表面轮廓测量仪器及方法技术

本发明专利技术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。

Surface profile measuring instruments and methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】表面轮廓测量仪器及方法
本专利技术涉及表面轮廓测量仪器以及测量衬底的表面轮廓的方法。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面轮廓测量仪器，其包括：/n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；/n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；/n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/n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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170919 GB 1715079.81.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔·詹姆斯·莱纳德·贝内特，乔纳森·布伊，迈克尔·卡林顿·塞拉斯，托马斯·帕丁顿，
申请(专利权)人：易高有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB