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富睿思紧凑型白光轮廓仪WLI-Marimba的测量噪声与平面度偏差标定

时间：2026-11-06

测量噪声和平面度偏差是评价白光轮廓仪（WLI）测量性能的重要计量特性。本文结合ISO 25178系列标准，以富睿思紧凑型白光轮廓仪WLI-Marimba为例，介绍测量噪声和平面度偏差的标定方法，并展示实际测试结果及配套软件MarimbaSCAN的功能。

01 测量噪声

垂直分辨力指能有效测量的最小表面高度变化（ISO 25178‑700:2022 中 6.5.4.3 Note 5），它是白光轮廓仪备受关注的性能指标。但行业内相关指标的命名并不统一，常见表述包括表面高度分辨力、垂直分辨力、形貌重复性、RMS 重复性、粗糙度 RMS 重复性、噪声水平等。

查阅 ISO 25178 系列标准，其中并没有 “垂直分辨力” 的独立定义。实际上，针对光学轮廓仪，ISO 25178‑600 规定的七项区域形貌仪器计量特性分别为：放大系数（Amplification coefficient）、线性偏差（Linearity deviation）、平面度偏差（Flatness deviation）、测量噪声（Measurement noise）、形貌空间分辨力（Topographic spatial resolution）、X‑Y 映射偏差（x‑y mapping deviations）、形貌保真度（Topography fidelity），垂直分辨力并未作为独立计量特性被纳入。

那么，白光轮廓仪的垂直分辨力应当如何表征？从计量原理上看，仪器的垂直分辨能力本质上受测量噪声制约，工程上通常采用测量噪声作为垂直分辨力的表征指标。依据 ISO 25178‑604，噪声分为仪器噪声（Instrument noise，Nᵢ）与测量噪声（Measurement noise，Nₘ）两类：仪器噪声是理想无扰动环境下仅由仪器自身产生的内部噪声；测量噪声则包含仪器固有噪声，同时叠加了扫描运动引入的扰动，如扫描台噪声、环境振动、气流扰动等。对于大部分白光轮廓仪（Coherence Scanning Interferometry，CSI）而言，高度形貌的获取须依托扫描运动，静止状态下无法输出有效的高度测量结果。因此，该类仪器无法单独评定理论定义上的仪器噪声Nᵢ，噪声计量评定的对象只能是测量噪声Nₘ。

针对测量噪声评价，ISO 25178给出了两种标定方法，分别为相减法与平均法，篇幅所限，此处仅介绍相减法。设z1和z2是平面样品同一位置的两次测量结果，将两者相减以去除表面形状的影响。则测量噪声Nₘ如式(1)所示，

其中A是测量区域面积。相对而言，仅采用一组结果评定测量噪声，其稳定性欠佳。因此，推荐采用三组以上的测量，以获得稳定的评定结果，如式(2)所示，

其中测量次数P不小于3。

富睿思紧凑型白光轮廓仪WLI-Marimba的配套软件MarimbaSCAN具有专用的噪声评定功能，可以方便地对当前测量环境的扰动情况进行评定。本样例中，在主动隔振条件下，采用10倍干涉物镜，以抛光硅片作为测试样品，共进行8次测量，相应的测量结果如图1所示。

图 1 MarimbaSCAN软件测量噪声评定结果。

(a) 抛光硅片单次测量结果（二维图）；(b) 抛光硅片单次测量结果（三维图）；(c) 所给出的某一组测量的面形偏差图；(d) MarimbaSCAN软件操作界面

软件中除给出测量噪声评定结果外，还给出各组测量的面形偏差图。从软件中可以读出当前噪声水平约为0.082 nm，总体环境良好，可进行精密测试。

02 平面度偏差

平面度偏差（Flatness Deviation）是ISO 25178中规定的另一项独立计量量，指轮廓仪测量平面时，测量结果相对于理想平面的偏差，是成像系统综合误差的反映，会直接耦合到测量结果中。平面度偏差作为白光轮廓仪的系统偏差，需要定期进行校正。

MarimbaSCAN软件同样提供了方便的平面度偏差标定与校准功能。本实验采用5倍干涉物镜，测试样品为光学平晶，图2给出了不同平均次数下获取的测量结果，其中图2(a)、图2(b)、图2(c)分别对应3次平均、7次平均和11次平均，通过分析可知该平面度偏差的整体PV值为2.7 nm左右。图3给出了校准界面，通过选定获取的平面度偏差结果，可将其方便地导入到MarimbaSCAN软件的校准库中。