雙邊擬合共焦測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維微觀測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸向高分辨率的雙邊擬合差動共焦測量方法，其可用于測量樣品的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺階、微構(gòu)槽、集成電路線寬以及表面形貌等。
【背景技術(shù)】
[0002]共焦顯微鏡的思想最早由美國學(xué)者M(jìn).Minsky于1957年首次提出，并于1961年獲得美國專利，專利號為US3013467。共焦顯微鏡將點(diǎn)光源、點(diǎn)物和點(diǎn)探測器三者置于彼此對應(yīng)的共軛位置，構(gòu)成了光學(xué)顯微成像中獨(dú)具層析能力的點(diǎn)照明和點(diǎn)探測顯微成像系統(tǒng)。
[0003]共焦顯微鏡的基本原理如圖1所示，光源I發(fā)出的光經(jīng)過針孔3、分光鏡5、物鏡6在被測樣品7表面聚焦，被測樣品7反射測量光，該反射光沿原路返回，再通過分光鏡5將來自樣品7的測量光聚焦到置于光電探測器11前的針孔10內(nèi)，在光電探測器11處形成點(diǎn)探測，光電探測器11主要接收來自物鏡焦點(diǎn)處的測量光，焦點(diǎn)以外的返回光被針孔10遮擋。當(dāng)物體位于焦平面F時(shí)，光電探測器11接收到的光強(qiáng)最大，當(dāng)物體偏離焦平面F時(shí)，反射光被聚焦在針孔前或后的某一位置，此時(shí)光電探測器11僅接收一小部分光能量，也就是說物體在離焦時(shí)探測到的光強(qiáng)要比在焦平面時(shí)弱，這樣就可以通過光電探測器檢測到的圖2所示的共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線13的極值點(diǎn)位置來測得樣品的高度位置。
[0004]從圖2所示的共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線13可以看出，其在強(qiáng)度極值點(diǎn)附近對軸向位置不靈敏，其結(jié)果制約了共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨能力的進(jìn)一步提高。
[0005]共焦顯微鏡軸向分辨能力通常通過其軸向響應(yīng)曲線的半高寬FWHM來表征，F(xiàn)ffHM越小，軸向分辨能力越強(qiáng)。但由于受衍射極限等因素的限制，僅通過增大物鏡4數(shù)值孔徑NA和減小光波波長λ等來改善共焦顯微鏡軸向分辨的能力有限。
[0006]本質(zhì)上，改善共焦測量系統(tǒng)軸向分辨能力的核心問題就是如何靈敏并準(zhǔn)確地確定出共焦強(qiáng)度特性曲線的最大值位置。
[0007]但現(xiàn)有的共焦顯微鏡主要利用極值點(diǎn)附近對焦面位置相對不敏感的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合來求極值點(diǎn)位置即焦面位置，因而現(xiàn)有共焦顯微鏡分辨能力的進(jìn)一步改善就受到制約。
[0008]由共焦顯微鏡的軸向響應(yīng)特性曲線可以看出，其理論特性曲線關(guān)于極值點(diǎn)位置左右對稱，而且半高寬附近數(shù)據(jù)對樣品軸向位置非常靈敏。因此，本發(fā)明設(shè)想利用曲線半高寬附近的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確確定共焦顯微鏡軸向響應(yīng)特性曲線的極值點(diǎn)位置，以期改善共焦顯微系統(tǒng)的軸向分辨能力?；诖?，本發(fā)明提出一種雙邊擬合共焦測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種雙邊擬合共焦測量方法，它分別利用共焦系統(tǒng)特性曲線兩側(cè)邊的一段數(shù)據(jù)，各自擬合曲線方程并通過求得兩曲線方程的交匯點(diǎn)，來準(zhǔn)確得到共焦系統(tǒng)特性曲線的極值點(diǎn)位置。
[0010]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0011]本發(fā)明雙邊擬合共焦測量方法準(zhǔn)確獲取共焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，包括以下步驟:
[0012]步驟一、確定共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值最大值的位置；
[0013]步驟二、選取共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值最大值位置兩側(cè)的兩側(cè)邊段數(shù)據(jù)；
[0014]步驟三、對選取的兩側(cè)邊段數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到左側(cè)邊擬合曲線和右側(cè)邊擬合曲線，求得其對應(yīng)的擬合曲線方程分別為Ia(Z)和Ib(Z);
[0015]步驟四、令I(lǐng)a(Z) = Ib(z)，求兩擬合曲線方程的交匯點(diǎn)的位置z = h;
[0016]步驟五、共焦系統(tǒng)軸向特性曲線極值點(diǎn)對應(yīng)的準(zhǔn)確位置即為h。
[0017]本發(fā)明方法步驟二中離散數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及離散數(shù)據(jù)段的選取位置，由高度測量精度要求決定。
[0018]本發(fā)明方法步驟二中通過對離散數(shù)據(jù)直接進(jìn)行直線擬合來加速處理過程。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0021]I)由于利用了共焦特性曲線靠近半高寬位置附近對軸向位移非常靈敏的兩段數(shù)據(jù)來進(jìn)行擬合，因而由該數(shù)據(jù)段推算出的共焦顯微特性曲線的極值點(diǎn)位置更靈敏和更準(zhǔn)確；
[0022]2)對共焦顯微系統(tǒng)的硬件不做任何變動，僅對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理即可改善現(xiàn)有共焦顯微系統(tǒng)的軸向分辨能力；
[0023]3)共焦顯微系統(tǒng)特性曲線斜邊數(shù)據(jù)段的信噪比高，斜邊段數(shù)據(jù)擬合重構(gòu)可顯著改善現(xiàn)有共焦顯微系統(tǒng)的信噪比。
【附圖說明】
[0024]圖1.共焦顯微鏡原理圖；
[0025]圖2.共焦顯微鏡軸向響應(yīng)理論曲線圖；
[0026]圖3.本發(fā)明雙邊擬合共焦測量方法圖；
[0027]圖4.本發(fā)明雙邊擬合共焦測量方法實(shí)施例圖；
[0028]圖5.本發(fā)明雙邊擬合共焦測量裝置實(shí)施例圖；
[0029]圖6.本發(fā)明雙邊擬合共焦測量方法層析測量實(shí)施例圖；
[0030]圖7.本發(fā)明雙邊擬合共焦光斑掃描測量裝置實(shí)施例圖。
[0031]其中，1-激光器，2-透鏡，3-空間濾波針孔，4-準(zhǔn)直鏡，5-分光鏡，6_物鏡，7_樣品，8-工作臺，9-聚光鏡，10-針孔，11-光電探測器，12-計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，13-共焦顯微鏡軸向響應(yīng)曲線，14-共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值，15-左側(cè)邊擬合曲線，16-右側(cè)邊擬合曲線，17-二維光束掃描器。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例基于圖5所示共焦顯微成像裝置來實(shí)現(xiàn)，其包括:激光器1，依次放置在激光器I出射光方向的透鏡2、空間濾波針孔3、準(zhǔn)直鏡4、分光鏡5、物鏡6、樣品7和工作臺8，以及分光鏡5反射光方向反方向的聚光鏡9、位于聚光鏡9焦點(diǎn)位置的針孔10、置于針孔10后的光電探測器11和處理光電探測器信號的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)12。
[0034]如圖5所示，利用共焦顯微成像裝置探測共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的過程為:出射激光通過透鏡2、空間濾波針孔3、準(zhǔn)直鏡4和分光鏡5后經(jīng)物鏡6聚焦到樣品7后又被反射，該反射光再次經(jīng)過物鏡6后被分光鏡5反射到聚光鏡9，聚光鏡9將該反射光聚焦到位于其焦點(diǎn)位置的針孔10，光電探測器11位于針孔10后用于探測透過針孔的對應(yīng)共焦軸向位置的強(qiáng)度信息，當(dāng)樣品7在物鏡6焦面附近沿z向微量移動時(shí)，光電探測器11即可探測到共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14。
[0035]實(shí)施例1
[0036]采用本發(fā)明方法進(jìn)行單點(diǎn)高度值擬合測量的具體步驟結(jié)合圖5說明如下:
[0037]步驟一、選樣品7上的某測量點(diǎn)N(x，y)，使物鏡6聚焦光斑對該測量點(diǎn)進(jìn)行軸向掃描，同時(shí)光電探測器探測11探測到樣品軸向位置的共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14，記為I (Z)，其中X、y和z分別為樣品測量點(diǎn)水平位置和軸向高度位置的坐標(biāo)；
[0038]步驟二、如圖4所示，找到共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)值14的最大值M ；
[0039]步驟三、如圖4所示，在共焦軸向強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù)兩側(cè)邊以強(qiáng)度為M/2點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為參考點(diǎn)在其附近選取數(shù)據(jù)段；
[0040]步驟四、如圖4所示，對選取的兩側(cè)邊數(shù)據(jù)段進(jìn)行二次曲線擬合，得到左側(cè)邊擬合曲線15和右側(cè)邊擬合曲線16，其對應(yīng)的擬合曲線方程分別為IA(z)和IB(z)；
[0041]步驟五、令I(lǐng)a(Z) = IB(z)，求兩擬合曲線方程的交匯點(diǎn)z = h ;
[0042]步驟六、被測點(diǎn)N(x, y)的高度位置即為h。