激光掃描共聚焦顯微鏡在形狀測量上的應用研究

路海

(北京印刷學院，北京市印刷電子工程技術研究中心，北京 102600)

20世紀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]，他使用一個針孔在顯微鏡的照明光路中，再用另一個針孔在共軛焦平面(因此稱共聚焦)，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圖像造成影響，這樣的顯微鏡會產生一幅比傳統的顯微鏡(寬視場)更清晰的圖像。共聚焦掃描，是一種結合光學、機械、電子、計算機和材料等多學科技術的高端光學顯微成像技術。LSCM以紫外光或可見光為光源，在熒光顯微鏡成像的基礎上加裝激光掃描裝置，并利用計算機進行圖像處理，使光學成像的分辨率提高了30%[2]。它具有對樣品進行光學切片和三維重建的功能，同時還具有精度高、成像速度快、成像質量好、操作簡單等優點[3]，因此在生物化學、植物學、形態學等領域應用廣泛[4]。 本文旨在通過闡述LSCM的檢測原理及在形態檢測上優勢，介紹了LSCM在印刷電路板、顯示器件、電子器件、印刷打印等領域的應用。

1 LSCM的構造和檢測原理

LSCM采用針孔共聚焦光學系統，可通過極小針孔，完全排除焦點位置外產生的反射光、環境光，并將反射光量最多的位置識別為正確高度。照明針孔與探測針孔對被照射點或被探測點來說是共軛的，因此被探測點即共焦點，被探測點所在的平面即共焦平面(圖1、圖2)，計算機以像點的方式將被探測點顯示在計算機屏幕上，為了產生一幅完整的圖像，掃描裝置提供三個維度的相對位移，由光路中的掃描系統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，然后改變該深度從而獲得一系列的二維圖像，再通過圖像處理中的三維重建技術，把這一系列的二維圖像重建，最終產生一幅完整的三維圖像[3]。不僅可通過高精度定位實現高精度測量，還可對排除了散焦部分的圖像進行累積(圖3)，解決了傳統光學顯微鏡難以解決的問題，從而實現高精細、高倍率觀察。

圖2 LSCM成像原理簡圖[3]

圖3 針孔共聚焦光學系統與普通光學系統焦點位置檢測對比圖

2 LSCM在形狀檢測上的優勢

LSCM測量樣品時，表面差異通過數值實現可視化，相對于傳統顯微系統可并列排列需分析的樣品，通過需比較的項目進行分析，可實現不選擇材質與形狀的高精度測量。通過高分辨率、角度特性，實現干涉計及以往LSCM所無法進行的測量。本課題組實驗室使用的VK-X系列LSCM的激光應用技術以及軟核處理器，使測量結果不再產生因人所致的不均。在空氣中實現高倍彩色并以最高分辨率觀察，實現可與SEM相媲美的高分辨率。LSCM在形狀測量上相對于其他設備的優勢如下，如表1和表2。使用 SEM 時，必須對目標進行噴金覆蓋層或切割等預處理，但使用LSCM時就無需如此。使用接觸式輪廓儀時，探針可能會發生故障，或由于針尖的厚度難以測量到精確的輪廓。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現。

2.1 LSCM相對于粗糙度儀的優勢

可進行非接觸測量，利用激光實現高精度掃描，不損傷目標物，可瞬時測量目標位置。粗糙度儀的情況下，探針需要接觸到樣品表面，因此存在各種測量限制，即可測量的目標物有限。

2.2 LSCM相對于SEM的優勢

簡單快速，無需預處理，可實現高精細彩色觀察，可測量各種樣品。在SEM的情況下，需進行真空處理，因此實施觀察步驟前需等待一段時間。此外，SEM不僅可測量的樣品種類有限，而且僅可以使用黑白的形式進行觀察。

2.3 LSCM相對于光干涉儀的優勢

可測量各種目標物，通過針孔共聚焦實現高精度測量。可在低噪音的情況下對陡峭的形狀實現測量，測量時樣品傾斜也沒關系，系統自帶傾斜矯正，水平分辨率高。在光干涉儀的情況下，測量目標物表面的反射率需足夠高否則難以實施測量，因此角度特性大，除需進行傾斜補正外，其水平分辨率相當于光學顯微鏡。

表1 激光顯微系統與傳統觀察、測量儀器的不同之處

表2 LSCM優點與光學顯微系統、SEM和粗糙度儀缺點

3 激光共聚焦顯微鏡的應用

共聚焦技術除了在生物學和醫學領域應用廣泛外，在印刷電路板、芯片、電子器件等材料的研發和生產檢測等領域也具有極高的應用價值[5]。激光顯微系統使用短波長激光，可將高分辨率、高對比度的觀察圖像通過真彩色完全對焦的圖像顯示，解決了傳統光學顯微鏡難以觀察的問題，輕松精確地觀察有立體構造、微觀結構的物體，并進行形狀分析。某些型號LSCM自帶的軟件能自動、精確地把X，Y和Z方向上的所有圖像數據聯合，以執行精確的廣域3D測量，如可以實現對樣品的彎曲/扭曲測量，圖案的截面輪廓，鍍層的表面粗糙度或者通孔輪廓等。

3.1 印刷電路板、芯片安裝行業中的應用

在印刷電路板、芯片安裝領域利用LSCM可以快速精確地對電路板上鍍層的粗糙度，通孔輪廓和底部的觀測和粗糙度測量，圖案的輪廓，寬度和高度分析，光阻材料的厚度測。

3.2 在顯示領域中的應用

LSCM可以實現對各種光學膜(散射，棱鏡，光導，光聚焦等)的輪廓和粗糙度測量，對濾色鏡的粗糙度和厚度測量/感光性間隙材料的輪廓和高度測量，對OEL(Organic Electro-Luminescence)染料的粗糙度測量，對各種薄膜的厚度和粗糙度測量，對TFT(Thin Film Transistor) 元件的圖案高度和寬度測量。

3．3 在電子零件領域中的應用

接觸式輪廓儀使用較粗的針尖量測目標輪廓，目標在應用或窄間距案處理后無法精確測量。而借助亞微米光束點執行非接觸式測量的經過顯微鏡可以做到精確的測量。圖案的輪廓可以自動提取。北京印刷學院印刷電子課題組劉世麗制備微米精細圖案所用的硅模板，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得的經過光刻蝕的硅板圖像信息[6]，通過軟件生成的高清晰圖像報告，一次測量可以得出其刻蝕的寬度，深度，橫截面長度及橫截面面積等信息。

圖4 光刻蝕硅板圖像(a).共聚焦反射光所測光刻蝕硅板激光圖像；(b).光刻蝕硅板3D測量圖像；(c).光刻蝕硅板輪廓圖；(d).光刻蝕硅板輪廓信息

3.4 打印、印刷、復印機器等領域的應用

使用LSCM可以實現對各種硒鼓表面粗糙度和厚度測量，硒鼓上碳粉的厚度測量，噴墨打印機的噴頭形狀測量，熱敏打印機的打印頭形狀測量，清潔刀片的刀尖形狀測量等，簡便快捷。

4 結語

本文通過對LSCM檢測原理進行介紹，分析了LSCM在測量上相對于其他傳統設備的優勢，其操作簡單，可實現對樣品非接觸測量，并解決了測量值因人而異的問題，在短時間內就能完成樣品分析等極大地滿足了各行業的檢測需求。