ZYGO ZeGage Pro轮廓仪的测量模式

ZYGO 3D光学轮廓仪ZeGage Pro主要通过白光扫描干涉技术进行测量。为了应对不同的表面特性和测量需求，其软件系统通常整合了基于此核心技术的不同工作模式或数据处理策略。理解这些模式有助于用户根据具体情况做出合适的选择。

1. 垂直扫描干涉模式

这是最基本和最常用的测量模式，有时也称为白光扫描干涉模式或VSI模式。

• 工作原理：通过压电陶瓷或其他高精度驱动器，使干涉物镜相对于样品进行垂直方向的连续或步进扫描。在每一个Z轴位置，相机捕获一幅整个视场的干涉图像。对于表面上的每一点，其光强随扫描位置变化的曲线形成一个包络，包络峰值对应的Z轴位置即被确定为该点的高度。
• 适用场景：适用于大多数具有连续表面的样品，特别是那些具有微小台阶、中等粗糙度或一定起伏的表面。它的垂直测量范围相对较宽，可以从数纳米到数毫米，在垂直分辨率和测量范围之间提供了较好的平衡。
• 特点：对振动相对不敏感（相较于PSI模式），处理表面不连续性的能力较强，是通用性较广的模式。
• 2. 相移干涉模式
• 此模式旨在为超光滑表面提供更高的垂直分辨率。

• 工作原理：在扫描过程中，在每个Z轴位置，通过压电陶瓷微动参考镜，精确地引入已知的、小幅度的相位变化（例如每次移动1/4波长），并采集多幅（通常为5幅或更多）干涉图。利用这些相移干涉图，通过算法可以直接解算出每个像素点的相位信息，进而以更高的精度计算出表面高度。
• 适用场景：主要用于测量极其光滑的表面，如高质量的光学镜面、抛光硅片、超光滑薄膜等。这些表面的高度变化通常远小于光源的波长。
• 特点：可以提供亚纳米甚至更高的垂直分辨率。但其有效测量范围非常有限，通常小于一个波长（约几百纳米），并且对振动和环境扰动更为敏感。它不适合测量有台阶或粗糙的表面。
• 3. 智能或自动模式选择
• 一些系统软件集成了智能判断功能，以简化用户操作。

• 工作原理：软件基于对样品预览图像的初步分析（如对比度、纹理），自动推荐使用VSI模式还是PSI模式，并可能预置一套扫描参数。更先进的系统能够在一次测量中，对不同区域自适应地采用不同模式（例如，对平坦区域用PSI模式求高分辨率，对台阶区域用VSI模式保证量程），实现无缝的数据合并。
• 特点：降低了模式选择的门槛，尤其有利于新手用户或处理大量未知样品时快速获得有效数据。
• 4. 大区域拼接测量
• 当单个视场无法覆盖整个待测区域时，可以使用此功能。

• 工作原理：在高精度电动样品台的辅助下，按照预设的网格（如2x2, 3x3等），依次测量相邻的多个区域。软件利用相邻区域重叠部分的特征，自动将这些子区域的测量数据对齐并拼接成一幅完整、连续的大面积三维形貌图。
• 适用场景：测量尺寸大于单个物镜视场的样品，例如大尺寸光学窗口、机械密封面、显示屏局部等，用于评估整体面形或大范围的粗糙度分布。
• 5. 薄膜厚度测量模式（基于干涉）
• 对于透明或半透明薄膜，可以利用白光干涉的原理测量厚度。

• 工作原理：当光照射到薄膜上时，会在薄膜的上表面和下表面同时发生反射，产生两组具有光程差的干涉信号。通过分析垂直扫描得到的干涉信号，可以识别出分别对应于上表面和下表面的两个包络峰值，两个峰值之间的Z轴距离差与薄膜的光学厚度相关（需要知道薄膜的折射率来换算物理厚度）。
• 适用场景：测量单层透明薄膜的厚度，如硅片上的氧化层、光学镀膜、光刻胶等。
• 选择测量模式的考量：
• 在选择模式时，用户应主要考虑：

1. 表面粗糙度：光滑表面（Ra < 10 nm）可考虑PSI模式；较粗糙表面使用VSI模式。
2. 台阶高度或起伏：存在大于约150纳米台阶的表面，必须使用VSI模式。
3. 测量速度：VSI模式通常扫描范围大，单次测量时间可能稍长但通用性好；PSI模式扫描范围小，有时速度更快。
4. 环境稳定性：PSI模式对振动敏感，需要更稳定的环境。
5. 样品反射率：两种模式都需要样品表面有足够的反射光信号。
6. 通过了解和合理运用这些测量模式，用户可以更有效地发挥ZYGO ZeGage Pro的潜力，针对不同类型的表面获取更优的测量数据。