如何在高速生产线对多层/透明超薄薄膜实现纳米级非接触在线厚度测量？【光谱共焦, 白光干涉技术】

1. 超薄薄膜的基本结构与技术要求

想象一下，我们正在制造一块智能手机的屏幕玻璃，或者一个半导体芯片上的绝缘层。这些薄膜的厚度可能只有头发丝的几百分之一，甚至更薄，达到纳米级别。在半导体和光学领域，这些“超薄薄膜”不仅仅是薄，它们承载着电学、光学或保护功能，是产品性能的关键。

被测物：超薄薄膜

• 结构特点： 超薄薄膜通常以单层或多层结构存在，附着在基底（如硅晶圆、玻璃基板）上。这些膜层可以是透明的、半透明的、不透明的，或者有镜面反射特性的，材质多样，包括金属、氧化物、聚合物等。每一层都必须精确控制其厚度，因为哪怕是几个纳米的偏差，都可能导致产品性能下降，甚至功能失效。

• 技术要求：

  • 非损伤性： 薄膜极其脆弱，任何接触都可能对其表面或内部结构造成物理损伤，影响其功能。所以，测量必须是非接触的。

  • 纳米级精度： 既然是“纳米级”薄膜，测量精度自然也需要达到纳米级别，才能有效监控生产过程。

  • 实时性： 在高速生产线上，需要快速、实时地获取厚度数据，以便及时调整工艺参数，避免大批量废品。

  • 多材质和多层适应性： 能够测量不同光学特性（透明、不透明、反射）的材料，并且能区分和测量多层结构中每一层的厚度。

  • 稳定性与可靠性： 在工业现场环境下，抗干扰能力强，长时间运行也能保持测量结果的稳定和可靠。

2. 超薄薄膜的相关技术标准简介

针对超薄薄膜的质量控制，业界通常会关注一系列关键参数。这些参数的定义和评价方法，旨在确保薄膜的性能符合设计要求。

• 膜厚 (Thickness)： 这是最核心的参数，指薄膜垂直于其表面的几何尺寸。评价方法通常是通过非接触光学方法，测量薄膜上、下表面位置，然后计算两者之间的距离。对于透明薄膜，还需要考虑其折射率对光路的影响。

• 总厚度变化 (Total Thickness Variation, TTV)： 指薄膜在整个测量区域内最大厚度与最小厚度之差。它反映了薄膜整体的均匀性。评价方法通常是扫描整个薄膜表面，获取一系列厚度点，然后计算其最大值和最小值。

• 局部厚度波动 (Local Thickness Variation, LTV/LTW)： 关注薄膜在局部区域内的厚度变化，比TTV更能体现微观的不均匀性。评价方法是在特定小区域内进行高密度采样，分析其厚度波动情况。

• 表面粗糙度 (Roughness)： 描述薄膜表面的微观高低起伏程度。常见的评价参数有算术平均偏差(Ra)和均方根偏差(Rq)。高精度测量仪器能够通过分析表面反射光的变化来评估表面粗糙度。

• 平面度 (Flatness)： 描述薄膜表面相对于理想平面的偏离程度，对于半导体晶圆、光学镜片等尤为重要。评价方法是获取表面三维数据点，然后拟合一个参考平面，计算各点到参考平面的最大偏差。

• 层间间距 (Layer Spacing)： 对于多层薄膜，指相邻两层薄膜之间的距离。评价方法是识别不同层界面的位置，并计算其间距。

3. 实时监测/检测技术方法

实现超薄薄膜的纳米级实时厚度测量，需要依赖先进的非接触光学技术。目前市场上有多种主流技术方案，各有特点。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 光谱共焦法 (Spectroscopic Confocal Method)

光谱共焦法，也常被称为色散共焦法或色谱共焦法，是解决透明和多层薄膜厚度测量问题的一种非常有效且流行的非接触式光学技术。

工作原理：想象一下，我们有一束包含各种颜色（波长）的光，就像彩虹一样，射向一个特殊设计的透镜。这个透镜有个特别之处，它对不同颜色的光有不同的聚焦能力，这就是所谓的“色差”。红光可能聚焦在远一点的位置，蓝光可能聚焦在近一点的位置。这样，从这个透镜出来，不同颜色的光会在空间中形成一连串的焦点，就像一个彩色的焦点“标尺”。

当这束“彩色标尺”光线照射到待测薄膜表面时，如果薄膜表面恰好位于某个特定颜色的焦点上，那么这束特定颜色的光就会被反射回来，并沿着原路返回传感器。传感器内部有一个小孔（叫做共焦针孔）和一个光谱仪。只有那些完美聚焦在薄膜表面并反射回来的特定颜色光线，才能穿过这个小孔，被后面的光谱仪探测到。

对于一个透明薄膜，光线会同时从薄膜的顶部表面和底部表面反射回来。当顶部表面处于某个波长的焦点时，对应的反射光就会被检测到；当底部表面处于另一个波长的焦点时，对应的反射光也会被检测到。通过分析接收到的光谱信号中不同波长的峰值位置，我们就能精确知道顶部和底部表面各自所处的空间位置。

物理基础：光谱共焦法的物理基础主要建立在色散原理和共焦原理之上。

• 色散原理 (Chromatic Dispersion)： 使用宽带光源（如白光LED或彩色激光）和具有轴向色差的物镜。物镜的色差使得不同波长的光在光轴上具有不同的焦点位置。 焦点位置 z 与波长 λ 之间存在一个映射关系 z = f(λ)。

• 共焦原理 (Confocal Principle)： 只有当被测物表面恰好位于物镜的焦点上时，其反射光才能通过共焦针孔，被探测器接收到。这有效地抑制了离焦光线的干扰，提高了轴向分辨率。

对于一个透明薄膜，传感器会探测到两个或多个反射峰，分别对应薄膜的不同界面。假设测得的两个界面的光学距离分别为 Z1 和 Z2。则薄膜的光学厚度 (Optical Path Difference, OPD) 为 OPD = Z2 - Z1。

由于光线在不同介质中传播速度不同，我们需要引入材料的折射率 (Refractive Index, n) 来计算几何厚度 (Geometric Thickness, t)。几何厚度 t = (Z2 - Z1) / n = OPD / n。其中，Z1 和 Z2 是通过波长-距离映射关系 z = f(λ) 从检测到的峰值波长 λ1 和 λ2 计算出来的空间距离。

某些先进的光谱共焦系统可以智能地分析反射光谱的特征，甚至在一定条件下无需预先输入折射率就能自动补偿或计算出薄膜的几何厚度。这通常通过测量不同波长下反射信号的相位或强度变化来实现，或者利用了特定光谱吸收特性来推断材料属性，从而实现“无需已知折射率即可直接测量”的便利性。

核心性能参数的典型范围：

• 分辨率： 通常可达1纳米 (nm) 甚至更高。

• 精度： 微米级到亚微米级，例如±0.01 μm。

• 测量速度： 可达数万赫兹 (kHz)，实现实时高速测量。

• 光斑尺寸： 最小可达2μm，一般在数微米到数十微米之间。

技术方案的优缺点：

• 优点： 非接触、非损伤，对多种材质适应性强；能测量复杂形状；具有多层测量能力；高精度和高重复性；测量速度快，适用于在线检测；抗干扰能力强。一些高端型号能够测量弧面、深孔、斜面等复杂形貌，最大可测倾角可达87°(漫反射表面)。

• 局限性： 测量透明材料时，如果薄膜过薄（例如低于5μm），上下表面反射信号可能重叠导致难以区分；对薄膜材料的光学特性（如透明度）有一定要求；设备成本相对较高。

• 适用场景： 半导体晶圆厚度、沟槽深度、多层结构测量；光学镜片厚度、平面度；3C电子产品显示屏、摄像头模组的多层玻璃厚度；新能源电池材料的薄膜厚度。

3.1.2 白光干涉法 (White Light Interferometry)

工作原理：白光干涉法有点像我们玩“对镜子”游戏，但它用的是“宽带白光”。传感器会发射一束白光，把它分成两路，一路射向被测薄膜表面，另一路射向一个精确的参考镜面。当这两路光反射回来，并在探测器前重新汇合时，如果它们的路径长度（光程）差别很小（在光的“相干长度”范围内），就会发生干涉，形成明暗相间的条纹。对于透明薄膜，白光会从薄膜的顶面和底面分别反射，产生多组干涉条纹。通过分析这些干涉条纹的峰值位置和形状，我们就能精确地计算出薄膜的厚度。

物理基础：白光干涉仪通常采用迈克尔逊或米劳干涉仪的结构。当两束光（一束来自被测表面，一束来自参考镜）的光程差 ΔL 在光源的相干长度之内时，会产生清晰的干涉条纹。白光光源的相干长度非常短。干涉强度 I(ΔL) = I_background + I_modulation * cos(k * ΔL)，其中 k = 2π / λ_mean 是平均波数。通过扫描参考镜或被测表面，找到干涉强度峰值对应的位置，就可以确定薄膜的表面位置。对于透明薄膜，会检测到两个或更多干涉峰，通过计算它们之间的距离并结合折射率来确定厚度。对于垂直分辨率 ΔZ，白光干涉法可以达到极高的精度。

核心性能参数的典型范围：

• 垂向分辨率： 通常可达到亚纳米甚至小于0.1纳米。

• 垂向测量范围： 一般在数十微米到数百微米之间。

• 视场： 毫米级到厘米级，通常进行区域测量。

技术方案的优缺点：

• 优点： 极高的垂向分辨率，在表面形貌和超薄膜测量方面具有无与伦比的精度；非接触、非损伤；能够获取整个测量区域的3D形貌数据。

• 局限性： 对环境振动非常敏感，需要稳定的测量环境；测量速度相对较慢，不适合所有高速在线检测；对被测物表面有一定要求，如需具备一定的反射率；设备成本通常较高。

• 适用场景： 研发实验室中的精密测量，超光滑表面的粗糙度、形貌测量，微米级薄膜的厚度和多层结构分析，如半导体晶圆、光学镜片、MEMS器件。

3.1.3 激光三角测量法 (Laser Triangulation)

工作原理：激光三角测量法可以想象成用“尺子”量距离，但这把“尺子”是光的。传感器会发射一束非常细的激光束到被测薄膜表面，这束光在表面形成一个小亮点。从这个亮点反射回来的光线，会被传感器内部的一个接收镜头接收，并投影到一个光敏元件（比如CMOS图像传感器）上。当薄膜表面高度发生变化时，反射光斑在光敏元件上的位置也会随之移动。通过精确测量光斑的移动距离，结合传感器内部的光学几何关系，就能计算出薄膜表面的高度。

物理基础：激光三角测量基于简单的几何三角原理。激光器发射的光束照射到被测物表面 P 点，反射光经过接收透镜 L，聚焦到位置敏感探测器 PSD (或CMOS/CCD) 上的 P' 点。当被测物高度发生变化 Δh 时，反射光斑在探测器上的位置会移动 Δx。根据几何关系：Δh = (L * Δx) / (f + Δx * sinθ) 或简化为 Δh ≈ (L/f) * Δx，其中 L 是基线距离，f 是接收透镜焦距，θ 是投影角度。对于透明薄膜，优化后的激光三角传感器可以尝试识别来自顶部和底部表面的微弱反射信号，通过计算这两个信号对应的位置来测量厚度，但通常需要更复杂的算法和更高的信号处理能力。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 数毫米到数百毫米。

• 重复精度： 可达0.005微米 (μm) 至数微米。

• 测量速度： 极快，可达数十万赫兹 (kHz)。

• 光斑尺寸： 数十微米。

技术方案的优缺点：

• 优点： 测量速度快，适合高速在线检测；对各种漫反射表面有良好的适应性；结构相对简单，成本适中；可在一定倾角下测量。

• 局限性： 对透明和镜面材料的测量能力较弱，容易受到反射光干扰或穿透，难以区分薄膜的不同界面；容易产生光学阴影效应，不适合深孔或陡峭侧壁测量；精度通常低于光谱共焦和白光干涉。

• 适用场景： 物体轮廓测量、尺寸检测、位移测量、粗糙表面高度检测，在需要高速度但对透明薄膜厚度要求不极致的场合有应用。

3.1.4 线激光扫描法 (Line Laser Scanning)

工作原理：线激光扫描法是激光三角测量的一个“升级版”，它不再投射一个点，而是投射一条激光线到被测薄膜表面。这条激光线在薄膜表面形成一个高亮度的轮廓线。传感器内部的高分辨率相机则实时捕捉这条轮廓线的形状。当被测薄膜表面有起伏或高度变化时，这条轮廓线在相机图像中也会发生变形。通过分析图像中轮廓线的形状，结合激光三角测量的原理，就能一次性获得薄膜上这条线上的所有高度信息，形成一个2D截面轮廓。通过移动薄膜或传感器，可以快速扫描整个薄膜表面，构建出3D形貌和厚度数据。

物理基础：与点激光三角测量类似，但将点扩展为线。一条激光线投影到被测表面，表面上的每个点都遵循三角测量原理。相机捕捉激光线的图像，通过图像处理算法识别激光线在传感器上的位置，进而计算出每个点的Z轴高度。对于透明材料，该方法也能尝试识别来自顶面和底面的两条激光线，通过计算这两条线之间的垂直距离来获取厚度。

核心性能参数的典型范围：

• Z轴测量范围： 数毫米到数十毫米。

• Z轴重复精度： 数微米。

• X轴分辨率： 数十微米到数百微米（沿激光线方向）。

• 扫描速度： 可达数千赫兹。

技术方案的优缺点：

• 优点： 能够快速获取整个区域的2D轮廓或3D形貌数据；非接触、非损伤；适合大型、复杂形状工件的尺寸和轮廓测量。

• 局限性： Z轴精度通常低于点式光谱共焦或白光干涉仪；对透明或镜面材料的测量仍有挑战，尤其是在区分多层薄膜方面，除非有特殊优化；容易受环境光干扰；数据量大，对计算处理能力有要求。

• 适用场景： 大型平面材料的平整度、翘曲度检测；复杂零部件的3D轮廓测量；生产线上产品的尺寸一致性检测。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在全球光学测量领域有影响力的品牌及其采用的技术方案。

• 德国微米测量技术 (采用光谱共焦法) 德国微米测量技术在共焦色散测量领域拥有深厚积累。其产品如optoNCDT 2402 TH系列，通过发射宽带白光，利用色散效应实现不同波长光在不同距离聚焦，从而精确测量透明工件的上下表面位置并计算厚度。该系统通常能补偿折射率对厚度测量的影响。其优势在于高度集成，易于安装和校准，适用于多种透明和多层材料的在线高精度测量。在厚度测量方面，精度通常在微米级，而单点位移测量可达纳米级，测量速度可达数百赫兹至千赫兹，光斑尺寸为数微米至数十微米。

• 美国赛高 (采用白光干涉法) 美国赛高是光学计量领域的领导者，其ZeGage Pro等产品采用白光干涉法。该方法利用宽带光源和干涉原理，通过分析干涉条纹的峰值位置和相位信息，实现对透明材料的高精度厚度测量。美国赛高的产品在垂向分辨率方面表现卓越，可达到小于0.1纳米的水平，适用于对表面粗糙度、形貌和超薄膜厚度有极致精度要求的研发和质控环境。其系统配备强大的软件分析功能，但通常测量范围较小，且对环境稳定性有较高要求。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士作为自动化传感器领域的知名品牌，其LK-G5000系列激光位移传感器在高速测量方面表现突出。该系列采用激光三角测量原理，通过发射激光束并接收反射光斑位置变化来测量距离。对于透明工件，日本基恩士通过先进的算法和高速采样能力，能够识别并处理来自透明材料顶部和底部的微弱反射信号，结合折射率计算厚度。它的重复精度可高达0.005微米，测量速度高达 392 kHz，光斑尺寸小至数十微米，非常适合高速生产线上的在线厚度检测，且具有良好的环境适应性。

• 加拿大LMI Technologies (采用线激光扫描法) 加拿大LMI Technologies专注于3D智能传感器领域，其Gocator® 2300系列智能3D线激光传感器是其代表产品。该系列通过投射一条激光线到工件表面，并使用高分辨率相机捕捉轮廓，实现快速的3D轮廓测量。对于透明材料，加拿大LMI Technologies能够识别并分别处理来自顶部和底部表面的反射光线，并通过专有算法计算厚度。这种方法能够提供整个线段上的厚度数据，特别适用于生产线上的全尺寸透明工件检测。其Z轴重复精度可达数微米，扫描速度可达数千赫兹。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为超薄薄膜测量选择合适的设备时，除了技术原理，以下几个关键指标的实际意义和影响需要您仔细权衡：

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义： 指传感器能够识别的最小高度变化量。例如，1nm分辨率意味着传感器可以检测到1nm的高度差异。

  • 影响： 直接决定了测量结果的精细程度。如果目标是纳米级薄膜，则分辨率必须至少达到纳米级才能满足要求。分辨率不足会导致微小厚度变化无法被察觉，影响产品质量控制。

  • 选型建议： 对于超薄薄膜（如小于100纳米）的测量，选择亚纳米甚至0.1纳米分辨率的设备（如白光干涉仪）更合适；对于微米级薄膜，1纳米分辨率的光谱共焦传感器通常可以满足。

• 精度 (Accuracy) 和重复性 (Repeatability)：

  • 实际意义： 精度指测量结果与真实值之间的符合程度；重复性指在相同条件下，多次测量同一位置结果的一致性。

  • 影响： 精度低会导致测量结果失真，无法准确反映薄膜的真实厚度；重复性差则意味着测量结果不稳定，难以信任，不适合生产过程监控。

  • 选型建议： 生产线上的质量控制通常更看重重复性，因为这意味着测量结果的稳定可信。高精度和高重复性的设备是首选，特别是对于半导体和光学元件。某些光谱共焦位移传感器线性精度最高可达±0.01%F.S.，特定型号如Z27-29精度可达±0.01μm，可以满足严苛的精度要求。

• 测量速度 (Sampling Frequency)：

  • 实际意义： 指传感器每秒钟可以进行多少次测量。

  • 影响： 决定了测量系统能否满足生产线的节拍要求。速度慢的设备只能用于离线抽检，无法进行实时在线全检，可能导致生产效率低下或无法及时发现问题。

  • 选型建议： 对于高速生产线，需要选择采样频率高达数万赫兹（如光谱共焦法或激光三角测量法）的传感器，以实现实时在线监控。例如，英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器，采样频率最高可达33,000Hz。

• 最小可测厚度 (Minimum Measurable Thickness)：

  • 实际意义： 指传感器能够可靠区分的薄膜的最小厚度。

  • 影响： 直接决定了传感器是否适用于特定厚度范围的薄膜。如果薄膜比最小可测厚度更薄，传感器可能无法区分其上下表面。

  • 选型建议： 针对超薄薄膜，务必关注此参数。例如，英国真尚有EVCD系列最小可测厚度为5μm，一些更专业的干涉仪能测更薄的薄膜。

• 光斑尺寸 (Spot Size)：

  • 实际意义： 测量光束在被测物表面形成的光点大小。

  • 影响： 光斑尺寸越小，空间分辨率越高，能够测量越精细的结构（如微小缺陷、窄沟槽或微孔内部）。光斑过大会导致测量结果是多个点的平均值，无法反映局部细节。

  • 选型建议： 测量微纳结构或需要高空间分辨率时，应选择光斑尺寸小的传感器。例如，英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器，最小光斑尺寸可达2μm。

• 多层测量能力和材质适应性：

  • 实际意义： 能否识别和测量多层薄膜中每一层的厚度，以及能否稳定测量不同透明度、反射率的材料。

  • 影响： 如果薄膜是多层结构，且需要控制每一层的厚度，则具备多层测量能力的传感器是必需的。材质适应性则决定了传感器是否能广泛应用于不同产品线。

  • 选型建议： 对于透明或半透明的多层薄膜，光谱共焦法是理想选择。对于不透明或金属薄膜，各种光学方法都能适用。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器可稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，单次测量最多可识别5层不同介质。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了最合适的传感器，也可能遇到一些挑战。

1. 问题：环境振动或温度变化影响测量稳定性

   • 原因与影响： 高精度光学测量对环境非常敏感。振动可能导致传感器与工件之间的相对位置发生微小变化，引起测量数据波动。温度变化可能导致工件膨胀或收缩，或影响传感器内部光学元件的稳定性，从而引入误差。

   • 解决建议：

     • 振动隔离： 在设备下方安装专业的防震台或气浮平台，隔离地面振动。

     • 环境控制： 将测量设备置于恒温恒湿的洁净间中，避免剧烈温度波动。

     • 传感器补偿： 选择带有内置温度补偿或高鲁棒性算法的传感器，以减轻环境影响。

2. 问题：被测薄膜表面特性不一致（如局部粗糙度、颜色、透明度变化）导致测量困难

   • 原因与影响： 薄膜表面局部可能存在划痕、污染、颜色不均或透明度差异，这些都会影响光的反射或穿透特性，导致传感器信号不稳定，甚至无法正确识别表面。

   • 解决建议：

     • 清洁工件： 确保测量前工件表面清洁，无灰尘、油污等。

     • 多材质适应性传感器： 选择对多种材质和表面特性有良好适应性的光谱共焦传感器。

     • 多模式测量： 结合多种测量模式（如位移模式、厚度模式）进行综合分析，或采用图像辅助定位，确保测量光斑落在目标区域。

     • 算法优化： 利用传感器内置的数据滤波和优化功能（如高斯滤波、中值滤波），去除异常数据点。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器内置高斯滤波、中值滤波、滑动平均、极值处理等数据优化功能。

3. 问题：高速在线测量时数据量过大，处理延迟

   • 原因与影响： 现代生产线速度快，高采样频率的传感器会产生大量数据。如果数据传输和处理能力不足，可能导致数据堆积，无法实现真正的实时反馈和控制，影响生产效率。

   • 解决建议：

     • 高性能控制器： 选择具有多通道、高速通信接口（如以太网、Modbus TCP）和强大处理能力的控制器。

     • 边缘计算： 在传感器或控制器层面进行部分数据预处理和特征提取，减少传输到上位机的数据量。

     • 优化软件： 使用高效的数据处理算法和可视化编程环境，缩短开发周期，提高数据处理效率。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器提供可视化编程功能，大幅缩短开发周期。

     • 合理采样： 根据实际需求，调整采样频率，避免不必要的过采样。

4. 应用案例分享

• 3C电子产品制造： 在智能手机屏幕组装中，对多层玻璃盖板的每一层厚度和胶水层厚度进行纳米级检测，确保屏幕显示效果和触摸灵敏度。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器适用于手机摄像头、显示屏、电子板漆测高等3C电子领域的应用。

• 半导体晶圆生产： 实时监控硅晶圆上的氧化层、光刻胶层或金属沉积层的厚度和均匀性，对于芯片制造的良率和性能至关重要。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器适用于晶圆厚度、平整度、沟槽深度、倾斜度检测等半导体领域的应用。

• 光学元件加工： 精密测量AR/VR眼镜镜片、车载HUD镜片等光学元件的曲率半径、厚度公差和平面度，保证其光学性能。

• 新能源电池制造： 检测锂电池正负极涂覆层、隔膜的厚度一致性，以及铜箔、铝箔的厚度和平整度，直接影响电池的能量密度和安全性。英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器适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等新能源领域的应用。

• 精密机械零件加工： 测量微型孔洞的深度、台阶高度差以及涂层厚度，确保机械零件的装配精度和功能可靠性。

在选择超薄薄膜测量设备时，没有绝对的“最佳”方案，只有最适合您特定需求的方案。希望本文能帮助您更全面地了解各种技术的优缺点，并根据您的实际应用场景，选择最合适的测量设备，从而提升产品质量和生产效率。