表面微观轮廓的高分辨率光学测量方法

　　1　引　　言

　　由于表面微观轮廓是保证和提高机械、电子及光学系统性能和质量的关键因素,在最近二十年内,随着微电子技术、计算机技术、光学技术、传感技术、信号分析和处理技术等飞速发展,在表面测量领域出现了许多新技术和新方法,测量精度也不断提高,已从微米尺度进入到纳米甚至亚纳米尺度[1]。

　　按传统的分类方式,表面测量可大致分为接触式测量和非接触式测量。机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器,虽然机械触针式测量方法具有较高的分辨率和可信度,且技术已发展得相当完善,但它存在有一定的触测力,测量时间长,需要进行测头半径补偿以及测头容易划伤被测表面或被硬质表面划伤等局限性。非接触式表面微观轮廓测量的方法有多种,如电容法、光学法、扫描电子显微镜法和扫描探针显微镜法等。由于这些方法在溯源到米定义的时候,仍需要利用激光干涉仪等光学方法进行标定和校正,因而光学测量方法的研究在世界上倍受重视[2]。光学测量法中,尤以光触针法和干涉测量法最为常见和发展最快,其他常见的光学方法有:投影法、光散射法和扫描近场光学显微镜法等。

　　为了对表面微观轮廓的光学测量技术现状有一个较全面的了解,表1给出了几种常见光学测量方法的特征和技术参数[3-11]。

　　2　光触针式测量方法

　　光触针式微观轮廓测量方法在原理上类似于机械触针式测量方法,只不过触针是聚光光束,然后利用不同的光学原理来检测被测表面轮廓相对于聚焦光学系统的微小间距变化。其垂直分辨率可以达到纳米级,水平分辨率受照亮点的尺寸限制,即受衍射极限的限制。按照几何光学划分,光触针式可分为扫描共焦显微镜检测法和离焦误差检测两种。

　　2.1　扫描共焦显微镜检测法

　　扫描共焦显微镜的基本思想是实现光源、被照物点和探测器三点处于彼此对应的共轭位置,其工作原理如图1所示。光源经过物镜在样品表面聚焦成衍射极限的光点,其反射光沿原路返回,再通过分光镜将来自样品的光信号导入作空间滤波器的共焦针孔内,通过扫描聚焦点在样品上的位置对样品进行三维成像。由于其关键技术共焦针孔的引入,探测器只接收来自物镜焦点处的光信号,而焦点以外的光将全被针孔屏蔽,因而共焦显微镜比常规显微镜的分辨能力要高得多,这样就可以利用光电探测器件探测光强信号强弱的变化来获得表面微观轮廓信息。

　　共焦显微镜的思想由M.Minsky在1957年首次提出,随后许多学者(如T.wilson、C.J.R.Sheppard和K.Carlsson等)对共焦系统作了进一步研究[12-13]。目前,扫描共焦显微镜已被广泛应用于半导体、微电子器件、信息存储、工程表面测量、医学检测、化学分析以及生命科学研究等领域。特别是在工程表面微观轮廓测量中,D.K.Hamilton、K.Carsson、H.J. Tiziani以及H-J.Jordan等分别采用不同的光路及处理方法,使扫描共焦显微镜在垂直和水平分辨率不断提高。