(高清版)GBT 33523.604-2022 产品几何技术规范（GPS） 表面结构 区域法 第604部分：非接触（相干扫描干涉）式仪器的标称特性

国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I IV 1 1 13.1与区域表面结构测量方法相关的术语和定义 13.2与X,Y轴扫描系统相关的 53.3与光学系统有关的术语和定义 7 83.5相干扫描干涉测量显微的专用术语和定义 94影响量的描述 4.2影响量 附录A(资料性)相干扫描干涉(CSI)显微镜的概述和组件 附录B(资料性)相干扫描干涉工作原理 附录C(资料性)空间分辨力 24附录D(资料性)表面形貌测量重复性评估过程示例 29 Ⅲ GB/T33523拟由14个部分构成。 文件格式x3p。 1产品几何技术规范(GPS)表面结构区域法第604部分：非接触(相干扫描干涉)式本文件规定了用于表面高度三维映射的相干扫描干涉(迹平面内且垂直于(x,y)平面(见图1)。2GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013测量回路measurementloop见图1。实际存在并将整个工件与周围介质分开的要素集。3GB/T33523.604—2022/ISO251响应曲线responsecurveF_,F,,F.描述实际量与测得量关系的函数。放大倍数amplificationcoefficient从响应曲线(3.1.7)得到的线性回归曲线的斜率。[来源：GB/T33523.601—2017,3.4.3,有修改]仪器噪声instrumentnoiseN₁当仪器处于一个理想的无噪声环境中时，叠加在输出信号上的内部噪声。测量噪声measurementnoiseNM仪器正常使用过程中附加于输出信号的噪声。表面形貌重复性surfacetopographyrepeatability在相同测量条件下连续测量同一表面形貌的重复性。X方向采样间距samplingintervalinXD沿X坐标轴两个相邻测量点之间的距离。4GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013Y方向采样间距samplingintervalinYD,沿Y坐标轴两个相邻测量点之间的距离。D.在提取表面上，沿Z坐标方向两个坐标点之间的最小高度变化量。横向分辨力lateralresolution两个可检测要素之间的最小距离。[来源：GB/T33523.601全高度转换的极限宽度widthlimitforfullheighttransmission测量时能够保证测量高度不变的最窄矩形沟槽的宽度。[来源：GB/T33523.601—2017,3.4.11,有修改]横向周期限lateralperiodlimit仪器的高度响应降至50%时正弦轮廓的空间周期。最大局部斜率maximumlocalslope可以被探测系统评定的表面特征的最大局部斜率。frrp空间频率的函数，描述表面形貌测量仪器对具有特定空间频率的物体表面形貌的响应。5定义潜在误差取向ax,αy,α.导出放大倍数的曲线与响应曲线之间的最大局部差异区域基准的平面度ZZZ产生基准表面的仪器组成部分，在这个基准表面上，探测系统沿理论正确轨迹相对于被测表面在(x,y)平面上对被测表面实施扫描的系统。6探测系统了弧形误差校正C₂=沿X轴移动的部件Y向驱动单元driveunitYNsNp7GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:20133.3与光学系统有关的术语和定义光源lightsource在特定光谱范围内发射适当波长的光的光学装置。光学测量带宽measurementopticalbandwidth用于表面测量的光的波长范围。测量光波长measurementopticalwavelength用于表面测量的光波长有效值。从被测表面上某一点进入光学系统的光锥的角度。α孔径角的一半。图2孔径半角数值孔径numericalaperture8孔径半角的正弦乘以周围介质的折射率n(An=nsina)。瑞利准则Rayleighcriterion表征光学系统空间分辨力的量，定义为两个点源在满足一个点源的像的一极衍射极小值与另一个点源的像的极大值位置重合时的间距。斯派罗准则Sparrowcriterion表征光学系统空间分辨力的量，定义为两个点源在满足合光强刚好不出现下凹时的分离间距。表面膜surfacefilm沉积在光学性质与其不同的另一表面上的材料。厚度较薄的膜，通过光学测量系统难以区分开其上下表面。厚度较厚的膜，通过光学测量系统能容易地区分其上下表面。光学光滑表面opticallysmoothsurface反射光主要源自镜面反射且散射光不显著的表面。光学粗糙表面opticallyroughsurface与光学光滑表面不同，即散射光显著的表面。在不同区域具有不同光学特性的样品。9缩写白光干涉术白光扫描干涉术白光相移干涉术高分辨垂直扫描干涉术高度扫描干涉仪红外扫描CSI信号CSIsignalGB/T33523.604—2022/ISO25178-604:20134图3典型的CSI信号干涉条纹interferencefringesCSI信号中的快速调制部分，与干涉效应有关，由CSI扫描期间光程变化产生。见图3。干涉相位interferencephase用于近似干涉条纹波形的正弦函数的幅角。幅度调制amplitudemodulation峰谷值或等效的CSI信号测量值。见图3。调制包络modulationenvelope随扫描位置变化的CSI信号的幅度调制的总体变化。分析模式analysismode信号处理选项signalprocessingoption用来确定软件是单独使用调制包络或是结合包络和干涉条纹相位来测量表面高度处理选择项。GB/T33523.604—2022/ISO251调制阈值modulationthreshold最小调制minimummodulation可用于软件做进一步表面高度评估的最低幅度调制。CSI扫描CSIscan通过改变参考光路或测量光路的光学长度以产生干涉条纹信号的机械或光学扫描。扫描长度scanlengthCSI扫描历经的物理路径的范围。扫描增量scanincrement在相机获取相邻图像(帧)或相邻数据点时，CSI扫描的行进距离。扫描速度scanspeedCSI扫描的速度。有效平均波长effectivemeanwavelength最接近调制包络峰值的干涉条纹周期的两倍。条纹级次误差fringe-ordererror在使用干涉相位进行表面形貌相对高度计算时，识别正确条纹引入的误差。环境振动environmentalvibrationNviB以不可预知或干扰性的方式扰动CSI扫描的机械运动，这种运动会导致测量误差。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:24.1总则CSI仪器提供用于表面形状和结构参数解算的横向(x,y)和高度(z)方向测量表4给出了CSI仪器的影响量，也给出了受对应影响量偏差影响的计量特性(见3.1.21,表1)。测量光波长(见3.3.3)光学测量带宽(见3.3.2)照射到被测表面的光的偏振态。通常表述为垂直(E)或非偏振(U)数值孔径(3.3.6)均匀且恒定的分布)扫描速度(见3.5.13,A.5和B.4)aw,1.扫描长度(见3.5.11,A.5和B.4)a,,1.△扫描增量(见3.5.12,A.5和B.4)扫描线性度(见A.5和B.4)完成Z向单次扫描所需的积分时间信息选项(见B.3)的最小峰谷强度变化C横向采样间距，等于相机的像素间距(△_,△,)除以仪器噪声(3.1.9)环境振动(见B.6)迟滞(3.1.20)样品表面倾斜致使光反射到物镜数值孔径边缘或外部，透明或半透明薄膜的厚度。这些薄膜通常具有与照明光波长相当的厚度。请注意，较薄的污染物或自然氧化膜不一定影响CSI测量过程玻片或液体)无法分辨的特征——尺寸约为或小于横向分辨力的物体特征，见附录C这些影响量来自仪器和被测样品之间的相互作用GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013(资料性)相干扫描干涉(CSI)显微镜的概述和组件A.1总则CSI仪器的测量过程如下。a)将仪器聚焦到被测表面直至出现干涉条纹。b)当测量随机性的粗糙表面时，调整被测样品相对于系统光轴的倾角，直至视场内的干涉条纹数最少；当测量光滑表面上的台阶特征时，调整样品倾角使得视场内出现一个或多个条纹，且条纹走向尽可能垂直于台阶。d)使用调制包络、干涉条纹或结合两者进行数据分析获得被测表面形貌图。在区域法获得表面形貌图的过程中，偏离平面的偏差(如残余的倾斜、曲率和柱面度等)可通过数值方法去除。此外，还可根据需求对表面形貌图做进一步的滤波处理。图A.1典型的米劳配置CSI显微镜原理图A.2典型配置图A.1给出了CSI显微镜的基本特征。物体具有随表面位置变化的高度特征h。采用机械扫描器实现干涉物镜在Z轴方向上连续平滑的扫描。扫描期间，计算机记录下每个扫描位置5对应的每个图像点或像素(r,y)的强度数据I(5)。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013CSI的一个显着特征是光源通常是不相干的。典型的光源具有宽带光谱(白光)或拓展光源(许多独立的点源)或兼具两者的特征。白炽灯(如卤钨灯)是经典的CSI光源。而固体光源，如发光二极管如图A.1所示的照明光学系统通常将光源成像到干涉物镜的光瞳(科勒照明)。该系统中，孔径光阑决定了照明的An(数值孔径，见3.3.6),而视场光阑决定了测量物表面被照亮的面积大小。对于诸如振荡微结构这样的运动物体，可以采用高速闪烁光源以频闪方式定格物体的运动来进行测量，见参考文献[34]和[35]。A.4干涉物镜与相移干涉显微镜一样，CSI仪器在配置上与传统显微镜类似，而其中的普通物镜则被替换为双光束干涉物镜。最常见的干涉物镜有迈克尔逊(Micheison)型、米劳(Mirau)型或林尼克(Linnik)型(见参考文献[14])。一些视场较大的系统使用泰曼格林(TwymanGreen)型(见图A.2)(见参考文献[20]和图A.2带相机传感器的泰曼格林干涉仪的光学原理图由于物镜需要扫描，物镜宜按无穷远共轭透镜工作，即物体上的点成像在无穷远处。系统放大倍数为筒镜焦距(图A.1)与物镜焦距之比。物镜倍率根据标称的单位放大率筒镜焦距来定义。根据制造商的不GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013干涉物镜的另一个重要特征参数是工作距，表示物镜外壳端面到被测物之间的距离，如图A.3所用棱镜分束器的迈克尔逊干涉仪因其易于制造、无遮拦和有足够大的工作距置一致，且干涉仪的两个臂应平衡折射率随波长变化导致的色散影响。在某些物面运动或利用位置反馈系统得到扫描位置的准确信息对于CSI仪器的整体测量准确度非常重要，如B.4中所讨论。尽管通过移动参考镜、分束器或物镜内的几个光学元件而不是移动整个干涉物镜来实现扫大多数CSI系统使用由2D像素阵列组成的光电探测器来生成3D表面形貌图。而使用1D线性探图B.1显示了图B.2中的相机得到的三个连续扫描位置处的图像。当干涉物镜向上扫描时，由该GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013图B.2CSI显微镜显示的以角度里入射在物体表面上的特定点源和像点的单光束路径图如图B.2中所示，入射角为业的光束与一个特定成像点(x',y')和光瞳中一个特定的位置相对应。到达参考镜。其中5是相对于显微镜的表面扫描位置，而干涉条纹的空间频率K可表示为：并且对应于图B.3中所示的包络峰值。非相干叠加模型可用于信号形状的数值预测，也对评估由CSI某些简化的极限情况具有实用和概念性价值。一个常见的极限情况是小数值孔径下宽带光或白光GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013图B.3白光干涉信号模拟图B.4用中心波长为500nm、带宽为100nm光白光源照明数值孔径An为0.2的小数值孔径系统时的干涉信号(图B.3)的傅里叶变换幅值B.2.3极限情况：窄带光源和高数值孔径一个相比而言不那么常见的极限情况是高数值孔径下窄带光照明的情况。此时，频谱(图B.6)和干涉信号(图B.5)的形状受光瞳面内的光分布影响，而非光源窄带谱本身；此处假设光源是单色光，具有单个波数ko=2π/λo。虽然严格来说不是白光干涉仪，但是高数值孔径的单色系统仍然产生与白光仪器非常相似的信号及功能特征。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013数值孔径为0.6的宽光瞳(放大倍率约50×)B.3信号处理特定的5值。在某些特定情况，例如非结构化表面hr,,对称白光光谱和较小的An情况下，干涉信号I.,(5)(图B.3)可分解为一个恒定偏移I。和受缓慢变化的IAc包络调制的、空间频率为K。的余弦载分析的方法是将每个像素处测得的强度数据与对CSI信号敏感的复杂核函数相关联，见参考文献00硅0铝铬铂铜钴00GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013在CSI发展早期就认识到它的一个独特优势是能够区分半透明薄膜结构图B.8几微米厚的单层透明薄膜情况下的CSI信号如果薄膜太薄，图B.8中显示的各个信号会交叠而很难将它们清楚地区分开。信号难以区分开时表面上的某些位置可能由于低信噪比而无法测量，如高斜率区域或者表面不规则的地方。测量算外的统计算法进行识别。然后可以通过排除异常点和丢失点，或对异常数据和缺失数据点进行插值来GB/T33523.604—2022/ISO(资料性)空间分辨力C.1仪器传递函数[55]。形貌测量仪器的ITF相当于传统显微镜的光学传递函数(OTF)[ISO9334:2012,3.8]。ITF描述了仪器对具有特定空间频率的物体表面的响应。理想情况下，ITF表示空间频率为v(例如以为单位)的正弦光栅的测量幅度与真实幅度的关系。ITF还影响为了避免数据伪差(如高频噪声引起的)而应用的S-滤波器的值(见GB/T33523.3—2022中4.2.3)。为简单起见，假设表面沿X方向是粗糙的，并且由函数h(x)描述。由于表面结构可以通过傅里叶变换(F)表示为空间频率分量的总和，因h'(x)=F-¹G'(v)……………(C.1)G'(v)=fmp(v)G(v)………………和式中辨力受像素大小的影响。图C.1显示了多种物镜对应的CSI显微镜的理论ITF且含特定相机不考虑相机分辨率的影响，在φ=0对应的空间频率即时ITF变为零，此时vox接近光学分辨力的斯派罗准则对应的空间频率。50%点处于这是瑞利准则的空间频率的一半(空间周期的两倍)(见参考文献[56]和[57])。表C.1总结了常见的GB/T33523.604—2022/ISO251y图C.1在不同显微镜物镜放大率下的ITF的理论数值，放大率分别是2.5×、5×、20×和100×640×480像素的相机的影响表C.1常见的CSI物镜形貌空间分辨力。假设理想光学系统并且不考虑相机的影响，光源波长为550nm形貌空间分辨力瑞利准则斯派罗准则15应注意，仅具有特定An并不意味着该物镜就有如表C.1中所示的分辨力。照明的像差或不稳定性会严重影响仪器的实际性能。这两个准则中，只有瑞利准则(3.3.7)可以通过仪器的实测响应降至50%的情况来确定，因此，一般首选瑞利准则。如果选用了斯派罗准则(3.3.8),则可通过先确定瑞利准则再乘以0.77进行确定。相机分辨率通常能与高达10×的光学分辨力相匹配，这意味着物空间的像素尺寸具有与表C.1中列出的相同的横向尺寸。对于20×以上情况，相机分辨率超过光学分辨力，而到100×时，它变为一个在ITF上可忽略不计的影响项，如图C.1所示。值得注意的是，理论ITF仅在表面高度远小于波长范围时有效。此外，较高的空间频率可能会导图C.2示出了一个标称为40nm的台阶的截面图。这两个图的傅里叶变换之比就是ITF,如图C.3yy02x——横向坐标(像素);yz——相对振幅：3——ITF,曲线1/曲线2。图C.3利用台阶曲线实验数据确定ITF的过程图示(资料性)在3.1.11中定义表面形貌测量重复性提供重复测量之间一致性的评价。作为仪器参考测试和性能验a)获取n个(如10个)测量图，但不进行平均或横向平滑，并从每个单独的图中减去一个最小二表面形貌测量重复性的结果应明确标明扫描增量(在CSI中通常为每个干涉条纹4帧)和所有相关GB/T33523.604—2022/ISO25ABCDEFG方向跳动区域表面结构表面缺陷[1]GB/T3505—2009产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构[8]GB/T33523.3—2022产品几何技术规范(GPS)表面结构区域法第3部分：规范操[9]GB/T33523.6—2017产品几何技术规范(GPS)表面结构区域法第6部分：表面结构[10]GB/T33523.601—2017产品几何技术规范(GPS)表面结构区域法第601部分：接[11]GB/T33523.602—2022产品几何技术规范(GPS)表面结构区域法第602部分：非[12]ISO9334:2012,Op[13]ISO10934-2:2007,OpticsandopticalinstrumAdvancedtechniquesinlightmicroscopy[14]ISO25178-603,Geometricalproductspecifications(GPS)-Surfacetexture:603:Nominalcharacteristicsofnon-contact(phase-shiftinginterferometricmicroscopy)ins[15]ISO/IECGuide99:2007,Internationalvocabulconceptsandassociatedterm[16]WYANT.JCandSchmit,J.LargeFieldofView,Highurements.Int.J.Mach.ToolsManuf.1998,38(5-6)pp.691-698[17]WINDECKER.R,Haible,Pameasuringsmooth,roughandsphericalsurfaces.J.Mod.Opt.1995,[18]DAVIDSON.M,Kaufman,K,Mazor,IandCohen,F.Anapplicationofinterfcroscopytointegratedcircuitinspectionandmetrology.Proc.SPIE.1987,775pp.233-247[19]LEE,BSandStrand,TC.Profilomet[20]DRESEL,T,Haeusler,GandVenzke,H.Three-dimensionalsensingofroughsurfacesbycoherenceradar.Appl.Opt.1992,31(7[21]LEE-BENNETT,I.Adva[22]KINO.GSandChim,SSC.Miraucorrelationmicroscope.Appl.Opt.1990,2ferometry.J.Opt.Soc,Am.AOpt.Image[24]WYANT,JC..Howtoe[25]CONNOLLY,T..Scanninginterferometer[26]SCHMIT.JandOlszak,AG.SomechallengesinwhiteligProc.SPIE.2002,4777[27]SCHMIT,JandCHEN,D..GreaterMeasurementDetailwiScanningInterferometry.VeecoInstrumentsInc.ApplicationsNoteAN541[28]CABER.PJ..Interferometricprofilerfo[29]WYKORST(ROUGH[30]DEGKO0T.PandColonnascanninginterferencemicroscopy.Appl,Opt.20[31]DEGRO0T,P,Biegen,J,Clark,J,Colonnadeinterferometryformeasuringthegeometricdimensionsofindustrialpp.38533860[32]WAN,D-S,Schmit,JandNovak,E.Effectsfactorwithageometrical-opticsmodel.A[33]NAKANO,K,Yoshida,H,Hane,K,Okuma,Smetricimagingofsmallvibrationusingpulsedlaserdiode.Trans,ofSICE.1995,31(4)pp.454-460acterization.Proc.SPIE.2003,4980pp.75-80[35]DEGRO0T.P,Colonnadebinationofalaserdisplacementgageandabroadbandinterferometricsurfaceprofiler.Proc.[36]HAN,S,Novak,E,Wissinger,J,etal.Surfacemeasurement.Proc.SPIE.2005,5716pp.189-197[37]DECK.LL.Highprecisioninterferometerformeasurininfreeformoptics.Optifab2007:TechnicalDigest.SPIETechnicalDigest.2007,[38]BAUER.W.SpecialPropertiesofCoherenceScanningInterferomentVolumes.J.Phys.Conf.Ser.2011,311p.[39]SHEPPARD.CJRandLarkin,KG.Effectofnumericalapertureonspacing.Appl.Opt.1995,34(22scanninginterferencemicroscopy.Appl.O[41]DEGRO0T.P.Coherencescanninginterferometry.In:OpticalMeasuremTopography,(LEACHR.ed.).SpringerVerlag,Berlin,FirstEdition,2011,pp.187-208[42]HANEISHI.H.Signary.Graduatethesis,DepartmentofCommunicationsandSystemsEngineering,UnfElectrocommunications,Chofu,Tokyo,1984.[43]SCHMIT.J.High-speedmeasurementsusingopticalprofiler.Proc.SPIE.2003,514[44]SANDOZ.P.Wavelettransformasaprocessingtoolinwhite-lightinLett.1997,22(14)pp.10[45]DEGRO0T,PandDECK,L.Surfaceprofilingbyanalysisofwhite-lightinterferogramthespatialfrequencydomain,J.Mod.Opt.1995,42(2)pp.389-401[46]RHEE.H-G,Vorburger,TV,Lee,JWandFuJ.Discrepanciesbetweenroughnessmeas-urementsobtainedwithphase-shiftingandwhite-light