利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法技术方案

利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法涉及精密加工与精确测量领域，该方法包括设计了共聚焦激光扫描显微系统，在探测器前设置可调针孔光阑；设计了扫描范围100微米控制精度可达10纳米的激光扫描器和物距与倾角都可调的载物台，选定405纳米波长激光器；设定光阑针孔为

【技术实现步骤摘要】
利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法
本专利技术涉及微纳米级光介质器件与结构的精密加工与精确测量领域，具体涉及利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法。
技术介绍
现代微纳米级加工几乎已经覆盖各个领域，目前增长迅速的是生物医疗和微型光子与光电子工业。在微型光子与光电子领域中，介质材料的微纳米级结构是其中的全部技术，其中包括目前最成熟的平面光波线路(Planarlightwavecircuit,PLC)技术，尤其在过去十几年里，硅基波导光子学器件研究与广泛应用已经形成了一个新领域硅基集成光子学。近年来，随着硅基光子学集成器件与系统的开发与推广正在推动着当前的微纳米级的光电子产业迅猛发展，从而微纳米级半导体加工与器件加工质量有效测量是不可缺少的一部分，而对于加工的结构粗糙度(Roughness)的精确测量是保证和检验加工质量，以及能够进一步改进加工水平的重要环节。对于一个加工出需要对被加工表面的粗糙度进行定量评定的第一个国际标准产生于1996年，之后与1997年有进行修改与完善。对波导侧壁或其他具有特征尺寸的结构的粗糙度测量，按测量原理可分为光学方法和探针法两种。光学方法主要包括散射光谱法和前面提到的SEM法，前者经过实践证明精度较差。对侧壁表面粗糙度的测量事实上是三维测量过程，所以无法测得精确值。SEM是通过电子束成像过程有效测定和显示微纳米级三维结构的形貌，有透射和反射两种工作方式，可以显示被测结构表面粗糙度的有效方法，然而，SEM技术首先是损坏型测试方法，它要求将被测结构的芯片切割成可容纳在测量腔体内的小片，并要打磨其端面，原子力显微镜属于有损检测，而且测量过程比较复杂和耗时。另外，SEM技术测量光波导及台阶型为纳米级的结构时，恰在上表面与侧壁交角处容易产生光学衍射效应，造成图像模糊，由此获得的粗糙度的精度都很受限制。到目前为止，探针方法中到目前为止只有AFM方法，而AFM方法不适合测试波导侧壁或沟槽比较狭小的表面粗糙度，而且迄今为止尚未有任何对介质材料微纳米级结构侧壁和不规则形状表面粗糙度测试方法或技术提出。我们知道，基于微纳米级光波导光学功能器件而言，每个工作单元的性能及其在大规模基片上的均匀性对于开发平面光波线路和光子集成线路器件产业非常重要，为此一个可以无损实时精确检测微纳米级光波导上表面和侧壁表面粗糙度的精确测量方法非常必要。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，解决了现有技术中检测粗糙度需要对介质结构进行破坏和不规则空间和形貌检测困难的问题。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；步骤二：在被测物体的上表面分别沿水平和垂直半径上设定数量相同的测试点，在所述测试点内确定测试范围的第一平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；步骤三：在所述平面内选定一形貌曲线，对其中的一段放大，进而对这段一条形貌曲线由共聚焦激光扫描显微系统给出形貌曲线的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并给出了测量误差；进而获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对多个波导多个采样长度的重复上述表面粗糙度测量获得同一波导多个采样长度峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并进一步获得峰值粗糙度和总粗糙度的最后平均值；步骤四：在所述被测物体上的所有测试点重复步骤三，最终得到了被测物体上表面的粗糙度。本专利技术的有益效果是：本专利技术可用于大规模微纳型结构在生产中的无损在线快速检测，以实现加工中工艺优化和检测中数据处理之间的互动，从而为微纳级波导及其他三维结构的大规模晶圆产品在加工及生产过程起到缩短时间、节省成本和提高生产率的效果。总体而言，可以有以下几个方面的有益效果。第一，在微纳米介质表面粗糙度测量中，本专利技术结合共聚焦激光扫描系统在进行扫描、成像、存储和重构图形的四个步骤中，每一次扫描点的测量都建立在聚焦激光束可对介质材料内部任何位置进行穿透与成像的特点，按国际粗糙度的通用标准，制定了以测试图剖析线中峰-谷高度作为粗糙度参考计算每一个峰-谷区域的积分平均值作为一个粗糙度单元，进而计算这一剖析线范围内所有峰-谷区域的粗糙度单元的均方根值作为该剖析线的粗糙度值。最后在二维范围内的另一维选择多个剖析线得粗糙度值并计算他们的平均值作为该测试点的粗糙度值。因此，本专利技术的介质波导表面粗糙度测量方法更适合高精度测量，为现在高速发展的光子芯片的研究与开发具有推动作用。第二，在微纳米介质表面粗糙度测量中，利用本专利技术中所用的共聚焦激光扫描系统对具有对波导的上表面结构进行扫描、存储然后计算机所带的配套图像分析处理软件重建恢复获得的波导形貌放大图形。这样，被测表面的粗糙度结果随时与其他测试结果进行对比和分析，从而可及时确定产品的粗糙度是否达到了产品设计要求。第三，本专利技术的激光波长是可选择的，于是根据被测结构的材料特点选择激光波长，以达到有效透反的作用。比如，它还可用于金属、陶瓷、塑料等材料的加工表面粗糙度进行精确检测，所以可推动其应用与产业化。附图说明图1本专利技术利用共聚焦激光扫描显微系统结构示意图。图2本专利技术中对被测晶圆按水平和垂直两个半径方向上个选择9个测试点的位置分布示意图；图3本专利技术中整个扫描测试范围的重构图中进一步在横向划分为数据分析单元示意图；图4本专利技术中一个采样长度放大十倍后的重构图；图5本专利技术中基于形貌测试曲线的峰值粗糙度定义和峰值-深谷总高度定义；图6本专利技术中从一个采样长度放大十倍后的系统给出的峰值PSp、深谷PSv和总高度PSt三个表面粗糙度的值；图7本专利技术中在重构图中一个波导上表面选择一个切割截面测得的上表面粗糙度；图8本专利技术中在重构图中包括10个同样波导尺寸的通道，然后在每个波导通道的上表面粗糙度，最后求其平均值；表1本专利技术中图7波导侧壁粗糙度的峰值、深谷、总高度的值和平均值；表2本专利技术中图8波导侧壁粗糙度的峰值、深谷、总高度的值和平均值；图中：1、短波长激光器，2、激光束扩束透镜，,3、二向色镜，4、大口径物镜，5、聚焦光斑，6、针孔光阑，7、过滤器，8、光电倍增管，9、二向色镜控制器，10、载物台，11、显示器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。为清楚说明本专利技术的测定介质材料微纳米级光波导及台阶型结构的侧壁角的方法，下面结合附图详细阐述本专利技术两个比较实施为例。实施图例中利用本专利技术中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，其特征在于，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；步骤二：在被测物体的上表面分别沿水平和垂直半径上设定数量相同的测试点，在所述测试点内确定测试范围的平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；步骤三：在所述平面内选定一形貌曲线，对其中的一段放大，计算得到这一条形貌曲线由共聚焦激光扫描显微系统给出的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并给出了测量误差；进而获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对一个波导多个采样长度的重复上述表面粗糙度测量获得多个波导多个采样长度峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并进一步获得峰值粗糙度和总粗糙度的最后平均值；步骤四：在所述被测物体上的所有测试点重复步骤三，最终得到了被测物体上表面的粗糙度。...

【技术特征摘要】
2018.12.19 CN 20181155424911.利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，其特征在于，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；步骤二：在被测物体的上表面分别沿水平和垂直半径上设定数量相同的测试点，在所述测试点内确定测试范围的平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；步骤三：在所述平面内选定一形貌曲线，对其中的一段放大，计算得到这一条形貌曲线由共聚焦激光扫描显微系统给出的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并给出了测量误差；进而获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对一个波导多个采样长度的重复上述表面粗糙度测量获得多个波导多个采样长度峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并进一步获得峰值粗糙度和总粗糙度的最后平均值；步骤四：在所述被测物体上的所有测试点重复步骤三，最终得到了被测物体上表面的粗糙度。2.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，其特征在于，步骤二所述的过程如下：在所述平面内，波导通道横截面方向为横向，光信号传输方向为纵向，在橫方向选择m个波导通道，然后沿着波导通道的传输方向等分n段，m和n∈[5,15]；选定第m个通道中的一个形成n段形貌曲线，对其中一段作为采样长度并放大10倍，对每一条形貌曲线计算粗糙度，由共聚焦激光扫描系统按均方...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙德贵，尚鸿鹏，形文超，孙喆禹，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22