專利名稱：一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微觀測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別提供一種可用于檢測(cè)表面三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺(tái)階、集成電路線寬和表面形貌等高分辨力測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
1957年,美國(guó)的Marvin Minsky首次提出了共焦顯微技術(shù)的概念,該技術(shù)的初衷是通過(guò)在探測(cè)器前加入探測(cè)針孔來(lái)抑制雜散光對(duì)成像質(zhì)量的影響，并利用點(diǎn)光源照明樣品，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行移動(dòng)掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同部分信息的探測(cè)。其橫向分辨力是同等參數(shù)下的普通顯微系統(tǒng)的I. 4倍，且具有獨(dú)特的光學(xué)層析能力。但由于受到“零視場(chǎng)”掃描成像方式和衍射極限的限制，傳統(tǒng)共焦顯微系統(tǒng)通常難以兼顧分辨能力、工作距離和視場(chǎng)。增大物鏡的數(shù)值孔徑可以改善共焦顯微系統(tǒng)的分辨力，但數(shù)值孔徑的增大反過(guò)來(lái)又制約了共焦顯微系統(tǒng)工作距離的增大及視場(chǎng)范圍的擴(kuò)展。且大數(shù)值孔徑物鏡的尺寸通常在厘米量級(jí)，不利于系統(tǒng)的小型化。減小光源波長(zhǎng)也可以提高分辨能力，但會(huì)受到系統(tǒng)所用光學(xué)元件的玻璃屬性以及樣品屬性等參數(shù)的限制。事實(shí)上，如何兼顧分辨能力、工作距離和視場(chǎng)大小已是共焦顯微成像探測(cè)領(lǐng)域研究的前沿性熱點(diǎn)問(wèn)題。過(guò)去的二十多年里，在改善共焦顯微系統(tǒng)分辨能力的研究方面已取得很大進(jìn)展，大致如下利用光瞳濾波技術(shù)改變物鏡的光瞳函數(shù)的超分辨共焦顯微技術(shù)、用在樣品兩側(cè)相對(duì)放置兩個(gè)共焦點(diǎn)的物鏡來(lái)增大共焦顯微系統(tǒng)的總數(shù)值孔徑的4Pi共焦顯微技術(shù)、與干涉技術(shù)相結(jié)合的干涉共焦顯微技術(shù)、與非線性光學(xué)相結(jié)合的熒光共焦顯微技術(shù)、引入偏振光照明的偏振共焦顯微技術(shù)、使用新型探測(cè)處理方式的差動(dòng)/三差動(dòng)共焦顯微技術(shù)等。盡管上述方法均改善了共焦顯微系統(tǒng)的分辨能力，解決了眾多共焦超分辨顯微成像的需求，但仍存在諸多不足，更重要的是上述技術(shù)對(duì)共焦顯微系統(tǒng)的工作距離和視場(chǎng)沒(méi)有改善作用?？傮w上說(shuō)，現(xiàn)有共焦傳感器測(cè)量原理通常分為兩類(lèi)一類(lèi)是利用共焦強(qiáng)度響應(yīng)的斜邊直接對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量，另一類(lèi)是利用共焦強(qiáng)度響應(yīng)的最大值對(duì)樣品進(jìn)行焦點(diǎn)跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。但現(xiàn)有共焦傳感器存在以下不足當(dāng)利用共焦強(qiáng)度響應(yīng)斜邊進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移測(cè)量，且測(cè)量精度受限于共焦強(qiáng)度響應(yīng)曲線斜邊測(cè)量區(qū)間的非線性、光源強(qiáng)度波動(dòng)、被測(cè)表面散射和反射特性等因素；當(dāng)利用焦點(diǎn)跟蹤測(cè)量時(shí)，由于共焦傳感器焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)共焦強(qiáng)度響應(yīng)靈敏度最差的頂點(diǎn)，因而制約了此類(lèi)共焦傳感器焦點(diǎn)跟蹤精度的進(jìn)一步提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺(tái)階、集成電路線寬、物體表面形貌等的高分辨力光學(xué)檢測(cè)。本發(fā)明采用共焦theta顯微術(shù)的光路布置對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量，將物鏡的光、瞳面分割為照明光瞳和收集光瞳，入射光束透過(guò)照明光瞳后被物鏡會(huì)聚到被測(cè)表面，載有被測(cè)樣品信息的反射光經(jīng)過(guò)收集光瞳后，被會(huì)聚物鏡會(huì)聚到探測(cè)面上，本發(fā)明是在探測(cè)面上設(shè)置三個(gè)微小區(qū)域，測(cè)得這三個(gè)區(qū)域的響應(yīng)分別為I1 (Z，-C), I0 (z, O)和I2 (Z，C)，其中，三個(gè)微小區(qū)域的位置為沿Xd軸方向排列，一個(gè)位于yd軸上，其余關(guān)于yd軸對(duì)稱，z為被測(cè)樣品沿物鏡光軸方向的位移，C為微小探測(cè)區(qū)域中心相對(duì)yd軸的偏移量；依據(jù)響應(yīng)，將I1 (z，-C)、I。(z，O)和 I2(z，C)兩兩相減，I^1(Z7C) = I0(z,0)-I2(z , C)IT_2(z,C) = I0(Z7O)-I1 (z, -C)IT_3(z,C) = I1 (z, -C)-I2(z, C)得出傳感技術(shù)特性方程Itctm (z，C)
P-,J(廣、_ J,T-1 (Z,C),^T-3 (Z^) - 0Itctm (z,C) = <n ;
[T-2) T-3/依據(jù)曲線ITCTM(z，C)在線性區(qū)間內(nèi)的信號(hào)大小，或依據(jù)曲線ITCTM(z，C)零點(diǎn)的位置，重構(gòu)出被測(cè)樣品的表面形貌和微觀尺度有益效果本發(fā)明檢測(cè)技術(shù)具有以下特點(diǎn)及良好效果當(dāng)三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)技術(shù)用于層析成像時(shí)，工作于ITCTM(z，C) > O的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，旁瓣對(duì)成像質(zhì)量不產(chǎn)生任何影響。當(dāng)用于表面輪廓及微細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)，三差動(dòng)共焦theta顯微技術(shù)可以直接使用曲線IT_3(z，C)進(jìn)行雙極性絕對(duì)測(cè)量和跟蹤瞄準(zhǔn)。此夕卜，由于ITCTM(z，C)是由三個(gè)探測(cè)器信號(hào)兩兩差動(dòng)相減得到的，系統(tǒng)的光強(qiáng)波動(dòng)、樣品表面反射率變化、環(huán)境干擾等因素對(duì)它的影響顯著地減小，可以顯著改善三差動(dòng)共焦theta顯微技術(shù)的環(huán)境抗干擾能力。具有絕對(duì)零點(diǎn)，可進(jìn)行雙極性絕對(duì)測(cè)量，且絕對(duì)零點(diǎn)位于特性曲線靈敏度最大處、并與測(cè)量系統(tǒng)“焦點(diǎn)位置”相對(duì)應(yīng)，極便于進(jìn)行焦點(diǎn)跟蹤測(cè)量；特性曲線線性區(qū)的斜率約為同等參數(shù)的普通共焦特性曲線線性區(qū)的2倍，其分辨能力得到顯著提高；特性曲線線性區(qū)的范圍比同等參數(shù)的普通共焦特性曲線的大，其量程范圍得到拓展；差動(dòng)相減探測(cè)和抗干擾處理方式可有效抑制光源光強(qiáng)波動(dòng)、探測(cè)器電子漂移、環(huán)境狀態(tài)差異等產(chǎn)生的共模噪聲；特性曲線的半高寬小，橫向分辨力更高；可實(shí)現(xiàn)量程范圍與分辨能力的有效兼顧。


圖I為一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法示意圖；圖2為基于分割焦斑探測(cè)的一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法傳感原理；圖3為NA = O. 65，vM = I. 3時(shí)，一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的各探測(cè)區(qū)域的歸一化軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線，NA為物鏡的數(shù)值孔徑數(shù)，vM為微小探測(cè)區(qū)域中心相對(duì)xd軸的的歸一化離軸偏移量；
圖4為NA = O. 28，vM = 2時(shí)，一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的理論仿真系統(tǒng)特性曲線；圖5為NA = O. 28，vM = 2時(shí)，一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的歸一化理論仿真系統(tǒng)特性曲線；圖6為NA = O. 28，C = 20時(shí)，一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的實(shí)測(cè)系統(tǒng)特性曲線；圖7為NA = O. 28 ，C = 20時(shí)，一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的歸一化實(shí)測(cè)系統(tǒng)特性曲線；其中，I-物鏡,2-照明光瞳,3-收集光瞳,4-被測(cè)樣品,5-會(huì)聚物鏡,6-探測(cè)器，7-探測(cè)區(qū)域A，8-探測(cè)區(qū)域B，9-探測(cè)區(qū)域0，10-放大物鏡，11-光源系統(tǒng)，12-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，13-工作臺(tái)，14-位移傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的基本思想是，利用在焦面特定方向上相對(duì)光軸離軸放置點(diǎn)探測(cè)器將使共焦theta顯微系統(tǒng)的軸向響應(yīng)曲線產(chǎn)生相應(yīng)的相移這一特性，在探測(cè)面內(nèi)分別在焦點(diǎn)處、沿Xd軸方向且相對(duì)yd軸對(duì)稱位置設(shè)置三個(gè)微小區(qū)域來(lái)進(jìn)行分割焦斑強(qiáng)度探測(cè)，既可提高分辨能力又可獲得更大的線性量程，還可以通過(guò)優(yōu)化離軸量來(lái)滿足量程或分辨能力或兼顧量程和分辨能力的不同要求。如圖I所示，物鏡I的光瞳面被分割為照明光瞳2和收集光瞳3，準(zhǔn)直后的平行光束通過(guò)照明光瞳2后被物鏡I會(huì)聚到被測(cè)樣品4表面，載有被測(cè)樣品信息的反射光經(jīng)過(guò)收集光瞳3后，被會(huì)聚物鏡5會(huì)聚到探測(cè)器6，在探測(cè)面上橫向離軸對(duì)稱設(shè)置三個(gè)微小的探測(cè)區(qū)域A7、探測(cè)區(qū)域B8和探測(cè)區(qū)域09，分別測(cè)得這三個(gè)區(qū)域的響應(yīng)曲線，得出本測(cè)量方法的響應(yīng)特性曲線，響應(yīng)特性曲線ITCTM(z，C)在斜邊線性區(qū)內(nèi)的大小反映了被測(cè)樣品4的凹凸變化，利用該值大小或響應(yīng)曲線ITCTM(z，C)的零值位置就可以重構(gòu)被測(cè)樣品4的表面形貌及微觀尺度，其中，V和u為橫向和軸向歸一化光學(xué)坐標(biāo)。圖中，(X，y, z)為物鏡I的像方空間坐標(biāo)，(η, ξ)為光瞳坐標(biāo)，(xd, yd，Zd)為會(huì)聚物鏡5的像方空間坐標(biāo)，α是物鏡I在物空間的半孔徑角，Vn和νζ是光瞳的歸一化坐標(biāo)。實(shí)施例本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了便于探測(cè)器進(jìn)行分割焦斑探測(cè)，本實(shí)施例將位于會(huì)聚物鏡5焦面上的像通過(guò)放大物鏡10放大到其后的探測(cè)器6的探測(cè)面上。下面對(duì)本發(fā)明激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法進(jìn)一步說(shuō)明如下如圖2所示，從光源系統(tǒng)11出射的平行光束通過(guò)照明光瞳2后被物鏡I會(huì)聚到被測(cè)樣品4表面，載有被測(cè)樣品4信息的反射光經(jīng)過(guò)收集光瞳3后，被會(huì)聚物鏡5會(huì)聚于探測(cè)器6的探測(cè)面上，分別在探測(cè)面內(nèi)焦點(diǎn)處、沿Xd軸方向且相對(duì)yd軸對(duì)稱位置設(shè)置三個(gè)微小區(qū)域，分別測(cè)得這三個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度響應(yīng)，得出本測(cè)量方法的響應(yīng)曲線，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12控制工作臺(tái)13沿光軸及垂直于物鏡I的光軸方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品4的掃描,位移傳感器14測(cè)量工作臺(tái)13的軸向位置。將響應(yīng)曲線的零值作為瞄準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12根據(jù)位移傳感器14的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算工作臺(tái)13的軸向位移，即可反映被測(cè)樣品4的表面形貌。
本實(shí)施例一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法的分辨特性根據(jù)以下理論計(jì)
算得出。當(dāng)物鏡I的NA < O. 7時(shí)，照明系統(tǒng)和收集系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)分別為Iii (vx，vy, u)和h。(vx, vy, u, vM),其式表示如下
權(quán)利要求
1.一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法，采用共焦theta顯微術(shù)的光路布置對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量，將物鏡的光瞳面分割為照明光瞳和收集光瞳，入射光束透過(guò)照明光瞳后被物鏡會(huì)聚到被測(cè)表面，載有被測(cè)樣品信息的反射光經(jīng)過(guò)收集光瞳后，被會(huì)聚物鏡會(huì)聚到探測(cè)面上，其特征在于 (1)在探測(cè)焦面上設(shè)置三個(gè)微小區(qū)域，測(cè)得這三個(gè)區(qū)域的響應(yīng)分別為I1(z，-C)、IQ(z，0)和I2 (z，C)，其中， 三個(gè)微小區(qū)域的位置為沿xd軸方向排列，一個(gè)位于yd軸上，其余關(guān)于yd軸對(duì)稱，z為被測(cè)樣品沿物鏡光軸方向的位移，C為微小探測(cè)區(qū)域中心相對(duì)yd軸的偏移量； (2)依據(jù)響應(yīng)，將I1(Z5-C)Uq(Z5O)和I2(z,C)兩兩相減， IT_! (z, C) = I0(z,0)-I2(z, C)IT_2(z,C) =I0(ZilO)-I1(Zil-C) IT_3(z,C) = I1 (z, -C)-I2(z, C) 得到傳感技術(shù)特性方程Itctm (z，C) ( Jzw(^C), /T-3(非 0 ，U-“Z，C)， 、3(z,C)<0; (3)依據(jù)曲線ITCTM(z，C)在線性區(qū)間內(nèi)的信號(hào)大小，或依據(jù)曲線ITCTM(z，C)零點(diǎn)的位置，重構(gòu)出被測(cè)樣品的表面形貌和微觀尺度。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面微細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光三差動(dòng)共焦theta成像檢測(cè)方法。該方法采用共焦theta顯微術(shù)的光路布置對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量，將物鏡的光瞳面分割為照明光瞳和收集光瞳，入射光束透過(guò)照明光瞳后被物鏡會(huì)聚到被測(cè)表面，載有被測(cè)樣品信息的反射光經(jīng)過(guò)收集光瞳后，被聚光鏡會(huì)聚于探測(cè)面上，在探測(cè)焦面上設(shè)置三個(gè)區(qū)域，測(cè)得這三個(gè)區(qū)域的響應(yīng)并得出探測(cè)器響應(yīng)特性方程，依據(jù)曲線在線性區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)度大小，或強(qiáng)度為零的位置，重構(gòu)出被測(cè)樣品的表面形貌和微觀尺度。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可有效兼顧分辨能力與量程范圍，實(shí)現(xiàn)物體表面形貌和三維微細(xì)結(jié)構(gòu)等的光學(xué)高分辨絕對(duì)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102636118SQ20121010795
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者劉超, 趙維謙, 邱麗榮 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)