CN1122821C - 共焦扫描检测材料面形的方法 - Google Patents

Abstract

一种共焦扫描检测材料面形的方法，采用共焦扫描系统首先测量被测样品在纵向Z方向上的响应曲线q，对响应曲线q进行归一化处理，求得响应曲线q线性段ab的斜率S；然后在响应曲线q线性段ab内测量被测样品表面任意点的光强I’，并将其按该点纵向上扫描得到的最大光强I_max进行归一化为I。再测得被测样品表面起伏的纵向深度Δh，重构出被测样品的表面形貌。本发明的方法可获得纳米级的纵向分辨率。适用于各种固态材料形貌的检测。

Description

共焦扫描检测材料面形的方法

技术领域

本发明是一种共焦扫描检测材料面形的方法，适用于各种固态材料表面形貌的检测。

背景技术

由于近几年X光成像光学、超高密度光盘存储技术、京大规模集成电路及超精密度工程学的迅猛发展，人们对面形检测提出了横向分辨至亚微米、纵向分辨至纳米甚至更高的检测要求。下表对已有常见的表面形貌检测的类型、检测原理以及使用典型仪器的横向及纵向分辨率进行了比较。表1中的测量参数用于重构被测样品的表面形貌。

           表1 已有技术中常见的几种检测材料面形的方法

检测类型	原理	检测时所用的主要仪器	测量结果	最佳分辨能力		优缺点
							横向	纵向
				机械接触式	金刚石触针				兰克泰勒哈博生表面光度仪(Rank TarlorHob-son talystep)(已有技术[1])	触针位移	5μm	0.1nm	测量范围大；价格低：易损伤表面；检测时间长；
光学非接触式	双光束反射	保尔(Bauer)轮廓仪(已有技术[2])	曲率			2mm	0.01nm	不损伤表面；检测时间短(除共焦扫描干涉方法)；横向分辨率受限于光学系统衍射；
				等色级干涉	飞科等色级干涉仪(FECO)(已有技术[3])				光谱	0.3μm	0.1nm
	微分相衬干涉	彩曼(chapman MP)2000相衬干涉仪(已有技术[4])	斜率			5μm	0.1nm
				米拉(Mirau)干涉	微科特浦3D干涉仪(WYKO topO-3D)(已有技术[5])彩歌新视100干涉仪(Zygo Newview 100)(已有技术[6])				位相	0.3μm	0.1nm
	共焦扫描干涉	共焦扫描干涉仪(已有技术[7])	光强			0.2μm	0.1nm
				纳米扫描探针	扫描隧道显微				扫描隧道显微镜(已有技术[8])	电流	50nm	＜0.1nm	分辨率高；扫描速度慢；价格昂贵；准接触测量，对环境及样品要求苛刻；
原子力显微	原子力显微镜(已有技术[9])	力	1nm			＜0.1m
					近场光学显微(光纤探针)		近场光学显微镜(已有技术[10])	光强	2nm	＜0.1nm

上述已有技术[1]是Talstep Step Height Measuring Instrument，TalydataComputer，and Nanosurftype Profiler manufactured by Rank Taylor Hobson Limited.P.O.Box36，Leicester LE47JQ，England

已有技术[2]是徐德衍等“光学表面粗糙度研究的进展与方向”，光学仪器18，32(1996)

已有技术[3]是J.Schwider，etc.“Dispersive interferometric profilometer”Opt.Lett.1994

已有技术[4]是MP2000 Noncontact Surface Profiler Manufactured by ChapmanInstru-ments Inc.，50 Saginaaw Drive，Rochester N.Y.14623，USA

已有技术[5]是Instruction Manual for TOPO-3D Three DimnensionalNoncontact Surface Profiler，WYKO Corporation，2990East Fort Lowell Road，Tucson，Arizona 85719，USA，1986.

已有技术[6]是Heterodyne Profiler，Model 5500，and Laser InterferometricMicroscope，Maxim 3D，manufactured by Zygo Corporation，Laurel Brook Road，P.O.Box 448，Middle-field，Conn.06455，USA.

已有技术[7]是R.Juskaitia，etc.“Compact confocal interference microscopy”，Opt.Comm.109(1994)167-177

已有技术[8]是Scanning Probe Microscopes，Digital Instruments，Inc.，520EastMontecito Street，Santa Barbara，California 93103，USA.

已有技术[9]是J.M.Bennett.etc.“Scanning force microscope as a tool forstudying g optical surfaces”，Appl.Opt.34，213(1995)

已有技术[10]是E.Betzig，etc.“Near-field optics：Microscopy，spectroscopy，and.surface modification beyond the diffraction limit”Science 257，189(1992)

应该注意到，评价检测方法的好坏必须综合考虑分辨率、测量速度和精度、所使用的仪器成本和可靠性、在线检测的可能性等多种因素。例如，已有技术[2]-[6]的光学干涉面形检测方法受限于光学衍射及物镜工作距离，难于分辨微米以下的横向信息；已有技术[8]扫描隧道显微术STM(Scanning Tunneling Microscopy)，已有技术[9]原子力显微术AFM(Atomic Force Microscopy)及已有技术[10]扫描近场光学显微术SNOM(Scanning Near Field Optical Microscopy)等能够满足亚微米横向分辨及纳米纵向分辨，甚至更高的检测要求，但存在所使用的仪器成本高、对环境及被测样品要求苛刻等问题；

共焦扫描系统的横向分辨率在相同成像条件下是常规光学显微系统的1.2-1.5倍，且共焦扫描系统有透射层析能力，可以有效抑制材料表面的散射噪声，对被测样品无严格要求。将共焦扫描显微方法用于面形检测是近年的检测技术的发展方向之一。R.Juskaitis等人在文献Opt.Comm.109(1994)167-177中将干涉的方法用于材料面形检测得到了共焦扫描系统纵向纳米的分辨量。该方法的不足在于，所使用的系统结构复杂、数据处理慢。Chau-Hwang等人提出了利用响应曲线斜边一段光强随位置变化敏感且呈线性变化的区域获得纳米的纵向分辨量(Opt.Comm.135(1997)233-247)，即称为差分共焦扫描显微方法。但该方法仅适用于检测表面反射率一致的材料。

总之，目前人们仍在探索实现高分辨率的材料面形检测的新途径、新方法，趋势是朝着高空间分辨率、现场化、实时化及小型化的方向发展。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术中的不足，提供一种利用共焦扫描系统对材料面形进行检测的方法。本发明使用结构简单的共焦扫描系统便可以获得横向亚微米、纵向纳米级的分辨，检测速度将比上述已有技术中的共焦扫描干涉方法快。

本发明的方法是采用共焦扫描系统1对被测样品2进行扫描测量。对测得的被测样品2在纵向Z方向上的响应曲线q以及在响应曲线q线性段ab内测得的被测样品2表面上的光强I′进行归一化处理后，重构出被测样品2的表面形貌。其具体步骤是：

1、采用共焦扫描系统1对被测样品2进行纵向Z方向的扫描，测得响应曲线q，对响应曲线q归一化处理，求得响应曲线q的线性段ab的斜率S。

如图1所示，扫描光束G经共焦扫描系统1聚焦到被测样品2表面，被测样品2在纵向Z方向上移动，可以得到共焦扫描系统1扫出的纵向响应曲线q。对响应曲线q进行归一化处理，并获得响应曲线q线性段ab的斜率S。如图1、图2所示的曲线q。

2、测量被测样品2表面上各点的响应曲线q线性段ab内的光强I₁′，I₂′，I₃′...I_n′...，并相应地按各点纵向Z方向上扫描得到的最大光强I_1max，I_2max，I_3max，...I_nmax，...归一化，求得归一化光强I₁，I₂，I₃，...I_n...。

如图1所示，将被测样品2离开焦点O至焦点O外侧的O₁处，并保证表面起伏在纵向响应曲线q的线性区ab内。测得被测样品2表面上任意一点n的光强I_n′。被测样品2向焦点O方向即纵向Z方向移动，获得最大光强I_{n_max}。将I_n′按I_{n_max}归一化为I_n。被测样品2纵向回到O₁。

对被测样品2在X或XY方向上的各点的测量重复上述步骤2，得到被测样品2表面任意点的归一化光强I₁，I₂，I₃，...I_n...。n为被测样品2表面任意一点，n≥1。

3、测量被测样品2表面起伏的纵向深度Δh：

将由上述步骤2测得的被测样品2表面上任意两点n，k的光强的差值ΔI(即ΔI＝I_n-I_k，其中n，K≥1，且k≠n，如图1所示的n、k两点)除以上述纵向响应曲线q线性区ab的斜率S，得到被测样品的表面高度差Δh，即Δh＝ΔI/S，Δh称为纵向深度。Δh反映了被测样品2表面的起伏，反复测量，重构出被测样品2表面的形貌。由此可以进行被测样品2的槽深度、粗糙度的检测等。

本发明的优点在于：

1.本发明运用上述方法能够在常规共焦扫描系统中实现纳米分辨的形貌检测，突破了已有技术中需要用干涉方法实现共焦扫描系统纳米形貌检测的方法，本发明使用结构简单的测量仪器即可获得纳米级纵向分辨率的结果。

2.由于上述数据处理中仅涉及线性插值、归一化等基本方法，因此数据处理及形貌重构的速度较已有技术中的干涉方法快。

3.本发明解决了已有技术非干涉差分共焦扫描显微方法仅能对表面反射率一致的材料进行面形检测的问题。由于在步骤3中I分别对各自的最大光强I_max归一化成可比的光强I，这样就排除了被测样品2表面各处反射率差异对面形测量的影响，得到准确的被测样品表面信息，如图8所示。

4.本发明的方法所使用的共焦扫描系统比已有技术中的光学面形检测系统的横向分辨率高1.2-1.5倍，且易小型化；比已有技术中纳米探针扫描系统的抗干扰能力强，在线检测可能性大；因此将本发明用于共焦扫描系统进行材料面形检测将有较大应用前景。

附图说明

图1本发明的共焦扫描检测材料面形方法的简单示意图

图2实施例中测得的纵向响应曲线q

图3实施例中得到的纵向响应曲线q线性段ab段的放大图，”+”为实际采样点，实线为ab段(4.0μm-4.9μm)范围的线性拟合直线

图4本发明的共焦扫描检测材料面形方法的具体流程图

图5在点光源、点探测条件下，图5-1为共焦扫描系统纵向响应曲线(实线)；实线左侧边的虚线为线性拟合线；图5-2为纵向响应曲线的斜率变化曲线

图6在点光源、点探测条件下，共焦扫描系统纵向响应曲线q在焦点O两侧线性拟合范围与拟合最大误差的关系曲线

图7实施例中，被测样品2为鉴别率板的模型图

图8实施例中实际测得的被测样品2为鉴别率板中7μm线条的高度曲线。图8中实线为对测得的光强I′进行归一化处理后得到归一化光强I的铬层高度曲线，虚线为对测得的光强I′进行未经归一化处理所的高度曲线(即采用已有技术中的共焦扫描差分方法)。

图9实施例中实际测得的被测样品2为鉴别率板的表面形貌。

具体实施方式：

本实施例中的被测样品2为鉴别率板。它是通过掩膜母板制作、基片的制备、曝光显影及选择腐蚀等过程形成的浮雕图样，如图7所示。铬金属层3与玻璃基底4的反射率不同。铬层高度Δh_max为250nm。

本发明所使用的共焦扫描系统1是光纤共焦扫描成像系统。光纤共焦扫描成像系统参数：光源为He-Ne激光器，扫描光束G的波长632.8nm，模式为TEM₀₀；光纤端数值孔径0.13，场模半径2.4μm；集光透镜4×，有效数值孔径0.10；共焦扫描系统物镜为40×，有效数值孔径0.65；三维压电陶瓷平台程长19.99μm，定位精度＜5nm。表2给出了图2中3.8μm-5.1μm的纵向响应测量的量值。考虑到被测样品2深度在500nm以下，我们对ab段4.0μm-4.9μm范围进行最小二乘法线性拟合，得到纵向响应曲线q的线性段ab的斜率S为0.66/μm。最大纵向深度拟合误差δh为9.7nm。图3实线为拟合得的直线。

      表2 图2中ab段(3.8μm-5.1μm)的纵向响应测量的量

纵向Z方向上扫描点(μm)	3.8	3.9	4.0	4.1	4.2	4.3	4.4
								归一化光强I	0.22	0.24	0.28	0.34	0.41	0.48	0.55
纵向Z方向上扫描点(μm)	4.5	4.6	4.7	4.8	4.9	5.0	5.1
								归一化光强I	0.61	0.68	0.74	0.81	0.87	0.93	0.97

具体流程如图4所示。

本发明的方法依据是共焦扫描系统的纵向响应曲线q存在响应光强I随纵向位置线性变化的区域ab。C.J.R.Sheppard(Appl.Phys.Lett.38，858，1981)等人利用傍轴近似理论，分析了在共焦扫描系统点光源、点探测条件下，共焦扫描系统对理想镜面的纵向光强响应为： $I\left(u\right)={\left(\frac{\sin \frac{u}{2}}{\frac{u}{2}}\right)}^2---\left(1\right)$

其中，u为纵向归一化坐标，有 $u=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}z{\sin }^2\frac{\mathrm{\α}}{2}---\left(2\right)$

上式中，λ为光源发出的扫描光束G的波长，z为离焦量；上述的被测样品2表面起伏的纵向深度Δh即为任意两点离焦量z的差值，表示为Δh＝z_n-z_k，其中n，k≥1，且k≠n；sinα为共焦扫描系统1中的聚焦物镜的有效数值孔径。I(u)曲线如图5-1中实线所示。对I(u)求导，可以得到曲线上各点的斜率，如图5-2所示。当u＝±2.62时，计算得到|I＇(u)|达到极大。由图5-2中可以看到|I＇(u)|极大处附近存在一个缓变的区域，它对应于I(u)曲线u＝±2.62附近斜率缓变的区域。对u＝2.62附近一阶导数相等的两点之间(Δu)的曲线进行最小二乘法线性拟合，图5-1中的虚线给出了u_{∈(-3.48，-1.8)}范围的拟合线。可以计算任意范围内拟合的最大误差δu_max。图6给出了拟合范围Δu-最大误差δu_max的曲线。由图6可见，拟合范围越小，拟合精度越大。这意味着对应于一定的被测样品2的表面深度量Δh，运用本发明进行的测量将有相应的拟合误差。例如，当λ＝0.6328μm，sinα＝0.65时，最大纵向深度为Δh_max＝300nm的被测样品2，由式(2)可知拟合范围Δu＝1.43，由图6知，δu_max＝0.0072，则拟合的实际纵向深度最大误差δh＝δz＝1.5nm，相对误差δh/Δh_max为0.5％。同理，最大纵向深度为Δh_max＝600nm的被测样品2，Δu＝2.86，δu_max＝0.075，则拟合误差δh＝15nm，相对误差δh/Δh_max为2.5％。可见，在给定扫描光束G波长和共焦扫描系统1的聚焦物镜有效数值孔径条件下，在一定被测样品2深度范围内，运用本发明进行被测样品表面的检测，能够保证高拟合精度，实现准确测量。

本发明所提的材料面形检测方法的另一误差来源是光源、探测器噪声及外界扰动δI引起的系统误差δh’，表示为： $\mathrm{\δI}=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·{\sin }^2\frac{\mathrm{\α}}{2}\·S\·h^{\′}---\left(3\right)$

其中，S为纵向响应曲线q的线性段ab的斜率S。设δI＝0.5％，且仍是λ＝0.6328μm，sinα＝0.65时，对于上述最大深度为Δh_max＝300nm，600nm的被测样品2，纵向响应曲线q线性段ab的斜率S分别为0.263，0.252。由式(3)可得δh’分别为4.0nm和4.2nm。面形测量的总误差为拟合误差δh和系统误差δh’之和。对最大深度Δh_max较低的被测样品测量，系统误差δh’为主，对深度Δh_max较大的被测样品，拟合误差δh为主。

对于共焦扫描系统1的探测器不是点探测的情况，I(u)的表达式中将包含探测器孔径参数和集光透镜参数，形式较复杂。相应地，共焦扫描系统纵向响应曲线q有一定程度的展宽，但上述线性拟合分析的方法仍成立。

上述的δI需综合考虑光源的激光稳定度、探测器暗电流及控制被测样品2移动的压电陶瓷平台移动精度等对纵向深度测量的影响，实测共焦扫描系统1的扰动δI为0.5％，利用式(3)得系统误差δh为7.6nm。

本实施例中，分别测得鉴别率板中7μm和1μm线中铬层表面高度Δh分别为254nm(如图8中实线所示)，241nm(如图9所示)。

由上述实施例看出，使用本发明的方法测量的结果(如图8实线所示)比已有技术的非干涉差分共焦扫描方法(如图8虚线所示)测量的结果更加贴近被测样品2的实际，其测量精度要比已有技术的高。

Claims (1)

1.一种共焦扫描检测材料面形的方法，采用共焦扫描系统(1)对被测样品(2)进行扫描测量，其特征在于对测得的被测样品(2)在纵向Z方向上的响应曲线q和在响应曲线q线性段ab内测得的被测样品(2)表面上的光强I′进行归一化处理后，重构出被测样品(2)的表面形貌，其具体步骤是：

<1>采用共焦扫描系统(1)对被测样品(2)进行纵向Z方向的扫描，测得响应曲线q，对响应曲线q归一化处理，求得响应曲线q的线性段ab的斜率S；

<2>测量被测样品(2)表面上各点在响应曲线q线性段ab内的光强I₁′，I₂′，I₃′...I_n′...，并相应地按各点纵向Z方向上扫描得到的最大光强I_1max，I_2max，I_3max，...I_nmax...归一化，求得归一化光强I₁，I₂，I₃...I_n...，其中n≥1；

<3>测量被测样品(2)表面起伏的纵向深度Δh，被测样品(2)表面起伏的纵向深度Δh＝ΔI/S，其中ΔI为任意两点归一化光强之差，即ΔI＝I_n-I_k，此处n，k≥1，且n≠k，S为上述求得的响应曲线q线性段ab的斜率S。

Images