[发明专利]利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法

说明书

利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法涉及精密加工与精确测量领域，该方法包括设计了共聚焦激光扫描显微系统，在探测器前设置可调针孔光阑；设计了扫描范围100微米控制精度可达10纳米的激光扫描器和物距与倾角都可调的载物台，选定405纳米波长激光器；设定光阑针孔为1.0艾里单元的某值、选择扫描范围和扫描层厚度后进行扫描并存储数据；重建扫描图，在平面内选定一形貌曲线，给出形貌曲线的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值；获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对多个波导多个采样长度的表面粗糙度测量获得峰值粗糙度和总粗糙度的平均值；该方法可用于大规模微纳型结构在生产中的无损在线快速检测。

技术领域

本发明涉及微纳米级光介质器件与结构的精密加工与精确测量领域，具体涉及利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法。

背景技术

现代微纳米级加工几乎已经覆盖各个领域，目前增长迅速的是生物医疗和微型光子与光电子工业。在微型光子与光电子领域中，介质材料的微纳米级结构是其中的全部技术，其中包括目前最成熟的平面光波线路(Planar lightwave circuit,PLC)技术，尤其在过去十几年里，硅基波导光子学器件研究与广泛应用已经形成了一个新领域硅基集成光子学。近年来，随着硅基光子学集成器件与系统的开发与推广正在推动着当前的微纳米级的光电子产业迅猛发展，从而微纳米级半导体加工与器件加工质量有效测量是不可缺少的一部分，而对于加工的结构粗糙度(Roughness)的精确测量是保证和检验加工质量，以及能够进一步改进加工水平的重要环节。

对于一个加工出需要对被加工表面的粗糙度进行定量评定的第一个国际标准产生于1996年，之后与1997年有进行修改与完善。对波导侧壁或其他具有特征尺寸的结构的粗糙度测量，按测量原理可分为光学方法和探针法两种。光学方法主要包括散射光谱法和前面提到的SEM法，前者经过实践证明精度较差。对侧壁表面粗糙度的测量事实上是三维测量过程，所以无法测得精确值。SEM是通过电子束成像过程有效测定和显示微纳米级三维结构的形貌，有透射和反射两种工作方式，可以显示被测结构表面粗糙度的有效方法，然而，SEM技术首先是损坏型测试方法，它要求将被测结构的芯片切割成可容纳在测量腔体内的小片，并要打磨其端面，原子力显微镜属于有损检测，而且测量过程比较复杂和耗时。另外，SEM技术测量光波导及台阶型为纳米级的结构时，恰在上表面与侧壁交角处容易产生光学衍射效应，造成图像模糊，由此获得的粗糙度的精度都很受限制。到目前为止，探针方法中到目前为止只有AFM方法，而AFM方法不适合测试波导侧壁或沟槽比较狭小的表面粗糙度，而且迄今为止尚未有任何对介质材料微纳米级结构侧壁和不规则形状表面粗糙度测试方法或技术提出。

我们知道，基于微纳米级光波导光学功能器件而言，每个工作单元的性能及其在大规模基片上的均匀性对于开发平面光波线路和光子集成线路器件产业非常重要，为此一个可以无损实时精确检测微纳米级光波导上表面和侧壁表面粗糙度的精确测量方法非常必要。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，解决了现有技术中检测粗糙度需要对介质结构进行破坏和不规则空间和形貌检测困难的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：

步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；