共焦扫描检测材料面形的方法技术

一种共焦扫描检测材料面形的方法，采用共焦扫描系统首先测量被测样品在纵向Ｚ方向上的响应曲线ｑ，对响应曲线ｑ进行归一化处理，求得响应曲线ｑ线性段ａｂ的斜率Ｓ；然后在响应曲线ｑ线性段ａｂ内测量被测样品表面任意点的光强Ｉ′，并将其按该点纵向上扫描得到的最大光强Ｉ↓［ｍａｘ］进行归一化为Ｉ。再测得被测样品表面起伏的纵向深度Δｈ，重构出被测样品的表面形貌。本发明专利技术的方法可获得纳米级的纵向分辨率。适用于各种固态材料形貌的检测。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种，适用于各种固态材料表面形貌的检测。已有技术由于近几年X光成像光学、超高密度光盘存储技术、京大规模集成电路及超精密度工程学的迅猛发展，人们对面形检测提出了横向分辨至亚微米、纵向分辨至纳米甚至更高的检测要求。下表对已有常见的表面形貌检测的类型、检测原理以及使用典型仪器的横向及纵向分辨率进行了比较。表1中的测量参数用于重构被测样品的表面形貌。表1已有技术中常见的几种检测材料面形的方法< <p>上述已有技术是Talstep Step Height Measuring Instrument，TalydataComputer，and Nanosurftype Profiler manufactured by Rank Taylor Hobson Limited.P.O.Box36，Leicester LE47JQ，England已有技术是徐德衍等“光学表面粗糙度研究的进展与方向”，光学仪器18，32(1996)已有技术是J.Schwider，etc.“Dispersive interferometric profilometer”Opt.Lett.1994已有技术是MP2000 Noncontact Surface Profiler Manufactured by ChapmanInstru-ments Inc.，50 Saginaaw Drive，Rochester N.Y.14623，USA已有技术是Instruction Manual for TOPO-3D Three DimnensionalNoncontact Surface Profiler，WYKO Corporation，2990 East Fort Lowell Road，Tucson，Arizona 85719，USA，1986.已有技术是Heterodyne Profiler，Model 5500，and Laser InterferometricMicroscope，Maxim 3D，manufactured by Zygo Corporation，Laurel Brook Road，P.O.Box 448，Middle-field，Conn.06455，USA.已有技术是R.Juskaitia，etc.“Compact confocal interference microscopy”，Opt.Comm.109(1994)167-177已有技术是Scanning Probe Microscopes，Digital Instruments，Inc.，520 EastMontecito Street，Santa Barbara，California 93103，USA.已有技术是J.M.Bennett.etc.“Scanning force microscope as a tool forstudying g optical surfaces”，Appl.Opt.34，213(1995)已有技术是E.Betzig，etc.“Near-field opticsMicroscopy，spectroscopy，andsurface modification beyond the diffraction limit”Science 257，189(1992)应该注意到，评价检测方法的好坏必须综合考虑分辨率、测量速度和精度、所使用的仪器成本和可靠性、在线检测的可能性等多种因素。例如，已有技术-的光学干涉面形检测方法受限于光学衍射及物镜工作距离，难于分辨微米以下的横向信息；已有技术扫描隧道显微术STM(Scanning Tunneling Microscopy)，已有技术原子力显微术AFM(Atomic Force Microscopy)及已有技术扫描近场光学显微术SNOM(Scanning Near Field Optical Microscopy)等能够满足亚微米横向分辨及纳米纵向分辨，甚至更高的检测要求，但存在所使用的仪器成本高、对环境及被测样品要求苛刻等问题；共焦扫描系统的横向分辨率在相同成像条件下是常规光学显微系统的1.2-1.5倍，且共焦扫描系统有透射层析能力，可以有效抑制材料表面的散射噪声，对被测样品无严格要求。将共焦扫描显微方法用于面形检测是近年的检测技术的发展方向之一。R.Juskaitis等人在文献Opt.Comm.109(1994)167-177中将干涉的方法用于材料面形检测得到了共焦扫描系统纵向纳米的分辨量。该方法的不足在于，所使用的系统结构复杂、数据处理慢。Chau-Hwang等人提出了利用响应曲线斜边一段光强随位置变化敏感且呈线性变化的区域获得纳米的纵向分辨量(Opt.Comm.135(1997)233-247)，即称为差分共焦扫描显微方法。但该方法仅适用于检测表面反射率一致的材料。总之，目前人们仍在探索实现高分辨率的材料面形检测的新途径、新方法，趋势是朝着高空间分辨率、现场化、实时化及小型化的方向发展。本专利技术的目的是为了克服上述已有技术中的不足，提供一种利用共焦扫描系统对材料面形进行检测的方法。本专利技术使用结构简单的共焦扫描系统便可以获得横向亚微米、纵向纳米级的分辨，检测速度将比上述已有技术中的共焦扫描干涉方法快。本专利技术的方法是采用共焦扫描系统1对被测样品2进行扫描测量。对测得的被测样品2在纵向Z方向上的响应曲线q以及在响应曲线q线性段ab内测得的被测样品2表面上的光强I′进行归一化处理后，重构出被测样品2的表面形貌。其具体步骤是1、采用共焦扫描系统1对被测样品2进行纵向Z方向的扫描，测得响应曲线q，对响应曲线q归一化处理，求得响应曲线q的线性段ab的斜率S。如图1所示，扫描光束G经共焦扫描系统1聚焦到被测样品2表面，被测样品2在纵向Z方向上移动，可以得到共焦扫描系统1扫出的纵向响应曲线q。对响应曲线q进行归一化处理，并获得响应曲线q线性段ab的斜率S。如图1、图2所示的曲线q。2、测量被测样品2表面上各点的响应曲线q线性段ab内的光强I1′，I2′，I3′...In′...，并相应地按各点纵向Z方向上扫描得到的最大光强I1max，I2max，I3max，...Inmax，...归一化，求得归一化光强I1，I2，I3，...In...。如图1所示，将被测样品2离开焦点O至焦点O外侧的O1处，并保证表面起伏在纵向响应曲线q的线性区ab内。测得被测样品2表面上任意一点n的光强In′。被测样品2向焦点O方向即纵向Z方向扫描，获得最大光强In_max将In′按In_max归一化为In。被测样品2纵向回到O1。对被测样品2在X或XY方向上的各点的测量重复上述步骤2，得到被测样品2表面任意点的归一化光强I1，I2，I3，...In...。n为被测样品2表面任意一点，n≥1。3、测量被测样品2表面起伏的纵向深度Δh将由上述步骤2测得的被测样品2表面上任意两点n，k的光强的差值ΔI(即ΔI＝In-Ik，其中n，K≥1，且k≠n，如图1所示的n、k两点)除以上述纵向响应曲线q线性区ab的斜率S，得到被测样品的表面高度差Δh，即Δh＝ΔI/S，Δh称为纵向深度。Δh反映了被测样品2表面的起本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共焦扫描检测材料面形的方法，采用共焦扫描系统（１）对被测样品（２）进行扫描测量，其特征在于对测得的被测样品（２）在纵向Ｚ方向上的响应曲线ｑ和在响应曲线ｑ线性段ａｂ内测得的被测样品（２）表面上的光强Ｉ′进行归一化处理后，重构出被测样品（２）的表面形貌，其具体步骤是：〈１〉采用共焦扫描系统（１）对被测样品（２）进行纵向Ｚ方向的扫描，测得响应曲线ｑ，对响应曲线ｑ归一化处理，求得响应曲线ｑ的线性段ａｂ的斜率Ｓ；〈２〉测量被测样品（２）表面上各点在响应曲线ｑ线性段ａｂ内的光 强Ｉ↓［１］′，Ｉ↓［２］′，Ｉ↓［３］′…Ｉ↓［ｎ］′…，并相应地按各点纵向Ｚ方向上扫描得到的最大光强Ｉ↓［１ｍａｘ］，Ｉ↓［２ｍａｘ］，Ｉ↓［３ｍａｘ］，…Ｉ↓［ｎｍａｘ］…归一化，求得归一化光强Ｉ↓［１］，Ｉ↓［２］，Ｉ↓［３］…Ｉ↓［ｎ］…，其中ｎ≥１；〈３〉测量被测样品（２）表面起伏的纵向深度Δｈ，被测样品（２）表面起伏的纵向深度Δｈ＝ΔＩ／Ｓ，其中ΔＩ为任意两点归一化光强之差，即ΔＩ＝Ｉ↓［ｎ］－Ｉ↓［ｋ］，此处ｎ，ｋ≥１，且ｎ≠ｋ，Ｓ为上述求得的响应曲线ｑ线 性段ａｂ的斜率Ｓ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨莉松，王桂英，徐至展，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]