基于数字微镜器件的三维轮廓测量及其性能分析

　　1　引　　言

　　近年来,随着微器件和微机电系统(micor electronicmechanical systems,MEMS)领域的研究的长足发展,微纳米级的器件和系统已从实验室转入大规模工业生产。于是,对这些微纳米产品(如生物芯片、MEMS、集成电路、光栅等)的表面形貌进行在线检测就成为了一个亟待解决的问题。

　　一般而言,一套微纳米结构检测系统需要包含以下3项技术:

　　1)微纳米传感技术;

　　2)三维扫描控制技术;

　　3)信息处理及图像分析技术。

　　这样的一套系统要想进一步应用于工业生产,即大规模产品的在线检测,还需要满足以下6个要求:

　　1)具有较大的测量范围(检测对象可从毫米级到微纳米级);

　　2)能实时反映出样品表面的三维结构;

　　3)具有高对比度,能良好地反映出如小孔、凹槽等微细结构的形貌特征;

　　4)同时具备较快的测量速度和较高的测量精度;

　　5)非接触测量,不会对样品表面造成损伤;

　　6)测量装置的结构尽可能地做到小巧、便携。

　　自1957年,共焦测量方法[1]问世,到20世纪80年代,这一技术得到了重大发展和改进,尤其随着激光技术及计算机图像处理技术的迅猛发展,使得共焦显微镜日趋完善并实现了商品化生产。

　　共焦测量得到的图像对比度强,具有很好的横向分辨率(约为普通光学显微镜的1. 4倍[2])和极高的纵向分辨率。特别是近年来,定位台的精度已能达到纳米级,这意味着共焦显测量的纵向分辨率也可能达到纳米级的水平,从而使得共焦测量所获得的光学切片可以更加真实地还原被测样品的表面三维形貌。目前,共焦测量已成为常用的微观三维形貌检测方法。

　　然而,传统共焦测量的缺陷也同样非常明显。传统的扫描共焦测量系统的扫描速度过慢,且需要复杂的机械控制来操控扫描头和样品运动;采用Nipkow盘[3-4]可以使得单点共焦扫描系统实现并行扫描,但Nipkow盘自身的转动所引起的振动会引起一定的测量误差;采用针孔阵列[5-6]或微透镜阵列[7-8]可以在完全没有机械运动机构的情况下实现并行检测,但它们属于“刚性”器件,一旦制造成型,其物理特性(针孔大小,周期等)就无法改变,微透镜阵列还存在着制造工艺复杂[9-10]的缺陷,商品化程度也不高,因而大大制约了其实用性;此外,还有基于光纤束的并行共焦检测方法[11-12],但与针孔阵列、微透镜阵列一样,其依旧无法　满足“柔性”共焦检测的要求。

　　针对之前提出的技术要求,如何在保留传统共焦测量高分辨率的基础上,提高其测量效率是当前共焦显微镜的研究方向之一。本文提出了一种DMD的三维共焦检测方法。下面将首先介绍DMD及其特性。