雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維微觀測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸向高分辨率的雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法，其可用于測(cè)量樣品的表面三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺(tái)階、微構(gòu)槽、集成電路線寬以及表面形貌等。
【背景技術(shù)】
[0002]共焦顯微鏡的思想最早由美國(guó)學(xué)者M(jìn).Minsky于1957年首次提出，并于1961年獲得美國(guó)專利，專利號(hào)為US3013467。共焦顯微鏡將點(diǎn)光源、點(diǎn)物和點(diǎn)探測(cè)器三者置于彼此對(duì)應(yīng)的共軛位置，構(gòu)成了光學(xué)顯微成像中獨(dú)具層析能力的點(diǎn)照明和點(diǎn)探測(cè)顯微成像系統(tǒng)。
[0003]共焦顯微鏡的基本原理如圖1所示，光源I發(fā)出的光經(jīng)過(guò)針孔3、分光鏡5、物鏡6在被測(cè)樣品7表面聚焦，被測(cè)樣品7反射測(cè)量光，該反射光沿原路返回，再通過(guò)分光鏡5將來(lái)自樣品7的測(cè)量光聚焦到置于光電探測(cè)器11前的針孔10內(nèi)，在光電探測(cè)器11處形成點(diǎn)探測(cè)，光電探測(cè)器11主要接收來(lái)自物鏡焦點(diǎn)處的測(cè)量光，焦點(diǎn)以外的返回光被針孔10遮擋。當(dāng)物體位于焦平面F時(shí)，光電探測(cè)器11接收到的光強(qiáng)最大，當(dāng)物體偏離焦平面F時(shí)，反射光被聚焦在針孔前或后的某一位置，此時(shí)光電探測(cè)器11僅接收一小部分光能量，也就是說(shuō)物體在離焦時(shí)探測(cè)到的光強(qiáng)要比在焦平面時(shí)弱，這樣就可以通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)到的圖2所示的共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線13的極值點(diǎn)位置來(lái)測(cè)得樣品的高度位置。
[0004]從圖2所示的共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線13可以看出，其在強(qiáng)度極值點(diǎn)附近對(duì)軸向位置不靈敏，其結(jié)果制約了共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨能力的進(jìn)一步提高。
[0005]共焦顯微鏡軸向分辨能力通常通過(guò)其軸向響應(yīng)曲線的半高寬FWHM來(lái)表征，F(xiàn)ffHM越小，軸向分辨能力越強(qiáng)。但由于受衍射極限等因素的限制，僅通過(guò)增大物鏡4數(shù)值孔徑NA和減小光波波長(zhǎng)λ等來(lái)改善共焦顯微鏡軸向分辨的能力有限。
[0006]為改善共焦顯微鏡的軸向分辨能力，中國(guó)專利“具有高空間分辨力的差動(dòng)共焦掃描檢測(cè)方法”(專利號(hào):200410006359.6)、具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動(dòng)共焦傳感器(專利號(hào):200410001107.4)、“超分辨激光偏振差動(dòng)共焦成像方法與裝置”(申請(qǐng)?zhí)?201010173338.9)、可兼顧分辨力和量程的激光差動(dòng)共焦theta掃描檢測(cè)方法(申請(qǐng)?zhí)?201010541404.3)、“基于空間平移變換的數(shù)字差動(dòng)共焦測(cè)量裝置與方法”(專利號(hào):201310703089.3)和“分光瞳激光差動(dòng)共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法及裝置”(申請(qǐng)?zhí)?201410086360.8)等均利用產(chǎn)生平移的兩個(gè)共焦特性曲線的差動(dòng)相減來(lái)改善共焦顯微系統(tǒng)的軸向分辨能力，并取得較好的效果。
[0007]但上述專利技術(shù)在改善分辨力時(shí)也存在某些局限:差動(dòng)共焦技術(shù)利用兩個(gè)共焦顯微系統(tǒng)特性曲線的斜邊段直接進(jìn)行差動(dòng)相減，但它易受兩個(gè)特性曲線的形狀差異、特性曲線自身不對(duì)稱、特性曲線斜邊段粗大數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響等，同時(shí)還必須利用各種不同的方法產(chǎn)生可進(jìn)行差動(dòng)相減的兩個(gè)共焦特性曲線等。
[0008]本質(zhì)上，改善共焦測(cè)量系統(tǒng)軸向分辨能力的核心問(wèn)題就是如何靈敏并準(zhǔn)確地確定出共焦強(qiáng)度特性曲線的最大值位置。
[0009]由共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線可以看出，其理論特性曲線關(guān)于極值點(diǎn)位置左右對(duì)稱，而且半高寬附近數(shù)據(jù)對(duì)樣品軸向位置非常靈敏。因此，本發(fā)明設(shè)想利用曲線13半高寬附近的數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確確定共焦顯微鏡軸向響應(yīng)特性曲線13的極值點(diǎn)位置，以期改善共焦顯微系統(tǒng)的軸向分辨能力。
[0010]基于此，本發(fā)明提出一種雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法，其由于利用了共焦特性曲線靠近半高寬位置附近對(duì)軸向位移非常靈敏的兩段數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行擬合，因而由該數(shù)據(jù)段推算出的共焦顯微特性曲線的極值點(diǎn)位置與現(xiàn)有共焦特性曲線頂部擬合方法相比靈敏度大幅提高，其更適應(yīng)于實(shí)測(cè)中的非對(duì)稱共焦特性曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)極值點(diǎn)的處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法，它分別利用共焦系統(tǒng)特性曲線兩邊的一段數(shù)據(jù)，各自擬合出曲線方程，然后將擬合的兩個(gè)曲線方程差動(dòng)相減得到新的曲線方程，通過(guò)求解該新曲線方程的解來(lái)準(zhǔn)確得到共焦系統(tǒng)特性曲線的極值點(diǎn)位置。
[0012]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0013]本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法準(zhǔn)確獲取共焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，包括以下步驟:
[0014]步驟一、確定共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值最大值的位置；
[0015]步驟二、選取共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值最大值位置兩側(cè)的兩側(cè)邊段數(shù)據(jù)；
[0016]步驟三、對(duì)選取的兩側(cè)邊段數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到左側(cè)邊擬合曲線和右側(cè)邊擬合曲線，其對(duì)應(yīng)的擬合曲線方程分別記為Ia(Z)和Ib(Z);
[0017]步驟四、將兩擬合曲線和的擬合曲線方程差動(dòng)相減得到雙邊擬合差動(dòng)共焦曲線方程 Id(Z) = Ia(Z)-1b(Z);
[0018]步驟五、求方程Ia(Z)-1b(Z) = O的解z = h ;
[0019]步驟六、共焦系統(tǒng)軸向特性曲線極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確位置即為h。
[0020]本發(fā)明方法步驟二中離散數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及離散數(shù)據(jù)段的選取位置，由高度測(cè)量精度要求決定。
[0021]本發(fā)明方法步驟二中通過(guò)對(duì)離散數(shù)據(jù)直接進(jìn)行直線擬合來(lái)加速處理過(guò)程。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0024](I)無(wú)需產(chǎn)生兩個(gè)差動(dòng)相減的平移共焦曲線，避免了已有差動(dòng)共焦技術(shù)因產(chǎn)生兩共焦特性曲線相對(duì)位移而帶來(lái)的系列問(wèn)題，大幅簡(jiǎn)化差動(dòng)共焦系統(tǒng)和處理過(guò)程。
[0025](2)由于利用共焦特性曲線兩側(cè)邊更多的數(shù)據(jù)信息，因而雙邊擬合差動(dòng)共焦曲線零點(diǎn)更能真實(shí)靈敏地反映共焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，使其對(duì)不對(duì)稱共焦特性曲線也能適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中的共焦特性曲線由于受系統(tǒng)像差等因素的影響，共焦曲線常為不對(duì)稱形式，此時(shí)已有差動(dòng)共焦技術(shù)的差動(dòng)特性曲線的零點(diǎn)位置已很難精確反映共焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。
[0026](3)無(wú)需像已有差動(dòng)共焦系統(tǒng)因不同放大倍率物鏡而對(duì)兩共焦特性曲線相對(duì)位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。共焦顯微系統(tǒng)特性曲線兩斜邊段的陡度已反映了共焦系統(tǒng)物鏡參數(shù)等的變化情況，因而本發(fā)明通過(guò)擬合兩斜邊曲線再差動(dòng)相減自然就能適應(yīng)不同物鏡放大率變化情況。
[0027](4)斜邊數(shù)據(jù)的曲線擬合消除了現(xiàn)有差動(dòng)共焦曲線相減點(diǎn)處粗大誤差的影響。
[0028](5)繼承了現(xiàn)有差動(dòng)共焦技術(shù)分辨力改善2倍的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1.共焦顯微鏡原理圖；
[0030]圖2.共焦顯微鏡軸向響應(yīng)理論曲線圖；
[0031]圖3.本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法圖；
[0032]圖4.本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法實(shí)施例圖；
[0033]圖5.本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量裝置實(shí)施例圖；
[0034]圖6.本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦測(cè)量方法層析測(cè)量實(shí)施例圖；
[0035]圖7.本發(fā)明雙邊擬合差動(dòng)共焦光斑掃描測(cè)量裝置實(shí)施例圖。
[0036]其中，1-激光器，2-透鏡，3-空間濾波針孔，4-準(zhǔn)直鏡，5-分光鏡，6_物鏡，7_樣品，8-工作臺(tái)，9-聚光鏡，10-針孔，11-光電探測(cè)器，12-計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，13-共焦顯微鏡軸向響應(yīng)曲線，14-共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值，15-左側(cè)邊擬合曲線，16-右側(cè)邊擬合曲線，17-雙邊擬合差動(dòng)共焦曲線，18- 二維光束掃描器。
【具體實(shí)施方式】
:
[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例基于圖5所示共焦顯微成像裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括:激光器1，依次放置在激光器I出射光方向的透鏡2、空間濾波針孔3、準(zhǔn)直鏡4、分光鏡5、物鏡6、樣品7和工作臺(tái)8，以及分光鏡5反射光方向反方向的聚光鏡9、位于聚光鏡9焦點(diǎn)位置的針孔10、置于針孔10后的光電探測(cè)器11和處理光電探測(cè)器信號(hào)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)12。
[0039]如圖5所示，利用共焦顯微成像裝置探測(cè)共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的過(guò)程為:出射激光通過(guò)透鏡2、空間濾波針孔3、準(zhǔn)直鏡4和分光鏡5后經(jīng)物鏡6聚焦到樣品7后又被反射，該反射光再次經(jīng)過(guò)物鏡6后被分光鏡5反射到聚光鏡9，聚光鏡9將該反射光聚焦到位于其焦點(diǎn)位置的針孔10，光電探測(cè)器11位于針孔10后用于探測(cè)透過(guò)針孔的對(duì)應(yīng)共焦軸向位置的強(qiáng)度信息，當(dāng)樣品7在物鏡6焦面附近沿z向微量移動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)器11即可探測(cè)到共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14。
[0040]實(shí)施例1
[0041]采用本發(fā)明方法進(jìn)行單點(diǎn)高度值擬合測(cè)量的具體步驟結(jié)合圖5說(shuō)明如下:
[0042]步驟一、選樣品7上的某測(cè)量點(diǎn)N(x，y)，使物鏡6聚焦光斑對(duì)該測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行軸向掃描，同時(shí)光電探測(cè)器探測(cè)11探測(cè)到樣品軸向位置的共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14，記為I (Z)，其中X