高精度厚度测量的四种常用方案

在先进制造和科学研究中，有诸多场景需要用到高精度厚度测量。一批细小零部件的壁厚，一片晶圆的研磨厚度，一个球囊导管的壁厚，一处涂覆或者真空镀膜的厚度，都是高精度厚度测量的典型需求场景。对厚度进行管控的目的，在于追求物理尺寸与功能层面的严苛匹配，并尽可能控制成本。例如，先进封装要求在更小的体积内放置各种功能的芯片，这要求晶圆尽可能被减薄，到达百微米厚度量级。

精度、效率和成本是测量领域的三个关键因素，这三个因素也是相互制约的，比如一个方案兼顾了高精度和高效率，成本大概率会提升不少。从直觉的角度，三者兼顾是最优选，但更多时候是达到三者的平衡。高精度厚度测量的场景也是如此，每一种场景都有与之对应的常用方案，本文将以厚度量级作为场景分类标准，分别阐述不同厚度量级之下与之匹配的测量方案。

 
1.    毫米级样品厚度：共焦法对射方案

毫米级样品厚度测量场景，常见于小型结构件的壁厚测量，非透明材质，厚度为1毫米或者几毫米。这类场景通常要求测量精度在微米级别，对效率和成本要求较高。

共焦法对射方案采用两个光谱共焦测量头，在样品的上下表面形成对射，解析双测头的位移值即可获得样品的厚度。该方案的优势在于能涵盖几毫米甚至更大的厚度区间，难点在于双测头的位置和同心度标定。

2.    百微米级样品厚度：干涉法

百微米级样品厚度测量场景，常见于晶圆减薄厚度的测量，硅片或者其他常见半导体材质，厚度为百微米或者数百微米。这类场景通常要求精度在百纳米级别，对效率要求较高，通常要求10Kz以上测量速率。

干涉法一般采用单测头即可完成晶圆减薄厚度的测量，原理在于干涉法采用的近红外光源能过透过硅片，一部分下表面的光能够反射回光路系统，与上表面的光形成干涉条纹。通过解析干涉信号即可获得硅片的厚度数据。该方案的优势在于单边测量，能够在晶圆减薄的过程中实施监控厚度。

3.    数十微米级样品厚度:共焦法

数十微米级的样品厚度测量场景，常见于透明材质的厚度测量，例如聚酰胺，即尼龙材料。球囊导管是由尼龙材料经吹塑工艺制作而成，其壁厚一般为40微米左右，通常要求在充气状态下对其壁厚进行测量。

共焦法采用光谱编码与位移值对应原理，通过解析光谱波峰信号来获得位移值。在厚度测量模式下，可以解析上下表面的两个波峰信号，并导入折射参数计算得出厚度值。共焦法的优势在于能够对透明材质厚度进行非接触式的测量，数据的重复性好。

4.    微米级及纳米级样品厚度：光谱法

微米级及纳米级样品的厚度测量场景，常见于PCB板的涂覆材料，半导体薄膜等。这类场景的样品通常较薄，一般为透明薄膜，厚度为数微米或者纳米级，通常要求纳米级的测量精度。

光谱法采用的也是干涉原理，通过解析上下表面的反射光形成的干涉信号来获得厚度数据。只不过该方法不需要干涉物镜，主要通过建模方法拟合厚度数据，因此该方法成本更加可控，测量精度仍能保持在纳米级别。该方法难点在于要求导入材料的折射率和消光系数等光学常数。

总结

以下表格为四种高精度厚度测量常用方案总结。

上述四种常用厚度测量方法，有各自对应的测量场景，但除此之外，还有X光测量方法、台阶测量方法等。如您在厚度测量方面有任何想法或需求，欢迎与我们沟通探讨。