專利名稱：具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微觀測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用光學(xué)手段對表面三維微細結(jié)構(gòu)、微臺階、微構(gòu)槽、集成電路線寬以及表面形貌進行測量的具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)向超大規(guī)模集成電路、毫米波及量子器件的發(fā)展，微細加工技術(shù)已進入深亞微米、納米三維加工技術(shù)領(lǐng)域。因此，研究適應(yīng)這一發(fā)展要求的大范圍、高空間(即縱向和橫向)分辨能力的成像及檢測技術(shù)十分必要。
由于基于掃描隧道、原子力、近場光學(xué)等原理的掃描探針式傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展，傳感器的空間分辨能力已達到納米量級。但是此類方法尚存在諸多局限和不足如基于掃描隧道技術(shù)上的各類掃描探針顯微術(shù)，成像時要求探針和樣品之間控制在納米量級的范圍內(nèi)，近場光學(xué)顯微鏡的探針和樣品之間也要求控制在一個波長的范圍內(nèi)且光能損失大等，其結(jié)果是限制了此類儀器的成像檢測范圍，制約了其在大突跳樣品和變化凸起大的樣品中的應(yīng)用，且存在儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴、測試條件苛刻、成像速度低等缺點。而共焦顯微鏡點照明和點探測這一獨特的光路布置使其具有三維層析成像的能力，這就使采用共焦顯微術(shù)技術(shù)成為解決上述問題的一個主要途徑。
近年來，國內(nèi)外的學(xué)者不斷在共焦傳感技術(shù)領(lǐng)域取得了一些研究成果。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的譚久彬、王富生、趙維謙提出了“差動共焦式納米級光聚焦探測技術(shù)”(第三屆海峽兩岸計量科技學(xué)術(shù)研討會論文集。蘭州，200059～63)；中國專利“共焦顯微鏡”(申請?zhí)?1122439.8，公開號CN 1395127A)提出將干涉法引入傳統(tǒng)的共焦顯微成像系統(tǒng)中，用于改進軸向分辨力的方法；中國專利“雙頻共焦臺階高度顯微測量裝置”(申請?zhí)?2120884.0，公開號CN 1384334A)公開了一種雙頻共焦臺階干涉顯微系統(tǒng)；以及臺灣大學(xué)的C-H.Lee等提出了非干涉差分共焦顯微技術(shù)理論(Optics Comm.1997，35233～237)。但上述成果僅僅局限在光學(xué)傳感系統(tǒng)軸向分辨力的改善與提高方面，并沒有解決光學(xué)傳感系統(tǒng)橫向超分辨能力的問題。
雖然目前也有關(guān)于共焦顯微系統(tǒng)的橫向分辨力較相同條件下的普通顯微系統(tǒng)的橫向分辨力改善了1.4倍的報道，但其橫向分辨力仍較其軸向分辨力要低大約2個數(shù)量級。事實上共焦顯微鏡橫向分辨力的提高已成為提高其空間分辨力的關(guān)鍵。為此，中國科學(xué)院上海光機所的鄧小強等設(shè)計了一種三維超分辨光瞳濾波器(中國激光。2001，28(5)459～462)，以期達到三維超分辨的效果，其結(jié)構(gòu)如圖1所示該三維超分辨光瞳濾波器為具有一定厚度的同心圓環(huán)形基板，中心圓區(qū)歸一化半徑為a，該區(qū)的透過率為k，中間圓環(huán)區(qū)外圓歸一化半徑為b，光瞳濾波器的最外圓歸一化半徑為1。其基本原理是通過優(yōu)化設(shè)計a、k和b參數(shù)值的大小，來達到光瞳濾波器的三維超分辨效果。但該濾波器屬于環(huán)形漏光型濾波器，存在光能損失大，透過率控制困難等不足，同時因為既要進行橫向超分辨又要兼顧軸向超分辨，三維超分辨效果并不顯著。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)對三維細微結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽、集成電路線寬以及表面形貌無法精確分辨的不足，本發(fā)明融合了光學(xué)超分辨和差動共焦顯微技術(shù)的特性，提供一種具有高空間分辨力和較大測量范圍的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)原理為通過增加激光束照射系統(tǒng)高頻光線所占的比例，使差動共焦顯微系統(tǒng)愛里斑的主瓣變小，從而達到提高共焦顯微系統(tǒng)的空間分辨能力，同時通過軸向跟蹤亦擴展了共焦傳感器量程范圍；另外，利用差動信號處理系統(tǒng)將整形環(huán)形光橫向超分辨特性與差動共焦顯微技術(shù)的軸向高分辨特性相融合，從而達到對被測目標進行高空間分辨力、絕對零點和較大量程范圍測量的目的。
本發(fā)明共焦傳感器包括激光器，依次放在激光器發(fā)射端的擴束器、空間濾波針孔、環(huán)形光整形器件、可調(diào)光闌、偏振分光鏡、放置在偏振分光鏡透射光路上的四分之一波片、跟蹤電感傳感器、測量顯微物鏡，以及將偏振分光鏡透射的測量光束分為兩束測量光的分光鏡、分別會聚兩束測量光的兩聚光鏡、和分別位于兩聚光鏡焦前位置的和焦后位置的兩個針孔，以及分別貼近兩個針孔后面的光電探測器組成。
本發(fā)明共焦傳感器還包括依次相連的一個聚焦信號差動處理系統(tǒng)、一個放大處理轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)據(jù)處理計算機，其中聚焦信號差動處理系統(tǒng)與兩個光電探測器相連，將接受的傳感信號經(jīng)放大處理后，由計算機再進行數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明共焦傳感器中的環(huán)形光整形器件可以位于擴束器與偏振分光鏡之間，也可以同時將兩環(huán)形光整形器件放置于兩聚光鏡與分光鏡之間。該環(huán)形光整形器件可以是圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)器件。
本發(fā)明共焦傳感器可以在測量顯微物鏡前面設(shè)置一個微位移驅(qū)動器，該微位移驅(qū)動器可以是Z向壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)。
本發(fā)明共焦傳感器中的環(huán)形光整形器件，可以將差動共焦顯微系統(tǒng)的入射激光光束整形為超分辨所需的特定結(jié)構(gòu)的環(huán)形光，而利用可調(diào)光闌調(diào)整入射環(huán)形光歸一化半徑，從而實現(xiàn)提高共焦顯微裝置的橫向分辨力的目的。同時，采用差動共焦的光路布置提高共焦顯微裝置的縱向分辨力，進而避免了已有的三維超分辨光瞳濾波器既要提高橫向分辨力，又要提高縱向分辨力，從而降低了三維超分辨的綜合性能的缺點。
本發(fā)明共焦傳感器具有如下優(yōu)點1)在提高橫向分辨能力的同時，可擴展傳感器軸向量程范圍；2)差動共焦的光路布置，顯著提高了軸向分辨力，彌補了橫向超分辨時軸向分辨力略有下降的不足；3)減小了傳統(tǒng)環(huán)形光瞳超分辨時的能量損失；4)改善了共焦系統(tǒng)的離焦特性；5)測量系統(tǒng)具有絕對跟蹤零點和雙極性跟蹤特性，可實現(xiàn)絕對測量；6)差動共焦光路系統(tǒng)的采用又可抑制環(huán)境狀態(tài)的差異、光源光強的波動、探測器電氣漂移等引起的共模噪聲，顯著提高了測量系統(tǒng)的信噪比、靈敏度以及線性度等。


圖1為已有技術(shù)的三維超分辨光瞳濾波器。
圖2為本發(fā)明共焦傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1激光器，2擴束器，3空間濾波針孔，4光電探測器，5針孔，6圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)器件(BOE)，7可調(diào)光闌，8聚光鏡，9光電探測器，10針孔，11聚光鏡，12分光鏡，13偏振分光鏡(PBS)，14四分之一波片，15顯微物鏡，16被測工件，17微位移工作臺，18顯微物鏡Z向微位移驅(qū)動系統(tǒng)，19顯微物鏡Z向位移跟蹤傳感器，20微位移驅(qū)動電源，21聚焦信號差動相減處理系統(tǒng)，22放大處理轉(zhuǎn)換器，23計算機處理系統(tǒng)。
圖3為原子力顯微鏡掃描的標準臺階高度掃描圖。
圖4為原子力顯微鏡掃描的標準臺階寬度掃描圖。
圖5為差動共焦傳感器臺階橫向掃描曲線圖。
圖6為采用二元光學(xué)橫向超分辨后的差動共焦傳感器臺階橫向掃描曲線圖。
圖7為臺階橫向掃描比對圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的高空間分辨力整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合實施例及附圖詳細說明如下本實施例高空間分辨力整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括激光器1，依次放在激光器發(fā)射端的擴束器2、空間濾波針孔3、圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)器件6、調(diào)整入射環(huán)形光歸一化半徑的可調(diào)光闌7、偏振分光鏡13、放置在偏振分光鏡透射光路上的四分之一波片14、顯微物鏡Z向位移跟蹤傳感器19、顯微物鏡15、顯微物鏡Z向微位移驅(qū)動系統(tǒng)18、壓電陶瓷驅(qū)動電源20，將偏振分光鏡13透射的測量光束分為兩束測量光的分光鏡12、分別會聚兩束測量光的聚光鏡8和聚光鏡11、位于聚光鏡8焦前位置的針孔5和位于聚光鏡11焦后位置的針孔10；還包括分別貼近針孔10和貼近針孔5后的光電探測器9和光電探測器4、聚焦信號差動相減處理系統(tǒng)21、放大處理轉(zhuǎn)換器22、計算機處理系統(tǒng)23。
本實施例高空間分辨力整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器的主要器件型號及參數(shù)如下本實施例中測量物鏡15分別優(yōu)先選用10×0.25、40×0.65和60×0.85的普通平場消色差顯微物鏡。
光電探測器4和9優(yōu)先采用美國NEWFOCUS公司生產(chǎn)的2001型光電接收器，飽和功率范圍為10mW，最大可調(diào)增益為104，最小噪聲等效功率為0.25pW/Hz1/2，在波長為632.8nm處的典型響應(yīng)為0.42A/W。
針孔3和10優(yōu)先選用美國NERPORT公司的PH-10型針孔，它由超薄鉬材料構(gòu)成，孔徑尺寸為10μm，厚度為15.24μm。
微位移工作臺17的驅(qū)動器優(yōu)先選用美國NEWFOCUS公司生產(chǎn)的大范圍、高穩(wěn)定性Picomotor(微位移驅(qū)動器)驅(qū)動器，配以縮小比例為5∶1的柔性鉸鏈工作臺組成納米級的微動標定系統(tǒng)，Picomotor微位移驅(qū)動器每個驅(qū)動脈沖可獲得2nm的進給。
測量物鏡15的軸向定位，優(yōu)先采用德國PI公司生產(chǎn)的顯微物鏡微定位裝置，它由微位移驅(qū)動系統(tǒng)18、高精度電感傳感器19和軸向鉸鏈驅(qū)動機構(gòu)等構(gòu)成，驅(qū)動分辨力為3nm，量程300μm，加載后的頻響為100Hz。經(jīng)圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)器件6整形后的環(huán)形光內(nèi)、外徑分別為φ0.856mm和φ3.484mm，為了驗證不同ε值情況下的超分辨性能，使用可調(diào)光闌7改變環(huán)形光瞳的外徑。在此使用φ3.5mm、φ1.7mm和φ1.1mm的光闌分別改變環(huán)形光束的外徑，使其對應(yīng)的歸一化半徑分別為ε≈0.25、ε＝0.5和ε≈0.78。
本實施例高空間分辨力整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器的超分辨性能初步測試結(jié)果為系統(tǒng)的分辨特性可以通過測量美國DI公司Dimension3100型原子力顯微鏡配帶的標準臺階來考核。圖3和圖4為經(jīng)Dimension3100型原子力顯微鏡掃描的標準臺階的掃描圖。圖3給出了兩標識點(三角)垂直方向?qū)?yīng)的臺階高度約等于118.23nm，兩標識點水平方向?qū)?yīng)的臺階跳躍區(qū)的距離為0.1367μm。圖4給出了兩標識點(三角)水平方向?qū)?yīng)的臺階寬度為1.836μm。
被測物選用標準臺階，顯微物鏡選用放大倍數(shù)為60×0.85的物鏡，將臺階置于載物臺上，通過微調(diào)機構(gòu)沿軸向調(diào)整臺階，使光觸點聚焦在臺階表面上，而后，沿與光觸點垂直的橫向位置移動臺階，微動工作臺的分辨力為2nm，移動范圍約13μm，用HP5528A雙頻激光干涉儀檢測臺階的移動量，其分辨力為0.01μm，驅(qū)動系統(tǒng)能以分辨力為0.01μm的進給量微動臺階。
圖5中ε＝0為未用二元光學(xué)器件進行超分辨時，測得的臺階橫向掃描曲線，兩標識點(箭頭)水平方向?qū)?yīng)的臺階跳躍區(qū)的距離為0.403μm，其值包括臺階自身的跳躍區(qū)寬度。
圖6中ε＝0.5為用二元光學(xué)器件進行超分辨時，測得的臺階橫向掃描曲線，兩箭頭所示的標識點水平方向的距離對應(yīng)臺階跳躍區(qū)的距離，其大小為0.268μm，若再考慮臺階自身的斜度為0.1367μm(包括原子力顯微鏡自身的橫向分辨力)，則超分辨后橫向分辨力優(yōu)于0.2μm。
為便于比較，將電壓值標定為位移值，將圖10中所示的未采用二元光學(xué)器件的臺階掃描曲線和圖11中所示的采用二元光學(xué)器件進行超分辨時的臺階掃描曲線繪于圖7中，跳躍區(qū)斜率變化大的為用二元光學(xué)器件進行超分辨的位移曲線。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
和測試效果作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進行的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征在于，該共焦傳感器包括激光器，依次放在激光器發(fā)射端的擴束器、空間濾波針孔、環(huán)形光整形器件、可調(diào)光闌、偏振分光鏡、放置在偏振分光鏡透射光路上的四分之一波片、跟蹤電感傳感器、測量顯微物鏡，以及將偏振分光鏡透射的測量光束分為兩束測量光的分光鏡、分別會聚兩束測量光的兩聚光鏡、和分別位于兩聚光鏡焦前位置的和焦后位置的兩個針孔，以及分別貼近兩個針孔后面的光電探測器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征在于該共焦傳感器還包括依次相連的一個聚焦信號差動處理系統(tǒng)、一個放大處理轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)據(jù)處理計算機，其中聚焦信號差動處理系統(tǒng)與兩個光電探測器相連，將接受的傳感信號經(jīng)放大處理后，由計算機再進行數(shù)據(jù)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征在于所述的環(huán)形光整形器件可以位于擴束器與偏振分光鏡之間，也可以同時將兩環(huán)形光整形器件放置于兩聚光鏡與分光鏡之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征是所述的環(huán)形光整形器件是圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征在于可以在測量顯微物鏡前面設(shè)置一個微位移驅(qū)動器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，其特征在于微位移驅(qū)動器可以是Z向壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)。
全文摘要
本發(fā)明具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器，包括激光器，擴束器、針孔、環(huán)形光整形器件、可調(diào)光闌、偏振分光鏡、偏振分光鏡以及1/4波片、跟蹤電感傳感器、測量物鏡、分光鏡、聚光鏡、針孔和兩針孔后面的兩個光電探測器。本發(fā)明共焦傳感器融合光學(xué)超分辨和差動共焦顯微跟蹤聚焦技術(shù)，旨在提高光探針傳感器的空間分辨力和量程，同時滿足高空間分辨力、高精度和較大測量范圍的要求，特別適用于表面三維微細結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽、線寬以及表面形貌的測量等。
文檔編號G01B11/24GK1529123SQ20041000110
公開日2004年9月15日 申請日期2004年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月19日
發(fā)明者趙維謙, 譚久彬, 邱麗榮 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)