CN114659461A - 基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置，包括：脉冲激光照射单元，用于发出扩束脉冲激光；半透半反镜，用于反射所述扩束脉冲激光，形成反射扩束脉冲激光；聚焦透镜，用于聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光；所述扫描光照射置于可移动的样品台的样品后反射，形成样品反射光；所述样品反射光经过聚焦透镜和半透半返镜后成为测量信号光；探测扫描采集单元，用于控制样品台移动，并采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。本公开还提供基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像方法，根据超短脉冲重复频率和高速相机响应频率，以提高样品扫描速度，进而提高过焦扫描光学显微测量速度。
Description
技术领域
本公开涉及半导体激光测量技术领域，尤其涉及一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法。
背景技术
随着半导体产业的快速发展，器件结构特征尺寸越来越小，器件结构越来越复杂。为确保器件质量和产率，需要对半导体器件三维特征尺寸进行测量与分析。半导体器件特征尺寸通常为μm至nm量级。传统的测量方法有电子显微镜、扫描隧道显微镜及原子力显微镜，该类方法只能测量表面结构，对内部结构需要采取破坏性手段，同时该类方法测量速度较慢。近年来，基于光学方法的无损测量技术日渐成熟，例如白光干涉法、光谱反射法、光谱散射法，激光共聚焦法等。这类光学方法通常需要精确聚焦来获得准确测量结果，当测量半导体器件不同高度的表面或内部结构时需要重新聚焦，影响测量速度。同时白光干涉法、光谱反射法只能获得沟槽或孔结构的深度信息，光谱散射法只能获得阵列结构的线宽、孔径、侧壁角等参数的平均结果，无法全面真实地反映半导体器件结构信息。
Attota等人提出了一种基于模型的微纳尺度测量方法，即过焦扫描光学显微(Through-focus scanning optical microscope，TSOM)成像方法。该方法在显微镜焦点附近沿光轴方向移动样品，完成离焦-聚焦-离焦的扫描过程。扫描过程中，每一扫描位置处探测器会探测到反射光场的二维强度分布图，随着扫描位置的变化，强度分布图会产生轻微的变化。选取每幅图中轴线上的一条曲线，按扫描位置堆叠组成一幅二维TSOM图。将该TSOM图与图像数据库进行比对以找到最佳匹配图像。随后，人们陆续提出了基于探测器扫描、波长扫描和激光分束多路探测的TSOM方法。TSOM方法在横向和纵向均具有nm级灵敏度，可测量阵列或单体结构的结构类型和几何参数信息。
TSOM方法通常采用连续光作为测量光源，在扫描测量过程中为了获得清晰图像，采集图像时需要样品(或相机、激光波长)处于静止状态，因此扫描和图像采集只能交替进行，大大降低了测量速度，不利于该技术在线测量的应用。基于激光分束多路探测的TSOM测量方法具有极高的测量速度，但是受限于复杂的***结构，测量过程中采集到的图像数量有限，影响了测量结果的精确度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
本公开提供一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置，包括：
脉冲激光照射单元，用于发出扩束脉冲激光；
半透半反镜，用于反射所述扩束脉冲激光，形成反射扩束脉冲激光；
聚焦透镜，用于聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光；所述扫描光照射置于可移动的样品台的样品后反射，形成样品反射光；所述样品反射光经过聚焦透镜和半透半返镜后成为测量信号光；
探测扫描采集单元，用于控制样品台移动，并采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
在本公开实施例中，所述脉冲激光照射单元还包括：
超短脉冲光源，用于输出超短脉冲激光；以及
光源处理模块，用于接收所述超短脉冲激光，并将所述脉冲激光降频和光束整形扩束，形成扩束脉冲激光。
进一步地，所述超短脉冲光源具有激光放大器，所述激光放大器能够提高所述脉冲激光能量。
进一步地，所述样品台，用于承载所述样品，并受移动控制信号控制，且沿设置方向连续移动。
进一步地，所述超短脉冲光源具有光梳稳频元件，能够通过所述光梳稳频元件，将脉冲间隔时间的稳定性溯源到频率基准上。
在本公开实施例中，所述探测扫描采集单元包括：
高速相机，能够沿设置方向连续移动采集所述测量信号光的图像数据；以及
控制采集器，与所述高速相机和所述样品台相连，用于对所述高速相机和所述样品台发出数据采集和移动控制指令，同时对所述图像数据进行处理获得所述样品的过焦扫描光学显微图像。
进一步地，所述控制采集器能够使所述样品台及所述高速相机联动。
本公开还提供一种根据上述任一过焦扫描光学显微成像装置的基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像方法，包括：
操作S1：发出扩束脉冲激光；
操作S2：反射所述扩束脉冲激光形成反射扩束脉冲激光；
操作S3：聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光；
所述扫描光照射置于可移动样品台的样品后反射，形成样品反射光；所述样品反射光经过聚焦透镜和半透半返镜后形成测量信号光；以及
操作S4：移动样品台的同时采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
进一步地，所述操作S3与所述操作S4联动进行。
在本公开实施例中，所述过焦扫描光学显微成像方法根据超短脉冲重复频率和高速相机响应频率，以提高样品扫描速度，进而提高过焦扫描光学显微测量速度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够通过数值仿真的方法建立数据库，建立模型模拟不同条件(待测样品结构特征和几何参数)下，反射光场的分布情况；
(2)能够通过深度学习方法训练神经网络识别过焦扫描光学显微图像，避免建立数据库的繁琐工作；
(3)能够移动高速相机替代移动样品，完成扫描过程；以及
(4)能够在样品或高速相机沿光轴连续扫描的过程中采集图像，提高了过焦扫描光学显微方法的测量速度。
附图说明
图1为本公开实施例基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置示意图；以及
图2为本公开实施例基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像方法流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1 超短脉冲光源
2 光源处理模块
3 半透半反镜
4 聚焦透镜
5 样品台
6 高速相机
7 控制采集器
具体实施方式
本公开提供了一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法，所述的过焦扫描光学显微成像装置及方法可以在样品或高速相机沿光轴连续扫描的过程中采集图像，提高了过焦扫描光学显微方法的测量速度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置，如图1所示，过焦扫描光学显微成像装置包括：用于发出扩束脉冲激光的脉冲激光照射单元；用于反射所述扩束脉冲激光，形成反射扩束脉冲激光的半透半反镜3；用于聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光的聚焦透镜4；所述扫描光照射置于可移动的样品台5的样品后形成样品反射光；所述样品反射光返回后经聚焦透镜和半透半返镜后，形成测量信号光；探测扫描采集单元，用于控制样品台移动，并采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
在本公开实施例中，如图1所示，所述脉冲激光照射单元还包括：用于输出超短脉冲激光的超短脉冲光源1；及用于接收所述超短脉冲激光，并将所述脉冲激光降频和光束整形扩束，形成扩束脉冲激光的光源处理模块2。
进一步地，所述超短脉冲光源具有激光放大器，所述激光放大器能够提高所述脉冲激光能量。
进一步地，所述样品台5，用于承载所述样品，并受移动控制信号控制，且沿设置方向连续移动。
进一步地，所述超短脉冲光源具有光梳稳频元件，能够通过所述光梳稳频元件，将脉冲间隔时间的稳定性溯源到频率基准上。
在本公开实施例中，如图1所示，所述探测扫描采集单元包括：高速相机6，能够沿设置方向连续移动采集所述测量信号光的图像数据；及控制采集器7与所述高速相机6和所述样品台5相连，用于对所述高速相机和所述样品台5发出数据采集指令和移动控制指令，同时对所述图像数据进行处理获得所述样品的过焦扫描光学显微图像。
进一步地，所述控制采集器能够使所述样品台及所述高速相机联动。
在本公开实施例中，如图2所示，还提供一种根据上述的过焦扫描光学显微成像装置的基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像方法，包括：
操作S1：发出扩束脉冲激光；
操作S2：反射所述扩束脉冲激光，形成反射扩束脉冲激光；
操作S3：将所述反射扩束脉冲激光聚焦形成扫描光；
所述扫描光照射置于可移动样品台的样品后形成样品反射光；所述反射样品光经过聚焦透镜和半透半返镜后形成测量信号光；以及
操作S4：移动样品台的同时采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
进一步地，所述操作S3与所述操作S4联动进行。
在本公开实施例中，所述过焦扫描光学显微成像方法根据超短脉冲重复频率和高速相机响应频率，以提高样品扫描速度，进而提高过焦扫描光学显微测量速度。
具体地，本公开以超短脉冲激光作为过焦扫描光学显微测量光源，降低超短脉冲重复频率以匹配高速相机的帧率。在采集图像的过程中，样品连续扫描完成整个测量过程。受益于超短脉冲激光的超短曝光时间(fs-ps量级)，即使样品处于移动状态仍然可以获得清晰图像。该装置可提高过焦扫描光学显微成像测量方法的测量速度。
如图1所示，为本公开装置示意图。超短脉冲光源1输出的超短脉冲激光经过光源处理模块2完成降频和光束整形扩束，形成扩束脉冲激光，扩束后的扩束脉冲激光由半透半反镜3反射，再由聚焦透镜4聚焦，照射到样品上。样品放置在样品台5上。反射光束依次经过聚焦透镜4、半透半反镜3后由高速相机6探测。样品台5，和高速相机6由控制采集器7联动控制，实现扫描、数据采集同步进行。由于超短脉冲激光持续时间通常为fs-ps量级，可以在样品台沿设置方向连续扫描的同时，完成图像采集。采集后的数据由计算机7处理，获得该样品的过焦扫描光学显微图像，并与数据库比对。数据库通过测量具有不同结构特征、不同几何参数的系列标准样件来建立，通过比对选出与扫描合成图像最匹配的数据库图像，该匹配图像所对应的结构特征和几何参数即为最终测量结果。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置及方法，能够通过数值仿真的方法建立数据库，建立模型模拟不同条件(待测样品结构特征和几何参数)下，反射光场的分布情况；能够通过深度学习方法训练神经网络识别过焦扫描光学显微图像，避免建立数据库的繁琐工作；能够移动高速相机替代移动样品，完成扫描过程；能够在样品或高速相机沿光轴连续扫描的过程中采集图像，提高了过焦扫描光学显微方法的测量速度。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像装置，包括：
脉冲激光照射单元，用于发出扩束脉冲激光；
半透半反镜，用于反射所述扩束脉冲激光，形成反射扩束脉冲激光；
聚焦透镜，用于聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光；所述扫描光照射置于可移动的样品台的样品后反射，形成样品反射光；所述样品反射光经过聚焦透镜和半透半返镜后成为测量信号光；
探测扫描采集单元，用于控制样品台移动，并采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
2.根据权利要求1所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述脉冲激光照射单元还包括：
超短脉冲光源，用于输出超短脉冲激光；以及
光源处理模块，用于接收所述超短脉冲激光，并将所述超短脉冲激光降频和光束整形扩束，形成扩束脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述超短脉冲光源具有激光放大器，所述激光放大器能够提高所述脉冲激光能量。
4.根据权利要求2所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述样品台，用于承载所述样品，并受移动控制信号控制，且沿设置方向连续移动。
5.根据权利要求2所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述超短脉冲光源具有光梳稳频元件，能够通过所述光梳稳频元件，将脉冲间隔时间的稳定性溯源到频率基准上。
6.根据权利要求1所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述探测扫描采集单元包括：
高速相机，能够沿设置方向连续移动采集所述测量信号光的图像数据；以及
控制采集器，与所述高速相机和所述样品台相连，用于对所述高速相机和所述样品台发出数据采集和移动控制指令，同时对所述图像数据进行处理获得所述样品的过焦扫描光学显微图像。
7.根据权利要求6所述的过焦扫描光学显微成像装置，其中，所述控制采集器能够使所述样品台及所述高速相机联动。
8.一种根据权利要求1至7所述的过焦扫描光学显微成像装置的基于脉冲激光的过焦扫描光学显微成像方法，包括：
操作S1：发出扩束脉冲激光；
操作S2：反射所述扩束脉冲激光形成反射扩束脉冲激光；
操作S3：聚焦所述反射扩束脉冲激光形成扫描光；
所述扫描光照射置于可移动样品台的样品后反射，形成样品反射光；所述样品反射光经过聚焦透镜和半透半返镜后形成测量信号光；以及
操作S4：移动样品台的同时采集所述测量信号光的图像数据，进而获得样品的过焦扫描光学显微图像。
9.根据权利要求8所述的过焦扫描光学显微成像方法，其中，所述操作S3与所述操作S4联动进行。
10.根据权利要求8所述的过焦扫描光学显微成像方法，其中，所述过焦扫描光学显微成像方法根据超短脉冲重复频率和高速相机响应频率，以提高样品扫描速度，进而提高过焦扫描光学显微测量速度。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|---|
| CN114659461B (zh) | 2024-02-09 |
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