干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范

光學(xué)顯微干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于光學(xué)顯微干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。2引用文件本規(guī)范引用下列文件：JJF1001-2011通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示JJF1071-2010國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫(xiě)規(guī)則GB/T19067.1-2003產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)第一部分：實(shí)物測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用本規(guī)范。3概述光學(xué)顯微干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x（以下簡(jiǎn)稱測(cè)量?jī)x）是一種利用光學(xué)干涉原理對(duì)樣品表面三維形貌進(jìn)行精密測(cè)量的儀器，在樣品表面垂直方向上可以達(dá)到亞納米級(jí)的分辨力，廣泛應(yīng)用于材料、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。大多數(shù)情況下，測(cè)量?jī)x使用白光作為光源，故也被稱作白光干涉儀。測(cè)量?jī)x由主機(jī)與控制系統(tǒng)共同構(gòu)成，其坐標(biāo)系與測(cè)量回路示意圖見(jiàn)圖1。根據(jù)干涉顯微鏡結(jié)構(gòu)的不同，測(cè)量?jī)x分為邁克爾遜（Michelson）、米勞（Mirau）和林尼克（Linnik）三種。結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖2、圖3、圖4。1—坐標(biāo)系2—測(cè)量回路圖1光學(xué)顯微干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x的坐標(biāo)系與測(cè)量回路示意圖A—干涉物鏡C—被測(cè)樣品A—物鏡C—分束器A—分束D—物鏡B—干涉分束器D—參考鏡B—參考鏡D—被測(cè)樣品B—參考物鏡E—被測(cè)樣品C—參考鏡圖2Michelson式圖3Mirau式圖4Linnik式干涉意結(jié)構(gòu)示圖干涉結(jié)構(gòu)示意圖干涉結(jié)構(gòu)示意圖4計(jì)量特性4.1Z方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差4.2Z方向長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性4.3XY方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差4.4XY方向長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性4.5XY方向正交誤差4.6測(cè)量噪聲5校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件儀器使用允許的環(huán)境條件，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)測(cè)量和記錄環(huán)境的溫度、濕度。使用的標(biāo)準(zhǔn)器，應(yīng)在測(cè)量環(huán)境中穩(wěn)定不小于0.5h。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)無(wú)影響校準(zhǔn)結(jié)果的振動(dòng)、電磁輻射等因素。5.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備表1測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備序號(hào)校準(zhǔn)項(xiàng)目物鏡倍率M測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)要求測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求1Z方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差/標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階/凹槽Urel=1nm+1%A，k=22Z方向長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性/3XY方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差<50×一維柵格、二維柵格柵格平均間距（5~10）μmUrel≤0.5%，k=2≥50×柵格平均間距（5~20）μmUrel≤1%，k=24XY方向長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性<50×一維柵格、二維柵格柵格平均間距（5~10）μmUrel≤0.5%，k=2≥50×柵格平均間距（5~20）μmUrel≤1%，k=25XY方向正交誤差/二維柵格垂直角度MPE：±0.1°6測(cè)量噪聲/超光滑樣板表面粗糙度值（Sa）＜1nm注：校準(zhǔn)項(xiàng)目所采用的一維柵格包含10個(gè)以上周期，標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)根據(jù)被校儀器的物鏡放大倍率、視場(chǎng)范圍等因素選取。允許使用滿足準(zhǔn)確度條件的其它測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。6校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法6.1Z方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階進(jìn)行Z方向的測(cè)量誤差校準(zhǔn)。將標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階放置于視場(chǎng)中心，選取標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階居中區(qū)域進(jìn)行掃描，得到臺(tái)階表面的三維形貌重構(gòu)圖像。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，均勻選取十條輪廓線，分別測(cè)量臺(tái)階的高度，參考圖5。圖5Z方向長(zhǎng)度測(cè)量位置示意圖輪廓線的臺(tái)階高度評(píng)價(jià)方法依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T19067.1-2003中的3W準(zhǔn)則。如圖6所示，將臺(tái)階底部寬度定義為W，評(píng)定長(zhǎng)度為3W，將臺(tái)階頂部?jī)蓚?cè)2W/3的平均Z向高度值與底部中心1W/3的Z向高度值作差，即為輪廓線的臺(tái)階高度測(cè)得值H。標(biāo)準(zhǔn)凹槽同樣適應(yīng)于垂直方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差校準(zhǔn)。當(dāng)3W準(zhǔn)則無(wú)法滿足時(shí)，允許使用單邊法。圖63W準(zhǔn)則示意圖以這十條輪廓線的平均值H為最終測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果與臺(tái)階實(shí)際值的差，即為Z方向的長(zhǎng)度測(cè)量誤差，如式（1）所示。?H式中：?HH——測(cè)量?jī)x測(cè)量臺(tái)階高度的平均值；Hcal6.2Z方向長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階用于Z方向的重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量方法參見(jiàn)6.1，以10次測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為Z方向重復(fù)性的測(cè)量值。6.3XY方向長(zhǎng)度測(cè)量誤差XY方向長(zhǎng)度測(cè)量示值誤差，應(yīng)根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)一維柵格進(jìn)行校準(zhǔn)。將一維柵格置于載物臺(tái)上，在明場(chǎng)條件下選擇合適的視野。一般情況下，視場(chǎng)中至少有10個(gè)左右完整周期，并且占到視場(chǎng)2/3以上。調(diào)整一維柵格，使其線條邊緣盡量與X軸垂直放置。進(jìn)行Y方向校準(zhǔn)時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)一維柵格使其線條邊緣與Y軸垂直放置，按照同樣方法校準(zhǔn)。圖7邊緣法測(cè)量柵格間距示意圖選取掃描圖像上M（M≥10）個(gè)周期結(jié)構(gòu)的間距L作為評(píng)定長(zhǎng)度。評(píng)定長(zhǎng)度可以使用邊緣法測(cè)得，如圖6所示，使用左側(cè)邊沿的間距L1與右側(cè)邊沿的間距L2的平均值計(jì)算，即。也可以使用重心法，如圖7所示。推薦使用重心法。LL圖8重心法測(cè)量柵格間距示意圖柵格間距測(cè)量值按下式計(jì)算（2）式中：P——測(cè)量?jī)x測(cè)量柵格平均間距示值；L——測(cè)量?jī)x測(cè)量柵格圖像上評(píng)定長(zhǎng)度示值；M——測(cè)量?jī)x測(cè)量柵格圖像上評(píng)定長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的周期數(shù)。測(cè)量?jī)x長(zhǎng)度測(cè)量誤差與相對(duì)誤差可分別由式（3）表示：?P式中：?P——干涉式表面形貌測(cè)量?jī)xX或YP——干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x測(cè)量柵格平均間距示值；Pcal6.4XY方向測(cè)量重復(fù)性根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)柵格用于XY方向的重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量方法參見(jiàn)6.3，以10次測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為XY方向重復(fù)性的測(cè)量值。6.5XY方向正交誤差以二維柵格為測(cè)量對(duì)象，將坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)探測(cè)器的中心，如圖9所示。使二維柵格的橫向條紋沿X方向，選取X、Y方向5個(gè)間隔周期以上測(cè)量長(zhǎng)度，用測(cè)量?jī)x測(cè)量此時(shí)柵格圖像上橫向與縱向條紋方向的夾角，與標(biāo)準(zhǔn)樣板實(shí)際校準(zhǔn)值的差，即為XY方向正交誤差：?θ式中：?θ——XY方向正交誤差θ——測(cè)量?jī)x測(cè)量二維柵格的正交角度值，°θs圖9XY方向正交誤差示意圖6.6測(cè)量噪聲將超光滑樣板置于樣品載物臺(tái)，根據(jù)測(cè)量?jī)x的操作規(guī)范，選擇合適的測(cè)量模式以及光源，調(diào)節(jié)儀器直至視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)0.5個(gè)周期的干涉條紋，即視場(chǎng)為全亮或全暗狀態(tài)。再對(duì)樣板同一有效測(cè)量位置連續(xù)做兩次重復(fù)測(cè)量，兩幅表面形貌圖相減可得到差異平面輪廓QUOTEdx，計(jì)算差異平面輪廓的均方根Sq表示為測(cè)量噪聲。Sq=式中：m、n—形貌圖的橫縱方向采樣點(diǎn)；Z（xi，yj）—點(diǎn)（xi，yj）的高度值，nm。7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)經(jīng)校準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x出具校準(zhǔn)證書(shū)，校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)容見(jiàn)附錄C。8復(fù)校時(shí)間間隔校準(zhǔn)時(shí)間間隔，根據(jù)儀器使用情況由用戶自行確定，建議為一年。

附錄A光學(xué)干涉式表面三維形貌測(cè)量?jī)x長(zhǎng)度測(cè)量誤差的不確定度評(píng)定示例光學(xué)干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x（以下簡(jiǎn)稱測(cè)量?jī)x）長(zhǎng)度測(cè)量誤差的不確定度受到放大倍數(shù)、位移掃描系統(tǒng)漂移、光學(xué)系統(tǒng)相差等因素的影響。本附錄為測(cè)量?jī)x進(jìn)行XY方向、Z方向測(cè)量誤差校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定。A.1Z方向校準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定示例A.1.1測(cè)量方法根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階進(jìn)行Z方向的測(cè)量誤差校準(zhǔn)。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，均勻選取十條輪廓線，分別測(cè)量臺(tái)階的高度。以對(duì)標(biāo)稱為44nm的臺(tái)階為例。A.1.2測(cè)量模型根據(jù)測(cè)量方法，用臺(tái)階對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量結(jié)果可以表示為：?式中：?HH——測(cè)量?jī)x測(cè)量臺(tái)階高度的平均值；HcalA.1.3方差和靈敏系數(shù)考慮各分量彼此獨(dú)立，得：u其中：c1=?A.1.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表標(biāo)注不確定度分量ui不確定度來(lái)源標(biāo)準(zhǔn)不確定度值cicu1儀器示值0.4nm10.4nmu2標(biāo)準(zhǔn)樣板1nm-11nm計(jì)算分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定A.1.5.1儀器示值引起的不確定度分量u1A.1.5.1.1干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u11對(duì)樣板測(cè)量10次，分別是44.1nm、44.5nm、43.6nm、44.7nm、44.8nm、44.9nm、44.7nm、44.6nm、45.1nm、44.7nm，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4nmA.1.5.1.2干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x儀器分辨力引入的不確定度分量u12測(cè)量?jī)x讀數(shù)顯示分辨力一般為0.1nm，帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，因此u12=0u1A.1.5.2標(biāo)準(zhǔn)樣板引入的不確定度分量u2根據(jù)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供的證書(shū)，U=2nm，k=2，標(biāo)準(zhǔn)樣板的不確定度分量u2=1nmA.1.6合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc。ucA.1.7擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為U=A.2XY方向校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定示例A.2.1測(cè)量方法根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)選用的物鏡放大倍率，選取相應(yīng)一維柵格進(jìn)行校準(zhǔn)。以對(duì)標(biāo)稱為10μm一維柵格為例A.2.2測(cè)量模型根據(jù)測(cè)量方法，用一維柵格對(duì)干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量結(jié)果可以表示為：?式中：?P——P——測(cè)量?jī)x測(cè)量柵格平均間距示值；PcalA.2.3方差和靈敏系數(shù)考慮各分量彼此獨(dú)立，得：u其中：c1=?A.2.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表標(biāo)注不確定度分量ui不確定度來(lái)源標(biāo)準(zhǔn)不確定度值cicu1儀器示值1.2μm11.2μmu2一維柵格0.018μm-10.018μmA.2.5計(jì)算分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定A.2.5.1儀器示值引起的不確定度分量u1A.2.5.1.1干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u11對(duì)一維柵格測(cè)量10次，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2μmA.2.5.1.2干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x儀器分辨力引入的不確定度分量u12干涉式表面形貌測(cè)量?jī)x讀數(shù)顯示分辨力一般為1nm，帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，因此u12=0u1A.2.5.2標(biāo)準(zhǔn)樣板引入的不確定度分量u2根據(jù)柵格樣板提供的證書(shū)，U=0.035μm，k=2準(zhǔn)樣板的不確定度分量u2=0.018μmA.2.6合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc。ucA.2.7擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為U=k?u

附錄B校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)容及內(nèi)頁(yè)格式B.1校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)容校準(zhǔn)證書(shū)的內(nèi)容應(yīng)排列有序、清晰，一般應(yīng)至少包括下列內(nèi)容:a）標(biāo)題“校準(zhǔn)證書(shū)”；b）實(shí)驗(yàn)室名稱和地址；c）進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)（如果與實(shí)驗(yàn)室的地址不同）；d）證書(shū)或報(bào)告的唯一性標(biāo)識(shí)（如編號(hào)），每頁(yè)及總頁(yè)的標(biāo)識(shí)；e）客戶的名稱和地址；f）被校對(duì)象的描述和明確標(biāo)識(shí)；9）進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性的應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明被校對(duì)象的接收日期；h）如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)抽樣程序進(jìn)行說(shuō)明；i）對(duì)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識(shí)，包括名稱及代號(hào)；j）本次校準(zhǔn)所用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說(shuō)明；k