CN102636118A - 一种激光三差动共焦theta成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面微细结构测量技术领域，涉及一种激光三差动共焦theta成像检测方法。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，在探测焦面上设置三个区域，测得这三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

一种激光三差动共焦theta成像检测方法

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

1957年，美国的Marvin Minsky首次提出了共焦显微技术的概念，该技术的初衷是通过在探测器前加入探测针孔来抑制杂散光对成像质量的影响，并利用点光源照明样品，通过对样品进行移动扫描，实现对样品不同部分信息的探测。其横向分辨力是同等参数下的普通显微系统的1.4倍，且具有独特的光学层析能力。但由于受到“零视场”扫描成像方式和衍射极限的限制，传统共焦显微系统通常难以兼顾分辨能力、工作距离和视场。增大物镜的数值孔径可以改善共焦显微系统的分辨力，但数值孔径的增大反过来又制约了共焦显微系统工作距离的增大及视场范围的扩展。且大数值孔径物镜的尺寸通常在厘米量级，不利于系统的小型化。减小光源波长也可以提高分辨能力，但会受到系统所用光学元件的玻璃属性以及样品属性等参数的限制。事实上，如何兼顾分辨能力、工作距离和视场大小已是共焦显微成像探测领域研究的前沿性热点问题。

过去的二十多年里，在改善共焦显微系统分辨能力的研究方面已取得很大进展，大致如下：利用光瞳滤波技术改变物镜的光瞳函数的超分辨共焦显微技术、用在样品两侧相对放置两个共焦点的物镜来增大共焦显微系统的总数值孔径的4Pi共焦显微技术、与干涉技术相结合的干涉共焦显微技术、与非线性光学相结合的荧光共焦显微技术、引入偏振光照明的偏振共焦显微技术、使用新型探测处理方式的差动/三差动共焦显微技术等。尽管上述方法均改善了共焦显微系统的分辨能力，解决了众多共焦超分辨显微成像的需求，但仍存在诸多不足，更重要的是上述技术对共焦显微系统的工作距离和视场没有改善作用。

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。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种激光三差动共焦theta成像检测方法，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，本发明是在探测面上设置三个微小区域，测得这三个区域的响应分别为I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)，其中，三个微小区域的位置为沿x_d轴方向排列，一个位于y_d轴上，其余关于y_d轴对称，z为被测样品沿物镜光轴方向的位移，C为微小探测区域中心相对y_d轴的偏移量；

依据响应，将I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)两两相减，

I_T-1(z，C)＝I₀(z，0)-I₂(z，C)

I_T-2(z，C)＝I₀(z，0)-I₁(z，-C)

I_T-3(z，C)＝I₁(z，-C)-I₂(z，C)

得出传感技术特性方程I_TCTM(z，C)：

$I_{\mathrm{TCTM}}(z,C)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{T-1}(z,C),& I_{T-3}(z,C)\&GreaterEqual;0\\ I_{T-2}(z,C),& I_{T-3}(z,C)<0\end{array};\right.$

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

有益效果

本发明检测技术具有以下特点及良好效果：

当三差动共焦theta成像检测技术用于层析成像时，工作于I_TCTM(z，C)＞0的区间，在该区间内，旁瓣对成像质量不产生任何影响。当用于表面轮廓及微细结构测量时，三差动共焦theta显微技术可以直接使用曲线I_T-3(z，C)进行双极性绝对测量和跟踪瞄准。此外，由于I_TCTM(z，C)是由三个探测器信号两两差动相减得到的，系统的光强波动、样品表面反射率变化、环境干扰等因素对它的影响显著地减小，可以显著改善三差动共焦theta显微技术的环境抗干扰能力。

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；

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；

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；

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；

特性曲线的半高宽小，横向分辨力更高；

可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾。

附图说明

图1为一种激光三差动共焦theta成像检测方法示意图；

图2为基于分割焦斑探测的一种激光三差动共焦theta成像检测方法传感原理；

图3为NA＝0.65，v_M＝1.3时，一种激光三差动共焦theta成像检测方法的各探测区域的归一化轴向强度响应曲线，NA为物镜的数值孔径数，v_M为微小探测区域中心相对xd轴的的归一化离轴偏移量；

图4为NA＝0.28，v_M＝2时，一种激光三差动共焦theta成像检测方法的理论仿真系统特性曲线；

图5为NA＝0.28，v_M＝2时，一种激光三差动共焦theta成像检测方法的归一化理论仿真系统特性曲线；

图6为NA＝0.28，C＝20时，一种激光三差动共焦theta成像检测方法的实测系统特性曲线；

图7为NA＝0.28，C＝20时，一种激光三差动共焦theta成像检测方法的归一化实测系统特性曲线；

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-探测区域O，10-放大物镜，11-光源系统，12-计算机系统，13-工作台，14-位移传感器。

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，在探测面内分别在焦点处、沿x_d轴方向且相对y_d轴对称位置设置三个微小区域来进行分割焦斑强度探测，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三个微小的探测区域A7、探测区域B8和探测区域O9，分别测得这三个区域的响应曲线，得出本测量方法的响应特性曲线，响应特性曲线I_TCTM(z，C)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_TCTM(z，C)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10放大到其后的探测器6的探测面上。下面对本发明激光三差动共焦theta成像检测方法进一步说明如下：

如图2所示，从光源系统11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，分别在探测面内焦点处、沿x_d轴方向且相对y_d轴对称位置设置三个微小区域，分别测得这三个区域的强度响应，得出本测量方法的响应曲线，计算机系统12控制工作台13沿光轴及垂直于物镜1的光轴方向运动，实现对被测样品4的扫描，位移传感器14测量工作台13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12根据位移传感器14的测量数据计算工作台13的轴向位移，即可反映被测样品4的表面形貌。

本实施例一种激光三差动共焦theta成像检测方法的分辨特性根据以下理论计算得出。

当物镜1的NA＜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：

$h_i(v_x,v_y,u)=\underset{S_1}{\&Integral;\&Integral;}P(v_{\mathrm{\&xi;}},v_{\mathrm{\&eta;}})\exp \left[\frac{\mathrm{iu}}{2}(v_{\mathrm{\&xi;}}^2+v_{\mathrm{\&eta;}}^2)\right]\&CenterDot;\exp \left[i(v_x{v}_{\mathrm{\&xi;}}+v_y{v}_{\mathrm{\&eta;}})\right]d{v}_{\mathrm{\&xi;}}d{v}_{\mathrm{\&eta;}}---\left(1\right)$

$h_c(v_x,v_y,u,v_M)=\underset{S_2}{\&Integral;\&Integral;}P(v_{\mathrm{\&xi;}},v_{\mathrm{\&eta;}})\exp \left[\frac{\mathrm{iu}}{2}(v_{\mathrm{\&xi;}}^2+v_{\mathrm{\&eta;}}^2)\right]\&CenterDot;\exp \left\{i\right[(v_x+v_M)v_{\mathrm{\&xi;}}+v_y{v}_{\mathrm{\&eta;}}\left]\right\}d{v}_{\mathrm{\&xi;}}d{v}_{\mathrm{\&eta;}}---\left(2\right)$

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，α_d是收集光瞳3在探测器空间的半孔径角。

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轴方向分别在焦点和关于y_d轴对称的位置设置三个半径为r的微小探测区域A7、探测区域O9和探测区域B8，这三个区域对应的灰度值依次为I_A(u，-v_M)、I_O(u，0)和I_B(u，v_M)的强度值。

选光源系统11波长λ＝632.8nm，物镜1的NA＝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-1.3、0和1.3时，其对应的探测区域A7、探测区域O9和探测区域B8的归一化轴向强度响应分别为I_A(u，-1.3)、I_O(u，0)和I_B(u，1.3)。可以看出，当点探测器存在横向偏移时，相应的归一化轴向强度响应I_A(u，-1.3)和I_B(u，1.3)的曲线形状与无偏移时的轴向归一化强度响应I_O(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。

将三个微小探测区域A7、探测区域O9和探测区域B8所探测的轴向强度响应I_A(u，-v_M)、I_O(u，0)和I_B(u，v_M)两两相减处理可得下式：

I_T-1(u，v_M)＝I_O(u，0)-I_A(u，-v_M)                     (4)

I_T-2(u，v_M)＝I_O(u，0)-I_B(u，v_M)                      (5)

I_T-3(u，v_M)＝I_B(u，v_M)-I_A(u，-v_M)                    (6)

系统的强度响应可表示为

$I_{\mathrm{TCTM}}(u,v_M)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{T-1}(u,v_M),& I_{T-3}(u,v_M)\&GreaterEqual;0\\ I_{T-2}(u,v_M),& I_{T-3}(u,v_M)<0\end{array}\right.---\left(7\right)$

由公式(7)可得系统特性曲线如图4所示，其归一化响应曲线如图5所示。其中，I_O(u，0)为探测区域O9即探测器无偏移时探测的轴向强度响应，也是普通共焦theta(CT)的强度响应曲线。可以看出，本发明技术具有以下显著优点：

1)具有绝对零位“0”，且位于特性曲线灵敏度最大并与CT“焦点位置”相对应的位置，极便于进行焦点跟踪测量；2)响应曲线I_T-3(u，v_M)的线性段曲线斜率优于响应曲线I_O(u，0)，显著提高了CT的轴向分辨能力；3)响应曲线I_T-3(u，v_M)用于测量的线性段比响应曲线I_O(u，0)范围大，扩展了CT的量程范围；4)响应曲线I_TCTM(u，v_M)的半高宽优于响应曲线I_O(u，0)，提高了CT的横向分辨力；5)由于响应曲线I_TCTM(u，v_M)和I_T-3(u，v_M)都是由三个探测器的强度响应两两差动相减得到的，基本消除了系统的光强波动、样品表面反射率变化、环境干扰、探测器电子漂移等因素产生的共模噪声，可以显著提高CT的成像信噪比和改善环境抗干扰能力；6)同时具有差动共焦显微技术的功能与特点，便于对三维轮廓和表面进行高精度双极性绝对测量。

本发明一种激光三差动共焦theta成像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11选用λ＝632.8nm的He-Ne激光器，入射准直光束直径为φ4mm，照明光瞳2和收集光瞳3的直径均为φ4mm，物镜1的NA＝0.28，放大物镜10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150mm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10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、探测区域O9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13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14为RENISHAW X80型激光干涉仪，用于检测工作台13的轴向位移。

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10的放大倍数，则系统特性方程(7)可简化为：

$I_{\mathrm{TCTM}}(z,C)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{T-1}(z,C),& I_{T-3}(z,C)\&GreaterEqual;0\\ I_{T-2}(z,C),& I_{T-3}(z,C)<0\end{array}---\left(8\right)\right.$

其中，

I_T-1(z，C)＝I_O(z，0)-I_B(z，C)            (9)

I_T-2(z，C)＝I_O(z，0)-T_A(z，-C)           (10)

I_T-3(z，C)＝I_A(z，-C)-I_B(z，C)           (11)

当被测样品4沿轴向进行扫描时，计算机系统12计算探测区域A7、探测区域O9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)、I_O(z，0)和I_B(z，+C)的值，再依据公式(8)进行处理，得到系统特性曲线I_TCTM(z，C)。

图6和图7为当v_M＝2即C＝20时，实测得到的系统特性曲线I_TCTM(z，C)。从图6可以看出，I_TCTM(z，C)的实测特性曲线与图4与图5所示的理论仿真系统特性曲线基本一致。

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 (1)

1.一种激光三差动共焦theta成像检测方法，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)在探测焦面上设置三个微小区域，测得这三个区域的响应分别为I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)，其中，三个微小区域的位置为沿x_d轴方向排列，一个位于y_d轴上，其余关于y_d轴对称，z为被测样品沿物镜光轴方向的位移，C为微小探测区域中心相对y_d轴的偏移量；

(2)依据响应，将I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)两两相减，

I_T-1(z，C)＝I₀(z，0)-I₂(z，C)

I_T-2(z，C)＝I₀(z，0)-I₁(z，-C)

I_T-3(z，C)＝I₁(z，-C)-I₂(z，C)

得到传感技术特性方程I_TCTM(z，C)：

$I_{\mathrm{TCTM}}(z,C)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{T-1}(z,C),& I_{T-3}(z,C)\&GreaterEqual;0\\ I_{T-2}(z,C),& I_{T-3}(z,C)<0\end{array};\right.$

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

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