[发明专利]一种激光三差动共焦theta成像检测方法

说明书

技术领域

本发明属于微观测量技术领域，特别提供一种可用于检测表面三维微细结构、微台阶、集成电路线宽和表面形貌等高分辨力测量的方法。

背景技术

1957年，美国的Marvin Minsky首次提出了共焦显微技术的概念，该技术的初衷是通过在探测器前加入探测针孔来抑制杂散光对成像质量的影响，并利用点光源照明样品，通过对样品进行移动扫描，实现对样品不同部分信息的探测。其横向分辨力是同等参数下的普通显微系统的1.4倍，且具有独特的光学层析能力。但由于受到“零视场”扫描成像方式和衍射极限的限制，传统共焦显微系统通常难以兼顾分辨能力、工作距离和视场。增大物镜的数值孔径可以改善共焦显微系统的分辨力，但数值孔径的增大反过来又制约了共焦显微系统工作距离的增大及视场范围的扩展。且大数值孔径物镜的尺寸通常在厘米量级，不利于系统的小型化。减小光源波长也可以提高分辨能力，但会受到系统所用光学元件的玻璃属性以及样品属性等参数的限制。事实上，如何兼顾分辨能力、工作距离和视场大小已是共焦显微成像探测领域研究的前沿性热点问题。

过去的二十多年里，在改善共焦显微系统分辨能力的研究方面已取得很大进展，大致如下：利用光瞳滤波技术改变物镜的光瞳函数的超分辨共焦显微技术、用在样品两侧相对放置两个共焦点的物镜来增大共焦显微系统的总数值孔径的4Pi共焦显微技术、与干涉技术相结合的干涉共焦显微技术、与非线性光学相结合的荧光共焦显微技术、引入偏振光照明的偏振共焦显微技术、使用新型探测处理方式的差动/三差动共焦显微技术等。尽管上述方法均改善了共焦显微系统的分辨能力，解决了众多共焦超分辨显微成像的需求，但仍存在诸多不足，更重要的是上述技术对共焦显微系统的工作距离和视场没有改善作用。

总体上说，现有共焦传感器测量原理通常分为两类：一类是利用共焦强度响应的斜边直接对被测样品进行测量，另一类是利用共焦强度响应的最大值对样品进行焦点跟踪来实现测量。但现有共焦传感器存在以下不足：当利用共焦强度响应斜边进行测量时，无法实现绝对位移测量，且测量精度受限于共焦强度响应曲线斜边测量区间的非线性、光源强度波动、被测表面散射和反射特性等因素；当利用焦点跟踪测量时，由于共焦传感器焦点对应共焦强度响应灵敏度最差的顶点，因而制约了此类共焦传感器焦点跟踪精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种激光三差动共焦theta成像检测方法，实现对三维微细结构、微台阶、集成电路线宽、物体表面形貌等的高分辨力光学检测。

本发明采用共焦theta显微术的光路布置对被测样品进行扫描测量，将物镜的光瞳面分割为照明光瞳和收集光瞳，入射光束透过照明光瞳后被物镜会聚到被测表面，载有被测样品信息的反射光经过收集光瞳后，被会聚物镜会聚到探测面上，本发明是在探测面上设置三个微小区域，测得这三个区域的响应分别为I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)，其中，三个微小区域的位置为沿x_d轴方向排列，一个位于y_d轴上，其余关于y_d轴对称，z为被测样品沿物镜光轴方向的位移，C为微小探测区域中心相对y_d轴的偏移量；

依据响应，将I₁(z，-C)、I₀(z，0)和I₂(z，C)两两相减，

I_T-1(z，C)＝I₀(z，0)-I₂(z，C)

I_T-2(z，C)＝I₀(z，0)-I₁(z，-C)

I_T-3(z，C)＝I₁(z，-C)-I₂(z，C)

得出传感技术特性方程I_TCTM(z，C)：