路海
(北京印刷學(xué)院,北京市印刷電子工程技術(shù)研究中心,北京 102600)
20世紀(jì)50年代中期,Marvin Minsky首次提出了激光掃描共焦顯微鏡的基本概念[1],他使用一個(gè)針孔在顯微鏡的照明光路中,再用另一個(gè)針孔在共軛焦平面(因此稱(chēng)共聚焦),由此焦距外的光線可以被針孔阻斷,可以避免樣品其他部位光的散射對(duì)圖像造成影響,這樣的顯微鏡會(huì)產(chǎn)生一幅比傳統(tǒng)的顯微鏡(寬視場(chǎng))更清晰的圖像。共聚焦掃描,是一種結(jié)合光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和材料等多學(xué)科技術(shù)的高端光學(xué)顯微成像技術(shù)。LSCM以紫外光或可見(jiàn)光為光源,在熒光顯微鏡成像的基礎(chǔ)上加裝激光掃描裝置,并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理,使光學(xué)成像的分辨率提高了30%[2]。它具有對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)切片和三維重建的功能,同時(shí)還具有精度高、成像速度快、成像質(zhì)量好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3],因此在生物化學(xué)、植物學(xué)、形態(tài)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。 本文旨在通過(guò)闡述LSCM的檢測(cè)原理及在形態(tài)檢測(cè)上優(yōu)勢(shì),介紹了LSCM在印刷電路板、顯示器件、電子器件、印刷打印等領(lǐng)域的應(yīng)用。
LSCM采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng),可通過(guò)極小針孔,完全排除焦點(diǎn)位置外產(chǎn)生的反射光、環(huán)境光,并將反射光量最多的位置識(shí)別為正確高度。照明針孔與探測(cè)針孔對(duì)被照射點(diǎn)或被探測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是共軛的,因此被探測(cè)點(diǎn)即共焦點(diǎn),被探測(cè)點(diǎn)所在的平面即共焦平面(圖1、圖2),計(jì)算機(jī)以像點(diǎn)的方式將被探測(cè)點(diǎn)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,為了產(chǎn)生一幅完整的圖像,掃描裝置提供三個(gè)維度的相對(duì)位移,由光路中的掃描系統(tǒng)在樣品焦平面上掃描,先在某特定深度獲得該深度的二維圖像,然后改變?cè)撋疃葟亩@得一系列的二維圖像,再通過(guò)圖像處理中的三維重建技術(shù),把這一系列的二維圖像重建,最終產(chǎn)生一幅完整的三維圖像[3]。不僅可通過(guò)高精度定位實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量,還可對(duì)排除了散焦部分的圖像進(jìn)行累積(圖3),解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以解決的問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)高精細(xì)、高倍率觀察。
圖2 LSCM成像原理簡(jiǎn)圖[3]
圖3 針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)與普通光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)位置檢測(cè)對(duì)比圖
LSCM測(cè)量樣品時(shí),表面差異通過(guò)數(shù)值實(shí)現(xiàn)可視化,相對(duì)于傳統(tǒng)顯微系統(tǒng)可并列排列需分析的樣品,通過(guò)需比較的項(xiàng)目進(jìn)行分析,可實(shí)現(xiàn)不選擇材質(zhì)與形狀的高精度測(cè)量。通過(guò)高分辨率、角度特性,實(shí)現(xiàn)干涉計(jì)及以往LSCM所無(wú)法進(jìn)行的測(cè)量。本課題組實(shí)驗(yàn)室使用的VK-X系列LSCM的激光應(yīng)用技術(shù)以及軟核處理器,使測(cè)量結(jié)果不再產(chǎn)生因人所致的不均。在空氣中實(shí)現(xiàn)高倍彩色并以最高分辨率觀察,實(shí)現(xiàn)可與SEM相媲美的高分辨率。LSCM在形狀測(cè)量上相對(duì)于其他設(shè)備的優(yōu)勢(shì)如下,如表1和表2。使用 SEM 時(shí),必須對(duì)目標(biāo)進(jìn)行噴金覆蓋層或切割等預(yù)處理,但使用LSCM時(shí)就無(wú)需如此。使用接觸式輪廓儀時(shí),探針可能會(huì)發(fā)生故障,或由于針尖的厚度難以測(cè)量到精確的輪廓。然而,使用激光顯微鏡就可以做到精確的測(cè)量,除了寬度和高度以外,角度、形狀、表面積和體積等各種分析也均能實(shí)現(xiàn)。
可進(jìn)行非接觸測(cè)量,利用激光實(shí)現(xiàn)高精度掃描,不損傷目標(biāo)物,可瞬時(shí)測(cè)量目標(biāo)位置。粗糙度儀的情況下,探針需要接觸到樣品表面,因此存在各種測(cè)量限制,即可測(cè)量的目標(biāo)物有限。
簡(jiǎn)單快速,無(wú)需預(yù)處理,可實(shí)現(xiàn)高精細(xì)彩色觀察,可測(cè)量各種樣品。在SEM的情況下,需進(jìn)行真空處理,因此實(shí)施觀察步驟前需等待一段時(shí)間。此外,SEM不僅可測(cè)量的樣品種類(lèi)有限,而且僅可以使用黑白的形式進(jìn)行觀察。
可測(cè)量各種目標(biāo)物,通過(guò)針孔共聚焦實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量??稍诘驮胍舻那闆r下對(duì)陡峭的形狀實(shí)現(xiàn)測(cè)量,測(cè)量時(shí)樣品傾斜也沒(méi)關(guān)系,系統(tǒng)自帶傾斜矯正,水平分辨率高。在光干涉儀的情況下,測(cè)量目標(biāo)物表面的反射率需足夠高否則難以實(shí)施測(cè)量,因此角度特性大,除需進(jìn)行傾斜補(bǔ)正外,其水平分辨率相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡。
表1 激光顯微系統(tǒng)與傳統(tǒng)觀察、測(cè)量?jī)x器的不同之處
表2 LSCM優(yōu)點(diǎn)與光學(xué)顯微系統(tǒng)、SEM和粗糙度儀缺點(diǎn)
共聚焦技術(shù)除了在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛外,在印刷電路板、芯片、電子器件等材料的研發(fā)和生產(chǎn)檢測(cè)等領(lǐng)域也具有極高的應(yīng)用價(jià)值[5]。激光顯微系統(tǒng)使用短波長(zhǎng)激光,可將高分辨率、高對(duì)比度的觀察圖像通過(guò)真彩色完全對(duì)焦的圖像顯示,解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以觀察的問(wèn)題,輕松精確地觀察有立體構(gòu)造、微觀結(jié)構(gòu)的物體,并進(jìn)行形狀分析。某些型號(hào)LSCM自帶的軟件能自動(dòng)、精確地把X,Y和Z方向上的所有圖像數(shù)據(jù)聯(lián)合,以執(zhí)行精確的廣域3D測(cè)量,如可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的彎曲/扭曲測(cè)量,圖案的截面輪廓,鍍層的表面粗糙度或者通孔輪廓等。
在印刷電路板、芯片安裝領(lǐng)域利用LSCM可以快速精確地對(duì)電路板上鍍層的粗糙度,通孔輪廓和底部的觀測(cè)和粗糙度測(cè)量,圖案的輪廓,寬度和高度分析,光阻材料的厚度測(cè)。
LSCM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種光學(xué)膜(散射,棱鏡,光導(dǎo),光聚焦等)的輪廓和粗糙度測(cè)量,對(duì)濾色鏡的粗糙度和厚度測(cè)量/感光性間隙材料的輪廓和高度測(cè)量,對(duì)OEL(Organic Electro-Luminescence)染料的粗糙度測(cè)量,對(duì)各種薄膜的厚度和粗糙度測(cè)量,對(duì)TFT(Thin Film Transistor) 元件的圖案高度和寬度測(cè)量。
接觸式輪廓儀使用較粗的針尖量測(cè)目標(biāo)輪廓,目標(biāo)在應(yīng)用或窄間距案處理后無(wú)法精確測(cè)量。而借助亞微米光束點(diǎn)執(zhí)行非接觸式測(cè)量的經(jīng)過(guò)顯微鏡可以做到精確的測(cè)量。圖案的輪廓可以自動(dòng)提取。北京印刷學(xué)院印刷電子課題組劉世麗制備微米精細(xì)圖案所用的硅模板,利用LSCM表征得到清晰圖像,如圖4為共聚焦反射光成像所測(cè)得的經(jīng)過(guò)光刻蝕的硅板圖像信息[6],通過(guò)軟件生成的高清晰圖像報(bào)告,一次測(cè)量可以得出其刻蝕的寬度,深度,橫截面長(zhǎng)度及橫截面面積等信息。
圖4 光刻蝕硅板圖像(a).共聚焦反射光所測(cè)光刻蝕硅板激光圖像;(b).光刻蝕硅板3D測(cè)量圖像;(c).光刻蝕硅板輪廓圖;(d).光刻蝕硅板輪廓信息
使用LSCM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種硒鼓表面粗糙度和厚度測(cè)量,硒鼓上碳粉的厚度測(cè)量,噴墨打印機(jī)的噴頭形狀測(cè)量,熱敏打印機(jī)的打印頭形狀測(cè)量,清潔刀片的刀尖形狀測(cè)量等,簡(jiǎn)便快捷。
本文通過(guò)對(duì)LSCM檢測(cè)原理進(jìn)行介紹,分析了LSCM在測(cè)量上相對(duì)于其他傳統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)勢(shì),其操作簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品非接觸測(cè)量,并解決了測(cè)量值因人而異的問(wèn)題,在短時(shí)間內(nèi)就能完成樣品分析等極大地滿足了各行業(yè)的檢測(cè)需求。