激光扫描横向差动共焦显微系统：高速高精度解决微细结构测量难题
激光扫描横向差动共焦显微系统：高速高精度解决微细结构测量难题
北京理工大学赵维谦教授团队基于激光横向差动共焦技术，研制了一种新型激光扫描横向差动共焦显微系统（LSLDCM），实现了高速高精度的微细结构测量。该系统在半导体晶圆表面形貌测量中展现出优异性能，测量效率相比传统共聚焦显微镜提高了约3倍。
封面展示了激光扫描横向差动共焦显微系统实现半导体晶圆表面形貌高精度测量的过程。利用测量物镜出射的照明激光对半导体晶圆表面进行扫描，再借助激光横向差动共焦轴向响应曲线过零点附近的高灵敏度线性区域，实现被测样品表面微结构形貌的高速高精度测量。
各类微结构器件因其独特的物理化学特性，被广泛应用于工程材料、生物医学、光学成像和半导体制造等领域。借助该器件的表面三维形貌特征，可以提取器件表面多种重要的性能参数及信息，从而对其质量及性能进行综合性评定和针对性研究。
研究背景
共焦显微技术凭借其独特的层析特性和较高的横向分辨力，在材料工程、超精密加工、生物医学和半导体制造等领域中得到了广泛应用。随着加工制造水平的持续提高，微细加工向着尺度日益增大、结构日益精细与结构形状日益复杂的高性能制造方向发展。现有共焦显微测量方法受限于衍射极限，空间分辨力低，难以满足高空间分辨的测量需求。虽然差动共焦技术具有高轴向测量分辨力，但是当该技术采用光束横向扫描方式时测量范围极小，仍需依靠平移台进行横向扫描，故该方法测量效率的提高受到了限制。因此，共焦显微测量技术面临的如何兼顾高测量精度和高测量效率的关键问题亟需解决。
激光扫描横向差动共焦显微系统研究
本团队提出的激光扫描横向差动共焦显微测量新方案的原理如图1所示。通过在共焦探测光路插入D型光阑，使被测样品表面高度发生变化引起探测光斑横向移动，再在探测焦平面进行分割焦斑探测，获得高灵敏横向差动共焦响应信号，进而实现高分辨测量。同时，利用轴向响应信号过零点附近的高线性特点，实现轴向无扫描高速测量，配合二维振镜进行高速光束横向扫描，最终可实现高速高分辨三维显微成像。
图1 激光扫描横向差动共焦显微系统（LSLDCM）原理图。（a）共焦位置；（b）前焦位置；（c）后焦位置
振镜光束横向扫描是实现该方案高速测量的关键，针对二维振镜偏扫描引起的被测样品表面相邻扫描点间隔不均匀和扫描轨迹产生畸变的情况：采用反正切规律变化的驱动信号进行驱动控制，以消除照明光斑扫描轨迹的非线性畸变；为防止控制信号在极值点处突变，导致图像边缘过冲，采用正弦波进行拼接过渡，实现速度缓慢转变，保证扫描测量精度，提高系统稳定性。最终采用的驱动控制信号如图2所示。
图2 控制信号波形
基于系统设计方案以及所选关键部件，对测量系统各个模块进行模块化设计和布局，自主搭建完成了LSLDCM。利用自研的LSLDCM测试了该方案的轴向测量分辨力，如图3所示。可以看出：LSLDCM可实现轴向分辨力约为 1 nm 的高分辨测量。
图3 轴向分辨力测试结果。（a）归一化光强响应；（b）被测样品高度
采用半导体晶圆样品作为被测样品，当LSLDCM横向扫描点数为512 × 512点、波形发生板卡数组输出速率为250 kHz与横向扫描间距为250 nm时， 52 s即可完成如图4所示的半导体晶圆表面微结构三维形貌测量，测量效率相比奥林巴斯共聚焦显微镜提高约3倍。
图4 半导体晶圆样品测量结果。（a） 9.569 μm（LSLDCM）；（b） 10.031 μm（LSLDCM）；（c） 9.618 μm（OLS4000）；（d） 10.044 μm（OLS4000）
后续工作展望
我国的精密光学测量技术及装置近年来发展迅速且成果显著，今后本课题将继续在相关研究领域开展最先进的前沿研究工作，为我国的超精密测量领域提供更多新型有效的技术及仪器。
团队简介
北京理工大学“激光差动共焦精密测量技术团队”（团队负责人：长江学者 赵维谦教授）依托“复杂环境智能感测技术”工信部重点实验室和“精密光电测试仪器及技术”北京市重点实验室，长期从事精密光电测试技术与仪器研究，以国家重大需求为导向，发明并研制成功了激光差动共焦光谱显微镜、激光差动共焦干涉元件多参数测量仪、大口径差动共焦干涉仪和高精度自由曲面测量仪等系列激光差动共焦新原理仪器，在国家重大专项工程推进、国家计量标准装置研建等中发挥关键作用。近年来，团队牵头获得2018年度及2023年度国家技术发明二等奖、2019年度部级技术发明一等奖、2017年度及2021年度中国计量测试学会科学技术进步奖（基础类）一等奖以及2024年度中国仪器仪表学会技术发明一等奖等奖项。