CN111133273A - 表面轮廓测量仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面轮廓测量仪器(1)以及测量衬底(13)的表面轮廓的方法。所述表面轮廓测量仪器(1)包括：电磁探头(8)，该电磁探头(8)包括能操作成使其接近待测量的衬底(13)的表面的探头尖端；驱动单元(2)，该驱动单元能操作成产生穿透衬底(13)的表面的低频磁场；拾磁单元(3)，该拾磁单元能操作成检测磁场强度并输出磁场强度读数；以及计算单元(4)，该计算单元能操作成基于磁场强度读数确定表面轮廓测量值。

Description

表面轮廓测量仪器及方法

技术领域

本发明涉及表面轮廓测量仪器以及测量衬底的表面轮廓的方法。

背景技术

衬底的表面轮廓(又称表面粗糙度)能够决定衬底的许多重要特性，包括衬底的摩擦系数和粘附难易性。因此，确定衬底表面轮廓的测量值十分有益。

当前存在几种用于测量衬底表面轮廓的技术，所有这些技术都有相关缺陷。

拓制带涉及使用可压缩泡沫来获取表面印记，然后用测微计来测量该印记。这种技术可能存在导致测量误差的问题。此外，不会自动电子记录测量值。

基于触控笔的仪器在表面上拖动细针并伴随其移动测量细针的挠度。这类仪器极易受振动影响，并且细针很快就会磨损。此外，无法保证细针到达表面上的谷底。

针形探头使用细针对表面上的槽谷采取单独的深度测量。但无法确保细针到达所测每个槽谷的谷底。

最后，测量大面积表面时，这三种技术都相对较慢。

一种上述建议的替代技术是使用高频(MHz)电磁探头在衬底表面中产生涡流。这种涡流受到表面轮廓的影响，因此由涡流产生的磁场强度能够对表面轮廓给予测量。尽管这种技术能够加快测量大面积表面轮廓的速度(因涉及在部分表面中产生并测量磁场的速度)，但仍存在几点问题，包括对衬底材料的电导率和透磁率变化的高度敏感性和衬底的几何形状对所产生的涡流影响巨大。因此，该技术的信噪比较低，这意味着它不太益于利用较小表面轮廓测量值测量更平滑的表面。

由于上述问题，通常不会采用该技术来测量表面轮廓。

本发明的实施方案的目的在于克服或至少缓解这种公知技术的缺陷。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出一种表面轮廓测量仪器，其包括：电磁探头，该电磁探头包括能操作成使其接近待测量的衬底的表面的探头尖端；驱动单元，该驱动单元能操作成产生穿透衬底的表面的低频磁场；拾磁单元，该拾磁单元能操作成检测磁场强度并输出磁场强度读数；以及计算单元，该计算单元能操作成基于磁场强度读数确定表面轮廓测量值。

用于测量衬底的表面轮廓的电磁探头产生低频磁场，其优势在于能够降低对衬底的电导率和透磁率变化的敏感度。此外，探头会具有高信噪比，并且受衬底几何形状的影响更小。

用于表面轮廓测量的低频电磁探头的另一可能优势在于，高频电磁探头产生的涡流可能受表面特征宽度和形状的影响，而不仅受表面特征高度的影响。这些将是确定表面轮廓测量值时要考虑的附加变量。相比之下，低频电磁探头产生更少的涡流，受表面特征宽度和形状的影响更小，因此所生成的测量值受这些特征的影响更小。

探头尖端可操作成与表面接触。替代地，可以使探头尖端远离表面到设定距离。优选地，该设定距离可以被选取成优化使用表面轮廓测量仪器进行测量的变异系数和/或动态范围。

衬底的表面轮廓可能并不一致，表面特征的类型和大小具有很大变化。这些不一致可能在连续的表面轮廓测量中引起相当大的变化，并且还可能减小探头的动态范围。保持探头尖端远离表面设定距离会增大由探头测量的衬底的表面积。增大表面积有助于测量，因此减小一部分表面的不一致对测量的影响。这会降低连续测量之间的变化。

附加地，探头的动态范围依赖于探头尖端与表面的距离。因此，选取距离会影响动态范围，优选应对其进行优化。这种依赖性可能归因于磁场穿透表面的深度。

所述表面轮廓测量仪器可以包括隔片，该隔片能操作成使探头尖端保持在距表面的设定距离处。隔片可操作成允许探头跨表面移动。优选地，隔片可操作成允许在任何方向上移动。附加地，隔片可操作成尽量减少表面上留下的标记。隔片可以包括至少一个止推滚子轴承。

隔片允许探头尖端保持在距表面的最佳距离处。允许在任何方向上移动的隔片能够减少跨表面进行测量所用的时间。

低频磁场的频率可以是至多1000Hz，优选在100Hz至500Hz的范围内。

驱动单元可以包括驱动线圈。驱动线圈可以具有空芯、铁氧芯或杯芯。

拾磁单元可以包括至少一个拾磁线圈。所述拾磁线圈或每个拾磁线圈可以具有空芯、铁氧芯或杯芯。所述驱动线圈以及所述拾磁线圈或每个拾磁线圈可以位于同一芯上。

拾磁单元可以包括至少两个拾磁线圈，并且可以使用各拾磁线圈的测量值之差来确定表面轮廓测量值。

替代地，拾磁单元可以包括霍尔效应检测器或巨磁阻检测器。

拾磁单元可操作成将磁场强度读数作为电压读数输出。

计算单元可操作成确定表面轮廓测量值，这是通过首先根据磁场强度读数获取探头尖端与衬底之间的表观距离的距离测量值，然后将该距离测量值转换成表面轮廓测量值。

探头尖端与衬底之间的距离直接影响探头的磁场强度读数，因此能够使用磁场来测量该距离。探头尖端与衬底之间的距离测量值也会根据衬底的表面轮廓而变化。实际上，当探头尖端接触粗糙表面并因此停留在该表面的峰点上，所述仪器产生的输出与探头尖端与完全平滑的表面间隔时产生的输出相当。因此，该仪器测得的距离减去用于使探头尖端与所测表面间隔的任何隔片的厚度，都与表面轮廓相关。因此，能够基于距离测量值的变化获取表面轮廓测量值。

所述表面轮廓测量仪器可以包括存储单元。该存储单元可以是非易失性存储器。

计算单元可操作成使用校准值从磁场强度获取距离测量值。校准值可以包括偏置和/或增益。可以根据电磁探头的两点校准获取校准值。两点校准可以包括电磁探头在距衬底的两个已知距离中的每一距离处进行距离测量。可以通过在衬底与电磁探头之间放置已知厚度的箔片来确定已知距离。校准值可以存储在存储单元上。

计算单元可操作成通过对距离测量值应用校正算法而将距离测量值转换成表面轮廓测量值。校正算法可以包括设定距离值(或常数)和校正函数。设定距离值可以加到距离测量值或从距离测量值中减去，并且可以补偿测量期间使电磁探头尖端与衬底保持的设定距离。校正函数可以计算与距离测量值相对应的表面轮廓测量值。校正函数可以包括校正因子和/或偏置值。优选地，校正算法是动态算法。更优选地，校正算法是动态的原因在于，对距离测量值应用多个校正函数之一。

所述校正函数或每个校正函数可以存储在存储单元上。所述校正函数或每个校正函数可以与距离测量值的设定范围相关联。应用于距离测量值的校正函数可以是与距离测量值落入的范围相关联的校正函数。生成所述校正函数或每个校正函数可以是通过使用电磁探头测量多种材料，每种材料具有已知的表面轮廓，并推导测量值与表面轮廓之间的关系。优选地，作为电磁探头的工厂设置的一部分，可以生成所述校正函数或每个校正函数并将其存储在存储单元中。

替代地，计算单元可操作成使用校准值从磁场强度获取表面轮廓测量值。在这些实施方案中，两点校准可以包括电磁探头在两个具有不同已知表面轮廓的表面中的每一表面上进行表面轮廓测量。已知表面轮廓可以通过任何其他表面轮廓测量技术来确定。这些表面可以包括箔片。

所述表面轮廓测量仪器可操作成将表面轮廓测量值存储在存储单元上。所述表面轮廓测量仪器可操作成跨衬底的表面采取多个表面轮廓测量值。优选地，计算单元可操作成确定并输出多个表面轮廓测量值的平均数。该平均数可以包括平均值。

所述表面轮廓测量仪器可操作成沿衬底的表面拖动。优选地，当沿衬底的表面拖动表面轮廓测量仪器时，该表面轮廓测量仪器可操作成以设定间隔测量表面轮廓。

计算单元可操作成选取待应用于距离测量值的多个校正算法之一，每个校正算法与某一轮廓测量标准相关联。选取所应用的校正算法可以是基于相关联的标准。

表面轮廓测量具有多种标准。例如包括算术平均粗糙度(R_a)和十点平均粗糙度(R_z)。具有针对不同标准的校正算法允许电磁探头测量表面轮廓并以任何用户偏好的标准输出结果。

所述表面轮廓测量仪器可以包括能操作成显示表面轮廓测量值的输出单元。优选地，输出单元能操作成将平均数作为轮廓读数显示。输出单元可以包括显示屏。

所述表面轮廓测量仪器可以包括能操作成接收来自用户的输入的输入单元。输入单元可以包括键盘和/或触摸屏。

计算单元可以是微处理器。附加地或替代地，计算单元可以是可编程单元。

根据本发明的第二方面，提供一种测量衬底的表面轮廓的方法，该方法包括以下步骤：使表面轮廓测量仪器的电磁探头的探头尖端接近待测量的衬底的表面，产生穿透衬底的表面的低频磁场，检测磁场强度，输出磁场强度读数，并根据磁场强度读数确定表面轮廓测量值。

视需要或适当时，本发明第二方面的方法可以包括使用和/或结合本发明第一方面的设备的任何特征或全部特征。

附图说明

为了更清楚地理解本发明的一种或多种实施方案，下面将仅举例说明并结合附图来阐述本发明，图中：

图1示出表面轮廓测量仪器的某一实施方案；

图2示出表面轮廓测量仪器的替代实施方案；

图3示出如图1所示的表面轮廓测量仪器的实施方案的另一视图；

图4a至图4c示出图1、图2或图3的表面轮廓测量仪器对各种衬底的响应的说明图；

图5示出探头表面分离与变异系数之间的关系图；

图6示出探头表面分离与动态范围之间的关系图；以及

图7示出图1、图2或图3的表面轮廓测量仪器生成表面轮廓测量值的方法框图。

具体实施方式

如图1所示，表面轮廓测量仪器1包括：电磁探头8，其能操作成测量衬底的表面轮廓；输出单元7，其包括能操作成输出测量值的显示屏；以及输入单元6，其包括能操作成接收来自用户的输入的键盘。仪器1还包括计算单元4，如图3所示。图2示出表面轮廓测量仪器1的替代实施方案，其中探头8经由电气配件12和电缆11附接到仪器1。在本实施方案中，探头8示为与待测量的衬底13相接触。此外，仪器1包括存储单元9，其包括位于探头8内的非易失性存储器。在替代实施方案中，存储单元9可以位于仪器1的主体内。

如图4a至图4c所示，在使用中，使表面轮廓测量仪器1接近衬底13。仪器1包括驱动单元2和拾磁单元3，在所示的实施方案中，它们分别包括驱动线圈以及第一拾磁线圈3a和第二拾磁线圈3b。一旦仪器1处于衬底13附近，用户便能通过经由键盘6进行输入而促使仪器1开始测量表面轮廓。响应于该输入，驱动线圈2将产生频率在100Hz至500Hz范围内的磁场，该磁场穿透衬底13。每个拾磁线圈3a测量所产生磁场的强度。每个拾磁线圈的响应均受含铁材料与其接近程度的影响。一个拾磁线圈比另一个拾磁线圈更靠近衬底13(并且衬底13含铁)，每个拾磁线圈的磁场读数将互不相同。本领域中众所周知，拾磁单元3(本图中视为包括电压表3c)能够使用拾磁线圈的磁场强度读数之差来获取穿透衬底13的磁场的磁场强度读数。

替代地，拾磁单元3可以包括任何适于检测磁场强度的传感器，包括绝对拾磁线圈、霍尔效应传感器和GMR传感器。所述线圈或每个线圈可以具有空芯、铁氧芯或杯芯。

因使用低频磁场，衬底13必须含铁，以使磁场强度穿透衬底13，从而导致磁场强度与穿过空气的磁场相比存在变化。

此前，已使用所生成的电压读数来测量探头8与衬底13之间的距离，以例如测量衬底上涂层的厚度，因为衬底13距探头越远，磁场穿透衬底13越少，因此所得的电压读数越低。然而，衬底13的表面轮廓也会影响到电压读数，因为表面中的槽谷会导致衬底13的某些部分比其他部分更远离探头8。这些槽谷越大且越频繁，磁场穿透衬底13越少，所得的电压读数越低。

这一点参阅图4a至图4c。图4a中未示出衬底，在此情况下，穿透衬底的磁场强度为零，因此电压读数为零。对于平滑的衬底，如图4b所示，磁场穿透衬底13更多，因此得出更高的电压读数。对于更粗糙的衬底，如图4c所示，磁场穿透衬底13更少，因此电压读数更低。

优选地，当测量衬底13的表面轮廓时，探头8的探头尖端与衬底13的表面保持设定距离。可以由隔片5引入该距离，如图3所示。优选地，隔片包括止推轴承。如图5和图6所示，距离t_opt的选取是基于使仪器1的变异系数最大化而使仪器1的动态范围最大化的距离。当探头8更靠近衬底13的表面时，磁场穿透衬底13的表面的面积更小。这会导致衬底13的各自表面特征对电压读数的影响更大。这可能导致同一衬底13的多次测量中的电压读数变化更大。这种更大变化还会在读数中引入高度噪声。使仪器1与衬底13保持一定距离意味着磁场穿透衬底13的表面积更大，因此各表面特征对电压读数的影响更小。通过探头靠近衬底13的表面进行测量时的高度变化和低动态范围与探头尖端远离表面时的低信号(因此低信噪比)之间的平衡，能够计算出最佳距离t_opt。

附加地，仪器1的动态范围取决于与表面的距离，存在使动态范围最大化的最佳距离。该最佳距离可以与磁场穿透到表面的最佳深度相关联。

一旦仪器1获取了磁场读数，计算单元4便能操作成将读数转换成基本仪器响应。基本仪器响应可以是距离测量值，然后将其转换成表面轮廓测量值。

根据磁场读数计算距离测量值已为公知，因此不再赘述。实践中，能够通过使用查找表来实现这一过程。

在本实施方案中，通过使用从校准过程导出的校准值来获取距离测量值。能够在制造仪器1的工厂中进行这个校准过程。替代地或附加地，可以由用户执行校准过程来创建或替换校准值。一旦执行该校准过程，所生成的校准值便存储在存储单元9中以备将来使用。在一种实施方案中，通过两点校准给出校准值。两点校准包括仪器1在衬底13上执行两次测量，每次测量处于距衬底13的表面不同的已知距离处，这是通过将已知厚度的箔片插入探头8的尖端与衬底13之间，然后利用夹在探头尖端与表面之间的箔片采取测量。

替代地，如果基本仪器响应包括表面轮廓测量值，则也能使用来自校准的校准值来获取表面轮廓测量值。在此情况下，能够通过两点校准给出校准值，该两点校准包括仪器1在两个箔片上执行测量，每个箔片具有不同的已知表面轮廓(这通过任何目前测量表面轮廓的方法来确定)。

一旦计算单元4获取包括距离测量值的基本仪器响应，便对该响应应用校正算法以获取表面轮廓测量值。该算法包括校正函数和最佳分离值。最佳分离值与任何隔片保持探头8的尖端到衬底13表面的距离相匹配，并将其从基本仪器响应中减去以解出该距离。校正函数是基于将完全平滑的表面替换为粗糙表面时所获取的增加基本读数，并将基本仪器响应调整成表面轮廓测量值。优选地，校正函数是加到仪器响应或从仪器响应中减去的偏置值，但附加地或替代地，它可以包括校正因子。

在一种实施方案中，该算法是动态的原因在于能够选取多个校正函数，每个校正函数用于基本仪器响应的不同关联范围。在此情况下，选取校正函数是基于基本仪器响应落入的范围。当在表面上采取多次测量时，通过测量仪器1的基本仪器响应，可凭经验导出所述校正函数或每个校正函数，每个表面具有不同的已知表面轮廓。每个表面的已知表面轮廓能够通过任何适合的方法来确定，包括算术平均粗糙度和十点平均粗糙度。所述或每个导出的校正函数存储在存储单元9上。优选地，导出所述校正函数或每个校正函数是在设置仪器1的工厂中进行推导。

在一种实施方案中，存在多种校正算法，当导出所述或每个相应的校正函数时，每种算法与用于测量表面轮廓的方法相关联。仪器1的用户可以再经由输入单元6选择测量表面轮廓的方法标准。然后，计算单元4将选择与所选取的方法标准相关联的校正算法。

当校准仪器1时，校准点可以选取成与可能表面轮廓测量值的范围相关，以使线性误差最小化。如果可能表面轮廓测量值的范围规定必须使用多个校正函数(每个函数具有不同的范围)，则校准方法可以是包括适中范围校准点的多点校准。优选地，适中范围校准点与每个校正函数的范围的端点对齐。

为了确定跨衬底13的整个表面的表面轮廓，能够使用仪器1采取多次测量，每次测量处于表面上的不同点处。然后能够从多次测量中计算出平均数。如图7所示，每次测量得出基本仪器响应(40)，确定动态校正值(41)，然后对其应用动态校正(42)。重复这一过程，直至达到用户经由输入装置6指示的所需测量次数(43)。然后确定测量的平均数(44)。优选地，确定平均值。然后将平均数经由输出装置7输出给用户，作为轮廓读数(45)。

所述表面轮廓测量值或每个表面轮廓测量值可以存储在存储单元9上。此外，所述轮廓读数或每个轮廓读数可以存储在存储单元9上。

在优选的实施方案中，隔片允许探头8沿衬底13的表面在任何方向上移动，从而允许相对快速地进行多次测量。

上述实施方案仅作示例。在不脱离所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可能存在许多变型方案。

Claims (29)

1.一种表面轮廓测量仪器，其包括：

电磁探头，所述电磁探头包括能操作成使其接近待测量的衬底的表面的探头尖端；

驱动单元，所述驱动单元能操作成产生穿透所述衬底的表面的低频磁场；

拾磁单元，所述拾磁单元能操作成检测磁场强度并输出磁场强度读数；以及

计算单元，所述计算单元能操作成基于所述磁场强度读数确定表面轮廓测量值。

2.根据权利要求1所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述探头尖端能操作成使其远离所述表面到设定距离。

3.根据权利要求2所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述设定距离被选取成优化使用所述表面轮廓测量仪器进行测量的变异系数和/或动态范围。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的表面轮廓测量仪器，其包括隔片，所述隔片能操作成使所述探头尖端保持在距所述表面的设定距离处。

5.根据权利要求4所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述隔片能操作成允许所述探头跨所述表面移动。

6.根据任一项前述权利要求所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述拾磁单元包括至少两个拾磁线圈，并且使用各拾磁线圈的测量值之差来确定所述表面轮廓测量值。

7.根据任一项前述权利要求所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述计算单元能操作成确定所述表面轮廓测量值，这是通过首先根据所述磁场强度读数获取所述探头尖端与所述衬底之间的表观距离的距离测量值，然后将所述距离测量值转换成所述表面轮廓测量值。

8.根据权利要求7所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述计算单元能操作成通过对所述距离测量值应用校正算法而将所述距离测量值转换成所述表面轮廓测量值。

9.根据权利要求8所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述校正算法是动态算法，其中，对所述距离测量值应用多个校正函数之一。

10.根据权利要求8或9中任一项所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述校正函数或每个校正函数与所述距离测量值的设定范围相关联。

11.根据引用权利要求9的权利要求10所述的表面轮廓测量仪器，其中，应用于所述距离测量值的校正函数是与所述距离测量值落入的范围相关联的校正函数。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述计算单元能操作成允许选取多个校正算法之一并将其应用于所述距离测量值，每个校正算法与某个轮廓测量标准相关联。

13.根据权利要求12所述的表面轮廓测量仪器，其中，选取所应用的校正算法是基于相关联的标准。

14.根据任一项前述权利要求所述的表面轮廓测量仪器，其包括存储单元。

15.根据权利要求14所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述存储单元是非易失性存储器。

16.根据任一项前述权利要求所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述表面轮廓测量仪器能操作成跨所述衬底的表面采取并存储多个表面轮廓测量值。

17.根据权利要求16所述的表面轮廓测量仪器，其中，所述计算单元能操作成确定并输出所述多个表面轮廓测量值的平均数。

18.一种测量衬底的表面轮廓的方法，所述方法包括以下步骤：

使表面轮廓测量仪器的电磁探头的探头尖端接近待测量的衬底的表面；

产生穿透所述衬底的表面的低频磁场；

检测磁场强度；

输出磁场强度读数；以及

根据所述磁场强度读数确定表面轮廓测量值。

19.根据权利要求18所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，使所述探头尖端远离所述表面到设定距离。

20.根据权利要求19所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，所述设定距离被选取成优化使用所述表面轮廓测量仪器进行测量的变异系数和/或动态范围。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，确定表面轮廓测量值包括：首先根据所述磁场强度读数获取所述探头尖端与所述衬底之间的表观距离的距离测量值，然后将所述距离测量值转换成所述表面轮廓测量值。

22.根据权利要求21所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，将所述距离测量值转换成所述表面轮廓测量值包括对所述距离测量值应用校正算法。

23.根据权利要求22所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，所述校正算法是动态算法，其中，对所述距离测量值应用多个校正函数之一。

24.根据权利要求22或23中任一项所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，所述校正函数或每个校正函数与所述距离测量值的设定范围相关联。

25.根据引用权利要求23的权利要求24所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，应用于所述距离测量值的校正函数是与所述距离测量值落入的范围相关联的校正函数。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，选取多个校正算法之一以将其应用于所述距离测量值，每个校正算法与某个轮廓测量标准相关联。

27.根据权利要求26所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其中，选取所应用的校正算法是基于相关联的标准。

28.根据权利要求16至27中任一项所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其包括以下步骤：重复上述步骤达所需的迭代次数，以便获取跨所述衬底的表面的多个表面轮廓测量值。

29.根据权利要求28所述的测量衬底的表面轮廓的方法，其包括以下步骤：确定并输出所述多个表面轮廓测量值的平均数。

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