PSI 和 VSI 测量模式怎么选？白光干涉四种模式的适用边界

拿到一台白光干涉仪，第一个真正影响结果的选择不是物镜，而是测量模式。同一个样品用相移模式和垂直扫描模式测，结果的适用场合完全不同。

四种模式各自干什么

相移干涉模式通过精确移动参考镜改变相位，从多帧条纹中解算高度，纵向分辨能力最高，适合光滑连续的表面。垂直扫描干涉模式让物镜沿 Z 向连续扫描，逐点找条纹对比度峰值，适合粗糙表面和台阶结构。超景深模式把不同焦平面的清晰部分合成一张全清晰图像，用于观察与二维判断。明场模式就是普通明视场成像，用于二维特征观察和尺寸测量。四种模式共享同一套物镜与平台。

四个模式共用同一套光路、物镜和平台，切换成本几乎为零，这正是这类设备的价值所在：一台设备覆盖观察、二维量测和三维形貌三类任务，不需要为每种任务单独配一台仪器。

从投资角度看，这也是这一类设备相对单功能仪器的优势：当检测需求变化时，只需要调整模式与配置，不需要重新采购一台设备，产线换型时的适应性明显更好。

相移模式适合什么表面

相移模式适合光滑、连续、反射率较高的表面，比如抛光金属、光学镜片、半导体晶圆与抛光后的加工面。这类表面相邻像素高度差很小，条纹级次不会产生歧义，可以用相位解算得到很高的纵向分辨能力。它的速度也最快，在相移模式下单次测量时间可以小于 5 秒，适合需要连续取点做统计的场合。

需要注意的是，相移模式要求表面在横向足够连续。如果表面上有明显的断差、深槽或者异物，即使整体粗糙度很低，也应该避开相移模式，否则断差附近会出现虚假的高度突变。

实际操作中可以把这条规则简化成一句：只要表面上有肉眼可见的断差或深槽，就不要用相移模式。这条经验规则虽然粗糙，但能避开绝大多数错误。

垂直扫描模式适合什么表面

垂直扫描模式适合粗糙表面、台阶结构以及高度变化较大的样品，例如喷砂面、切削纹理、台阶、沟槽和微孔。它不依赖相邻像素的相位连续性，而是逐点独立找峰值，因此不怕高度突变。代价是扫描行程更长、耗时更久，纵向分辨能力也不如相移模式。如果样品上既有粗糙区又有光滑区，通常先用垂直扫描模式定全局形貌。

垂直扫描模式的另一个好处是对高度突变不敏感，因此它经常被用作「先摸清样品」的默认模式：先用它得到全局形貌与最大高度差，再判断局部区域是否值得换相移模式复测。

这一做法还有一个好处：先用垂直扫描模式得到的最大高度差，正好可以用来设定后续正式测量的扫描范围，避免正式测量时因行程设置不当而失败。

超景深与明场用在哪

超景深模式解决的是「看不全清楚」的问题：样品本身高度起伏超过物镜景深时，单张图像只有局部清晰，把多层焦面合成后可以得到全视野清晰的图像，用于划痕、毛刺、异物这类形貌观察。明场模式解决的是「顺手量个尺寸」的问题：在观察的同时完成长度、宽度、孔径、间距的量测，不需要切换到专门的影像测量设备。

超景深合成本质上解决的是景深不足的问题。高倍物镜景深很浅，起伏稍大的样品一次成像必然有虚焦区，合成后才能得到全视野清晰的图像，用于划痕、毛刺这类形貌判读。

需要注意的是，合成图像主要用于判读形貌，不应把合成图像上的清晰度差异当成高度信息。要看高度，仍然要回到干涉测量模式生成的高度图。

选择模式的三步判断

第一步看表面粗糙度：光滑连续选相移，明显粗糙选垂直扫描。第二步看最大高度差：高度差小、表面连续才能用相移，有台阶、深槽或断差就选垂直扫描。第三步看目的：只是观察形貌用超景深，要二维尺寸用明场，要三维高度数据才进入干涉测量。把这三步写进作业指导书，比让操作员凭经验选模式可靠得多。

把这三步写成作业指导书还有一个附加好处：不同班次、不同操作员的结果才具有可比性。模式选择不一致是同一批样品在不同人手里测出不同结果的主要原因之一。

作业指导书里还应写清切换模式时哪些参数需要同步调整，例如扫描范围、曝光和评价区域。只统一模式而不统一参数，结果仍然不可比。

这三步的判断结果建议记录在测量记录表里，便于事后追溯当时为什么选这个模式。

模式选错的典型后果

最常见的错误是在粗糙面上用相移模式：条纹级次判错会直接产生虚假的高度台阶，形貌图上出现与真实表面不符的突变，但数据看起来「很平滑」，不容易被发现。第二个常见错误是用明场图像去判断高度：图像灰度受照明和材质影响很大，不能作为高度结论。模式选错不会报错，只会给出看起来合理但错误的数。

要识别这类错误，最有效的手段是交叉验证：同一区域用两种模式各测一次，如果结果差异超过预期量级，说明至少有一次的模式不适用，而不是简单地认为某次测量更准。

交叉验证的频次可以按风险设定：日常批次抽一件做双模式验证，新样品或工艺变更后则全数验证。这样既能控制风险，也不会明显增加工作量。

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常见问题

相移模式和垂直扫描模式哪个更准

不能简单比较。相移模式纵向分辨能力更高但只适用于光滑连续表面，垂直扫描模式纵向分辨能力稍低但能测粗糙面和台阶。选错模式带来的误差远大于两种模式之间的指标差异。

为什么相移模式测粗糙面会出错

相移模式依赖相邻像素之间的相位连续性，粗糙面相邻像素高度差过大会导致条纹级次判读错误，产生虚假的高度突变，而结果表面看起来仍然平滑，不易察觉。

超景深模式能不能给出高度数据

超景深模式主要用于把不同焦面的清晰部分合成全清晰图像，服务于形貌观察；要定量高度数据应走干涉测量模式，两者用途不同。若需要定量高度，应切换到干涉测量模式并在报告中注明所用模式。

明场模式测的尺寸精度如何

明场模式可用于长度、宽度、孔径、间距等二维特征尺寸测量，属于二维量测；若需要大视野、大批量的二维尺寸检测，用影像测量仪或闪测仪效率更高。

同一块样品可以换模式重复测吗

可以，而且推荐这么做。先用垂直扫描模式确认全局形貌和最大高度差，再对光滑区域用相移模式取高分辨数据，两种结果可以互补验证。

测量时间主要受什么影响

受测量模式、区域大小、拼接范围和分析项目共同影响。相移模式在光滑面上速度最快，垂直扫描需要更长的扫描行程，拼接区域越多耗时越长。

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把一个工件发给我们，我们告诉你该走哪条路

形貌问题最快的收敛方式是真工件，不是讨论。寄一件样品，附上图纸和你要判的高度特征，我们跑完把结果报给你 —— 包括哪些特征结论是「光学测不了」。我们不做「什么都能测」的承诺，只给可验证的结论。