【技术特点】-- VS1800 纳米尺度3D光学干涉测量系统

特点

测量表面形貌的新标准

随着材料不断趋向平坦化、薄膜化及结构的微细化，人们开始要求比传统的普通SPM（扫描探针显微镜）、触针式粗糙度测量仪及激光显微镜等产品更高的测量精度。相比较利用光干涉原理的白光干涉扫描显微镜，纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800，使用更方便，测量精度跟高，测量范围更大。此外，传统的采用线粗的测量方式仍存在“测量位置导致的结果偏差”和“扫描方向导致的结果偏差”等重大课题。VS1800的解决对策是通过参照国际标准ISO25178规定的表面形貌评估方法来计算参数，建立测量表面形貌的新标准，从而受到了各界的关注。

■与普通测量仪器比较

原子力显微镜的纳米尺度3D探针测量系统AFM5500M同样可实现高度的分辨率为0.1nm以下，与此相比，纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800的一大特点在于面内方向的测量范围更大。发挥两种测量系统各自的优点，根据需求选择最佳的测量系统有利于生产率的提高。

优点

1. 高分辨率、大范围
   采用独创的算法，实现垂直方向分辨率0.01 nm（Phase模式下）。由于无需依赖于物镜的倍率即可实现较高的垂直方向分辨率，即使是大范围（最大测量视野6.4 mm × 6.4 mm）的情况下，也能测量纳米尺度的粗糙度、高差。

   

   Wafer研磨表面形貌（表面粗糙度Sa 0.58 nm）

2. 测量数据的重现性高
   高度测量使用干涉条纹，将Z驱动产生的影响控制在最小程度，从而实现测量重现性误差低于0.1%（Phase模式下）。

   

3. 高速测量
   通过以平面捕捉样品，不对X、Y方向进行扫描，从而实现高速测量，并且由于采用非接触方式，测量时能够保证不会给样品带来损伤。

4. 无损伤测量
   对于以往切割样品后形成截面来对多层膜层结构及层内部进行的异物测量，VS1800能够以无损伤方式进行。对于透明层结构样品，利用透镜的高度坐标以及各界面产生的反射光，通过各光学界面出现的干涉条纹输出虚拟截面图像。

5. 测量简单
   搭载有可直观性使用的操作画面，可以当场确认处理后的图像。可以简单地将处理及分析内容列表、生成原始分析库、重复使用分析库等。还支持数据的批量处理，统一管理多个样品及分析结果，减轻繁杂的后处理程序。
   此外，导入表面形貌评估方法的国际标准ISO25178的项目，自动按每个样品选择合适的参数。VS1800搭载有可对参数选择提供建议的工具，有助于提高管理的精度。

6. 配置灵活
   手动XY样品台为基本型号Type 1，并提样品台电动化逐级提升的Type 2以及Type 3。各型号的升级可通过需求来进行，根据用途轻松引进系统

应用实例

材料加工领域的各种观察例

在材料，加工行业广泛经营的纸质产品及树脂产品，为满足所要求的功能，均作了各种各样的研究。因此，表面形貌及表面粗糙度的测量在质量管理方面起着关键作用。此外，当多层膜等产品出现不良时，需要查明表面、界面或层内哪个部位出现问题，并且很多情况下根据不同样品，还要求进行无损伤测量。
下面介绍材料加工行业中使用纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800进行各种测量的实例。

光学薄膜

测量实例1　显示器用薄膜

显示器用薄膜的表面作了各种加工，以保持防反射、防止指纹造成的污染等功能性。VS1800不仅针对平滑的薄膜表面，对于像亚光膜表面那样凹凸不平的样品，也能以较高的重现性进行测量。 

测量实例2　颗粒镀膜

颗粒填料用于改善表面的防眩性，以及控制与其他表面粘合的性能，其形状、大小及密度等的测量是必不可少的项目。VS1800不仅可以观察形状，还能利用大小及数量等的分析功能进行评估。 

包装膜

包装膜通过层压具有阻隔性等功能的材料层，防止内装物劣化。因此，比如了解该材料层的膜厚是否可以表现其功能等，对材料各层的膜厚管理非常重要。VS1800不仅可以评估表面粗糙度，还能以无损伤方式显现层内部的结构，评估各层的厚度及厚度不均匀程度，因此有助于包装膜的质量管理。

测量实例1 

测量实例2 

高分子材料

无论表面是什么材质，VS1800都能以较高的分辨率测量高度，对于如高分子材料之类透明薄膜的高差等也能进行高精度测量。 此外，关于VS1800的界面分析，对于透明材料多层层压时发生的气泡不良等现象，能以无损伤方式进行评估，因此无需制作截面，即可确认哪个层发生了异常。

测量实例1 玻璃基板上高分子膜的高差 

测量实例2 胶带粘贴面 

纤维材质表面

VS1800具有发挥高速、高分辨率功能的“标准测量模式”，以及可测量光反射微弱的斜面之“大倾斜角测量模式”，除了像光面纸之类的平滑表面，还能对名片表面等粗糙的纤维材质表面进行测量，测量范围广泛。

测量实例1 光面纸 

测量实例2 名片印刷面 

多层膜的异物/混入观察例

多层膜的表面或背面、甚至内部都很可能会发生各种不良现象。要弄清不良原因，为了保持发生异常时的状态，必须实施无损伤测量。 纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800采用无损伤非接触测量方式，实现了高度分辨率优异的表面形貌及膜厚测量，下面介绍使用测量系统VS1800测量薄膜异常部位的相关实例。

通过界面分析评估气泡

使用纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800进行测量，能够发现异常部位的线形凹陷（a），并测量出其宽度及深度（b）。

此外，VS1800能以无损伤方式进行界面分析。
观察界面分析结果（c），可确认到与样品结构（e）一样在深度方向有4条水平线。尤其可以看到中间薄层②的厚度分布出现不均匀现象。亮点（d）为层②的不均匀部分，此处的干涉强度变化显著，可推断是气泡。

通过界面分析评估异物混入

使用纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800进行测量，能够确认到异物混入部位呈山形隆起，并测量出其宽度及高度。(b)(c)

从界面无损伤分析的结果（c）可以看出，层②的厚度分布存在不均匀现象，主要在表面的凸起异常部位出现大幅度隆起。
而且在有隆起部位的层②及层③的界面上，可以确认到干涉间断的区域。从该干涉间断可以推断混入的异物阻挡了光线。

电镀观察例

随着各种电子零配件实现微细化，电镀越来越趋向薄膜化。在电镀的质量管理方面，要求采用更精确、更精密的分析方法。 扫描探针显微镜具有Z轴分辨率较高的特点，而另一方面观察范围被限制得很窄。此外，使用普通的光学观察仪器可以进行更大视野范围的观察，但是Z轴分辨率会降低。
纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800兼具面内方向的大观察视野及高度方向的高分辨率两大特点，因此对于像电镀线之类较大的高差形状及其表面粗糙度，均可进行简单方便的测量。

根据不同的用途及目的，电镀表面可能会施加表面处理，一般的表面观察方法有SEM观察。
通过SEM图像，能够清楚地显现出表面性状的不同，一般SEM所获信息属于二维图像，因此很难高精度测量立体特征。
关于在电镀Ni表面施加了粗化处理的样品，使用FlexSEM 1000（SEM）以及AFM5500 M（AFM）、VS1800（纳米尺度3D光学干涉测量系统/CSI）进行观察及测量所得结果如图所示。
对比FlexSEM 1000/AFM5500 M的观察及测量结果，可了解到SEM观察的形状在AFM测量结果中也能看到同样的捕捉信息。此外，还可看出AFM与CSI的算术平均粗糙度Sa显示几乎相同的数值，纳米尺度3D光学干涉测量系统可同样测量出AFM所捕捉的微细形状。由此可知，如果使用具有高空间分辨率的AFM，则可以交叉检查CSI数据。纳米尺度3D光学干涉测量系统发挥高速测量的优点，有利于提高多个样品的测量速度，另外如前所述，通过增加用SEM及AFM进行观察和测量，可实现多方面评估。

摩擦学性能评估示例

件的低磨损性需求，要求进行更精确、更精密的摩檫学性能评估。纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800可以采用单次自动对焦，在大范围区域实现纳米尺度的粗糙度测量。在摩檫学性能评估中，根据三维测量结果进行负荷曲线分析，从而可以计算出磨损量（面积以及体积），由此可实现定量评估。
下面介绍将新油和劣化油用于金属滑动试验的测试结果。

图1和图2分别是使用新油和劣化油的情况下测量滑动痕形貌的结果。比较各图的滑动部位表面形貌及截面图，可以看到使用劣化油时的滑动痕深度大约是使用新油时的6倍，滑动方向上出现了明显的条纹状削痕。

图1 使用新油时的形貌测量结果 

图2 使用劣化油时的形貌测量结果 

然后进行负荷曲线分析。进行分析时，针对因磨损而被削掉的区域，可使用高度阈值对等高线图像进行二值化处理，计算出面积以及体积，并可定量评估磨损量。

图3 使用新油时的负荷曲线分析结果 

图4 使用劣化油时的负荷曲线分析结果 

(1) 高测量性能

• *

• Phase模式时

(2) 易于使用的操作界面

采用直观易懂的操作界面，能够轻而易举地进行图像分析处理前后的图像对比，从而支持分析时的zei合适图像处理选择。此外，可简单地列出处理与分析的内容、创建独自的分析参数、重复使用分析参数等，并且还可批量处理数据，由此实现统一管理多个样品和分析结果，减轻繁琐复杂的后处理。

(3) ISO 25178参数对比工具

在对比多个样品时，通过将ISO 25178标准中规定的32项参数值按差异的大小顺序重新排列，从而在样品对比时能够轻松选取zei适参数，支持客户的分析业务。

(4) 硬件升级

按每一台XY样品台的驱动方式，设计了3个类型的产品，即基础模式的手动型Type 1、电动型Type 2、Type 3。从Type 1到Type 2、Type 3，均可根据不同的用途进行升级。

上市时间：2019年3月

(1)高测量性能，垂直方向分辨率高，重现性好；测量速度快，测量视野广，无损伤测量 

(2)易于使用的操作界面

(3)ISO 25178参数对比工具

(4)硬件全面升级

日立高新技术科学公司于2019年3月起，在中国开始销售利用光干涉原理进行非接触式无损伤三维表面形态测量的纳米尺度3D光学干涉测量系统“VS1800”，该产品搭配有支持多目的表面测量国际标准“ISO 25178*¹参数对比工具”，通过简单而准确的样品测量支持客户的分析业务，与此同时，凭借不断创新积累的三维测量性能，实现高精度、高分辨率的表面性状的测量。

  在半导体、汽车、食品、医药品等产业领域的材料研究和开发方面，为了提高产品的性能与功能，对产品表面的粗糙度、凸凹不平、翘曲等表面形状的评估变得尤其重要。以往，表面形态的测量方法，一般是采用触针式粗糙度测量仪等进行二维测量（线＋高差），但近年来，伴随着材料的薄膜化和微细构造化的加速，需要获取更多的信息，因此，采用扫描型白光干涉显微镜*²和激光显微镜*³等进行三维测量（面＋高差）便得到了灵活应用。

    此外，2010年制定了有关三维表面形态评估的国际标准ISO 25178，确立了评估方法，在这种背景下，实施三维测量的企业和研究机构等日益增多。因此，需要我们急切实现有关表面形态测量上的测量与分析的简单化以及应对多种样品的测量问题。

    此次发售的“VS1800”产品， 搭配了符合ISO 25178标准的分析工具 “ISO 25178参数对比工具”。在ISO 25178标准中规定了评估表面性状的32个项目的参数，但在对比样品时，选择最适合评估的参数很难，成为分析业务的难题。“ISO 25178参数对比工具”，通过按差异程度大小顺序自动对测量的参数值进行依次排序，可轻松选出最适合对比样品的参数，从而支持客户的分析业务。

此外，“VS1800” 产品，通过光干涉方法*⁴除了可实现大视野测量、0.01nm的垂直方向分辨率^*5、高重现性外，亦通过日立高新技术科学自主研发的技术，继承了多层膜的无损伤测量等传统产品的高测量性能。此外，该产品还可搭配“大倾斜角测量选配 ”^*6功能，通过捕捉大倾斜角斜面的微弱的干涉条纹变化，实现传统的光干涉方式无法实现的大倾斜角斜面测量，从而应对多种多样的样品表面性状的三维测量。

  日立高新技术集团拥有可实现极微细样品的高分辨率测量的原子力显微镜、扫描电子显微镜直至大视野、高精度测量可能的“VS1800”等产品阵容，提供表面分析解决方案，从而满足客户的广泛需求。

*1 ISO 25178：规定表面形态评估方法的国际标准。

*2扫描型白色干涉显微镜：利用光干涉原理进行非接触式、无损伤的表面形态测量的测量设备。

*3激光显微镜：将激光作为光源进行表面形态测量的测量设备。

*4光干涉方法：是利用两列或两列以上的光波相互叠加而出现光明暗（干涉条纹）现象（干涉）的检查方法。

*5 0.01 nm的垂直方向分辨率为Phase模式时的性能。

*6“大倾斜角测量选配”为选择项目。

【主要特点】

(1)高测量性能

• 垂直方向分辨率：利用光干涉方法，通过独自的算法，实现0.01 nm*的垂直方向分辨率

• 重现性：利用干涉条纹测量凸凹的高度，通过将来自Z驱动机构的影响最小化，实现0.1 %以下的重现性

• 测量速度：由于不需要样品的前处理，只要将样品放置在样品台上即可完成测量准备。通过光干涉方法最 快5秒钟即可完成测量

• 测量视野：以从干涉条纹获取的信息为基础进行凸凹高度的测量，由此可实现广范围（One-shot最 大6.4 mm×6.4 mm）测量与高垂直方向分辨率的两者兼顾。此外，通过连接多个数据的图像，可进一步实现广范围的分析

• 无损伤测量：通过日立高新技术科学自主研发的技术，对玻璃和薄膜等透明多层结构样品进行测量时，无需对样品进行加工切割成截面，即可在无损伤的情况下，完成多层结构样品的各层厚度或异物混入状况的确认以及缺陷分析等 

* Phase模式时

(2) 易于使用的操作界面

采用直观易懂的操作界面，能够轻而易举地进行图像分析处理前后的图像对比，从而支持分析时的最合适图像处理选择。此外，可简单地列出处理与分析的内容、创建独自的分析参数、重复使用分析参数等，并且还可批量处理数据，由此实现统一管理多个样品和分析结果，减轻繁琐复杂的后处理。

(3) ISO 25178参数对比工具

在对比多个样品时，通过将ISO 25178标准中规定的32项参数值按差异的大小顺序重新排列，从而在样品对比时能够轻松选取最适参数，支持客户的分析业务。

(4) 硬件升级

按每一台XY样品台的驱动方式，设计了3个类型的产品，即基础模式的手动型Type 1、电动型Type 2、Type 3。从Type 1到Type 2、Type 3，均可根据不同的用途进行升级。

【技术特点对用户带来的好处】-- VS1800 纳米尺度3D光学干涉测量系统

【典型应用举例】-- VS1800 纳米尺度3D光学干涉测量系统