Sensofar 3D光学轮廓仪在深宽比测量的技术解析

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仪器设备介绍

产品简介

S-neox在半导体、光学器件、材料、超精密加工、航空航天等领域被广泛应用。能够观测产品材料的表面形貌和轮廓尺寸；能够实现产品结构的2D尺寸、3D尺寸测量；能够实现图像的自动拼接；

该设备具有高分辨率、大景深观察，纵向分辨率达0.01nm；能够进行表面粗糙度、平整度、台阶高度等微结构测量；

设备同时拥有白光干涉、相位差干涉、共聚焦、多焦面叠加等几种不同的测量功能技术，在使用中可以一键切换几种不同的测量模式，针对不同表面结构和不同精度要求的样品都能完成测量分析。

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深宽比测量

  在微纳制造与精密测量领域，高深宽比结构的精确表征长期面临技术挑战。深宽比作为衡量结构纵向深度与横向开口比值的关键参数，其数值越大，意味着侧壁越陡直、底部越难以光学触及，对测量系统的解析能力提出更高要求。本文将深入探讨数值孔径（NA）与深宽比之间的关系，并阐述如何选择适配的光学测量方案。

数值孔径(NA)与深宽比的关系

数值孔径（NA）是表征光学系统集光能力与空间分辨率的核心指标，直接影响物镜的成像清晰度与测量性能。

从图中可见：

• NA越大：通光孔径越大，集光能力越强，适合捕捉大角度散射光，具有更优的横向分辨率

• NA越小：通光孔径越小，景深范围越大，更适合测量高深宽比样品

应用案例一：深孔结构测量

在深孔测量中，结构光路受限导致光强衰减，反射光捕获困难是主要技术挑战。

上图展示的是10x长焦干涉镜头拍摄的图像，直径仅13μm，深宽比高达11:1。

技术方案

•使用10x长焦物镜

•优势：有效克服物镜在深孔底部返回信号弱的现象

深孔与沟槽结构的区别：

•沟槽：通常为长条形开口结构，侧壁多为V型或U型

•深孔：多为圆柱形或高深宽比的垂直孔洞，入射光进一步受限，反射信号采集难度显著增大。

针对此类高深宽比微结构的三维形貌表征，宜选用NA值更低的长工作距离物镜，以换取更大的景深范围与底部可达性。

应用案例二：激光加工切割槽测量

激光加工表面具有粗糙度高、反光性差、槽宽窄等特点，对测量系统的解析能力提出了更高要求。

上图展示的是20x长焦干涉镜头拍摄的图像，深宽比高达24:1。

技术方案：

•采用20x干涉物镜(NA=0.1)

•优势：更小数值孔径提供高深宽比测量能力

•配合白光干涉技术使用

在微纳尺度沟槽形貌表征过程中，为实现更高横向分辨率的测量要求，需优先选用较高倍率物镜，并在其中选择数值孔径更小的长工作距离物镜，以兼顾解析精度与深槽底部可达性。

技术选型建议

1.10x长焦物镜：适用于一般高深宽比结构(如11:1深孔)

2.20x长焦物镜：适用于更高深宽比和需要更高水平分辨率的场景(如24:1切割槽)

需要强调的是，不存在普适的测量技术与物镜，每颗镜头皆有独特优势与适用边界。工程师须依据具体测量需求，选择最适配的光学系统，扬长避短，持续拓展测量能力边界。

实际应用中，建议与专业技术团队充分沟通，结合样品特性与精度要求，制定更适合测量方案。