橫向畸變的方法是通過測(cè)量二維柵格標(biāo)準(zhǔn)件來實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)也稱為空間像法，但這種方法的校準(zhǔn)精度受到標(biāo)準(zhǔn)件制造精度的限制?；?strong>自校準(zhǔn)技術(shù)的橫向畸變校正方法不受限于標(biāo)準(zhǔn)件精度，利用剛性標(biāo)準(zhǔn)件幾何形狀不變的特性,通過在多個(gè)位姿(通常是平移和旋轉(zhuǎn))測(cè)量該標(biāo)準(zhǔn)件，使用迭代優(yōu)化和最小二乘法等數(shù)學(xué)方法分離標(biāo)準(zhǔn)件誤差與儀器橫向畸變。自校準(zhǔn)技術(shù)結(jié)合圖像相關(guān)算法后，可通過測(cè)量帶有隨機(jī)表面特征的平面，實(shí)現(xiàn)掃描白光干涉儀的橫向畸變校正。

基于圖像相關(guān)點(diǎn)計(jì)算和自校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)任意表面進(jìn)行納米級(jí)精密度的橫向畸變測(cè)量

Part.04

光學(xué)像差

光學(xué)像差，例如球差和色差，以及其他高階像差，會(huì)降低掃描白光干涉測(cè)量的精度。此外，離焦也會(huì)顯著影響白光干涉儀的傳遞函數(shù)，降低空間帶寬和分辨率。

在掃描白光干涉測(cè)量中，通常是采用數(shù)字信號(hào)后處理方法來調(diào)整表面形貌測(cè)量結(jié)果，降低像差導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

球差和色差的區(qū)別

Part.05

多種材料

在干涉儀這種測(cè)量相位的儀器中，光在材料表面反射時(shí)產(chǎn)生的相位變化取決于材料的光學(xué)特性。相位變化會(huì)引發(fā)掃描白光干涉術(shù)中10nm到100nm量級(jí)的高度測(cè)量誤差。這種誤差可通過測(cè)量材料的光學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)償。如果已知不同材料在可見光波段的折射率信息，可以使用基于模型的掃描白光干涉術(shù)校正由于反射相位變化導(dǎo)致的表面形貌誤差。

Part.06

高斜率表面

人造功能型表面常在宏觀和微觀尺度上具有不同的傾斜角。對(duì)于類似鏡面的表面來說，最大可測(cè)傾斜角為[90°-arcsin(NA)]，被稱為NA圓錐極限，具有更大傾斜角的鏡面基本不可測(cè)?，F(xiàn)實(shí)中許多表面具有微觀紋理，在被照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射。通過捕獲背向散射光，掃描白光干涉術(shù)可測(cè)量?jī)A斜角度超過NA圓錐極限的表面。

Photonx Bay

美能光子灣白光干涉輪廓儀

美能光子灣白光干涉輪廓儀可以簡(jiǎn)單快速地非接觸測(cè)量從粗糙到超光滑，包括薄膜、陡坡和大臺(tái)階等各種表面的2D和3D特征。針對(duì)各行業(yè)高精度，高可靠性及重復(fù)性計(jì)量需求，提供計(jì)量解決方案。

通過對(duì)校準(zhǔn)、誤差補(bǔ)償技術(shù)的深入理解和應(yīng)用，我們能夠確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，滿足各行業(yè)對(duì)精密測(cè)量的嚴(yán)格要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，掃描白光干涉術(shù)將繼續(xù)在高精度測(cè)量領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。美能光子灣白光干涉輪廓儀以其卓越的性能和精確的測(cè)量能力，可為各行業(yè)提供了強(qiáng)有力的計(jì)量解決方案。

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