专利名称：可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法
技术领域：
本发明属于微观测量技术领域，特别提供一种可用于检测表面三维微细结构、微 台阶、集成电路线宽和表面形貌等高分辨力测量的方法。
背景技术：
共焦显微技术以其独有的三维层析成像能力和高分辨探测能力在高分辨测量领 域得到了广泛的应用。基于共焦显微技术，Chau-Hwang Lee等提出了干涉共焦显微传感技 术，用于物体表面形貌的精密测量；Zhi Li等提出了一种用于MEMS器件在线位移测量的横 向扫描共焦显微技术；Ganesha Udupa等研制了用于3D形貌测量的共焦扫描光学显微镜； Seokhan Kim等将共焦显微技术与低相干技术相结合用于测量透明样品的厚度与折射率。 总体上说，现有共焦传感器测量原理通常分为两类一类是利用共焦强度响应的斜边直接 对被测样品进行测量，另一类是利用共焦强度响应的最大值对样品进行焦点跟踪来实现测 量。但现有共焦传感器存在以下不足当利用共焦强度响应斜边进行测量时，无法实现绝对 位移测量，且测量精度受限于共焦强度响应曲线斜边测量区间的非线性、光源强度波动、被 测表面散射和反射特性等因素；当利用焦点跟踪测量时，由于共焦传感器焦点对应共焦强 度响应灵敏度最差的顶点，因而制约了此类共焦传感器焦点跟踪精度的进一步提高。为了克服共焦传感器存在的上述不足，哈尔滨工业大学的赵维谦等人曾提出了一 种可实现双极性超分辨测量的差动共焦测量技术，其将共焦探测光路系统分为两部分，并 将这两个探测系统的点探测器分别置于焦前和焦后位置进行差动探测，继而实现双极性绝 对零点跟踪测量等。但是，由于采用了两套独立的探测光路系统，造成差动共焦传感器测量 系统结构相对复杂，两点探测器离焦对称位置调整要求严格等不足。

发明内容
本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种分割艾里斑区域探测的 可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，实现对三维微细结构、微台阶、 集成电路线宽、物体表面形貌等的高分辨力光学检测。本发明可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，采用共焦 theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收 集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经 过收集光瞳后，被会聚物镜会聚到探测面上，具体步骤如下(1)在探测焦面上相对&轴偏移C处设置两个微小区域，测得这两个区域的响应 分别为IJz，-C)和I2(z，C)，其中，ζ为被测样品的轴向位移，C为微小探测区域中心相对 &轴的偏移量；,,^ IAz,-Q-IJz,Q(2)依据响应，得出传感技术特性方程斗;)‘；(3)依据曲线IDCTS(z，V)在线性区间内的信号大小，或依据曲线IDCTS(z，C)零点的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。其中，还可以通过优化C值来满足量程或分辨能力或兼顾量程和分辨能力的不同 要求。有益效果本发明检测技术具有以下特点及良好效果1.具有绝对零点，可进行双极性绝对测量，且绝对零点位于特性曲线灵敏度最大 处、并与测量系统“焦点位置”相对应，极便于进行焦点跟踪测量；2.特性曲线线性区的斜率约为同等参数的普通共焦特性曲线线性区的2倍，其分 辨能力得到显著提高；3.特性曲线线性区的范围比同等参数的普通共焦特性曲线的大，其量程范围得到 拓展；4.差动相减探测和抗干扰处理方式可有效抑制光源光强波动、探测器电子漂移、 环境状态差异等产生的共模噪声；5.可实现用同一探测器对艾里斑进行多区域分割探测，可大幅简化探测光路系 统，消除因两探测器离轴放置不对称、探测器响应特性不一致等引起的误差；6.可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾，通过设置两虚拟针孔的间距，可方便 的选择不同量程范围和分辨力的工作模式等。


图1为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法示意图；图2为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法传感原理；图3为不同％下探测区域的轴向强度响应曲线，^为微小探测区域中心相对&轴 的的归一化离轴偏移量；图4为不同N. A.和C = VmC0的系统特性曲线，其中Ctl为一常数，表示为=Ctl = β λ /2 π sin α d ；图5为可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法与普通共焦特性 曲线比较示意图；图6为实测的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法特性曲 线.一入 ，图7为盖玻片厚度测量实验特性曲线；其中，1-物镜，2-照明光瞳，3-收集光瞳，4-被测样品，5-会聚物镜，6_探测器， 7-探测区域A，8-探测区域B，9-放大物镜，10-光源系统，11-计算机系统，12-工作台， 13-位移传感器，14-探测区域0。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的基本思想是，利用在焦面特定方向上相对光轴离轴放置点探测器将使共 焦theta显微系统的轴向响应曲线产生相应的相移这一特性，在探测面上离轴对称地设置 两个微小的探测区域，既可提高分辨能力又可获得更大的线性量程，还可以通过优化离轴量来满足量程或分辨能力或兼顾量程和分辨能力的不同要求。如图1所示，物镜1的光瞳面被分割为照明光瞳2和收集光瞳3，准直后的平行光 束通过照明光瞳2后被物镜1会聚到被测样品4表面，载有被测样品信息的反射光经过收 集光瞳3后，被会聚物镜5会聚到探测器6，在探测面上横向离轴对称设置两个微小的探测 区域A7和探测区域B8，分别测得这两个区域的响应曲线，得出本测量方法的响应曲线，响 应曲线IDCTS(v，u, vM)在斜边线性区内的大小反映了被测样品4的凹凸变化，利用该值大小 或响应曲线Idcts (v，u，vM)的零值位置就可以重构被测样品4的表面形貌及微观尺度，其中， ν和u为横向和轴向归一化光学坐标。图中，(x, y, ζ)为物镜1的像方空间坐标，(η，ξ) 为光瞳坐标，(xd, yd，zd)为会聚物镜5的像方空间坐标，α是物镜1在物空间的半孔径角， Vn和^是光瞳的归一化坐标。实施例本发明的实施例结构如图2所示，为了便于探测器进行分割焦斑探测，本实施例 将位于会聚物镜5焦面上的像通过放大物镜9放大到其后的探测器6的探测面上。下面对 本发明可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法进一步说明如下如图2所示，从光源系统10出射的平行光束通过照明光瞳2后被物镜1会聚到被 测样品4表面，载有被测样品4信息的反射光经过收集光瞳3后，被会聚物镜5会聚于探测 器6的探测面上，在探测面上横向离轴、对称设置两个微小的探测区域A7和探测区域B8，分 别测得这个区域的强度响应，得出本测量方法的响应曲线，计算机系统11控制工作台12沿 光轴及垂直于光轴方向运动，实现对被测样品4的扫描，位移传感器13测量工作台12的轴 向位置。将响应曲线的零值作为瞄准触发信号，计算机系统11根据位移传感器13的测量 数据计算工作台12的轴向位移，即可反映被测样品4的表面形貌。本实施例可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法的分辨特性 根据以下理论计算得出。当物镜1的N. A. <0.7时，照明系统和收集系统的点扩展函数分别为Iii (vx, vy, u)禾口 hc(vx，vy, u, vM)，其式表示如下
权利要求
1.可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法，采用共焦theta显微 术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入 射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳 后，被会聚物镜会聚到探测面上，其特征在于(1)在探测焦面上相对^轴偏移C处设置两个微小区域，测得这两个区域的响应分别 为I1 (Z，-C)和I2 (Z，C)，其中，Z为被测样品的轴向位移，C为微小探测区域中心相对&轴 的偏移量；(2)依据响应，得出传感技术特性方程W斗二二;(3)依据曲线Idcts(z，C)在线性区间内的信号大小，或依据曲线Idcts(z，C)零点的位置， 重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。
2.根据权利要求1所述的可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法， 其特征在于还可以通过优化C值来满足量程或分辨能力或兼顾量程和分辨能力的不同要 求。
全文摘要
本发明属于表面微细结构测量技术领域，涉及一种可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法。该方法采用共焦theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳后，被聚光镜会聚于探测面上，在探测焦面上离轴设置两个区域，测得这两个区域的响应并得出探测器响应特性方程，依据曲线在线性区间内的强度大小，或强度为零的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。该方法结构简单，可有效兼顾分辨能力与量程范围，实现物体表面形貌和三维微细结构等的光学高分辨绝对测量。
文档编号G01N13/00GK102053047SQ20101054140
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者刘超, 赵维谦, 邱丽荣 申请人:北京理工大学