(高清版)GBT 33523.604-2022 產品幾何技術規(guī)范（GPS） 表面結構 區(qū)域法 第604部分：非接觸（相干掃描干涉）式儀器的標稱特性

國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會I IV 1 1 13.1與區(qū)域表面結構測量方法相關的術語和定義 13.2與X,Y軸掃描系統(tǒng)相關的 53.3與光學系統(tǒng)有關的術語和定義 7 83.5相干掃描干涉測量顯微的專用術語和定義 94影響量的描述 4.2影響量 附錄A(資料性)相干掃描干涉(CSI)顯微鏡的概述和組件 附錄B(資料性)相干掃描干涉工作原理 附錄C(資料性)空間分辨力 24附錄D(資料性)表面形貌測量重復性評估過程示例 29 Ⅲ GB/T33523擬由14個部分構成。 文件格式x3p。 1產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第604部分：非接觸(相干掃描干涉)式本文件規(guī)定了用于表面高度三維映射的相干掃描干涉(跡平面內且垂直于(x,y)平面(見圖1)。2GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013測量回路measurementloop見圖1。實際存在并將整個工件與周圍介質分開的要素集。3GB/T33523.604—2022/ISO251響應曲線responsecurveF_,F,,F.描述實際量與測得量關系的函數(shù)。放大倍數(shù)amplificationcoefficient從響應曲線(3.1.7)得到的線性回歸曲線的斜率。[來源：GB/T33523.601—2017,3.4.3,有修改]儀器噪聲instrumentnoiseN?當儀器處于一個理想的無噪聲環(huán)境中時，疊加在輸出信號上的內部噪聲。測量噪聲measurementnoiseNM儀器正常使用過程中附加于輸出信號的噪聲。表面形貌重復性surfacetopographyrepeatability在相同測量條件下連續(xù)測量同一表面形貌的重復性。X方向采樣間距samplingintervalinXD沿X坐標軸兩個相鄰測量點之間的距離。4GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013Y方向采樣間距samplingintervalinYD,沿Y坐標軸兩個相鄰測量點之間的距離。D.在提取表面上，沿Z坐標方向兩個坐標點之間的最小高度變化量。橫向分辨力lateralresolution兩個可檢測要素之間的最小距離。[來源：GB/T33523.601全高度轉換的極限寬度widthlimitforfullheighttransmission測量時能夠保證測量高度不變的最窄矩形溝槽的寬度。[來源：GB/T33523.601—2017,3.4.11,有修改]橫向周期限lateralperiodlimit儀器的高度響應降至50%時正弦輪廓的空間周期。最大局部斜率maximumlocalslope可以被探測系統(tǒng)評定的表面特征的最大局部斜率。frrp空間頻率的函數(shù)，描述表面形貌測量儀器對具有特定空間頻率的物體表面形貌的響應。5定義潛在誤差取向ax,αy,α.導出放大倍數(shù)的曲線與響應曲線之間的最大局部差異區(qū)域基準的平面度ZZZ產生基準表面的儀器組成部分，在這個基準表面上，探測系統(tǒng)沿理論正確軌跡相對于被測表面在(x,y)平面上對被測表面實施掃描的系統(tǒng)。6探測系統(tǒng)了弧形誤差校正C?=沿X軸移動的部件Y向驅動單元driveunitYNsNp7GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:20133.3與光學系統(tǒng)有關的術語和定義光源lightsource在特定光譜范圍內發(fā)射適當波長的光的光學裝置。光學測量帶寬measurementopticalbandwidth用于表面測量的光的波長范圍。測量光波長measurementopticalwavelength用于表面測量的光波長有效值。從被測表面上某一點進入光學系統(tǒng)的光錐的角度。α孔徑角的一半。圖2孔徑半角數(shù)值孔徑numericalaperture8孔徑半角的正弦乘以周圍介質的折射率n(An=nsina)。瑞利準則Rayleighcriterion表征光學系統(tǒng)空間分辨力的量，定義為兩個點源在滿足一個點源的像的一極衍射極小值與另一個點源的像的極大值位置重合時的間距。斯派羅準則Sparrowcriterion表征光學系統(tǒng)空間分辨力的量，定義為兩個點源在滿足合光強剛好不出現(xiàn)下凹時的分離間距。表面膜surfacefilm沉積在光學性質與其不同的另一表面上的材料。厚度較薄的膜，通過光學測量系統(tǒng)難以區(qū)分開其上下表面。厚度較厚的膜，通過光學測量系統(tǒng)能容易地區(qū)分其上下表面。光學光滑表面opticallysmoothsurface反射光主要源自鏡面反射且散射光不顯著的表面。光學粗糙表面opticallyroughsurface與光學光滑表面不同，即散射光顯著的表面。在不同區(qū)域具有不同光學特性的樣品。9縮寫白光干涉術白光掃描干涉術白光相移干涉術高分辨垂直掃描干涉術高度掃描干涉儀紅外掃描CSI信號CSIsignalGB/T33523.604—2022/ISO25178-604:20134圖3典型的CSI信號干涉條紋interferencefringesCSI信號中的快速調制部分，與干涉效應有關，由CSI掃描期間光程變化產生。見圖3。干涉相位interferencephase用于近似干涉條紋波形的正弦函數(shù)的幅角。幅度調制amplitudemodulation峰谷值或等效的CSI信號測量值。見圖3。調制包絡modulationenvelope隨掃描位置變化的CSI信號的幅度調制的總體變化。分析模式analysismode信號處理選項signalprocessingoption用來確定軟件是單獨使用調制包絡或是結合包絡和干涉條紋相位來測量表面高度處理選擇項。GB/T33523.604—2022/ISO251調制閾值modulationthreshold最小調制minimummodulation可用于軟件做進一步表面高度評估的最低幅度調制。CSI掃描CSIscan通過改變參考光路或測量光路的光學長度以產生干涉條紋信號的機械或光學掃描。掃描長度scanlengthCSI掃描歷經的物理路徑的范圍。掃描增量scanincrement在相機獲取相鄰圖像(幀)或相鄰數(shù)據(jù)點時，CSI掃描的行進距離。掃描速度scanspeedCSI掃描的速度。有效平均波長effectivemeanwavelength最接近調制包絡峰值的干涉條紋周期的兩倍。條紋級次誤差fringe-ordererror在使用干涉相位進行表面形貌相對高度計算時，識別正確條紋引入的誤差。環(huán)境振動environmentalvibrationNviB以不可預知或干擾性的方式擾動CSI掃描的機械運動，這種運動會導致測量誤差。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:24.1總則CSI儀器提供用于表面形狀和結構參數(shù)解算的橫向(x,y)和高度(z)方向測量表4給出了CSI儀器的影響量，也給出了受對應影響量偏差影響的計量特性(見3.1.21,表1)。測量光波長(見3.3.3)光學測量帶寬(見3.3.2)照射到被測表面的光的偏振態(tài)。通常表述為垂直(E)或非偏振(U)數(shù)值孔徑(3.3.6)均勻且恒定的分布)掃描速度(見3.5.13,A.5和B.4)aw,1.掃描長度(見3.5.11,A.5和B.4)a,,1.△掃描增量(見3.5.12,A.5和B.4)掃描線性度(見A.5和B.4)完成Z向單次掃描所需的積分時間信息選項(見B.3)的最小峰谷強度變化C橫向采樣間距，等于相機的像素間距(△_,△,)除以儀器噪聲(3.1.9)環(huán)境振動(見B.6)遲滯(3.1.20)樣品表面傾斜致使光反射到物鏡數(shù)值孔徑邊緣或外部，透明或半透明薄膜的厚度。這些薄膜通常具有與照明光波長相當?shù)暮穸?。請注意，較薄的污染物或自然氧化膜不一定影響CSI測量過程玻片或液體)無法分辨的特征——尺寸約為或小于橫向分辨力的物體特征，見附錄C這些影響量來自儀器和被測樣品之間的相互作用GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013(資料性)相干掃描干涉(CSI)顯微鏡的概述和組件A.1總則CSI儀器的測量過程如下。a)將儀器聚焦到被測表面直至出現(xiàn)干涉條紋。b)當測量隨機性的粗糙表面時，調整被測樣品相對于系統(tǒng)光軸的傾角，直至視場內的干涉條紋數(shù)最少；當測量光滑表面上的臺階特征時，調整樣品傾角使得視場內出現(xiàn)一個或多個條紋，且條紋走向盡可能垂直于臺階。d)使用調制包絡、干涉條紋或結合兩者進行數(shù)據(jù)分析獲得被測表面形貌圖。在區(qū)域法獲得表面形貌圖的過程中，偏離平面的偏差(如殘余的傾斜、曲率和柱面度等)可通過數(shù)值方法去除。此外，還可根據(jù)需求對表面形貌圖做進一步的濾波處理。圖A.1典型的米勞配置CSI顯微鏡原理圖A.2典型配置圖A.1給出了CSI顯微鏡的基本特征。物體具有隨表面位置變化的高度特征h。采用機械掃描器實現(xiàn)干涉物鏡在Z軸方向上連續(xù)平滑的掃描。掃描期間，計算機記錄下每個掃描位置5對應的每個圖像點或像素(r,y)的強度數(shù)據(jù)I(5)。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013CSI的一個顯著特征是光源通常是不相干的。典型的光源具有寬帶光譜(白光)或拓展光源(許多獨立的點源)或兼具兩者的特征。白熾燈(如鹵鎢燈)是經典的CSI光源。而固體光源，如發(fā)光二極管如圖A.1所示的照明光學系統(tǒng)通常將光源成像到干涉物鏡的光瞳(科勒照明)。該系統(tǒng)中，孔徑光闌決定了照明的An(數(shù)值孔徑，見3.3.6),而視場光闌決定了測量物表面被照亮的面積大小。對于諸如振蕩微結構這樣的運動物體，可以采用高速閃爍光源以頻閃方式定格物體的運動來進行測量，見參考文獻[34]和[35]。A.4干涉物鏡與相移干涉顯微鏡一樣，CSI儀器在配置上與傳統(tǒng)顯微鏡類似，而其中的普通物鏡則被替換為雙光束干涉物鏡。最常見的干涉物鏡有邁克爾遜(Micheison)型、米勞(Mirau)型或林尼克(Linnik)型(見參考文獻[14])。一些視場較大的系統(tǒng)使用泰曼格林(TwymanGreen)型(見圖A.2)(見參考文獻[20]和圖A.2帶相機傳感器的泰曼格林干涉儀的光學原理圖由于物鏡需要掃描，物鏡宜按無窮遠共軛透鏡工作，即物體上的點成像在無窮遠處。系統(tǒng)放大倍數(shù)為筒鏡焦距(圖A.1)與物鏡焦距之比。物鏡倍率根據(jù)標稱的單位放大率筒鏡焦距來定義。根據(jù)制造商的不GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013干涉物鏡的另一個重要特征參數(shù)是工作距，表示物鏡外殼端面到被測物之間的距離，如圖A.3所用棱鏡分束器的邁克爾遜干涉儀因其易于制造、無遮攔和有足夠大的工作距置一致，且干涉儀的兩個臂應平衡折射率隨波長變化導致的色散影響。在某些物面運動或利用位置反饋系統(tǒng)得到掃描位置的準確信息對于CSI儀器的整體測量準確度非常重要，如B.4中所討論。盡管通過移動參考鏡、分束器或物鏡內的幾個光學元件而不是移動整個干涉物鏡來實現(xiàn)掃大多數(shù)CSI系統(tǒng)使用由2D像素陣列組成的光電探測器來生成3D表面形貌圖。而使用1D線性探圖B.1顯示了圖B.2中的相機得到的三個連續(xù)掃描位置處的圖像。當干涉物鏡向上掃描時，由該GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013圖B.2CSI顯微鏡顯示的以角度里入射在物體表面上的特定點源和像點的單光束路徑圖如圖B.2中所示，入射角為業(yè)的光束與一個特定成像點(x',y')和光瞳中一個特定的位置相對應。到達參考鏡。其中5是相對于顯微鏡的表面掃描位置，而干涉條紋的空間頻率K可表示為：并且對應于圖B.3中所示的包絡峰值。非相干疊加模型可用于信號形狀的數(shù)值預測，也對評估由CSI某些簡化的極限情況具有實用和概念性價值。一個常見的極限情況是小數(shù)值孔徑下寬帶光或白光GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013圖B.3白光干涉信號模擬圖B.4用中心波長為500nm、帶寬為100nm光白光源照明數(shù)值孔徑An為0.2的小數(shù)值孔徑系統(tǒng)時的干涉信號(圖B.3)的傅里葉變換幅值B.2.3極限情況：窄帶光源和高數(shù)值孔徑一個相比而言不那么常見的極限情況是高數(shù)值孔徑下窄帶光照明的情況。此時，頻譜(圖B.6)和干涉信號(圖B.5)的形狀受光瞳面內的光分布影響，而非光源窄帶譜本身；此處假設光源是單色光，具有單個波數(shù)ko=2π/λo。雖然嚴格來說不是白光干涉儀，但是高數(shù)值孔徑的單色系統(tǒng)仍然產生與白光儀器非常相似的信號及功能特征。GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013數(shù)值孔徑為0.6的寬光瞳(放大倍率約50×)B.3信號處理特定的5值。在某些特定情況，例如非結構化表面hr,,對稱白光光譜和較小的An情況下，干涉信號I.,(5)(圖B.3)可分解為一個恒定偏移I。和受緩慢變化的IAc包絡調制的、空間頻率為K。的余弦載分析的方法是將每個像素處測得的強度數(shù)據(jù)與對CSI信號敏感的復雜核函數(shù)相關聯(lián)，見參考文獻00硅0鋁鉻鉑銅鈷00GB/T33523.604—2022/ISO25178-604:2013在CSI發(fā)展早期就認識到它的一個獨特優(yōu)勢是能夠區(qū)分半透明薄膜結構圖B.8幾微米厚的單層透明薄膜情況下的CSI信號如果薄膜太薄，圖B.8中顯示的各個信號會交疊而很難將它們清楚地區(qū)分開。信號難以區(qū)分開時表面上的某些位置可能由于低信噪比而無法測量，如高斜率區(qū)域或者表面不規(guī)則的地方。測量算外的統(tǒng)計算法進行識別。然后可以通過排除異常點和丟失點，或對異常數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)點進行插值來GB/T33523.604—2022/ISO(資料性)空間分辨力C.1儀器傳遞函數(shù)[55]。形貌測量儀器的ITF相當于傳統(tǒng)顯微鏡的光學傳遞函數(shù)(OTF)[ISO9334:2012,3.8]。ITF描述了儀器對具有特定空間頻率的物體表面的響應。理想情況下，ITF表示空間頻率為v(例如以為單位)的正弦光柵的測量幅度與真實幅度的關系。ITF還影響為了避免數(shù)據(jù)偽差(如高頻噪聲引起的)而應用的S-濾波器的值(見GB/T33523.3—2022中4.2.3)。為簡單起見，假設表面沿X方向是粗糙的，并且由函數(shù)h(x)描述。由于表面結構可以通過傅里葉變換(F)表示為空間頻率分量的總和，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響。圖C.1顯示了多種物鏡對應的CSI顯微鏡的理論ITF且含特定相機不考慮相機分辨率的影響，在φ=0對應的空間頻率即時ITF變?yōu)榱悖藭rvox接近光學分辨力的斯派羅準則對應的空間頻率。50%點處于這是瑞利準則的空間頻率的一半(空間周期的兩倍)(見參考文獻[56]和[57])。表C.1總結了常見的GB/T33523.604—2022/ISO251y圖C.1在不同顯微鏡物鏡放大率下的ITF的理論數(shù)值，放大率分別是2.5×、5×、20×和100×640×480像素的相機的影響表C.1常見的CSI物鏡形貌空間分辨力。假設理想光學系統(tǒng)并且不考慮相機的影響，光源波長為550nm形貌空間分辨力瑞利準則斯派羅準則15應注意，僅具有特定An并不意味著該物鏡就有如表C.1中所示的分辨力。照明的像差或不穩(wěn)定性會嚴重影響儀器的實際性能。這兩個準則中，只有瑞利準則(3.3.7)可以通過儀器的實測響應降至50%的情況來確定，因此，一般首選瑞利準則。如果選用了斯派羅準則(3.3.8),則可通過先確定瑞利準則再乘以0.77進行確定。相機分辨率通常能與高達10×的光學分辨力相匹配，這意味著物空間的像素尺寸具有與表C.1中列出的相同的橫向尺寸。對于20×以上情況，相機分辨率超過光學分辨力，而到100×時，它變?yōu)橐粋€在ITF上可忽略不計的影響項，如圖C.1所示。值得注意的是，理論ITF僅在表面高度遠小于波長范圍時有效。此外，較高的空間頻率可能會導圖C.2示出了一個標稱為40nm的臺階的截面圖。這兩個圖的傅里葉變換之比就是ITF,如圖C.3yy02x——橫向坐標(像素);yz——相對振幅：3——ITF,曲線1/曲線2。圖C.3利用臺階曲線實驗數(shù)據(jù)確定ITF的過程圖示(資料性)在3.1.11中定義表面形貌測量重復性提供重復測量之間一致性的評價。作為儀器參考測試和性能驗a)獲取n個(如10個)測量圖，但不進行平均或橫向平滑，并從每個單獨的圖中減去一個最小二表面形貌測量重復性的結果應明確標明掃描增量(在CSI中通常為每個干涉條紋4幀)和所有相關GB/T33523.604—2022/ISO25ABCDEFG方向跳動區(qū)域表面結構表面缺陷[1]GB/T3505—2009產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法術語、定義及表面結構[8]GB/T33523.3—2022產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第3部分：規(guī)范操[9]GB/T33523.6—2017產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第6部分：表面結構[10]GB/T33523.601—2017產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第601部分：接[11]GB/T33523.602—2022產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)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