CN110794560B - 用于扫描显微成像***的动态准直方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于扫描显微成像***的动态准直方法，所述扫描显微成像***包括光学***、载物台以及设置于光学***和载物台之间的载物吸盘，该方法包括：提供平面镜，将其放置于载物吸盘上；调整平面镜和光学***之间的距离，形成达到单缝衍射要求的狭缝；提供激光器，使激光掠入射在垂直于光学***的光轴的方向上通过狭缝；沿水平方向移动载物台，通过图样获取装置检测衍射图样的变化；调整载物吸盘沿竖直方向的位置，使衍射图样在载物台运动后保持不变。该动态准直方法不受光学***影响，可在线调整，精度高、更容易操作、重复性好。由于不更改扫描显微成像***的原有结构，激光器和图样获取装置等检测装置可放在***外部，避免污染。

Description

用于扫描显微成像***的动态准直方法
技术领域
本发明总的涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于显微扫描成像设备中的物镜和机械面的准直方法。
背景技术
在扫描显微成像设备中，良好的准直能够确保光学***优良的成像质量。如图1所示，扫描显微成像***中的准直意味着要做到光学***即物镜1的光轴Z、载物台2的法线Z’以及载物吸盘3的法线Z”三者互相平行，这样就能保证被检测的样品4在扫描过程中始终处于物镜1的焦平面上而清晰成像。
传统的准直方法通常包括水平气泡法和平面镜反射法。在准直过程中需要小心调试准直仪器，例如水平气泡仪或平面镜，获得的准直精度不十分令人满意，并且重复性低。
发明内容
为了进一步改进传统的准直方法，本发明的目的在于提供一种更易于操作且精度较高的准直方法。在对常规扫描显微成像***的研究中发现，光学***的物镜1的光轴Z和载物台2的法线Z’通常是固定不动的，准直可以仅针对载物吸盘3的法线Z”，以使其与物镜1的光轴Z、载物台2的法线Z’保持平行。既可以以载物台为基准，也可以以物镜端面为基准，这里的准直是相对于上述两个面说的。在此基础上，本发明提出一种动态的准直方法，利用单缝衍射原理来实现准直。
为此，根据本发明的用于扫描显微成像***的动态准直方法中，所述扫描显微成像***包括光学***、载物台以及设置于光学***和载物台之间的载物吸盘，所述光学***的光轴与所述载物台的法线方向相互平行，其特点在于，所述方法包括：
a、提供平面镜，将其放置于所述载物吸盘上；
b、调整所述平面镜和所述光学***之间的距离，形成达到单缝衍射要求的狭缝；
c、提供激光器，使激光掠入射在垂直于所述光学***的光轴的方向上通过所述狭缝；
d、沿与所述光学***的光轴垂直的方向移动所述载物台，通过图样获取装置检测衍射图样的变化；
e、调整所述载物吸盘相对于所述光学***的光轴的偏斜，使衍射图样在所述载物台沿与所述光学***的光轴垂直的方向移动后保持不变。
根据一种实施方式，所述步骤e包括：
调整所述载物吸盘沿与所述光学***的光轴垂直的第一方向的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿第一方向移动后保持不变；
调整所述载物吸盘沿与所述光学***的光轴垂直的第二方向的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿第二方向移动后保持不变，其中第二方向垂直于第一方向。
通过上述方法，当衍射图样在载物台运动后保持不变，即可确定载物吸盘的法线Z”与光学***的光轴Z平行，进而同时与载物台的法线Z’平行。
根据一种实施方式，所述图样获取装置包括相对于所述激光器设置在所述光学***另一侧的相机和显示器。
根据一种实施方式，所述步骤e包括，通过手动调整或电动调整所述载物吸盘上的一个或多个高度调节装置，调整所述载物吸盘相对于所述光学***的光轴的偏斜。
根据一种实施方式，所述步骤e包括：
通过手动调整或电动调整所述载物吸盘的沿第一方向设置的若干高度调节装置，调整所述载物吸盘沿第一方向的各点的高度；
通过手动调整或电动调整所述载物吸盘的沿第二方向设置的若干高度调节装置，调整所述载物吸盘沿第二方向的各点的高度。
根据一种实施方式，高度调节装置为高度调节螺钉。
根据一种实施方式，所述步骤e在手动调整所述载物吸盘上的高度调节螺钉的基础上，还包括电控调整所述载物台的高度。
上述方法在光学***的光轴Z和载物台的法线Z’已经调校平行的前提下，使用物理的方法实现动态准直，也即是利用光的衍射原理来动态监控狭缝间物理距离变化，进而检测载物吸盘的法线Z”的偏移量。平面镜的面积越大，骑面型误差就越平均，精度也就越高。有利地，所述平面镜的形状为圆形，并且其直径在150mm-300mm 之间。经过实际测试，所述动态准直方法的角灵敏度小于0.003°。
根据本发明的动态准直方法不受光学***影响，无需动用光学结构就能实现准直，因此可以在线调整。与传统的平面镜反射法、水平气泡法相比，具有精度高、直观、更容易操作、重复性好等优点。同时，由于该方法不更改扫描显微成像***的原有结构，激光器和图样获取装置等检测装置甚至可以放置在扫描显微成像***的外部，避免了污染和保证准直精度。
通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。
附图说明
本发明的操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解。附图中相同的参考标记标识相同或相似的元件，其中：
图1是扫描显微成像***的示意图；
图2A是采用根据本发明的动态准直方法进行检测的示意图；
图2B是采用根据本发明的动态准直方法进行检测时对载物吸盘的调节方式的示意图。
图3A是通过图样获取装置检测到的在光学***和平面镜之间狭缝的参考位置处的衍射图样；
图3B是通过图样获取装置检测到的将参考位置处的狭缝减小 200nm后变化的衍射图样；
图3C是通过图样获取装置检测到的将参考位置处的狭缝增加 200nm后变化的衍射图样。
图4为不同宽度的狭缝对应不同的衍射图样的光强分布示意图。
具体实施方式
根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
参见图2A所示，根据本发明的用于扫描显微成像***的动态准直方法并未对图1中现有扫描显微成像***的结构做出更改，仅需将样品4更换为平面镜6即可，用于检测的激光器7和例如相机8 的图样获取装置完全可以放置于扫描显微成像***的外部，从而不会对***造成污染，保证了测量精度。在图2A中为了简明去除了底部的载物台2，在实施检测时，可按如下步骤进行：
首先，在载物吸盘3上面放置平面镜6，然后手动或电控粗调平面镜6和物镜1的端面之间的距离，使得形成的狭缝达到单缝衍射的要求，但又不至于二者在相对运动时发生碰撞。
其次，在垂直于物镜1的光轴的方向上放置激光器7，使激光掠入射通过狭缝，在相对的物镜1的另一侧放置相机8，相机可以连接至显示器来放大获取的衍射图样，方便观看和分析比较。
接着，在x、y方向上水平移动载物台，如果载物吸盘3的法线 Z”不平行于物镜1的光轴Z和载物台的法线Z’，平面镜6和物镜 1的端面之间的狭缝距离就会改变，从而相机8获取的衍射图样也会随之改变。
根据单色光的夫琅禾费单缝衍射公式可知，衍射图样的光强分布为：
Figure BDA0001750428980000051
其中α是和缝宽和波长有关的参数，本应用中波长是不变的，只有缝宽是变量，因此可以通过监测光强的变化得知狭缝宽度的变化。
另外，光强分布是周期性的条纹结构，因此狭缝宽度的变化也会引起条纹的周期发生变化。狭缝宽度a和条纹角宽度的关系如下：
Figure BDA0001750428980000052
条纹的周期变化可以通过数字图像处理的方法计算出来，变化前后两幅图像的差值不为零就意味着狭缝宽度a发生了变化。参考图4 所示，为不同宽度的狭缝对应不同的衍射图样的光强分布示意图，其中纵轴表示归一化的光强，只是一个比值，没有量纲，横轴的单位是弧度。
然后，仔细调整载物吸盘3上对应不同位置的一个或多个高度调节装置5 ，通过载物吸盘的各个位置的高度的变化来调整载物吸盘相对于光学***的光轴的偏斜，以补偿衍射图样的变化。该调整可通过手动进行，必要时还可电控改变载物台的高度。在这样的调整后，使衍射图样/光强在载物台运动后保持不变，即保证了载物吸盘的法线Z”平行于物镜1的光轴Z，同时平行于载物台的法线Z’。
在一些优选的实施方式中，参考图2B所示，调整所述载物吸盘沿与光学***的光轴垂直的N-S方向上的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿N-S方向移动后保持不变，然后调整所述载物吸盘沿与所述光学***的光轴垂直的W-E方向上的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿W-E方向移动后保持不变。W-E方向垂直于 N-S方向。W-E方向和N-S方向限定的平面垂直于光学***的光轴Z 和载物台的法线Z’。在此所称的“高度”，其方向平行于光学***的光轴Z和载物台的法线Z的方向。
最后，在对载物吸盘3调整完毕后，将载物吸盘3重新降低至物镜1的焦平面处即可。
应当注意的是，光强变化的单调性可以反映出载物台的轨道的平稳性。然而，由于物镜的端面有一定大小，即使在掠入射的情况下，光强在物镜和平面镜相互碰撞之前就会下降到零。因此，在准直过程中，相机等图样获取装置可用于严密监测光强变化，同时，缓慢移动载物台也可以防止平面镜碰撞到物镜。
通过本发明的动态准直方法，可相对简单容易地获得相比于现有准直方法更高的精度。通过实际测试，该方法的角灵敏度不大于 0.003°。如图3A至图3C所示的，当在物镜与平面镜之间的狭缝的参考位置处测得的衍射图样为图3A时，如果将狭缝减小200nm，测得的衍射图样将会相对于图3A所示的变化为图3B所示，而在将狭缝增加200nm时，测得的衍射图样则会相对于图3A所示的变化为图3C所示。显然，相比于参考位置处的衍射图样，200nm的距离变化会产生非常明显的图样变化。因此，参考图2B所示的沿N-S方向的直径两端、以及沿W-E方向的圆形平面镜的直径两端之间的高度变化可以控制在200nm以内。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于扫描显微成像***的动态准直方法，所述扫描显微成像***包括光学***、载物台以及设置于光学***和载物台之间的载物吸盘，所述光学***的光轴与所述载物台的法线方向相互平行，其特征在于，所述方法包括：
a、提供平面镜，将其放置于所述载物吸盘上；
b、调整所述平面镜和所述光学***之间的距离，形成达到单缝衍射要求的狭缝；
c、提供激光器，使激光掠入射在垂直于所述光学***的光轴的方向上通过所述狭缝；
d、沿与所述光学***的光轴垂直的方向移动所述载物台，通过图样获取装置检测衍射图样的变化；
e、调整所述载物吸盘相对于所述光学***的光轴的偏斜，使衍射图样在所述载物台沿与所述光学***的光轴垂直的方向移动后保持不变。
2.根据权利要求1所述的动态准直方法，其特征在于，所述图样获取装置包括相对于所述激光器设置在所述光学***另一侧的相机和显示器。
3.根据权利要求1所述的动态准直方法，其特征在于，所述步骤e包括：
调整所述载物吸盘沿与所述光学***的光轴垂直的第一方向的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿第一方向移动后保持不变；
调整所述载物吸盘沿与所述光学***的光轴垂直的第二方向的各点的高度，使衍射图样在所述载物台沿第二方向移动后保持不变，其中第二方向垂直于第一方向。
4.根据权利要求1所述的动态准直方法，其特征在于，所述步骤e包括，通过手动调整或电动调整所述载物吸盘上的一个或多个高度调节装置，调整所述载物吸盘相对于所述光学***的光轴的偏斜。
5.根据权利要求3所述的动态准直方法，其特征在于，所述步骤e包括：
通过手动调整或电动调整所述载物吸盘的沿第一方向设置的若干高度调节装置，调整所述载物吸盘沿第一方向的各点的高度；
通过手动调整或电动调整所述载物吸盘的沿第二方向设置的若干高度调节装置，调整所述载物吸盘沿第二方向的各点的高度。
6.根据权利要求4或5所述的动态准直方法，其特征在于，高度调节装置为高度调节螺钉。
7.根据权利要求1所述的动态准直方法，其特征在于，所述平面镜的形状为圆形，并且其直径在150mm-300mm之间。
8.根据权利要求1所述的动态准直方法，其特征在于，所述动态准直方法的角灵敏度小于0.003°。
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