CN106767596B - 一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法。首先，预备参考样块，该参考样块表面具有预先设定的三维尺寸的二维非周期编码光栅结构和渐变节距的栅线结构；随后，通过微纳米成像测量仪器对该参考样块表面进行扫描成像；最后，对扫描成像的结果进行分析处理，获得该微纳米成像测量仪器随时间的漂移值、分辨力以及xyz三个坐标方向上尺寸测量的校准系数。根据本发明的上述方法，能够方便的利用单个参考样块上实现对微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等关键性能的表征和校准标定，并且具有漂移测量范围大、对比度高、不易受干扰等优点。

Description

一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，具体涉及微纳米成像测量仪器技术领域，尤其涉及一种基于特殊设计加工的参考样块结构来实现微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等多种仪器性能的同时校准表征的方法。
背景技术
微纳米成像测量仪器，如扫描激光共焦显微镜、激光干涉显微镜、扫描探针显微镜等，在定量形貌结构测量应用中通常需要进行分辨力、xyz尺寸测量精度、长时间应用稳定性等仪器性能的校准标定。此类仪器性能的测试多采用具有确定特性值的参考样块结构来实施。然而，现有的微纳米参考样块结构多为用于xy尺寸/节距测量表征的周期二维光栅结构或用于z尺寸的测量表征的台阶式结构，在功能上较为单一，仅能表征微纳米成像测量仪器在单个维度上尺寸测量的特性。除此以外，在长时间测量应用时仪器漂移普遍存在，直接影响着各种微纳米成像测量仪器的使用。因此，仪器时间稳定性即漂移特性的分析极为重要，能便于用户了解仪器的稳定性，以便有效设计应用实验。基于现有的参考样块结构难以进行分辨力、xyz尺寸测量精度和时间稳定性等性能参数的同时表征。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于特殊设计的集成多种微纳米结构的多功能参考样块来实现各种微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等重要性能同时表征的方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法，包括：
(1)预备参考样块，该参考样块表面具有预先设定的三维尺寸的二维非周期编码光栅结构和渐变节距的栅线结构；
(2)获得微纳米成像测量仪器对所述参考样块表面进行扫描而得到的扫描成像的结果；
(3)对所述扫描成像的结果进行分析处理：通过对所述二维非周期编码光栅结构在不同时刻进行扫描测量，获得该微纳米成像测量仪器的时间稳定性表征；通过对所述渐变节距的栅线结构扫描测量，获得所述微纳米成像测量仪器的分辨力；通过对所述二维非周期编码光栅结构的光栅单元的宽度及高度，和/或所述栅线结构的节距及高度的扫描测量，并通过将实测尺寸和标称尺寸进行比较，获得xyz三个坐标方向上尺寸测量的校准系数。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)在单个参考样块上集成能实现微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等关键性能表征的微纳结构，通过对单一参考样块的成像测试，实现包括分辨力、xyz尺寸测量精度和时间稳定性等仪器性能的同时测量表征。
(2)二维非周期编码光栅结构使其扫描图像互相关分析峰值对比度大，利于漂移表征，具有漂移测量范围大、对比度高、不易受干扰等优点。
(3)所述参考样块具有渐变节距的栅线结构能方便地实现仪器水平、垂直方向分辨能力表征。
(4)通过精确控制所述二维非周期编码光栅结构的光栅单元宽度/高度和/或所述栅线结构的节距/高度，即可以作为尺寸参考值用于xyz尺寸测量精度的校准表征，操作简便。
附图说明
图1为本发明参考样块结构示意图；
图2为本发明二维非周期编码光栅结构具体示意图；
图3为本发明栅线结构具体示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本发明的具体实施例中，采用多功能参考样块同时表征微纳米成像测量仪器的多种性能。图1为本发明参考样块结构示意图，请参照图1，本发明参考样块包括：二维非周期编码光栅结构1、渐变节距栅线结构2以及边框3；其中，
所述边框用于限定所述参考样块的有效区域；
所述二维非周期编码光栅结构位于所述边框的中心区域，用于时间稳定性表征；以及
所述渐变节距栅线结构位于所述边框内、所述二维非周期编码光栅结构的四侧，用于分辨力和xy尺寸表征的渐变节距栅线，同时该渐变节距栅线结构在应用时可起到导向作用。
进一步的，所述二维非周期编码光栅和渐变节距栅线具有精确的指定台阶高度，可用于z向(高度方向)测量尺寸表征。
所述二维非周期编码光栅结构的主要功能是进行微纳米成像测量仪器的时间稳定性表征。该二维非周期编码光栅与通常周期光栅在结构上不同，其包括具有预设台阶高度的光栅单元及基底高度的光栅单元，可以记所述具有预设台阶高度的光栅单元的编码为“1”，所述基底高度的光栅单元的编码为“0”，则所述二维非周期光栅结构可由一个n×n二值矩阵表示，如图2所示。其编码经过优化使得在确定光栅单元数n×n和编码“1”的个数t下，编码矩阵的互相关函数有较优的对比度，以便进行不同时刻下扫描图像间的数字图像互相关分析确定相对漂移大小及漂移方向。也即，采用了上述二维非周期编码光栅，能够使得扫描图像互相关分析峰值对比度大，有利于漂移表征，具有漂移测量范围大、对比度高、不易受干扰等优点。
进一步的，所述二维非周期编码光栅的编码数n和编码“1”的个数可根据微纳米成像测量仪器的分辨能力和成像范围的不同而选择设计。编码“0”和“1”除代表台阶高度差别外，还可设计成不透光/透光、反射/投射等物理性能的差异。例如，可设计所述具有预设台阶高度的光栅单元为不透光型光栅单元，所述基底高度的光栅单元为透光型光栅单元，或所述具有预设台阶高度的光栅单元为反光型光栅单元，所述基底高度的光栅单元为透光型光栅单元。
本发明的工作原理是：利用渐变节距的栅线结构来分析仪器对平面尺寸的截止分辨尺寸；利用不同时刻扫描的二维非周期编码光栅结构图像间的互相关分析获得漂移特性，其中优化后的二位非周期编码光栅结构图像能提高基于图像互相关分析所测得的漂移大小/方向的准确性及稳定性；利用渐变节距的栅线结构和/或二维非周期编码光栅结构的xyz尺寸的精确控制，经定值后即可用来表征及测量微纳米成像测量仪器在三个维度方向的尺寸测量精度。
下面分别具体说明采用所述多功能参考样块进行微纳米成像测量仪器的时间稳定性、分辨力、xyz尺寸测量精度等关键性能表征的原理。
在时间稳定性表征时，可对该二维非周期编码光栅结构进行不同时刻扫描测量。假定某两不同时刻扫描测量的两幅图像用f(x,y)和g(x,y)表示；u和v分别为图像g(x,y)相对于参考图像f(x,y)在x和y方向的偏移值，则它们的互相关函数可以表示为：
式(1)中，fm和gm是数字图像f和g的平均值；当互相关函数C取最大值时，相对应的u和v即为图像g相对于参考图像f在x和y方向的偏移值。由此，可以描绘出不同时刻下的漂移曲线，表征仪器应用中的时间稳定性。
在分辨力表征时，本发明所设计的多功能参考样块中，所述二维非周期编码光栅结构的上下左右四个方向上对称分布有渐变节距的栅线结构，如图3所示，所述渐变节距的栅线结构的栅线的节距和线长在某一范围内依次增加，如从100nm增加到800nm，增加步距50nm。通过微纳米成像测量仪器对该结构扫描成像，由瑞利判据得出可分辨的最小节距即可测得仪器分辨力。同时，该系列栅线结构在应用中还可起到中心的所述二维非周期编码光栅结构的导向作用。
在xyz尺寸测量精度表征时，通过精确控制上述二维非周期编码光栅的单元宽度/高度和/或栅线结构的节距/高度，从而可以作为尺寸参考值用于xyz尺寸测量精度的校准表征，由实测尺寸和标称尺寸得出xyz三个坐标方向上尺寸测量的校准系数。
本发明提出的一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法包括：
(1)预备参考样块，该参考样块表面具有预先设定的三维尺寸的二维非周期编码光栅结构和渐变节距的栅线结构。优选的，所述二维非周期编码光栅的编码数n和编码“1”的个数可根据微纳米成像测量仪器的分辨能力和成像范围的不同而选择设计，并能够产生具有较大对比度的图像互相关分析峰值。所述渐变节距的栅线结构，其栅线的节距和线长在某一范围内依次增加，如从100nm增加到800nm，增加步距50nm。该系列栅线结构在应用中还可起到中心的所述二维非周期编码光栅结构的导向作用。
(2)获得微纳米成像测量仪器对所述参考样块表面进行扫描而得到的扫描成像的结果。
(3)对所述扫描成像的结果进行分析处理：通过对该二维非周期编码光栅结构进行不同时刻扫描测量，可以获得该微纳米成像测量仪器随时间的漂移值，从而表征或校准其时间稳定性；通过对该渐变节距栅线结构扫描成像，由瑞利判据得出水平、垂直方向可分辨的最小节距，即可测得该微纳米成像测量仪器的分辨力；所述二维非周期编码光栅的单元的宽度及高度和/或栅线结构的节距及高度，都具有精确的预设值，通过对预加工的、具有精确尺寸的所述二维非周期编码光栅的单元的宽度及高度和/或栅线结构的节距及高度的扫描测量，从而可以作为尺寸参考值用于xyz尺寸测量精度的校准表征，由实测尺寸和标称尺寸得出xyz三个坐标方向上尺寸测量的校准系数。例如，将该二维非周期编码光栅和渐变节距栅线加工为具有精确的指定台阶高度，即可用于z向测量尺寸表征。
综上，本发明通过在单个参考样块上集成能实现微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等关键性能表征的微纳结构，使得用户只需对单个样块进行扫描成像，即可同时表征出微纳米成像测量仪器的分辨力、xyz尺寸测量精度、时间稳定性等性能。并且，通过设置二维非周期编码光栅结构，相对于现有的二维周期性编码光栅结构，能够获得对比度更大的图像互相关分析峰值，利于漂移表征。本发明的方案相对于现有技术，能够获得操作简便、漂移测量范围大、对比度高、不易受干扰等优点。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同时表征微纳米成像测量仪器多种性能的方法，其特征在于，包括：
(1)预备参考样块，该参考样块表面具有预先设定的三维尺寸的二维非周期编码光栅结构和渐变节距的栅线结构；
(2)获得微纳米成像测量仪器对所述参考样块表面进行扫描而得到的扫描成像的结果；
(3)对所述扫描成像的结果进行分析处理：通过对所述二维非周期编码光栅结构在不同时刻进行扫描测量，获得该微纳米成像测量仪器的时间稳定性表征；通过对所述渐变节距的栅线结构扫描测量，获得所述微纳米成像测量仪器的分辨力；通过对所述二维非周期编码光栅结构的光栅单元的宽度及高度，和/或所述栅线结构的节距及高度的扫描测量，并通过将实测尺寸和标称尺寸进行比较，获得xyz三个坐标方向上尺寸测量的校准系数；
其中，所述二维非周期编码光栅结构包括具有预设台阶高度的光栅单元及基底高度的光栅单元，用于优化编码矩阵的互相关函数的对比度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述时间稳定性表征时，对该二维非周期编码光栅结构进行不同时刻扫描测量，将其中两不同时刻扫描测量的两幅数字图像分别用f(x，y)和g(x，y)表示，其中，u和v分别为图像g(x，y)相对于参考图像f(x，y)在x和y方向的偏移值，则其互相关函数表示为：
式(1)中，fm和gm分别是数字图像f(x，y)和g(x，y)的平均值；当互相关函数C取最大值时，相对应的u和v即为图像g相对于参考图像f在x和y方向的偏移值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有渐变节距的栅线结构对称分布在所述二维非周期编码光栅结构的上下左右四个方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有渐变节距的栅线结构的栅线的节距和线长依次增加。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述具有渐变节距的栅线结构的栅线的节距和线长的变化范围为100nm到800nm，增加步距为50nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用微纳米成像测量仪器对该具有渐变节距的栅线结构扫描成像，由瑞利判据得出可分辨的最小节距即可测得仪器分辨力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述二维非周期编码光栅结构的光栅单元的宽度和/或所述栅线结构的节距用于xy方向尺寸测量精度表征；所述二维非周期编码光栅结构的光栅单元和/或所述栅线结构具有精确的预设台阶高度值，用于z方向上测量尺寸的精度表征和校准标定。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有预设台阶高度的光栅单元为不透光型光栅单元，所述基底高度的光栅单元为透光型光栅单元。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有预设台阶高度的光栅单元为反光型光栅单元，所述基底高度的光栅单元为透光型光栅单元。
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