專利名稱：基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種基于諧振梁掃描的 差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量方法與裝置，特別適合于表面三維微納 結構、微臺階、微溝槽、集成電路線寬、活體細胞和透明半透明材料 的檢測等。
背景技術：
隨著半導體器件、MEMS器件、MOEMS器件的飛速發(fā)展，細微 加工技術已經進入亞微米、納米三維加工技術領域，迫切需要大量程、 高效率、高空間分辨力的檢測技術。同時隨著物理學、生物醫(yī)學和材 料學等學科的迅速發(fā)展，例如對活體細胞內部檢測和材料斷層晶面的 檢測等，也急需高效率、高層析能力、高空間分辨力和無損傷的檢測 技術。
近年來雖然掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和近場光學顯微鏡等 顯微探測技術得到迅速的發(fā)展，其分辨力已經達到了納米級。但是， 這些顯微探測技術存在著以下缺點和不足。掃描隧道和原子力顯微探 測技術，工作時要求探針與被測樣品之間控制在納米級的范圍；近場 光學顯微探測技術，工作時要求探針與被測樣品之間控制在一個波長 范圍。上述原因限制了此類儀器的檢測范圍，限制了其在臺階和大傾 斜樣品檢測中的應用。另外此類方法還存在儀器結構復雜、測試條件 苛刻、測試效率低和測量范圍小等缺點。
由于共焦顯微探測技術具有獨特的三維層析探測特性，近年來成 為國際國內顯微探測領域研究的熱點。
目前，國外已有眾多公司研制了多種型號和多種用途的共焦顯微 探測儀器，主要分為三類 一類是用于生物醫(yī)學、材料分析、生化分 析等方面的共焦顯微鏡，如德國萊卡公司生產的Leica TCS SP5共焦 顯微鏡和Leica TCS 4兀共焦顯微鏡，日本Lasertec Corp生產的五 波長共焦顯微鏡0PTELICS⑧S130;第二類是用于微納結構與器件、半 導體晶圓及掩模版測試等領域的共焦顯微測量儀器，如德國Nanofocus公司的白光共焦光學輪廓儀u Surf和激光掃描(光學) 輪廓儀nScan， Leica公司生產的LeicalNS2000線寬測試儀，日本 Lasertec Corp生產的M5350型晶圓檢測系統(tǒng)和M3350掩模版檢測系 統(tǒng)等；第三類是基于共焦顯微技術的掃描探針式共焦傳感器，如德國 米依公司生產的optoNCDT2400型共焦多光譜位移測量系統(tǒng)、法國 STIL公司生產的CHR系列共焦多光譜位移測量系統(tǒng)，以及日本基恩 士 (Keyence)公司生產的LT9000系列表面掃描激光共焦位移計等。 現有共焦顯微鏡大多基于軸向光強響應/(0， w)與樣品軸向位置 w之間的對應關系，來進行成像與測量。但利用光強度響應直接進行 測量時，存在以下不足
1、 信噪比低，易受環(huán)境背景光干擾；
2、 線性度差，易受強度響應曲線的非線性影響，降低層析精度；
3、 無測量絕對零點，不便于進行絕對跟蹤測量；
4、 易受樣品傾斜和表面粗糙特性影響，不利于微納尺度的高精
^、、、5、分辨能力依舊不高，盡管共焦顯微鏡的橫向分辨力比光學顯 微鏡改善了 1.4倍，但受衍射極限的限制，同時工作在曲線的離焦 狀態(tài)，共焦顯微系統(tǒng)實際工作光斑遠大于其焦點光斑，降低了其橫 向分辨力。
由于存在上述原理性缺憾，現有共焦顯微鏡已不能適應近年來微 光機電技術、生化技術、生物醫(yī)學、微電子學和材料學等領域快速發(fā) 展而提出的光學高分辨和高層析成像能力的測量需求。
近年來共焦顯微探測技術在國內取得了很大的發(fā)展。
中國專利"具有高空間分辨力的差動共焦掃描檢測方法"(申請 號200410006359.6，公告號CN1209599C)公開了一種高空間分辨 力的共焦顯微技術。
中國專利"復色超分辨差動共焦測量方法與裝置"(申請?zhí)?200710301423.7，公告號CN101182992A)公開了一種復色超分辨差
動共焦顯微測量方法。
這些研究在提高共焦顯微測量技術的空間分辨力方面取得了一 定的進展，但是在提高測量速度和擴大量程方面并沒有取得進步。至于光軸方向掃描方式方面，在國際上日本基恩士 (Keyence) 公司生產的LT9000系列表面掃描激光共焦位移計采用圖5所示的音 叉掃描方式。而德國蔡司(ZEISS)生產的LSM700系列共聚焦掃描顯 微鏡采用了壓電陶瓷掃描方式。國內的天津大學的張國雄等人在音叉 掃描方式方面進行了研究。
根據天津大學張國雄等人的分析，音叉在帶動透鏡運動時，物鏡 焦點在垂直于測量方向上(即在垂直于光軸方向)的偏移量與音叉振 動量的大小量級相當，會造成測量誤差。而壓電陶瓷由于受各種條件 的限制，其位移量很小，達不到毫米量級，在共焦顯微鏡中帶動物鏡 在光軸方向運動，進行量程擴展，其擴展范圍有限。
目前具有高測量速度、大量程和高空間分辨力的光學顯微測量技 術的報道，迄今為止尚未見到。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決目前顯微測量中量程小、速度低、無法 測量臺階和大傾斜樣品等問題，提出一種基于諧振梁共振原理進行快 速掃描和量程擴展。利用差動共焦傳感器的響應曲線零點作為瞄準觸 發(fā)點，通過高精密的位移傳感器測量諧振梁振動位移，從而實現在光 軸方向的大量程快速掃描測量。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實 現的。
本發(fā)明的基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量方法，
包括以下步驟
1、 平行光透過偏振分光鏡、1/4波片，經過物鏡會聚到被測樣品； 光線經過被測樣品反射后，通過物鏡、1/4波片和偏振分光鏡進入差 動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)；
2、 諧振梁帶動物鏡在光軸方向做高速振動掃描，差動共焦響應 曲線上的零點對應物鏡聚焦在被測樣品表面；
3、 通過差動瞄準觸發(fā)系統(tǒng)探測零點來測量與其對應的物鏡的振 動位置，其值記為"；為瞄準點對應被測樣品表面輪廓的高度值。
本發(fā)明所述的測量方法還可以通過加入超分辨光學系統(tǒng)，用于提 高差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)的橫向分辨力。超分辨光學系統(tǒng)可放置在偏振分光鏡前面，也可放置在偏振分光鏡與差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)之 間。
被測樣品為透明或半透明物體時，本發(fā)明所述測量方法中的物鏡
還可以聚焦到被測樣品內表面；
本發(fā)明還提供一種基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微 測量裝置，包括光源，還包括偏振分光鏡、1/4波片、物鏡、諧振梁、 精密位移傳感器和差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)；其中偏振分光鏡、1/4波 片和物鏡依次放在光源出射光線方向，差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)放置在 偏振分光鏡反射方向；被測樣品與偏振分光鏡將光束反射至差動共焦 瞄準觸發(fā)系統(tǒng)，諧振梁配合物鏡、差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)和位移測量 系統(tǒng)實現被測樣品外表面或內表面的形貌測量。
還可以包括超分辨光學系統(tǒng)，用來提高差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)的 橫向分辨力。超分辨光學系統(tǒng)可以放置在光源與偏振分光鏡之間，也 可以放置在偏振分光鏡與差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)之間。
本發(fā)明對比已有技術具有以下顯著優(yōu)點
1.首次提出利用利用諧振梁進行光軸方向的快速掃描和量程擴 展，由差動共焦響應曲線零點進行瞄準觸發(fā)，結合位移傳感器進行高 效率、高分辨力、大量程的顯微測量；
2、 與傳統(tǒng)共焦顯微測量技術相比，本顯微測量技術具有絕對零 點，位于特性曲線靈敏度最大處且與顯微系統(tǒng)焦點位置相對應，利 用"零點觸發(fā)"式絕對跟蹤測量，可抑制樣品表面傾斜、粗糙特性 和系統(tǒng)非線性等對測量精度的影響；
3、 基于絕對零點瞄準觸發(fā)測量的"焦點瞄準觸發(fā)測量方式"， 可使共焦顯微系統(tǒng)工作在最小光斑狀態(tài)，顯著減小現有共焦顯微系 統(tǒng)因離焦而引起的對測量結果的影響；
4、 差動探測方式顯著改善了軸向響應特性的線性，使焦點位置 對應的線性最佳、靈敏度最高，可顯著提高共焦顯微系統(tǒng)的層析成 像能力等，特別適用于生物醫(yī)學等領域要求的層析成像測量；
5、 差動探測方式有效地抑制光強波動、探測器電子漂移、環(huán)境 狀態(tài)差異等產生的共模噪聲，顯著改善系統(tǒng)抗干擾能力；6、 可以將光瞳濾波技術等超分辨技術應用到差動傳感瞄準觸發(fā) 系統(tǒng)中，用來壓縮其焦點光斑的直徑，提高系統(tǒng)的橫向分辨力。
7、 利用差動共焦傳感器式"光探針"進行測量，屬于無損檢測， 對測量樣品無任何傷害，測量條件簡單，易滿足。
8、 與采用壓電陶瓷進行光軸方向的掃描方法相比，用諧振梁的 方法可以對測量范圍進行更大程度的擴展，滿足大臺階測量等應用需 求。
9、 與采用音叉、懸臂梁等進行光軸方向的掃描方法相比，用諧 振梁的方法可以從原理上保證位于諧振梁中心的物鏡只產生軸向位 移，避免焦點光斑在垂直于光軸方向上的偏移，減小測量誤差。


圖1為本發(fā)明測量方法的示意圖2為本發(fā)明測量裝置的示意圖3為本發(fā)明實施例的示意圖4為本發(fā)明實施例的差動響應曲線圖5為采用音叉掃描的共焦顯微光路示意其中1-偏振分光鏡、2-波片、3-物鏡、4-諧振梁、5-樣品、6-差 動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)、7-分光鏡、8-透鏡、9-針孔、10-探測器、11-透鏡、12-針孔、13-探測器、14-光源、15-超分辨光學系統(tǒng)、16-分光 鏡、17-諧振梁振動位移測量系統(tǒng)18-照明光源、19-綜合測控系統(tǒng)及 諧振梁驅動系統(tǒng)、20-分光鏡、21-透鏡、22-CCD、 23-零點、24-離焦 的光斑、25-焦點處的光斑、26-近焦的光斑、27-光源、28-偏振分光 鏡、29-波片、30-物鏡、31-被測樣品、32-音叉、33-透鏡、34-針孔、 35-探測器。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 首次提出基于諧振梁的差動共焦顯微測量技術，實現高分辨力、 大量程和高效率顯微測量。本發(fā)明的基本思想是利用諧振梁的共振帶 動聚焦物鏡進行光軸方向上的快速掃描，通過差動共焦傳感器輸出特性曲線的零點對被測樣品表面進行瞄準觸發(fā)，測量其對應的聚焦物鏡 的位移即可得到樣品的高度數據。 實施例
如圖3所示， 一種基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測
量方法，其測量步驟是
首先，打開光源14，射出平行光透過由偏振分光鏡1和1/4波片 2構成的分光系統(tǒng)，經透鏡3會聚在被測樣品5的表面，光線再由被 測樣品5的表面反射后，通過1/4波片2和偏振分光鏡1反射進入差 動共焦瞄準系統(tǒng)6中的分光鏡7;分光鏡7將光線分成兩路，透射光 線經過透鏡8、針孔9照射到探測器10，反射光線經過透鏡11、針 孔12照到探測器13;通過諧振梁振動帶動物鏡3在光軸方向作往復 掃描。差動共焦瞄準系統(tǒng)6的響應曲線如圖4所示。通過探測零點 23來確定物鏡3聚焦在被測樣品5的表面，觸發(fā)高精密位移測量系 統(tǒng)測量差動共焦式光探針傳感器聚集物鏡3的位移，即為被測樣品5 表面所瞄準點的高度值。
該實施例中通過在偏振分光鏡1前面加入超分辨光學系統(tǒng)15， 用來提高差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)的橫向分辨力。
該實施例在光路中加入由照明光源18、分光鏡16、分光鏡20、 透鏡21和CCD 22等組成視頻圖像采集系統(tǒng)，用來在測量時對被測 樣品5進行觀察和定位。
如圖3所示， 一種基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測 量裝置，包括光源14，依次放置在光源14出射平行光線方向的偏振 分光鏡1、 1/4波片2、物鏡3和被測樣品5;還包括放置在偏振分光 鏡反射方向的差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)6，其中被測樣品5， 1/4波片2， 偏振分光鏡1，將光束反射到差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)6中的分光鏡7， 分光鏡7將光束分成兩部分透射光線經過透鏡8、針孔9，照射到 探測器10上；反射光線經過透鏡11、針孔12,照射到探測器13上。 諧振梁4帶動物鏡3在光軸方向做往復運動掃描。在掃描過程中，物 鏡3會聚焦在被測樣品5的表面，對應差動共焦傳感器輸出響應曲線 中的零點23。利用這個零點去觸發(fā)測控系統(tǒng)20去記錄精密位移傳感 器17輸出的位移值，即可得到被測樣品5在這一點的高度值。該裝置在光源14和偏振分光鏡1之間加入的超分辨光學系統(tǒng)15，
用來提高差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)的橫向分辨力。
該裝置在光路中加入由照明光源18、分光鏡16、分光鏡20、透 鏡21和CCD 22等組成的視頻圖像采集系統(tǒng)，用來在測量時對被測 樣品5進行觀察和定位。
此實施例通過一系列的措施實現了高速度、高分辨力、高層析、 大量程的顯微測量。與其它測量方法相比，具有結構簡單、測量精度 高、抗干擾能力強和不損害被測樣品等優(yōu)點。
以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不 能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權利要 求書限定，任何在本發(fā)明權利要求基礎上的改動都是本發(fā)明的保護范 圍。
權利要求
1.基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量方法，其特征在于①平行光透過偏振分光鏡(1)、1/4波片(2)，經過物鏡(3)會聚到被測樣品(5)；光線經過被測樣品(5)反射后，通過物鏡(3)、1/4波片(2)和偏振分光鏡(1)進入差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)；②諧振梁(4)帶動物鏡(3)在光軸方向做高速振動掃描，差動共焦響應曲線上的零點(23)對應物鏡(3)聚焦到被測樣品(5)的表面；③通過差動瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)探測零點(23)來測量與其對應的物鏡(3)的振動位置，其值記為a，為瞄準點對應被測樣品(5)表面的高度值。
2、 根據權利1所述的基于諧振梁快速軸向掃描的差動共焦位移 測量方法，其特征在于還可以在光路中加入超分辨光學系統(tǒng)(15)， 可放置在偏振分光鏡(l)前面，也可放置在偏振分光鏡(l)與差動共焦 瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)之間，用于提高差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)的橫向分辨 力。
3、 根據權利1所述的基于諧振梁快速軸向掃描的差動共焦位移 測量方法，其特征在于被測樣品(5)為透明或半透明物體時，物鏡(3) 還可以聚焦到被測樣品(5)內表面。
4、 基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量裝置，包括 光源(14)，其特征在于還包括偏振分光鏡(l)、 1/4波片(2)、物鏡(3)、 諧振梁(4)、精密位移傳感器(17)和差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6);其中偏 振分光鏡(l)、 1/4波片(2)和物鏡(3)依次放在光源(14)出射光線方向， 差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)放置在偏振分光鏡(1)反射方向；被測樣品 (5)與偏振分光鏡(1)將光束反射至差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)，諧振梁 配合物鏡(3)、差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)和位移測量系統(tǒng)(17)實現被測 樣品(5)外表面或內表面的形貌測量。
5、 根據權利要求3所述的基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā) 式顯微測量裝置，其特征還在于還可以在光路中加入超分辨光學系 統(tǒng)(15)，可放置在光源(14)與偏振分光鏡(1)之間，也可放置在偏振分 光鏡1與差動共焦瞄準觸發(fā)系統(tǒng)(6)之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學精密測量領域，涉及基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發(fā)式顯微測量方法與裝置。該方法利用諧振梁的共振帶動聚焦透鏡在光軸方向快速振動，實現聚焦焦點在光軸方向的快速掃描。采用硬件過零觸發(fā)電路探測差動共焦傳感器的零點，配合精密位移傳感器，可以實現光軸方向位移的快速測量并擴展了其量程。同時可以利用光瞳濾波技術提高系統(tǒng)的分辨力和靈敏度。本發(fā)明利用諧振梁的方式實現差動共焦傳感器的軸向快速掃描，解決了傳統(tǒng)差動共焦位移測量速度慢、量程小的難題。差動共焦式傳感器探測的是光強信號，具有精度高、抗環(huán)境干擾能力強、不損壞被測對象等優(yōu)點。該方法可以滿足高空間分辨力、高精度和大測量范圍的要求。
文檔編號G01B11/24GK101586947SQ20091008692
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權日2009年6月18日
發(fā)明者沙定國, 趙維謙, 邱麗榮, 郭俊杰 申請人:北京理工大學