本發(fā)明涉及光學(xué)顯微測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種溝槽樣品深度的方法。

背景技術(shù)：

在對(duì)光學(xué)顯微測(cè)量?jī)x器，如激光共焦掃描顯微鏡等進(jìn)行校正和性能測(cè)試時(shí)，通常會(huì)對(duì)一系列不同深度的溝槽型標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)儀器軸向性能進(jìn)行校正和標(biāo)定。在測(cè)量溝槽下表面的過(guò)程中，溝槽上表面會(huì)對(duì)照明光束或信號(hào)光路產(chǎn)生遮擋，影響溝槽下表面邊緣附近區(qū)域的測(cè)量精度；而在測(cè)量溝槽上表面的過(guò)程中，在溝槽邊緣附近區(qū)域由于照明光斑的缺失，會(huì)使得系統(tǒng)的信噪比降低，從而影響該部分區(qū)域的測(cè)量精度。因此，在用光學(xué)顯微測(cè)量?jī)x器測(cè)量溝槽樣品時(shí)，得到的測(cè)量輪廓在溝槽邊緣附近區(qū)域存在失真。

傳統(tǒng)的對(duì)溝槽深度讀數(shù)方法中，大部分是直接沿用接觸式掃描探針類(lèi)測(cè)量方法的溝槽深度讀數(shù)方法，并未充分考慮到測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)特性。因此，采用傳統(tǒng)溝槽深度的讀數(shù)方法，在用于讀取溝槽深度的有效數(shù)據(jù)范圍的方法所選取的有效數(shù)據(jù)范圍中，包含了失真區(qū)域的數(shù)據(jù)，降低了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，現(xiàn)行被廣泛使用的溝槽高度讀取方法是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件ISO 4336-1:2000(E)中規(guī)定的W/3方法，這種方法簡(jiǎn)單易用，但是仍然存在失真區(qū)域的數(shù)據(jù)，降低了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的測(cè)量溝槽樣品深度的方法存在精度較低的問(wèn)題。

一種采用光學(xué)顯微方式測(cè)量溝槽樣品深度的方法，包括以下步驟：

步驟1、采用光學(xué)顯微方式獲得溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)；

步驟2、針對(duì)溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)，采用最大梯度法確定溝槽樣品兩側(cè)邊緣的位置，并得到溝槽的寬度W；

步驟3、針對(duì)溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在溝槽的兩側(cè)邊緣各選取一段上表面避讓距離D_d；在溝槽兩側(cè)上表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)上表面避讓距離D_d對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的兩段溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)作為上表面有效數(shù)據(jù)范圍；

步驟4、針對(duì)溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在靠近溝槽兩側(cè)邊緣的位置上各選取一段下表面避讓距離Ds，在溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)下表面避讓距離Ds對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的一段溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)作為下表面有效數(shù)據(jù)范圍；

所述下表面避讓距離Ds如下：

其中，H為溝槽樣品深度的估計(jì)值；K為反映實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)聚焦特性與理論情況差異的工藝因子，λ為照明光的波長(zhǎng)，NA為所用物鏡的數(shù)值孔徑；

步驟5、利用溝槽上表面的兩段有效數(shù)據(jù)范圍和溝槽下表面的一段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的溝槽樣品輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合，從而得到準(zhǔn)確的溝槽深度。

一種采用光學(xué)顯微方式測(cè)量溝槽樣品深度的方法，包括以下步驟：

步驟1、采用光學(xué)顯微方式獲得溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)；

步驟2、針對(duì)溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)，采用最大梯度法確定溝槽樣品兩側(cè)邊緣的位置，并得到溝槽的寬度W；

步驟3、針對(duì)溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在溝槽的兩側(cè)邊緣各選取一段上表面避讓距離其中，K為反映實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)聚焦特性與理論情況差異的工藝因子，λ為照明光的波長(zhǎng)，NA為所用物鏡的數(shù)值孔徑；

判斷D_d和的大小，選取D_d和中較大的一個(gè)作為最大上表面避讓距離；

在溝槽兩側(cè)上表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)最大上表面避讓距離對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的兩段溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)作為上表面有效數(shù)據(jù)范圍；

步驟4、針對(duì)溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在靠近溝槽兩側(cè)邊緣的位置上各選取一段下表面避讓距離其中，H為溝槽樣品深度的估計(jì)值；同時(shí)保證下表面避讓距離D_s滿足

在溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)下表面避讓距離Ds對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的一段溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)作為下表面有效數(shù)據(jù)范圍；

步驟5、利用溝槽上表面的兩段有效數(shù)據(jù)范圍和溝槽下表面的一段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的溝槽樣品輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合，從而得到準(zhǔn)確的溝槽深度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本方法充分考慮了實(shí)際測(cè)量過(guò)程中存在的光斑缺損、光束遮擋等情況，在選取避讓距離時(shí)考慮了光學(xué)系統(tǒng)所使用的物鏡數(shù)值孔徑、光波波長(zhǎng)及溝槽本身的機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而避免了將帶有精度損失(甚至失真)的數(shù)據(jù)包含到讀數(shù)區(qū)中，進(jìn)而避免了原理誤差的產(chǎn)生。對(duì)該原理誤差的抑制在儀器的校正中具有重大的應(yīng)用價(jià)值和意義。

同時(shí)由于所選取的用于高度讀數(shù)的有效數(shù)據(jù)均不受到光斑缺損、光束遮擋等情況的干擾，因此利用該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行讀數(shù)能夠使得溝槽樣品高度的測(cè)量精度達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)精度。相比傳統(tǒng)的溝槽樣品深度的測(cè)量和讀取，本發(fā)明對(duì)溝槽樣品深度的測(cè)量精度大大提高，甚至相對(duì)W/3方法，本發(fā)明的精度提高10％-20％。

附圖說(shuō)明

圖1是溝槽輪廓數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)范圍的示意圖；圖中，1為溝槽上表面的有效數(shù)據(jù)范圍，2為溝槽下表面的有效數(shù)據(jù)范圍；

圖2是本發(fā)明和W/3方法對(duì)于選取用于讀取溝槽深度的有效數(shù)據(jù)范圍的對(duì)比圖；圖2中，圖2(a)為本方法抑制原理誤差產(chǎn)生的示意圖；其中，1為溝槽上表面的有效數(shù)據(jù)范圍，2為溝槽下表面的有效數(shù)據(jù)范圍，3為測(cè)得的溝槽樣品輪廓，4為溝槽邊緣位置；圖2(b)為W/3方法產(chǎn)生原理誤差的示意圖；其中，10為溝槽上表面的有效數(shù)據(jù)范圍，20為溝槽下表面的有效數(shù)據(jù)范圍，30為產(chǎn)生原理誤差的數(shù)據(jù)范圍；

圖3為照明光能損失示意圖；圖3(a)為溝槽的臺(tái)階上表面光能損失示意圖，圖3(b)溝槽的臺(tái)階下表面光能損失示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1和圖2(a)說(shuō)明本實(shí)施方式，

一種采用光學(xué)顯微方式測(cè)量溝槽樣品深度的方法，包括以下步驟：

步驟1、采用光學(xué)顯微方式獲得溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)；

步驟2、針對(duì)溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)，采用最大梯度法確定溝槽樣品兩側(cè)邊緣的位置，并得到溝槽的寬度W；

步驟3、針對(duì)溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在溝槽的兩側(cè)邊緣各選取一段上表面避讓距離D_d；在溝槽兩側(cè)上表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)上表面避讓距離D_d對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的兩段溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)作為上表面有效數(shù)據(jù)范圍；所述上表面避讓距離D_d的大小與光學(xué)系統(tǒng)所用物鏡的數(shù)值孔徑、光波波長(zhǎng)有關(guān)；

步驟4、針對(duì)溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在靠近溝槽兩側(cè)邊緣的位置上各選取一段下表面避讓距離Ds，在溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)下表面避讓距離Ds對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的一段溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)作為下表面有效數(shù)據(jù)范圍；

所述下表面避讓距離Ds的大小與光學(xué)系統(tǒng)所用物鏡的數(shù)值孔徑、光波波長(zhǎng)及溝槽樣品的深度H有關(guān)，下表面避讓距離Ds如下：

其中，H為溝槽樣品深度的估計(jì)值；K為反映實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)聚焦特性與理論情況差異的工藝因子，λ為照明光的波長(zhǎng)，NA為所用物鏡的數(shù)值孔徑；

具體實(shí)施方式二：

本實(shí)施方式步驟3中所述的上表面避讓距離D_d的范圍

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：

本實(shí)施方式步驟4中所述的溝槽樣品深度的估計(jì)值H的獲取過(guò)程包括以下步驟：

通過(guò)樣品標(biāo)稱(chēng)值或者W/3方法讀出溝槽樣品的深度值，并將其作為溝槽樣品的深度估計(jì)值，記為H。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：

本實(shí)施方式步驟4中所述的下表面避讓距離D_s選取

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：

本實(shí)施方式步驟3中所述的上表面避讓距離D_d選取

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：

本實(shí)施方式步驟5所述的得到準(zhǔn)確的溝槽深度的具體過(guò)程包括以下步驟：

利用溝槽上表面的兩段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)擬合出溝槽上表面的數(shù)值；利用溝槽下表面的一段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)擬合出溝槽下表面的數(shù)值；將溝槽上表面的數(shù)值減去溝槽下表面的數(shù)值，得到準(zhǔn)確的溝槽深度。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：

一種采用光學(xué)顯微方式測(cè)量溝槽樣品深度的方法，包括以下步驟：

步驟1、采用光學(xué)顯微方式獲得溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)；

步驟2、針對(duì)溝槽樣品的輪廓數(shù)據(jù)，采用最大梯度法確定溝槽樣品兩側(cè)邊緣的位置，并得到溝槽的寬度W；

步驟3、針對(duì)溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在溝槽的兩側(cè)邊緣各選取一段上表面避讓距離其中，K為反映實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)聚焦特性與理論情況差異的工藝因子，λ為照明光的波長(zhǎng)，NA為所用物鏡的數(shù)值孔徑；

判斷D_d和的大小，選取D_d和中較大的一個(gè)作為最大上表面避讓距離；

在溝槽兩側(cè)上表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)最大上表面避讓距離對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的兩段溝槽上表面輪廓數(shù)據(jù)作為上表面有效數(shù)據(jù)范圍；

步驟4、針對(duì)溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)部分，在靠近溝槽兩側(cè)邊緣的位置上各選取一段下表面避讓距離其中，H為溝槽樣品深度的估計(jì)值；同時(shí)保證下表面避讓距離D_s滿足如果則不適用本方法；

在溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)中刪除兩個(gè)下表面避讓距離Ds對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將剩余的一段溝槽下表面輪廓數(shù)據(jù)作為下表面有效數(shù)據(jù)范圍；

步驟5、利用溝槽上表面的兩段有效數(shù)據(jù)范圍和溝槽下表面的一段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的溝槽樣品輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合，從而得到準(zhǔn)確的溝槽深度。

具體實(shí)施方式八：

本實(shí)施方式步驟5所述的得到準(zhǔn)確的溝槽深度的具體過(guò)程包括以下步驟：

利用溝槽上表面的兩段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)擬合出溝槽上表面的數(shù)值；利用溝槽下表面的一段有效數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)擬合出溝槽下表面的數(shù)值；將溝槽上表面的數(shù)值減去溝槽下表面的數(shù)值，得到準(zhǔn)確的溝槽深度。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式七相同。

實(shí)施例

在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，現(xiàn)行被廣泛使用的溝槽高度讀取方法(W/3法)出自國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件ISO 4336-1:2000(E)，其原理如附圖2(b)所示。截取總長(zhǎng)為溝槽寬度W的3倍的輪廓數(shù)據(jù)，從中選取的上表面有效數(shù)據(jù)范圍10和下表面有效數(shù)據(jù)范圍20距溝槽邊緣都為W/3，然后利用公式采用最小二乘法擬合出臺(tái)階高度H。式中x和Z分別代表橫、縱坐標(biāo)值；α和β為擬合系數(shù)；變量δ的值在上表面有效數(shù)據(jù)范圍10內(nèi)取+1，在下表面有效數(shù)據(jù)范圍20內(nèi)取-1。該方法的初衷是提出一種用于接觸掃描探針式計(jì)量領(lǐng)域讀取溝槽高度的標(biāo)準(zhǔn)，其充分考慮了溝槽樣品可能的圓角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此通過(guò)設(shè)定上下表面的避讓距離都為W/3來(lái)選取有效數(shù)據(jù)范圍以消除該影響。

然而直接將W/3法應(yīng)用于三維光學(xué)掃描測(cè)量領(lǐng)域是不合適的。這是由于在進(jìn)行光學(xué)掃描測(cè)量時(shí)，溝槽樣品的有效數(shù)據(jù)范圍不僅僅由溝槽寬度W決定，而應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮測(cè)量時(shí)所用的數(shù)值孔徑NA及溝槽的深度H對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。例如，當(dāng)溝槽寬度W不變時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的三維分辨力由于光束遮擋的緣故隨著溝槽深度H的增加而下降；而當(dāng)溝槽樣品的深寬比過(guò)大時(shí)，測(cè)量結(jié)果將會(huì)完全失真；另一個(gè)常見(jiàn)的現(xiàn)象是，利用光學(xué)儀器測(cè)量臺(tái)階類(lèi)樣品時(shí)，測(cè)量結(jié)果邊緣附近區(qū)域總是會(huì)出現(xiàn)失真，并且失真區(qū)域的范圍與系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)尤其是NA有關(guān)。故僅通過(guò)溝槽寬度W決定有效數(shù)據(jù)范圍，在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域不再合適。通過(guò)圖2示意，其中，10為溝槽上表面的有效數(shù)據(jù)范圍，20為溝槽下表面的有效數(shù)據(jù)范圍，30為產(chǎn)生原理誤差的數(shù)據(jù)范圍?？梢钥闯鋈绻x取W/3的范圍排除誤差數(shù)據(jù)，還是會(huì)在30的位置部分帶入誤差。

尤其是當(dāng)所測(cè)溝槽樣品較深時(shí)，光束遮擋的因素不能忽略。這將使得溝槽下表面由光束遮擋造成的陰影區(qū)域不能被正確測(cè)量，此時(shí)若直接應(yīng)用W/3方法，將可能會(huì)將該部分失真區(qū)域納入到用于讀取溝槽深度的“有效數(shù)據(jù)”當(dāng)中。這將導(dǎo)致測(cè)量精度的下降，甚至是出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)。然而許多儀器操作者正是這樣錯(cuò)誤使用了W/3的方法且并未意識(shí)到W/3方法在這種情況下的無(wú)效性。

為了正確選擇有效數(shù)據(jù)范圍，從而避免將失真區(qū)域納入到用于溝槽深度讀取的數(shù)據(jù)當(dāng)中，本發(fā)明針對(duì)共焦顯微鏡類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)在測(cè)量臺(tái)階或溝槽時(shí)，測(cè)量結(jié)果中邊緣附近總是出現(xiàn)失真現(xiàn)象這一光學(xué)特性進(jìn)行了改進(jìn)。

在測(cè)量溝槽的上表面的過(guò)程中，在溝槽邊緣附近區(qū)域由于照明光斑的缺失，使得照明到上表面的能量減少；而在測(cè)量溝槽下表面的過(guò)程中，溝槽上表面會(huì)對(duì)照明光束造成遮擋，導(dǎo)致照明到樣品下表面的能量產(chǎn)生損失。實(shí)際照明強(qiáng)度則與信號(hào)光的強(qiáng)度息息相關(guān)，而信號(hào)光的強(qiáng)度直接決定著系統(tǒng)的信噪比，從而影響了邊緣附近區(qū)域的測(cè)量精度。

本發(fā)明將溝槽樣品上在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)或者達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)測(cè)量精度的區(qū)域定義為解耦合區(qū)域，其范圍可以由實(shí)際照明光強(qiáng)損失是否超過(guò)20％的規(guī)則進(jìn)行判定。該閾值為參照0.8Strehl ratio準(zhǔn)則而選取的經(jīng)驗(yàn)值。該準(zhǔn)則指出當(dāng)愛(ài)里斑尺寸內(nèi)收集到的能量占總能量的80％以上時(shí)，系統(tǒng)的成像性能不會(huì)發(fā)生明顯衰減。而當(dāng)實(shí)際照明光強(qiáng)損失超過(guò)20％的區(qū)域則認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的測(cè)量精度相對(duì)于解耦合區(qū)域有所下降。耦合區(qū)域距兩邊緣的距離定義為耦合距離(避讓距離)。

由此可知由于溝槽臺(tái)階邊緣對(duì)照明光束的遮擋作用，導(dǎo)致隨著樣品深寬比的增加，溝槽底部的解耦合區(qū)域逐漸減少直至消失，這就是造成高深寬樣品光學(xué)測(cè)量困難的主要因素。故對(duì)于深溝槽樣品臺(tái)階高度的測(cè)量，其溝槽寬度必須要大于耦合距離(避讓距離)的2倍，才能夠準(zhǔn)確測(cè)量溝槽樣品的高度信息。

而通過(guò)保證解耦合區(qū)域內(nèi)實(shí)際照明光強(qiáng)損失不超過(guò)20％，從而實(shí)現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)將系統(tǒng)的信號(hào)水平在測(cè)量過(guò)程中保持在一種較高的恒定的狀態(tài)，從而維持較高的信噪比和軸向包絡(luò)曲線的良好對(duì)稱(chēng)性(二者對(duì)共焦軸向位置提取精度非常重要)，進(jìn)而保證測(cè)量精度無(wú)明顯損失。

采用實(shí)際照明光強(qiáng)損失不超過(guò)20％的條件對(duì)深溝槽樣品的單邊臺(tái)階測(cè)量過(guò)程進(jìn)行分析的原理示意圖如圖3(a)和圖3(b)所示。當(dāng)測(cè)量臺(tái)階邊緣附近位置時(shí)，照明光束在臺(tái)階上表面和下表面形成的光照能量損失并不一致，臺(tái)階上表面邊緣處的照明能量損失是由于照明光斑的缺損引起的，而臺(tái)階下表面的照明能量損失來(lái)源于遮擋效應(yīng)，因此臺(tái)階上下表面的耦合距離(避讓距離)計(jì)算公式略有不同。根據(jù)光束聚焦的理論，通過(guò)計(jì)算可以得到溝槽樣品上下表面的耦合距離(避讓距離)Dd和Ds分別如公式(1)和公式(2)所示。

式中，K為反映實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)聚焦特性與理論情況差異的工藝因子，用于體現(xiàn)實(shí)際聚焦過(guò)程與理論結(jié)果的差異，其取值由不同系統(tǒng)的實(shí)際性能決定，通常K>1。

通過(guò)上述解耦合區(qū)域的定義可知，若本發(fā)明從解耦合區(qū)域里選取用于讀取溝槽深度的有效數(shù)據(jù)范圍，則可以避免由于光學(xué)系統(tǒng)特性導(dǎo)致邊緣附近區(qū)域失真的數(shù)據(jù)對(duì)溝槽深度正確讀取的干擾。而根據(jù)關(guān)于耦合距離(避讓距離)的結(jié)論，本發(fā)明得到一種對(duì)溝槽樣品高度值的無(wú)精度損失(光學(xué)系統(tǒng)最優(yōu)精度)，其中Dd和Ds分別為溝槽樣品上表面和下表面的避讓距離。

按照本發(fā)明具體實(shí)施方式六或者具體實(shí)施方式八進(jìn)行測(cè)量。如圖2(a)所示，其中，1為溝槽上表面的有效數(shù)據(jù)范圍，2為溝槽下表面的有效數(shù)據(jù)范圍，3為測(cè)得的樣品輪廓，4為邊緣位置；并結(jié)合避讓距離D_d和避讓距離Ds的具體形式則基本能夠完全避免誤差數(shù)據(jù)的存在，所以利用本發(fā)明得到的溝槽樣品深度的精度提高10％-20％。利用本發(fā)明的方法對(duì)儀器軸向性能進(jìn)行校正和標(biāo)定，精度更高。