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白光干涉仪在测量中的常见问题及解决方式0 引 言 白光干涉仪是一款对精密器件及材料表面进行 微纳米测量的检测仪器，广泛应用于半导体制造及 封装工艺检测、3C 玻璃屏及其精密配件、光学加工、 微纳材料及制造、MEMS 器件等超精密加工等领域 中各类微纳米台阶高度、微观表面形貌以及表面粗 糙度测量。由于实际测量过程中，外部环境不理想、 仪器参数设置不合理等问题会影响测量结果准确 性。因此，笔者针对长期使用中发现的一些共性问 题，提出相应的建议。 1 白光干涉仪工作原理 白光干涉仪是以白光干涉技术为原理，对器件 表面进行非接触式扫描并建立表面 3D 图像，从而 实现器件表面微观形貌测量的光学检测仪器。操作 人员将被测物件放置于载物台上，通过测量软件调节定位扫描位置后，进行扫描，并实时获取图像; 扫 描完成后，分析软件自动重建 3D 图像，操作者可在 分析软件界面对图像进行校平、滤波、提取区域等处 理后，通过各种分析工具进行距离、台阶高、表面轮 廓及表面粗糙度等参数的测量分析。 2 白光干涉仪测量结果不准确的原因分析及解决 措施 2. 1 外部环境 由于白光干涉仪为微纳米级测量，外部环境 ( 如灰尘、震动、噪声和环境气流等) 对测量结果均 会产生显著影响，如灰尘进入光路系统会影响成像; 震动和过大的噪音会直接影响 3D 图像的重建，造 成测量重复性低、准确度差。因此，测量时应在恒温 恒湿的环境内，放置于独立地基或其他隔振平台上，且 测量前应先进行环境噪声评价，确保室内噪声≤70dB。 此外，由于质量较轻的薄片类被测件的测量对 环境气流较为敏感，测量时应尽量减少气流的影响。 因此在实际使用中，可在测量前观察 Z 轴示值变 动，差值≤3nm，则表明外部环境良好，可开展测量 工作。 2. 2 被测件表面反射率低或斜率过大 白光干涉技术是指光路通过干涉物镜后，分为 参考光和测量光。其中测量光是经被测样品表面反 射后，与参考光发生干涉，将带有被测件表面信息的 干涉图像用面阵相机连续采集，再用分析软件重建 3D 图像。若被测件表面反射率较低或斜率较大，则 部分区域会因为光亮度不足而丢失数据，并反映至 3D 图像上，即会产生一些扫描不到的孔洞区域。 当孔洞位于非测量区域时，可通过软件进行孔 洞填充，即根据孔洞区域邻近的曲线计算填充曲线， 使填充后的曲线与原始曲线光滑过度; 当孔洞位于 测量区域时，孔洞填充可能会使 3D 图像失真，造成 测量结果不准确。因此，可通过适当提高光源亮度 或调整载物台角度，使被测件表面尽可能与光路垂 直，再进行测量。 2. 3 仪器参数设置不当 白光干涉仪扫描前，需根据被测件表面质量设 置光源亮度、图像像素等。扫描完成后，将重建的 3D 图像通过分析软件进行摆正、滤波、提取区域等 处理，使用分析工具进行台阶高、表面轮廓及表面粗 糙度等参数的测量分析。 仪器参数设置不当会对结果造成很大影响，如: ( 1) 若光源亮度较低，则会使 3D 图像产生丢失 数据的孔洞; 若光源亮度较大，则会出现过曝，使 3D 图像噪点增加。( 2) 若图像像素设置较低，则会降 低测量精度; 若图像像素设置较高，则会降低处理速 度。因此，建议只对表面质量较好、测量行程较短的 被测件适当提高图像像素。 测量分析前，一般需对 3D 图像进行校平处理， 其中，最小二乘法适用于表面纹理不规则的被测件 的轮廓校平; 最小区域法适用于几何轮廓的校平。 对 3D 图像进行空间滤波时，由于不同滤波参数及 函数测量结果差异显著，因此，需根据相应的规程规范或国家标准选择。当 3D 视图中测量区域有些许 噪点时，可通过修描等，将其平滑或去除，但需注意: 当处理阈值参数设置越大，去除的噪声点数越多时， 图像越失真。 2. 4 设备未定期维护 为保证测量精度，白光干涉仪长时间使用后，需 用硅晶片和台阶高标准样块分别进行波长校准和 Z 向校准。但实际使用时，操作人员往往会忽略该操 作，从而造成测量结果不准确。 由于白光干涉仪属于高精密测量仪器，对环境 要求较高，因此在使用过程中，建议操作人员定期对 仪器进行以下操作: ( 1) 检测视场照明均匀度，保证光路清晰，无灰 尘等异物进入; ( 2) 检查条纹面与成像面是否共面，保证干涉 物镜中光学镜片无松动、未发生位移; ( 3) 使用经过溯源的台阶高度标准样块进行校 准，保证测量结果准确可靠。 3 结束语 外部环境不满足仪器使用要求，被测件表面反 射率较低或斜率较大、仪器参数设置不恰当或设备 维护不当等，都会影响白光干涉仪的测量结果。因 此，操作人员应定期对仪器进行检查、校准和维护， 在保证外部环境满足仪器使用要求的情况下，通过 合理的被测件摆放，恰当的仪器参数设置后再进行 测量分析，进一步提高测量结果的准确性。 |
