CN102053047B - 可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面微细结构测量技术领域，涉及一种可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法。该方法采用共焦theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳后，被聚光镜会聚于探测面上，在探测焦面上离轴设置两个区域，测得这两个区域的响应并得出探测器响应特性方程，依据曲线在线性区间内的强度大小，或强度为零的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。该方法结构简单，可有效兼顾分辨能力与量程范围，实现物体表面形貌和三维微细结构等的光学高分辨绝对测量。

Description

可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法

技术领域

本发明属于微观测量技术领域，特别提供一种可用于检测表面三维微细结构、微台阶、集成电路线宽和表面形貌等高分辨力测量的方法。

背景技术

共焦显微技术以其独有的三维层析成像能力和高分辨探测能力在高分辨测量领域得到了广泛的应用。基于共焦显微技术，Chau-Hwang Lee等提出了干涉共焦显微传感技术，用于物体表面形貌的精密测量；Zhi Li等提出了一种用于MEMS器件在线位移测量的横向扫描共焦显微技术；Ganesha Udupa等研制了用于3D形貌测量的共焦扫描光学显微镜；Seokhan Kim等将共焦显微技术与低相干技术相结合用于测量透明样品的厚度与折射率。总体上说，现有共焦传感器测量原理通常分为两类：一类是利用共焦强度响应的斜边直接对被测样品进行测量，另一类是利用共焦强度响应的最大值对样品进行焦点跟踪来实现测量。但现有共焦传感器存在以下不足：当利用共焦强度响应斜边进行测量时，无法实现绝对位移测量，且测量精度受限于共焦强度响应曲线斜边测量区间的非线性、光源强度波动、被测表面散射和反射特性等因素；当利用焦点跟踪测量时，由于共焦传感器焦点对应共焦强度响应灵敏度最差的顶点，因而制约了此类共焦传感器焦点跟踪精度的进一步提高。

为了克服共焦传感器存在的上述不足，哈尔滨工业大学的赵维谦等人曾提出了一种可实现双极性超分辨测量的差动共焦测量技术，其将共焦探测光路系统分为两部分，并将这两个探测系统的点探测器分别置于焦前和焦后位置进行差动探测，继而实现双极性绝对零点跟踪测量等。但是，由于采用了两套独立的探测光路系统，造成差动共焦传感器测量系统结构相对复杂，两点探测器离焦对称位置调整要求严格等不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种分割艾里斑区域探测的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，实现对三维微细结构、微台阶、集成电路线宽、物体表面形貌等的高分辨力光学检测。

本发明采用共焦theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳后，被会聚物镜会聚到探测面上，其特征在于：

(1)在探测焦面上相对y_d轴偏移C处设置两个微小区域，测得这两个区域的响应分别为I₁(z，-C)和I₂(z，C)，其中，z为被测样品的轴向位移，C为微小探测区域中心相对y_d轴的偏移量；

(2)依据响应，得出传感技术特性方程：

(3)依据曲线I_DCTS(z，C)在线性区间内的信号大小，或依据曲线I_DCTS(z，C)零点的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

其中，可优化C值来选定符合量程范围和灵敏度测量要求的传感技术特性曲线。

本发明检测技术具有以下特点及良好效果：

1.具有绝对零点，可进行双极性绝对测量，且绝对零点位于特性曲线灵敏度最大处、并与测量系统“焦点位置”相对应，极便于进行焦点跟踪测量；

2.特性曲线线性区的斜率约为同等参数的普通共焦特性曲线线性区的2倍，其分辨能力得到显著提高；

3.特性曲线线性区的范围比同等参数的普通共焦特性曲线的大，其量程范围得到拓展；

4.差动相减探测和抗干扰处理方式可有效抑制光源光强波动、探测器电子漂移、环境状态差异等产生的共模噪声；

5.可实现用同一探测器对艾里斑进行多区域分割探测，可大幅简化探测光路系统，消除因两探测器离轴放置不对称、探测器响应特性不一致等引起的误差；

6.可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾，通过设置两虚拟针孔的间距，可方便的选择不同量程范围和分辨力的工作模式等。

附图说明

图1为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法示意图；

图2为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法传感原理；

图3为不同v_M下探测区域的轴向强度响应曲线，v_M为微小探测区域中心相对y_d轴的的归一化离轴偏移量；

图4为不同N.A.和C＝v_MC₀的系统特性曲线，其中C₀为一常数，表示为：C₀＝βλ/2πsinα_d；

图5为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法与普通共焦特性曲线比较示意图；

图6为实测的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法特性曲线；

图7为盖玻片厚度测量实验特性曲线；

其中，1-物镜，2-照明光瞳，3-收集光瞳，4-被测样品，5-会聚物镜，6-探测器，7-探测区域A，8-探测区域B，9-放大物镜，10-光源系统，11-计算机系统，12-工作台，13-位移传感器，14-探测区域O。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是，利用在焦面特定方向上相对光轴离轴放置点探测器将使共焦theta显微系统的轴向响应曲线产生相应的相移这一特性，在探测面上离轴对称地设置两个微小的探测区域，既可提高分辨能力又可获得更大的线性量程，还可以通过优化离轴量来满足量程或分辨能力或兼顾量程和分辨能力的不同要求。

如图1所示，物镜1的光瞳面被分割为照明光瞳2和收集光瞳3，准直后的平行光束通过照明光瞳2后被物镜1会聚到被测样品4表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳3后，被会聚物镜5会聚到探测器6，在探测面上横向离轴对称设置两个微小的探测区域A7和探测区域B8，分别测得这两个区域的响应曲线，得出本测量方法的响应曲线，响应曲线I_DCTS(v，u，v_M)在斜边线性区内的大小反映了被测样品4的凹凸变化，利用该值大小或响应曲线I_DCTS(v，u，v_M)的零值位置就可以重构被测样品4的表面形貌及微观尺度，其中，v和u为横向和轴向归一化光学坐标。图中，(x，y，z)为物镜1的像方空间坐标，(η，ξ)为光瞳坐标，(x_d，y_d，z_d)为会聚物镜5的像方空间坐标，α是物镜1在物空间的半孔径角，v_η和v_ζ是光瞳的归一化坐标。

实施例

本发明的实施例结构如图2所示，为了便于探测器进行分割焦斑探测，本实施例将位于会聚物镜5焦面上的像通过放大物镜9放大到其后的探测器6的探测面上。下面对本发明可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法进一步说明如下：

如图2所示，从光源系统10出射的平行光束通过照明光瞳2后被物镜1会聚到被测样品4表面，载有被测样品4信息的反射光经过收集光瞳3后，被会聚物镜5会聚于探测器6的探测面上，在探测面上横向离轴、对称设置两个微小的探测区域A7和探测区域B8，分别测得这个区域的强度响应，得出本测量方法的响应曲线，计算机系统11控制工作台12沿光轴及垂直于光轴方向运动，实现对被测样品4的扫描，位移传感器13测量工作台12的轴向位置。将响应曲线的零值作为瞄准触发信号，计算机系统11根据位移传感器13的测量数据计算工作台12的轴向位移，即可反映被测样品4的表面形貌。

本实施例可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法的分辨特性根据以下理论计算得出。

当物镜1的N.A.＜0.7时，照明系统和收集系统的点扩展函数分别为h_i(v_x，v_y，u)和h_c(v_x，v_y，u，v_M)，其式表示如下：

$h_i(v_x,v_y,u)=\underset{S_1}{\∫}\∫(v_{\mathrm{\ξ}},v_{\mathrm{\η}})\exp \left[\frac{\mathrm{iu}}{2}(v_{\mathrm{\ξ}}^2+v_{\mathrm{\η}}^2)\right]\·\mathrm{ex}p\left[i(v_x{v}_{\mathrm{\ξ}}+v_y{v}_{\mathrm{\η}})\right]{\mathrm{dv}}_{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{dv}}_{\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

$h_c(v_x,v_y,u,v_M)\text{=}\underset{S_2}{\∫}\text{\∫P}(v_{\mathrm{\ξ}},v_{\mathrm{\η}})\exp \left[\frac{\mathrm{iu}}{2}(v_{\mathrm{\ξ}}^2+v_{\mathrm{\η}}^2)\right]\·\exp \left\{i\right[(v_x+v_M)v_{\mathrm{\ξ}}+v_y{v}_{\mathrm{\η}}\left]\right\}{\mathrm{dv}}_{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{dv}}_{\mathrm{\η}}---\left(2\right)$

其中，S₁和S₂分别为照明光瞳2和收集光瞳3的区域，物镜1在像空间的归一化光学坐标为v_x＝2πxsinα/λ、v_y＝2πysinα/λ和u＝8πzsin²(α/2)/λ，探测器6在会聚物镜5焦平面上的横向离轴归一化光学坐标为v_M＝2πMsinα_d/λ，M是探测器6在会聚物镜5焦平面的横向离轴偏移量，P(v_η，v_ζ)是物镜1的光瞳函数，v_η和v_ζ是其归一化坐标。

探测器6探测面上离轴v_M处的某微小区域i探测的轴向强度响应I_i(u，v_M)为：

I_i(u，v_M)＝|h_i(0，0，u)·h_c(0，0，u，v_M)|²    (3)

在该爱丽斑内沿x_d方向在探测面上设置三个半径为r的微小探测区域A7、探测区域O14和探测区域B8，这三个区域对应的灰度值依次为I₁(u，-v_M)、I₀(u，v_M＝0)和I₂(u，v_M)的强度值。

选光源系统10波长λ＝632.8nm，物镜1的N.A.＝0.65，照明光瞳2和收集光瞳3的归一化半径r＝0.5。如图3所示，当v_M分别取-4、0和+4时，其对应的探测区域A7、探测区域O14和探测区域B8的轴向强度响应分别为I₁(u，-4)、I₀(u，0)和I₂(u，+4)。可以看出，当点探测器存在横向偏移时，相应的轴向归一化强度响应I₁(u，-4)和I₂(u，+4)的曲线形状与无偏移时的轴向归一化强度响应I₀(u，0)的曲线形状相比，仅在沿u轴方向产生相应的相移，但其形状基本不变。

设光源波动、样品反射率等引起的系统强度变化因子为η，环境干扰、电气噪声等引起的噪声为ε，则探测区域A7和探测区域B8探测到的强度响应分别为(η·I₁(u，-v_M)+ε)和(η·I₂(u，+v_M)+ε)，系统特性方程表示为：

$I_{\mathrm{DCMS}}(u,v_M)=\frac{[\mathrm{\η}\·I_1(u,{-v}_M)+\mathrm{\ϵ}]-[\mathrm{\η}\·I_2(u,v_M)+\mathrm{\ϵ}]}{[\mathrm{\η}\·I_1(u,{-v}_M)+\mathrm{\ϵ}]+[\mathrm{\η}\·I_2(u,v_M)+\mathrm{\ϵ}]}=\frac{I_1(u,-v_M)-I_2(u,v_M)}{I_1(u,-v_M)+I_2(u,v_M)+\frac{2\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\η}}}---\left(4\right)$

本测量方法主要用于高精密测量，通常存在η→1，ε→0，因而2ε/η与[I₁(u，-v_M)+I₂(u，+v_M)]相比为微小值，可忽略。由于轴向归一化光学坐标u与轴向位移z之间满足u＝8πzsin²(α/2)/λ和C＝βM＝βλv_M/2πsinα_d＝v_MC₀，其中，β为放大物镜9的放大倍数，则系统特性方程(4)可简化为：

$I_{\mathrm{DCMS}}(z,C)\≈\frac{I_1(z,C)-I_2(z,C)}{I_1(z,C)+I_2(z,C)}---\left(5\right)$

由公式(5)可得到物镜1的N.A.值和偏移量C取不同值时的系统特性曲线如图4所示，从图4可以看出N.A.值和偏移量C越大，系统的灵敏度越高，但其量程范围却越小。

将N.A.＝0.28和v_M＝4时的系统特性曲线I_DCTS(z，C)与共焦传感器特性曲线I_CM(z)绘制在图5中，可以看出本方法的分辨能力改善了约一倍。

采用本方法的探测器可依据不同的测量要求，综合考虑传感器分辨力、量程范围和工作距之间的关系，通过改变C值来选定合适的系统特性曲线。当进行绝对位移测量时，可选择量程范围相对较大的特性曲线；当进行焦点跟踪测量时，可选择量程范围较小但灵敏度较高的传感器特性曲线。

本发明可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法的实验验证系统的主要器件型号及参数如下：

实验装置中的光源系统10选用λ＝632.8nm的He-Ne激光器，入射准直光束直径为φ10mm，照明光瞳2和收集光瞳3的直径均为φ6mm，物镜1的N.A.＝0.28，放大物镜9的放大倍数β为25倍。探测器6为CCD，型号为WATEC 902H2Ultimate，其有效像素数为752(H)×582(V)，像素大小为8.6μm(H)×8.3μm(V)。测量光束被焦距为200mm的会聚透镜4会聚到其焦面上，光斑直径约为φ51μm，该光斑被放大物镜9放大并成像在CCD上的光斑直径约为φ1285μm。在CCD像面设置的探测区域A7和探测区域B8的直径为6个像素，对应的几何尺寸约为φ52μm。工作台12为由进给分辨力为0.08μm的高精度电控平移台驱动的气浮导轨，位移传感器13为RENISHAW X80型激光干涉仪，用于检测工作台12的轴向位移。

当被测样品4沿轴向进行扫描时，计算机系统11计算探测区域A7和探测区域B8范围内的像素灰度总和，得到轴向强度响应I_A(z，-C)和I_B(z，+C)的值，再依据公式(5)进行处理，得到系统特性曲线I_DCTS(z，C)。

图6给出了当v_M＝1、2、3、4和5，即在CCD像面上C≈10Pixel、20Pixel、30Pixel、40Pixel和50Pixel时，测得的系统特性曲线I_DCTS(z，C)。从图6可以看出，I_DCTS(z，C)的实测特性曲线与图5所示的理论仿真特性曲线基本一致。

为进一步验证本发明方法的分辨特性和层析测量能力，我们用以上实验验证系统对一标称值为n＝1.5143和厚度d＝160.00μm的盖玻片厚度进行测量。

由于透明盖玻片测量时采用上、下表面焦点跟踪的层析定焦测量方法，因而本方法选择v_M＝4时的分辨能力相对较高的特性曲线，来进行焦点跟踪测量。图7给出了C＝40和N.A.＝0.28时，系统对盖玻片上、下表面的焦点瞄准测量曲线I_DCTS1(z，C)和I_DCTS2(z，C)，两过零点O₁和O₂分别对应盖波片的上、下表面的定位瞄准点。O₁和O₂对应的坐标分别是z_O1＝-4.91μm和z_O2＝96.90μm。

在ZEMAX中构建8字形光瞳的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法光路，将|O₂O₁|＝108.10μm、物镜1的N.A.＝0.28、盖玻片折射率n＝1.5143等参数代入其中进行光线追迹，得盖玻片几何厚度为159.68μm，其与标称厚度差值为δ＝(160.00-159.68)μm＝0.32μm，其相对误差Δδ＝(δ/160.00)×100％＝0.2％。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和仿真效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，采用共焦theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳后，被会聚物镜会聚到探测面上，其特征在于：

(1)在探测焦面上相对y_d轴偏移C处设置两个微小区域，测得这两个区域的响应分别为I₁(z，-C)和I₂(z，C)，其中，y_d轴的方向与被测样品的轴向方向垂直向外，z为被测样品的轴向位移，C为微小探测区域中心相对y_d轴的偏移量；

(2)依据响应，得出传感技术特性方程：

(3)依据曲线I_DCTS(z，C)在线性区间内的信号大小，或依据曲线I_DCTS(z，C)零点的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

2.根据权利要求1所述的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，其特征在于：可优化C值来选定符合量程范围和灵敏度测量要求的传感技术特性曲线。

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