CN111521130B

CN111521130B - 一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法

Info

Publication number: CN111521130B
Application number: CN202010386720.1A
Authority: CN
Inventors: 高志山; 施帅飞
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111521130A

Abstract

本发明公开了一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，通过理论建模分析干涉显微物镜的数值孔径NA、待测微结构线宽和台阶高度之间的关系，即横向分辨率与纵向分辨率之间的关系，并结合实际情况进行理论推导获得三者之间存在的耦合关系，能够在知晓待测微结构理论三维信息的基础上快速判断其在光学检测中是否会出现蝙蝠翼效应，并对出现的蝙蝠翼效应用一种简单的校正算法进行消除，从而获得准确的三维形貌信息。本发明可通过Mirau型显微干涉仪进行实验验证，使用PSI和VSI两种测量模式进行形貌信息复原。

Description

一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法。

背景技术

随着信息时代的不断发展和社会生产技术的不断提高，各种微结构已经在信息、生物医疗、工业和航空等领域得到广泛应用。白光干涉显微法是利用宽光谱的低相干性来实现对微结构三维形貌的高精度检测，已经获得了国内外广泛关注。白光干涉显微法是非接触检测微结构的主流方法，其原理是应用具有不同横向分辨率的系列NA物镜组合，保证横向分辨线宽变化的微结构，应用随纵向位置变化的多幅白光干涉图信息和专用算法，保证具有纳米尺度的纵向分辨率。

但是，通过实验研究发现，在微结构的三维形貌检测中，检测系统的物镜数值孔径NA、待测微结构线宽和台阶高度之间存在某种耦合关系，在某些参数耦合状态下，出现了蝙蝠翼效应，即检测结果中台阶边缘处出现毛刺且形状类似蝙蝠翼，复原的微结构形貌失真，影响了微结构横向与纵向尺度的正确分辨。

Peter Lehmann团队提出了两种不同的信号建模理论来研究蝙蝠翼效应的产生原因，两种模型中都考虑了衍射。第一种模型是Kirchhoff模型，使用基尔霍夫标量理论模拟矩形光栅和参考反射镜的散射，物体射线和参考射线叠加在一起，并且在物镜的光瞳面上发生由相干振幅传递函数定义的横向低通滤波。第二种模型是Richards-Wolf模型，利用了非平面系统焦点附近电磁场的极化矢量计算，通过将物体的电磁场和参考光线数值增加来确定干涉信号。两种模型都整合了几个入射角和照明波长上的干涉强度，以考虑有限的空间和时间相干性。他们引入一种基于理论方法的数值模型，该方法通过将原始强度数据与理想非相干点扩散函数(PSF)进行卷积来考虑衍射，设计实验进行验证，将实验结果与使用模拟程序获得的模拟结果进行比较，发现实验与仿真结果一致，并发现当光栅结构的峰-谷值接近四分之一波长或者四分之三波长时，出现严重的蝙蝠翼效应；当峰-谷值接近二分之一波长时，蝙蝠翼效应完全消失，且在相同条件下，数值孔径越大，蝙蝠翼效应越明显。(Optics Express,2016,24(13):14283.)。Peter Lehmann团队采用的方法比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，对于需要检测的微结构进行一个在光学检测过程中是否会出现蝙蝠翼效应的快速判断，并针对实验结果中出现的蝙蝠翼效应进行去蝙蝠翼的算法处理，获得准确的待测微结构三维形貌信息。

实现本发明目的的技术解决方案：一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，方法如下：

根据已知待测微结构的三维信息，分析不同干涉显微物镜的数值孔径NA与待测微结构线宽和台阶高度之间的关系，判断上述关系是否同时满足以下两点：

1)探测盲区在极限分辨率内；

2)探测盲区在接收CCD上所占像素点不影响成像；

若不能同时满足，则判断在实际光学检测中会出现蝙蝠翼效应；

若同时满足，则判断在实际光学检测中不会出现蝙蝠翼效应。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明将微结构的横向分辨率与纵向分辨率相结合进行理论和实验的研究，弥补了现有研究中仅考虑一方面的不足。

(2)本发明能够对微结构进行蝙蝠翼效应存在与否的快速判断。

(3)本发明能够以一种简单的算法对检测中出现的蝙蝠翼进行消除，获得准确的三维形貌信息。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图。

图2为本发明所使用的光学检测的系统结构图。其中，1为干涉显微物镜，2为参考板，3为分光板，4为置物平台，5为反射镜，6为待测样品，a面为参考板的上表面，b面为分光板的上表面。

图3为本发明的光线走向图。其中，h为台阶高度，x为探测盲区，θ为入射角。

图4为高度为100nm，周期为200nm的光栅在20^x和50^x显微物镜下复原的带有蝙蝠翼效应的台阶形貌。

图5为高度为900nm，周期为4μm的光栅在20^x和50^x干涉显微物镜下复原的带有蝙蝠翼效应的台阶形貌，左图为20^x下的蝙蝠翼效应，右图为50^x下的蝙蝠翼效应。

图6(a)为实验中出现蝙蝠翼效应的台阶形貌，图6(b)为消除蝙蝠翼之后的台阶形貌。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

结合图1，一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，方法如下：

1)探测盲区在极限分辨率内；

2)探测盲区在接收CCD上所占像素点不影响成像；

若不能同时满足，则判断在实际光学检测中会出现蝙蝠翼效应。

对上述结果进行实验验证：

使用显微干涉仪，照明光依次通过干涉显微物镜1、参考板2，在分光板3的上表面被分为两束，一束光入射到参考板2的上表面被反射回来，形成参考光，另一束光经过分光板3后入射待测微结构样品6表面，被待测微结构样品6反射，形成测试光，参考光和测试光在分光板3的上表面重合后发生干涉，根据采集的干涉条纹分析待测微结构样品6的微观特性，通过显微干涉仪本身自带的三维形貌复原算法获取待测微结构样品6的三维信息，若结果中并未出现蝙蝠翼效应，则直接得出待测微结构样品6的三维形貌。

若结果中存在蝙蝠翼效应，消除蝙蝠翼伪影，具体步骤如下：对于待测微结构样品6，当光学检测结果中出现蝙蝠翼，通过将对应扫描步数的三维形貌做横向和纵向的差分处理，得到对应扫描步数的三维形貌中某一像素点与其左右像素点对应形貌高度的差值，将两个差值相乘，若乘积小于-0.25，认为存在蝙蝠翼效应，将该像素点的形貌高度值替换成其左右像素点形貌高度值的平均值，得到去除蝙蝠翼效应的三维形貌信息。经实验验证，本发明提出的快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法与实验验证结果相符。

光学成像系统的分辨率是指能够分辨开两个靠近点的能力。根据瑞利判据，干涉系统的横向分辨率δ为：

式中，λ为照明光源的中心波长。由式可以知道，当波段确定时，干涉显微物镜1的横向分辨率主要取决于干涉显微物镜1的数值孔径NA。因而，可以通过增大数值孔径的方式来提高横向分辨率。然而，干涉系统的横向分辨率不仅仅只取决于干涉显微物镜的数值孔径，其实际分辨率还受到CCD分辨率的影响，只有当被测面上两点之间的间隔超过两个像素点才能够被CCD区分出来。垂直分辨率是指能够测出来的最小高度变化。相移干涉通过检测被测表面的干涉图像的光强变化来获取高度变化的信息。二维横向分辨率与一维纵向分辨率构成微观形貌的三维分辨率，横向与纵向维度的准确分辨，才能得到高保真的三维微观形貌。任一维度出现失真，都会降低三维形貌数据的可信度。

众所周知，包含台阶(方波)直角边沿的微观形貌，其涵盖的频谱段是很宽的，如果台阶对探测光不透明，在台阶高度达到一定数值时，将会对探测光产生遮挡，缩小了探测光的NA，降低了检测系统的频率响应，造成对直角边沿位置形貌的伪分辨。因此，微观形貌产生蝙蝠翼伪影的直接原因，是能否对直角边沿的准确分辨，纵向台阶高度的准确分辨，是由处理多幅白光干涉图的算法来保证的，一般能到亚纳米精度量级，横向准确分辨台阶直角边沿，需要在台阶尖角附近，具有足够多的采样点。

然而，由于干涉显微物镜NA的限制与CCD探测器离散化的限制，必然造成在台阶尖角附近采样点的缺失。理论上，在台阶高度达到一定数值，出现了台阶尖角附近的数据采样盲区(如图3所示)，如果采样盲区在CCD上占不到一个像素点，则三维形貌的采样点由CCD离散像素数量决定，此时每一个像素点接收到的强度都是正确的干涉信号，复原形貌的每一个点都应该是准确的；如果采样盲区在CCD上占到两个像素点以上，此时盲区的光强信号不是干涉信号，而是由干扰光强叠加生成的，用白光干涉图处理算法，复原的形貌一定是不准确的。

基于这样的思路，结合干涉显微物镜的数值孔径NA对应的横向分辨率和放大倍率，探讨探测盲区的大小如下：

由于NA＝sinθ，其中θ为入射角，h为台阶高度，x为测不到的底沿长度，即探测盲区。假设探测盲区恰好为横向分辨率极限，即x＝δ，实验所使用的显微干涉仪的波长为550nm，根据横向分辨率公式，探测盲区可以表达为：

即

选取两个高度分别为300nm和1000nm的台阶板，通过计算可以得到对应的探测盲区分别为317nm和579nm。如果选用放大倍率为50^x的干涉显微物镜1(即NA＝0.65)，则横向分辨率极限δ＝0.61λ/NA＝516nm，此时高度为300nm的台阶板的探测盲区为317nm<516nm，干涉显微物镜1无法感知这一盲区，因此不影响300nm台阶高度的分辨，而高度为1000nm的台阶板的探测盲区为579nm>516nm，到达了干涉显微物镜1可以感知的尺度，因此可能影响1000nm台阶高度的准确分辨。

探测盲区尺寸可以化简为以下等式：

对于Mirau型显微干涉仪，由于中心反射镜的遮拦，其干涉显微物镜1的NA可取范围为

(其中

为激光束直径，f为焦距)。对于放大倍率为50^x的干涉显微物镜1即NA＝0.65，同样选取高度分别为300nm和1000nm的台阶板，通过计算可以得到对应的探测盲区的最大值分别为257nm和855nm，由于257nm<516nm、855nm>516nm，可以得到与前面一致的结论，且高度越高，台阶直角边沿被准确分辨的难度越大。

从系统成像并结合CCD像素分辨率的概念再做进一步讨论，假设探测盲区刚好为物镜的极限分辨率尺度，所使用的CCD的像素点大小为6μm。当选用放大倍率为2^x的干涉显微物镜1即NA＝0.1，δ＝0.61λ/NA＝3.36μm，此时探测盲区在CCD靶面上的尺寸为X＝2x3.36μm＝6.72μm，在CCD上约占1个像素点，据前述讨论，理论上不会产生蝙蝠翼效应。当选用放大倍率为10^x的干涉显微物镜1即NA＝0.25，δ＝1.34μm。因为X＝10x1.34μm＝13.4μm，在CCD上约占2个像素点，处于是否产生蝙蝠翼效应的临界点。当选用放大倍率为20^x的干涉显微物镜1即NA＝0.45，δ＝0.75μm。因为X＝20x0.75μm＝15μm，在CCD上约占2.5个像素点，达到了产生蝙蝠翼效应的条件。当选用放大倍率为50^x倍的干涉显微物镜1即NA＝0.65，δ＝0.52μm。因为X＝50x0.52μm＝26μm，在CCD上约占4.3个像素点，应该会产生明显的蝙蝠翼效应。由此可以得出结论，在探测盲区尺度满足上述条件时，选用倍数越高的干涉显微物镜1，越容易产生蝙蝠翼效应。

以上判断方法可用作微结构在光学检测中是否出现蝙蝠翼效应的预先判断，对于给定的微结构样品，在判断后可通过光学检测手段检测，对于检测结果中出现的蝙蝠翼效应，可以通过将对应扫描步数的三维形貌做横向和纵向的差分处理，得到对应扫描步数的三维形貌中某一像素点与其左右像素点对应形貌高度的差值，将两个差值相乘，若乘积小于-0.25，则认为存在蝙蝠翼效应，将该像素点的形貌高度值替换成其左右像素点形貌高度值的平均值，进行这一简单操作后得到去除蝙蝠翼效应的三维形貌信息。

显微干涉仪根据照明光源的不同，分为单色光照明和白光照明，常用三维形貌复原算法主要有相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。PSI法是一种基于单色光干涉的相位测量方法。利用压电陶瓷(PZT)步进移动参考镜作为移相器来完成光学元件表面形貌的测量。PSI法的相位提取算法很多，最常采用的是四步相移法。相位值包裹在[-π,π]范围之中，是一个阶跃且不连续的分布图，需要对相位进行解包，再将截断的相位区域进行拼接展开得到连续的相位分布图。使用相位提取算法和相位解包算法对测量得到的相移干涉图进行分析可以得到待测样品表面的三维形貌信息。VSI法是一种基于白光干涉的垂直扫描测量方法。白光是宽带的低相干光，干涉发生在待测样品表面的部分区域内。VSI法利用相干长度范围内白光的干涉特征，通过测量平面对待测样品表面进行扫描，找到干涉图中每一点处的干涉特征值，利用特征值的位置求出该点的相对高度，得到待测样品表面的三维形貌信息。PSI法发展成熟且测量精度高，但结构表面相邻两点的高度差超过四分之一波长时，解包算法无法得到正确的相位信息，所以PSI适用于表面相邻两点间的高度差小于四分之一波长的样品。VSI对台阶高度不限制且可以对非连续粗糙表面进行形貌测量，但精度低且采样数据量大、测量速度慢，适用于高度较高的样品。

实验中为了避免因采样点不足而造成结果误差，因此在实验过程中尽可能多的采集干涉图以排除此因素的影响。

实施例1

在本实例中，针对PSI法和VSI法两种方式进行试验样品的选择，本实例中采用的光源中心波长为550nm，选用的CCD的像素点大小为6μm。对于PSI法，选择高度为100nm，周期分别为200nm和2μm的周期光栅。对于VSI法，选择高度为900nm，周期分别为1μm和4μm的周期光栅。

首先进行判断。对于高度为100nm，周期为200nm的光栅，选用2^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝10.05nm，在CCD靶面上的尺寸X＝20.1nm，占不到一个像素点，因此不出现蝙蝠翼效应；选用10^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝25.82nm，在CCD靶面上的尺寸X＝258.2nm，占不到一个像素点，因此不出现蝙蝠翼效应；选用20^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝50.39nm，在CCD靶面上的尺寸X＝1007.8nm，占不到一个像素点，但由于反射光线被遮挡，因此会出现蝙蝠翼效应；选用50^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝85.53nm，在CCD靶面上的尺寸X＝4276.7nm，占不到一个像素点，但由于反射光线被遮挡，因此会出现蝙蝠翼效应。对于高度为100nm，周期为2μm的光栅，所有倍率的干涉显微物镜1下的探测盲区在CCD靶面上的尺寸都占不到一个像素点且反射光线不被遮挡，因此所有结果中都不出现蝙蝠翼效应。

对于高度为900nm，周期为1μm的光栅，选用2^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝90.45nm，在CCD靶面上的尺寸X＝109.8nm，占不到一个像素点，因此不出现蝙蝠翼效应；选用10^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝232.4nm，在CCD靶面上的尺寸X＝4647.6nm，占不到一个像素点，因此不出现蝙蝠翼效应；选用20^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝453.5nm，在CCD靶面上的尺寸X＝9070.3nm，约占1.5个像素点且反射光线被遮挡，因此会出现蝙蝠翼效应；选用50^x的干涉显微物镜1时，探测盲区x＝769.8nm，在CCD靶面上的尺寸X＝38490.2nm，约占6.4个像素点且由于光线反射需要横向宽度超过500nm而此结构不满足，因此会出现蝙蝠翼效应。对于高度为900nm，周期为2μm的光栅，选用2^x和10^x的干涉显微物镜1时，不出现蝙蝠翼效应；选用20^x的干涉显微物镜1时，探测盲区在CCD靶面上的尺寸约占1.5个像素点，因此会出现蝙蝠翼效应；选用50^x的干涉显微物镜1时，探测盲区在CCD靶面上约占6.4个像素点且反射光线被遮挡，因此会出现蝙蝠翼效应，且蝙蝠翼效应比20^x干涉物镜下更明显。

其次进行实验验证。对高度为100nm，周期分别为200nm和2μm的周期型光栅进行光学检测，分别使用2^x、10^x、20^x和50^x的干涉显微物镜1，采用PSI算法进行三维形貌复原。对于周期为2μm的光栅，无论采用何种倍数的干涉显微物镜1都不会出现蝙蝠翼效应，而对于周期为200nm的光栅，2^x和10^x的干涉显微物镜1下不会出现蝙蝠翼效应，20^x和50^x的干涉显微物镜1下出现蝙蝠翼效应(如图4所示)。实验结果与预先判断的结果一致。

对高度为900nm，周期分别为1μm和4μm的周期型光栅进行检测，采用VSI算法进行三维形貌复原。周期为1μm和4μm的光栅，在2^x和10^x的干涉显微物镜1下不会出现蝙蝠翼效应而在20^x和50^x干涉显微物镜1下出现蝙蝠翼效应，且周期为4μm的光栅在50^x干涉显微物镜1下的蝙蝠翼效应比20^x下更明显(如图5所示，左图为20^x干涉显微物镜下，右图为50^x干涉显微物镜下)。同样与预先判断的结果一致。

最后，对于结果中出现蝙蝠翼的检测结果，通过对应扫描步数的三维形貌做横向和纵向的差分处理，得到对应扫描步数的三维形貌中某一像素点与其左右像素点对应形貌高度的差值相乘，对其中所有结果小于-0.25的像素点的形貌高度值替换成其左右像素点形貌高度值的平均值，可得到准确的三维形貌信息(消除前后效果如图6(a)和图6(b)所示)。

Claims

1.一种快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，其特征在于，方法如下：

根据已知待测微结构的三维信息，分析不同干涉显微物镜的数值孔径NA与台阶高度之间的关系，判断上述关系是否同时满足以下两点：

1）探测盲区在极限分辨率内；

2）探测盲区在接收CCD上所占像素点不影响成像；

2.根据权利要求1所述的快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，其特征在于：待测微结构为光栅型结构。

3.根据权利要求1所述的快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，其特征在于：待测微结构材质为非透明材质。

4.根据权利要求1所述的快速判断并消除蝙蝠翼效应的微结构光学检测方法，其特征在于：待测微结构为纳米量级或微米量级。