光學(xué)測(cè)量技術(shù)趨勢(shì)綜述

光學(xué)計(jì)量學(xué)是當(dāng)今制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通?？梢员欢x為用光進(jìn)行測(cè)量的科學(xué)，被廣泛用于評(píng)估產(chǎn)品（或其某些部件或組件）的物理特性，以及監(jiān)測(cè)大型基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，歐洲光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（European Photonics Industry Consortium，EPIC）的Antonio Castelo-Porta在PhotonicsViews上發(fā)表了題為“The future of optical measurement technology”的文章，綜述了當(dāng)前不同制造業(yè)中的一些光學(xué)測(cè)量技術(shù)，以及與對(duì)高精度和高效解決方案的持續(xù)需求相關(guān)的新發(fā)展和趨勢(shì)。

計(jì)量和工業(yè)數(shù)字化

最近的技術(shù)發(fā)展使智能多傳感器系統(tǒng)或虛擬計(jì)量等創(chuàng)新成為可能，將計(jì)量的作用從后期生產(chǎn)活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)檢查和分析過程。通過“工業(yè)4.0”相關(guān)技術(shù)提升工廠數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器或流程的數(shù)據(jù)收集和使用。在這種環(huán)境下，光學(xué)計(jì)量技術(shù)通常與自動(dòng)定位系統(tǒng)或工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，成為快速控制和驗(yàn)證解決方案。這些測(cè)量設(shè)備可以在裝配和生產(chǎn)單元附近工作，在生產(chǎn)前期、中期和后期進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)與每個(gè)產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過這種方式，工件特性的所有相關(guān)信息可以在制造過程被收集，然后明確地將其分配給數(shù)字化品控設(shè)施，以用于質(zhì)量控制。

順應(yīng)這一趨勢(shì)，Sensofar Metrology公司（西班牙塔拉薩）最近推出了市場(chǎng)上唯一的自主面共焦輪廓儀S mart 2（圖1），其強(qiáng)大的功能和緊湊的設(shè)計(jì)使其成為光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)突破。為了使用最合適的技術(shù)進(jìn)行掃描，S mart 2在同一個(gè)探測(cè)頭內(nèi)配備了三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量：有源照明焦點(diǎn)變化、共焦和干涉測(cè)量。該解決方案旨在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線通常所需的自動(dòng)化，并且非常容易集成。所有電子元件都包含在狹窄的探測(cè)頭內(nèi)，以便將其安裝在不會(huì)干擾用戶或制造操作的區(qū)域內(nèi)。

制造商Mitutoyo（日本川崎）也將其最令人感興趣的一個(gè)光學(xué)測(cè)量設(shè)備安裝在機(jī)械臂上，以提高測(cè)量的精度和速度。新的ROBOTAG解決方案將視覺系統(tǒng)與著名的可調(diào)諧聲學(xué)梯度折射率透鏡（TAGLENS）集成在一起。由于改進(jìn)的聚焦深度、出色的重復(fù)性和更高的效率，該產(chǎn)品組合提供了更清晰的圖像。這要?dú)w功于TAGLENS的超快變焦特性。ROBOTAG系統(tǒng)將很快配備寬帶脈沖光源（PLS），以執(zhí)行精確的3D形狀檢測(cè)和改進(jìn)的在線測(cè)量（圖2）。

光學(xué)組件制造的新解決方案

光學(xué)組件的生產(chǎn)不僅需要精確的制造和拋光，還需要精確的測(cè)量。如果最終工件不能被精確測(cè)量，那么制造方法的效率和可重復(fù)性的提高意義不大。該行業(yè)已經(jīng)創(chuàng)立了輪廓術(shù)、共焦顯微鏡、橢圓測(cè)量術(shù)或干涉測(cè)量法等多種計(jì)量技術(shù)來測(cè)量不同的關(guān)鍵參數(shù)（曲率半徑、平面度、粗糙度、薄膜厚度、透射率……）。

薄膜是光學(xué)組件行業(yè)非常常見的要素，人們?cè)诒∧さ馁|(zhì)量控制方面已經(jīng)做了大量工作。近年來，薄膜被廣泛用于光學(xué)元件表面的功能涂層（例如保護(hù)性或抗反射涂層）或制造不同類型的濾光片和反射鏡。計(jì)量對(duì)于確保使用市場(chǎng)上可用的不同薄膜沉積技術(shù)生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的品質(zhì)至關(guān)重要。該行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵需求是對(duì)帶有光學(xué)涂層的現(xiàn)有的和新開發(fā)的組件進(jìn)行光譜測(cè)量。

EssentOptics Europe公司（立陶宛維爾紐斯）為平面組件和透鏡（包括非球面）的完全無人值守光譜測(cè)量提供了不同的解決方案。這些設(shè)備可以測(cè)量從紫外（UV）到可見光（VIS）、中波紅外（MWIR），以及即將推出的長(zhǎng)波紅外（LWIR）的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射和反射。這些設(shè)備最令人感興趣的一個(gè)應(yīng)用是線性可變?yōu)V光片的表征，該濾光片是一種在生物和生命科學(xué)研究的光譜學(xué)中有很多應(yīng)用的光學(xué)組件。EssentOptics Europe公司設(shè)計(jì)了一項(xiàng)新技術(shù)：正在與Omega Optical公司合作進(jìn)行測(cè)試和微調(diào)。

當(dāng)談到透鏡的生產(chǎn)時(shí)，需要控制的一個(gè)重要參數(shù)是中心厚度，因?yàn)樗鼤?huì)嚴(yán)重影響光通過該組件的光程。從制造商的角度來看，為確保最終產(chǎn)品的高質(zhì)量，在一組具有相同規(guī)格的透鏡中控制該參數(shù)的可重復(fù)性至關(guān)重要。Trioptics（德國(guó)韋德爾）開發(fā)了OptiSurf LTM（透鏡厚度測(cè)量），這是一種精密的中心厚度測(cè)量系統(tǒng)，精度為±0.5 μm，適用于厚度高達(dá)150 mm的單透鏡和雙透鏡。該解決方案背后的技術(shù)是高精度的、低相干干涉測(cè)量法，其配備了減振和自定中心的機(jī)械夾具，使操作簡(jiǎn)單且獨(dú)立于操作員。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該軟件的優(yōu)化用戶接口，使OptiSurf LTM能夠無縫集成到任何生產(chǎn)流程中。

半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)的計(jì)量

半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)要求很高。光學(xué)計(jì)量解決方案是高速測(cè)量和缺陷檢測(cè)的完美選擇，近年來人們已經(jīng)對(duì)一些技術(shù)進(jìn)行了調(diào)整，以滿足該行業(yè)的特殊要求。光學(xué)計(jì)量設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)中的重要工具，可以檢測(cè)日益復(fù)雜和小型化的3D結(jié)構(gòu)，以及生產(chǎn)的厚度要求低至納米的薄層。

一個(gè)令人感興趣的應(yīng)用是對(duì)半導(dǎo)體晶圓上薄膜層結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)進(jìn)行原位控制。該工藝對(duì)于VCSEL、μLED或功率晶體管等產(chǎn)品的制造是不可或缺的，晶圓溫度、反射率、生長(zhǎng)速率和層厚度、生長(zhǎng)材料的化學(xué)成分和晶圓彎曲度等重要參數(shù)需要控制。LayTec（德國(guó)柏林）為該應(yīng)用開發(fā)了不同的集成光學(xué)計(jì)量解決方案，包括光學(xué)工具、特殊算法和用于分析測(cè)量數(shù)據(jù)的材料數(shù)據(jù)庫（圖3）。LayTec的工具被集成到沉積系統(tǒng)中，例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）系統(tǒng)，并被用于半導(dǎo)體器件制造流程的前端。它們被集成到控制回路中，用于實(shí)時(shí)反饋控制、批次控制以及在此過程中的故障檢測(cè)。

圖3 晶圓上生長(zhǎng)層的原位測(cè)量（來源：LayTec）

同樣與半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)有關(guān)的是，Sensofar Metrology最近進(jìn)行的一項(xiàng)案例研究重點(diǎn)關(guān)注了溫度變化對(duì)硅晶圓形狀和紋理演變的影響。在制造過程中，評(píng)估溫度變化影響的一個(gè)關(guān)鍵方法是測(cè)量晶圓的表面粗糙度作為溫度的函數(shù)，但由于球差引起的成像問題一直是一個(gè)難題。利用Sensofar Linnik物鏡和與熱室相結(jié)合，粗糙度可通過干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)（圖4）。一方面，當(dāng)通過顯微鏡觀察樣品時(shí)，這兩種系統(tǒng)的組合使溫度能夠精確地升高到與制造過程中相似的值；另一方面，它消除了與球差相關(guān)的問題，以獲得3D輪廓的精確測(cè)量。

圖4 快速熱處理中測(cè)量晶圓表面粗糙度的設(shè)置（來源：Sensofar）

綜上所述，光學(xué)測(cè)量技術(shù)正被越來越多地應(yīng)用于各種不同的行業(yè)，其已被證明是在多種應(yīng)用中執(zhí)行質(zhì)量和過程控制的最有效和最通用的工具。最近的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)是克服以前系統(tǒng)的一些局限性，并以更高的精度測(cè)量半導(dǎo)體、消費(fèi)電子、汽車、光學(xué)組件和醫(yī)療行業(yè)的新的、要求更高的產(chǎn)品和功能。市場(chǎng)上有一個(gè)明顯的趨勢(shì)，就是將這些光學(xué)測(cè)量解決方案集成到機(jī)械臂和其它定位系統(tǒng)之中，以執(zhí)行原位測(cè)量并在制造過程中實(shí)時(shí)提供有價(jià)值的信息。

審核編輯：劉清