同步移相干涉共焦顯微成像技術(shù)研究.pdf

1、隨著微電子、微系統(tǒng)、微光學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)微米、亞微米尺度微結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維精密測(cè)量的技術(shù)需求日益迫切。在現(xiàn)有各項(xiàng)微結(jié)構(gòu)三維測(cè)量技術(shù)中共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)以其獨(dú)特的光學(xué)層析能力與高橫向分辨力特性，引起了廣泛的關(guān)注。然而共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量仍存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：1）傳統(tǒng)共焦顯微測(cè)量技術(shù)中存在高軸向分辨力與長(zhǎng)工作距離之間的矛盾；2）現(xiàn)有共焦線性區(qū)掃描與差動(dòng)共焦線性區(qū)掃描測(cè)量方法無(wú)法克服由樣品反射率變化引入的影響，限制了其對(duì)

2、混合材質(zhì)元件及表面反射率變化劇烈元件的測(cè)量應(yīng)用；3）共焦顯微成像理論體系中缺乏對(duì)實(shí)際應(yīng)用廣泛的無(wú)限距共焦成像系統(tǒng)的詳細(xì)分析。上述三個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為制約共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)在微結(jié)構(gòu)三維精密測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。
　　本課題“同步移相干涉共焦顯微成像技術(shù)研究”針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了理論建模、特性分析和實(shí)驗(yàn)研究，力圖為微結(jié)構(gòu)三維形貌測(cè)量提供一種兼顧高分辨力、長(zhǎng)工作距離和寬適用性的共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)，同時(shí)為無(wú)限距共焦顯微成像系統(tǒng)建立原理

3、模型。本文的研究成果進(jìn)一步完善了共焦顯微成像理論體系，為無(wú)限距共焦及無(wú)限距干涉共焦系統(tǒng)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，為共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)實(shí)用化提供了技術(shù)儲(chǔ)備，在微電子、微系統(tǒng)、微光學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文完成的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作如下：
　　1.提出了一種同步移相干涉共焦顯微測(cè)量方法。首先利用差動(dòng)共焦的雙極性特點(diǎn)判斷干涉相位主周期位置，然后在該主周期內(nèi)利用相位求解離焦量，通過(guò)同步移相干涉與差動(dòng)共焦的結(jié)合突破了測(cè)量物鏡數(shù)值孔徑

4、 NA對(duì)軸向分辨力的限制，在提高軸向分辨力的同時(shí)有效增大了工作距離，同時(shí)克服了樣品表面反射率變化對(duì)測(cè)量的影響。
　　2.建立了無(wú)限距共焦顯微成像系統(tǒng)理論模型。該模型基于標(biāo)量衍射理論與傅立葉光學(xué)理論描述了共焦顯微與干涉共焦成像過(guò)程，指出干涉共焦相移比普通共焦強(qiáng)度響應(yīng)對(duì)點(diǎn)探測(cè)器偏移敏感，單模光纖點(diǎn)探測(cè)器橫移會(huì)導(dǎo)致軸向響應(yīng)曲線峰值點(diǎn)位置平移但并不改變曲線形貌，干涉共焦理論橫向分辨力是普通明場(chǎng)顯微成像的1.12倍。
　　最后，對(duì)本課

5、題研究的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)提出的同步移相干涉共焦顯微測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
　　1.在測(cè)量物鏡NA不同情況下，同步移相干涉共焦有效軸向分辨力均可達(dá)到1nm；
　　2.且在測(cè)量物鏡NA=0.25、收集物鏡NA=0.1、光源λ=632.8nm的同等條件下，同時(shí)工作距離可達(dá)10mm；
　　3.同步移相干涉共焦顯微測(cè)量方法在被測(cè)表面反射率相對(duì)差異達(dá)到80％時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量。
　　其次對(duì)建立的

6、無(wú)限距共焦顯微成像理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
　　1.隨測(cè)量物鏡NA降低、收集物鏡焦距 f減小，共焦軸向響應(yīng)曲線展寬、系統(tǒng)分辨力降低；
　　2.隨光源尺度的增加，共焦軸向響應(yīng)曲線展寬、分辨力下降，但仍具有層析能力；
　　3.共軛距由20cm增加至100cm時(shí)軸向響應(yīng)半高寬變化小于7%，共軛距離d0對(duì)共焦軸向響應(yīng)基本無(wú)影響；
　　4.單模光纖點(diǎn)探測(cè)器橫移5μm時(shí)共焦軸向響應(yīng)峰值強(qiáng)度下降50%，峰值位置平