[发明专利]超精细结构的光学测量系统

说明书

本发明是一种采用光学手段进行超精细结构的测量系统，其分辨能力达到纳米至亚微米量级。

本发明主要应用在具有超精细结构(纳米至亚微米级)的样品轮廓和结构的测量。适合于作这种测量的情形有光盘表面结构的测量、亚微米级线宽集成电路的测量、生物组织结构测量、以及其他样品结构为纳米级至亚微米级的样品的测量。

已有技术：

实现超高分辨率的测量系统主要有短波长成象系统和各种扫描成象系统两大类。

1．短波长成象系统：

采用物质波的短波长成像系统。如电子显微镜就是一种众所周知的超高分辨率成像系统。其分辨能力可达到原子大小，为0.1纳米量级。

采用光波的短波长成像系统。如：X光波段接触式显微，X光全息等。由于它们使用的波长短，因而能够获得物体的细节信息。其分辨能力可达到纳米至亚微米量级。可参阅Miklos Tegze and Gyula Faigel；Nature,vol.380,49(1996).和Ian McNulty et al；Science,vol.256,1009(1992).等文章。

2．扫描成像系统：

扫描隧道显微系统(STM)和原子力显微系统(AFM)。这些显微系统采用的是用一个细小的探针扫描样品表面，并逐点探测到的探针和样品间的隧道电流大小(STM)或原子间斥力大小(AFM)来重构样品轮廓。这种系统的分辨能力可达纳米量级。(请参阅E.J.Van Loenen,D.DijKamp等人发表于Applied Physics Letter,55,1312,1989的文章；Y.Z.Li等人发表于Applied Physics Letter,54,1424,1989的文章；L.Stockman等人发表于Phantoms Newsletter,N.2,September-October,1993的文章；以及J.Tersff与D.R.Hamanm发表于Physics Review,B31,805,1985的文章)。

近场光学扫描探针显微系统(SNOM)。与STM和AFM类似，这种系统采用光学的方法逐点探测物体表面的非辐射波(瞬逝波)的强度，并通过计算机图象重构来获取物体表面信息。其分辨能力可达到亚微米至纳米量级。可参阅文献：宋葵等，《光学显微镜的最新发展》，物理22卷2期，81。

共焦扫描成象系统。这是另一种光学扫描成象系统。它采用辐射光，共轴光路，扫描物体，计算机图象重构的方式来获取物体信息。该系统可以用来获取物体的三维信息并且分辨率比常规显微术提高约2-4倍。但是该系统能提高的分辨率有限，即受限于成象透镜孔径的大小和所用的测量光波波长。关于该系统的介绍可参阅：宋葵等，光学显微镜的最新发展，物理22卷2期，81.和T.Wilson and C.J.R.Sheppard,《Theoryand Practice of Scanning Optical Microscopy》(Academic,London,1984).等文献。

3．其他系统：

由B.R.Frieden提出的变迹术，是通过在成像透镜前采用适当的掩模来改变有限大小区域的点扩散函数。根据变迹术的理论，通过选取适当的掩模可以生成在有限大小区域内极尖锐的点扩散函数来提高系统对有限大小的物体进行测量时的横向分辨率。需要指出的是，变迹术不是一种成熟的测量技术，这主要是由于该技术有两个基本问题未能解决：其一，由掩模所产生的衍射花样增加了埃里(Airy)斑次极大的强度，从而导致成象对比度的下降。其二是该方法仅适用于轴上点，使成象系统不再具备空间不变性。由于这两个问题在普通光学成象系统中极为重要，因此，变迹术在光学测量技术中的应用并不普遍。关于变迹术的理论可参阅R.Frieden；J.Opt.Soc.Am.57,1013,1967；R.Frieden；Optica Acta,16,795,1969；R.Frieden；Apply.Opt.,9,2489,1970等文章。

已有技术的分析：

1．短波长成像系统：

电子显微镜可以获得超高的分辨率，但其设备昂贵，操作复杂，分辨能力远超过纳米量级，多用在对原子大小物质结构的检测和对其他测量系统的校准和检验上。

短波长光波显微系统无疑可以获得高分辨率。但由于短波长的光(如X光)的光源和成象元件(如，反射镜，光栅，波带片等)的获取相对于普通波长光来说并不是很容易。所以人们在不断地寻找较好的短波长光学成象系统的同时也在不断地探询普通波长光源成象系统的获得超高分辨率的途径。

2．扫描成像系统：