[發(fā)明專利]基于結(jié)構(gòu)光與介質(zhì)微球聯(lián)合調(diào)制的微納結(jié)構(gòu)超分辨三維形貌檢測方法

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• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107388984A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周毅;唐燕;陳楚怡;鄧欽元;謝仲業(yè);田鵬;李凡星;胡松;趙立新
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于結(jié)構(gòu)光與介質(zhì)微球聯(lián)合調(diào)制的微納結(jié)構(gòu)超分辨三維形貌檢測方法。

背景技術(shù)

目前，微納結(jié)構(gòu)測量手段主要分為非光學(xué)、光學(xué)兩類。在非光學(xué)檢測中，主要有臺(tái)階儀，原子力顯微鏡(AFM)，掃描電子顯微鏡(SEM)等手段，大多采用接觸式測量形式，精度高，但測量速度慢，范圍較小，易損傷器件表面，設(shè)備昂貴，在微納器件檢測過程中應(yīng)用受到限制。在光學(xué)檢測中，主要有共聚焦掃描顯微鏡，橢偏儀和白光干涉等手段，大多采用非接觸式測量，具有測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，是微納結(jié)構(gòu)檢測的重要手段。

然而，現(xiàn)有光學(xué)測量方法，受限于光波衍射效應(yīng)，橫向分辨力最高僅為200nm左右，而該成像分辨力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對微納世界進(jìn)行探索的需求。限制了其在高分辨力微納結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，難以滿足微納結(jié)構(gòu)分辨力不斷提高的需要。如在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，由于光刻技術(shù)的不斷突破，微納器件特征尺寸不斷接近技術(shù)極限，檢測分辨率成為了最大掣肘。

近年來，國內(nèi)外科研人員紛紛投入到光學(xué)超分辨檢測研究領(lǐng)域中，取得了許多重要突破。比如，2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者德國科學(xué)家Stephan W.和美國科學(xué)家William E.提出的受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)(STED)和Eric Betz提出的光激活定位顯微術(shù)(PALM)。然而這些技術(shù)需要對生物樣品進(jìn)行染色標(biāo)記，無法適用于微納結(jié)構(gòu)器件形貌檢測。此外，針對微納結(jié)構(gòu)的超分辨測量技術(shù)研究還包括L.Gustafsson團(tuán)隊(duì)提出的結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)，去卷積技術(shù)以及光學(xué)共聚焦等，都在一定程度上能有效提升成像分辨率，但難以突破200nm橫向分辨率

在國內(nèi)也有不少科研院與高校對光學(xué)顯微超分辨的研究，但目前的光學(xué)超分辨顯微技術(shù)大多集中在二維平面成像上，在微納結(jié)構(gòu)三維形貌超分辨檢測中應(yīng)用極少。實(shí)現(xiàn)檢測精度高，橫向分辨率高的微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測方法仍然是目前國內(nèi)外需要繼續(xù)突破的難題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述難題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了所述的結(jié)構(gòu)光與介質(zhì)微球聯(lián)合調(diào)制的微納結(jié)構(gòu)超分辨三維形貌檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)縱向高精度測量的同時(shí)提高橫向檢測精度。解決現(xiàn)有光學(xué)檢測方法橫向分辨力受限于衍射效應(yīng)，無法突破200nm的瓶頸問題，滿足微納結(jié)構(gòu)特征尺寸不斷縮小，對高分辨力三維形貌檢測的迫切需求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于結(jié)構(gòu)光與介質(zhì)微球聯(lián)合調(diào)制的微納結(jié)構(gòu)超分辨三維形貌檢測方法，采用白光寬光譜光源，通過空間光調(diào)制器DMD對測量光場振幅進(jìn)行編碼操控，同時(shí)將介質(zhì)微球放置于待測物體表面，縱向上，通過壓電陶瓷完成縱向高精度掃描，對CCD(Charge-Coupled Device)采集獲取的一系列結(jié)構(gòu)光調(diào)制圖進(jìn)行算法解析，尋找獨(dú)立單個(gè)像素點(diǎn)調(diào)制度極值，實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)的高度信息恢復(fù)；橫向上，利用介質(zhì)微球產(chǎn)生超分辨三維光場的特性，通過顯微系統(tǒng)獲取得到突破衍射極限的超分辨成像；根據(jù)所得的縱向，橫向結(jié)構(gòu)信息，最后整合成空間三維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的超分辨三維形貌檢測。

其中，采用白光寬光譜光源，通過空間光調(diào)制器DMD對測量光場振幅進(jìn)行編碼操控，同時(shí)將介質(zhì)微球放置于待測物體表面。

其中，縱向上，通過壓電陶瓷完成縱向高精度掃描，對CCD(Charge-Coupled Device)采集獲取的一系列結(jié)構(gòu)光調(diào)制圖進(jìn)行算法解析，尋找獨(dú)立單個(gè)像素點(diǎn)調(diào)制度極值，實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)的高度信息恢復(fù)。

其中，橫向上，利用介質(zhì)微球產(chǎn)生超分辨三維光場的特性，通過顯微系統(tǒng)獲取得到突破衍射極限的超分辨成像。

其中，根據(jù)所得的縱向，橫向結(jié)構(gòu)信息，最后整合成空間三維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的超分辨三維形貌檢測。

其中，利用5步相移法獲取每個(gè)像素點(diǎn)的調(diào)制度數(shù)值，由于其相移法解析的高精度特性，通過尋找調(diào)制度極值點(diǎn)及其對應(yīng)掃描位置，可高精度恢復(fù)高度信息。同時(shí)利用介質(zhì)微球的超分辨成像特性，提高橫向檢測分辨率，具有測量精度，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、結(jié)合可控結(jié)構(gòu)光和介質(zhì)微球調(diào)制，同時(shí)提高檢測的縱向，橫向精度，橫向分辨率更是突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維超分辨檢測。滿足微納結(jié)構(gòu)特征尺寸不斷縮小，對高分辨力三維形貌檢測的迫切需求；

(2)、本發(fā)明中，相比傳統(tǒng)三維形貌檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無需增加系統(tǒng)復(fù)雜性即可實(shí)現(xiàn)更高精度的檢測，具有很強(qiáng)的使用性。

附圖說明