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非接触式表面粗糙度、形状测量仪


非接触式

非接触式是以光线代替接触式触针。包括共焦方式和白色干涉方式等多种不同原理的方式。此外,也有仅将接触式检测器改为光传感器型或显微镜类型等多种形态。在此,以基恩士的形状测量激光显微系统VK-X 系列为例,对共焦方式进行说明。

形状测量激光显微系统是利用共焦原理,对目标物表面凹凸进行测量的显微镜。使用激光光源。系统构成如右图所示,将目标物放置在测量部的XY 载物台上进行测量。


基恩士的形状测量激光显微系统VK-X 系列的测量部内部安装了XY 扫描仪,使用激光光源以X 方向Y 方向对目标物的表面进行扫描,可获取表面的凹凸数据。以下将为您说明原理。


形状测量激光显微系统的测量原理

  1. (1) 从激光光源发出的激光会扫描目标物表面。
  2. (2) 从目标物表面反射的激光会通过半反射镜,进入光接收元件。此时,将存储入光反射的光量和镜头的高度位置。激光显微镜所获取的数据数为X 方向1024 个数据,Y 方向768 个数据,并存储1024 × 768 = 786432 点所有点的反射光量和镜头的高度位置。
  3. (3) 完成一个面的扫描后,接物透镜将以指定的间距向Z 方向移动。
  4. (4) 在移动的面上进行相同的面扫描,以1024 × 768 的点检查激光的反射光量。将各自像素的反射光量与v 存储的反射光量进行比较,如果数值较高,可改写反射光量的数据和镜头的高度位置数据。
  5. (5) 依照指定的Z 距离,反复进行(2) 至(4) 的动作。
  6. (6) 在最终1024 × 768 的各像素中,将会存储各自像素中激光反射最强时的反射光量和镜头的高度位置。
  7. (7) 光学式显微镜对焦于目标物的WD(工作距离:接物透镜与目标物之间的距离)是固定的。如果将反射光量最大时视为对焦(焦点),只要将对焦(焦点)时(即反射光量最大时)的镜头高度位置连接对准,即可获取显微镜观测范围(1024 × 768 像素)的3D 数据。

形状测量激光显微系统的测量精度

利用“对焦(焦点)时反射光量最大”这一共焦原理的显微镜测量精度,会受到正确读取反射光量峰值的能力的较 大影响。构成共焦光学系统的方式有很多。以下说明基恩士的形状测量激光显微系统所采用的“针孔共聚焦方式”。针孔共聚焦方式是在光接收元件的前面设计了针孔。针孔的直径仅为数10μm,其功能是在不对焦时切断反射光。下图的“对焦时”,通常的光学系统和激光共焦点光学系统的反射光均会进入光接收元件。观察“未对焦时”,通常光学系统的反射光(焦点模糊光线)会进入光接收元件,但激光共焦点光学系统的反射光(焦点模糊光线)则会被针孔切断。即只有在对焦时反射光才会进入光接收元件,以此为依据构成共焦光学系统。

如右图所示,使用共焦光学系统和通常的光学系统,对实际入光的反射光量进行模拟。共焦光学系统在焦点位置的反射光量会描绘出峰,但通常的光学系统则会描绘出平稳的曲线。由于焦点位置附近没有明显的峰,因此检测焦点位置非常困难。


激光的XY 方向分辨率

非接触式的光点相当于接触式的触针。由于非接触式与接触式不同,不会直接接触目标物,因此不会有触针磨损或目标物损伤的缺点。但是,为了正确测量目标物的形状,光点直径的大小非常重要。光点直径越大,越只能获取比实际形状更加平滑的数据。
由于激光显微镜使用激光光源,因此可形成非常细微的光点。使用×150(N.A. = 0.95)的接物透镜

时,采用紫激光光源的VK-X250,平面空间分辨率可实现0.13μm 的分辨率。 接触式无法测量的狭小宽度凹凸也可通过激光显微镜进行测量。


非接触式表面粗糙度、形状测量仪的特点

也包含已说明的要点,将非接触式的特点整理如下。

优点 缺点
  • - 不会损伤样品表面
  • - 与接触式比较,可测量细微凹凸
  • - 测量时间短
  • - 可与观测图像同时比较形状(显微镜类型)
  • - 可获取媲美SEM 的高分辨率、超深度图像(彩色3D 激光显微镜)
  • - 测量目标物的大小受限(部分显微镜类型)

测量时间

形状测量激光显微系统扫描一个1024 × 768 的画面大约耗时0.1 秒。获取拥有100 级Z 方向数据的3D 数据所需时间大约为10 秒。若为一条横向线条,则可在大约1.5 秒内获取1000 级的数据。

同时比较观测图像和形状& 获取高分辨率、超深度图像

形状测量激光显微系统可在测量过程中获取激光反射光量信息。(参照激光显微镜测量原理)利用该激光反射光量信息, 可获取目标物表面状态的激光图像。此外,VK-X 系列除了激光用的光接收元件之外,还内置了彩色CCD 相机,因此可获取目标物的颜色信息。由于激光图像的分辨率非常高,且可将对焦部分重叠制作图像,因此可获得媲美扫描电子显微镜(SEM)的观测图像。此外,将该高分辨率的激光图像加上彩色CCD 的颜色信息,便能以彩色画面且所有位置都对焦的图像进行观测。(彩色超深度图像)这是SEM 无法比拟的图像。

测量粗糙度或形状时,仅需在观测画面上指定点,即可进行形状测量,因此具有以下优点。

  • - 可正确指定测量点
  • - 由于可同时确认形状和图像可轻松确认结构

右图为实际的形状测量激光显微系统VK-X 系列粗糙度测量画面的示例。接触式难以在基板的图案上安装触针,但若为激光显微镜时,则可在画面上轻松确认。


支持大型目标物

通常,若为显微镜类型时,只能测量放置在XY 载物台上的目标物。形状测量激光显微系统VK-X 系列拥有可将显微镜分为测量传感头部和基座部两部分的结构。再搭配使用大型目标物专用夹具,就不会存在目标物限制。右图是与FPD 触摸屏用大型载物台组合的示例。




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