自动化生产线如何实现10纳米级多层结构厚度高精度在线检测？【非接触测量】

多层结构在现代工业中非常普遍，比如手机屏幕、芯片封装、光学镜片以及新能源电池等。这些产品往往由多层不同材质的薄膜或基板堆叠而成，每一层的厚度都直接影响最终产品的性能和可靠性。因此，对这些纳米级多层结构进行精确的厚度测量，是确保产品质量的关键环节。

被测多层结构的基本特征与技术要求

我们所说的“被测物”通常指由两层或更多层材料组成的复合结构。这些层可以是非常薄的镀膜，也可以是较厚的基板，它们的性质各不相同，可能是透明的（如玻璃、聚合物薄膜、光学胶），也可能是半透明或不透明的（如金属层、陶瓷、涂层、硅晶圆等）。

为了保证这些多层结构的质量，我们需要达到以下技术要求：

• 纳米级精度： 许多现代产品对厚度的要求已经达到了纳米级别，这意味着测量设备必须能够分辨并测量几纳米甚至更小的厚度变化。

• 非接触式测量： 在生产线上，接触式测量可能会对精密工件表面造成损伤或污染，因此非接触式测量是首选。

• 多层同时测量： 对于多层结构，如果能一次性测量出所有层的厚度，将极大提高效率，并有助于分析层间的关系。

• 无需已知折射率： 对于透明材料，传统光学方法常需要输入材料的折射率才能计算物理厚度。如果能摆脱这一限制，将简化操作，并提高对未知材料的测量灵活性。

• 多材质适应性： 设备应能稳定测量各种不同材质（从高反射的镜面到漫反射的粗糙表面，从透明到不透明）的厚度和位移。

• 高速实时检测： 自动化生产线需要传感器能够快速响应，实现对连续生产过程的实时监控。

多层结构厚度监测参数与评价方法简介

在多层结构的质量控制中，通常会关注以下几个核心参数：

• 层厚度 (Layer Thickness)： 这是最基本的参数，指单个材料层的物理厚度。它的测量结果直接反映了材料的加工精度和工艺稳定性。

• 总厚度变化 (Total Thickness Variation, TTV)： 指整个多层结构在不同位置上的最大与最小总厚度之差。就像我们看一个盘子，TTV就是这个盘子最厚的地方和最薄的地方相差了多少，它反映了整体的均匀性。

• 局部厚度波动 (Local Thickness Variation, LTW)： 指在某个较小区域内，厚度的最大与最小变化。这能更精细地反映局部区域的厚度均匀性，对于评估微观缺陷或局部工艺波动非常重要。

• 表面形貌 (Surface Topography)： 包括表面粗糙度 (Ra)、平面度等。这些参数描述了多层结构最外层表面的微观起伏和宏观平整度，对光学性能、结合强度等有重要影响。

这些参数的评价方法通常涉及在被测物表面或内部选取多个测量点，然后通过统计分析计算出平均值、标准差、最大值、最小值等，以全面评估产品的质量。例如，TTV的评价需要遍历整个区域获取多个点的总厚度，然后计算其范围。

实时监测/检测技术方法

对纳米级多层厚度进行精准测量，市场上有多种先进的非接触式技术方案，它们各有利弊，适用于不同的应用场景。

市面上各种相关技术方案

1. 光谱共焦测量技术

工作原理与物理基础：光谱共焦技术利用宽带光源，通过特殊的色散物镜，将不同波长的光聚焦在不同的深度位置。当光束照射到被测物体表面时，只有恰好聚焦在表面的特定波长的光会被强烈反射。反射光通过针孔后被光谱仪接收，通过分析反射光的频谱，确定峰值波长，从而确定被测表面的精确距离。

对于多层透明材料，光线会从每个层界面反射回来，在传感器接收到的光谱中产生多个峰值。通过识别这些峰值，就能同时确定多个层界面的精确空间位置，从而得到各层的厚度。值得一提的是，光谱共焦技术直接测量的是物理空间位置，而不是光程，因此对于透明材料的厚度测量，通常无需事先已知材料的折射率。

核心性能参数：光谱共焦传感器通常能实现纳米级的分辨率，测量范围从数百微米到数毫米不等。高端系统的精度可达亚微米级，采样频率可达数十千赫兹。

优点：* 高精度与高分辨率： 能够实现纳米级的位移和厚度测量。* 无需折射率： 对于透明材料的厚度测量，通常无需已知材料的折射率即可直接输出物理厚度，简化了操作。* 多层测量： 能够同时识别和测量多层透明或半透明材料的厚度。* 多材质适应性： 既能测量透明、半透明材料，也能测量镜面、漫反射表面。* 非接触、非破坏： 不会对被测物造成任何损伤。* 倾角测量能力： 对被测表面的倾斜角度有较好的容忍度。

缺点：* 穿透力限制： 无法穿透完全不透明的材料测量其内部结构。对于多层测量，要求所有被测层在所用波长范围内都是透明或半透明的。* 测量范围与分辨率的权衡： 较大的测量范围通常会导致分辨率略有下降。* 对表面清洁度有要求： 表面灰尘、水汽或油污可能影响测量精度。

2. 共焦激光位移测量技术

工作原理与物理基础：共焦激光位移测量技术使用单色激光，通过可精确移动的聚焦透镜，使激光焦点沿着光轴扫描。当激光束的焦点恰好落在被测物体表面时，反射回来的光线通过针孔，其强度达到最大值并被检测器接收。通过记录此时聚焦透镜的位置，就能确定被测表面的距离。

对于透明或半透明材料的多层结构，当扫描的焦点经过不同的层界面时，会在光谱中产生多个光强峰值，通过这些峰值对应的焦点位置，可以计算出各层之间的距离，从而得出透明材料的厚度。

核心性能参数：分辨率通常可达数纳米，测量范围从几毫米到几十毫米。线性度在满量程的百分之零点几左右，重复精度可达亚微米级。采样速度通常在每秒数万次。

优点：* 高精度与高速度： 在单点测量上能实现非常高的精度和快速响应。* 对各种材料适用： 同样适用于各种反射率的表面，包括镜面和漫反射表面。* 结构相对简单： 相较于光谱共焦，光源通常为单色激光。

缺点：* 多层测量复杂性： 如果需要测量多个层，通常需要通过扫描焦点来实现，可能比光谱共焦一次性识别多峰略显复杂，或者需要更复杂的算法来处理。* 折射率依赖： 传统上，若要将光程差转换为物理厚度，需要已知透明材料的折射率，但一些先进系统通过内部校准或特定算法也能绕过此限制。* 对倾角和粗糙度敏感： 相比光谱共焦，有时可能对表面倾角和粗糙度更敏感。

3. 红外吸收测量技术

工作原理与物理基础：红外吸收测量是一种利用材料对特定波长红外光的吸收特性来测量厚度的方法。系统发射特定波长的红外光穿透透明薄膜或涂层，接收器测量透射光的强度。通过分析透射光强度的衰减，可以计算出薄膜的厚度。

物理基础： 主要基于朗伯-比尔定律，它描述了光线穿过均匀介质时的吸收规律。

核心性能参数：分辨率通常在亚微米到微米级别，测量范围典型为几微米到几毫米的薄膜。测量精度较高，并且能够实现高速测量，适合在线连续生产线。

优点：* 高速在线测量： 响应速度快，非常适合生产线上薄膜的连续厚度监测。* 非接触、非破坏： 不会对薄膜造成损伤。* 穿透能力： 能够穿透某些在可见光下不透明但在特定红外波段透明的材料。* 对聚合物薄膜适用性强： 广泛应用于塑料薄膜、涂层等行业。

缺点：* 材料依赖性： 仅适用于对红外光有特定吸收峰的材料，需要针对不同材料进行校准。* 无法测量多层界面： 主要是测量总厚度，难以区分多层结构的各个界面厚度。* 对材料均匀性有要求： 如果材料内部吸光物质分布不均匀，会影响测量精度。

4. 太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术

工作原理与物理基础：太赫兹时域光谱技术发射太赫兹脉冲，这些脉冲能够穿透许多在可见光下不透明的非极性材料，而不会引起电离损伤。

当太赫兹脉冲穿透多层材料时，每经过一个不同的介质界面，就会有一部分脉冲被反射回来。系统通过高精度地测量这些反射或透射脉冲的时间延迟和振幅变化，来分析材料的内部结构。通过精确测量从各个层界面反射回来的脉冲之间的时间差，就可以计算出各层的物理厚度。

物理基础： 主要基于电磁波在介质中的传播原理。

核心性能参数：测量范围典型为几十微米至数毫米，分辨率可达微米级，扫描速度高，适用于在线检测。

优点：* 强大穿透性： 能够穿透许多传统光学方法难以处理的非极性、非金属材料，测量其内部结构和厚度。* 非破坏性： 对材料无损伤。* 多层测量： 能够区分并测量多层结构中各层的厚度。* 同时获取材料参数： 很多系统可以同步测量材料的太赫兹折射率和吸收系数。* 对湿度不敏感： 太赫兹波在水汽中的吸收相对较小，适合在普通环境中使用。

缺点：* 对材料类型有选择性： 对金属等强吸收材料穿透力差，不适用于所有“不透明”材料。* 分辨率相对较低： 相较于可见光波段的光谱共焦和白光干涉，其分辨率通常在微米级别，难以达到纳米级。* 设备成本高： 太赫兹设备通常较为昂贵和复杂。

市场主流品牌/产品对比

接下来，我们将对比一些在多层厚度测量领域具有代表性的品牌及其技术方案：

• 德国米铱 (采用光谱共焦测量技术)

  • 核心性能参数：其产品测量范围最高可达28毫米，分辨率可达2纳米，线性度在±0.3微米左右，重复精度可达0.05微米，测量速率最高可达70千赫兹。

  • 应用特点与独特优势：米铱以其在精密传感器领域的深厚技术积累和极致的测量精度而闻名，特别擅长测量极薄的透明膜层和复杂的多层玻璃结构。

• 日本基恩士 (采用共焦激光位移测量技术)

  • 核心性能参数：测量范围通常在±0.5毫米至±20毫米之间，分辨率可达5纳米，线性度±0.05%满量程，重复精度0.02微米（单层厚度），采样速度高达64千赫兹。

  • 应用特点与独特优势：日本基恩士的产品以高精度、高速测量能力著称，能够有效测量玻璃、薄膜等多种透明材料的多层厚度。

• 奥地利科伯格 (采用太赫兹时域光谱技术)

  • 核心性能参数：测量范围通常为50微米至数毫米，分辨率可达1微米，并具备高速扫描能力，适合在线检测。

  • 应用特点与独特优势：奥地利科伯格的太赫兹技术具有强大的材料穿透性，能够检测许多传统光学方法无法穿透的非极性透明或半透明材料的内部结构和各层厚度。

• 美国恩迪西科技 (采用红外吸收测量技术)

  • 核心性能参数：其系统测量范围典型适用于几微米至几毫米的薄膜，分辨率可达到0.1微米至1微米级别，测量精度优于0.25%，测量速度快，非常适合在线连续生产线应用。

  • 应用特点与独特优势：美国恩迪西科技的红外吸收系统专为薄膜挤出和涂层行业设计，能够高效、稳定地测量多种聚合物薄膜的厚度。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为纳米级多层厚度测量选择合适的设备或传感器时，需要综合考虑多个技术指标，因为它们直接影响测量结果的准确性、效率和适用性。

• 分辨率： 传感器能识别的最小距离变化。纳米级分辨率意味着传感器能“看到”极其微小的厚度变化，对于测量超薄膜层或微小形貌至关重要。

• 精度和线性度：

  • 精度： 测量结果与真实值之间的接近程度。

  • 线性度： 传感器在整个测量范围内输出与实际输入之间关系的准确性。对于需要长期稳定、可靠测量并避免系统误差的应用，高精度和优异的线性度是确保数据可靠性的基石。

• 测量范围（量程）： 传感器能测量的最大和最小距离。选择时要确保量程能覆盖所有待测层的总厚度，以及单个层的预期厚度范围。

• 采样频率/测量速率： 传感器每秒能进行多少次测量。在自动化生产线上，高采样频率是保证足够数据点来全面评估产品质量的关键。

• 光斑尺寸： 传感器光束打到物体表面形成的光点大小。光斑越小，测量到的细节就越精细，空间分辨率越高。对于测量微小结构、狭窄区域或要求高空间分辨率的表面特征，极小的光斑尺寸是不可或缺的。

• 多层测量能力： 传感器能同时识别和测量的层数。如果被测物是多层堆叠结构，传感器是否能一次性识别所有目标层并给出它们的厚度，将极大简化测量流程，提高效率，并有助于分析层间的相互关系。

• 材质适应性： 传感器能够测量的材料种类。有些传感器只适合测量漫反射表面，有些则能处理镜面、透明、甚至半透明材料。确保传感器能应对所有被测材料的特性，特别是对于透明材料，要确认它是否无需已知折射率即可测量。

选型建议：

• 对于极高精度和多层透明材料测量： 优先考虑光谱共焦或白光干涉技术。如果“无需已知折射率”是核心需求，光谱共焦通常是更直接的选择。

• 对于在线高速薄膜厚度测量： 红外吸收或光谱共焦是常用方案。此时应侧重传感器的测量速度、对特定材料的适应性以及在工业环境下的稳定性。

• 对于可见光下不透明但需要测量内部结构的多层复合材料： 太赫兹时域光谱技术可能更合适，因为它具有更强的穿透性。

• 对于狭小空间或复杂形状测量： 关注探头的物理尺寸、光斑尺寸以及最大可测倾角。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能有效保障测量工作的顺利进行。

• 问题一：测量结果受表面倾斜角度影响。

  • 原因与影响： 大多数光学传感器在测量时，对被测表面的倾斜角度有一定的要求。如果表面倾斜过大，反射光可能无法有效返回到传感器接收器，导致信号丢失、测量值不稳定或根本无法测量。

  • 解决建议：

    1. 选用具有大倾角测量能力的传感器： 某些光谱共焦传感器型号支持更大的倾角测量。

    2. 优化工件固定与传感器姿态： 通过使用高精度工装夹具来精确固定工件，或利用多轴运动平台调整传感器探头的角度，使被测表面尽可能垂直于传感器光轴。

    3. 使用多角度探头： 对于难以调整的侧面、内壁或深孔内部结构，可选用90度出光探头，以适应复杂形貌的测量。

• 问题二：透明材料内部气泡或杂质导致测量不稳定。

  • 原因与影响： 在透明或半透明材料内部存在气泡、划痕、杂质或不均匀结构时，它们会形成额外的反射界面或散射点，干扰传感器接收到的正常光信号。

  • 解决建议：

    1. 提升材料生产工艺： 从源头控制，优化材料的生产工艺流程，减少内部缺陷的产生。

    2. 利用高级信号处理算法： 大多数传感器都内置了数据滤波功能和极值处理等高级算法，可以帮助过滤掉由缺陷引起的干扰信号，提高测量数据的稳定性。

    3. 多次测量并取平均值： 通过在同一位置进行多次测量或在多个相邻位置进行测量，然后取其平均值，可以有效减少随机误差的影响。

• 问题三：不同材质或表面粗糙度差异大，影响通用性。

  • 原因与影响： 不同的材料对光的反射率、吸收率和散射特性差异巨大，表面的粗糙程度也会显著影响反射光的强度和方向。

  • 解决建议：

    1. 选择多材质适应性强的传感器： 优先选择明确说明可稳定测量多种材质的传感器，光谱共焦技术在这方面通常表现优异。

    2. 调整光源功率或检测增益： 在传感器软件中，根据不同材料的反射特性，灵活调节光源的强度或信号接收的增益，以确保获得最佳的信号质量。

    3. 使用可视化功能辅助调试： 一些高端传感器配备了可视化测量功能，能够实时观测测量光斑的位置和信号强度，这可以帮助操作者更直观、更高效地进行参数调整和优化。

• 问题四：在线测量速度与精度难以兼顾。

  • 原因与影响： 在高速自动化生产线上，传感器需要在极短时间内完成测量并输出结果，这可能与实现高精度所需的数据采集量和处理时间产生矛盾。

  • 解决建议：

    1. 选择高采样频率的传感器： 确保所选传感器本身具备极高的采样频率，这是满足高速在线测量需求的基础。

    2. 优化数据处理算法： 充分利用传感器内置的高效数据处理功能，在保证测量精度的前提下提高数据处理速度。

    3. 分段测量或局部精测： 对于要求超高精度的关键区域，可以考虑在这些位置进行较慢的局部精测；对于非关键或变化不大的区域，则可采用较高速度进行宏观监测。

    4. 采用多通道/多探头系统： 如果测量区域较大或需要同时监测多个点，可以通过配置多个探头进行并行测量，这样既能提高整体的测量效率，又能确保单个测量点的精度不受影响。例如，英国真尚有提供支持1-8个通道的光谱共焦位移传感器，最多可控制8个探头，实现多点同步测量，其EVCD系列光谱共焦位移传感器，采样频率最高可达33,000Hz。

应用案例分享

多层厚度纳米级精准测量技术广泛应用于多个高科技领域：

• 3C电子产品制造： 在智能手机、平板电脑和可穿戴设备的生产中，光谱共焦传感器用于精确测量多层屏幕的厚度以及各层之间的间隙，确保产品装配精度和显示效果。例如，英国真尚有的光谱共焦传感器可用于手机摄像头、显示屏的多层玻璃厚度测量。

• 半导体晶圆检测： 在半导体制造过程中，对硅晶圆的厚度、平整度、以及多层光刻胶或介质膜的厚度进行纳米级测量，对于控制刻蚀均匀性、缺陷检测和最终芯片性能至关重要。

• 精密光学元件生产： 用于高精度测量光学镜片的厚度、表面形貌和多层光学镀膜的厚度，确保其光学性能符合设计要求，广泛应用于摄像头模组、AR/VR设备等。

• 新能源电池制造： 在锂离子电池的生产线上，用于精确检测电极涂层、隔离膜以及多层封装材料的厚度一致性，这直接影响电池的能量密度、循环寿命和安全性。英国真尚有的光谱共焦传感器，可用于锂电池封边厚度、铜箔厚度、石墨导热膜厚度一致性测量。