[發明專利]基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發式顯微測量方法與裝置

無效

• 申請號: 200910086926.6
• 申請日: 2009-06-18
• 公開（公告）號: CN101586947A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 趙維謙;郭俊杰;邱麗榮;沙定國
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種基于諧振梁掃描的差動共焦瞄準觸發式顯微測量方法與裝置，特別適合于表面三維微納結構、微臺階、微溝槽、集成電路線寬、活體細胞和透明半透明材料的檢測等。

技術背景

隨著半導體器件、MEMS器件、MOEMS器件的飛速發展，細微加工技術已經進入亞微米、納米三維加工技術領域，迫切需要大量程、高效率、高空間分辨力的檢測技術。同時隨著物理學、生物醫學和材料學等學科的迅速發展，例如對活體細胞內部檢測和材料斷層晶面的檢測等，也急需高效率、高層析能力、高空間分辨力和無損傷的檢測技術。

近年來雖然掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和近場光學顯微鏡等顯微探測技術得到迅速的發展，其分辨力已經達到了納米級。但是，這些顯微探測技術存在著以下缺點和不足。掃描隧道和原子力顯微探測技術，工作時要求探針與被測樣品之間控制在納米級的范圍；近場光學顯微探測技術，工作時要求探針與被測樣品之間控制在一個波長范圍。上述原因限制了此類儀器的檢測范圍，限制了其在臺階和大傾斜樣品檢測中的應用。另外此類方法還存在儀器結構復雜、測試條件苛刻、測試效率低和測量范圍小等缺點。

由于共焦顯微探測技術具有獨特的三維層析探測特性，近年來成為國際國內顯微探測領域研究的熱點。

目前，國外已有眾多公司研制了多種型號和多種用途的共焦顯微探測儀器，主要分為三類：一類是用于生物醫學、材料分析、生化分析等方面的共焦顯微鏡，如德國萊卡公司生產的Leica?TCS?SP5共焦顯微鏡和Leica?TCS?4π共焦顯微鏡，日本Lasertec?Corp生產的五波長共焦顯微鏡第二類是用于微納結構與器件、半導體晶圓及掩模版測試等領域的共焦顯微測量儀器，如德國Nanofocus公司的白光共焦光學輪廓儀μSurf和激光掃描(光學)輪廓儀μScan，Leica公司生產的Leica?INS2000線寬測試儀，日本Lasertec?Corp生產的M5350型晶圓檢測系統和M3350掩模版檢測系統等；第三類是基于共焦顯微技術的掃描探針式共焦傳感器，如德國米依公司生產的optoNCDT2400型共焦多光譜位移測量系統、法國STIL公司生產的CHR系列共焦多光譜位移測量系統，以及日本基恩士(Keyence)公司生產的LT9000系列表面掃描激光共焦位移計等。

現有共焦顯微鏡大多基于軸向光強響應I(0，u)與樣品軸向位置u之間的對應關系，來進行成像與測量。但利用光強度響應直接進行測量時，存在以下不足：

1、信噪比低，易受環境背景光干擾；

2、線性度差，易受強度響應曲線的非線性影響，降低層析精度；

3、無測量絕對零點，不便于進行絕對跟蹤測量；

4、易受樣品傾斜和表面粗糙特性影響，不利于微納尺度的高精度測量；

5、分辨能力依舊不高，盡管共焦顯微鏡的橫向分辨力比光學顯微鏡改善了1.4倍，但受衍射極限的限制，同時工作在曲線的離焦狀態，共焦顯微系統實際工作光斑遠大于其焦點光斑，降低了其橫向分辨力。

由于存在上述原理性缺憾，現有共焦顯微鏡已不能適應近年來微光機電技術、生化技術、生物醫學、微電子學和材料學等領域快速發展而提出的光學高分辨和高層析成像能力的測量需求。

近年來共焦顯微探測技術在國內取得了很大的發展。

中國專利“具有高空間分辨力的差動共焦掃描檢測方法”(申請號：200410006359.6，公告號：CN1209599C)公開了一種高空間分辨力的共焦顯微技術。

中國專利“復色超分辨差動共焦測量方法與裝置”(申請號：200710301423.7，公告號：CN101182992A)公開了一種復色超分辨差動共焦顯微測量方法。

這些研究在提高共焦顯微測量技術的空間分辨力方面取得了一定的進展，但是在提高測量速度和擴大量程方面并沒有取得進步。

至于光軸方向掃描方式方面，在國際上日本基恩士(Keyence)公司生產的LT9000系列表面掃描激光共焦位移計采用圖5所示的音叉掃描方式。而德國蔡司(ZEISS)生產的LSM700系列共聚焦掃描顯微鏡采用了壓電陶瓷掃描方式。國內的天津大學的張國雄等人在音叉掃描方式方面進行了研究。

根據天津大學張國雄等人的分析，音叉在帶動透鏡運動時，物鏡焦點在垂直于測量方向上(即在垂直于光軸方向)的偏移量與音叉振動量的大小量級相當，會造成測量誤差。而壓電陶瓷由于受各種條件的限制，其位移量很小，達不到毫米量級，在共焦顯微鏡中帶動物鏡在光軸方向運動，進行量程擴展，其擴展范圍有限。