微纳结构尺寸往下压三维表面形貌测量的分辨率和景深成了硬瓶颈。焦外杂光一混进来三维信息就糊掉。晶圆、锂电极片、精密光学件上工业显微镜常常只有一张模糊图微纳结构测量拿不到真实形貌。共聚焦显微镜三维表面测量靠点扫描加针孔滤波往前推一步核心是点扩散函数。用Richards-Wolf矢量衍射理论算过焦面光斑能压到亚波长非接触式测量和工业3D测量有了稳定基础。3D共聚焦显微镜在这个基础上做了工程化处理保证扫描稳定性和数据重复性适合半导体、新能源和精密制造现场的日常检测。共聚焦显微镜的基本组成与成像原理共聚焦显微镜的核心部件是激光器、扫描振镜、探测针孔和光电倍增管。激光经振镜逐点扫过样品面。返回光由物镜收集后进探测器针孔只放行焦平面附近的光3D表面测量才拿得到干净信号。每扫一个点系统只看样品的一个薄层。物镜沿z轴推进各深度的切片叠起来三维共聚焦显微镜就把三维形貌重建出来了。针孔滤掉离焦光三维表面形貌测量要的层析能力才成立微结构测量的高度读数也才可信。照明点扩散函数的影响因素与优化照明点扩散函数管的是焦点处光斑有多大、什么形状。它决定分辨极限。关键参数是数值孔径、入射光偏振和基底条件光斑越小3D表面形貌和3D轮廓测量能读出的细节越细。数值孔径一提高焦平面的半高全宽FWHM明显变小。参考论文以488 nm圆偏光为例在NA 0.4到1.6区间计算FWHM随NA单调下降NA足够大时进入亚波长量级。因为NA等于n·sinα收集角越大衍射极限光斑越小。选物镜能上大NA就上光学轮廓测量和表面粗糙度测量才拿得到亚微米读数。照明点扩散函数的半高全宽FWHM随数值孔径的变化λ488 nm 圆偏光偏振状态会改光斑形态。论文取NA等于1.45算过三种偏振径向偏振光纵向分量很强聚焦后是实心柱对称光斑角向偏振是空心甜甜圈线偏振最常用呈椭圆。径向偏振的纵向分量来自零阶贝塞尔函数叠加后把能量压向光轴。工业显微镜和微纳结构测量里线偏振最容易实现。金属膜会给聚焦光场加一层环形滤波。论文里40 nm厚的银膜488 nm下共振角是45.8度共振处透过率骤降后焦面留下暗环。暗环越大三维表面形貌测量和微结构测量拿到的光斑越紧非接触式测量与表面粗糙度测量同样受益。探测点扩散函数与针孔尺寸的关键作用探测端的点扩散函数和针孔尺寸挂钩。针孔小了信号丢得厉害针孔大了离焦光漏进来横向分辨率跟着掉共聚焦三维成像的对比度也下降。这是微结构三维测量方法必须权衡的矛盾。把针孔的归一化半径v_d压到2以下分辨率和信噪比兼顾得住这是论文的计算结论。v_d超过4之后FWHM基本不再随针孔变化分辨率由照明端决定。共聚焦显微镜操作时先确认信号够用再收小针孔3D轮廓测量、3D表面测量和工业3D测量的重复性都靠这一步。归一化针孔半径 v_rd 与共聚焦点扩散函数 FWHM 的关系很多测量做不成功根子在针孔没落进合适区间。设备若能把针孔选择做成半自动或给推荐值三维表面形貌测量、3D轮廓测量和光学轮廓测量的门槛就低很多。共聚焦点扩散函数共聚焦总点扩散函数是照明PSF与探测PSF卷积针孔函数后的乘积。针孔趋近于零、收发共用同一物镜时总PSF近似为照明PSF的平方。模拟180 nm间隔的光栅宽场FWHM是共聚焦的根号2倍三维共聚焦显微镜、微结构测量和工业显微镜都更愿意用它。间隔 180 nm 样品的宽场与共聚焦对比a样品b(c) 点扩散函数d(e) 成像。针孔滤掉离焦光z方向响应被收窄相邻深度的信号不再互相污染。三维表面形貌测量常用的Sa、Sq等参数由ISO 25178系列标准定义表面粗糙度测量要的正是每一点高度都可信。多功能共聚焦平台的升级方向再往上做可以在同一套光路上挂不同模块全内反射做暗场激发泄露辐射进后焦面成像光谱探测取微区光谱。共聚焦三维成像因此能同时拿到形貌和光学特性。工业场景更实用的是把3D表面测量、微纳结构测量和工业3D测量做成标准模块。共聚焦显微镜的分辨率提升说到底是点扩散函数怎么调的问题。选大数值孔径物镜、匹配合适偏振、把针孔收进合理区间再配稳定机械与软件三维表面形貌测量就具备上产线的条件。非接触式3D表面形貌测量能走到这一步靠的正是非接触式测量与光学轮廓测量这套组合。原文参考:《基于共聚焦显微平台对金属微纳单元结构的测量和表征 》*特别声明本公众号所发布的原创及转载文章仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考如涉及版权问题敬请联系我们将在第一时间核实并处理。