雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)成像與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法?？捎萌S微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺(tái)階、微構(gòu)槽、集成電路線寬、表面形貌以及表面測(cè)量定位等。
【背景技術(shù)】
[0002]共焦顯微鏡的思想最早由美國學(xué)者M(jìn).Minsky于1957年首次提出，并于1961年獲得美國專利，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)的光學(xué)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)量光束，該反射測(cè)量光束沿原路返回，再通過分光鏡5將來自樣品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接收來自物鏡焦點(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僅接收少部分光能量，也就是說物體在離焦時(shí)探測(cè)到的光強(qiáng)要比在焦平面時(shí)弱，光電探測(cè)器11便測(cè)到圖2所示的共焦軸向響應(yīng)特性曲線13，共焦顯微鏡通過確定共焦軸向響應(yīng)特性曲線13的極值點(diǎn)位置便可測(cè)得樣品的高度位置。
[0004]共焦顯微鏡軸向分辨能力通常通過其軸向響應(yīng)曲線的半高寬FWHM來表征，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，僅通過增大物鏡4數(shù)值孔徑NA和減小光波波長λ等來改善共焦顯微鏡軸向分辨的能力有限。
[0005]本質(zhì)上，改善共焦測(cè)量系統(tǒng)軸向分辨能力的核心問題就是如何靈敏并準(zhǔn)確地確定出共焦軸向響應(yīng)特性曲線13的最大值位置。
[0006]但現(xiàn)有共焦顯微鏡由于通過共焦軸向響應(yīng)特性曲線13對(duì)軸向位移相對(duì)不敏感的頂部數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合來求其最大值位置，因而其分辨能力的改善就受到制約。
[0007]從共焦軸向響應(yīng)特性曲線13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FWHM附近的數(shù)據(jù)對(duì)樣品軸向位置非常靈敏，因而本發(fā)明提出通過共焦軸向響應(yīng)特性曲線13半高寬附近的數(shù)據(jù)段來準(zhǔn)確確定其極值點(diǎn)位置，以期改善共焦測(cè)量系統(tǒng)的軸向分辨能力。
[0008]基于此，本發(fā)明提出一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，以期在不改變共焦測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，僅經(jīng)過測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理就能改善共焦測(cè)量系統(tǒng)的軸向分辨能力和信噪比等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，以期實(shí)現(xiàn)高精度定位。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0011]一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，包括下列步驟:
[0012]步驟一、將共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14自身一側(cè)邊的數(shù)據(jù)組進(jìn)行平移S并與其另一側(cè)邊數(shù)據(jù)組交匯并進(jìn)行錯(cuò)位差動(dòng)相減處理；
[0013]步驟二、將錯(cuò)位差動(dòng)相減處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，求曲線擬合方程；
[0014]步驟三、求擬合曲線方程的解，確定共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的共焦軸向響應(yīng)特性曲線極值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。
[0015]本發(fā)明一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，其實(shí)現(xiàn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)相減的過程包括下列步驟:
[0016]步驟一、確定共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的最大值M，并以M為界將共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14分割為左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16 ;
[0017]步驟二、保持左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16其中一組不動(dòng)，使另一數(shù)據(jù)組沿橫向坐標(biāo)平移S得到新的數(shù)據(jù)組17，并使數(shù)據(jù)組17和數(shù)據(jù)組16在值為M/2的附近交匯；
[0018]步驟三、對(duì)數(shù)據(jù)組17和數(shù)據(jù)組16分別進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到雙邊交匯相減數(shù)據(jù)組22 ;
[0019]步驟四、取相減數(shù)據(jù)組22零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行曲線擬合，得到雙邊交匯相減數(shù)據(jù)擬合曲線23和擬合方程Id(Z);
[0020]步驟五、求擬合曲線方程Id(Z) = O的解z = h ;
[0021]步驟六、依據(jù)h值及相對(duì)橫坐標(biāo)平移量S求得共焦測(cè)量系統(tǒng)焦點(diǎn)的精確位置。
[0022]本發(fā)明方法步驟二中將左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16的橫坐標(biāo)分別加、減S/2，使左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16在值為M/2的附近交匯。
[0023]本發(fā)明方法步驟二中S值大小選為共焦特性曲線的半高寬FWHM。
[0024]本發(fā)明方法步驟四中對(duì)雙邊交匯相減數(shù)據(jù)組22直接進(jìn)行直線擬合來加速處理過程。
[0025]本發(fā)明一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，其實(shí)現(xiàn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)相減的過程包括下列步驟:
[0026]步驟一、求共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的最大值M，并以M為界將共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14分割為左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16 ;
[0027]步驟二、各選左側(cè)邊數(shù)據(jù)組15和右側(cè)邊數(shù)據(jù)組16在值為M/2的左側(cè)邊段數(shù)據(jù)組19和右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20 ;
[0028]步驟三、保持左側(cè)邊段數(shù)據(jù)組19和右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20中一組不動(dòng)，使另一段數(shù)據(jù)組沿橫向坐標(biāo)平移S得到平移段數(shù)據(jù)組21，并使右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20和平移段數(shù)據(jù)組21在值為M/2的附近交匯。
[0029]步驟四、對(duì)右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20和平移段數(shù)據(jù)組21分別進(jìn)行曲線擬合，并得到擬合曲線方程Ia(Z)和Ib(Z);
[0030]步驟五、求解兩擬合曲線方程Ia(Z)-1b(Z) = O的解z = h，同時(shí)得到相減擬合曲線27 ；
[0031]步驟六、依據(jù)h值及相對(duì)橫坐標(biāo)平移量S求得共焦測(cè)量系統(tǒng)焦點(diǎn)的精確位置。
[0032]本發(fā)明方法步驟三中將左側(cè)邊段數(shù)據(jù)組19和右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20沿橫坐標(biāo)分別相向平移S/2，使兩組側(cè)邊數(shù)據(jù)組在值為M/2的附近交匯。
[0033]本發(fā)明方法步驟三中S值大小選為共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)組14曲線的半高寬FffHM0
[0034]本發(fā)明方法步驟四中對(duì)左側(cè)邊段數(shù)據(jù)組19和右側(cè)邊段數(shù)據(jù)組20直接進(jìn)行直線擬合來加速處理過程。
[0035]本發(fā)明一種雙邊錯(cuò)位差動(dòng)共焦測(cè)量方法，其實(shí)現(xiàn)雙邊錯(cuò)位差動(dòng)相減的過程包括下列步驟:
[0036]步驟一、將共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14沿橫向坐標(biāo)平移S得到移位共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值24，并使共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值24與共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的側(cè)邊交匯；
[0037]步驟二、對(duì)共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14和移位共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值24分別進(jìn)行同橫坐標(biāo)點(diǎn)插值處理后，再進(jìn)行逐點(diǎn)相減處理得到相減共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)組25 ;
[0038]步驟三、取相減共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)組25零值附近且對(duì)軸向位移敏感的數(shù)據(jù)段進(jìn)行曲線擬合，得到相減共焦特性曲線26和其擬合方程Id(Z);
[0039]步驟四、求擬合方程Id(Z) = O的解z = h ;
[0040]步驟五、依據(jù)h值及相對(duì)橫坐標(biāo)平移量S求得共焦測(cè)量系統(tǒng)焦點(diǎn)的精確位置。
[0041]本發(fā)明方法步驟一中S值大小選為共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)組14曲線的半高寬FffHM0
[0042]本發(fā)明方法步驟三中對(duì)相減共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)組25零值附近數(shù)據(jù)段直接進(jìn)行直線擬合來加速處理過程。
[0043]有益效果
[0044]本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著效果:
[0045]I)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)來進(jìn)行相減處理，因而由該數(shù)據(jù)段推算出的共焦軸向特性曲線極值點(diǎn)位置比常用共焦頂部數(shù)據(jù)段擬合法更靈敏、更準(zhǔn)確；
[0046]2)對(duì)共焦測(cè)量硬件系統(tǒng)不做任何變動(dòng)，僅對(duì)測(cè)后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可改善現(xiàn)有共焦測(cè)量系統(tǒng)的軸向分辨能力；
[0047]3)共焦測(cè)量系統(tǒng)特性曲線斜邊數(shù)據(jù)段的信噪比高，因而利用該斜邊段數(shù)據(jù)再相減處理便可顯著改善現(xiàn)有共焦測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。
[0048]4)本方法本質(zhì)上雖仍為共焦測(cè)量方法，但卻具有現(xiàn)有差動(dòng)共焦測(cè)量技術(shù)定焦分辨力高和信噪比高的顯著優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)又回避了差動(dòng)共焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。