[发明专利]基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置，特别适合于表面三维微纳结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽、活体细胞和透明半透明材料的检测等。

技术背景

随着半导体器件、MEMS器件、MOEMS器件的飞速发展，细微加工技术已经进入亚微米、纳米三维加工技术领域，迫切需要大量程、高效率、高空间分辨力的检测技术。同时随着物理学、生物医学和材料学等学科的迅速发展，例如对活体细胞内部检测和材料断层晶面的检测等，也急需高效率、高层析能力、高空间分辨力和无损伤的检测技术。

近年来虽然扫描隧道显微镜、原子力显微镜和近场光学显微镜等显微探测技术得到迅速的发展，其分辨力已经达到了纳米级。但是，这些显微探测技术存在着以下缺点和不足。扫描隧道和原子力显微探测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在纳米级的范围；近场光学显微探测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在一个波长范围。上述原因限制了此类仪器的检测范围，限制了其在台阶和大倾斜样品检测中的应用。另外此类方法还存在仪器结构复杂、测试条件苛刻、测试效率低和测量范围小等缺点。

由于共焦显微探测技术具有独特的三维层析探测特性，近年来成为国际国内显微探测领域研究的热点。

目前，国外已有众多公司研制了多种型号和多种用途的共焦显微探测仪器，主要分为三类：一类是用于生物医学、材料分析、生化分析等方面的共焦显微镜，如德国莱卡公司生产的Leica TCS SP5共焦显微镜和Leica TCS 4π共焦显微镜，日本Lasertec Corp生产的五波长共焦显微镜第二类是用于微纳结构与器件、半导体晶圆及掩模版测试等领域的共焦显微测量仪器，如德国Nanofocus公司的白光共焦光学轮廓仪μSurf和激光扫描(光学)轮廓仪μScan，Leica公司生产的Leica INS2000线宽测试仪，日本Lasertec Corp生产的M5350型晶圆检测系统和M3350掩模版检测系统等；第三类是基于共焦显微技术的扫描探针式共焦传感器，如德国米依公司生产的optoNCDT2400型共焦多光谱位移测量系统、法国STIL公司生产的CHR系列共焦多光谱位移测量系统，以及日本基恩士(Keyence)公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计等。

现有共焦显微镜大多基于轴向光强响应I(0，u)与样品轴向位置u之间的对应关系，来进行成像与测量。但利用光强度响应直接进行测量时，存在以下不足：

1、信噪比低，易受环境背景光干扰；

2、线性度差，易受强度响应曲线的非线性影响，降低层析精度；

3、无测量绝对零点，不便于进行绝对跟踪测量；

4、易受样品倾斜和表面粗糙特性影响，不利于微纳尺度的高精度测量；

5、分辨能力依旧不高，尽管共焦显微镜的横向分辨力比光学显微镜改善了1.4倍，但受衍射极限的限制，同时工作在曲线的离焦状态，共焦显微系统实际工作光斑远大于其焦点光斑，降低了其横向分辨力。

由于存在上述原理性缺憾，现有共焦显微镜已不能适应近年来微光机电技术、生化技术、生物医学、微电子学和材料学等领域快速发展而提出的光学高分辨和高层析成像能力的测量需求。

近年来共焦显微探测技术在国内取得了很大的发展。

中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(申请号：200410006359.6，公告号：CN1209599C)公开了一种高空间分辨力的共焦显微技术。

中国专利“复色超分辨差动共焦测量方法与装置”(申请号：200710301423.7，公告号：CN101182992A)公开了一种复色超分辨差动共焦显微测量方法。

这些研究在提高共焦显微测量技术的空间分辨力方面取得了一定的进展，但是在提高测量速度和扩大量程方面并没有取得进步。

至于光轴方向扫描方式方面，在国际上日本基恩士(Keyence)公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计采用图5所示的音叉扫描方式。而德国蔡司(ZEISS)生产的LSM700系列共聚焦扫描显微镜采用了压电陶瓷扫描方式。国内的天津大学的张国雄等人在音叉扫描方式方面进行了研究。

根据天津大学张国雄等人的分析，音叉在带动透镜运动时，物镜焦点在垂直于测量方向上(即在垂直于光轴方向)的偏移量与音叉振动量的大小量级相当，会造成测量误差。而压电陶瓷由于受各种条件的限制，其位移量很小，达不到毫米量级，在共焦显微镜中带动物镜在光轴方向运动，进行量程扩展，其扩展范围有限。